甘肃武威天梯山石窟地质灾害分析研究及措施建议

袁燕飞

（甘肃省地质矿产勘查开发局第四地质矿产勘查院，甘肃 酒泉 735000）

1 天梯山石窟历史背景及研究意义

天梯山石窟位于甘肃省武威市中路乡灯山村大坡山南崖绝壁间黄羊河水库东岸，也称大佛寺、广善寺，据史料记载为北凉王沮渠蒙逊于公元5世纪开凿，已有1600年历史，是国内最早由皇家出资开凿的石窟寺，现为全国重点文物保护单位。石窟群南北长130m，高60m，现保存壁画数百平方米，上中下三层洞窟18个，佛像100多尊，以及魏、隋、唐时期的汉、藏写经若干，主体建筑为大佛窟（13号窟）如来佛坐像，是中国美术史上著名的“凉州模式”的代表。

天梯山石窟是佛教从印度沿丝绸之路向中原地区传播过程中的凉州石窟的典型代表，对研究我国佛教石窟建筑和艺术渊源和发展有重要意义，具有很高的艺术价值和历史价值。

2 天梯山石窟现状

天梯山石窟赋存岩体经过历代陆续开凿、长期环境变迁之后，目前岩体裂隙密布，地质病害发育，洞窟文物破损严重，部分洞窟存在倾倒危险，受裂隙切割的崖体有大规模崩塌或倾倒趋势。

3 孕灾地质条件分析

地形地貌：高寒半干旱气候区，空气寒冷干燥，冰冻期长，岩体表面风化剥蚀作用明显，岩面参差不齐。

地层岩性：中奥陶统车轮沟群变质砂岩和千枚岩岩组、下第三系渐新统白杨河组棕红色含砂砾岩和砂岩、加里东中期侵入的斜长花岗岩、第四系黄土和残积土。石窟上部为泥质细砂岩夹薄层砾岩，主要成分为石英、长石、云母和燧石，胶结类型为接触式和基底式。

地质构造：大地构造隶属于昆仑祁连褶皱系、走廊过渡带中的古浪新凹陷，主要有加里东期和喜马拉雅期两次构造活动，其中前期较后期褶皱发育。

水文地质条件：黄羊河水库库岸，外部空气湿度较大，石窟内部尚未见地下水，地下水埋藏类型为裂隙潜水，水流呈北西方向，单位涌水量0.005，属弱水岩组，洞窟砾岩的干密度为2.3，孔隙度约为8.5%，渗透系数约为0.23~0.58，属弱透水或相对隔水层，窟区地下水仅赋存于坡脚平行崖面的裂隙之中，呈带状分布，裂隙水主要受库水补给，与库水间水力联系密切。

地震作用：位于西海固地震带的西端，西海固地震带位于昌马—祁连—海原巨型弧形断裂带上，石窟正位于该巨型弧形断裂带的两个活动段：毛毛山和冷龙岭之间，周围地区地震活动频繁，石窟所在周边地区上世纪以来曾发生过5级以上地震十余次，其中1927年的8级古浪大地震对石窟破坏极大，导致崖体多处张开，至今裂隙清晰可见，2008年汶川地震使部分岩体坍塌造成了石窟中心柱被埋，某些裂隙增大，部分洞窟有倾倒趋势，是最近受地震破坏最严重的一次。

岩体结构及卸荷裂隙：表面风化破碎带岩体以及低洼带堆积的第四系残坡积物，该岩组RQD值一般为0%~16%，岩石质量差，结构松散，裂隙孔隙发育，抗压抗剪强度低。块体结构岩组，分布在风化破碎带以下的砾岩，块状构造，砾状结构，结构较致密，沿空间走向岩体稳定性较好，该岩组RQD值为28%~56%，完整性较差，岩石块体密度2.32，单轴抗压强度0.16MPa，属软质岩石。岩体性质参数:砾岩干密度为2.3，孔隙度为8.5%，渗透系数约0.23~0.58，属于弱透水层或相对隔水层，干抗压强度4.56MPa，湿抗压强度0.73MPa，软化系数0.16，属极易软化岩石。

4 地质灾害分析

指石窟周围地质环境所引起的石窟病害，即石窟面临的地质问题，它影响着整个石窟的稳定与安全，天梯山石窟面临的地质灾害主要有，岩体风化及侵蚀、岩体卸荷裂隙、危石隐患、岩体崩塌滑塌、雨水冲刷、岩体渗水等。

4.1 岩体风化及侵蚀

赋存岩体是泥质胶结的第三系河湖相砂砾岩，风化最主要的因素是泥质胶结结构被破坏，石窟区处在黄羊河水库岸边，属高寒地区，昼夜温差变化大，小区域内温度湿度变化大，这种情况下蒙脱石等粘土类矿物容易发生吸水膨胀、失水收缩，造成砂岩的胶结状态受到破坏，胶结物脱离，最终导致砂岩风化；其次，岩体中所含的可溶盐也会随石窟环境的温度湿度频繁变化发生反复结晶膨胀和溶解收缩，导致砂岩风化。天梯山石窟崖面风化剥蚀作用明显，岩面参差不齐，凹凸相差0.5m~1m，凹凸的崖面上有燕子、乌鸦、鸽子等鸟类筑巢，鸟类的粪便对岩体也有一定的侵蚀作用，侵蚀造成部分岩体呈临空状态。

4.2 岩体卸荷裂隙

石窟区南侧岩体临空，洞窟地层成岩程度不高，以沙泥质充填为主，少量钙质胶结，受窟区构造及内外应力影响，岩体节理松弛，工程性质较差，洞窟地层经构造运动，倾角达17°左右，但窟区构造裂隙极为少见，控制洞窟围岩及崖体稳定性的主要是在构造基础上形成的卸荷裂隙，使大块岩体与母体剥离形成危岩体，卸荷裂隙是斜坡岩体重力长期作用的产物，明确的说，就是由坡顶张应力控制的，石窟区延伸长度在5m以上的裂隙有16条，其中规模较大，长度在20m以上的裂隙共有6条，这些裂隙走向在130°~160°之间，与边坡走向近于平行。

4.3 危岩体隐患

窟外崖面上有些岩体被风化或被裂隙切断，受力不均发生微小错落后与母体完全分离，体积较大呈倾斜，此时处于受力平衡临界状态，岩体摇摇欲坠，又不至崩塌掉落，均是危岩体，稍微受力岩体滚落崩塌等，有可能会造成一定损失。

4.4 岩体崩塌滑塌

由于天梯山石窟洞窟的开凿分上中下三层，洞窟缺乏支撑受力面，加之地震频繁和库水对岩体的冲刷、侵蚀，容易造成洞窟整体坍塌及窟群岩体大面积坍塌。

4.5 雨水冲刷

雨水冲刷对天梯山石窟整体稳定影响也非常大，可分为小流量水的冲刷与坡面径流（即较大流量）的冲刷，两者破坏方式也不相同。

小流量水的冲刷主要表现在两个方面：首先，窟区降水下渗进入岩体裂隙中，侵蚀裂隙表面，使裂隙逐渐扩大，加速了岩体崩塌；再者，裂隙在山坡地表水长期作用下形成小冲沟，坡面雨水流入小冲沟，沿冲沟内裂隙下渗，造成窟内潮湿，从而加速了岩体和文物的风化及剥蚀。

石窟区坡面径流对洞窟的冲刷破坏可解释为，洞窟地层的水稳性差，赋存岩体以泥质胶结为主，岩体中的可溶盐及黏土中较多的亲水膨胀性黏土矿物，受雨水冲刷时容易溶解随降水流失，石窟区前面由于黄羊河水库影响形成小气候区，所以降雨量比较集中，有时候会有山洪发生，且山体植被稀少，在雨水的冲刷下冲沟发育易成熟，对洞窟造成了严重的威胁。

4.6 岩体渗水

在1992年之前，天梯山13号大佛窟整个腰部以下全都浸泡在黄羊河水库水面以下，对大佛窟塑像损害极其严重，为了保护大佛窟，于1992年在佛窟前修建了围堰坝，由于当时科技水平和人力财力有限，修建围堰坝时未对坝体进行防渗设计和特殊施工处理，在2005年便出现坝体裂隙渗漏，当时虽然进行了一定的紧急防渗处理，但处理不够完善，目前仍严重威胁石窟安全。

围堰右端与崖体接触之处渗水现象较为严重，渗水之处岩层表面返碱，冻融作用强烈，表层5cm~10cm深度呈蓬松状，大佛寺整个洞壁脚跟部，大约在大佛腿腕以下，距离地面90cm~160cm高度内岩层表面呈灰白色岩壳，这是围堰以后，大佛下部浸水石胎重新露出水面，地下水经毛细作用上升沿崖壁蒸发排泄造成新的洞窟水盐病害，若任其发展下去必将危及大佛石胎下部的完整保存。

5 地质灾害处理措施建议

5.1 危岩体清理

为保证工程施工过程中及工程完成后对文物及游客的安全，须首先对因风化或裂隙切割而形成的松动小块危石进行清理，清理工作需分段逐层进行。

5.2 危岩体加固与锚固

危岩体锚固工程主要分布在北段小洞窟群，根据小洞窟群崖面岩体规模及分布情况，首先对凹陷的崖体重新回填加固；然后设置预应力锚索进行加固。

5.3 裂隙注浆

石窟区岩体裂隙发育，为地表水入渗提供了通道，加速了岩体的侵蚀风化，为了加强岩体的整体性，防止由裂隙再引起一系列的病害，在对各危岩体进行锚固后，须对裂隙进行注浆封闭，注浆选用水泥砂浆，对裂隙渗水点设置引水孔道，以防裂隙水通道被堵死而造成新的病害。

5.4 风化砂岩PS-C加固

天梯山石窟大面积的崖面岩体风化，采用稀释4倍的PS溶液喷涂渗透加固。喷涂之前，应将风化岩面上的灰尘处理干净，这样既可以保证PS有良好的渗透性，又可以使喷涂加固的岩面与原岩面保持一致的外观，注意不能连续喷涂，应该间断式的等喷涂在岩面的浆液渗进后再喷涂。

5.5 截排水沟及冲沟治理

在石窟群上方的坡体上设置截排水系统，即分别设置坡顶截水沟和沿自然冲沟铺砌而成的排水沟，以防止和减轻地表水对石窟区坡体的冲刷破坏。

5.6 洞窟加固

对存在倾斜现象的中心柱进行加固，中心柱窟的清理加固应与窟檐修建结合进行。为确保岩柱本身及周边岩体的稳定，采用钢筋混凝土门型结构对空洞进行局部支顶，支顶结构通过做空预埋钢筋与下部岩体相连结，以增强稳定性，并对门型结构进行复旧，与崖壁协调。

5.7 栈道工程

天梯山石窟南侧崖体临空，受制于自然条件，天梯山石窟的现有通道十分狭窄且二、三层石窟没有道路相通，为保证文物保护管理人员和游客的安全，需要修建栈道。采用木质结构，栈道工程基础应采用锚钳，钳头应进入微风化砾岩。

5.8 崖体及洞窟变形监测

地面变形监测：在崖体上设置网状变形观测点，在变形区域影响范围之外稳定点设置固定观测站，用全站仪定期监测变形区内网点的三维位移变化。

位移监测：采用收敛监测崖体表面位移情况，测缝计测量裂隙两侧相对位移和崖体垂直位移，沉降仪观测崖体垂直位移。

中心柱倾斜监测。

环境因素监测：采用雨量计、温湿度记录仪监测降雨量及温湿度，采用地下水位自记仪监测地下水位。

6 结语

要想有效的保护文物、治理石窟地质灾害，首先要对灾害成因有全面准确深入的分析，尽最大努力诊断准确，然后采取结合实际的综合治理措施，对石窟地质灾害进行全面防治，才能达到预期的目标。希望石窟存在的问题能及时得到根治，还文物一个安全可靠的栖身之所。