淮安板闸遗址的结构安全评估与保护设计研究

2021-07-02张承文李钏源

文物保护与考古科学 2021年3期

张承文，淳庆，庄剑，李钏源

(1. 东南大学建筑学院，江苏南京 210096； 2. 南京大学建筑规划设计研究院有限公司，江苏南京 210093)

0 引言

2014年10月，淮安市生态新城“板闸风情街”建设项目在施工过程中发现地下大量条石。淮安市博物馆随即对其进行了实地调查和勘探，确定地下埋藏的石砌建筑为一座明代板闸遗址，经国家文物局批准，淮安市博物馆于2014年11月至2015年1月和2015年4月至9月对遗址进行了两次发掘，发掘总面积2 000余平方米，板闸及其河道才得以再现天日[1]。淮安板闸遗址保存状况良好，年代明确，遗迹丰富，为世界遗产大运河增添新的重要内涵和材料，同时对研究明清水利史、运河史、明清两代税收史、古代水利工程学、古建筑学等都具有重要的意义和价值。

目前，国内外学者对水闸结构和古代砖砌遗址的研究[2]与保护工作已有一些探索。徐桂玲等[3]通过室内试验对通古斯巴西古城遗址土的物理、力学、水理和化学性能进行测试，测定了不同PS浓度加固后遗址土重塑土块抵抗风蚀雨蚀能力的差异，进一步确定了PS的渗透加固措施对土质文物的防风化及雨蚀效果；容波等[4]通过对比分析了当前考古发掘现场出土脆弱遗迹所常用的石膏提取、聚氨酯泡沫提取、环十二烷提取以及薄荷醇提取等几种方法的使用情况，对它们的提取工艺及性能做出了评述；刘东坡等[5]采用无损方式对定型加固剂浸渍液即时浓度进行分析，并对冷冻干燥终点进行预测，采用这种无损技术成功地对志丹苑元代水闸遗址出土的30件木构件进行真空冷冻脱水定型处理。张金风[6]针对砖石结构古建筑的特点，对砖石结构古建筑修缮的特性提出问题及相应建议。朱才辉等[7]以陕西榆林卫城为研究背景，对砖墙砌体及夯土材料力学特性进行原位测试和室内试验，再基于数值方法来综合评判砖-土结构劣化及入侵建筑物在拆除过程中古城墙的整体稳定性和受力性态。卢羽平[8]对耿楼节制闸进行了Ansys二次开发建模计算，研究了混凝土水闸结构的非线性求解问题；陈页开[9]基于对刚性和柔性挡墙土压力的研究，在充分考虑土与结构的相互作用的基础上，用指数函数描述作用于挡墙上土压力与墙体位移的相互关系，提出了一种考虑位移的土压力计算方法；Yan等[10]以某高速公路加宽工程为例，建立了18m以下重力式挡土墙的有限元模型，研究了挡土墙外位移与内侧产生的拉应力及挡土墙后土体的压实程度之间的关系；Li等[11]采用上限定理、混合数值离散化和线性规划相结合的方法，研究了砌体挡土墙边坡的极限承载力；Invernizzi等[12]以博洛尼亚的阿西内利塔为例，提出了一种考虑砌体损伤和开裂各向异性的计算公式。

综上所述，目前国内外学者主要是对古建筑、古代城墙或古塔等砌体结构遗产以及现代水闸进行了研究，而对古代水闸遗址的结构性能和保护技术的研究鲜有报道，淮安板闸遗址是典型的明清官式做法，与现代水闸、其他砌体结构遗产在形制和构造上有明显的不同，因此对其进行结构分析和保护措施的研究是十分有意义的。本工作首先通过现场测绘调研，获得板闸遗址的几何尺寸和结构构造，然后再对板闸遗址的残损进行分析，找出其显见的病害，然后进行遗址本体非线性有限元计算，得出结构隐在的病害；最后给出板闸遗址主体科学合理的保护方案。

1 板闸遗址基本情况

1.1 形制分析

板闸在古代又称牐或碶，是对水流实施控制的水工建筑。板闸的出现，是古代水工建筑发展的重要标志之一。中国古代水利工程中，板闸应用十分广泛，如灌溉、供水工程，航运工程，治河防洪工程。此次考古发现的板闸，即是应用于运河航运的工程，其相关尺寸如图1所示。

图1 淮安板闸与清工部《工程做法则例》中石闸对比

将淮安板闸遗址的做法与清工部《工程做法则例》[13]中的“石闸部分名称图(壹孔闸)”(图1c)的做法进行对比分析(表1)，淮安板闸遗址的形制、结构和构造与清工部《工程做法则例》中的做法较为一致，属于典型的明清官式水闸做法。

表1 清工部《工程做法则例》中石闸部分与淮安板闸的相关对比

1.2 残损现状分析

经过了数百年的自然与人为破坏，虽然板闸遗址的整体格局较为完整，但其存在一定程度的残损病害。如图2a所示，在西闸墙雁翅位置的墙面石上发现有若干凹窝，距闸底2.8～3.5 m高：一种为柱形凹窝，内部较为平整，深度较浅；另一种锥形孔，外大内小，深度略深。东闸墙整体和西闸墙正身部分则未见此类凹窝，似系行船撑篙形成。闸墙自底以上2.8 m高的条石皆可见清晰的水流冲刷痕迹。闸体未见明显自然沉降，局部有结构通缝(即贯穿截面的裂缝，裂缝走向如图2a所示)与浅表性裂缝(即结构表面的浅层裂缝，裂缝区域如图2a所示)；石材本体保存完好，局部有石块破损或断裂，下层石受水流冲刷，可见浅表性风化现象；石条表面常见明显黄褐色水锈、粘结材料基本完好，局部有缺失；如图2b所示，闸底开挖期间，局部见闸体底部木板隆起现象。闸底局部木板严重缺失，铁钉锈蚀，缺失较多，整体木材严重腐朽。这些残损病害已经影响到板闸遗址的结构安全。

图2 淮安板闸残损情况

2 数值计算

2.1 计算依据

淮安板闸遗址为17～26层条石垒砌而成，条石之间有的用铁扒锔连结加固，闸门宽6.3 m，位于闸墙偏南位置，两边中间有2个对称的闸槽，长0.25 m，宽0.16 m。闸体由上迎水雁翅、正身、下分水雁翅组成。板闸遗址总占地面积约2 600 m2(含闸墩)，实际发掘面积445 m2(以闸底计算)。板闸全长57.8 m，宽6.2～56.2 m，残高5.2～7.8 m。

参考《板闸遗址保护与展示工程岩土工程勘察报告》(工程编号：171302)，遗址场地内各层土从上往下依次为填土(平均厚约2.47 m)、粉土(平均厚约1.77 m)、黏土(平均厚约5.98 m)。本场地为相对稳定区，属稳定场地。场地内布设了较多木桩，经确认，起到稳定土层作用。根据岩土工程勘察报告，板闸遗址下部的黏土层的桩土复合地基承载力特征值为140 kPa。分析截面各土层力学参数及几何尺寸如表2所示。

表2 淮安板闸周边土体力学参数与几何尺寸

2.2 传统计算方法

根据现场测绘图纸，取最不利几何条件(板闸墙体高度较高和墙体厚度较窄处)，确定简化后板闸主体如图3所示。

图3 淮安板闸周边土体分布情况

墙体高度按最不利土体分布及最高墙体处截面，偏保守取值8.0 m，墙厚1.8 m，考虑沿墙厚度方向12.0 m土体产生的侧压力(按最较不利截面处土体宽度，偏保守取值)。

用参考文献[14]中的传统计算方法，对板闸遗址的结构安全性进行计算，计算主要过程及结果如表3所示。计算结果表明，淮安板闸主体及周边土体满足抗滑移、抗倾覆、抗破坏等强度与稳定性要求。

表3 淮安板闸传统计算方法验算表

(续表3)

2.3 非线性有限元计算

2.3.1有限元模型建立传统方法验算过程由于计算方便的要求，对于结构进行了过分简化，验算的内容也过于简单，无法考虑遗址本体三维空间效应和平面不规则形状效应，也没有考虑结构的非线性效应，因此为了进一步了解板闸遗址的结构安全状况，本工作采用Ansys软件建立了板闸遗址主体实体模型并进行了非线性有限元数值分析。

根据现场勘察调研，板闸遗址主体结构由侧墙石砌体和夯土复合承重，较为复杂，且残损严重，整体性差，为方便建模计算，假定：对墙体现有的孔洞裂缝等先进行了补砌和修补，将墙体简化为各向同性连续均质材料[15]。

几何外观尺寸按现场实际测绘尺寸，近似按双轴对称考虑，取主体结构整体的1/4建立模型。有限元网格如图4所示。单元类型为SOLID95单元(填土，粉土和黏土，采用Drucker-Prager模型)和SOLID65单元(主体结构，采用William-Warnke模型，考虑开裂和压溃)，单元边长约为0.5m，单元数目约为5.2万。不同土体间采用了节点耦合，对称剖切面采用对称约束。

图4 板闸遗址的有限元模型

在计算模型中，水压力(侧压力)作为面荷载直接加在主体结构上。填土上的附加堆载取10kPa(考虑游客和附加建筑小品等)。

对主体结构在4个工况组合作用下的裂缝、变形和应力及地基应力进行了非线性分析：

1) 自重+土压力，主要模拟土体侧推力的影响；

2) 自重+土压力+附加堆载，主要模拟土体侧推力及附加堆载的影响；

3) 自重+土压力+水压力，主要模拟土体和地下水的侧推力影响，地下水位高度为0.6 m；

4) 自重+土压力+水压力+0.75×附加堆载，考虑2)、3)的组合影响。模拟土体和地下水的侧推力与附加堆载的组合，附加堆载考虑适当的折减，地下水位高度为0.6 m。

考虑闸体与土体间的接触，结合检测数据、地勘报告和砌体规范，并按偏保守的原则取值，板闸遗址主体材料和板闸遗址周边土体参数分别如表2和表4所示。

表4 板闸遗址主体的材料参数表

2.3.2有限元分析结果分4个方面论述。

1) 工况1(自重+土压力)作用下。基体的拐角即曲率变化较大的位置出现裂缝，未出现二级及以上裂缝，如图5a所示；仍未出现压碎区域(图5c)。从第一主应力云图(图5b)可见，虽然开裂后局部应力得到了释放和重分布，但应力仍较大。主体结构的变形(图5d)较小，约为10 mm。黏土压应力(图5e)最大值为0.32 MPa，大于0.140 MPa，通过分析发现，主要为墙体下部土层第三主应力较大，因此建议现场施工时对墙体下方土层进行适当加固处理，粉土压应力(图5f)基本满足承载力要求。

图5 工况组合1(自重+土压力)分析结果

2) 工况2(自重+土压力+附加荷载)作用下。拐角处裂缝进一步扩展，拐角处出现了较多二级裂缝，其余地方依然没有出现裂缝，如图6a所示；仍未出现压碎区域(图6c)。从第一主应力的云图(图6b)可见，虽然开裂后局部应力得到了释放和重分布，但拐角尖端区域的应力仍较大。主体结构的侧向变形较小(图6d)，总位移值约为11mm左右，远远小于规范限制值。填土的承载力满足要求(图6e)。粉土此时出现压溃区(图6f)，但压溃区较小可认为满足安全要求。墙体附近黏土S3应力较大(图6g)，需要采取可靠的措施来保证土层稳定性。

图6 工况组合2(自重+土压力+附加荷载)分析结果

3) 工况3(自重+土压力+水压力)作用下。

和工况1相比，在工况3作用下，虽然浸水使得土重改为浮容重而减小了土压力，但水压力会带来附加的不利影响，此时由于不均匀受力使得板闸外侧上部拐角处出现了三级裂缝，如图7a、b所示；仍未出现压碎区域(图7d)。从第一主应力的云图(图7c)可见，拉应力依然较大，裂缝会继续出现。主体结构的侧向变形较小(图7e)，整体位移在10 mm左右。图7f～7h所示，填土的S3值变大，但依然满足要求。粉土出现压溃区，压溃高度为0.5 m左右。墙体附近黏土S3应力较大，需要采取可靠的措施来保证土层稳定性。

图7 工况组合3(自重+土压力+水压力)分析结果

4) 工况4(自重+土压力+水压力+0.75×附加堆载)作用下。裂缝长度扩展，且三级裂缝继续发展，如图8a所示；但未出现压碎区域(图8b)。从第一主应力的云图(图8c)可见，拉应力依然较大，裂缝会继续出现。主体结构的侧向变形较小(图8d)，整体位移在11 mm左右。图8e～8g所示，填土的S3值变大，但依然满足要求。粉土出现压溃区，压溃高度为1 m左右。墙体附近黏土S3应力较大，且相比前几种工况压溃区扩大，需要采取可靠的加固措施来保证土层稳定性。

图8 工况组合4(自重+土压力+水压力+0.75×附加堆载)分析结果

由于工程中常用的传统计算方法无法考虑三维空间效应和平面不规则形状效应，对结构非线性尤其是几何非线性和状态非线性考虑不足，而本次有限元模型建立时各参数取值尽量贴近了实际情况，因此，可以认为Ansys有限元模型计算结果可以与传统方法相互印证与补充。

根据对板闸遗址主体结构在4个工况下的计算结果分析，可以得出以下结论：墙体下部的黏土层已经被压溃，需要先加固地基，提高地基承载力；对于粉土层，后两种工况出现了压溃区，因此也应该采取一定预防措施；对于填土层，承载力富余量尚可，可以认为满足承载要求。各种工况组合中，主体结构均没有出现压溃区域，主压应力均具有较大的富余量。主体结构的侧移量也较小，具有较高的整体稳定性。对主体结构最不利工况组合是(自重+土压力+水压力+0.75×附加堆载)，这种工况组合出现多级较大裂缝。裂缝会削弱结构的整体性，降低材料耐久性，带来安全隐患，可能会引起修复后结构局部区段的再次破损。

3 加固修缮

3.1 设计原则

通过分析，对板闸遗址采用现状保护的方式，本着“不改变原状”，保持文物完整性和真实性的修缮原则，最大限度地保存文物真实的历史信息，在确保文物安全的前提下最低限度地干预文物。

3.2 设计内容

板闸采用露天带水保护，内部储水并控制水位为50～100 cm，水环境不仅可以保护闸底木材，同时可适当减小闸体两侧的压力差和闸底木板变形。为了控制板闸遗址区域的水位，采用三排直径700 mm总厚度1 700 mm的水泥搅拌桩的方式，在板闸主体外围(图9a)增设止水帷幕，止水帷幕深度处于自然地面下约12～14 m之间，深入不透水层约2 m。

对于墙体的较大孔洞，采用与原石块同样厚度、颜色相近的石块进行补砌，补砌部分与原有石块相互咬合，且增加不锈钢钢筋拉结；对于开裂的石块，采用灌注潮湿环境用的结构胶进行加固；对于墙体松动的灰缝处先采用灌注潮湿环境用的结构胶进行加固，再采用改性石灰砂浆进行勾缝，确保整体外观风貌一致。图9b为板闸主体加固修缮方案设计。

板闸地基土体进行压密注浆加固，防止板闸继续发生不均匀沉降及随着水土作用的渗透变形，其次加固水闸背部土体，减少板闸承受的侧向土压力(图9c和9d)。

图9 板闸遗址加固修缮方案设计

图10表示填土弹性模量对淮安板闸及其周边土体极限应力的影响。结果表明，加固填土后可认为其弹性模量提高，而填土的弹性模量改变对填土应力值影响很小可以忽略不计。从增幅来看板闸第一与第三主应力及粉土与黏土应力的变化都随着填土弹性模量，表现出前期非线性减小后期逐渐趋于平缓变化的模式。总体而言，进行本方案设计后加固的土体，可以有效减小板闸主体的第一主应力，并且不会对其他土体造成不利影响。