降雨对榆阳区明长城单体建筑模型破坏的定量化研究

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1、降雨对榆阳区明长城单体建筑模型破坏的定量化研究　　中图分类号：K854.3文献标识码：A：1000-4106（2015）04-0127-09　　AQuantitativeStudyoftheDestructionCausedbyRaintotheMingDynastyGreatanli1　　（1.CollegeofCulturalHeritage，Northainlycausedbymor25mmcancausedamagetothesites，thedamagesustainedincreasingasrainprolongs.Gravitati

2、onalerosionusuallyoccurssuddenlyaftersustainedrainfall，andrainfalllargerthan25mmulativesedimentyield;rainfallduration　　1前言　　榆阳区明长城单体建筑位于西北干旱地区。该地区年降雨集中，呈集中暴发式的特点[1-6]，这种降雨特征对该地区土遗址的保存非常不利。已详细论证了降雨对明长城单体建筑破坏的影响因素和破坏方式，并采用模拟降雨的方法验证了明长城单体建筑的两种破坏方式和具体的破坏过程[7-9]。但以上研究主要集中在对明长城单体建筑破

3、坏的定性研究方面，缺少对破坏过程的量化描述。本文借鉴水土保持学理论，以土体产沙量作为模型破坏的量化指标，定量研究了五种不同形态的遗址模型在三种不同类型降雨下的破坏规律，为后期研究该地区降雨风险分级奠定基础。　　2试验简介　　本次试验采用室内模拟降雨装置对陕北明长城单体建筑的比尺模型进行侵蚀性降雨[1-5]试验，模拟单体建筑的雨蚀过程。　　2.1模拟降雨器　　模型试验中采用喷头式模拟降雨器，主要包括增压泵、调压阀、水压表、喷头控制阀、喷头、水管、接头等，见图1。通过对模拟降雨器进行降雨强度和均匀度率定可以得出，模拟降雨器在有效降雨面积内，单喷头模式下

4、降雨强度调节范围为0.75―1.45mm/min，均匀系数在0.8以上;双喷头模式下降雨强度调节范围为1.75―2.40mm/min，均匀系数在0.75以上，满足试验降雨强度和均匀度的需求。　　图1附注：　　（1）模拟降雨发生装置：1-1增压泵、1-2调压阀、1-3水压表（量程0.6MPa）、1-4喷头控制阀、1-5喷头;　　（2）含沙水流接收装置：2-1小型有机玻璃　　水槽（带排水口）、2-2集流盆;　　（3）室内排水挡水装置：3-1大型有机玻璃　　水槽（带排水口）、3-2雨水收集盆、3-3雨帘;　　（4）支架;　　（5）雨量筒。　　2.2遗址模

5、型的选择　　本次试验采用遗址土制作重塑样，采用分层夯筑法，控制夯层厚度（8―10cm）、夯筑密实程度（1.65g/cm3）与遗址接近。选择保存状态好和较差的五类遗址（D1-1、D2-1、D2-2、D2-3、D2-4）作为遗址原型，拟定为原型的1：20，见表1。通过控制底面面积，使其受雨面积相同，即可使每种遗址模型的降雨条件相同。　　2.3降雨方案设计　　根据模型试验相似理论的要求，模拟降雨需要能够反映出遗址区的降雨特点。通过分析遗址区的降雨特点可知，单次暴雨中的高强度降雨时段对遗址破坏最为严重。因而在降雨方案的设计中，依据遗址区A型和B型暴雨[1，

6、6]高强度降雨时段的雨强与历时参数，同时参考模拟降雨器的雨强调节范围，设定了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种雨型。其中Ⅰ型降雨代表了A型暴雨高强度降雨时段的特点，Ⅱ型和Ⅲ型降雨代表了B型暴雨高强度降雨时段的特点。三种雨型的降雨强度和降雨历时不同，降雨量基本相同。试验中分别对五种形态的遗址模型依次进行Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种雨型的降雨各一场，共15场，见表2。其中降雨时间间隔设计为5天左右。　　3降雨对遗址模型破坏过程的研究　　前期研究表明，遗址模型的总侵蚀量由水力侵蚀的产沙量和重力侵蚀的侵蚀量两部分组成[10-15]。下面分别对两种破坏模式进行量化研究。　　3.1水力侵蚀的产

7、沙过程　　3.1.1试验结果　　累积产沙量是指降雨过程中从降雨开始到某一时间内的总产沙量，整体上反映了降雨对遗址模型水力侵蚀产沙的水平。产沙速率是指降雨过程中某一降雨历时单位时间内的产沙量，直接反映了降雨对遗址模型水力侵蚀产沙的动态变化。试验中，通过测定五种形态的遗址模型在三种雨型的降雨中的累积产沙量和产沙速率的变化过程，得出的试验结果如图2所示。　　3.1.2结果分析　　从降雨特征和遗址形态对水力侵蚀产沙过程的影响等两方面，分析累积产沙量和产沙速率变化过程的试验结果。　　（1）降雨特征对产沙过程的影响　　降雨特征主要反映在降雨历时、降雨强度和降雨

8、量三个参数上，下文分别从这三个方面对产沙过程的规律进行分析，研究降雨特征对遗址模型水力侵蚀破坏过程的影响。　　1）降雨历时