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[摘要]由于土特殊的结构及组成，且原料简单易得，在古代曾大量应用于建筑行业，留下很多享誉中外的土遗址。然而，由于其自身特性加上建造工艺和赋存环境的不同，导致土遗址很容易受外界因素的影响。本文结合嘉峪关世界文化遗产监测系统工程，探讨现代科技在土遗址监测保护中的应用，为土遗址的监测预警提供一些基础资料，也为日后的保护维修提供决策支持。
[关键词]干旱环境;遗址监测;嘉峪关明长城
[中图分类号]K878 [文献标识码]A [文章编号]1005-3115（2014）24-0064-03
“土遗址是指人类活动遗留下的由土和以土为主的遗迹和遗物。这些遗迹和遗物包括房屋、夯土台基、城墙、窖穴、窑炉、粮仓、土构墓葬、糟朽文物在土上的印痕等。”①土遗址是具有较高的历史、艺术和科学价值的文化遗产。明洪武五年（1372），冯胜平定河西，以嘉峪塬南有祁连，北有黑山，南北相距仅30余里，为河西走廊狭窄之处，自汉以来据西域前沿，扼丝路咽喉，为兵家必争之地，塬下九眼泉，泉水终年不竭，人马可饮，遂于其上建造关隘，名曰“嘉峪关”。②据《重修肃州新志》载：“洪武五年，冯胜下河西，以嘉峪关为中外巨防，西域入贡，路必由此。筑土城，周两百二十丈。”③嘉峪关地处中国西北内陆，属于温带大陆性荒漠气候，春冬季寒冷且多风沙，夏秋季干旱少雨且日照强烈，这在某种程度上有利于土遗址的保存，但是由于独特的地理气候环境，随着时光流逝，嘉峪关及附近明长城出现了相应的病害，出现了墙体风化、酥碱、冻融、裂隙、地基沉降、倾斜、断层空洞，木结构倾斜，油饰彩画脱落，虫蛀糟朽，城壕积沙等一系列病害。针对上述问题，嘉峪关世界文化遗产监测中心制定了相应的监测预警方案，开展了嘉峪关世界文化遗产监测系统工程，通过一些经过验证的成熟的高科技监测设备和完善的商品化的软件，开展对城墙、古建筑、城壕、游客行为及承载量的预警监测。
一、土遗址保护的研究现状
相对于器物与石质建筑保护而言，土遗址的保护开始时间较晚，所做的工作也较少，真正意义上的土遗址保护是在20世纪60年代以后。目前，国际上土遗址保护研究的主要机构是ICOMOS（International Council on Monuments and Sites）下设的土遗址保护专业委员会。另外，意大利ICCROM与美国盖蒂（Getty）保护所对土遗址的保护也有一定的研究。国内土遗址保护工作开展更晚，20世纪80年代末，才开始在少数几个地方进行土质遗址科学保护研究试验。④而有关土遗址的监测工作更是刚刚起步，没有形成规范的监测理论和方法，很多遗址地都是通过人工巡查的方式开展日常监测，这样得到的监测数据存在误差，不能很好地起到预警作用，也无法为日后维修保护提供强有力的数据支撑。
二、嘉峪关明长城主要病害及监测方法
（一）墙体表面风化
表面风化主要分为物理风化、化学风化和生物风化。物理风化主要是龟裂甚至片状或块状剥落，在干旱环境中由于遗址表面易形成盐类富集，使遗址表层结成硬壳，在暴雨后，受强蒸发作用，使遗址表面土体迅速变冷，引起内外土体间的不均匀收缩，形成裂纹，甚至片状块状剥落。⑤化学风化的主要表现形式是酥碱，导致这种病害的主要原因是土壤的虹吸作用和可溶盐的迁移富集，从而使土壤间的粘结力减弱，出现粉状脱落。生物风化主要表现为植物根系生长过程中对遗址的机械破坏作用，由于嘉峪关长城夯筑材料经过特殊处理，现城墙上没有植物生长;另一种生物风化，主要是小动物的洞穴，由于嘉峪关地处西北，城墙上有不少麻雀巢穴与鼠穴，在本次城墙维修过程已做了相关处理。为了监测此种病害，嘉峪关世界文化遗产监测系统工程在易发生风化的墙体部位安装了盐分计、土壤温湿度计、墙体水分计等设备。通过这些现代化的高科技监测设备，及时了解病害形成原因及发育程度，并通过埋设的信号线将所得实时数据汇集到监测预警平台，方便日后查阅与研究。
（二）酥碱
土的化学成分是指组成土的固相、液相和气相的化学元素、化合物的种类及其相对含量。西北干旱区因水分的强烈蒸发而富集成氯盐一硫酸盐型的风化类型。⑥土的液相化学成分主要是易溶盐类、中溶盐类。⑦当土体干燥时，易溶盐呈固态，充填于土粒间的空隙中，形成不稳定的胶结物，起着胶结土粒的作用。当土中含有较多的水分时，易溶盐则溶解成离子，溶于水后向外迁移，影响土体强度。化学分析表明，遗址土的易溶盐主要为氯盐和硫酸盐，即以NaCl、CaS04、MgS04为主，有少量的碳酸盐。土呈弱碱性。大多数的中溶盐、易溶盐结晶细小，基本上成为粘粒，具有一定的胶结能力。⑧因此，这些土遗址才得以在西北地区保存下来。但是土体中的易溶盐遇水即溶解，易溶盐随着温度、水分的变化发生周期性的结晶与溶解。在水流作用下，土中结晶盐开始溶解，破坏了土颗粒骨架，使土的粘聚力急剧下降，易溶盐以离子形式随水迁移，在墙基富集。降雨后受强烈的蒸发作用，又使盐类重新结晶成土颗粒骨架。如此反复作用，导致土体结构破坏、松散，极易在风、雨等外力作用下被搬运走。而墙基处的易溶盐含量高，所以其受到的破坏最严重，出现了淘蚀现象，本次关城维修工程特意做了防水排水系统，以减轻盐分因雨水的渗透而加重盐分的迁移富集。同时，为了解盐分确切成分及含量，以便及时采取有效的保护措施，采用盐分计开展对其盐分的监测。
（三）冻融循环
冻融循环是指土体温度介于结冰点上下波动时所产生的冻结和融化的循环过程。冻胀破坏主要是温度变化的速度和幅度所致，昼夜温度变化幅度越大，则冻胀破坏越强烈。一种破坏为温度变化影响遗址土自身，另一种为水在温度作用下体积变化破坏遗址。西北干旱区戈壁地带温差幅度可达50℃以上，遗址土体白天接受阳光照射使表面受热膨胀，热量缓慢地向遗址内部传递，因此内部受外部热的影响很小，由于土体内外在白天接受太阳辐射时热膨胀的体积、速度不同，产生了内应力;到夜间，遗址土体表面开始散热，发生体积收缩，但内部因日间持续传来的热量发生体积膨胀。这样，土体表面与内部体积膨胀和收缩的步调不一致。这种过程持续进行，遗址表面土在持续膨胀、收缩产生的压力和张力作用下发生了裂缝和破碎，形成表面的剥离和脱落。⑨冻融循环作用可以实现土体结构性的改变，反复冻融可以破坏土体的原生结构和土颗粒之间的胶结，亦可以使土体颗粒重新排列。⑩为了监测冻融循环对土遗址的破坏程度，本次工程针对性地安装了土壤温湿度计，通过相关数据及时掌握温度变化对土遗址的影响。 （四）裂隙
裂隙发育是长城崩塌破坏的主要因素。在内外营力的作用下，产生的主要裂隙类型有：构造裂隙、卸荷裂隙、变形裂隙和夯筑板接缝。裂隙倾角多近直立，走向平行墙面或者垂直墙面。科学技术的发展大大促进了建筑变形监测技术和手段的进步，数字水准仪、测量机器人、三维扫描技术、合成孔径雷达干涉差分技术，数字摄影测量技术以及不断改进和完善的观测仪、沉降仪、应变计等专业观测监测技术，改变了以往主要依靠经纬仪和水准仪等简单观测手段，使得建筑变形测量技术正快速朝着高精度、数字化、自动化以及网络化方向发展，这些建筑变形监测技术也可以应用在土遗址的健康监测，为文物保护提供量化的数据支持。{11}本次工程采用振弦式表面裂缝计、远距离裂缝观测仪对墙体开裂严重且裂缝有发育趋势的部位开展监测，掌握其发育趋势。
（五）地基沉降
土遗址的赋存基础往往是大面积的夯土层或者原始土层，其稳定性的监测方法通常是沉降监测。沉降监测与建筑物沉降监测方法类似，首先在远离变形监测区域之外，布设3～4个竖向位移基准点，然后以基准点为基础，获得变形区域内的整体沉降量 （也称绝对沉降量） ，并计算差异沉降量 （相对沉降量） ，根据整体沉降量和差异沉降量来判别基础是否稳定。{12}本次监测系统工程采用由南京基泰土木工程仪器有限公司生产的两点式垂直位移计、振弦式多点位移计开展地基沉降监测。
（六）断层空洞
由于嘉峪关长城主要采取黄土加沙夯筑而成，随着岁月变迁，城墙也出现了一系列病害，究其原因，为老鼠及麻雀的活动，地基沉降等引起的断层甚至空洞。为了更好地观测城墙的稳定性，在本次工程中，采用应力波断层断层成像仪、非金属超声探伤仪为主要监测设备开展监测，通过它及时发现其病害发育状况，以便及时采取相应的应对措施。
（七）倾斜
嘉峪关地处中国西北内陆，具有大陆性干旱荒漠气候的特征，即少雨、多风和高蒸发量。根据50多年（1951～2009）的气象资料统计表明，吐鲁番（新疆）、瓜州（甘肃）、西宁（青海）、银川（宁夏）等干旱半干旱区土遗址分布地区降雨量一般不超过400毫米，且多以集中式降雨主要形式;大风、沙暴强劲且频繁，常有风速超过5 米/秒的起沙风出现;日照丰富，蒸发旺盛的典型气候特征（见下表）。{13}
由于嘉峪关地处黑山和祁连山之间，其独特的地理气候环境，导致嘉峪关冬春季盛行西北风，加之冬春季刮风时间长且风力大，致使柔远楼向西南方向倾斜达5°。为了更好地预测其倾斜趋势及程度，本次监测预警系统工程专门为其安装了固定测斜仪、悬挂测斜仪、水平测斜仪、风速传感器等设备，通过这些设备随时掌握柔远楼的倾斜情况，以便及时开展相应的保护工作。
（八）油饰彩画脱落
嘉峪关地处中国西北内陆，海拔较高，平均达2000多米，日照时间长，紫外线格外强烈，嘉峪关木结构古建筑彩画的主要成分为有机颜料，在强烈且长时间的日光照射下，破坏了高分子间的范德华力和氢键，导致其内大分子链断裂、官能团发生转变，出现降解老化现象，随着时间的流逝，其慢慢会演变为起甲甚至剥落，严重影响文物景观和木结构的保护。为了及时弄清其颜料成分并采取相应的保护措施，本次工程购置了便携式拉曼光谱检测装置，通过拉曼光谱检测分析其颜料成分，以便开展针对性的保护工作。
（九）虫蛀糟朽
嘉峪关始建于明洪武五年（1372），距今已有600多年的悠久历史，关城内古建筑是以木材为主的框架结构，由于处于自然环境中，遭受了很多自然和人为的破坏，加之施工工艺的不足（早期木构建筑都不做地杖），经过400多年的风吹雨打，很多木构架已出现不同程度的虫蛀糟朽甚至开裂，如果不加以维护保养，很可能就会出现进一步的糟朽，最终引起整个古建筑的倾斜甚至倒塌。为了及时掌握其病害发育程度，本次工程购置了全站仪、单反相机、三维扫描仪、非金属超声探伤仪等设备，对出现病害的木构件拍照留存资料，绘制了三维模型，探测木材强度，为日后的保护维修提供技术等支撑。
（十）城壕积沙
随着科技和生产力的发展，人类已经从冷兵器时代迈入信息化时代，长城和关隘的军事防御作用早已不复存在，所以政府和当地人民对城墙城壕的保护维修意识淡漠，加之嘉峪关地处戈壁且又多风沙，导致城壕积沙严重。为了响应世界遗产保护中心的号召和留住古人的伟大创造，在积极为城壕清沙的同时，开展了对其积沙的监测，通过购置阶梯式积沙仪和全自动气象站，及时了解关城周边的气象环境，为城壕的防沙提供预警。
（十一）游客行为及承载量
随着我国经济的飞速发展和嘉峪关近年来对外开放程度的不断增加，嘉峪关长城吸引了数以万计的中外游客，这为嘉峪关地方经济的发展和知名度的提升做出了很大贡献，然而对长城的保护也带来了很多负面影响，如很多游客文物保护意识淡漠，随意刻画城墙、击打城门等不文明行为时有发生。为了及时制止游客破坏城墙的不文明行为，除了加大文物保护宣传工作外，监测系统工程还在关城内重要部位安装了360°无死角摄像头，将关城内的实时视频画面传送到关城监测站，以便及时制止游客的不文明行为。游客参观关城时，免不了要上城墙登高远眺一番，而嘉峪关长城城墙大都是黄土加沙夯筑而成，其上朵墙为青砖垒砌，承载能力有限，如果游客过多，可能会引起城墙的变形甚至垮塌，对游客的人身安全和文物本体的安全造成损害，为了及时发现其承载量是否超标，在关城城墙的维修过程中监测系统工程同步在其城墙里安装了振弦式土中土压力计，通过及时获取其承载量信息，如有超载现象可及时发出报警，文保工作人员可及时采取限流疏导游客等措施，以免造成事故。
[注 释]
①周双林：《土遗址防风化保护概况》，《中原文物》，2003年第6期。
②张晓东：《嘉峪关城防研究》，甘肃文化出版社2013年版，第3～14页。
③清·黄文炜：《重修肃州新志》，甘肃省酒泉县博物馆翻印1984年版，第5～16页。
④黄克忠：《走向二十一世纪的中国文物科技保护》，《敦煌研究》，2000年第1期。
⑤赵海英：《甘肃境内战国秦长城和汉长城保护研究》，兰州大学2005年博士研究生学位论文，第5～26页。
⑥赵济、陈传康：《中国地理》，高等教育出版社2002年版，第7～16页。
⑦陈守忠：《甘肃境内秦长城遗址调查及考记》，《西北史地》，1984年第2期。
⑧唐大雄等：《工程岩土学》，地质出版社1982年版，第2～24页。
⑨严耿升：《干早区土质文物劣化机理及材料耐久性研究》，兰州大学2011年博士研究生学位论文，第15～26页。
⑩{11}Edwin J Chamberlain，Anthony J Gow：《Effect of freezing and thawing on the Permeability and strueture of 50115》，《Engineering Geology》，1979（4）;Konrad J.M：《Physical Processes during freeze一thaw cycles in clayey silts》，《Cold Regions Science and Technology》，1989（3）.
{12}李秋英、周俊召、夏国芳等：《土遗址综合监测技术及其应用》，《工程勘察》，2013年第11期。
{13}崔凯、谌文武、韩琳等：《干旱区土遗址掏蚀区土盐渍劣化与风蚀损耗效应》，《岩土工程学报》，2011年第9期。 （十）城壕积沙
随着科技和生产力的发展，人类已经从冷兵器时代迈入信息化时代，长城和关隘的军事防御作用早已不复存在，所以政府和当地人民对城墙城壕的保护维修意识淡漠，加之嘉峪关地处戈壁且又多风沙，导致城壕积沙严重。为了响应世界遗产保护中心的号召和留住古人的伟大创造，在积极为城壕清沙的同时，开展了对其积沙的监测，通过购置阶梯式积沙仪和全自动气象站，及时了解关城周边的气象环境，为城壕的防沙提供预警。
（十一）游客行为及承载量
随着我国经济的飞速发展和嘉峪关近年来对外开放程度的不断增加，嘉峪关长城吸引了数以万计的中外游客，这为嘉峪关地方经济的发展和知名度的提升做出了很大贡献，然而对长城的保护也带来了很多负面影响，如很多游客文物保护意识淡漠，随意刻画城墙、击打城门等不文明行为时有发生。为了及时制止游客破坏城墙的不文明行为，除了加大文物保护宣传工作外，监测系统工程还在关城内重要部位安装了360°无死角摄像头，将关城内的实时视频画面传送到关城监测站，以便及时制止游客的不文明行为。游客参观关城时，免不了要上城墙登高远眺一番，而嘉峪关长城城墙大都是黄土加沙夯筑而成，其上朵墙为青砖垒砌，承载能力有限，如果游客过多，可能会引起城墙的变形甚至垮塌，对游客的人身安全和文物本体的安全造成损害，为了及时发现其承载量是否超标，在关城城墙的维修过程中监测系统工程同步在其城墙里安装了振弦式土中土压力计，通过及时获取其承载量信息，如有超载现象可及时发出报警，文保工作人员可及时采取限流疏导游客等措施，以免造成事故。
[注 释]
①周双林：《土遗址防风化保护概况》，《中原文物》，2003年第6期。
②张晓东：《嘉峪关城防研究》，甘肃文化出版社2013年版，第3～14页。
③清·黄文炜：《重修肃州新志》，甘肃省酒泉县博物馆翻印1984年版，第5～16页。
④黄克忠：《走向二十一世纪的中国文物科技保护》，《敦煌研究》，2000年第1期。
⑤赵海英：《甘肃境内战国秦长城和汉长城保护研究》，兰州大学2005年博士研究生学位论文，第5～26页。
⑥赵济、陈传康：《中国地理》，高等教育出版社2002年版，第7～16页。
⑦陈守忠：《甘肃境内秦长城遗址调查及考记》，《西北史地》，1984年第2期。
⑧唐大雄等：《工程岩土学》，地质出版社1982年版，第2～24页。
⑨严耿升：《干早区土质文物劣化机理及材料耐久性研究》，兰州大学2011年博士研究生学位论文，第15～26页。
⑩{11}Edwin J Chamberlain，Anthony J Gow：《Effect of freezing and thawing on the Permeability and strueture of 50115》，《Engineering Geology》，1979（4）;Konrad J.M：《Physical Processes during freeze一thaw cycles in clayey silts》，《Cold Regions Science and Technology》，1989（3）.
{12}李秋英、周俊召、夏国芳等：《土遗址综合监测技术及其应用》，《工程勘察》，2013年第11期。
{13}崔凯、谌文武、韩琳等：《干旱区土遗址掏蚀区土盐渍劣化与风蚀损耗效应》，《岩土工程学报》，2011年第9期。
[关键词]干旱环境;遗址监测;嘉峪关明长城
[中图分类号]K878 [文献标识码]A [文章编号]1005-3115（2014）24-0064-03
“土遗址是指人类活动遗留下的由土和以土为主的遗迹和遗物。这些遗迹和遗物包括房屋、夯土台基、城墙、窖穴、窑炉、粮仓、土构墓葬、糟朽文物在土上的印痕等。”①土遗址是具有较高的历史、艺术和科学价值的文化遗产。明洪武五年（1372），冯胜平定河西，以嘉峪塬南有祁连，北有黑山，南北相距仅30余里，为河西走廊狭窄之处，自汉以来据西域前沿，扼丝路咽喉，为兵家必争之地，塬下九眼泉，泉水终年不竭，人马可饮，遂于其上建造关隘，名曰“嘉峪关”。②据《重修肃州新志》载：“洪武五年，冯胜下河西，以嘉峪关为中外巨防，西域入贡，路必由此。筑土城，周两百二十丈。”③嘉峪关地处中国西北内陆，属于温带大陆性荒漠气候，春冬季寒冷且多风沙，夏秋季干旱少雨且日照强烈，这在某种程度上有利于土遗址的保存，但是由于独特的地理气候环境，随着时光流逝，嘉峪关及附近明长城出现了相应的病害，出现了墙体风化、酥碱、冻融、裂隙、地基沉降、倾斜、断层空洞，木结构倾斜，油饰彩画脱落，虫蛀糟朽，城壕积沙等一系列病害。针对上述问题，嘉峪关世界文化遗产监测中心制定了相应的监测预警方案，开展了嘉峪关世界文化遗产监测系统工程，通过一些经过验证的成熟的高科技监测设备和完善的商品化的软件，开展对城墙、古建筑、城壕、游客行为及承载量的预警监测。
一、土遗址保护的研究现状
相对于器物与石质建筑保护而言，土遗址的保护开始时间较晚，所做的工作也较少，真正意义上的土遗址保护是在20世纪60年代以后。目前，国际上土遗址保护研究的主要机构是ICOMOS（International Council on Monuments and Sites）下设的土遗址保护专业委员会。另外，意大利ICCROM与美国盖蒂（Getty）保护所对土遗址的保护也有一定的研究。国内土遗址保护工作开展更晚，20世纪80年代末，才开始在少数几个地方进行土质遗址科学保护研究试验。④而有关土遗址的监测工作更是刚刚起步，没有形成规范的监测理论和方法，很多遗址地都是通过人工巡查的方式开展日常监测，这样得到的监测数据存在误差，不能很好地起到预警作用，也无法为日后维修保护提供强有力的数据支撑。
二、嘉峪关明长城主要病害及监测方法
（一）墙体表面风化
表面风化主要分为物理风化、化学风化和生物风化。物理风化主要是龟裂甚至片状或块状剥落，在干旱环境中由于遗址表面易形成盐类富集，使遗址表层结成硬壳，在暴雨后，受强蒸发作用，使遗址表面土体迅速变冷，引起内外土体间的不均匀收缩，形成裂纹，甚至片状块状剥落。⑤化学风化的主要表现形式是酥碱，导致这种病害的主要原因是土壤的虹吸作用和可溶盐的迁移富集，从而使土壤间的粘结力减弱，出现粉状脱落。生物风化主要表现为植物根系生长过程中对遗址的机械破坏作用，由于嘉峪关长城夯筑材料经过特殊处理，现城墙上没有植物生长;另一种生物风化，主要是小动物的洞穴，由于嘉峪关地处西北，城墙上有不少麻雀巢穴与鼠穴，在本次城墙维修过程已做了相关处理。为了监测此种病害，嘉峪关世界文化遗产监测系统工程在易发生风化的墙体部位安装了盐分计、土壤温湿度计、墙体水分计等设备。通过这些现代化的高科技监测设备，及时了解病害形成原因及发育程度，并通过埋设的信号线将所得实时数据汇集到监测预警平台，方便日后查阅与研究。
（二）酥碱
土的化学成分是指组成土的固相、液相和气相的化学元素、化合物的种类及其相对含量。西北干旱区因水分的强烈蒸发而富集成氯盐一硫酸盐型的风化类型。⑥土的液相化学成分主要是易溶盐类、中溶盐类。⑦当土体干燥时，易溶盐呈固态，充填于土粒间的空隙中，形成不稳定的胶结物，起着胶结土粒的作用。当土中含有较多的水分时，易溶盐则溶解成离子，溶于水后向外迁移，影响土体强度。化学分析表明，遗址土的易溶盐主要为氯盐和硫酸盐，即以NaCl、CaS04、MgS04为主，有少量的碳酸盐。土呈弱碱性。大多数的中溶盐、易溶盐结晶细小，基本上成为粘粒，具有一定的胶结能力。⑧因此，这些土遗址才得以在西北地区保存下来。但是土体中的易溶盐遇水即溶解，易溶盐随着温度、水分的变化发生周期性的结晶与溶解。在水流作用下，土中结晶盐开始溶解，破坏了土颗粒骨架，使土的粘聚力急剧下降，易溶盐以离子形式随水迁移，在墙基富集。降雨后受强烈的蒸发作用，又使盐类重新结晶成土颗粒骨架。如此反复作用，导致土体结构破坏、松散，极易在风、雨等外力作用下被搬运走。而墙基处的易溶盐含量高，所以其受到的破坏最严重，出现了淘蚀现象，本次关城维修工程特意做了防水排水系统，以减轻盐分因雨水的渗透而加重盐分的迁移富集。同时，为了解盐分确切成分及含量，以便及时采取有效的保护措施，采用盐分计开展对其盐分的监测。
（三）冻融循环
冻融循环是指土体温度介于结冰点上下波动时所产生的冻结和融化的循环过程。冻胀破坏主要是温度变化的速度和幅度所致，昼夜温度变化幅度越大，则冻胀破坏越强烈。一种破坏为温度变化影响遗址土自身，另一种为水在温度作用下体积变化破坏遗址。西北干旱区戈壁地带温差幅度可达50℃以上，遗址土体白天接受阳光照射使表面受热膨胀，热量缓慢地向遗址内部传递，因此内部受外部热的影响很小，由于土体内外在白天接受太阳辐射时热膨胀的体积、速度不同，产生了内应力;到夜间，遗址土体表面开始散热，发生体积收缩，但内部因日间持续传来的热量发生体积膨胀。这样，土体表面与内部体积膨胀和收缩的步调不一致。这种过程持续进行，遗址表面土在持续膨胀、收缩产生的压力和张力作用下发生了裂缝和破碎，形成表面的剥离和脱落。⑨冻融循环作用可以实现土体结构性的改变，反复冻融可以破坏土体的原生结构和土颗粒之间的胶结，亦可以使土体颗粒重新排列。⑩为了监测冻融循环对土遗址的破坏程度，本次工程针对性地安装了土壤温湿度计，通过相关数据及时掌握温度变化对土遗址的影响。 （四）裂隙
裂隙发育是长城崩塌破坏的主要因素。在内外营力的作用下，产生的主要裂隙类型有：构造裂隙、卸荷裂隙、变形裂隙和夯筑板接缝。裂隙倾角多近直立，走向平行墙面或者垂直墙面。科学技术的发展大大促进了建筑变形监测技术和手段的进步，数字水准仪、测量机器人、三维扫描技术、合成孔径雷达干涉差分技术，数字摄影测量技术以及不断改进和完善的观测仪、沉降仪、应变计等专业观测监测技术，改变了以往主要依靠经纬仪和水准仪等简单观测手段，使得建筑变形测量技术正快速朝着高精度、数字化、自动化以及网络化方向发展，这些建筑变形监测技术也可以应用在土遗址的健康监测，为文物保护提供量化的数据支持。{11}本次工程采用振弦式表面裂缝计、远距离裂缝观测仪对墙体开裂严重且裂缝有发育趋势的部位开展监测，掌握其发育趋势。
（五）地基沉降
土遗址的赋存基础往往是大面积的夯土层或者原始土层，其稳定性的监测方法通常是沉降监测。沉降监测与建筑物沉降监测方法类似，首先在远离变形监测区域之外，布设3～4个竖向位移基准点，然后以基准点为基础，获得变形区域内的整体沉降量 （也称绝对沉降量） ，并计算差异沉降量 （相对沉降量） ，根据整体沉降量和差异沉降量来判别基础是否稳定。{12}本次监测系统工程采用由南京基泰土木工程仪器有限公司生产的两点式垂直位移计、振弦式多点位移计开展地基沉降监测。
（六）断层空洞
由于嘉峪关长城主要采取黄土加沙夯筑而成，随着岁月变迁，城墙也出现了一系列病害，究其原因，为老鼠及麻雀的活动，地基沉降等引起的断层甚至空洞。为了更好地观测城墙的稳定性，在本次工程中，采用应力波断层断层成像仪、非金属超声探伤仪为主要监测设备开展监测，通过它及时发现其病害发育状况，以便及时采取相应的应对措施。
（七）倾斜
嘉峪关地处中国西北内陆，具有大陆性干旱荒漠气候的特征，即少雨、多风和高蒸发量。根据50多年（1951～2009）的气象资料统计表明，吐鲁番（新疆）、瓜州（甘肃）、西宁（青海）、银川（宁夏）等干旱半干旱区土遗址分布地区降雨量一般不超过400毫米，且多以集中式降雨主要形式;大风、沙暴强劲且频繁，常有风速超过5 米/秒的起沙风出现;日照丰富，蒸发旺盛的典型气候特征（见下表）。{13}
由于嘉峪关地处黑山和祁连山之间，其独特的地理气候环境，导致嘉峪关冬春季盛行西北风，加之冬春季刮风时间长且风力大，致使柔远楼向西南方向倾斜达5°。为了更好地预测其倾斜趋势及程度，本次监测预警系统工程专门为其安装了固定测斜仪、悬挂测斜仪、水平测斜仪、风速传感器等设备，通过这些设备随时掌握柔远楼的倾斜情况，以便及时开展相应的保护工作。
（八）油饰彩画脱落
嘉峪关地处中国西北内陆，海拔较高，平均达2000多米，日照时间长，紫外线格外强烈，嘉峪关木结构古建筑彩画的主要成分为有机颜料，在强烈且长时间的日光照射下，破坏了高分子间的范德华力和氢键，导致其内大分子链断裂、官能团发生转变，出现降解老化现象，随着时间的流逝，其慢慢会演变为起甲甚至剥落，严重影响文物景观和木结构的保护。为了及时弄清其颜料成分并采取相应的保护措施，本次工程购置了便携式拉曼光谱检测装置，通过拉曼光谱检测分析其颜料成分，以便开展针对性的保护工作。
（九）虫蛀糟朽
嘉峪关始建于明洪武五年（1372），距今已有600多年的悠久历史，关城内古建筑是以木材为主的框架结构，由于处于自然环境中，遭受了很多自然和人为的破坏，加之施工工艺的不足（早期木构建筑都不做地杖），经过400多年的风吹雨打，很多木构架已出现不同程度的虫蛀糟朽甚至开裂，如果不加以维护保养，很可能就会出现进一步的糟朽，最终引起整个古建筑的倾斜甚至倒塌。为了及时掌握其病害发育程度，本次工程购置了全站仪、单反相机、三维扫描仪、非金属超声探伤仪等设备，对出现病害的木构件拍照留存资料，绘制了三维模型，探测木材强度，为日后的保护维修提供技术等支撑。
（十）城壕积沙
随着科技和生产力的发展，人类已经从冷兵器时代迈入信息化时代，长城和关隘的军事防御作用早已不复存在，所以政府和当地人民对城墙城壕的保护维修意识淡漠，加之嘉峪关地处戈壁且又多风沙，导致城壕积沙严重。为了响应世界遗产保护中心的号召和留住古人的伟大创造，在积极为城壕清沙的同时，开展了对其积沙的监测，通过购置阶梯式积沙仪和全自动气象站，及时了解关城周边的气象环境，为城壕的防沙提供预警。
（十一）游客行为及承载量
随着我国经济的飞速发展和嘉峪关近年来对外开放程度的不断增加，嘉峪关长城吸引了数以万计的中外游客，这为嘉峪关地方经济的发展和知名度的提升做出了很大贡献，然而对长城的保护也带来了很多负面影响，如很多游客文物保护意识淡漠，随意刻画城墙、击打城门等不文明行为时有发生。为了及时制止游客破坏城墙的不文明行为，除了加大文物保护宣传工作外，监测系统工程还在关城内重要部位安装了360°无死角摄像头，将关城内的实时视频画面传送到关城监测站，以便及时制止游客的不文明行为。游客参观关城时，免不了要上城墙登高远眺一番，而嘉峪关长城城墙大都是黄土加沙夯筑而成，其上朵墙为青砖垒砌，承载能力有限，如果游客过多，可能会引起城墙的变形甚至垮塌，对游客的人身安全和文物本体的安全造成损害，为了及时发现其承载量是否超标，在关城城墙的维修过程中监测系统工程同步在其城墙里安装了振弦式土中土压力计，通过及时获取其承载量信息，如有超载现象可及时发出报警，文保工作人员可及时采取限流疏导游客等措施，以免造成事故。
[注 释]
①周双林：《土遗址防风化保护概况》，《中原文物》，2003年第6期。
②张晓东：《嘉峪关城防研究》，甘肃文化出版社2013年版，第3～14页。
③清·黄文炜：《重修肃州新志》，甘肃省酒泉县博物馆翻印1984年版，第5～16页。
④黄克忠：《走向二十一世纪的中国文物科技保护》，《敦煌研究》，2000年第1期。
⑤赵海英：《甘肃境内战国秦长城和汉长城保护研究》，兰州大学2005年博士研究生学位论文，第5～26页。
⑥赵济、陈传康：《中国地理》，高等教育出版社2002年版，第7～16页。
⑦陈守忠：《甘肃境内秦长城遗址调查及考记》，《西北史地》，1984年第2期。
⑧唐大雄等：《工程岩土学》，地质出版社1982年版，第2～24页。
⑨严耿升：《干早区土质文物劣化机理及材料耐久性研究》，兰州大学2011年博士研究生学位论文，第15～26页。
⑩{11}Edwin J Chamberlain，Anthony J Gow：《Effect of freezing and thawing on the Permeability and strueture of 50115》，《Engineering Geology》，1979（4）;Konrad J.M：《Physical Processes during freeze一thaw cycles in clayey silts》，《Cold Regions Science and Technology》，1989（3）.
{12}李秋英、周俊召、夏国芳等：《土遗址综合监测技术及其应用》，《工程勘察》，2013年第11期。
{13}崔凯、谌文武、韩琳等：《干旱区土遗址掏蚀区土盐渍劣化与风蚀损耗效应》，《岩土工程学报》，2011年第9期。 （十）城壕积沙
随着科技和生产力的发展，人类已经从冷兵器时代迈入信息化时代，长城和关隘的军事防御作用早已不复存在，所以政府和当地人民对城墙城壕的保护维修意识淡漠，加之嘉峪关地处戈壁且又多风沙，导致城壕积沙严重。为了响应世界遗产保护中心的号召和留住古人的伟大创造，在积极为城壕清沙的同时，开展了对其积沙的监测，通过购置阶梯式积沙仪和全自动气象站，及时了解关城周边的气象环境，为城壕的防沙提供预警。
（十一）游客行为及承载量
随着我国经济的飞速发展和嘉峪关近年来对外开放程度的不断增加，嘉峪关长城吸引了数以万计的中外游客，这为嘉峪关地方经济的发展和知名度的提升做出了很大贡献，然而对长城的保护也带来了很多负面影响，如很多游客文物保护意识淡漠，随意刻画城墙、击打城门等不文明行为时有发生。为了及时制止游客破坏城墙的不文明行为，除了加大文物保护宣传工作外，监测系统工程还在关城内重要部位安装了360°无死角摄像头，将关城内的实时视频画面传送到关城监测站，以便及时制止游客的不文明行为。游客参观关城时，免不了要上城墙登高远眺一番，而嘉峪关长城城墙大都是黄土加沙夯筑而成，其上朵墙为青砖垒砌，承载能力有限，如果游客过多，可能会引起城墙的变形甚至垮塌，对游客的人身安全和文物本体的安全造成损害，为了及时发现其承载量是否超标，在关城城墙的维修过程中监测系统工程同步在其城墙里安装了振弦式土中土压力计，通过及时获取其承载量信息，如有超载现象可及时发出报警，文保工作人员可及时采取限流疏导游客等措施，以免造成事故。
[注 释]
①周双林：《土遗址防风化保护概况》，《中原文物》，2003年第6期。
②张晓东：《嘉峪关城防研究》，甘肃文化出版社2013年版，第3～14页。
③清·黄文炜：《重修肃州新志》，甘肃省酒泉县博物馆翻印1984年版，第5～16页。
④黄克忠：《走向二十一世纪的中国文物科技保护》，《敦煌研究》，2000年第1期。
⑤赵海英：《甘肃境内战国秦长城和汉长城保护研究》，兰州大学2005年博士研究生学位论文，第5～26页。
⑥赵济、陈传康：《中国地理》，高等教育出版社2002年版，第7～16页。
⑦陈守忠：《甘肃境内秦长城遗址调查及考记》，《西北史地》，1984年第2期。
⑧唐大雄等：《工程岩土学》，地质出版社1982年版，第2～24页。
⑨严耿升：《干早区土质文物劣化机理及材料耐久性研究》，兰州大学2011年博士研究生学位论文，第15～26页。
⑩{11}Edwin J Chamberlain，Anthony J Gow：《Effect of freezing and thawing on the Permeability and strueture of 50115》，《Engineering Geology》，1979（4）;Konrad J.M：《Physical Processes during freeze一thaw cycles in clayey silts》，《Cold Regions Science and Technology》，1989（3）.
{12}李秋英、周俊召、夏国芳等：《土遗址综合监测技术及其应用》，《工程勘察》，2013年第11期。
{13}崔凯、谌文武、韩琳等：《干旱区土遗址掏蚀区土盐渍劣化与风蚀损耗效应》，《岩土工程学报》，2011年第9期。