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降雨对榆阳区明长城单体建筑模型破坏的定量化研究

  中图分类号:K854.3  文献标识码:A  文章编号:1000-4106(2015)04-0127-09
  A Quantitative Study of the Destruction Caused by Rain to the Ming Dynasty Great Wall in Yuyang Borough
  YAO Xue1 ZHAO Fan2 SUN Manli1
  (1. College of Cultural Heritage, Northwest University, Xi’an 710068;
  2. Sichuan Provincial Cultural Relics and Archeology Research Institute, Chengdu, Sichuan 610041)
  Abstract: The destruction of rainfall to the Ming dynasty Great Wall in Yuyang district is mainly caused by water and gravitational erosion. As our research shows, this erosion will be intensified with by increases in the duration and intensity of rainfall, which will cause earlier and heavier destruction of wall structures. Generally, only rainfalls larger than 12mm or 25mm can cause damage to the sites, the damage sustained increasing as rain prolongs. Gravitational erosion usually occurs suddenly after sustained rainfall, and rainfall larger than 25mm with heavy precipitation will naturally lead to gravitational erosion.
  Keywords: water erosion; gravitational erosion; cumulative sediment yield; rainfall duration
  1  前  言
  榆阳区明长城单体建筑位于西北干旱地区。该地区年降雨集中,呈集中暴发式的特点[1-6],这种降雨特征对该地区土遗址的保存非常不利。作者已详细论证了降雨对明长城单体建筑破坏的影响因素和破坏方式,并采用模拟降雨的方法验证了明长城单体建筑的两种破坏方式和具体的破坏过程[7-9]。但以上研究主要集中在对明长城单体建筑破坏的定性研究方面,缺少对破坏过程的量化描述。本文借鉴水土保持学理论,以土体产沙量作为模型破坏的量化指标,定量研究了五种不同形态的遗址模型在三种不同类型降雨下的破坏规律,为后期研究该地区降雨风险分级奠定基础。
  2  试验简介
  本次试验采用室内模拟降雨装置对陕北明长城单体建筑的比尺模型进行侵蚀性降雨[1-5]试验,模拟单体建筑的雨蚀过程。
  2.1 模拟降雨器
  模型试验中采用喷头式模拟降雨器,主要包括增压泵、调压阀、水压表、喷头控制阀、喷头、水管、接头等,见图1。通过对模拟降雨器进行降雨强度和均匀度率定可以得出,模拟降雨器在有效降雨面积内,单喷头模式下降雨强度调节范围为0.75―1.45mm/min,均匀系数在0.8以上;双喷头模式下降雨强度调节范围为1.75―2.40mm/min,均匀系数在0.75以上,满足试验降雨强度和均匀度的需求。
  图1附注:
  (1)模拟降雨发生装置:1-1增压泵、1-2调压阀、1-3水压表(量程0.6MPa)、1-4喷头控制阀、1-5喷头;
  (2)含沙水流接收装置:2-1小型有机玻璃
  水槽(带排水口)、2-2集流盆;
  (3)室内排水挡水装置:3-1大型有机玻璃
  水槽(带排水口)、3-2雨水收集盆、3-3雨帘;
  (4)支架;
  (5)雨量筒。
  2.2 遗址模型的选择
  本次试验采用遗址土制作重塑样,采用分层夯筑法,控制夯层厚度(8―10cm)、夯筑密实程度(1.65g/cm3)与遗址接近。选择保存状态好和较差的五类遗址(D1-1、D2-1、D2-2、D2-3、D2-4)作为遗址原型,拟定为原型的1:20,见表1。通过控制底面面积,使其受雨面积相同,即可使每种遗址模型的降雨条件相同。
  2.3 降雨方案设计
  根据模型试验相似理论的要求,模拟降雨需要能够反映出遗址区的降雨特点。通过分析遗址区的降雨特点可知,单次暴雨中的高强度降雨时段对遗址破坏最为严重。因而在降雨方案的设计中,依据遗址区A型和B型暴雨[1,6]高强度降雨时段的雨强与历时参数,同时参考模拟降雨器的雨强调节范围,设定了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种雨型。其中Ⅰ型降雨代表了A型暴雨高强度降雨时段的特点,Ⅱ型和Ⅲ型降雨代表了B型暴雨高强度降雨时段的特点。三种雨型的降雨强度和降雨历时不同,降雨量基本相同。试验中分别对五种形态的遗址模型依次进行Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种雨型的降雨各一场,共15场,见表2。其中降雨时间间隔设计为5天左右。   3  降雨对遗址模型破坏过程的研究
  前期研究表明,遗址模型的总侵蚀量由水力侵蚀的产沙量和重力侵蚀的侵蚀量两部分组成[10-15]。下面分别对两种破坏模式进行量化研究。
  3.1 水力侵蚀的产沙过程
  3.1.1 试验结果
  累积产沙量是指降雨过程中从降雨开始到某一时间内的总产沙量,整体上反映了降雨对遗址模型水力侵蚀产沙的水平。产沙速率是指降雨过程中某一降雨历时单位时间内的产沙量,直接反映了降雨对遗址模型水力侵蚀产沙的动态变化。试验中,通过测定五种形态的遗址模型在三种雨型的降雨中的累积产沙量和产沙速率的变化过程,得出的试验结果如图2所示。
  3.1.2结果分析
  从降雨特征和遗址形态对水力侵蚀产沙过程的影响等两方面,分析累积产沙量和产沙速率变化过程的试验结果。
  (1)降雨特征对产沙过程的影响
  降雨特征主要反映在降雨历时、降雨强度和降雨量三个参数上,下文分别从这三个方面对产沙过程的规律进行分析,研究降雨特征对遗址模型水力侵蚀破坏过程的影响。
  1)降雨历时
  由图2可以看出,在每场降雨中,随着降雨历时的增加,累积产沙量不断增大。降雨初期累积产沙量保持在一低水平内缓慢增长,经过一定时间后开始较为快速地增长,之后随着降雨的继续直至结束,累积产沙量都维持着一个稳定、快速的增长速度。同时,通过曲线拟合得出,每场降雨中累积产沙量与降雨历时的关系可用回归方程y=axb表示(y为累积产沙量,x为降雨历时,a、b为系数),其中R2均在0.97以上。结合回归方程y=axb的函数关系特点和水力侵蚀产沙过程的物理意义分析(见表3)可见,随着降雨历时的增加,累积产沙量的增长速度不断增大,其中系数a可用来表示产沙基数,反映了本次降雨过程中累积产沙量的整体水平[16]。
  由图3可以明显看出,在每场降雨中,随着降雨历时的增加产沙速率都表现出不同程度的增大。降雨初期产沙速率增长缓慢,一定时间后开始快速增长并很快达到一较高水平,之后随着降雨的继续产沙速率大致维持此水平直至降雨结束,同时表现出很大的波动性(图4)。这主要是因为,降雨初期遗址模型土体较为干燥,土体快速吸收雨水并不断下渗,产生的径流量很小,因而径流的冲刷侵蚀微弱;但随着降雨的继续,遗址模型表层土体逐渐吸水饱和,雨水下渗速度减慢,径流开始大量产生,加之表层土体在雨滴溅蚀作用下常被分散成小土粒,径流的冲刷侵蚀破坏加剧,水力侵蚀的产沙量也就显著增大。
  在每场降雨的中后期,产沙速率的变化都表现出了很大的波动性。在降雨过程中发现,一般在重力侵蚀结束后一定时间内收集的径流中含沙量明显偏高,这说明高含沙水流与重力侵蚀关系密切。本文以遗址模型D1-1和D2-2为例,对降雨过程中产沙速率与重力侵蚀的关系进行了分析。由图5、6可以看出,一般在重力侵蚀发生后的4―6min内,产沙速率经历了一个快速增长至峰值后迅速回落的波动过程。通常单次重力侵蚀量越大,产沙速率峰值也越大。根据重力侵蚀的破坏方式分析,这主要是因为土块在脱离母体的过程中常与母体相互碰撞、摩擦,使母体表土变得破碎、松散而加剧了水力侵蚀的产沙,或者土块在下落过程崩散形成一些小块土,从而增加了水力侵蚀的沙源,这些都会造成产沙速率的波动。此外,试验过程中对一些坍塌土收集不及时或不完全,也会使产沙速率发生一定的波动。
  2)降雨强度
  同一形态的遗址模型在三种雨型的降雨中,随着降雨强度的增加,累积产沙量在降雨初期保持低水平增长的时间明显缩短,产沙速率开始快速增长的时间提前、增长期缩短。由图2、3可以明显看出,按照Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型降雨的顺序,整体上累积产沙量在降雨开始后保持低水平增长的时间依次为12―16min、6―8min、4―6min,产沙速率快速增长期依次为12―22min、6―12min、4―8min。同时,随着降雨强度的增加,同一降雨历时的累积产沙量和产沙速率都有大幅提高,水力侵蚀产沙的整体水平和平均产沙速率增长显著。由图7、8可以看出,按照Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型降雨的顺序,产沙基数a依次提高数倍,平均产沙速率依次提高近一倍。这主要因为,随着降雨强度的增加,增大了雨滴动能和遗址模型上的受雨量,不仅使表层土体在短时间内吸水饱和而降低了雨水的下渗速度,使遗址模型表面很快产生大量径流,加速水力侵蚀产沙的发生,而且表层土体的雨滴溅蚀和径流冲刷破坏都很严重,也加剧了水力侵蚀产沙的破坏。
  3)降雨量
  降雨量是降雨历时与降雨强度的函数,降雨量对遗址模型水力侵蚀产沙过程的影响反映了降雨历时与降雨强度的综合作用。本文以遗址模型D1-1和D2-2为例,对降雨过程中降雨量与累积产沙量、产沙速率的关系(图9、10)进行了分析,进而研究了降雨量对遗址模型产沙过程的影响。
  由图9、10可以看出,随着降雨量的增加,累积产沙量和产沙速率的变化过程与其随降雨历时的变化过程在整体趋势上一致。当降雨量在12mm以下时,遗址模型的累积产沙量一直保持在一低水平内,产沙速率也刚开始快速增长,因而降雨对遗址模型的水力侵蚀破坏轻微。当降雨量在12mm以上时,随着降雨量的增加,累积产沙量开始快速增长,产沙速率也很快到达一较高水平,降雨对遗址模型的水力侵蚀破坏不断增大。同时,在不同强度的降雨条件下,每场降雨中累积产沙量和产沙速率随降雨量的变化趋势基本相同,说明降雨量与遗址模型水力侵蚀产沙破坏程度的关系密切。由此可见,通常只有降雨量大于12mm的降雨才能对遗址模型产生明显的水力侵蚀破坏,且随着降雨量的增加,水力侵蚀破坏程度加重。降雨量是衡量遗址模型水力侵蚀破坏的最主要的指标。
  (2)遗址形态对产沙过程的影响
  产沙基数a反映了遗址模型侵蚀产沙的整体水平,平均产沙速率可以在一定程度上代表遗址模型侵蚀产沙量的高低。本文通过对五种遗址模型在每场降雨中,产沙基数a和平均产沙速率的对比分析,研究了遗址形态对产沙过程的影响。   由图11、12可以看出,五种形态的遗址模型在同一雨型的降雨中,产沙基数a和平均产沙速率差异较大,但是在整体上呈现出一定的规律性。按产沙基数a和平均产沙速率的大小依次均为D2-2、D2-4>D1-1、D2-1、D2-3,反映了遗址模型D2-2和D2-4在降雨中水力侵蚀破坏最为严重。这主要是因为,此两种遗址模型顶面均为中凸型,在降雨过程中,顶面产生的径流基本都沿四周呈片流状分散下泄,使得片流面蚀发生的范围较大。片流面蚀是降雨过程中持续不断侵蚀产沙的主要来源,因而整体上侵蚀产沙量也较大。
  3.2 重力侵蚀的发生过程
  3.2.1 试验结果
  单次重力侵蚀量是指降雨过程中每次重力侵蚀事件收集到的坍塌土的干重,反映了此次重力侵蚀发生规模的大小。试验中,对五种形态的遗址模型在三种雨型的降雨,每次重力侵蚀事件发生时间的记录和坍塌土干重的测定,得出如图13所示的试验结果。
  3.2.2结果分析
  从降雨特征和遗址形态对重力侵蚀发生过程的影响两方面,对重力侵蚀发生过程的试验结果进行了分析。
  (1)降雨特征对重力侵蚀过程的影响
  本文分别从降雨历时、降雨强度和降雨量三方面对重力侵蚀过程的规律进行了分析,研究了降雨特征对重力侵蚀破坏过程的影响。
  1)降雨历时
  由图13可以看出,在每场降雨中重力侵蚀均发生于降雨开始后一定时间内,发生次数为1―6次不等,两次重力侵蚀的时间间隔没有明显的规律性。一般降雨中,前期重力侵蚀的规模普遍较小,单次重力侵蚀量大多在500g以下,降雨后期多发生大规模的重力侵蚀,单次重力侵蚀量高达2000g以上。这主要是因为,遗址模型上重力侵蚀的发生需要经历一个土体强度逐渐降低并不断变形失稳的过程,只有当降雨发生一段时间,使局部土体不断吸收的雨水力学强度降低到不足以满足其变形时,重力侵蚀才会发生。随着降雨的继续,遗址模型土体吸收的雨水逐渐增多,整体力学强度不断下降,因而重力侵蚀的规模也就不断增大。
  2)降雨强度
  同一形态的遗址模型在三种雨型的降雨中,随着降雨强度的增加,重力侵蚀发生的时间明显提前。由图14可以明显看出,除遗址模型D1-1外,按照Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型降雨的顺序,整体上其他四种遗址模型重力侵蚀首次发生的时间大致依次为40min、20min、10min。同时,随着降雨强度的增加,重力侵蚀的发生频率增加趋势明显,尤其是大规模重力侵蚀所占的比例增加。由图15、16可以看出,按照Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型降雨的顺序,除D1-1外,其他四种遗址模型重力侵蚀发生的频率大致依次增加了1次/h,整体上平均单次重力侵蚀量也明显增加。这主要是因为,随着降雨强度的增加,遗址模型上单位时间内的受雨量增大,使局部土体在短时间内吸收大量雨水而力学强度很快大幅降低,不仅缩短了其变形失稳过程的周期,加速了重力侵蚀的发生,还增加了重力侵蚀发生的频率和规模。由此说明,随着降雨强度的增加,遗址模型重力侵蚀发生的时间提前,重力侵蚀破坏的程度加剧。
  3)降雨量
  通过对五种形态的遗址模型在三种雨型的降雨中,单次重力侵蚀量与降雨量关系的分析,研究了降雨量对遗址模型重力侵蚀过程的影响。
  由图17可见,在每场降雨中只有当降雨量到达一定值后重力侵蚀才会发生,且随着降雨量的增加,重力侵蚀发生的频率和规模都不断增大。整体上,随着降雨量的增加,当降雨量到达13mm时,重力侵蚀开始发生,当降雨量增加到25mm时,重力侵蚀发生的次数和规模开始快速增长,之后随着降雨量继续增加,大规模的重力侵蚀开始集中发生。由此可见,一般降雨量大于25mm的降雨才能对遗址模型产生明显的重力侵蚀破坏,且随着降雨量的增加,重力侵蚀的破坏加剧,尤其是大雨量的降雨往往会产生大规模的重力侵蚀。
  (2)遗址形态对重力侵蚀过程的影响
  重力侵蚀的发生频率和单位时间内重力侵蚀量的大小,可以在一定程度上反映出遗址模型上重力侵蚀破坏的严重程度。通过对五种遗址模型在每场降雨中重力侵蚀发生的频率和单位时间内重力侵蚀量的对比分析,研究了遗址形态对重力侵蚀过程的影响。
  由图18、19可以看出,五种形态的遗址模型在同一雨型的降雨中,重力侵蚀发生的频率和单位时间内的重力侵蚀量表现出较大的差异性,但是整体上呈现出一定的规律性。重力侵蚀发生的频率依次为D1-1>D2-1>D2-2、D2-3、D2-4,单位时间内重力侵蚀量依次为D2-1>D2-2、D1-1、D2-4>D2-3,由此可以初步推断降雨对五种形态遗址模型重力侵蚀的破坏程度依次为D2-1、D1-1>D2-2、D2-4>D2-3。这主要是因为,遗址模型D2-1和D1-1顶面为平整型,顶面面积较大,降雨过程中遗址模型顶面产生大量径流沿顶部边缘缓慢下泄,使顶部边缘土体吸收大量雨水后强度降低,加之墙面上部坡度较大,此处土体自身稳定性较差,易受降雨影响而变形失稳,发生重力侵蚀。遗址模型D2-2和D2-4墙面上部坡度较小,墙面中下部坡度相对较大,重力侵蚀都发生于墙体中下部,主要为墙体下部崩塌和悬空区上方崩塌,由于发生次数较少,重力侵蚀破坏相对较轻。遗址模型D2-3墙面坡度较缓、高度较小,自身稳定性较好,因而在降雨中重力侵蚀破坏也最轻。
  4  结  论
  通过对模拟降雨过程中模型土体产沙量和降雨历时、降雨强度、遗址形态之间量化关系的研究,得出以下结论:
  (1)随着降雨历时的增加,水力侵蚀和重力侵蚀均表现出不同程度的增大。水力侵蚀导致的累积产沙量与降雨历时的关系可用回归方程y=axb表示;重力侵蚀发生于降雨开始后的一定时间内,其规模增大趋势明显。降雨强度增加两种破坏发生的时间提前,破坏程度也有明显增加。
  (2)降雨量大于12mm时会对遗址模型产生明显的水力侵蚀;降雨量大于25mm会对遗址模型产生明显的重力侵蚀。两种破坏随着降雨量的增加破坏程度加剧。在降雨过程中,遗址模型D2-2和D2-4水力侵蚀破坏最为严重,遗址模型D2-1和D1-1重力侵蚀破坏最为严重。   (3)以产沙量作为遗址破坏的单一指标,该指标的选取借鉴了水土保持学和土壤侵蚀学等相关学科标准,可以从一定程度上反映出降雨与遗址破坏之间的关系,但对文物的适用性还有待进一步探讨。

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