袁燕飛

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 酒泉 735000）

1 天梯山石窟歷史背景及研究意義

天梯山石窟位于甘肅省武威市中路鄉(xiāng)燈山村大坡山南崖絕壁間黃羊河水庫東岸，也稱大佛寺、廣善寺，據(jù)史料記載為北涼王沮渠蒙遜于公元5世紀開鑿，已有1600年歷史，是國內(nèi)最早由皇家出資開鑿的石窟寺，現(xiàn)為全國重點文物保護單位。石窟群南北長130m，高60m，現(xiàn)保存壁畫數(shù)百平方米，上中下三層洞窟18個，佛像100多尊，以及魏、隋、唐時期的漢、藏寫經(jīng)若干，主體建筑為大佛窟（13號窟）如來佛坐像，是中國美術(shù)史上著名的“涼州模式”的代表。

天梯山石窟是佛教從印度沿絲綢之路向中原地區(qū)傳播過程中的涼州石窟的典型代表，對研究我國佛教石窟建筑和藝術(shù)淵源和發(fā)展有重要意義，具有很高的藝術(shù)價值和歷史價值。

2 天梯山石窟現(xiàn)狀

天梯山石窟賦存巖體經(jīng)過歷代陸續(xù)開鑿、長期環(huán)境變遷之后，目前巖體裂隙密布，地質(zhì)病害發(fā)育，洞窟文物破損嚴重，部分洞窟存在傾倒危險，受裂隙切割的崖體有大規(guī)模崩塌或傾倒趨勢。

3 孕災(zāi)地質(zhì)條件分析

地形地貌：高寒半干旱氣候區(qū)，空氣寒冷干燥，冰凍期長，巖體表面風化剝蝕作用明顯，巖面參差不齊。

地層巖性：中奧陶統(tǒng)車輪溝群變質(zhì)砂巖和千枚巖巖組、下第三系漸新統(tǒng)白楊河組棕紅色含砂礫巖和砂巖、加里東中期侵入的斜長花崗巖、第四系黃土和殘積土。石窟上部為泥質(zhì)細砂巖夾薄層礫巖，主要成分為石英、長石、云母和燧石，膠結(jié)類型為接觸式和基底式。

地質(zhì)構(gòu)造：大地構(gòu)造隸屬于昆侖祁連褶皺系、走廊過渡帶中的古浪新凹陷，主要有加里東期和喜馬拉雅期兩次構(gòu)造活動，其中前期較后期褶皺發(fā)育。

水文地質(zhì)條件：黃羊河水庫庫岸，外部空氣濕度較大，石窟內(nèi)部尚未見地下水，地下水埋藏類型為裂隙潛水，水流呈北西方向，單位涌水量0.005，屬弱水巖組，洞窟礫巖的干密度為2.3，孔隙度約為8.5%，滲透系數(shù)約為0.23~0.58，屬弱透水或相對隔水層，窟區(qū)地下水僅賦存于坡腳平行崖面的裂隙之中，呈帶狀分布，裂隙水主要受庫水補給，與庫水間水力聯(lián)系密切。

地震作用：位于西海固地震帶的西端，西海固地震帶位于昌馬—祁連—海原巨型弧形斷裂帶上，石窟正位于該巨型弧形斷裂帶的兩個活動段：毛毛山和冷龍嶺之間，周圍地區(qū)地震活動頻繁，石窟所在周邊地區(qū)上世紀以來曾發(fā)生過5級以上地震十余次，其中1927年的8級古浪大地震對石窟破壞極大，導致崖體多處張開，至今裂隙清晰可見，2008年汶川地震使部分巖體坍塌造成了石窟中心柱被埋，某些裂隙增大，部分洞窟有傾倒趨勢，是最近受地震破壞最嚴重的一次。

巖體結(jié)構(gòu)及卸荷裂隙：表面風化破碎帶巖體以及低洼帶堆積的第四系殘坡積物，該巖組RQD值一般為0%~16%，巖石質(zhì)量差，結(jié)構(gòu)松散，裂隙孔隙發(fā)育，抗壓抗剪強度低。塊體結(jié)構(gòu)巖組，分布在風化破碎帶以下的礫巖，塊狀構(gòu)造，礫狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較致密，沿空間走向巖體穩(wěn)定性較好，該巖組RQD值為28%~56%，完整性較差，巖石塊體密度2.32，單軸抗壓強度0.16MPa，屬軟質(zhì)巖石。巖體性質(zhì)參數(shù):礫巖干密度為2.3，孔隙度為8.5%，滲透系數(shù)約0.23~0.58，屬于弱透水層或相對隔水層，干抗壓強度4.56MPa，濕抗壓強度0.73MPa，軟化系數(shù)0.16，屬極易軟化巖石。

4 地質(zhì)災(zāi)害分析

指石窟周圍地質(zhì)環(huán)境所引起的石窟病害，即石窟面臨的地質(zhì)問題，它影響著整個石窟的穩(wěn)定與安全，天梯山石窟面臨的地質(zhì)災(zāi)害主要有，巖體風化及侵蝕、巖體卸荷裂隙、危石隱患、巖體崩塌滑塌、雨水沖刷、巖體滲水等。

4.1 巖體風化及侵蝕

賦存巖體是泥質(zhì)膠結(jié)的第三系河湖相砂礫巖，風化最主要的因素是泥質(zhì)膠結(jié)結(jié)構(gòu)被破壞，石窟區(qū)處在黃羊河水庫岸邊，屬高寒地區(qū)，晝夜溫差變化大，小區(qū)域內(nèi)溫度濕度變化大，這種情況下蒙脫石等粘土類礦物容易發(fā)生吸水膨脹、失水收縮，造成砂巖的膠結(jié)狀態(tài)受到破壞，膠結(jié)物脫離，最終導致砂巖風化；其次，巖體中所含的可溶鹽也會隨石窟環(huán)境的溫度濕度頻繁變化發(fā)生反復結(jié)晶膨脹和溶解收縮，導致砂巖風化。天梯山石窟崖面風化剝蝕作用明顯，巖面參差不齊，凹凸相差0.5m~1m，凹凸的崖面上有燕子、烏鴉、鴿子等鳥類筑巢，鳥類的糞便對巖體也有一定的侵蝕作用，侵蝕造成部分巖體呈臨空狀態(tài)。

4.2 巖體卸荷裂隙

石窟區(qū)南側(cè)巖體臨空，洞窟地層成巖程度不高，以沙泥質(zhì)充填為主，少量鈣質(zhì)膠結(jié)，受窟區(qū)構(gòu)造及內(nèi)外應(yīng)力影響，巖體節(jié)理松弛，工程性質(zhì)較差，洞窟地層經(jīng)構(gòu)造運動，傾角達17°左右，但窟區(qū)構(gòu)造裂隙極為少見，控制洞窟圍巖及崖體穩(wěn)定性的主要是在構(gòu)造基礎(chǔ)上形成的卸荷裂隙，使大塊巖體與母體剝離形成危巖體，卸荷裂隙是斜坡巖體重力長期作用的產(chǎn)物，明確的說，就是由坡頂張應(yīng)力控制的，石窟區(qū)延伸長度在5m以上的裂隙有16條，其中規(guī)模較大，長度在20m以上的裂隙共有6條，這些裂隙走向在130°~160°之間，與邊坡走向近于平行。

4.3 危巖體隱患

窟外崖面上有些巖體被風化或被裂隙切斷，受力不均發(fā)生微小錯落后與母體完全分離，體積較大呈傾斜，此時處于受力平衡臨界狀態(tài)，巖體搖搖欲墜，又不至崩塌掉落，均是危巖體，稍微受力巖體滾落崩塌等，有可能會造成一定損失。

4.4 巖體崩塌滑塌

由于天梯山石窟洞窟的開鑿分上中下三層，洞窟缺乏支撐受力面，加之地震頻繁和庫水對巖體的沖刷、侵蝕，容易造成洞窟整體坍塌及窟群巖體大面積坍塌。

4.5 雨水沖刷

雨水沖刷對天梯山石窟整體穩(wěn)定影響也非常大，可分為小流量水的沖刷與坡面徑流（即較大流量）的沖刷，兩者破壞方式也不相同。

小流量水的沖刷主要表現(xiàn)在兩個方面：首先，窟區(qū)降水下滲進入巖體裂隙中，侵蝕裂隙表面，使裂隙逐漸擴大，加速了巖體崩塌；再者，裂隙在山坡地表水長期作用下形成小沖溝，坡面雨水流入小沖溝，沿沖溝內(nèi)裂隙下滲，造成窟內(nèi)潮濕，從而加速了巖體和文物的風化及剝蝕。

石窟區(qū)坡面徑流對洞窟的沖刷破壞可解釋為，洞窟地層的水穩(wěn)性差，賦存巖體以泥質(zhì)膠結(jié)為主，巖體中的可溶鹽及黏土中較多的親水膨脹性黏土礦物，受雨水沖刷時容易溶解隨降水流失，石窟區(qū)前面由于黃羊河水庫影響形成小氣候區(qū)，所以降雨量比較集中，有時候會有山洪發(fā)生，且山體植被稀少，在雨水的沖刷下沖溝發(fā)育易成熟，對洞窟造成了嚴重的威脅。

4.6 巖體滲水

在1992年之前，天梯山13號大佛窟整個腰部以下全都浸泡在黃羊河水庫水面以下，對大佛窟塑像損害極其嚴重，為了保護大佛窟，于1992年在佛窟前修建了圍堰壩，由于當時科技水平和人力財力有限，修建圍堰壩時未對壩體進行防滲設(shè)計和特殊施工處理，在2005年便出現(xiàn)壩體裂隙滲漏，當時雖然進行了一定的緊急防滲處理，但處理不夠完善，目前仍嚴重威脅石窟安全。

圍堰右端與崖體接觸之處滲水現(xiàn)象較為嚴重，滲水之處巖層表面返堿，凍融作用強烈，表層5cm~10cm深度呈蓬松狀，大佛寺整個洞壁腳跟部，大約在大佛腿腕以下，距離地面90cm~160cm高度內(nèi)巖層表面呈灰白色巖殼，這是圍堰以后，大佛下部浸水石胎重新露出水面，地下水經(jīng)毛細作用上升沿崖壁蒸發(fā)排泄造成新的洞窟水鹽病害，若任其發(fā)展下去必將危及大佛石胎下部的完整保存。

5 地質(zhì)災(zāi)害處理措施建議

5.1 危巖體清理

為保證工程施工過程中及工程完成后對文物及游客的安全，須首先對因風化或裂隙切割而形成的松動小塊危石進行清理，清理工作需分段逐層進行。

5.2 危巖體加固與錨固

危巖體錨固工程主要分布在北段小洞窟群，根據(jù)小洞窟群崖面巖體規(guī)模及分布情況，首先對凹陷的崖體重新回填加固；然后設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索進行加固。

5.3 裂隙注漿

石窟區(qū)巖體裂隙發(fā)育，為地表水入滲提供了通道，加速了巖體的侵蝕風化，為了加強巖體的整體性，防止由裂隙再引起一系列的病害，在對各危巖體進行錨固后，須對裂隙進行注漿封閉，注漿選用水泥砂漿，對裂隙滲水點設(shè)置引水孔道，以防裂隙水通道被堵死而造成新的病害。

5.4 風化砂巖PS-C加固

天梯山石窟大面積的崖面巖體風化，采用稀釋4倍的PS溶液噴涂滲透加固。噴涂之前，應(yīng)將風化巖面上的灰塵處理干凈，這樣既可以保證PS有良好的滲透性，又可以使噴涂加固的巖面與原巖面保持一致的外觀，注意不能連續(xù)噴涂，應(yīng)該間斷式的等噴涂在巖面的漿液滲進后再噴涂。

5.5 截排水溝及沖溝治理

在石窟群上方的坡體上設(shè)置截排水系統(tǒng)，即分別設(shè)置坡頂截水溝和沿自然沖溝鋪砌而成的排水溝，以防止和減輕地表水對石窟區(qū)坡體的沖刷破壞。

5.6 洞窟加固

對存在傾斜現(xiàn)象的中心柱進行加固，中心柱窟的清理加固應(yīng)與窟檐修建結(jié)合進行。為確保巖柱本身及周邊巖體的穩(wěn)定，采用鋼筋混凝土門型結(jié)構(gòu)對空洞進行局部支頂，支頂結(jié)構(gòu)通過做空預(yù)埋鋼筋與下部巖體相連結(jié)，以增強穩(wěn)定性，并對門型結(jié)構(gòu)進行復舊，與崖壁協(xié)調(diào)。

5.7 棧道工程

天梯山石窟南側(cè)崖體臨空，受制于自然條件，天梯山石窟的現(xiàn)有通道十分狹窄且二、三層石窟沒有道路相通，為保證文物保護管理人員和游客的安全，需要修建棧道。采用木質(zhì)結(jié)構(gòu)，棧道工程基礎(chǔ)應(yīng)采用錨鉗，鉗頭應(yīng)進入微風化礫巖。

5.8 崖體及洞窟變形監(jiān)測

地面變形監(jiān)測：在崖體上設(shè)置網(wǎng)狀變形觀測點，在變形區(qū)域影響范圍之外穩(wěn)定點設(shè)置固定觀測站，用全站儀定期監(jiān)測變形區(qū)內(nèi)網(wǎng)點的三維位移變化。

位移監(jiān)測：采用收斂監(jiān)測崖體表面位移情況，測縫計測量裂隙兩側(cè)相對位移和崖體垂直位移，沉降儀觀測崖體垂直位移。

中心柱傾斜監(jiān)測。

環(huán)境因素監(jiān)測：采用雨量計、溫濕度記錄儀監(jiān)測降雨量及溫濕度，采用地下水位自記儀監(jiān)測地下水位。

6 結(jié)語

要想有效的保護文物、治理石窟地質(zhì)災(zāi)害，首先要對災(zāi)害成因有全面準確深入的分析，盡最大努力診斷準確，然后采取結(jié)合實際的綜合治理措施，對石窟地質(zhì)災(zāi)害進行全面防治，才能達到預(yù)期的目標。希望石窟存在的問題能及時得到根治，還文物一個安全可靠的棲身之所。