安岳毗卢洞石窟水害成因分析

2022-07-05阚艳伶曾开帅

地下水 2022年3期

袁伟，阚艳伶，曾开帅

(四川省地质工程勘察院集团有限公司，四川成都 610071)

安岳毗卢洞是宋代四川密宗的主要道场之一，其石刻造像是宋代佛教艺术地方化、世俗化的产物，对研究巴蜀石刻历史有极高的文化价值和艺术价值[1]。毗卢洞石窟是毗卢洞、幽居洞、千佛洞和观音堂的总称，石窟开凿龛窟20个，造像区长达118 m，现存摩崖石刻造像465尊。由于年代久远，石窟渗水病害以及由于渗水衍生的其他病害不同程度地对文物造成了破坏。渗水病害是石雕岩体的最突出的问题，而且引起石窟寺等室外文化遗产损害的重要外部环境因素也包括多种形态的水，多数石窟病害的产生和加剧都是由于水的参与造成的[2-3]。分析水害成因机理是解决渗水问题最重要的一步，本文对毗卢洞石窟渗水的形成、运移条件和影响因素提出一些初步的认识，供研究区水患防治和文物保护工作参考。

1 研究区基本概况

毗卢洞石窟位于安岳县东南部深丘和中丘过度地带的塔子山斜坡上，斜坡坡向约252°，整体地势北东高而南西低。斜坡顶部较为开阔平坦，最高点海拔360 m，坡脚高程295 m，石窟呈南北向展布于斜坡中上部的巨厚层块状砂岩陡崖上。其中，毗卢洞位于石窟最北端。石窟顶部为一宽约15 m的平台，平台后缘为一缓坡，坡体表层覆盖第四系残坡积 (Q4el+dl)紫红色粉质粘土，平均厚度0.4 m，其上灌木和草本科植物生长茂盛。石窟区前缘10～20 m为一坡度约25°～35°的自然斜坡。

经现场调查，石窟不同程度地遭受水害，以柳本尊十炼窟、观音堂水月观音较为严重，部分石刻表面及裂隙浅部长有苔藓，石刻字迹整体较模糊，少数字迹难以辨认。现场调查恰逢连续两日夜间降雨，发现柳本尊十炼窟石刻本体表面发现明显的渗漏点，观音堂水月观音造像附近构造裂隙底部发现明显渗漏点。

2 地质条件

研究区位于四川盆地中部“南充古陆核”附近，龙门山脉的东部延伸地带，属龙门山脉构造褶皱带，区内地貌类型以丘陵为主。研究区构造简单，无断层发育，地层岩性为遂宁组(J3s)紫红色厚层块状砂岩，局部含少量泥质，岩层倾向310°～330°，倾角2°～6°。

研究区岩体主要发育3组主要的结构面：(1)平行于崖面的构造裂隙；(2)基本垂直于崖面的张性裂隙；(3)层面裂隙。据统计(见图1、图2)，主控构造裂隙陡倾，倾角80°以上的占83.3%，走向以290°～300°和20°～30°为主，与造像区斜交。层面裂隙与构造裂隙组合构成了石刻区的裂隙网络，为地下水的储存、运移提供了空间和通道。

图1 毗卢洞节理裂隙倾向玫瑰花图

图2 毗卢洞节理裂隙极点分布图

3 水文地质条件

研究区地下水类型主要为风化带裂隙水。地下水接受大气降水补给，其径流受地形控制,一般从高处向低处径流，在地势低洼处以泉或人工开采的形式排泄。区内地下水径流埋藏区水位埋深多小于5 m，一般1～3 m，水位变幅不大。补给径流区地下水位埋深和动态变化较大。本次调查时间为9月，水位处于高值，调查斜坡底部沟谷区民井水位高程285.16～294.32 m。

毗卢洞位于斜坡上部，造像区为一陡崖，地下水受埋藏条件影响，基本处于疏干状态。调查期间，发现石窟前缘地表汇流处凿有浅井2口，据工作人员反映，浅井主要起蓄积大气降水之用。在浅井附近实施了3口深5～9 m的钻孔，均未揭露稳定的地下水位，结论与前期实施的勘察工作结果和根据水力梯度推断的地下水位情况一致。

为查明研究区砂岩水理性质，在造像区及顶部平台附近采集多组砂岩样本进行测试，试验结果表明研究区砂岩含水率4.87%～5.25%，吸水率5.15%～5.50，孔隙率12.48%～12.53%。这与《工程地质手册(第五版)》[4]中所列的砂岩孔隙率普遍介于1.6%～28.3%之间，吸水率介于0.2%～7.0%之间相符。通常砂岩孔隙率越大，其吸水率和天然含水率越高。毗卢洞石刻区砂岩孔隙率处于平均水平，具备持水、释水的条件。

4 温湿度变化特征

本次研究，在毗卢洞内选取一处具备监测条件的洞窟进行温湿度监测，监测工作历时48 h，数据采集频次为5 min/次。监测工作期间，窟内最低温度21.6℃，最高温度24.8℃，平均温度22.9℃，同一测点日较差值小于2℃。最低湿度为83.6%rh，最高湿度为97%rh，平均湿度91.7%rh。温度、湿度呈高度负相关。整体看来，石窟内部干湿交替频繁，湿度整体处于较高水平。

从时间序列来看，龛窟内温、湿度具有周期性变化特征，普遍在6:00和14:30达到极值。6:00温度最低、湿度最大，14：30温度最高、湿度最低。

图3 龛窟内湿度变化空间分布图

从空间分布来看，湿度变化与龛窟进深和高度关系密切。洞窟中上部和入口处湿度变化最大。造像区中上部湿度变化较大，中下部尤其是底部基本处于常湿状态(见图3)。

5 水害类型及其成因分析

吴宝燕等对云冈石窟水害及其治理措施进行了分析，认为主要有窟顶渗水侵蚀，外壁雨水冲刷，窟内凝结水冻融，窟底积水浸润四种水害[5]。窟顶渗水侵蚀、外壁雨水冲刷和室内凝结水也是本次研究分析的主要内容。同时，砂岩的毛细水上升高度可达到2 m左右，研究区地下水位埋深大于5 m，石窟不受支持毛细水的影响。但本次研究认为渗水及冷凝水形成的悬挂毛细水对石窟的作用不容小觑。

石窟渗水来源为大气降水和空气中的水汽。大气降水到达地表后，部分由构造裂隙、风化裂隙、孔隙进入岩体形成包气带水，部分在雨强条件合适时形成地面径流，其具有周期变化的特点。

包气带水的排泄形式受降水量、径流条件等的影响，表现为线状、股状、滴状或外渗等不同形式。进入构造裂隙的包气带水或直接排泄造成局部过湿，或排泄至石窟内中部平台、地面；经风化裂隙、孔隙形成的包气带水一部分渗流至构造裂隙排泄，一部分因岩性岩相、风化程度等的差异而局部受阻排泄，形成潮湿或过湿区。

地面径流经石窟区表层流至窟外地面，在湿度扩散作用下，影响石窟入口区域岩体。在窟内排泄的包气带水与空气中水分受温度变化影响，共同参与窟内水汽循环，以水汽-冷凝水循环交替的形式对石窟造成影响。空气中过饱和的水汽受冷达到露点时，随即冷凝为液态水珠，在石窟内顶部凝结滴落，主要滴溅、滞留于石窟内中部平台和地面，并在这些区域形成悬挂毛细水，表现为带状潮湿或过湿。

石窟水害与“变化”二字关系密切，正是由于大气降水的周期变化和水汽-冷凝水的循环交替带来的不稳定，加速了石窟水害的发生。石窟水害成因模式见图4所示。

图4 毗卢洞水害成因模式图

5.1 地面径流

研究区大气降水充沛，多年平均降水量995.2 mm，最大降水量达1 346 mm，为水害的形成提供了充足的水源。毗卢洞石刻造像均为开放性洞窟，受外界环境影响程度较大，地面径流可直接作用于洞窟表面，对石窟岩体表层造成冲刷侵蚀。同时，地面径流至窟外地面随湿度扩散影响石窟底部平台，进入构造(卸荷)裂隙后转化为包气带水并参与窟内水汽循环，不利于文物保护。

5.2 包气带水

包气带水是毗卢洞内石刻保护面临的主要问题，造像区的砂岩地层中构造裂隙、风化裂隙和孔隙发育，其中不乏垂直、宽大的纵张裂隙，这些裂隙纵横交错，与层面裂隙一起构成了岩体渗流网络，为包气带水的形成提供了充分的条件。构造裂隙等优势通道是裂隙水流的集中径流带或主要通道，风化裂隙、层面裂隙及孔隙是地下水的主要储集空间。包气带水在裂隙相交处或在因岩性岩相、风化程度等的差异而局部受阻处，以滴状或不明显渗流扩散状渗流排泄，排泄点周边过湿区范围与入渗水量有关。因孔隙、细小裂隙的持续给水，石窟内渗流具有延续时间较长的特点，往往在降雨结束后几日仍有渗出。受渗(滴)水影响的石刻主要集中在柳本尊十炼窟造像群洞内，连续降雨后，石像群底座有明显水流流出。

5.3 凝结水

曹文炳等分别在2004年8月份和2005年的7-8月份先后两次使用自主制作的凝结水水量测量装置对洞窟内砂岩岩壁的凝结水水量进行现场测量。经过多次测量，得到的凝结水水量结果是相当可观的，岩体单位面积的平均凝结速率为9.92～15.03 g/(m2·h)[6]。

在温暖潮湿的安岳地区，凝结水对石刻的影响也不容忽视。在空气对流充足的洞内，石刻受凝结水影响较小。而在空气不流通，且光照稀少的洞内，受凝结水影响严重。据现场调查，凝结水除与空气中水分相关外，还与渗流入石窟内的包气带水有密切关系。凝结水在石窟内顶部凝结滴落，主要滴溅、滞留于石窟内中部平台和地面，并参与洞内的水汽循环。洞内外的温差是形成凝结水的主控外因，在夏季洞内岩石表面的温度与洞外气温之间存在较大的温差。洞内岩石表面的温度低于洞外气温，容易在洞壁形成低温区，从而使过饱和的水汽层冷凝，造成水汽在温度最低的洞壁表面产生凝结水。在较大的湿度下洞内的空气中存在过饱和的水汽是形成凝结水的必要条件。