西安钟楼基座渗水原因分析

张清三 高群

摘 要：为研究西安钟楼基座渗水诱因，采用现场调研方法，深入分析了降雨前后和花坛浇灌前后基座内部水分场的时空分布规律。结果表明，钟楼基座渗水主要是雨水入渗引起，花坛浇灌对其无影响，在西安钟楼基座顶部向下约2.0米范围内受雨水渗漏影响较大，且水分有往基座底部缓慢迁移趋势，基座海墁防水设施可能失效，基座内部形成渗流通道，在渗透压力下券洞拱圈部位形成流痕和墙皮脱落现象，外墙出现泛碱掉渣等风化现象。

关键词：钟楼基座;渗水;降雨入渗;植物浇灌

1 引言

近年来，西安市钟鼓楼博物馆经长期现场勘察，发现钟楼、鼓楼基座存在比较严重的渗水问题，且每逢降雨期间，渗水更为严重。因渗漏引起诸多附加病害问题，如钟楼基座外墙面出现大面积的剥落、酥减、掉皮、开裂，基座渗水导致整体结构出现一定移位、倾斜甚至沉降变形等（图1）。

对于古建筑结构的损伤及其相关数据监测普遍的方法有模型试验、室内试验、原位监测和数值方法等。《冻融循环作用后再生混凝土砖墙体抗震性能试验研究》[1]《战国秦时期夯土长城加固强度试验研究》[2]《古建筑风化石质构件力学参数的确定方法》[3]三篇文章从材料的劣化角度探索了古遗址的病害诱因及其修复措施，为古建筑的病害诱因研究提供先进的研究手段，但针对古建筑台基的渗水病害研究及其形成机制探索较少。

本文以距今600余年的西安钟楼基座为研究对象，对其渗水问题开展调研工作，并在基座内部和基座的天然地基中布设土壤水分计监测系统来探测基座内部水分场的时空变化规律，对今后钟楼文物保护尤其是渗水防治措施具有重要的工程价值。

2 钟楼基座渗水调研分析

2.1 钟楼基座渗水及附加病害问题

钟楼基座为高约8.6米、宽约35.5米的方形砖面土芯结构，内部多为杂土和素土夯筑而成。其损害原因基本是由于水的渗入引起，病害现象主要为：外墙面的渗水、起皮泛碱、酥裂掉渣、局部结构开裂或坍塌等。

东、西、南、北四面墙的渗水及其附加病害的规模统计如图2所示。根据现场实际情况分析：西安钟楼基座西外墙面和北侧的渗水程度相对最为严重，基座东外墙面、西侧外墙面的起皮、酥裂的现象尤为严重，基座南侧外墙体的渗水、起皮、酥裂、掉渣同时存在，基座南侧外墙体受到渗漏影响程度相对最为严重。钟楼基座外墙面的渗水大部分汇集在海墁以下2～3米的范围之内，各外墙面因渗漏所产生的问题主要包括渗水、泛碱、起皮以及掉渣等，其中渗水泛碱现象最为严重，占外墙总面积的9.6%;起皮掉渣的病害面积次之，约占6.7%;三种情况都存在的约占2.4%[4]。

西安钟楼基座渗水现象分布不均，单一的渗漏情况较少，经现场调查研究，墙面的泛碱、起皮掉渣等病害均与渗漏有一定关系，渗漏和其引起的其他病害占台基外墙面的20.8%，经研究发现钟楼基座的渗漏情况问题相对比较凸出。

2.2 水环境变化对钟楼水害影响分析

西安钟楼排水设施及管道铺设如图3所示。查阅相关维修资料发现，钟楼基座在1955年整体大修时四面各向外扩建1.5米，现存排水管在墙以内1.5米处（编号A～H）。现场勘查得知，钟楼基座外围花坛周边有8个集水槽（编号1～8）和与落水管相联接的8条下埋式水平引水管，如图3所示。

经收集相关资料结合实际发现，每年8、9月西安雨季来临的时候，尤其是强降水以后，西安钟楼基座海墁四个角落常出现比较严重的积水现象，其中海墁北测、东侧部分区域积水深度达到10厘米以上。可以看出钟楼基座排水管网与海墁的不均匀沉降以及外围观赏花卉浇水存在问题，为更有效地分析降水前后钟楼基座整体排水网络正常情况，利用监测计量设备采集强降水前后钟楼台基海墁、券洞外侧等与基座相关的水文信息。在大雨和基座外围花坛浇灌时，不间断监测降雨量和花洒浇灌量，降水期间同时监测1～8个集水槽和基座海墁上的积水量[4]。

2.3 经监测水文研究得到结论

不间断监测60分钟的降水，每隔10分钟记录一次数据，连续六次10分钟的数据可知，在第一个10分钟内降雨量约为4.6毫米，中间40分钟降雨量约为9.2毫米，最后10分钟内降雨量为0.5毫米，并且在15分钟之内1到8号集水槽与落水管均集满雨水，如不计算蒸发的损失，钟楼基座的最大入渗量占到降雨总量的8.5%左右，钟楼排水系统的排水效能为82.8%左右，由此可得：钟楼海墁的排水系统和防水材料相对较好，但钟楼海墁青砖裂缝、排水坡度以及花坛摆放位置不合理导致的渗水问题也不容忽视。

钟楼基座外围的圆形花坛中一共布置了30余个浇灌喷嘴，各喷嘴的浇灌量约为每小时15立方米。水分主要被下部铺设的土壤和装饰花卉所吸收，小部分的水分流入地面和蒸发。因花坛钢架防水层存在一定的漏水现象，致使部分漏水会向基座下部的现浇混凝土地面入渗。查阅相关资料发现，基座外围装饰花坛钢架基础在西安地铁2号线绕行钟楼时已浇筑深约1.0米的地砖、防渗沥青和混凝土等材料，且四周打入深约14米的连续桩致使水分很难渗漏，而在西安地区的枯水期，地下水位有明显的下降趋势（由8.5米下降至9.5米）。

3 钟楼基座内部结构病害探析

利用地质雷达和面波仪等无损探测设备分析钟楼基座整体结构病害特性如下：

①钟楼基座外墙砖体结构平均弹性模量是基座内部夯土层的1.4～4.6倍，其中基座底部以上3.0米范围内平均弹性模量为基座顶部以下5.0米范围内的1.4～3.1倍，基座北、西、东侧的外墙面综合弹性模量分别是125兆帕、160兆帕、189兆帕，都小于南侧综合弹性模236兆帕，由此可以发现：钟楼基座的顶部病害损伤程度较底部相对比较严重，而且墙体的北、西、东侧比南侧整体损伤程度要严重[4]。

②钟楼柱体结构保存相对完好，其中钟楼28根檐柱和4根金柱未发现明显的空洞和糟锈现象，基座海墁和台明除有轻微破损外，其内部结构也未发现明显的空洞及损伤现象;基座外墙面除了可见的贯穿缝、局部有空洞和渗流通道存在外，其内部保存相对完好，未见明显损伤现象;但檐柱以下约1.7米内范围内的柱基存在一定厚度的含水层，基座外墙面、海墁及台明以下约0.6～2.4米范围内的含水量相对较大，由此可见：在长期的水分入渗的情况下，水带走夯土层中的黏粒和可溶性盐，进而形成入渗通道，从而诱发结构性病变，而内部结构的老化导致水害进一步加剧，这是诱发劵洞以及外墙面渗水、起皮、剥落、泛碱等病害的源头[4]。

4 结论及建议

因水管的排水效能不足，海墁的排水坡度设计存在一定的缺陷，导致强降水期间钟楼海墁四角均存在严重的积水现象。海墁砖以及防水材料在1996年维修之后距今已有20余年，受长期自然力的影响，钟楼海墁砖及防水层在一定程度上失效，以上原因导致海墁积水和入渗，钟楼基座内部夯土层出现湿化变形产生入渗通道，最终诱发钟楼基座水害的发生。

通过对钟楼基座进行大量的现场调研、资料查阅、布点监测分析等，可以更深一步了解钟楼基座水害的相关规律以及导致其发生的原因，为今后文物保护尤其是基座、海墁的防渗监测分析和保养维护提供一定的參考。

参考文献

[1]郑山锁，商效瑀，张奎，等.冻融循环作用后再生混凝土砖墙体抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2015（3）.

[2]赵海英，汪稔，李最雄，等.战国秦时期夯土长城加固强度试验研究[J].岩土力学，2007（00）.

[3]刘成禹，何满潮.古建筑风化石质构件力学参数的确定方法[J].岩土力学，2014（2）.

[4]朱才辉，郭炳煊.古建筑基座渗水监测及诱因分析[J].岩土力学，2018（11）.