【doc】关于麦积山石窟渗水病害的思考

【doc】关于麦积山石窟渗水病害的思考 关于麦积山石窟渗水病害的思考 第27卷第l6期 2011年8月 甘肃科技 GansuScienceandTechnology 27 A". No.16 2011 关于麦积山石窟渗水病害的思考 姚伟,杨涛,赵建国 (1.中铁西北科学研究院有限公司,甘肃兰州730000;2.中铁二院西北勘察 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 有限 责任 安全质量包保责任状安全管理目标责任状8安全事故责任追究制幼儿园安全责任状占有损害赔偿请求权 公司,甘肃兰州730000) 摘要:天水麦积山石窟作为中国四大石窟之一,是丝绸之路上一颗璀璨的明珠,具有极高的历史文化价值,但石窟 渗水病害如同一顽疾始终困扰着文物管理和保护工作者,通过现场详细调查并结合前人研究内容,对麦积山石窟渗 水病害进行了初步分析,旨在抛砖引玉,希望对麦积山石窟渗水病害的研究提供一种思路. 关键词:石窟;渗水;病害 中图分类号:P512.1 1麦积山石窟概况 麦积山位于甘肃省天水市东南方50km的北道 区麦积山乡南侧,东经106.0010",北纬34.2l09"; 是西秦岭山脉小陇山中盼一座孤峰. 始建于十六国后秦时期(386,417年),历经北 魏,西魏,北周,隋,唐,五代,宋,元,明,清等十余个 朝代的开凿和重修,现存大小窟龛221个,各类造像 7800多身,壁画一千余平方米.因有大量精美的泥 塑造像,被称为"东方雕塑陈列馆",是丝绸之路上 一 颗璀璨的明珠.1961年3月,被国务院公布为第 一 批全国重点文物保护单位?j. 2麦积山石窟区主要 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 地质条件 2.1地形地貌 麦积山地处秦岭山脉西段北侧,地貌单元系西 秦岭构造剥蚀低山丘陵区,,高约142m,形如农家之 麦垛J.山崖东侧为一宽2,3m的小山梁;西侧为 一 崩坡积形成的缓坡地带;北侧(后部)为倾角50. 左右的斜坡,植被茂盛;南侧为研究所及景区场地; 麦积山石窟即开凿于南面裸露基岩崖面之上,受历 史地震影响,崖面中部大面积崩塌,依石窟的分布, 整个窟区可分为东崖和西崖. 2.2地层结构 2.2.1砾岩,砂砾岩(E) 麦积山山体主要由下第三系地层组成,其岩性 为棕红色砾岩,砂砾岩,夹薄层状砂岩和含砾泥岩, 其中砾石多呈棱角状,级配差(2,30cm).总的变 化规律在纵向上由下向上沉积物颗粒由细变粗,横 向上由东南向西北沉积物颗粒由粗变细.该层中, 小沉积韵律,斜层理,交错层理发育,胶结性差.总 体产状:N55.,65.E/NW5.,10.(向山内倾). 2.2.2第四系崩坡积物(Q) 主要分布于基岩山麓的斜坡地段,覆盖于第三 系砂砾岩的强风化带之上.以砂砾,角砾及黏土所 组成,问夹有崩落的巨大砾石孤石.其颜色及物质 组成与母岩相似,与风化基岩不同的是它经过了外 营力作用及水流搬运而成,成分杂乱,且较为松散. 本层厚为5.7,17m. 2.3地质构造 麦积山岩体受地质构造影响的程度轻微,岩体 结构类型为整体结构,裂隙发育密度小,但需要认识 到对于渗水,再小的裂隙,也可能成为山体内水分的 转移通道. 1)I类裂隙 张性构造裂隙.共8条,环绕山体四周分布;裂 面均为高角度倾向山体中心;推测其延伸长度,深度 均超过数十米;裂隙的上部张开较宽,向下则细小并 逐步闭合;在陡峭岩壁上出露的裂隙无充填,在坡脚 或斜坡上近水平的裂隙均有充填,充填物为松散砂 土.I类裂隙汇总见表l. 2)?类裂隙 剪切构造裂隙(应力松弛裂隙).数量不多,主 要有N40.W/SL70.一85.及N28.,38.E/SL81., 85.两组.其裂隙面平坦且光滑,延伸较长,走向与崖 面正交或斜交,沿裂隙两侧的砾石被剪断.下雨后裂 隙边上较潮湿,尤其是前一组裂隙往往有水渗出. 3)?类裂隙 崖边卸荷裂隙.裂隙面基本平行于崖面发育, 密集处1—3条裂隙分布,裂隙延伸范围大,有曲折 拐弯的变化,靠山外的裂隙多为张开裂隙,靠山里的 裂隙多为密闭裂隙. 第16期姚伟等:关于麦积山石窟渗水病害的思考69 4)?类裂隙 风化裂隙.发育于基岩风化层内,其特点是发 育密度较大,发育深度受风化层厚度控制,多数为密 闭裂隙. 5)V类裂隙 洞周应力裂隙.由于开挖洞窟,围岩岩体内应 力重新分布,造成局部应力集中而破裂.开挖断面 较大的洞窟(如127窟,133窟)内均有此类裂隙出 现.裂隙为张性,宽度一般小于1nl/n,属密闭裂隙, 出现的部位,恰好是洞窟拐角(特别是后墙与边墙的 拐角),窟顶对角线位置,洞口上方等应力集中部位. 2.4气候条件与水文地质条件 麦积山地区属湿润山区气候,雨量较多,湿度较 大.年平均降水量800ram,蒸发量980.8mm,相对 湿度74%. 地下水分布于麦积山下部斜坡较低地段的第四 系堆积层中,属具有自由水面的潜水.下伏下第三 系砂砾岩,为其隔水底板.潜水含水层的厚度,大致 为2.0—7.Om.受大气降水,高处松散堆积层中潜 流及雨天崖体面流补给,顺侵蚀基准面向下游排泄. 麦积山山体地下水属包气带水,其中分布有零 星裂隙型上层滞水,含砾泥岩层面滞水和交错层面 滞水.接受大气降水补给,沿裂隙系统和岩体层面 向周围运移.上层滞水的排泄,有蒸发,向四周及下 部运移等途径,石窟渗水及崖面渗水也是上层滞水 的主要排泄途径之一. 3麦积山石窟渗水病害现状 3.1渗水石窟的分布 如图1所示,麦积山渗水石窟的主要分布在西 崖和中区的下层洞窟,而西崖又以中下层洞窟更为 严重,据现场详细调查,共有3O个左右的洞窟受到 渗水的影响. 图1主要渗水石窟分布立面照 3.2石窟渗水的表现特征 3.2.1直接滴水 是指水在洞窟内部的某个位置以水珠直接滴落 的形式表现出来,这些洞窟有57,78,173等,尤其 以57窟最为严重,如图2—4所示.57窟是一个早 期洞窟,窟内右上角长年滴水不断,至今窟形已经完 全破坏,难以辨别原貌,其滴水量是随着降水量的变 化而变化,每年的总体趋势起伏和降水量一致,在没 有降水的时期,窟内仍有滴水表现,应该是山体内部 的积存水.窟内滴水现象和降雨之间的时间差约为 15,20h,即在降水之后15,20h窟内的滴水量就会 有明显的增加,具体的延续时间根据降雨的强弱程 度而有所变化. 图257窟滴水 图347窟渗洇 70甘肃科技第27卷 图4133窟潮湿 3.2.2渗水在局部面积渗洇 这种现象是指渗水并没形成水滴下垂,而是 在出水点附近逐渐地向周围(重点是向下)渗透, 有这种现象的洞窟是48,80,52等窟,降雨之后 其出现渗水的时间受到降雨强度以及洞窟位置的 影响,一般来讲,都是在20h以内这种渗洇现象可 以看见明显的水分运动,在窟壁上形成明显的水 线. 3.2.3窟壁潮湿 这种现象是指窟内没有明显的渗水点,也观察 到水分的移动,但在降雨之后的一段时间,壁面就会 有明显的潮湿现象,这种洞窟有127,133,94等. 在降雨之后,水对窟内的影响速度比较慢,一般来 讲,2,3d以后,洞窟内部的湿度才会有明显的升 高,但是和前两类的渗水现象相比,这一类的渗水现 象对窟内影响的时间却比较长约有一个星期或更 长的一段时间,它的表现是以很缓慢的湿度升高和 很缓慢的湿度降低为特点. 值得注意的是: 1)调查发现多数洞窟渗水均沿夹层(砂岩,含 砾泥岩)顶板渗出,即沿相对隔水顶板渗出. 2)洞窟内渗水在雨季才表现为上述3种形式, 在旱季均表现为不同程度的潮湿. 3)洞窟裂隙不甚发育,即使有较为宽大贯通的 裂隙,洞窟内的渗水也不是沿裂隙处渗出. 4)渗水相对较严重的洞窟,当水量较小时,常 以点(眼)的形式外渗,当水量增大时,常自北西方 向向北东方向延伸,形成面状渗流. 4麦积山石窟渗水来源及运移初析 通过实地考察分析并结合麦积山石窟管理研究 人员长期的观察和研究结果,初步判断降水是通过 以下几种渠道对窟内产生影响的. 4.1山体后部与西侧缓坡为石窟渗水提供了补给 条件 1)从渗水洞窟的分布情况看,水害严重的洞窟 127窟),上部及东侧 主要集中于崖壁西侧下方(除 洞窟未出现渗水或潮湿状况较轻,从最低的渗水石 窟距崖底30余m,远远大于毛细水强烈上升高度影 响范围. 2)从地形条件看,山顶及东侧崖壁地形狭窄, 汇水面积较小,坡度较陡,地表排水条件相对较好, 而西侧缓坡面积较大,坡度较缓(1O.,30.),易于 汇水. 3)从相对高程位置看,西侧缓坡高程高于多数 渗水石窟(除127窟),为地下水的排泄运移提供了 水力坡度. 综上所述,影响崖壁西侧洞窟的地下水由山体 顶部,东侧和底部而来的可能性相对较小,如图5, 7所示. 图5麦积山山顶地貌 一图6麦积山西侧缓坡 图7洞窟东侧地貌 4.2地质构造与演变形成的裂隙为水分储存运移 提供通道 根据调查,在麦积山山体中共分布有五类不同 性质的裂隙,如构造裂隙,卸荷裂隙,风化裂隙等,部 分大气降水可能沿较为贯通的构造或卸荷裂隙垂直 下渗,然后在相对隔水岩层界面处通过水平运移对 洞窟产生影响. 第16期姚伟等:关于麦积山石窟渗水病害的思考71 4.3岩体中软弱夹层的不均匀分布影响地下水分 运移与排泄 麦积山石窟地层岩性为砾岩,砾岩中夹薄层的 砂岩或含砾泥岩.胶结程度较差,成分以泥质为主, ,纵向 砾岩,砂砾岩呈厚层一中厚层构造,层理复杂变化较大,有明显的交错层.交错层发育处的砂岩 层平均粒径2cm,次棱角状.含砾泥岩往往夹在其 中,呈薄层透镜状出现,其黏性小,砂粒多,吸水性 小,强度低.由于砾岩及砂砾岩胶结程度不一和差 异风化作用影响,在崖壁上形成多处岩腔或凹槽,孑L 洞. 由于岩体的不均匀性,泥质软弱夹层在岩体中 形成若干不连续隔水层,使得地下水的运移路线更 为复杂,排泄速度减慢,对石窟造成的不利影响也随 之增大. 4.4地震所造成的表层裂隙和松散的表层岩体为 地表水入渗提供了通道 麦积山地区降水量较大,空气湿度相对较高,石 窟区表层岩体结构疏松,风化也较严重.加之天水 地区处在中国南北和东西地震带的交汇地带,历史 上曾发生过多次的地震,对石窟所处的山体的破坏 是巨大的,在山体表层形成了许多裂隙.疏松的表 层岩体和密布的微小裂隙成为地表水下渗的通道. 4.5水泥喷锚加固层为岩体内水分排泄设置了障 碍 1975—1984年,为了加固被地震破坏的山体, 进行了为期8年的加固工程,采用"喷,锚,粘,托" 的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,在山体表面喷护了约lOcm厚的水泥层,此 举为保护麦积山石窟的安全功不可没J. 但是,从文物保护的角度看,加固工程也给文物 本体的耐久性带来一些弊端,即在局部位置和一定 程度上改变了地下水排泄途径.在实施加固以前, 山体内部的水分长时间地运移形成了基本固定的补 给与排泄通道,其中一部分地下水便是相对稳定地 沿崖壁表面的出水点排出,但工程实施后,大面积的 喷锚支护水泥层却将出水点封闭,阻断了原有的排 水出口.这些部位的水在此情况下大致有3个流 向:一是水头受阻后抬升回流,至附近某个窟内出水 点排出;二是顺水泥层继续外渗,在水泥层外形成出 水点;三是顺着山体与水泥层之间的夹层下渗,并在 水泥层的边沿处(洞窟口沿)露头并挥发.第一种 情况如94窟;第二种情况在80窟左侧有明显的表 现;第三种情况在众多的下层洞窟中都有程度不同 的表现. 5麦积山石窟渗水的危害 石窟渗水现象对麦积山石窟的文物造成了严重 的影响,总的来讲,有以下几种病害: 1)洞窟形制被严重破坏,如57,173窟等,其 原始的洞窟形制已不可辨识,只有个别的残迹方可 判断出一些历史信息. 2)在出水点附近窟壁潮湿,落沙,崖壁呈片状 剥离等,在水分较多的位置,如8O窟,水的运动将 崖体内较为松散的物质(如黏土类)不断地冲出,从 而逐渐形成泥流一类的现象,对塑像造成了严重的 危害.另外,94窟是落沙现象最为明显的洞窟,在 降水量大的月份,窟内壁面潮湿度急剧增大,岩粒之 间的胶结物质被分解破坏,导致结构松散,便会自然 地呈颗粒状脱落,目前此窟内的塑像无奈已采取了 搬迁措施. 3)窟内湿度增大,诱发多种文物病害,这个实 际是前两种现象引发的病害,窟内空气湿度长时间 处于比较高的状态,会造成塑像,壁画表面风化,色 彩脱落或淡化,壁画地仗空鼓,脱离壁面等. 6结论及展望 石窟渗水病害的研究是一项难度大,周期长的 技术工作.麦积山石窟渗水病害成因较为复杂,渗 水来源虽然有了基本的认识,但其渗流机理尚不十 分明确,水的运移路径与方式也有待进一步探查 (目前初步认为,水主要是从崖体西侧崩坡积缓坡 和崖面面流,其次是通过各类裂隙,经不同方式运移 至渗水石窟,但仍需勘探验证分析).目前石窟渗 水从出水量上来讲,程度较轻,严重时达到滴水的程 度,多表现为洞窟潮湿和渗洇,但其危害是较为严重 的,亟需采取工程措施缓解水害病情.因此,建议设 立专项科研课题,开展对麦积山岩体渗流场的调查 分析与深入研究,为麦积山石窟渗水病害的彻底治 理提供科学,准确的依据. 参考文献: [1]张锦秀.麦积山石窟志[M].兰州:甘肃人民出版社, 2009. [2]马千.麦积山石窟保护工作中存在的主要问题及其 采取的相应措施[A].云冈国际学术研讨会论文集 (保护卷)[c],2005. [3]张锦秀.麦积山石窟的保护与研究[A].麦积山石窟 艺术与丝绸之路佛教文化国际学术研讨会论文集 [C].2002.