安岳毗盧洞石窟水害成因分析

袁 偉，闞艷伶，曾開帥

(四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司，四川 成都 610071)

安岳毗盧洞是宋代四川密宗的主要道場之一，其石刻造像是宋代佛教藝術(shù)地方化、世俗化的產(chǎn)物，對研究巴蜀石刻歷史有極高的文化價(jià)值和藝術(shù)價(jià)值[1]。毗盧洞石窟是毗盧洞、幽居洞、千佛洞和觀音堂的總稱，石窟開鑿龕窟20個(gè)，造像區(qū)長達(dá)118 m，現(xiàn)存摩崖石刻造像465尊。由于年代久遠(yuǎn)，石窟滲水病害以及由于滲水衍生的其他病害不同程度地對文物造成了破壞。滲水病害是石雕巖體的最突出的問題，而且引起石窟寺等室外文化遺產(chǎn)損害的重要外部環(huán)境因素也包括多種形態(tài)的水，多數(shù)石窟病害的產(chǎn)生和加劇都是由于水的參與造成的[2-3]。分析水害成因機(jī)理是解決滲水問題最重要的一步，本文對毗盧洞石窟滲水的形成、運(yùn)移條件和影響因素提出一些初步的認(rèn)識(shí)，供研究區(qū)水患防治和文物保護(hù)工作參考。

1 研究區(qū)基本概況

毗盧洞石窟位于安岳縣東南部深丘和中丘過度地帶的塔子山斜坡上，斜坡坡向約252°，整體地勢北東高而南西低。斜坡頂部較為開闊平坦，最高點(diǎn)海拔360 m，坡腳高程295 m，石窟呈南北向展布于斜坡中上部的巨厚層塊狀砂巖陡崖上。其中，毗盧洞位于石窟最北端。石窟頂部為一寬約15 m的平臺(tái)，平臺(tái)后緣為一緩坡，坡體表層覆蓋第四系殘坡積 (Q4el+dl)紫紅色粉質(zhì)粘土，平均厚度0.4 m，其上灌木和草本科植物生長茂盛。石窟區(qū)前緣10～20 m為一坡度約25°～35°的自然斜坡。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，石窟不同程度地遭受水害，以柳本尊十煉窟、觀音堂水月觀音較為嚴(yán)重，部分石刻表面及裂隙淺部長有苔蘚，石刻字跡整體較模糊，少數(shù)字跡難以辨認(rèn)?，F(xiàn)場調(diào)查恰逢連續(xù)兩日夜間降雨，發(fā)現(xiàn)柳本尊十煉窟石刻本體表面發(fā)現(xiàn)明顯的滲漏點(diǎn)，觀音堂水月觀音造像附近構(gòu)造裂隙底部發(fā)現(xiàn)明顯滲漏點(diǎn)。

2 地質(zhì)條件

研究區(qū)位于四川盆地中部“南充古陸核”附近，龍門山脈的東部延伸地帶，屬龍門山脈構(gòu)造褶皺帶，區(qū)內(nèi)地貌類型以丘陵為主。研究區(qū)構(gòu)造簡單，無斷層發(fā)育，地層巖性為遂寧組(J3s)紫紅色厚層塊狀砂巖，局部含少量泥質(zhì)，巖層傾向310°～330°，傾角2°～6°。

研究區(qū)巖體主要發(fā)育3組主要的結(jié)構(gòu)面：(1)平行于崖面的構(gòu)造裂隙；(2)基本垂直于崖面的張性裂隙；(3)層面裂隙。據(jù)統(tǒng)計(jì)(見圖1、圖2)，主控構(gòu)造裂隙陡傾，傾角80°以上的占83.3%，走向以290°～300°和20°～30°為主，與造像區(qū)斜交。層面裂隙與構(gòu)造裂隙組合構(gòu)成了石刻區(qū)的裂隙網(wǎng)絡(luò)，為地下水的儲(chǔ)存、運(yùn)移提供了空間和通道。

圖1 毗盧洞節(jié)理裂隙傾向玫瑰花圖

圖2 毗盧洞節(jié)理裂隙極點(diǎn)分布圖

3 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地下水類型主要為風(fēng)化帶裂隙水。地下水接受大氣降水補(bǔ)給，其徑流受地形控制,一般從高處向低處徑流，在地勢低洼處以泉或人工開采的形式排泄。區(qū)內(nèi)地下水徑流埋藏區(qū)水位埋深多小于5 m，一般1～3 m，水位變幅不大。補(bǔ)給徑流區(qū)地下水位埋深和動(dòng)態(tài)變化較大。本次調(diào)查時(shí)間為9月，水位處于高值，調(diào)查斜坡底部溝谷區(qū)民井水位高程285.16～294.32 m。

毗盧洞位于斜坡上部，造像區(qū)為一陡崖，地下水受埋藏條件影響，基本處于疏干狀態(tài)。調(diào)查期間，發(fā)現(xiàn)石窟前緣地表匯流處鑿有淺井2口，據(jù)工作人員反映，淺井主要起蓄積大氣降水之用。在淺井附近實(shí)施了3口深5～9 m的鉆孔，均未揭露穩(wěn)定的地下水位，結(jié)論與前期實(shí)施的勘察工作結(jié)果和根據(jù)水力梯度推斷的地下水位情況一致。

為查明研究區(qū)砂巖水理性質(zhì)，在造像區(qū)及頂部平臺(tái)附近采集多組砂巖樣本進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果表明研究區(qū)砂巖含水率4.87%～5.25%，吸水率5.15%～5.50，孔隙率12.48%～12.53%。這與《工程地質(zhì)手冊(第五版)》[4]中所列的砂巖孔隙率普遍介于1.6%～28.3%之間，吸水率介于0.2%～7.0%之間相符。通常砂巖孔隙率越大，其吸水率和天然含水率越高。毗盧洞石刻區(qū)砂巖孔隙率處于平均水平，具備持水、釋水的條件。

4 溫濕度變化特征

本次研究，在毗盧洞內(nèi)選取一處具備監(jiān)測條件的洞窟進(jìn)行溫濕度監(jiān)測，監(jiān)測工作歷時(shí)48 h，數(shù)據(jù)采集頻次為5 min/次。監(jiān)測工作期間，窟內(nèi)最低溫度21.6℃，最高溫度24.8℃，平均溫度22.9℃，同一測點(diǎn)日較差值小于2℃。最低濕度為83.6%rh，最高濕度為97%rh，平均濕度91.7%rh。溫度、濕度呈高度負(fù)相關(guān)。整體看來，石窟內(nèi)部干濕交替頻繁，濕度整體處于較高水平。

從時(shí)間序列來看，龕窟內(nèi)溫、濕度具有周期性變化特征，普遍在6:00和14:30達(dá)到極值。6:00溫度最低、濕度最大，14：30溫度最高、濕度最低。

圖3 龕窟內(nèi)濕度變化空間分布圖

從空間分布來看，濕度變化與龕窟進(jìn)深和高度關(guān)系密切。洞窟中上部和入口處濕度變化最大。造像區(qū)中上部濕度變化較大，中下部尤其是底部基本處于常濕狀態(tài)(見圖3)。

5 水害類型及其成因分析

吳寶燕等對云岡石窟水害及其治理措施進(jìn)行了分析，認(rèn)為主要有窟頂滲水侵蝕，外壁雨水沖刷，窟內(nèi)凝結(jié)水凍融，窟底積水浸潤四種水害[5]?？唔敐B水侵蝕、外壁雨水沖刷和室內(nèi)凝結(jié)水也是本次研究分析的主要內(nèi)容。同時(shí)，砂巖的毛細(xì)水上升高度可達(dá)到2 m左右，研究區(qū)地下水位埋深大于5 m，石窟不受支持毛細(xì)水的影響。但本次研究認(rèn)為滲水及冷凝水形成的懸掛毛細(xì)水對石窟的作用不容小覷。

石窟滲水來源為大氣降水和空氣中的水汽。大氣降水到達(dá)地表后，部分由構(gòu)造裂隙、風(fēng)化裂隙、孔隙進(jìn)入巖體形成包氣帶水，部分在雨強(qiáng)條件合適時(shí)形成地面徑流，其具有周期變化的特點(diǎn)。

包氣帶水的排泄形式受降水量、徑流條件等的影響，表現(xiàn)為線狀、股狀、滴狀或外滲等不同形式。進(jìn)入構(gòu)造裂隙的包氣帶水或直接排泄造成局部過濕，或排泄至石窟內(nèi)中部平臺(tái)、地面；經(jīng)風(fēng)化裂隙、孔隙形成的包氣帶水一部分滲流至構(gòu)造裂隙排泄，一部分因巖性巖相、風(fēng)化程度等的差異而局部受阻排泄，形成潮濕或過濕區(qū)。

地面徑流經(jīng)石窟區(qū)表層流至窟外地面，在濕度擴(kuò)散作用下，影響石窟入口區(qū)域巖體。在窟內(nèi)排泄的包氣帶水與空氣中水分受溫度變化影響，共同參與窟內(nèi)水汽循環(huán)，以水汽-冷凝水循環(huán)交替的形式對石窟造成影響。空氣中過飽和的水汽受冷達(dá)到露點(diǎn)時(shí)，隨即冷凝為液態(tài)水珠，在石窟內(nèi)頂部凝結(jié)滴落，主要滴濺、滯留于石窟內(nèi)中部平臺(tái)和地面，并在這些區(qū)域形成懸掛毛細(xì)水，表現(xiàn)為帶狀潮濕或過濕。

石窟水害與“變化”二字關(guān)系密切，正是由于大氣降水的周期變化和水汽-冷凝水的循環(huán)交替帶來的不穩(wěn)定，加速了石窟水害的發(fā)生。石窟水害成因模式見圖4所示。

圖4 毗盧洞水害成因模式圖

5.1 地面徑流

研究區(qū)大氣降水充沛，多年平均降水量995.2 mm，最大降水量達(dá)1 346 mm，為水害的形成提供了充足的水源。毗盧洞石刻造像均為開放性洞窟，受外界環(huán)境影響程度較大，地面徑流可直接作用于洞窟表面，對石窟巖體表層造成沖刷侵蝕。同時(shí)，地面徑流至窟外地面隨濕度擴(kuò)散影響石窟底部平臺(tái)，進(jìn)入構(gòu)造(卸荷)裂隙后轉(zhuǎn)化為包氣帶水并參與窟內(nèi)水汽循環(huán)，不利于文物保護(hù)。

5.2 包氣帶水

包氣帶水是毗盧洞內(nèi)石刻保護(hù)面臨的主要問題，造像區(qū)的砂巖地層中構(gòu)造裂隙、風(fēng)化裂隙和孔隙發(fā)育，其中不乏垂直、寬大的縱張裂隙，這些裂隙縱橫交錯(cuò)，與層面裂隙一起構(gòu)成了巖體滲流網(wǎng)絡(luò)，為包氣帶水的形成提供了充分的條件。構(gòu)造裂隙等優(yōu)勢通道是裂隙水流的集中徑流帶或主要通道，風(fēng)化裂隙、層面裂隙及孔隙是地下水的主要儲(chǔ)集空間。包氣帶水在裂隙相交處或在因巖性巖相、風(fēng)化程度等的差異而局部受阻處，以滴狀或不明顯滲流擴(kuò)散狀滲流排泄，排泄點(diǎn)周邊過濕區(qū)范圍與入滲水量有關(guān)。因孔隙、細(xì)小裂隙的持續(xù)給水，石窟內(nèi)滲流具有延續(xù)時(shí)間較長的特點(diǎn)，往往在降雨結(jié)束后幾日仍有滲出。受滲(滴)水影響的石刻主要集中在柳本尊十煉窟造像群洞內(nèi)，連續(xù)降雨后，石像群底座有明顯水流流出。

5.3 凝結(jié)水

曹文炳等分別在2004年8月份和2005年的7-8月份先后兩次使用自主制作的凝結(jié)水水量測量裝置對洞窟內(nèi)砂巖巖壁的凝結(jié)水水量進(jìn)行現(xiàn)場測量。經(jīng)過多次測量，得到的凝結(jié)水水量結(jié)果是相當(dāng)可觀的，巖體單位面積的平均凝結(jié)速率為9.92～15.03 g/(m2·h)[6]。

在溫暖潮濕的安岳地區(qū)，凝結(jié)水對石刻的影響也不容忽視。在空氣對流充足的洞內(nèi)，石刻受凝結(jié)水影響較小。而在空氣不流通，且光照稀少的洞內(nèi)，受凝結(jié)水影響嚴(yán)重。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，凝結(jié)水除與空氣中水分相關(guān)外，還與滲流入石窟內(nèi)的包氣帶水有密切關(guān)系。凝結(jié)水在石窟內(nèi)頂部凝結(jié)滴落，主要滴濺、滯留于石窟內(nèi)中部平臺(tái)和地面，并參與洞內(nèi)的水汽循環(huán)。洞內(nèi)外的溫差是形成凝結(jié)水的主控外因，在夏季洞內(nèi)巖石表面的溫度與洞外氣溫之間存在較大的溫差。洞內(nèi)巖石表面的溫度低于洞外氣溫，容易在洞壁形成低溫區(qū)，從而使過飽和的水汽層冷凝，造成水汽在溫度最低的洞壁表面產(chǎn)生凝結(jié)水。在較大的濕度下洞內(nèi)的空氣中存在過飽和的水汽是形成凝結(jié)水的必要條件。

5.4 懸掛毛細(xì)水

毗盧洞區(qū)內(nèi)毛細(xì)水主要為大氣降水和凝結(jié)水到達(dá)地面后產(chǎn)生的毛細(xì)作用，被底部不平整，孔隙度大的巖壁吸收產(chǎn)生毛細(xì)水上升現(xiàn)象，影響底座和側(cè)壁下方，這對于石質(zhì)文物來說，具有很大危害。滴濺、滯留于石窟內(nèi)中部平臺(tái)和地面的凝結(jié)水，會(huì)在這些區(qū)域形成懸掛毛細(xì)水，表現(xiàn)為帶狀潮濕或過濕。

以上影響因素中，包氣帶水對石窟內(nèi)造像破壞最大；地面徑流對頂部和裸露表面的沖刷，以及由溫濕度變化引起干濕交替形成的凝結(jié)水影響較大；懸掛毛細(xì)水的影響相對較小。石刻造像區(qū)底座和中間平臺(tái)由于長期處于高濕度、干濕頻繁交替的環(huán)境中，滲水病害最為突出。

6 結(jié)語

(1)研究區(qū)地下水位埋深較大，毗盧洞石窟不受支持毛細(xì)水的影響。石窟滲水來源為大氣降水和空氣中的水汽。大氣降水到達(dá)地表后，部分由構(gòu)造裂隙、風(fēng)化裂隙、孔隙進(jìn)入巖體形成包氣帶水，部分在雨強(qiáng)條件合適時(shí)形成地面徑流，其具有周期變化的特點(diǎn)。

(2)石窟內(nèi)排泄的包氣帶水與空氣中水分受溫度變化影響，共同參與窟內(nèi)水汽循環(huán)，以水汽-冷凝水循環(huán)交替的形式對石窟造成影響。由于大氣降水的周期變化和水汽-冷凝水的循環(huán)交替帶來的不穩(wěn)定，加速了石窟水害的發(fā)生。