新疆焉耆县七个星佛寺遗址结构病害分析

赵 冬，屠冰冰，王玉兰

(西安建筑科技大学，陕西 西安 710055)

七个星佛寺遗址是“丝绸之路”链条上的重要节点，是佛教传播的真实写照，具有极强的地域文化特色，并是重要的文化教育基地。因此，七个星佛寺遗址的保护工作具有重要的社会意义。

经调查发现，遗址病害较严重，个别单体濒临倒塌。本文对影响遗址稳定性的四种主要结构病害进行分析，以期为相应的保护工作提供参考。

1 概况

七个星佛寺遗址位于新疆巴音郭楞蒙古自治州焉耆回族自治县(图1)，由地面寺院建筑和洞窟建筑两部分组成［1］，寺院残存大小建筑93处，分南、北两大部分，以遗址中部的泉沟为界，总面积约40300m2;洞窟残存11窟(图2)。

图1 遗址在新疆的地理位置图Fig.1 Site geographic location plan in Xinjiang

图2 遗址全景图Fig 2 Site panorama

2 主要结构病害分析

遗址病害形成包括两方面因素:自然因素和人为因素，其中，自然因素是七个星佛寺遗址破坏的主要原因。焉耆县存在多种气象灾害，如冻害、冰雹、沙尘暴和集中式降雨等，其中风沙和集中式降雨是七个星佛寺遗址损坏的主要外因之一;焉耆县周围及境内共有四条地表水系:开都河、黄水河、霍拉山沟、博斯腾湖，地表径流充沛，致使掏蚀病害较普遍;同时，遗址所处巴州属南天山地震带东段，全境共有6条大断裂和4条壳断裂，地震较频繁，且遗址东侧紧邻218国道，因此，地震和车辆震动加剧了遗址的破坏［1］。

七个星佛寺遗址在长期自然和人为因素的综合、反复、交替作用下，发育有多种病害:表面风化、雨蚀、冲沟、裂缝、局部坍塌、墙体根部掏蚀、生物破坏、人为破坏等［2-5］，但并不是所有病害都会在短时间内对遗址造成严重威胁。非结构病害(如风化、雨蚀、生物破坏等)对结构的影响是长期而缓慢的，而结构病害(如墙体根部掏蚀、劈裂裂缝等)直接影响遗址整体稳定性，破坏突然，后果严重，可瞬间造成大面积甚至整个遗址的坍塌。因此，结构病害是保护加固工作的重点。

本文将七个星佛寺遗址主要结构病害类型分为四种:掏蚀、劈裂裂缝、地表变形和坍塌。

2.1 掏蚀

掏蚀部位多出现在墙体根部(图3)，最大掏蚀深度达0.6m，掏蚀方向与地表水流走向一致。

掏蚀形成的根本原因是地表水溶解墙体根部土体中的可溶性盐，引起土体流失。集中降雨季节，周围及境内四条地表水系与雨水汇集，遗址区内地表径流充沛，地表水经由遗址根部时，土体中的可溶性盐溶解于水中，随水流流失。长期、反复作用下，墙体根部土体中可溶性盐不断溶解、流失，土颗粒间粘结力降低，最终崩解，剩余松散土颗粒中粒径较小者随地表水流失或被风吹走，粒径较大者则原地塌落，致使墙体根部出现掏蚀凹洞。在风和水流的共同作用下，掏蚀深度不断增加。

图3 墙体根部掏蚀Fig.3 Backoff in wall bases

墙体根部掏蚀破坏了上部土体原有支撑，使其局部外凸、悬挑，成“头重脚轻”状。随掏蚀深度增加，墙体稳定性不断降低，极易引起进一步毁灭性破坏，可能发生的破坏形式有以下四种:

(1)地震或风力作用下，因上部受力大、下部受力小，下部支撑不对称，极易产生扭转效应，下部较细部分某一危险截面被扭断(图4)，致使上部结构整体倒塌。

(2)上部悬挑土体因无良好支撑，可能发生两种破坏:竖向截面突变处在弯矩作用下，上部拉裂，悬挑部分沿断裂面从整体脱离、滑落，发生弯曲型破坏(图4);上部土体在自重作用下，沿某一滑移面发生剪切破坏，楔形滑落(图4)。

(3)自重和水平荷载作用下，墙体根部受力最大，但因掏蚀使其截面变小，弯矩作用下，易在根部某一侧发生受拉破坏，致使整个结构发生平面外倾覆。

(4)自重和水平荷载作用下，整个结构因重心与支反力作用线严重偏移而发生平面内倾覆。

图4 扭转破坏、弯曲破坏和剪切破坏示意图(图中T表示扭矩，G表示悬挑部分自重)Fig.4 Torsion failure，bending failure and shear failure sketches(T refered torsion and G refered the gravity of the cantilever part)

对遗址进行保护时，除对已掏蚀部位补砌加固外，还应阻断地表水，采用引流或砌筑小型挡水坝的方式，使地表水绕离遗址本体，保证墙体根部土体免受水流冲刷，从根本上避免掏蚀病害的发生。

2.2 劈裂裂缝

建筑形制保存相对完好的遗址单体表面偶见大型劈裂裂缝(图5)，多为上下贯通式。部分裂缝中填有风化砂土，部分无填充，多为外宽内窄式，且裂缝断面土体酥松，强度较低。

劈裂裂缝形成原因主要包括以下五种:

(1)焉耆县气温年差和日差较大，佛寺遗址在长期、反复的温度应力、冻融作用下，内部出现微裂缝，并不断积累，逐渐发育到遗址表面，形成裂缝。

(2)原建筑工艺裂缝——接槎缝、结构缝、施工缝等在外力长期作用下，继续向长度和深度方向发展，成为劈裂式裂缝。

图5 劈裂裂缝Fig.5 Cleavage fracture

(3)焉耆县蒸发量和降水量不平衡，年平均蒸发量为年平均降水量的18.5倍，致使土体产生蒸发干缩裂缝。

(4)局部土体坍塌后，与之相邻土体因内力重分布而出现卸荷裂缝。

(5)地基不均匀沉降和地表振动产生的裂缝。

劈裂裂缝产生的根本原因是:土体内部拉应力超过土体的抗拉强度，致使相邻土体被拉裂。根据相邻土体所受拉应力的大小，可分别采取如表1所示的保护措施:

表1 针对不同拉应力大小的保护措施Table 1 Protection measures for different tensile stress

裂缝往往是坍塌或冲沟病害发生的条件［2］。随着裂缝的发育，外部环境对遗址的破坏逐渐深入土体内部，导致裂缝两侧相邻土体粘结性能降低，当粘结力降低到无法抵抗自重和外荷载作用所产生的拉应力时，局部土体将从整体掰裂。加固时，需根据裂缝大小采取相应的拉结措施(表1)，保证相邻土体具有足够的拉结力。

2.3 地表变形

遗址地基或下卧土层因地表水汇集，局部湿陷，发生不均匀沉降(图6)，造成上部遗址本体出现裂缝、整体下沉或局部倾斜。

图6 地表变形Fig.6 Surface deformation

七个星遗址坐落于冲积扇之上，山前低矮的山梁和坡地之间，整个遗址区被一条冲沟分为南、北两个区，遗址区内水系错综复杂，冲沟发育较多。据现场勘察，将遗址区划分为6个流域(表2)，水系级别的划分采用斯特拉勒(Strahler)分级法。其中，1#和2#流域包括南区及北区部分遗址，3#、4#、5#和6#流域仅包括北区遗址。

遗址区内地表冲沟最大宽度达1.3m，深达1.2m，均为上宽下窄。地表水在破损土粒间的粘结性能降低，极易造成载体局部失陷，引起地表变形。遗址载体的稳定性直接决定上部遗址的安全，应给予足够重视。

为防止地表水汇集引起地表变形，可在遗址区回填部分冲沟，并根据现有地势走向砌筑水渠，做有组织排水。

表2 七个星佛寺遗址水系主要参数统计表Table 2 Parameter table for river system in Shikchin Ground Buddhist Temple Site

2.4 坍塌

坍塌是七个星佛寺遗址最普遍的破坏形式(图7)。各种病害相互促进，不断发育，但最终破坏形式均表现为坍塌。七个星佛寺遗址内，最大坍塌尺寸长达3.5m，深达2.5m。

图7 整体坍塌Fig.7 Overall collapse

坍塌破坏按形成原因可分为两种:强度破坏和失稳破坏。小规模的局部坍塌多属于强度破坏，大规模的整体坍塌多属于失稳破坏。

强度破坏主要是指局部土体抗拉或抗剪强度不足而发生的破坏。从现场看，盗洞是引起强度破坏式坍塌的原因之一。内部某一竖井式盗洞将上部土体基础局部削弱，盗洞上部土体在自重作用下易发生剪切破坏，引起局部塌方。同时，局部悬空、局部脱离、薄弱部位失效等都易引起局部坍塌。局部坍塌破坏了土体间的有效连接，降低了墙体的整体性和协调工作能力;同时，破坏了结构原平衡受力状态，剩余土体经内力重分布后，极易造成进一步不可预料的瞬间、严重破坏，甚至是整体倒塌。

失稳破坏是由于外界作用改变了遗址原有形态，引起局部或整体高宽比增大到超过稳定性允许的限值，水平荷载作用下，遗址因丧失稳定性而发生坍塌。整体坍塌破坏性大，修复难度高，且严重破坏了遗址原貌。

针对以上两种破坏形式，秉着“预防为主”的思想，分别采取不同的加固措施:对于局部强度破坏，可采用锚杆加固，将锚杆与土体组成复合体，二者共同承担外荷载和自重应力，大大增加原有土体的抗拉和抗剪强度，避免局部强度破坏;对于整体稳定性破坏，则应及时补砌、支护，还原遗址原有稳定结构形式，避免失稳。

3 建议

土遗址一般规模较大，短期内不可能全部整修。在各方面条件允许情况下，为了将遗址随时间的破坏程度降到最低，有效的保护遗址，整个保护过程应有轻重缓急和主次之分。结构病害——掏蚀、劈裂裂缝、地表变形、坍塌，严重影响遗址稳定性，可使遗址瞬间发生毁灭性破坏。依照《中华人民共和国文物保护法》中“保护为主，抢救第一”的原则，应将结构病害的“防和治”作为土遗址保护的首要任务。非结构病害——表面风化、雨蚀、小型冲沟、小型裂缝、生物破坏、人为破坏等，对遗址的破坏是一个长期、缓慢的过程，秉着最小干扰、保持原貌的原则，应酌情、适当地加以处理，对结构稳定性无明显影响的病害可不作处理，保留遗址历史信息，便于学习和观瞻。

［1］马长振.七个星佛寺遗址地面寺院保护研究［D］.西安:西安建筑科技大学，2010.MA Changzhen.Researeh on proteetion of Shikchin Ground BuddhistTempleSite［D］. Xi'an:Xi'an University of Archiecture＆Technology，2010.

［2］孙满利，李最雄，王旭东，等.干旱区土遗址病害的分类研究［J］.工程地质学报，2007(6):772-778+765.SUN Manli， LIZuixiong， WANG Xudong， etal.Classification ofdeteriorations associated with many earthen heritage sites in arid areas of northwest China［J］.Journal of Engineering Geology，2007(6):772-778+765.

［3］梁涛.新疆地区土遗址病害类型及成因初步分析［J］.考古与文物，2009(5):103-106.LIANG Tao.Preliminary analysis of the type and reason for earthen heritage sites in Xinjiang［J］.Archaeology and Cultural Relics，2009(5):103-106.

［4］赵海英，李最雄，韩文峰，等.西北干旱区土遗址的主要病害及成因［J］.岩石力学与工程学报，2003，22(S2):2875-2880.ZHAO Haiying，LI Zuixiong，HAN Wenfeng，et al.Main diseases and their causes of earthen ruins in arid region of northwestern China［J］. Chinese JournalofRock Mechanics and Engineering，2003，22(S2):2875-2880.

［5］张卫喜，陈平，赵冬，等.高昌故城西南大佛寺结构病害分析与加固［J］.工业建筑，2007，37(8):86-88+106.ZHANG Weixi， CHEN Ping， ZHAO Dong， et al.Analysis and strengthening of structural defects of the southwestern big temple in ancient city of Gaochang［J］.Industrial Construction，2007，37(8):86-88+106.