土遗址加固工程——西夏王陵三号陵的保护加固

　　西夏陵位于宁夏回族自治区银川平原西北部，南起贺兰山榆水沟，北迄泉介沟，东至西干渠，西抵贺兰山下，东西宽4.5km，南北长10多公里(东经105°19′26″～106°3′51″，北纬38°0′49″～39°4′55″之间)。总面积约50k㎡。根据银川市总体规划，陵区被列为银川历史文化名城规划和西部旅游区规划的重点项目。
　　1988年，西夏陵被国务院批准为全国重点文物保护单位。陵区文物古迹遗存众多，在50k㎡的范围内，布列有9座帝王陵，253座陪葬墓和数处建筑遗址，以及砖瓦、石灰窑址多座。西夏陵按陵区地貌和陵墓遗存相对集中的格局，自南向北分为4区。前3区原始地貌和遗址保存较完整，每区陵墓地上夯土台基、版筑残墙尚存，陵园布局清晰；4区，因六七十年代修军用设施而受到极大破坏，且被大规模的现代建筑所围困。1区以一、二号陵园为中心，陪葬墓62座，2区以三、四号陵园为中心，陪葬墓65座，3区以五、六号陵园为中心，陪葬墓108座，4区以七、八、九号陵园为中心，附近残存陪葬墓18座，并有西夏祖庙一座。
　　(一)三号陵价值评估
　　西夏王朝，1038年建国，1227年灭亡，先后与北宋、辽、南宋、金鼎足而立，国土数十万平方公里，立国上下近200年，在几乎占我国北方领土一半的土地上，创造了闪耀着民族异彩的灿烂文化，并在荒漠的西北大地上留下了许多重要的文物古迹。但是，在我国浩如烟海的历史文献中，有关于西夏的记载却如凤毛麟角。著名的西夏史研究专家吴天墀先生曾十分感慨地说，在我国二十四史中，有《金史》、《辽史》，却独独没有西夏史。文献的缺乏给西夏文化的研究造成了很大的困难，甚至曾使西夏一度几乎成了一段被遗忘的历史。因此我们把更多的精力投入到了对西夏文物古迹的研究。
　　西夏陵是20世纪70年代以来最重要的考古发现，也是目前发现的规模最大、保存状况最好的西夏建筑类遗址。西夏陵作为西夏王朝的皇家陵园，首先是研究西夏陵园制度，进而是研究西夏社会历史最好的资料。西夏陵现存9座帝陵，200多座陪葬墓，占地面积约50k㎡。每座帝陵包括了鹊台、碑亭、月城、内城、献殿、陵台等八种20余座各类陵园建筑，200多座等级不同陪葬墓耸立，墓园建筑清晰可辨。整个陵区几乎可以让我们看到西夏社会的一个缩影。据文献记载，西夏陵系仿巩县宋陵而作，事实上，西夏陵既有在基本制度上与唐宋陵墓一脉相承之处，又在许多方面表现出了其独有的民族风格，尤其是西夏不在陵上做寝宫的(陵区未发现寝宫遗址)，更是具有先于明代，首开中国古代陵寝制度改革之先河的重要意义。另一方面，西夏陵作为建筑类遗址，是研究西夏建筑技术进而研究西夏社会经济文化和艺术的最好资料。一般认为，各个时期最大量建造的普通住宅，由于其所使用的技术手段和艺术手段有限，常常不能代表那个时期建筑技术的最高成就，而那些专供皇族使用的宫殿、府邸、寺庙和陵墓，则是垄断了当时最好的工匠和材料，使用了当时最先进的技术和最高超的艺术手段。所以是各个时期建筑成就的集中代表。它能灵敏地反映社会政治经济的各种变动，因而是建筑历史的重要内容。目前，我国现存的各个时期的帝王陵园，以西夏陵的土木建筑部分的遗址保存最好。陵区内至今夯土墩高低错落，陵城墙垣断续相连，特别是20m的帝陵塔或陵台，八角七级，形制清晰可辨，土遗址周围遍布砖石彩砾，其中有相当一部分各类鸟兽形琉璃装饰器，有许多都是在唐宋陵园内未曾发现的内容。这些重要的遗迹、遗物从一个侧面揭示了西夏陵园建筑的宏伟规模和高超的建筑技术，以及有别于中原地区汉族陵园建筑的独具民族特色的建筑风格。所以，西夏陵不仅是研究西夏建筑历史的重要资料，也是研究中国古代建筑历史的重要资料。
　　(二)三号陵区的自然环境特征
　　1.气象水文特征
　　据宁夏气象局提供的银川市1995～1999年气象资料，年平均气温9.7℃，最高温度36.8℃。相对湿度56%，最小相对湿度1%，年降水量183.8mm，日最大降水量53.2mm，降水主要集中在7、8月，无霜期为171～189d，平均风速2.6m/s，极大风速28.8m/s，图14-9为风向频率玫瑰图，由图可知，本地多西北风和南风。据1978年水利资料，在陵区内洪水流量可达35.3m3/s。
　　2.水文地质特征
　　本区地下水埋深较大，为120m，地下水中Ca2+为0.20g/kg、Mg2+为0.20g/kg、Na+为0.05g/kg、Cl-为0.09g/kg、SO上2-下4为0.49g/kg、HCO上-下3为0.97g/kg，pH值8.0。
　　3.地质地貌特征
　　三号陵位于贺兰山东麓中段的洪积扇上，属西山东川的地貌格局。地层为第四纪洪积堆积，地表系戈壁砂砾石，深层以砾石粗矿为主，结构紧密，承载力大，属减缓地震危害的特殊地质结构，陵区附近无黄土堆积，陵区冲沟发育，现已采取了防洪措施。本区地震裂度为Ⅶ度。
　　(三)三号陵岩土工程勘察
　　三号陵现存的建筑遗迹主要为夯土部分。夯筑墙使用的是传统的版筑技术，采用分段夯筑的方法，板与板之间有明显的接缝。每板的长度一般在3m左右，短的约2.7～2.8m，长的约3.5～3.7m。
　　1.遗址土的物理化学特性
　　(1)遗址土化学组成特征
　　1)矿物成分特征
　　表14-7是遗址土的矿物组成，从表中可见，遗址土中的主要黏土矿物为伊利石和绿泥石。其中伊利石的含量占6%～13%，绿泥石占4%～7%。土料伊利石含量占15%，绿泥石占8%。
　　2)易溶盐组成(表14-8)
　　表14-8给出了遗址土的易溶盐的类型及含量，其中神墙的易溶盐类型主要以硫酸盐和氯盐为主且含量较高，而陵台、西碑厅、西鹊台的易溶盐含量相对较低。
　　(2)遗址土的物理性质
　　1)颗粒组成(表14-9)
　　2)遗址土的物理指标
　　表14-10给出了三号陵、四号陵、六号陵不同位置遗址土的物理指标。由表可知，遗址土的塑限含水量在12%～15.1%之间，液限含水量在17.9%～23.7%之间；而遗址不同部位夯土层的干密度、孔隙性差别较大，其中陵城东西墙的干密度高于南北墙的同一夯土层，其上部的干密度明显地大于下部的，其孔隙性具有同样的特征。
　　3)遗址土的崩解特性
　　图14-10为遗址不同位置夯土样的崩解特性比较柱状图，由图可知，三号陵南、北神墙夯土崩解速度快，这个特征与干密度和孔隙度的大小具有很好的相关性。
　　(四)三号陵保存现状
　　1.三号陵概况
　　三号陵即现已对外开放的“西夏王陵”或所谓的“昊王坟”，它位于2区东北面，南距1、2号陵3500m，西距4号陵2000m。周围地势开阔平坦，海拔高度在1161～1165m之间。陵园属无外城结构，茔城面积约15万㎡，方向150°。根据专家推断，3号陵为西夏国景宗李元昊的陵墓。
　　三号陵是诸帝王陵中保存最好的一座，鹊台、陵台等遗址基本完好，陵城城墙、门阙等遗址大部尚存，陵区的基本布局清晰可辨(图14-11)，具有较高的研究和保护价值。
　　三号帝王陵由南向北依次由角台、鹊台、碑亭、月城、陵城南门、献殿、陵城东西门及神墙、墓道、盗坑、陵台、陵城北门、角台等地面土遗址组成。
　　2.保存现状
　　角台：位于三号陵区最外沿，独立位于东北、西北和东南、西南角。目前东南、西南两座角台已坍塌，西南角尚可分辨出台基，东北、西北角两座尚存，但风化破坏严重，需防止倒塌危险。南边2角台相距约520m，北边2角台相距272m，南北联线约460m。
　　鹊台：分为东、西两座，东鹊台损坏程度较西鹊台严重，外表面墙体大块剥离，根部掏空，急需加固保护。鹊台底部直径约12m，东鹊台高8m，西鹊台高6.8m。
　　碑亭：分东、西两座，西碑亭已发掘，并建简单保护棚，东碑亭则用砂土封闭予以保护。
　　月城：在碑亭以北，呈长方形，尺寸为126m×51m，目前已基本坍塌，保留门阙两侧夯土墙，但遗址墙基尚存。
　　陵城：四面以神墙环绕，呈长方形，南北长180m，东西宽160m，神墙东、西墙体、四角阙及四面门阙两侧的夯土墙保存较好，南、北两墙墙体多已坍塌。神墙的病害较严重，根部掏空、裂隙、冲沟、坍塌等均存在，根据统计，坍塌墙体已达189.1m，约占墙体总长的27.8%。如不尽快加以保护，后果将不堪设想。
　　献殿：留存一高约1m的不规则圆形台基。
　　墓道：(又称鱼脊梁)高出地面，上有碎石覆盖。
　　盗坑：在墓道北端，深约5m，直径约20m，坑内长小树多棵，两侧有土堆。
　　陵台：陵区最高大的建筑遗存，高约20m，底径33m，表面风化严重，北面自上而下有一条水流冲沟深深凹进陵体表面(约1m深)。另外经观察发现，陵台西北侧表面的损坏较东南侧为严重。孔洞风化、剥离、冲沟，陵体根部掏空等病害均存在。
　　三号陵地面遗存详细现状见表14-11。
　　3.陵区内排水路线的调查
　　根据调查，目前陵区内有4条路线可将雨水排出陵区，方向均为东西走向，另外由北向南也自然形成水路(图14-12)。
　　陵城内城排水均经陵墙东南角流出陵城，致使该处墙毁坏形成水道。陵城西北角由于墙毁而使外面的流水经过该处流入城内，加剧了城内的排水流量，月城内水流经东南角流出。陵区、月城、陵城的汇水面积见表14-12。
　　另外，通过地形测绘得知，东阙台处与陵城西北角的高差为7.2m，在一般的情况下，如遇短时暴雨，在如此大的迎雨面积上汇积极易产生急流，冲刷毁坏靠近流水路线的土遗址。因此，在保护加固时，应对现有的流水路线进行整治，特别是彻底解决好陵城流水穿过东神墙的问题，确保土遗址不受水流的冲击。
　　调查中发现，月城内靠近倒塌墙处因地势较低而形成积水，水的存在使土遗址根部潮湿，从而加剧了可溶盐在夯土中的破坏作用，最终导致了遗址的坍塌。陵城南墙的大部分墙体坍塌，也有与月城相似的原因。
　　(五)三号陵的病害及其成因初步分析
　　由于自然和人为因素的影响，历经约800年的西夏陵产生了许多病害，也就是这些病害使得陵区的遗存逐渐地被破坏，甚至消失。经过现场调查分析，我们认为三号陵存在的主要病害类型有墙体坍塌，墙体、陵台表面冲沟发育，墙面片状剥离，干缩开裂，人为破坏等五种。
　　1.墙体坍塌
　　由于墙根遗址土在可溶盐活动下变得疏松，随着风的掏蚀作用而使得墙基凹进墙体，这样使得墙体局部的支撑力降低，墙体便沿夯土层层状剥离、墙体开裂、坍塌(图14-13)。此类病害主要分布在南、北神墙的南侧面，东、西神墙的西侧面，而南、北神墙遗址由于极易崩解，所以双重因素造成其破坏严重。
　　2.冲沟发育
　　由于本区降雨主要集中在7、8月，且以集中式降雨为主，一旦具有一定的汇水面，便会在遗址表面形成规模不一的冲沟。如陵台北侧的自上而下的大冲沟，严重威胁陵台的保存(图14-14)。另外，由于在夯土墙上存在有版筑接缝，其接缝处的土体强度较低，降雨又极易造成冲刷，便形成冲沟(图14-15)。
　　3.墙(台)面片状剥离
　　此类病害分布最广，但主要集中在东、西神墙的西侧面，南、北神墙的北侧面。由于干湿循环的急剧变化而引起干缩，在墙体表面形成龟裂，使得墙体表层的土体与墙体之间形成一软弱面，在风和其他营力的作用下逐渐剥离。
　　4.干缩开裂
　　原来埋藏在底下的土遗址，由于考古发掘而被揭露，这样本来潮湿的遗址急剧变干而收缩，便形成大量的裂隙。裂隙面的土粒不断地风化脱落使得裂隙宽度变得越来越大，并成蜘蛛网状分布。西碑亭台基上便存在此类病害。
　　5.人为破坏
　　过去西夏陵无人管理，人为破坏相当严重，甚至有人在鹊台和神墙上取土。随着西夏陵管理处的成立，此类现象不再发生。但是，由于人们对土建筑遗址的脆弱性认识不足，再加上文物保护意识不强，游客随意攀登、践踏遗址的现象时有发生。长此以往，将严重地影响遗址的保存，甚至可以这样认为，人为破坏有时比自然破坏对土遗址的威胁更大。
　　(六)三号陵的总体保护
　　西夏陵三号陵保护工程是一项涉及岩土工程、水利工程、考古发掘、古遗址保护、工程施工、环境治理等多学科的综合性的文物保护工程。针对三号陵目前存在的病害，总体保护方案为：
　　1)考古发掘工作与保护施工同时进行，以避免考古信息的破坏和丢失。
　　2)防坍塌加固。此病害主要表现为墙(台)体根部掏蚀凹进，墙体沿夯土层大块脱落坍塌。设计采用砌筑土坯或夯土的方法充填掏挖部位，达到加固稳定墙体的目的，加固后的外表面可用PS、黏土做旧，达到与其他墙体一致。土坯或夯土所用的土应采用墙体坍塌土或级配与此类似的黄土，但干密度必须达到1.7～1.8g/cm3。
　　存在裂隙的坍塌体，要采用木质锚杆锚固和裂隙灌浆相结合的办法进行加固处理。采用锚固的方法加固土体是一种行之有效的方法，这已被实践所证明。而采用木质杆件作锚杆承受土体的荷重，则主要是考虑到木质锚杆与土体有较好的黏接性和耐腐蚀性，完全可以满足土体荷重的要求，而且也符合文物保护修复中尽可能使用传统材料的原则。在插入钻孔前事先对木质锚杆做防腐处理。
　　常用树种木材的强度设计值和弹性模量见表14-13。
　　如果我们采用直径为50mm的桦木做锚杆，选用表中数值可计算出一根锚杆自身可承受约20kN的拉力(约2t)。以上数值可以看出，用木质锚杆锚固土体在强度上是不存在问题的。
　　关于木锚杆的含水率的问题，也是人们担心锚固质量的原因之一。因为含水率高，木锚杆的收缩必然大，这会直接影响锚固质量和效果。我们通过查找资料，银川地区一年内木材的平衡含水率在9.6%～13.5%之间，平均为11.8%，木材的含水率是很低的，不会对锚固质量产生影响。
　　我国53个城市木材平衡含水率平均值见表14-14。
　　裂隙灌浆材料采用PS-F、PS-C系列。
　　3)冲沟整治。主要解决陵台及墙体冲沟的问题。陵台最大的一条冲沟可考虑采用锚杆连接和加筋技术，即先对冲沟进行表面清理和PS渗透加固，再布设一定数量的木质锚杆将加筋夯土与台体相连以填充冲沟，以防冲沟被雨水继续冲刷，影响台体的稳定性和完整性。对于墙体版筑接缝冲沟，多半已成为裂缝，需先进行裂缝封闭灌浆，然后再进行表面处理。
　　4)防风化加固。遗址表面风化病害较复杂，主要表现为风、雨蚀所产生的片状剥离等。而且分布广，陵区所有土遗址均不同程度的存在此类病害，需要针对具体情况采用不同的加固方法。①对风化程度较轻，龟裂缝相对较少的部位，可采用PS材料直接渗透加固。PS材料必须达到一定的模数。②对东西神墙的西侧面(或鹊台、角台等西北侧面)因表面风化严重，片状剥离体明显地依附在墙体上，轻轻触动，剥离体就会脱落。此类病害在西夏陵的各单体遗存上分布最广、危害很大。根据现场实验的结果，将采用小竹铆钉与灌注PS-C浆液相结合的工艺进行加固。
　　5)干缩裂缝处理。对西碑亭的干缩裂缝，可采用PS系列灌浆材料进行灌浆的方法予以封闭。一般小于2mm的裂缝可用PS直接灌浆，大于2mm的裂缝可用PS-C对裂缝进行封闭灌浆。
　　6)排水问题的处理。①对处于水道边沿的墙及基台设置防水挡墙等设施，使水流不能直接冲击神墙及基台。②在水流冲出水沟的地方建排水沟，排水沟应低于目前的地面，使水流在地面以下流淌排出。
　　7)人为破坏的防止。解决人为破坏的方法主要有2点，①加强陵区管理。②设置护栏、警示牌等，禁止攀登踩踏。