石窟水害及其治理研究
摘要：水的危害是影响石窟文物长期存留最严重的病害之一，由于水对石窟文物危害重大，病害成因复杂．防治难度较大，目前石窟水害防治已经成为石窟文物保护的重点和难点。本文就水对石窟的危害进行了分析，阐述了国内石窟水害治理的研究现状，并提出了以后石窟水害治理的研究方向。
关键词：石窟、水害、治理
石窟寺是我国十分重要的文化遗产,它所保存的宗教、建筑、雕刻、壁画、书法、美术、音乐等资料,为研究我国古代佛教历史、艺术、社会变革等提供了珍贵的实物资料。中国大多数的石窟是佛教东传之后作为宗教形象的石窟寺。就时间而论，始于汉代(公元2世纪)，而最多的是北魏至隋唐(公元4一9世纪)时期开凿，一直延续到明、清时代。就地区分布看，比较集中的分布在古丝绸之路上、黄河流域以及长江流域，著名的石窟有敦煌莫高窟、大同云冈石窟、洛阳龙门石窟、天水麦积山石窟、重庆大足摩崖造像、新疆拜城克孜尔石窟、安西榆林窟、甘肃永靖炳灵寺石窟等。据统计全国的石窟、摩崖造像总数超过250处，其中被列入全国重点文物保护单位的30处，省级94处，市、县级124处。
我国的石窟寺大都依山傍水，环境十分优雅，但在漫长的历史年代中，石窟岩体及其周边环境不断受到自然营力与人为因素的不利影响，产生了多种地质病害，其中水的危害是影响石窟文物长期存留最严重的病害之一。我国许多著名的石窟，如龙门石窟、云冈石窟、麦积山石窟等均深受水害影响。由于水对石窟文物危害重大，病害成因复杂．防治难度较大，目前石窟水害防治已经成为石窟文物保护的重点和难点。
一．石窟水害类型及其对文物的影响
根据对国内诸多石窟的调查研究，目前石窟水害大致有以下几种主要类型。
1. 地表水的危害
地表水对石窟造成的危害主要表现在流水冲刷、掏蚀石窟所在的岸坡坡脚．使岩体悬空，下部失去支撑，或将岩体泡软、崩解，降低岩体的承载力，从而引发崖体变形、倾倒、错落与崩坍。对石窟造成毁灭性破坏。例如安西榆林窟西崖南端几处洞窟，受榆林河水在此处强烈冲蚀掏刷岸坡坡脚，濒临坍塌的危险
[1]。
2. 地下水的危害
地下水对石窟的危害是最大的，其对石窟的危害主要表现在洞窟渗水、漏水和积水。一方面，我国石窟大多崖体顶部凹凸不平，且有植物生长，造成大气降水的贮存,为地表水入渗创造了条件，而地表水的补给是地下水的一个重要来源；另一方面，由于石窟崖体卸荷裂隙和层面裂隙的发育，为地下水的入渗提供了很好的条件。
2.1地下水渗漏对石窟的破坏
2.1.1物理作用
许多石窟由于层面裂隙和卸荷裂隙的存在,形成了网络状的汇水通道,当石窟开凿之后,在洞窟壁形成了排泄口,随着时间的推移,这种排水通道发育并逐渐完善。当地下水入渗时,形成连续性涌水。连续性水流从力学来看具有动力冲刷的破坏作用, 造成石窟表层风化层脱离、流失。另外一种力学作用是静水压力,由于渗水在岩体卸荷裂隙内部两壁形成垂直于卸荷面的水压力,不利于岩体的稳定[2]。窟内雕刻品突出于四壁,同样存在卸荷作用与卸荷裂隙,特别是在四壁角、窟顶等应力状态比较复杂的部位,当渗水在这种裂隙中充填时,也会形成静水压力,造成石刻的失稳。此外，干湿循环与水体的冻融也会对石窟产生物理破坏作用。
2.1.2化学作用
由于石窟寺主要开凿在砂岩、砾岩、灰岩上,岩体中含有许多易溶解的成分,如泥质、钙质胶结物等。地下水入渗的水流,在渗流过程中溶蚀裂隙通道两壁的岩石,在洞窟的顶部、侧壁和各种雕刻品所在岩体上形成溶孔、溶沟和溶槽,而在洞壁的排泄点附近形成大面积的钙质沉积物覆盖区,个别地方的石窟又处于严重的酸雨带中,如四川大足石刻,目前它们的溶蚀病害愈加严重。渗水还加速了化学风化的速度。化学风化主要是指水溶液在与石刻中的矿物进行化学反应的过程中,使石刻的结构构造遭到破坏,成分受到改造,并产生一些在地表条件下稳定的新矿物。近年来，研究人员在莫高窟九层楼向西150m的地方人工开挖深20m、直径80cm的探井，以分析敦煌莫高窟崖体中的水分分布，研究表明崖体砂砾层中水分以吸附于颗粒表面的结合水和孔隙中的气态水为主,这些水汽扩散并带动盐分运移是莫高窟壁画产生病害的主要原因[3]。根据严绍军等对龙门石窟渗水问题
的研究，由于在岩体中的层面充填有较多的铁锰质,当渗水通过时,这些铁锰质溶于水中而带至石窟表面,并在空气中发生各种化学反应,形成铁红色、褐黄色、黄褐色等颜色,严重污染文物[4]。
2.1.3 生物作用
在石窟内部，大部分不直接接受阳光的照射，温差变化较低，且一般相对湿度也较大，极易于生物的生长。生物的作用力以苔藓、藻类、蕨类植物等形式出现,附于岩石的表面,使其失去美丽的光泽,并引起生物化学腐蚀或矿石纹理的交错。随着这些自然力的积累,这些微生物便可渗透到岩石的微孔中,引起岩石的爆裂和风化。此外,绿色、墨色斑点交错,使精美的石质文物变得丑陋不堪。这种破坏因素寿命极长,生长缓慢,且抵抗力极强。在南方潮湿气候条件下,石窟寺中的渗水造像壁还会生长出许多杂草和灌木,对石雕的影响就更大。随着植物新陈代谢,产生各种有机酸、碳酸、硝酸和铵盐等,均可腐蚀和溶解岩石成份及胶结物质,致使岩石分解破坏。此外植物根系腐植酸损害石雕的生物风化作用也应引起充分的重视[4]。
2.2地下积水对石窟的破坏
由于在建国之前的很长一段时期，我国很多石窟曾处于无人管理的状态,窟内普遍积水。受岩石孔隙、裂隙毛细作用的影响,在潜水面和上层滞水水面以上形成毛细水上升,使窟壁浸润潮湿。砂岩较大的孔隙率使地表层的毛细作用水吸至壁面2 m左右的高度,雨季时窟内潮湿,旱季时窟内变干燥,如此长期干湿交替,使洞窟内下部石雕全部损毁[5]。
3. 雨水的危害
雨水除了上述的作为地下水的补给外，也直接冲刷石窟崖壁。我国多数石窟窟前曾有木构窟檐用以保护，而今,因大多数木构窟檐毁于战争或其他因素使石窟外壁面裸露而经受雨水冲刷。石窟前缘受到严重的雨水冲刷,使外壁雕刻遭受风化严重。如云冈石窟的标志性建筑第20窟大佛前壁在辽代时坍塌成为云冈露天大佛,下半部的雕像经雨水冲刷多已损毁[6]。
4. 凝结水
凝结水是造成石窟岩石风化的最重要因素之一。近几十年来，由于空气污染日益严重，空气中ＣＯ2、ＳＯ2含量增高，使凝结水对岩石的侵蚀能力增强，加
剧了石窟的风化病害。洞窟内外的温差是形成凝结水的主控外因，对石窟产生危害的凝结水有两种形式。一种是窟内潮湿空气的水汽，冬季寒冷水汽容易达到露点,使潮湿空气中的水变成凝结水附于岩石表面,对岩石表面产生侵蚀和冻胀破坏。另一种凝结水是在地温场作用下,地下水蒸腾形成水汽,它主要赋存于岩石包气带的孔隙和裂隙之中,这部分水汽随着温度的降低也会产生凝结水,从而对岩石产生侵蚀和冻胀破坏。一般石窟内凝结水在冬季和夏季都会出现。此外,随着近年大量游客进入石窟呼出大量水气也增加了凝结水量[7]。
凝结水对石窟的危害主要有以下三个方面：
１）．在流动和蒸发过程中，凝结水与洞壁岩体相互作用，在洞壁上以结晶形式保留其运动的轨迹，使洞壁留下明显的不规则片状或条状白色沉淀，对石窟造成污染。
２）．凝结水富集的部位产生微生物病害。
３）．水分在窟壁的反复凝聚和蒸发，造成洞窟岩体表面的干湿变化，降低了洞窟岩体表层的强度，加剧了岩体风化。
二．我国石窟水害治理研究
根据上述关于石窟水害的分析可以看出，地下水渗漏是石窟最大的威胁，而地下水渗漏治理也是石窟水害治理的重中之重。中国石窟寺分布广,各处石材性能不一样,所处的气候环境也不相同,这样造成石窟寺渗水的原因就多种多样,因此,要治理渗水,就应针对不同渗水病害原因,采用不同的方法,从减少地表水的入渗，降低地下水水位,截断裂隙渗水三个方面入手，进行治理。
1.地表排水和窟顶防渗处理。
石窟寺的渗水主要来源是大气降水入渗，首先要解决地表径流下泄时对石窟立壁岩体产生的冲刷和雨水入渗岩体。沿石窟立壁走向和倾向设立排水沟系统,汇集雨水,集中排泄。这在我国古代已经运用,如龙门石窟奉先寺大像龛,在龛上沿崖壁凿修有一“人”字形排水沟,依山就势而行,全长120米,坡度大,不会造成积水。宁夏须弥山石窟第5窟唐大中年间修凿的10米大佛像龛,山顶沿龛外边,残留有就山剔凿的挡水墙[8]。古代工匠在开凿乐山大佛的时候，也精心地设计了排水系统，排水系统分佛身地下水的导引和佛身表水的排引两部分，解决了不同来源水的问题[9]。而现代的地表排水系统中,所有的排水沟均应防渗和防冲刷,同
时应当注重窟区造像立壁顶部的防渗处理,可以揭露正上方部分泥土,查找落水洞和溶蚀裂隙位置,用粘土等防渗材料填充落水洞,对溶蚀裂隙的处理,采取注浆,尽量截断地表水的直接入渗,注浆材料有环氧树脂、硅橡胶、水泥等,对石窟顶部铺设防渗层要根据不同的气候环境,在气候干旱蒸发量大的西北地区,最好不使用防渗层,铺设防渗层将阻碍地下水的蒸发排泄,使洞窟内壁结雾,严重影响洞窟壁画,而对西南地区的石窟来讲,蒸发量远小于降水量,而本身其顶部一般都有粘土层,已经起到了一定防渗层的作用,铺设防渗层,将十分有利于截断雨水下渗。针对云冈石窟的渗水问题，彭涛博士提出的方案是将膨润土防水毯作为防渗材料,铺设在石窟顶部0.4 km2的区域内,如果方案被采用,这将是中国第一次将膨润土防水毯用于文物防水工程[6]。
2.明渠排水。这是指在石窟造像立壁的后面一定距离的部位开挖一条与立壁走向一致的明渠,其深度超过洞窟的最低位置,截断裂隙或层面从较远山体渗透过来的水。在石材性能较好,岩体稳定性较高的石窟寺,可以采用此种方法。但开挖明渠之后,在立壁后面一般会形成一个比较高的监空面,使造像立壁岩体易受风化营力侵蚀,影响文物环境风貌,工程造价也较高。此外,还必须考虑立壁与明渠之间的岩体稳定性,运用边坡块体的变形规律,设计合理的渠口斜度。
3.隧洞排水。石窟寺渗水来源很复杂,一些渗水来源主要是从较远的岩体或山坡通过裂隙渗透过来,然后在造像立壁上出露,形成大面积的渗水,采用灌浆堵漏和加盖防渗层都很难治理,这种渗水可以采用隧洞排水。这种治理方式工程隐蔽,不影响石窟区的环境,但采用此方法必须考虑岩体稳定性问题,必须对设计方案进行稳定性分析,计算出隧洞开挖造成的最大垂直位移量和最大水平位移量,找出围岩内应力集中部位的石窟后壁上、下角点拉应力度变化情况。岩体内各单元的剪应力与岩体抗剪程度的比较,分析是否发生剪切破坏,这样才可以进行隧洞方案。四川大足北山石窟已经成功地运用了这一方法,该工程1994年竣工以后,以前石窟造像立壁终年渗水的情况已大大改观[10.11]。
4.井排方法。对于已经采用地表排水和作了防渗处理的石窟,渗水仍未得到治理,而又不能采用明渠和隧洞排水的,可以采用井排形式。运用井排方案的一个重要问题就是井位的布置,要使每一口井抽水时形成的降落漏斗能互相交错,截过所有裂缝和含水层面,这就要求在设计方案前必须对石窟区进行严格的勘探调查,
准确确定渗水路线。
5．其他。庆阳北石窟寺的治水方案是，在窟前适当位置设一条南北向盲沟,并在盲沟北端设一集水井,在二级阶地陡坎前缘坡脚由西向东打仰斜排水钻孔穿透阶地,通到集水井,将集水井内地下水引出,从而打通地下水通道,降低地下水水位。结果显示，由于盲沟设有0.5m×0.7m的排水、检修空间、竖向通风管,并与检查井,排水孔(管)相连,打通了地下基岩裂隙水的排泄通道,地下水排泄畅通无阻,地下水经过上部孔隙的时间大大减少了,岩体吸水的机会也就减少了;而且由于地下水位的降低,控制了毛细水的上升,地下水产生的水汽也减少了,所以地下排水系统———盲沟、检查井、排水孔实施后收到了非常明显的效果[12]。景泰县五佛沿寺石窟采取的办法是， 在石窟外围岩体中开掘一条泄水通风洞，沿泄水通风洞的顶部轴线布设一排直径为150mm的垂直集水通气孔，在石窟泄水通风洞两端出口处各设检查井，将洞内的水通过排水管沟引入检查井，最终将水引出窟区以外。该项目于2005年8月经甘肃省文物局验收合格，石窟内渗水点基本全部消失。实践证明，处理方案合理、正确，为类似文物保护工程的处理具有借鉴意义[13]
石窟区水害治理工程，从本质上讲，一是通过拦截、疏导、防渗等措施减少地表水对地下水的补给；二是通过疏排地下水的各种措施，排除一部分地下水，以期达到减少石窟区地下水运移网络中的地下水总量，从而减少地下水对石窟和文物的危害：三是通过以排为主。排堵结合的综合治理措施，部分的改造原地下水的运移网络，使地下水尽可能地避开石窟和窟内文物，从而达到保护石窟和窟内文物的目的。
石窟水害防治是一项实践性很强的工作，为更好的总结石窟水害防治技术，应结合工程实践，展开科学研究，通过地质、工程、材料等多个领域的共同配合研发，力争从病害机理、防治措施、工程材料等各方面取得突破，为我国石窟保护提供更强的技术保障。
参考文献：
1. 石窟水害成因分析及治理原则[J]. 肖碧 王逢睿 李传珠 2008古遗址保护国际学术讨论会暨国际岩石力学学会区域研讨会论文集
2. 洛阳龙门石窟围岩风化特征研究[J] 岩土力学 丁梧秀,陈建平,冯夏庭等, 2004, 25(1):
145-148
3.《敦煌莫高窟崖体中水分分布初步分析》[J]杨善龙 王旭东 郭青林 水文地质工程地质 2009年第5期
4.渗水对龙门石窟的影响及治理分析[J] 严绍军 方云 孙兵 高洪《现代地质》
5. 石窟寺渗水和治理 蒋思维 华夏考古 1998年第2期
6. 《云冈石窟水害及其治理措施》 吴宝燕 张爱国 朱丽君 《地下水》 2008年5月 第30卷 第3期
7. 龙门石窟潜溪寺凝结水病害形成机理及防治对策研究 朱华 杨刚亮等，中原文物2008年第４期
8. 刘景龙:《龙门石窟保护》,中国科学技术出版社,1993
年。
9.《石窟寺中的古代排水系统》 张俊芳 黄继忠（1995）
10.《隧洞排水法治理大足石刻渗水病害》 方云 魏海云 王金华（2001）
11.《大足北山石窟的水害和治理》 蒋思维 谢本立（1995）
12. 《北石窟寺地下水与石窟岩体潮湿渗水的关系及地下水治理措施》 李文军（2006）敦煌研究 2006年第4期
13. 景泰县五佛沿寺石窟渗水治理 周正强 甘肃水利水电技术第４４卷第４期2008年９月
14. 方云,魏海云,王金华·隧洞排水法治理大足石刻渗水病[J]·现代地质, 2002, 16(2): 351-354·