樂(lè)山大佛胸部滲水病害特征研究

孫 博 ，張虎元 ，張 鵬 ，申喜旺 ，楊天宇

（1.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000；3.樂(lè)山大佛風(fēng)景名勝區(qū)管理委員會(huì)，四川 樂(lè)山 614000）

樂(lè)山大佛（又名凌云大佛）位于四川省樂(lè)山市，位于岷江、青衣江、大渡河三江匯流處.佛像開(kāi)鑿于唐玄宗開(kāi)元初年（公元713 年），唐德宗貞元19 年（公元803 年）完工，歷時(shí)90 年，是唐代摩巖造像中的藝術(shù)精品之一，是世界上最大的石刻彌勒佛坐像.1996 年12 月，峨嵋山-樂(lè)山大佛被聯(lián)合國(guó)教科文組織批準(zhǔn)為“世界文化與自然遺產(chǎn)”，列入《世界自然與文化遺產(chǎn)名錄》.

古人在大佛頭部、頸部及胸部后側(cè)開(kāi)挖3 條排水廊道，在一定程度上截?cái)嗔松襟w滲水對(duì)頭部的影響.近代以來(lái)，樂(lè)山大佛的修復(fù)與保護(hù)工作一直未斷，但并未涉及水害問(wèn)題[1].大佛胸部是地下水滲出的地段，該段巖層長(zhǎng)期處于濕潤(rùn)狀態(tài)，是佛像本體砂巖溶蝕，生物病害，佛體表面修復(fù)材料空鼓及開(kāi)裂的主要原因之一.

方云等[2-3]認(rèn)為水在石質(zhì)文物化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中具有主導(dǎo)作用，化學(xué)風(fēng)化使巖石成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造均產(chǎn)生明顯變化，造成石質(zhì)文物病害.嚴(yán)紹軍等[4]將龍門(mén)石窟水文地質(zhì)條件與典型石窟病害調(diào)查結(jié)果相結(jié)合，分析了石窟滲水來(lái)源和滲水病害形成機(jī)制，并提出了“外堵內(nèi)疏”的治理措施.俞劍清等[5]在浙江省內(nèi)38 處石質(zhì)文物調(diào)查評(píng)估工作中發(fā)現(xiàn)，滲水病害為浙江地區(qū)前三大病害.水害問(wèn)題一直以來(lái)是樂(lè)山大佛保護(hù)工作中的一個(gè)難點(diǎn)，秦中等[6]對(duì)樂(lè)山大佛砂巖風(fēng)化速率及侵蝕機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)生物侵害和水蝕侵害是促成石刻風(fēng)化毀損的2 個(gè)主要方面.此次研究對(duì)樂(lè)山大佛胸部滲水及大氣降水進(jìn)行了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，分析了大佛滲水來(lái)源及其特征，并結(jié)合水化學(xué)與巖石微觀組成對(duì)“大佛砂巖”風(fēng)化機(jī)理進(jìn)行了研究.

1 樣品采集

此次研究在2019 年平水期（4 月）、豐水期（7 月）及枯水期（12 月）對(duì)大佛胸部滲水進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并在同年7 月28 日—30 日對(duì)滲水（左側(cè)與右側(cè)）和大氣降水進(jìn)行監(jiān)測(cè)采樣（圖1）.利用佛身內(nèi)部設(shè)計(jì)的排水管道將胸部滲水量引至佛腳下用量筒收集，利用雨量計(jì)收集大氣降水，采樣期間共收集到雨水樣品25 個(gè)，大佛滲水樣品103 個(gè)（左側(cè)47 個(gè)，右側(cè)56 個(gè)）.

圖1 樂(lè)山大佛胸部滲水點(diǎn)位Fig.1 Seepage points of Leshan Giant Buddha′s chest

2 降水與胸部滲水時(shí)空分布特征

2.1 滲水量影響因素

4 月份大佛胸部左側(cè)滲水量變化范圍為20～185 mL/h，平均值為83 mL/h；右側(cè)滲水量變化范圍為5～46 mL/h，平均值為25 mL/h.繪制4 月6 日—10 日滲水量隨時(shí)間變化曲線（圖2（a）），4 月份處于平水期，大氣降水量較低，滲水量主要受蒸發(fā)作用影響，白天07：00—17：00 大佛表面蒸發(fā)量大，滲水量減??；夜間19：00—翌日07：00 大佛表面蒸發(fā)量減小，滲水量隨之增大.此外，滲水量在大氣降水量較低的條件下仍能保持穩(wěn)定的規(guī)律性變化，表明平水期地下水為滲水的主要補(bǔ)給來(lái)源.

圖2 大佛胸部滲水量Fig.2 Seepage water in the chest of giant Buddha

7 月份大佛胸部左側(cè)滲水量變化范圍為0～3 361 mL/h，平均值為26 mL/h；右側(cè)滲水量變化范圍為0～4 800 mL/h，平均值為57 mL/h.7 月份蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，晴朗天氣條件下滲水量基本為0.由于大佛表面蒸發(fā)量大，淺表層地下水受影響強(qiáng)烈，7 月份滲水量并未出現(xiàn)每日規(guī)律性變化（圖2（b））.7 月份處于豐水期，大氣降水集中且降水量大，在降水條件下，滲水量陡增，有些時(shí)段甚至接近5 000 mL/h.

12 月份大佛胸部左側(cè)滲水量變化范圍為0～83 mL/h，平均值為2 mL/h；右側(cè)滲水量變化范圍為0～42 mL/h，平均值為2 mL/h.12 月處于枯水期，相較于4 月和7 月滲水量很小.蒸發(fā)作用對(duì)滲水量有一定影響，12 月每日滲水量呈現(xiàn)一定的規(guī)律性變化，20：00 滲水量最小，12：00 滲水量最大，每日滲水量最大值和最小值差值保持在10 mL/h 以內(nèi)（圖2（c））.

平水期與枯水期大佛胸部滲水主要補(bǔ)給來(lái)源為地下水；豐水期由于大佛表面蒸發(fā)量大，對(duì)淺表層地下水影響較大，滲水出現(xiàn)在降水條件下，補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水，巖體干濕交替作用嚴(yán)重.平水期和枯水期由于蒸發(fā)作用的影響，滲水量每日呈現(xiàn)規(guī)律性變化.

2019 年7 月份對(duì)大佛胸部滲水及降水進(jìn)行了系統(tǒng)采樣，第1 次降水開(kāi)始于7 月27 日08：50，15：20大佛胸部左側(cè)開(kāi)始滲水，滲水滯后于降水5.5 h，右側(cè)口未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象.第2 次降水開(kāi)始于7 月28 日20：40，大佛胸部左右兩側(cè)21：00 開(kāi)始出現(xiàn)滲水現(xiàn)象.繪制第2 次降水期間的降水強(qiáng)度與滲水量隨時(shí)間變化曲線如下（圖3），降水強(qiáng)度曲線與大佛胸口滲水量曲線走勢(shì)基本保持一致，大佛左側(cè)滲水量峰值滯后于降水強(qiáng)度峰值48 min，右側(cè)滲水量主峰值滯后于降水強(qiáng)度峰值73 min.

圖3 滲水量與降水強(qiáng)度隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Variation curves of seepage water and rainfall intensity with time

大佛胸部滲水在小雨和暴雨條件下的滯后效應(yīng)顯示：左側(cè)基巖導(dǎo)水性強(qiáng)，降水在入滲地表后經(jīng)基巖裂隙向外排出較快；右側(cè)滲水量大于左側(cè)滲水量，這可能由于大佛右側(cè)降水匯水面積較大，降水對(duì)地下水的補(bǔ)給量大.在2 次降水條件下，右側(cè)滲水量除主峰外還存在2 個(gè)明顯次級(jí)峰：二峰與三峰，且二峰與三峰滯后于降水峰值較大，表明大佛右側(cè)巖體內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，右側(cè)滲水接受3 個(gè)不同來(lái)源的降水入滲補(bǔ)給，且其中2 處滲水通道較長(zhǎng).

2.2 pH 變化

pH 能夠影響物質(zhì)元素的遷移與溶解沉淀，是決定水體中化學(xué)元素遷移與轉(zhuǎn)化的重要水環(huán)境因素之一.監(jiān)測(cè)期間降水pH 變化范圍為7.47～8.97，平均值為8.13，為中性及弱堿性.收集2001 年—2017 年樂(lè)山市大氣降水pH 資料[7-8]（圖4，2009 年—2017 參考樂(lè)山市生態(tài)環(huán)境局）發(fā)現(xiàn)，隨著近年來(lái)國(guó)家環(huán)境治理的不斷深入，樂(lè)山大佛地區(qū)降水相較于早些年的酸雨（pH＜5.60）已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹行约叭鯄A性.

圖4 樂(lè)山大佛降水歷年pH 變化Fig.4 PH changes of Leshan Giant Buddha precipitation over the years

監(jiān)測(cè)期間降水pH 變化范圍為7.47～8.97，pH值較高.降水pH 偏高主要通常有2 種原因：一是致酸離子（和）的匱乏，二是堿性物質(zhì)的輸入中和了酸性物質(zhì)[9].樂(lè)山市花湖灣空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)顯示，7 月樂(lè)山市大氣中SO2和NO2處于全年最低值，降水中致酸離子匱乏（圖5）.另外小麥水稻等農(nóng)業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的NH3等堿性物質(zhì)的釋放給降水提供了可能的堿性物質(zhì)源[10].夏季農(nóng)業(yè)活動(dòng)強(qiáng)，大面積施用氮肥使得銨態(tài)氮以NH3的形式釋放到大氣中，使得降水中增加，pH 升高.此次監(jiān)測(cè)期間大佛左側(cè)滲水pH 平均值為7.70、右側(cè)滲水pH 平均值為7.72.相較于胸部滲水，大氣降水pH 較高.大佛左側(cè)滲水與右側(cè)滲水pH 無(wú)明顯差異.降水期間，左、右側(cè)部初期滲水pH 接近7.00，隨著降水的深入及時(shí)間的推進(jìn)，滲水pH 呈增大趨勢(shì)，接近降水pH，并最終在降水開(kāi)始22 h 后pH穩(wěn)定在8.00 左右直至滲水結(jié)束（圖6）.

圖5 2019 年大氣中SO2 和NO2 含量Fig.5 SO2 and NO2 in the atmosphere in 2019

圖6 pH 隨時(shí)間變化Fig.6 PH changes with time

2.3 電導(dǎo)率和總?cè)芙庑怨腆w

電導(dǎo)率（EC）是水體中離子濃度含量的指標(biāo)，在一定程度上反映了水循環(huán)的長(zhǎng)度和水流在循環(huán)中的停留時(shí)間[11].此次監(jiān)測(cè)降水的EC 平均值為20 μS/cm，左側(cè)滲水EC 平均值為1 178 μS/cm，右側(cè)滲水EC平均值為763 μS/cm.大佛胸部滲水EC 值比降水大40 倍～60 倍，胸部滲水在基巖中停留時(shí)間較長(zhǎng)，滲水中含有大量溶解質(zhì)組分.左側(cè)滲水EC 值要大于右側(cè)滲水EC 值，表明大佛左側(cè)滲水中含有較多溶解質(zhì)組分，對(duì)大佛左側(cè)基巖風(fēng)化破壞作用較強(qiáng).

總?cè)芙庑怨腆w（TDS）是溶解在水中離子濃度大小的量度，可以一定程度反映研究區(qū)巖性、土壤、植被、風(fēng)化侵蝕速率和人為活動(dòng)等信息.降水TDS 平均值為19.5 mg/L，左側(cè)滲水TDS 平均值為594.1 mg/L，右側(cè)滲水TDS 平均值為387.7 mg/L.降水TDS 較低，胸部滲水TDS 比降水大20 倍～30 倍，表明降水擁有較強(qiáng)的溶解能力，降水在下滲-流動(dòng)-排泄過(guò)程中對(duì)基巖存在明顯的侵蝕溶解作用，與EC 值一致，左側(cè)TDS 高于右側(cè).

降水監(jiān)測(cè)期間大佛胸部滲水EC 與TDS 隨時(shí)間變化特征基本一致，表現(xiàn)為前期與后期小，中期較大.根據(jù)EC 與TDS 變化可將大佛胸部滲水分為前期、中期與后期（圖7、8）.由圖7、8 可知：前期滲水含有少量溶解物質(zhì)，可能為滯留于靠近大佛滲水口的前幾次降水優(yōu)先滲出，左側(cè)前期滲水中EC 與TDS 先增大后減小，這可能與左側(cè)儲(chǔ)水構(gòu)造有關(guān)；中期滲水為大佛內(nèi)部基巖裂隙中儲(chǔ)存的前次降水，因?yàn)樵诖蠓饍?nèi)部?jī)?chǔ)存時(shí)間久、流動(dòng)路徑長(zhǎng)，溶解有大量可溶性基巖成分，在本次降水的推動(dòng)下滲出；后期降水含有少量可溶性物質(zhì)，意味著本次降水混合著前次降水到達(dá)出滲口，EC 與TDS 開(kāi)始呈現(xiàn)下降趨勢(shì).

圖7 滲水EC 值隨時(shí)間變化Fig.7 EC value of seepage water changes with time

圖8 滲水TDS 隨時(shí)間變化Fig.8 TDS of seepage water changes with time

2.4 水化學(xué)分類

大佛胸部滲水陽(yáng)離子以Ca2+為主，其當(dāng)量占陽(yáng)離子當(dāng)量總和的70%，各陽(yáng)離子當(dāng)量濃度大小依次為Ca2+＞Na+＞Mg2+＞K+；陰離子以與為主，其當(dāng)量占陽(yáng)離子當(dāng)量總和的59%與22%，各陰離子當(dāng)量濃度大小依次為＞＞Cl-＞.繪制各離子濃度隨時(shí)間變化曲線（圖9），各離子（除Cl-）濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)與TDS 及EC基本一致，左側(cè)前期滲水過(guò)程中，Na+、K+與CI-存在明顯的一個(gè)的峰值，這可能與左側(cè)特殊的儲(chǔ)水構(gòu)造有關(guān).

圖9 滲水中各離子濃度隨時(shí)間變化Fig.9 Concentration of ions in seepage water changes with time

根據(jù)阿列金分類，前期和后期滲水主要為碳酸鹽類-鈣組-Ⅱ型，中期滲水主要為硫酸鹽類-鈣組-Ⅲ型.Ⅱ型水礦化度中等或較低，與水和沉積巖的作用有關(guān)；Ⅲ型水一般具有較高的礦化度，水中離子交換作用使水的成分明顯變化，通常是水中的Na＋交換出土壤和沉積巖中的Ca2＋和Mg2＋.

2.5 滲水中各離子來(lái)源貢獻(xiàn)

樂(lè)山大佛景區(qū)基本無(wú)人為污染物對(duì)滲水水化學(xué)組成產(chǎn)生影響，大佛滲水化學(xué)組成主要為大氣降水輸入與巖石溶解輸入.Cl-是大氣降水中的主要組分，較為保守、不易被吸附、很難發(fā)生沉淀，在巖石中含量也很低且不參與生物地球化學(xué)循環(huán)[12]，選擇Cl-為參照元素進(jìn)行分析大氣降水對(duì)水體化學(xué)組成的影響，以大氣降水中Cl-與其他元素的比值和水體中大氣降水輸入Cl-對(duì)照得出其他大氣降水輸入元素濃度，如式（1）.

式中：[Cl-]atm為大氣降水輸入到水體的Cl-濃度；（Cl-）ref為大氣降水中Cl-的平均濃度；P為多年平均降水量，參考中國(guó)氣象局，mm；E為多年平均蒸發(fā)量，參考高藺云等[13]，mm.

表1 為滲水離子貢獻(xiàn)情況，由分析可知：大佛滲水中離子來(lái)源主要為巖石風(fēng)化（總體超過(guò)90%）；大氣降水對(duì)和有一定影響，對(duì)其他離子影響很?。ǎ?0%）.

表1 滲水離子貢獻(xiàn)Tab.1 Contributions to seepage ions

2.6 水巖相互作用

“大佛砂巖”為白堊系下統(tǒng)夾關(guān)組（K2j）的下部層位，此次研究對(duì)大佛左側(cè)崖壁對(duì)應(yīng)胸部滲水段巖層進(jìn)行了取樣分析（圖10），按高度間隔1 m 取樣，每個(gè)采樣點(diǎn)分不同深度（深度B為0～2 cm，C為2～4 cm，D為4～6 cm）.

圖10 巖石采樣位置Fig.10 Rock sampling location

巖石XRF (X-Ray Fluorescence)分析結(jié)果顯示（表2）：巖石主要含量為SiO2（＞50%），含有一定量的CaO 和Al2O3（＞8%），少量MgO、Na2O、K2O 與Fe2O （＜4%）.考慮到SiO2性質(zhì)穩(wěn)定，在空氣和水中可以穩(wěn)定存在，因此，主要分析CaCO3的變化.中上部巖石47、47+ 和48 采樣點(diǎn)CaCO3含量較小，CaCO3流失嚴(yán)重，CaCO3隨地下水在下部巖層匯集.中上部巖層在深度C（2～4 cm）處CaCO3含量最低，受風(fēng)化作用影響強(qiáng)烈.大佛胸部覆蓋有一層厚約30 cm 的白色結(jié)晶物質(zhì)，其主要含量為CaCO3，大氣降水進(jìn)入地下水流動(dòng)系統(tǒng)，溶蝕碳酸鹽巖，地下水出露后脫氣作用導(dǎo)致CaCO3濃度達(dá)到飽和濃度從而形成結(jié)晶體.生物有機(jī)體可以為CaCO3晶體成和堆積提供一個(gè)穩(wěn)定的場(chǎng)所，促進(jìn)水的脫氣作用[14]，大佛胸部生物病害發(fā)育嚴(yán)重，為CaCO3晶體的形成提供了更加有利的場(chǎng)所.

表2 X 射線熒光Tab.2 X-Ray fluorescence%

巖石SEM (scanning electron microscope)分析顯示（圖11）：基巖表面分布著很多顆粒，斷面均呈顆粒狀，顆粒大小從幾微米到幾百微米；整體結(jié)構(gòu)致密，表面較為粗糙，微裂隙不發(fā)育，偶見(jiàn)孔洞和溶洞；各層的低倍SEM 照片顯示的表面形態(tài)相差不大，高倍SEM 照片（5 000 倍）顯示，巖樣微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)團(tuán)粒狀或塊狀、形態(tài)不規(guī)則、膠結(jié)較好、局部比較致密、微裂隙發(fā)育明顯且不規(guī)則、多孔洞.38B 樣品顆粒表現(xiàn)存在明顯的層狀形貌，該形貌具有較大的比表面積，在空氣和水存在的情況下更容易發(fā)生腐蝕.

圖11 掃描電子顯微鏡Fig.11 Scanning Electron Microscope

巖石風(fēng)化產(chǎn)物在很大程度上決定了地下水的水化學(xué)性質(zhì).一般而言，大氣或土壤的CO2是碳酸鹽巖化學(xué)風(fēng)化最常見(jiàn)的侵蝕介質(zhì)，而且H2SO4普遍參與了巖石的風(fēng)化過(guò)程[15].HCO3和H2SO4的化學(xué)風(fēng)化過(guò)程可簡(jiǎn)化為

只有H2CO3參與風(fēng)化時(shí)，碳酸鹽巖的風(fēng)化產(chǎn)物主要為Ca2+、Mg2+與，（Ca2++ Mg2+）/的當(dāng)量比值應(yīng)該為1.而大佛滲水中（Ca2++ Mg2+）/的當(dāng)量比值遠(yuǎn)高于1，說(shuō)明僅憑離子不足以和Ca2+、Mg2+平衡.大佛滲水中主要陰離子為，其主要來(lái)源于大氣輸入的SO2以及硫化物礦物氧化.圖12 為大佛滲水中（Ca2++ Mg2+）/（+）的當(dāng)量比值，可以清楚地看到：當(dāng)H2SO4參與反應(yīng)后，（Ca2++ Mg2+）/當(dāng)量比值基本為1，說(shuō)明H2SO4參與了“大佛砂巖”的風(fēng)化，并起到重要作用.

圖12 滲水 （Ca2+ + Mg2+ ）/（）當(dāng)量比值Fig.12 （Ca2+ + Mg2+ ）/（） of water seepage

3 結(jié) 論

1） 樂(lè)山大佛胸部滲水在平水期與枯水期主要補(bǔ)給來(lái)源為地下水；豐水期主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水.平水期和枯水期由于蒸發(fā)作用的影響，滲水量每日呈現(xiàn)規(guī)律性變化.滲水的滯后效應(yīng)顯示左側(cè)基巖裂隙發(fā)育，導(dǎo)水性強(qiáng)，右側(cè)滲水接受3 個(gè)不同來(lái)源的降水入滲補(bǔ)給.

2） 監(jiān)測(cè)期間降水pH 平均值為8.13，為弱堿性.樂(lè)山市降水從2009 年起年平均pH＞5.60，降水已由酸性轉(zhuǎn)為堿性， 大佛胸部滲水pH 平均值7.70.TDS 與EC 顯示降水在下滲-流動(dòng)-排泄過(guò)程中對(duì)基巖存在明顯的溶解作用.

3） 大佛胸部滲水水化學(xué)類型為碳酸鹽類-鈣組-Ⅱ型與硫酸鹽類-鈣組-Ⅲ型，陽(yáng)離子以Ca2+為主，其當(dāng)量占陽(yáng)離子當(dāng)量總和的70%；陰離子以與為主，其當(dāng)量占陽(yáng)離子當(dāng)量總和的59%與22%.巖石風(fēng)化對(duì)大佛滲水中離子貢獻(xiàn)超過(guò)90%.“大佛砂巖”主要成分為 CaCO3和SiO2，胸部的白色結(jié)晶物質(zhì)主要含量為CaCO3.巖石微觀分析表明，大佛胸部巖石存在明顯的層狀形貌，在空氣和水存在的情況下容易發(fā)生溶蝕，水化學(xué)離子組成分析表明H2CO3與H2SO4共同參與了“大佛砂巖”的風(fēng)化.