桂海碑林摩崖石刻水害成因分析及防治對策

劉 碩，白雪亮，張 彬，張中儉，孫進忠，楊文府

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065；3. 資源環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測山西省重點實驗室，山西 晉中 030600)

石質(zhì)文物在我國歷史文化遺產(chǎn)中占有極其重要的地位，而水患病害是這類文物普遍面臨的問題，其對文物的保護造成了十分不利的影響。針對石質(zhì)文物保護中的水害問題，已有不少學(xué)者進行了研究。針對大足北山石窟的滲水病害問題，蔣思維等[1]從物理作用、化學(xué)作用和生化作用三個方面分析了地下水對造像的危害，并提出了截斷石刻頂部明水和疏導(dǎo)地下滲水的綜合治理措施。徐利軍等[2]根據(jù)花山巖畫區(qū)的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件，分析了滲水病害的類型、危害及其形成機理，提出了防滲堵漏、建立地表排水系統(tǒng)、修建立壁遮擋檐等防治對策。張紅梅等[3]結(jié)合勘察資料，對大同云岡石窟的滲水病害進行了分類，分析了水的來源和水害成因，提出了一種“以疏為主，疏堵結(jié)合”的治水新思路。針對云岡石窟洞窟的凝結(jié)水病害問題，曹文炳等[4]采用凝結(jié)水量測量裝置對凝結(jié)水的形成機制和凝結(jié)水量進行了現(xiàn)場定量研究和測量，探討了凝結(jié)水對砂巖風(fēng)化的影響，并通過室內(nèi)環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)和除濕機有效解決了雨季在石窟巖壁上形成凝結(jié)水的問題。朱華等[5]以龍門石窟潛溪寺作為監(jiān)測點，初步分析了凝結(jié)水病害的影響因素及形成機理，通過對比分析，總結(jié)了潛溪寺凝結(jié)水變化的現(xiàn)狀、發(fā)展直至消失的規(guī)律，提出了降低石窟內(nèi)濕度和加速石窟內(nèi)外空氣流通的防治對策。肖碧等[6]通過對若干石窟水害現(xiàn)狀及成因進行總結(jié)分析，從地質(zhì)工程角度提出了一些水害治理的基本原則和防治對策。從以上學(xué)者的研究中，不難發(fā)現(xiàn)水害已經(jīng)成為危及石質(zhì)文物保護的一大主要病害。

桂海碑林摩崖石刻所處的龍隱巖和龍隱洞自古即為文化游覽勝地，刻石紀游，歷史悠久，歷代游人到此或題名題榜、或題詩題記、或摹刻名人書畫，真、草、篆、隸、行諸體齊備，形成了兩洞內(nèi)外“摩崖殆遍，壁無完石”的碑林奇觀。桂海碑林現(xiàn)有唐至民國時期石刻205處，其中唐代1處、宋代104處、元代1處、明代40處、清代24處、民國3處、年代無考32處，是桂林石刻最集中、最典型的地方。其1963年即公布為廣西壯族自治區(qū)重點文物保護單位，2001年被國務(wù)院批準為全國重點文物保護單位。桂海碑林摩崖石刻由于其所處的灰?guī)r地層結(jié)構(gòu)、復(fù)雜地下水環(huán)境和濕熱多雨的氣候，容易遭到裂隙滲水、坡面雨水和凝結(jié)水的侵蝕，導(dǎo)致石刻區(qū)出現(xiàn)了大面積的水患病害，對石刻的保存造成了十分不利的影響。本文在總結(jié)前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，針對桂海碑林摩崖石刻出現(xiàn)的水患病害，先后進行了現(xiàn)場調(diào)查，水害成因分析，優(yōu)勢滲流通道探測和防治方案設(shè)計等工作，為我國水患病害下石質(zhì)文物的保護提供了參考依據(jù)。

1 工程地質(zhì)條件概述

1.1 地理位置及氣象水文

桂海碑林摩崖石刻位于廣西壯族自治區(qū)桂林市七星公園月牙山瑤光峰南麓，西臨漓江支流小東江，南接龍隱路北側(cè)(圖1)。研究區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和，雨量充沛，四季分明且雨熱同期。年平均氣溫為18.8 ℃，年平均降水量為1 901.3 mm，年平均蒸發(fā)量為1 490～1 905 mm，年平均相對濕度為73%～79%。

圖1 桂海碑林摩崖石刻地理位置圖Fig.1 Geographical location of stone inscription in Guihai

1.2 地層巖性

根據(jù)現(xiàn)場勘察資料，月牙山及龍隱巖、龍隱洞的地層巖性較為簡單，主要為第四系殘坡積土和泥盆系灰?guī)r。殘坡積土(Qel+dl)主要分布于月牙山山頂，呈灰黑色，濕，可塑狀態(tài)，以粉黏粒為主，為灰?guī)r風(fēng)化殘坡積土，局部殘留較多風(fēng)化巖巖屑，具有一定承載力?；?guī)r(D3r)是本區(qū)石刻的唯一載體，呈灰白色，主要礦物成分為方解石，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，石英巖脈發(fā)育，巖質(zhì)堅硬。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

桂林七星景區(qū)主要由西部的月牙山和東部的普陀山組成，地質(zhì)構(gòu)造分褶皺和斷裂兩種基本類型。構(gòu)造形跡發(fā)育弧形構(gòu)造和新華夏系NNE向復(fù)合壓扭性斷裂，伴生裂隙有NW-NWW及NE-NEE向2組，近南北向的裂隙也很發(fā)育。對龍隱巖和龍隱洞石刻影響較大的斷層有位于其東南側(cè)的上月山—羊角山斷層(NE向)、其東北側(cè)的大河斷層(NW向)和其南側(cè)的路口斷層(EW向)。這些斷裂、裂隙多是早期弧形構(gòu)造成分經(jīng)后期新華夏系和NW向構(gòu)造利用、改造的產(chǎn)物，對形成巖溶洞穴十分有利。

龍隱巖和龍隱洞位于巖溶地區(qū)，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育。龍隱巖巖體中發(fā)育的節(jié)理裂隙除數(shù)量較多的短小裂隙隨機分布外，有2組優(yōu)勢走向，1組節(jié)理走向40°左右，為剪節(jié)理，節(jié)理面平直，緊閉，透水性差；另1組節(jié)理走向310°左右，為張節(jié)理，節(jié)理面粗糙，有一定的張開度，透水性較好。巖層傾向SSE，傾角30°左右。

1.4 水文地質(zhì)條件

本區(qū)地下水主要有裂隙水、巖溶水和孔隙水3種類型，受大氣降水補給。裂隙水主要分布在中低山和丘陵地帶的碎屑巖地區(qū)，賦存于地表以下10～20 m的風(fēng)化裂隙帶中。巖溶水分布極為廣泛，約占全區(qū)總面積的90%以上，賦存于溶洞溶隙和各種巖溶孔洞內(nèi)。在覆蓋地區(qū)，覆蓋層多為黏土或黏土卵石等不透水層，地下水往往具有不同程度的承壓現(xiàn)象，形成的承壓水頭1～9 m不等。

漓江自北而南貫穿全區(qū)，為本區(qū)地下水的最低排泄基準面和主要外排通道。地下水沿陡峻的卸荷裂隙、構(gòu)造裂隙以及垂直巖溶通道產(chǎn)生向下的垂直徑流，沿層面裂隙和水平溶洞產(chǎn)生向山脊線兩側(cè)方向的滲流，總的滲流方向是沿巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)、巖溶通道向下滲流，補給漓江的支流小東江(圖2)。

圖2 龍隱巖及龍隱洞滲流方向Fig.2 Seepage direction of water in Longyin Rock and Longyin Cave

2 摩崖石刻水患病害及成因分析

2.1 水害調(diào)查

桂海碑林摩崖石刻位于溫暖潮濕的亞熱帶地區(qū)，大氣降水、地表水和地下水均較為豐富，根據(jù)水的運移途徑，可以將水害歸為滲(滴)水病害、坡面雨水沖刷病害和凝結(jié)水病害3種類型。通過調(diào)查，石刻區(qū)共有題刻205處，主要分布在龍隱巖、龍隱洞東壁和龍隱洞西壁內(nèi)側(cè)巖壁上，洞室外側(cè)題刻較少。目前，題刻遭水害破壞嚴重，總面積為967 190 cm2，其中病害面積已達到153 578 cm2，所有題刻均遭到不同程度的破壞。參照規(guī)范《石質(zhì)文物病害分類與圖示》(WW/T 0002—2007)，將題刻病害程度劃分為完好、輕微、嚴重和極嚴重4個等級(表1)。

表1 題刻病害程度統(tǒng)計表(單位：處)Table 1 Statistical table of water damages degree

2.2 滲(滴)水病害

裂隙滲水是石刻區(qū)題刻保護面臨的主要問題，受滲(滴)水影響的題刻主要集中在龍隱巖內(nèi)。溶洞內(nèi)滲水的主要來源為大氣降水，洞頂縱橫交錯的裂隙向上延伸，上部山體雨水滲流發(fā)育，導(dǎo)致溶洞內(nèi)滲水和巖溶發(fā)展。在溶洞洞壁、洞頂，分布有多條裂隙，這些裂隙縱橫交錯，與層面裂隙一起構(gòu)成了連通的巖體滲流網(wǎng)絡(luò)，并在交匯點處發(fā)育滲水點。這些滲水點以滴水形式外滲，具有流速慢、持續(xù)時間長的特點。

巖石中的滲水呈弱堿性或中性，而桂林市酸雨比較嚴重，酸雨率近80%。顯然，降至地表的酸雨通過灰?guī)r節(jié)理裂隙下滲后與灰?guī)r發(fā)生了中和反應(yīng)，這個過程也是灰?guī)r溶解的過程。當(dāng)裂隙滲水流經(jīng)題刻時，會侵蝕題刻表面，產(chǎn)生溶孔和溶蝕裂隙，形成的潮濕環(huán)境又促進了苔蘚植被等生物病害的滋生。另外，季節(jié)性的裂隙滲水會引起石刻巖體表面的干濕循環(huán)變化，降低巖體表層的強度和抗風(fēng)化能力，加劇石刻表面的風(fēng)化剝落，對摩崖石刻的保護極為不利。

2.3 坡面雨水沖刷病害

坡面雨水沖刷病害主要存在于大部分洞室外題刻區(qū)，尤以龍隱巖外側(cè)及龍隱洞洞口的題刻最為嚴重。龍隱洞及龍隱巖所在山體地勢陡峭，位于外側(cè)的題刻易受雨水的直接沖刷以及大氣降水形成地表徑流的間接沖刷作用。當(dāng)雨水流經(jīng)題刻時，一方面使顏色褪色掛流，污染題刻表面，另一方面產(chǎn)生溶孔和溶蝕裂隙，使字跡受損。另外，頻繁的降雨在形成潮濕環(huán)境滋生苔蘚等生物病害的同時，又增加了題刻表面干濕循環(huán)的頻率，對石刻表面破壞較為嚴重。

2.4 凝結(jié)水病害

在溫暖潮濕的桂林地區(qū)，凝結(jié)水對題刻的影響不容忽視。石刻區(qū)春季和夏季溶洞內(nèi)濕度很大，凝結(jié)水豐富的6～9月，溶洞濕度都在75%以上，有時甚至達到過飽和。龍隱洞的兩洞口相互連通，空氣對流充足，該處的題刻受凝結(jié)水影響較小，而龍隱巖由于空氣不流通，且光照稀少，受凝結(jié)水影響較為嚴重。凝結(jié)水影響范圍一般集中在溶洞內(nèi)距地面0.2～1.8 m高的范圍內(nèi)，一方面在洞壁上以結(jié)晶形式保留其運動軌跡，使洞壁留下明顯的不規(guī)則片狀或條狀白色沉淀痕跡，對題刻表面造成污染，另一方面在適當(dāng)光照條件下滋生微生物苔蘚病害，加速石刻表面的風(fēng)化剝蝕。

3 優(yōu)勢滲流通道探測

3.1 探測原理

瑞雷波在不均勻介質(zhì)中傳播有一個重要的特性——頻散，波長λ、波速ν和頻率f之間如下關(guān)系：λ=ν/f，理論分析表明，瑞雷波的有效探測深度Z與其波長成正比，即：Z=β×λ(β為與巖土體泊松比有關(guān)的系數(shù))[7-8]。層狀介質(zhì)瑞雷波頻散曲線的正演分析表明，曲線的高頻部分與淺層介質(zhì)相對應(yīng)，曲線的低頻部分與深層介質(zhì)相對應(yīng)，曲線的拐點與不同介質(zhì)的分層界面相對應(yīng)。這為利用瑞雷波探測地下巖土體彈性波速的空間分布提供了可能[9]。

3.2 多道瞬態(tài)瑞雷波探測

采用多道瞬態(tài)瑞雷波探測技術(shù)對石刻區(qū)滲流通道進行探測，根據(jù)現(xiàn)場實際條件和探測目的，在月牙山上布置3條測線，編號分別為測線1、測線2和測線3，在各條測線上的轉(zhuǎn)折部位設(shè)置一系列測線控制點控制測線的轉(zhuǎn)向，3條測線總計布置檢波器排列23個(圖3)。

圖3 月牙山景區(qū)瑞雷波探測測線布置示意圖Fig.3 Layout of Rayleigh wave detection line in Crescent Hill scenic area

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)[10]中不同類型巖土介質(zhì)所對應(yīng)的剪切波速范圍，考慮到巖土介質(zhì)的彈性波速與巖土體的軟弱程度和完整性呈正相關(guān)，且其瑞雷波波速VR與剪切波速VS近似相等的關(guān)系(VR≈0.95VS)，可以得到月牙山巖土體瑞雷波相速度VR分級與巖土體性狀對照表(表2)。

表2 月牙山巖土體瑞雷波相速度VR分級與巖土體性狀對照Table 2 Comparison table of VRand rock-soil properties in Crescent Hill

圖4 月牙山瑞雷波相速度—深度成像剖面Fig.4 Crescent Hill Rayleigh wave velocity-depth imaging profileH—滲透性好；M—滲透性中；L—滲透性差

聯(lián)合各排列所提取的瑞雷波相速度—深度數(shù)據(jù)，并對3條測線分別進行瑞雷波相速度—深度成像(圖4)。由測線1成像剖面可見，最大規(guī)模的低速帶出現(xiàn)在測線控制點#11～#13之間，反映了月牙山巖體與龍隱巖巖體間大規(guī)模斷裂破碎帶。此外，測線控制點#7～#11之間、#13～#15之間、#18～#19之間的測線走向為NNE、NE或NNW，基本上都與巖體中發(fā)育的張性節(jié)理走向(310°左右)近正交，控制點#15～#18之間的測線走向為NW～NWW，大體與剪節(jié)理的走向正交，前者對應(yīng)的剖面中強風(fēng)化巖體所占的比例顯著高于后者對應(yīng)的剖面中強風(fēng)化巖體所占比例，與張性節(jié)理更容易遭受溶蝕風(fēng)化的事實相符。在上述以構(gòu)造結(jié)構(gòu)面控制的巖體差異溶蝕作用下，形成了一系列透水性良好的強烈溶蝕帶，成為上部水體入滲的滲流通道，即瑞雷波相速度—深度剖面中編號為#1～#11的滲流通道。

3.3 滲透性分級

根據(jù)山體瑞雷波相速度—深度剖面揭示的滲流通道分布情況及其溶蝕風(fēng)化程度和對應(yīng)的滲透能力，將其滲透性劃分為“好(H)”、“中(M)”和“差(L)”3個等級，并分別與《石質(zhì)文物保護工程勘察規(guī)范》(WW/T 0063—2015)[11]中的“涓流”、“滴水”和“滲析”相對應(yīng)(表4)。由此得出，編號為1，2，3，8，9，10，11的滲流通道滲透性為“好(H)”，編號為4，6的滲流通道滲透性為“中(M)”，編號為5，7的滲流通道滲透性為“差(L)”。

測線2的成像剖面中與排列19對應(yīng)的滲流通道9距龍隱巖最近，滲透性能良好，且與由張性節(jié)理控制的差異溶蝕作用有關(guān)，與龍隱巖有直接的水力聯(lián)系，對龍隱巖題刻的威脅最大；排列22附近的滲流通道8，位于龍隱巖和龍隱洞之間，滲透性能良好，但這一位置上的張性節(jié)理走向(NW)不會指向龍隱巖和龍隱洞，滲流通道的水體可能通過走向NE的剪節(jié)理或巖層面與旁側(cè)的張節(jié)理建立較弱的水力聯(lián)系，進而對龍隱巖或龍隱洞產(chǎn)生不利影響，考慮到沿巖層面(傾向SSE)的滲流流向主要為SSE，因此，滲流通道8對龍隱巖的影響比對龍隱洞的影響更大一些。

測線1的成像剖面中排列17附近的滲流通道1和排列13附近的滲流通道2是由張性節(jié)理控制的差異溶蝕形成的滲流通道，從張性構(gòu)造節(jié)理發(fā)育的走向看，這兩個通道很可能與測線2成像剖面中的通道9和通道8連通，因此，這兩個滲流通道對龍隱巖題刻的威脅較大。

測線3的成像剖面中排列23附近的滲流通道11距龍隱巖較近，滲透性能良好，且與由張性節(jié)理控制的差異溶蝕作用有關(guān)，與龍隱巖有直接的水力聯(lián)系，對龍隱巖題刻的威脅較大。此外，在三條測線中，規(guī)模最大的滲流通道是在測線1成像剖面中控制點#11～#13之間的3號滲流通道，它構(gòu)成了龍隱巖、龍隱洞山體的一個重要水文地質(zhì)邊界。

綜上所述，編號為1，2，3，8，9，11的滲流通道滲透性為“好”，且對龍隱巖的威脅較大，屬于裂隙注漿方案制定時應(yīng)該重點考慮的優(yōu)勢滲流通道。

表4 滲流通道的瑞雷波相速度成像特征滲透性分級Table 4 Permeability classification of Rayleigh wave phase velocity imaging characteristics in seepage channels

4 工程防治對策

4.1 崖頂GCL防滲鋪蓋

GCL(土工合成材料黏土襯墊)是一種新型防滲鋪蓋材料，具有安全環(huán)保、體積小、重量輕、施工簡便、柔性好、抗剪強度和抗拉強度高等優(yōu)點，可以較好地適應(yīng)不均勻沉降[12-13]。施工時采用人工鋪設(shè)的方式，鋪設(shè)之前先清基、平整，然后依據(jù)崖頂實際地形，按一定順序和方向進行鋪設(shè)，下層鋪好后，再鋪設(shè)上一層，上下層的搭接長度為400 mm，搭接處膨潤土漿刷500 mm，膨潤土漿配比為1∶6，搭接縫處膨潤土耗量約為0.4 kg/m。鋪設(shè)完成后，檢查鋪設(shè)有無問題，若無問題，及時覆蓋填土，在填土表面種植草坪。

4.2 坡面截水

在山頂人行通道和龍隱巖崖頂位置各砌筑一條截水溝，截水溝采用毛條石和M7.5水泥砂漿結(jié)合山頂實際地形砌筑，排水坡度不小于1%，每隔10～15 m設(shè)置一道寬2 cm的伸縮縫，用瀝青麻筋填塞。對排水溝揭露的各類裂隙，灌注水泥漿液封堵[14]。同時對現(xiàn)有的條石排水溝進行檢查，采用防水砂漿對排水溝內(nèi)側(cè)做勾縫防水處理，清理排水溝內(nèi)的雜物，保證排水通暢。

4.3 裂隙注漿

經(jīng)過現(xiàn)場勘察，在龍隱巖內(nèi)共發(fā)現(xiàn)9處主要滲水點，對9處滲水點附近的裂隙及龍隱巖巖壁上的4條較大裂隙進行注漿處理，注漿位置如圖5所示。漿液采用超細水泥，水灰比為0.6～0.65(重量比)，注漿壓力為0.1～0.4 MPa。施工設(shè)備主要有Hx—4800注漿機、3 m3空氣壓縮機、風(fēng)槍、電錘、漿材攪拌機等。

圖5 龍隱巖內(nèi)注漿孔平面布置圖Fig.5 Plane layout of grouting holes on Longyin Rock

施工工藝按先后順序依次為鉆孔、插管、洗孔、封縫、表面防護、壓力注漿、拔管做舊和現(xiàn)場清洗。鉆孔方向與裂隙走向一致，鉆孔間隔為200～350 mm，深度為350～500 mm，由于部分裂隙有碳酸鈣沉淀物充填層，鉆孔時應(yīng)穿透碳酸鈣沉淀物充填層。對于龍隱巖巖壁上的較大裂隙，可直接插注漿管進行注漿，注漿間隔為5～7 m。插管時，將外徑13 mm、內(nèi)徑5 mm的硬質(zhì)塑料管緩慢插入鉆孔內(nèi)，分2段進行洗孔，每次洗孔深度為鉆孔深度的一半，洗完1 h后使用添加速凝劑的超細水泥對鉆孔周圍裂隙進行封縫。注漿前，為防止?jié){液滲漏污染題刻表面，采用塑料薄膜對注漿孔周圍1 m2范圍內(nèi)的區(qū)域進行保護，用塑料布對注漿區(qū)域內(nèi)的地面進行覆蓋，并檢查裂縫封縫效果。注漿時，依據(jù)設(shè)計壓力進行注漿，從下至上，先注稀漿，再注濃漿，稍有滲漏先兆，應(yīng)立即停止，迅速用棉紗蘸水進行清洗。待漿液完全凝固后，切取伸出巖面的塑料注漿管，使用砂漿封口，采用超細水泥加灰?guī)r巖粉在封閉裂隙的表面上進行做舊處理，使之與壁面保持在同一平面。注漿完成后，對施工現(xiàn)場進行清洗處理[15-18]。

4.4 表面防水封護

根據(jù)實驗室內(nèi)的對比試驗結(jié)果，封護材料選用丙烯酸酯溶液和有機硅類的封護劑WD-10按5∶1的比例進行配制[19-20]。在封護之前，先用手術(shù)刀將石刻表面的苔蘚、地衣與泥土清除掉，再用清水清洗晾干，然后將配制好的封護材料均勻涂抹于石刻表面形成隔水層。

5 結(jié)論

(1)石刻區(qū)的水患病害按水的運移途徑不同可分為滲(滴)水病害、坡面雨水沖刷病害和凝結(jié)水病害三種類型，其中滲(滴)水病害對題刻的危害最為嚴重。

(2)裂隙水、雨水和凝結(jié)水在直接侵蝕題刻表面的同時，會引起題刻表面的干濕循環(huán)變化，滋生苔蘚等生物病害，加速題刻表面的風(fēng)化剝落。

(3)在多道瞬態(tài)瑞雷波成像剖面中，編號為1，2，3，8，9，11的滲流通道滲透性為“好”，且對龍隱巖的威脅較大，屬于裂隙注漿方案制定時應(yīng)該重點考慮的優(yōu)勢滲流通道。

(4)采用分區(qū)設(shè)計的思路，提出了在崖頂區(qū)采用GCL防滲鋪蓋和頂面截水，在石刻區(qū)采用裂隙注漿和表面防水封護的綜合治理對策。