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2001年10月24日至11月6日，北京市文物研究所技术室工作人员在敦煌保护所专家的指导下，对辽金城垣遗址博物馆的金中都水关遗址“关键柱”实施了加固保护工程，该工程采用敦煌保护所开发配制的土遗址加固材料：高模数的硅酸钾（简称PS），通过低浓度、多次渗入方式，改变关键柱体胶结泥质的微观结构，提高柱体强度，使关键柱体沙粒石层得到加固。现报告如下：
一、价值评估
金中都水关遗址位于北京市丰台区右安门外玉林小区，今凉水河以北70米处。1990年在此建筑施工时被发现，并进行考古发掘，此发现被评为1990年中国十大考古发现之一。水关遗址的发现，确立了“金中都”城自城西“西湖”水进入中都城，至“鱼藻池”过龙津桥向南，穿过“丰宜门”和“景风门”之间的南城墙下，流入金代护城河的确切水源路线；为研究中国古代都城水利设施的重要实物例证，同时可以看到金中都城规模及建筑工艺水平。而由考古发掘中特地留下的地层“关键柱”直接的反映了水关被废弃后的地层堆积状况，完整保存这一考古遗迹，将为全面了解水关遗址的历史起到积极作用。（见图版1）
二、现状调查
1.概述：关键柱为21米见方，高161米，位于遗址南部。目前，关键柱虽然处于室内，可以避免风、雨的直接破坏，但是由于遗址位于凉水河畔，地下水毛细现象较严重；同时，由于遗址所处的展室为半地下形式，通风设备不够完善，每年雨季时，展室湿度可达到80%～90%以上；冬季又异常干燥，湿度在40%以下。在常年干湿交替的影响下，关键柱体多处出现裂隙、表层剥离，尤其是柱体下部风化剥蚀严重。
2.地层结构：关键柱是水关遗址运行过程中堆积的一套沙粒石层冲积物，其中还夹杂有陶片等遗物，最大砾径达30厘米，松散、胶结极差，易脱落。（见图版2、3）
3.存在的病害：关键柱现存的病害主要表现在三个方面：
一是柱体东、北端各有一条大裂隙穿过（见图1～4）；
二是东北角柱体下部风化剥落，使其上部悬空这也是裂隙发育的主要因素（见图版4）；
三是表面风化严重，小块剥离时有发生。
4.过去进行的保护工作：关键柱在考古发掘后没有进行及时的加固保护，从而产生了上述三类病害。1995年曾用有机高分子材料（成分不详）进行过表面防风化加固。由于出现柱体的开裂，2000年1月又用厚10厘米的玻璃罩对柱体实施了围护，并对柱体悬空部位进行了支顶。对于关键柱土体上发生的大裂隙，采用三甲树脂-丙酮溶液，浓度由20%多次递增至50%，滴渗方式加固裂隙两壁，最后用浓度为20%的三甲树脂调和原遗址土成灌浆液，对裂隙进行灌浆填补。为了克服有机材料的不透气性，在裂隙灌浆处还用铅丝从上至下插了数个通气孔。
这些措施有效地缓解了柱体裂隙的进一步扩展，起到了一定的保护作用。但由于所用的有机材料透气、透水性极差，柱体内的水分无法自由扩散，使得表面产生剥离，造成柱体下部风化剥蚀严重，从而影响了柱体的结构稳定性。另外，临时加的玻璃罩一方面影响了柱体的外观，另一方面也不能从根本上解决柱体的稳定问题。（见图版5）
5.遗址区温湿度调查：根据2000年11月至今博物馆对遗址区内环境纪录，一年中4～10月遗址区内的相对湿度大于50%，1～3月遗址区内的平均气温低于15°C。因此，实施保护的时间定在今年10～11月。（见图表1）
图表1
2000年11月至2001年11月关键柱所在遗址区月平均气温、平均相对湿度，及夏季除湿后相对湿度对照表（2001年10月由于遗址区内基建施工，区内小气候受到扰乱，未做记录）
三、加固步骤
1.撤去北面玻璃护板
首先试探柱体的强度，感觉暂时撤去北面玻璃护板，不会带来柱体的倒塌。东北角的石膏支顶，对柱体东北角悬空部位有绝对的支撑作用，在对东面大裂隙加固之前，不能撤去。（见图版6）
2.开裂柱体的锚固
用手工成孔的方法，在开裂柱体上裂隙距临空面最近的一侧钻两个孔（自北向南方向），穿过裂隙，孔径15厘米左右、深度为95厘米。灌注浓度为8%～10%的PS材料加固孔壁，固化后灌入水泥砂浆将锚杆（取材于现场的楼梯钢管扶手，直径为3厘米，长90厘米）插入注满水泥砂浆的孔中。（见图5、6、7，图版7、8）水泥砂浆的水灰比为：浓度8%～10%的PS∶水泥∶小粗砂=08∶1∶1锚杆在孔外的十字钢板（即锚固部位），用PS砂浆、原地点散土、砾石做旧覆盖，使其色调、砾石形态与柱体统一。（图版9）
3.柱体东北角悬空部位的支顶
清理基础，用现场的青石垫底，置一长度合适的钢管于上，并与上部的悬空体紧密接触，接触部位置以5×10厘米的钢板分散向上的支顶力。（图版10）
4.东南角缺损部位的修补
东南角的悬空部位得到支撑以后，先用浓度为8%～10%的PS材料喷涂数遍，使柱壁得到加固。柱壁固化以后再用PS砂浆、碎石块、原地点散土将缺失部分填充实，表面仿柱体原样做旧处理，最后喷涂PS材料。（图版11、12、13）
5.裂隙灌浆
锚固和支顶工作结束后，开始封闭裂隙，并预留灌浆口。两天后实施裂隙灌浆。
裂隙灌浆为以西南角裂隙加固步骤为例：
i.沿裂隙走向，向裂隙内部喷渗10%PS液，使其得到充分加固。（见图版14）
ii.向裂隙内填充粉煤灰（F），随后喷渗10%PS液。重复多次直至裂隙被水灰比为1∶2的PS-F灌满。（见图版15、16）
iii.整个西北角用10%PS液多次喷渗加固，裂隙表面纹路采用遗址原土做旧处理。（见图版17）
6.柱体表面防风化加固
1995年所做的有机材料封护层，由于所采用的具体材料不详，决定不对其采取全面剔除，只以达到增强透水为基本目的，小心清除了柱体下部50～70厘米段的有机材料，并对有轻微开裂的部位，先用PS-F灌注，等PS-F固结后再进行表面的渗透加固。具体办法为低浓度多次渗透。(见图版18，图8)
7.加固后的柱体整理
关键柱加固干燥以后，对锚孔、裂隙封闭、支顶体和PS材料加固后出现的“翻白”现象的部位进行做旧处理：用低浓度的PS-细泥浆混合液喷涂柱体表面翻白处，使柱体外观色调和谐。（见图版19）
四、留下的观测工作
1.柱东面的大裂隙走向原样保留，没有做旧处理，在其上钉纸条做标记，2001年11月4日记录裂隙宽度5毫米。日后应注意观察其宽度上有无增大趋势，一年后比较对比数据，对大裂隙加固的稳定性给予评价。
2.柱体上部未去除的原加固材料仍存在老化问题，需常年观察。如出现加固层与柱体剥离现象，表明加固已经失效，可小心去除这一薄层（经测得此加固层仅平均有05厘米厚），代替以PS加固，采用的方法同前。
3.柱西北脚下部，经查为原地层堆积时代水生贝类、螺蛳，土壤结构胶结成分少，目前采用的PS加固效果不能理想，强度不够，容易造成类似原东北脚下部的剥落现象。因此，需留意观察，一旦发现有剥落现象，可用PS-泥浆封护，以阻止其继续脱落。
五、结论
1.裂隙灌浆和锚固，使柱体主要存在的大小裂隙、东北角上部悬空部位得到固定和支撑，提高了关键柱整体强度。长期以来，因为温湿度交替变化、地下水运动及外界施工振动带来的关键柱土层松散、坍塌险情得到有效控制。
2.加固材料采用高模数的硅酸钾（PS），具有无机材料的特性。通过低浓度、多次渗入方式，改变关键柱体胶结泥质的微观结构，提高柱体强度，使关键柱体沙粒石层得到加固。加固层的通透性能远远优于使用有机材料，对于地下水分的散发，极为有利。同时又由于无机材料不存在老化问题，因此可以有效避免以往用有机材料加固时因有机材料老化发生的加固层与主体剥离现象。
3.对东北角悬空部位的支顶、做旧工作，不仅加固了柱体强度，而且复原了柱体的方形外观。
4.对2000年所作的玻璃外罩的拆除，使参观者观察地层状况更为直接，恢复了关键柱的使用价值。
5.多年以来，博物馆坚持在遗址区内所做的环境监测工作，为加固方案的制定和实施提供了有利的依据。根据环境温度变化曲线和湿度变化曲线发现：遗址区内每年6～8月湿度达80%以上，甚至有时高达91%，而12月、1月、2月温度又下降到40%以下，水分的干湿交替变化，造成遗址区内文物尤其是木制文物的严重受损，土遗址的干裂情况也是其中一种。我们虽然已经对关键柱体实施了加固保护，但仍应保持环境监测，这将对今后土遗址病情的发生和发展提供一个预警机制。
水关遗址及关键柱位置
图版2关键柱表面
关键柱是砂粒石层冲积物，砾径较大，胶结极差，组织松散。
图版3关键柱地层出土的瓷片和残骨片
图版4关键柱东北角病害极为严重
由图片可见一宽约07厘米、总长达1米的大裂隙自上至下贯穿关键柱的东北角，且该角下部由于长年风化作用，土体剥落严重，造成上部呈悬空状态。
2000年初为防止其发生脱落，临时采取了机械支顶办法，虽然缓解了险情发生，但外观极不协调。
图版5关键柱用PS加固前的外观（东面）
2000年1月用玻璃罩对柱体实施了围护。
图版6北面玻璃护板去除以后
图片中地上横放的风钻钻头用于手工打孔。不能用机械方式打孔的原因是防止柱体因受到强烈震动而崩塌。
图版7锚杆
锚杆钢质，长90厘米，一头含有5×10厘米的钢板。
图版8锚杆深入柱体后留在表面的十字形钢板具有固定作用。
图版9锚固手段实施以后的北面
锚杆在孔外的十字钢板（即锚固部位），用PS砂浆、原地点散土、砾石做旧覆盖，使其色调、砾石形态与柱体统一，一般情况下难以分辨。图中颜色深的地方为喷涂的PS未干。
图版10支顶柱体东北角悬空部位
用现场搜集的青石垫底，置一长度合适的钢管于上，使其与上部的悬空体紧密接触，接触部位置以5×10厘米的钢板分散向上的支顶力。
图版11修补东南角缺损部位
用PS砂浆、碎石块、原地点散土将缺失部分填充实。
图版12修补处表面仿柱体原样做旧，最后喷涂10%PS液加固。
图版13修补后的东北角
图中颜色深的地方为喷涂的PS未干。
图版14西南角小裂隙灌浆加固
沿西南角小裂隙走向，向裂隙内部喷渗10%PS液，注意多次喷深，使其充分渗透。
图版15，16裂隙内填充粉煤灰（F）
粉煤灰的填充与随后的喷渗10%PS液是多次交替进行的，直至裂隙被水灰比为1∶2的PS-F灌满。
图版17裂隙表面纹路采用遗址原土做旧处理，痕迹消失。随后对其进行全面的PS喷渗加固。
图版18关键柱南面PS加固部位图中柱体下部深色部位为喷涂PS后未干。
图版19加固工作完成以后的关键柱（北面）
图1东面
图2北面
图3西面
图4南面
图1～4关键柱展开图（比例尺：1∶80）及大小裂隙的分布
图中红色线为关键柱身上存在的主要大小裂隙，其中东面、北面的两条大裂隙急需加固保护。
东面
北面
西面
图5～7手工成孔位置及深度示意图
东面
北面
西面
南面
图8PS材料喷涂部位标注图
图中阴影部分为已喷涂PS材料处。
作者：北京文博交流馆馆长
辽金城垣博物馆馆长
北京文物研究所
绘图：张秀云白云燕
照相：王殿平董玉刚王丹 | 
