劉 成， 孫文靜，， 黃繼忠， 任建光

（1.上海大學(xué)土木工程系，上海 200444；2.上海大學(xué)文化遺產(chǎn)保護(hù)基礎(chǔ)科學(xué)研究院，上海 200444；3.云岡石窟研究院，山西大同 037007）

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，作為世界文化遺產(chǎn)之一的云岡石窟在歷史上有大小佛像約十萬尊，現(xiàn)僅存五萬一千余尊。鹽分對(duì)石窟的破壞是造成這種狀況的主要原因，學(xué)者們對(duì)此做了相關(guān)的調(diào)查和研究。

張贊勛等[1]發(fā)現(xiàn)造成石刻風(fēng)化的可溶鹽主要為硫酸鹽和碳酸鹽。李黎等[2]用浙江龍游石窟石材進(jìn)行反復(fù)浸泡-干燥循環(huán)試驗(yàn)，證明了SO2-4和Cl-能夠加速砂巖風(fēng)化。LEHMANN[3]于1971年提出了鹽分的積累會(huì)對(duì)石質(zhì)文物造成破壞。田秋林等[4]提出鹽分的積累與土中水分的遷移密切相關(guān)：鹽分在水的作用下，由覆蓋土層遷移至石質(zhì)文物內(nèi)部。郭芳[5]的研究表明，云岡石窟巖體內(nèi)部的硫酸鹽是通過雨水進(jìn)入巖土體內(nèi)部的，進(jìn)而導(dǎo)致巖體的破壞。JIANG等[6]的研究表明，石窟中的鹽源于土壤覆蓋層，在水的作用下，鹽分經(jīng)過砂巖風(fēng)化帶，最終在石窟中富集。黃繼忠[7]的研究表明，石雕表層可形成結(jié)晶水的鹽類在干燥環(huán)境下失去結(jié)晶水，在梯度作用下，表層鹽分不斷增加，當(dāng)石雕表面的空隙和微裂隙中鹽分積累至一定量時(shí)，鹽分在低溫或高濕時(shí)又吸水膨脹產(chǎn)生壓力，加速了礦物顆粒間連結(jié)的破壞和裂隙的擴(kuò)張，從而促使石雕表層的剝落。王金華[8]以及張兵峰[9]研究了重慶大足石刻的可溶鹽破壞機(jī)理：風(fēng)化作用生成的石膏、芒硝等可溶性鹽聚集在巖石孔隙中，潮濕時(shí)吸水結(jié)晶膨脹，失水時(shí)收縮。膨脹收縮反復(fù)作用，破壞效應(yīng)積累，導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)遭到破壞。

由此可見，石質(zhì)文物的破壞離不開水和鹽的共同作用，為防治石窟文物表面的鹽害，非常有必要研究石窟頂部土層的水鹽分布特征，從而更有針對(duì)性地開展石窟頂部的防滲工作。

在水鹽分布特征方面，楊善龍等[10]研究了榆林窟崖體礫巖中水鹽分布特征，許健等[11]闡釋了水鹽分布規(guī)律及黃土邊坡鹽蝕剝落病害的機(jī)理，李小倩等[12]研究了潛水埋深對(duì)土體水鹽分布的影響。但是目前，將土體滲透性、植被覆蓋率以及地勢(shì)等因素與土體水鹽分布特征研究相結(jié)合還較少。因此，本研究針對(duì)上述因素開展了對(duì)云岡石窟頂部土層水鹽分布特征的研究，為云岡石窟頂部土層增強(qiáng)防滲提供重要的數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

1 取樣情況

1.1 取樣位置和取樣方法

云岡石窟頂部土體為第四紀(jì)覆蓋層，其中：第3窟頂土體屬中更新統(tǒng)，主要成分為亞黏土，厚度約1～3 m；第5窟和第18窟頂土體屬上更新統(tǒng)，主要成分為輕亞黏土，厚度約0.5～1.5 m；第42窟頂土體屬全更新統(tǒng)，主要成分為亞黏土，厚度約0.4～1 m[13]。第3窟、第5窟、第18窟和第42窟包含了所有類型第四紀(jì)覆蓋層。此外，第18窟屬曇曜五窟之一，是云岡的第一期石窟；第5窟為云岡第二期石窟；第3窟為云岡石窟空間最大的洞窟，其洞窟開鑿于北魏，但雕像為唐代所雕鑿，位于曇曜五窟以東；第42窟為云岡第三期石窟，位于曇曜五窟以西[14]。所有取土位置均靠近土壤含水率監(jiān)測裝置，故取第3窟、第5窟、第18窟和第42窟頂作為取樣部位，取土位置分布如圖1所示，具體位置和取土深度詳見表1。本次試驗(yàn)采用人工取土方式進(jìn)行取樣，取土類別分為環(huán)刀樣和碎散土。

圖1 取土位置標(biāo)識(shí)Fig.1 Map of soil sampling locations

表1 取土位置與取土深度Table 1 Soil sampling locations and depths

1.2 取樣位置地勢(shì)分析

利用百度地圖繪制取樣位置周邊等高線圖，并計(jì)算得到取樣點(diǎn)坡度值，如圖2所示。圖中橙色標(biāo)記點(diǎn)為取樣位置，取樣位置坡度值在圖左上角，粗實(shí)線表示山谷，虛線表示山脊，箭頭方向?yàn)榈貏?shì)降低方向。從圖2中可以看出，所有取樣位置的坡度都在15°以內(nèi)，相對(duì)比較小，各取樣位置處坡度從小到大排序依次為第3窟、第5窟、第42窟和第18窟。蒙寬宏等[15]提出隨著坡度增大，土壤穩(wěn)滲率下降，達(dá)到穩(wěn)滲所需時(shí)間逐漸增長。因此，坡度越大，雨水的入滲量越小，土體內(nèi)部含水率降低，隨水下滲到土體內(nèi)部的鹽分間接減少。

圖2 等高線圖及取樣點(diǎn)坡度Fig.2 Contour plots and slopes of sampling points

1.3 取樣位置植被覆蓋率

圖3 為取樣位置處的植被覆蓋率，圖左上角注有取樣位置和植被覆蓋率。對(duì)圖片進(jìn)行二值化處理，通過計(jì)算即可確定植被覆蓋率，相關(guān)公式為：

式中，VGC（visual grading characteristics）為視覺分級(jí)特征。

圖3中第3窟和第42窟頂部植物為野牛草，第5窟頂部植物為狗牙根，第18窟頂部植物為艾。雖然取樣部位植物種類不同，但根據(jù)吳宏偉[16]的研究，植物的蒸騰作用是造成土體含水率變化的主要因素。而本次取樣時(shí)間為2018年7月下旬，夏季多雨，取樣前該地已多次降雨，植物吸收水分充足，且空氣相對(duì)潮濕，植物蒸騰作用很小，故可忽略植物蒸騰對(duì)土體水分變化的影響。由圖3可知，第18窟植被覆蓋率最大，第42窟植被覆蓋率最小，第5窟與第3窟植被覆蓋率介于兩者中間。植被會(huì)使地表徑流雨水流速減小，增加下滲到土體內(nèi)部的雨水。若下滲的雨水中含有鹽分，會(huì)間接增加土中鹽分含量。

圖3 取樣位置處的植被覆蓋率Fig.3 Vegetation coverage ratios of sampling points

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)用土

將取自云岡石窟頂部土層的試驗(yàn)土樣風(fēng)干后過2 mm篩，采用《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—1999）的比重瓶法、液塑限聯(lián)合測定法以及擊實(shí)試驗(yàn)測定土樣的基本指標(biāo)（表2）。

表2 土的基本物理指標(biāo)Table 2 Basic physical indexes of soil

2.2 孔隙比、飽和滲透系數(shù)測定試驗(yàn)

將云岡石窟頂部采集的原狀土環(huán)刀樣稱重，記錄其質(zhì)量m，然后去除環(huán)刀，環(huán)刀體積V為60 cm3，稱取環(huán)刀質(zhì)量m0，將其環(huán)刀樣放入柔性壁滲透儀進(jìn)行固定水頭壓的飽和滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)采用氣壓控制水頭壓，試驗(yàn)儀器見圖4。環(huán)刀樣孔隙比的計(jì)算公式為：

式中，e為孔隙比；ρ為土樣顆粒密度。

圖4 柔性壁滲透儀Fig.4 Flexible-wall permeameter

2.3 鹽分測定試驗(yàn)

土體含水率采用烘干法測定，土體可溶鹽含量通過離子色譜法（IC）測定。試驗(yàn)所用儀器為ICS-1100離子色譜儀，測量精度可達(dá)0.01 mg/L。

含鹽量測定試驗(yàn)操作步驟[17]如下：1）采用精度為0.0001 g電子天平稱量5 g粒徑小于2 mm的烘干土樣，將其置于干燥的200 mL錐形瓶中，并注入50 mL去離子水；2）將盛有土樣和去離子水的錐形瓶放在振蕩器上振蕩12 h；3）用注射器將錐形瓶上部上清液抽出，插上濾膜孔徑為0.45μm的過濾頭，將溶液擠壓入離心管中，過濾滲出液需要20 mL；4）將過濾液倒入色譜儀器配套容器中，放入儀器進(jìn)行檢測。

3 結(jié)果及分析

3.1 孔隙比與飽和滲透系數(shù)

表3為測得的環(huán)刀樣孔隙比和飽和滲透系數(shù)，圖5為根據(jù)表3數(shù)據(jù)繪制的孔隙比e與飽和滲透系數(shù)k的關(guān)系圖。由圖5可知，不論取樣在哪個(gè)部位哪個(gè)深度，土樣的孔隙比與滲透系數(shù)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中基本呈線性關(guān)系。因原狀土樣中含有石塊或土樣中有較大孔隙，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)偏離線性關(guān)系。不同土樣10 cm處的滲透系數(shù)由低到高排序?yàn)榈?窟、第3窟、第18窟、第42窟。第42窟10 cm處土樣滲透數(shù)據(jù)，按插值法計(jì)算。董佩等[18]測定云岡石窟頂部第四紀(jì)覆蓋層土體滲透系數(shù)集中在10-4cm/s左右，與本試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

圖5 土樣lg e-lg k關(guān)系Fig.5 lg e-lg k relationship of soil samples

3.2 含水率變化規(guī)律

表4為云岡石窟頂部不同位置不同深度處土樣含水率的測試結(jié)果，其中黑體內(nèi)容為云岡土壤含水率監(jiān)測裝置所測得數(shù)據(jù)。圖6為含水率與深度關(guān)系圖。對(duì)含水率測試結(jié)果進(jìn)行分析，得到不同位置同一深度以及同一位置不同深度土樣的含水率變化規(guī)律。據(jù)此分析土樣含水率差異的原因。

表4 含水率測試結(jié)果Table 4 Test results of water content

圖6 含水率和深度關(guān)系圖Fig.6 Relationship between water content and depth

3.2.1 不同位置同一深度土樣的含水率 由圖6可見，相同深度處，如10 cm處，土樣含水率從低到高為第42窟、第5窟、第3窟、第18窟。不同取土位置頂部土體的植被覆蓋率不同。由1.3節(jié)可知，土樣取土部位植被覆蓋率從低到高為第42窟、第5窟、第3窟、第18窟。結(jié)合植被覆蓋率和不同部位相同深度的土樣含水率變化規(guī)律可知，植被覆蓋率與土樣含水率之間的相關(guān)性較大，植被覆蓋率越大，土樣含水率越大。

從圖6中還可得知，在1 cm、10 cm和20 cm深度處，第3窟頂部土層含水率均大于第5窟。結(jié)合1.2節(jié)地勢(shì)分析結(jié)果和1.3節(jié)取土位置處植被覆蓋率結(jié)果可知，兩者取土位置植被覆蓋率基本相同，但第3窟頂部土層取土位置坡度小于第5窟的，引起雨水下滲量高于后者，從而不同深度的含水率均大于后者。因此，除植被覆蓋率外，坡度也會(huì)對(duì)土體含水率產(chǎn)生一定影響，當(dāng)植被覆蓋率相近時(shí)，坡度越大，土體內(nèi)部含水率越低。第42窟頂部土層取樣位置植被覆蓋率最小，坡度亦較大，因此，第42窟頂土層不同深度土樣的含水率均為最小。

3.2.2 同一位置不同深度土樣的含水率 由圖6可知，除第42窟頂1 cm和10 cm土樣外，同一部位不同深度的土樣含水率，隨著取土深度的增大，土樣含水率逐漸減小。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因在于云岡石窟地處半干旱區(qū)域，土體含水率低，降雨量小。降雨后，表層土體會(huì)吸收大部分雨水，下層土體吸收水分逐漸減小，植被生長需吸收水分，也會(huì)將土中水分吸引到土體上層。而第42窟頂1 cm至10 cm土樣含水率異常的原因?yàn)椋旱?2窟頂土樣植被覆蓋率最小，地表水分受蒸發(fā)作用影響大，會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)減少，較深部土樣受蒸發(fā)作用影響小。其余取土部位植被覆蓋率都比較高，土樣受蒸發(fā)作用的影響較小。因此，土體含水率分布規(guī)律較統(tǒng)一，即隨深度的增大而減小。

3.3 土樣鹽分含量結(jié)果及分析

土體水分是土體鹽分運(yùn)移的載體，土體孔隙比會(huì)影響水分的下滲速率，同樣也會(huì)影響鹽分的濃度和遷移速率，孔隙比與土體的滲透特性相關(guān)。因此，需結(jié)合各取樣點(diǎn)土樣的含水率、孔隙比和飽和滲透系數(shù)的變化規(guī)律分析窟頂土層鹽分分布規(guī)律。

表5為土樣中可溶鹽離子濃度測試結(jié)果。可以看出，隨著取土深度的增加，第18窟和第42窟頂土層中鹽分含量基本都在增大，分別在最大取土深度20 cm和24 cm處酸根離子濃度達(dá)到最大，主要因?yàn)榇笸貐^(qū)煤炭業(yè)發(fā)達(dá)，空氣污染嚴(yán)重，酸性降雨頻率高[19]。所測酸根離子中，硝酸根離子所占比例較大，其原因可歸為雷雨天氣中雷電釋放的巨大電能會(huì)將空氣中氮元素氧化成硝酸，隨雨水進(jìn)入土壤[20]。

圖7為可溶鹽離子濃度與深度關(guān)系圖，可以看出，隨著取土深度的增加，第18窟和第42窟頂土樣鹽分含量基本都在增大。再結(jié)合圖5可知，第18窟和第42窟頂土樣滲透系數(shù)大于其他窟頂土樣滲透系數(shù)。由此可推測，土樣滲透系數(shù)越大，對(duì)應(yīng)的孔隙比越大，含鹽的水分較容易下滲，使得下層土體鹽分含量越大。

表5 土樣中可溶鹽離子濃度Table 5 Concentration of soluble salt ions in soil samples

圖7 離子濃度與深度關(guān)系圖Fig.7 Relationship between ion concentration and depth

由圖7還可以觀察到，第18窟頂部土層20 cm深處土樣鹽分濃度大于第42窟頂18 cm深處的鹽分濃度。而由圖5可知，10 cm深處滲透系數(shù)卻是前者小于后者。再結(jié)合圖6可知，第18窟頂土體含水率大于第42窟頂土體含水率大，由此也會(huì)使得土體中鹽分含量增大。

由表5可以看出，第5窟頂部1 cm處土樣離子濃度大于10 cm處的，第3窟頂1 cm和10 cm處土樣鹽分含量基本相同，與第42窟1 cm至10 cm處土樣離子濃度分布特點(diǎn)不同。結(jié)合圖5和圖6進(jìn)行分析，第3窟和5窟取樣點(diǎn)滲透系數(shù)較第42窟的小，含水率較第42窟的大。說明具有較小孔隙比的土體，對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)較小，阻止了鹽分的下滲。滲透性是影響土體鹽分含量的主要因素。

3.4 土體水分和鹽分含量分布圖

根據(jù)取樣點(diǎn)土樣含水率及含鹽量規(guī)律做各層土在一定范圍內(nèi)（10 m×10 m）的含水率分布圖（圖8）和含鹽量分布圖（圖9）。各圖左上角注釋了土層深度，不同色系代表不同水分或鹽分含量，所對(duì)應(yīng)的水分和鹽分含量分別見圖8c和9c。同一色系的深淺程度代表土體水分或鹽分含量的高低，顏色越深，代表的水分或鹽分含量越高，反之越低。顏色的深淺程度代表的水分或鹽分差異均在0.3個(gè)單位內(nèi)。

因?yàn)樵谠摲秶鷥?nèi)土體的植被覆蓋率和孔隙比相近，由植被覆蓋和孔隙比造成的土層含水率及含鹽量變化可忽略不計(jì)，再結(jié)合3.2.1和3.3節(jié)分析可知，土層含水率及含鹽量變化主要由地形變化引起。距離山谷越近越容易匯水，土體含水率越高，較多的水分會(huì)帶來大量鹽分，導(dǎo)致土體鹽分含量增加。而坡度越大，雨水下滲量越小，且對(duì)地面沖刷力較大，因而土體含水率和鹽分含量較小。比如：圖8b～8d中在山谷處（實(shí)線處）水分含量最高，越接近山脊處（虛線處）水分含量越低；圖9b～9d中在山谷處鹽分含量最高，越接近山脊處鹽分含量越低；圖8a中山脊線上側(cè)等高線稀疏地形較緩，雨水容易下滲，土體含水率高，山脊線下側(cè)等高線密集地形較陡，雨水較難下滲，土體含水率低；圖9a中山脊線上側(cè)地形較緩，雨水容易下滲，從而攜帶大量鹽分下滲，導(dǎo)致土體鹽分含量高，山脊線下側(cè)地形較陡，雨水較難下滲，不利于鹽分下滲，因此土體鹽分含量低。

圖8 各窟土體水分含量圖Fig.8 Water content diagrams of the soil at different grottoes

圖9 各窟土體鹽分含量圖Fig.9 Salt content diagrams of the soil at different grottoes

4 結(jié) 論

本研究通過對(duì)云岡石窟頂部試樣的孔隙比、滲透系數(shù)、含水率和鹽分含量等各指標(biāo)的綜合分析，并結(jié)合云岡石窟頂部土層取樣位置處的植物覆蓋率和坡度數(shù)據(jù)，得到云岡石窟頂部表層土的水鹽分布特征，主要結(jié)論如下：

1）植被覆蓋率和地形坡度是影響土體含水率的主要因素，植被覆蓋率越高，土體含水量越高；取樣位置坡度越大，土體含水率越低。

2）土體鹽分含量與孔隙比、滲透性和含水率密切相關(guān)?？紫侗扰c滲透系數(shù)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，基本呈線性關(guān)系，土體孔隙比越大、滲透系數(shù)越大，水分越易下滲，從而攜帶鹽分下滲，導(dǎo)致下層土體鹽分含量越大。

3）山谷附近容易匯水，較多雨水匯集會(huì)帶來大量鹽分，水鹽的下滲量增大，土體水分和鹽分含量增加。而坡度越大，雨水下滲量越小，且對(duì)地面沖刷力較大，因而土體水分和鹽分含量較小。

所測數(shù)據(jù)基本能夠反映云岡石窟頂部土層中水鹽分布規(guī)律，接下來還需獲取更多不同位置、不同深度、不同時(shí)間土樣的水鹽信息，進(jìn)一步研究云岡石窟頂部土體水鹽的時(shí)空分布規(guī)律及鹽分運(yùn)移規(guī)律，從而有針對(duì)性地采取適當(dāng)措施，減小水分入滲引發(fā)鹽分下滲造成的石窟病害。