东山村遗址渗水病害防治技术研究

2018-03-20张明泉王旭东钱春锋孙满利马宏海杜韶光张骞文

敦煌研究 2018年1期

张明泉　王旭东　钱春锋　孙满利　马宏海　杜韶光　张骞文

内容摘要：通过对东山村遗址保护面临的渗水问题和病害调查分析，针对遗址保存区黏性土层特殊的水理性质，在总结分析已有地下水防渗、排水技术方法的基础上，提出了适宜黏性土地层中地下水控制的填砂排水沟技术方法，解决了黏性土层中潜水疏排的难题。验证试验表明，该方法具有很好的控制地下水位的效果，对考古探方防渗和遗址陈列馆防渗具有重要的实际应用价值。

关键词：东山村遗址；渗水；病害；防治技术

中图分类号：K854.3 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2018）01-0073-07

Research on the Water Seepage and Disease Control Technology in Dongshan Village

ZHANG Mingquan1 WANG Xudong2 QIAN Chunfeng3 SUN Manli4

MA Honghai1 DU Shaoguang1 ZHANG Qianwen1

（1. Lanzhou University， Lanzhou， Gansu 730000； 2. Dunhuang Academy， Dunhuang， Gansu 736200；

3. Zhangjiagang City Museum， Zhangjiagang， Jiangsu 215600；

4. School of Cultural Heritage， Northwest University， Xian， Shaanxi 710000）

Abstract：Based on the investigation and analysis of water seepage and disease that occurred at the protectedsite of Dongshancun village and the physical properties particular to the viscous land on which its built， as well as an analysis of extant underground seepage and drainage technology， the author proposes a filling and draining method suitable for the control of underground water in the viscous land layer that would also resolve the difficult problem of dredging out phreatic water. The experiments show that this is a very efficient method for underground water control and could be effectively applied to the seepage control at both the archaeological excavation units and the site gallery.

Keywords：Dongshan village site； water seepage； disease； prevention and control technology

引言

张家港市东山村遗址发现于1989年，经先后3次抢救性考古发掘，发现了马家浜文化和崧泽文化时期的文化层堆积以及若干房址和墓葬[1-2]，出土了陶器、石器、玉器等文物數百件，其中古墓葬位置布局具有明确的等级区分及礼仪规制。考古专家认为，东山村遗址的发现填补了江苏旧、新石器时代文化衔接上的一段空缺，是目前太湖流域和长江下游地区已发现的新石器时代文化遗址中最早的遗址[3]。东山村遗址被评为2009年度全国十大考古新发现。

由于东山村遗址所处区域水系发育，地下水位埋藏浅，造成遗址发掘坑渗水、积水浸泡、坑壁软化、坍塌，遗址本体潮湿、滋生苔藓、失水干裂、酥碱等病害，对遗址保存和展示造成了严重的危害。

为配合东山村遗址保护工作，治理发掘区渗水造成的种种病害，课题研究人员对东山村遗址开展了综合水文地质调查和钻探，结合南京博物院对东山村遗址所做的保护规划和初步设计，总结同类遗址地下水防治研究成果[4]，根据东山村遗址环境特点，提出了东山村遗址地下水防治方案。其目的是遏制遗址发掘坑渗水，防治因地下水引起的遗址病害，消除遗址保护中的隐患，为遗址文物的长期保护和展示营造良好的环境条件。

1 遗址概况

东山村遗址位于江苏省张家港市西北约18km处，北距长江约2km，地理坐标120°24′E，31°58′N。遗址类型属于史前聚落型遗址，是目前太湖流域和长江下游地区已发现的新石器时代文化遗址中最早的遗址，距今已有5000—8000年[5-6]。1995年经江苏省人大常委会审议通过，东山村遗址被评为江苏省文物保护单位。2013年国务院公布东山村遗址为全国重点文物保护单位。

东山村遗址的整体平面分布近圆形，南北长约500m，东西宽约500m，总面积约20万m2。遗址的中心区域位于遗址的中部偏北，现存面积约2.5万m2。考古发掘的2000m2遗址由东向西主要是小型墓葬区、房址区、大型墓葬区（图1）。小墓区考古范围总长61.0m，宽13.4m，面积725m2，共有9个探方，平均开挖深度0.9m，其中考古后回填4个。房址区总长30.0m，宽20.0m，共有6个探方，平均开挖深度1.0m，面积600m2。大墓区长30.0m，宽26.0m，共有6个探方，平均开挖深度1.0m，面积近600m2。

东山村遗址所处地区属亚热带湿润气候区，四季分明，降水充沛，多年平均气温17.2℃，平均降水量1221.4mm，遗址临近长江，水系发达，水面平均坡降很小，水流缓慢，属长江下游缓流沉积区，遗址保护区地面海拔高度为4.0—8.8m，地面土壤及覆盖地层为全新统（Q4）江湖沉积的亚黏土和亚沙土，厚度变化较大，最大厚约20m左右，下部地层为第三系含砾砂岩和白垩系砂岩。对遗址区有直接影响的地下水主要是黏性土层中的潜水，埋藏深度在0.8—2.6m，矿化度0.6g/l，属淡水，水化学类型以HCO3-Na-Ca型为主。遗址的西边坐落着风景秀美的香山，香山平均海拔60m左右，最高峰海拔127m。

2 遗址主要病害

东山村遗址依存的地层是属第四系全新统黏性土层，该地层渗透性能很差，在水文地质学中属隔水层[7-8]。对遗址文物保护来讲，即使这样很微弱透水地层长期的渗水作用，也可导致遗址诸多病害发生。现已查明东山村遗址存在的主要问题就是水环境问题，遗址文物本体发生的病害与水环境问题直接相关，它们主要表现为考古发掘探方坑积水浸泡与淘蚀、坑壁坍塌、潮湿与苔藓、酥碱、坑壁干裂等。

2.1 积水浸泡与淘蚀

东山村遗址已发掘的小墓区、房址区、大墓区位置较低的墓穴和探坑都存在着积水，在降雨集中的季节还会出现发掘区大面积的积水。地下水持续不断地渗入和积水对墓穴四壁长期的浸泡，导致积水位以下土体软化、淘蚀作用显著[8-9]，一般淘蚀深度在15—25cm，对遗址的损害相当严重（图2）。据2014年10月现场调查测量，东山村遗址发掘区的渗水量为：小墓区1.20m3/d—2.2m3/d，

房址区1.00m3/d—1.6m3/d，大墓区1.40m3/d—2.0m3/d。

为减少积水对遗址的破坏，自考古发掘初期就采用了坑内抽水机排水的措施，目前小墓区、房址区、大墓区各积水穴位共安装8台潜水泵，由管理人员每天定时抽水排除积水。否则，就会造成遗址发掘区大部分面积浸泡在积水中。

2.2 发掘探方坍塌

由于黏性土层的抗剪强度随着含水量的增加而显著降低[8-10]，长期的浸泡更使其软化。在遗址发掘探方四壁或墓坑内存在渗水的部位，都有坑壁坍塌发生。坍塌块体的大小取决于渗水量的大小和浸泡时间的长短，一般坍塌块体厚度在0.2—0.4m，较大的块体在0.3m3左右。坑壁坍塌现象在东山村遗址普遍存在，由此造成文物本体和保存环境的严重损害，对遗址的完整性、延续性造成不可弥补的损失（图3）。

2.3 苔藓滋生

据2015年10月现场调查统计，东山村遗址三个考古发掘区，都存在着大面积生长发育的苔藓，小墓区有苔藓面积约108m2，占发掘区面积的19.7%；房址区有苔藓面积约126m2，占发掘区面积的21%；大小墓区有苔藓面积约120m2，占发掘区面积的22%。与苔藓伴生的还有少量杂草，这些植物的生长发育，掩盖了遗址文物的本来面目，对遗址文物本体表部造成了严重影响，毁坏了遗址本体表观，妨碍了对遗址的进一步考察研究和展示（图4）。

2.4 盐分表聚及酥碱

遗址区的黏性土壤毛细作用很强，根据水文地质原理和黏性土壤的水理性质，其毛细水上升高度至少可达5—6m[11]，而这里地下水埋深大部分在1.0—2.60m，最大不超过2.9m。发掘坑内地下水埋深仅有0—1.60m。东山村遗址考古坑表面水分的蒸发散失和毛细上升不断供水作用，必然导致易容盐分的表聚，日积月累就产生了次生盐渍化，也就是遗址酥碱。据现场调查，三处考古发掘区中大墓区酥碱现象比较严重，大约有7%的表土层明显泛白、疏松，对遗址保护造成严重的影响[12]。经采样测定，酥碱部位表土层的易溶盐含量在2.87g/kg—4.62g/kg（图5、表1）。

2.5 坑壁干裂

随着大气降水量的年内变化和年际变化，东山村遗址区的空气湿度和蒸发力在发生变化，由此导致遗址區土体含水量也在发生着变化，由于黏性土中含有较多的硅铝矿物，其中伊利石含量达51%—56%，高岭石含量6%—7%，绿泥石和蒙脱石含量在3%和2%，这类矿物的显著特点是遇水膨胀，失水收缩[13-14]。由此造成遗址考古坑壁表面干裂。调查表明，考古发掘探方坑壁水平方向每隔0.3—0.6m就有一条竖向裂缝，裂缝平均张开度1.2cm，最大开度3.0cm左右。

3 遗址病害成因分析

已开展的调查研究表明，导致遗址病害发生、发展的主要环境因素，一是潮湿，二是渗水。潮湿是由于东山村遗址处在长江下游，水系发达，水域面积占比大，大气降水充沛（年均降水量1221.4mm），年均空气湿度72%以上，土壤含水量>30%，属典型的潮湿环境区域[15]。渗水是由当地降雨入渗补给频繁、地下水埋藏浅、遗址发掘造成土层临空面等特殊的水文地质条件所决定的。

3.1 潮湿环境致病分析

东山村遗址潮湿环境主要为土体潮湿，其原因是这里的黏性土壤具有很好的持水性、毛细力作用极强。充沛的降雨和浅藏的地下水在毛细力作用下为土壤提供了源源不断的水分。为了定量了解考古探方内表土层的潮湿情况，本次调查采用TDR-300土壤水分速测仪，对三处考古区的土壤含水率进行了测定（表2），结果表明，考古探坑底部土壤含水量大多在40%左右，遗址土壤长期处于高含水量的潮湿状态。

潮湿的环境和遗址土体充足的水分，一方面为遗址表面苔藓的滋生提供了条件，另一方面随着地表土壤水分的蒸发，又导致易溶盐分表聚，造成遗址酥碱病害[16]。

3.2 渗水致病分析

据现场调查，东山村遗址区水文地质特征表现为：{1}遗址赋存区的地层均为黏性土层，考古开挖探方及含水地层均为黏性土地层，其渗透性能很弱，渗透系数级别为10-8cm/s，这种地层中的渗水应属于饱和水和非饱和水的运移；{2} 遗址区原始地下水位埋深在1.0—2.6m之间，三个考古发掘坑内的水位埋深在0—1.6m；{3}遗址的渗水来源是大气降水和西部香山景区高地势区域的水源，渗水的途径是降水垂向渗透和黏土层中的潜水自西向东长期不断地缓缓渗透；{4}考古探坑四面坑壁临空面和低洼坑道底部成为地下水的渗出排泄区，并且在雨季渗水排泄量明显增加。

弱渗透的性质决定了降雨和周围水体一旦渗入该土壤层就很难排泄出去[17]。地下潜水在考古探坑内长期缓慢地渗出，必然造成低洼部位积水浸泡、软化和淘蚀遗址土体，对遗址造成损毁。显而易见，东山村遗址保护面临的诸多病害都是由潮湿和考古发掘坑渗水所引起。因此，要保护遗址安全、治理遗址病害，就必须采用有效措施治理渗水。

4 基本对策与渗水防治方案

4.1 基本对策

传统的治水对策是水来土掩，即用堵截的办法来防治水患。对地下渗水通常采用的堵截方法是防渗墙、防渗帷幕[18-19]。对堵截产生的壅水还需要疏排，常规的方法有打井排水和开挖排水沟 [20-21]。东山村遗址区的黏性土层本身就是很好的堵截防渗材料，它的渗透系数级别为10-8cm/s，被视为隔水层。如果在这种地层中采用打井排水或帷幕灌浆阻隔渗水，不但没有成效，反而费工费料徒劳一场。因此，要超越传统的截水、排水思维方式，寻求适宜于东山村遗址渗水防治的新方法。

针对东山村遗址区水文地质的特点及黏性土中地下水排水困难的问题，在总结已经开展的黏性土地层导水排水试验的基础上，本文初步设计利用人工填砂排水沟并配合集水井的方法来治理遗址渗水[22]。

4.2 渗水防治方案

4.2.1 三区统一治水方案

本方案的核心是围绕遗址小墓区、房址区、大墓区周边构筑人工填砂排水沟，并配置集水井，实施疏水排水，以阻隔周围地下水往遗址发掘坑渗流，达到治理遗址病害、保障遗产安全的目的。填砂排水沟布局是根据已有的重点防护范围建设椭圆形防雨保护棚的规划，沿保护棚周边构筑隐蔽的人工填砂排水沟。这样的布局既能防渗，又能把保护棚降雨散水排泄在外。

填砂排水沟设计如图6所示，对填砂排水沟建设的具体要求是：{1}沿初步设计的椭圆形保护棚外围布置，向外不超出防雨保护棚外沿散水下落位置；{2}填砂排水沟设计宽度为1m，深度为3.5m，该深度要大于遗址区最大墓坑深度，选择渗透水性能好的纯净粗砂和细砾充填，渗透系数须≥60m/d，充填深度3.3m，至距离地表0.2m的深度用黏性土覆盖（或由保护棚周边散水防渗层覆盖）；{3}填砂排水沟沟底坡向与地下水天然流向大致一致，由西向东或由南向北，坡度2%左右；{4}沿填砂排水沟均匀布设6眼集水排水井，具体位置见图 6、图7；{5}集水排水井设计深度≥4m，井径300mm或500mm，除井口0.5m的长度外，全为滤水管；{6}在填砂排水沟的底部可选择平铺滤水管，使得排水沟更为流畅。

4.2.2 分区治水方案

以大墓区、小墓区、房址遗址区为单元，设置填砂排水沟治理地下渗水，与三区统一治水方案的区别仅仅是填砂排水沟位置分别沿大墓区、小墓区、房址区的四周边界布置（平面为矩形），集水排水井布设在矩形的四角。其他要求均与方案一相同，不再赘述。

4.2.3 集水排水井水位控制

填砂排水沟及集水井设置完成后，在每眼集水井处设置一套地下水水位自动控制体系，包括潜水泵、水管、自动水位控制仪及输电线路。由自动水位控制仪来控制潜水泵的开启或关闭，当集水井中水位高度达到自动水位控制仪所设置的水位时，潜水泵将自动开启抽水，当集水井中水位低于设置水位时，潜水泵将自动断电停抽。根据填砂排水沟设计深度和发掘探坑防渗要求，本方案设计将集水井中的水位控制在距离地表 3.5m处。集水井中抽出的地下水须排向遗址下游50m以外的地带，或者直接排入市政下水管道。

5 治水预期效果分析

填砂排水沟的性能，一是疏排黏性土地层中的重力水，二是阻隔黏性地层毛细水运动。只要掌握地下水在黏性土地层和砂砾石层中运动的规律，因势利导，合理设计，精心施工，嚴把质量关，就一定能保证填砂排水沟发挥疏水、排水、控制地下水位、防治遗址区渗水的作用。

本文设计的黏性土地层填砂排水沟方案已经做过实地现场试验，其显著的治水效果已被验证。2014年7—8月，在浙江省科技考古与文物保护技术研究试验基地进行的黏性土地区考古现场地下水控制试验，结果表明，填砂排水沟方法既能解决黏性土层中排水难的问题，又能隔断毛细水运移，引导黏性土中的水汇入集水井后排除。整个疏水、排水系统隐蔽在地下，有很好的导水、排水效果和防治考古探坑渗水的效果，且对遗址地面风貌没有影响[22]。

6 结论

⑴东山村遗址保护和展示利用所面临的主要问题是考古发掘探方内积水浸泡、渗水淘蚀、坍塌、苔藓、酥碱等病害，这些病害均由渗水导致。因此，要治理遗址病害，就必须先治理渗水。

⑵东山村遗址区的地层为黏性土层，渗水性能很差，渗透系数在1×10-8cm/s数量级。在这种地层中采用常规的防渗墙、防渗帷幕不能阻隔地下水向发掘探坑的渗流，采用直接打井排水来降低地下水位也不能奏效，不能达到防治考古探方渗水、保障遗址安全的目的。

⑶针对东山村遗址区特殊的水文地质条件，设计隐蔽的人工填砂排水沟、集水井系统，既能排出黏性土层中的地下水，又能阻隔毛细水运动，能够有效控制遗址区地下水水位，防止遗址渗水，从根本上治理遗址病害。

参考文献：

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