關(guān)鍵詞：石窟；水巖作用；劣化機理；防治措施；文物保護

石窟集建筑、雕塑、壁畫、書法于一體，具有極高的藝術(shù)價值，集中展示了中華民族的文化自信和價值理念。我國的石窟具有分布廣泛、規(guī)模宏大、體系完整的特征，根據(jù)2021 年國家文物局組織的全國石窟專項調(diào)查結(jié)果，全國共有石窟2 155 處，分布于四川、重慶、山西、甘肅等多個省份。

石窟是我國寶貴的文化遺產(chǎn)，在自然營力和人類活動的影響下，石窟常年遭受著各種類型病害的侵擾。在中國知網(wǎng)上搜索關(guān)鍵詞為“石窟”、“病害”的文章，用Vosviewer 軟件對這些文章進行可視化分析，如圖1 所示，在各類災(zāi)害中都有水的出現(xiàn)，涉及到水的病害在數(shù)量上和損害程度上占據(jù)了較大的份額。莫高窟一些洞室的窟頂在風化作用和雨水的沖刷下逐漸變薄，導致雨水輕易滲入窟內(nèi)[1]，石窟巖體和內(nèi)部的壁畫受到極大的影響。榆林窟的崖頂是砂礫石層，幾乎沒有膠結(jié)性，突發(fā)的集中降水很容易通過滲透性較強的砂礫層向下滲透，對石窟巖體及內(nèi)部文物造成威脅[2]。在龍門石窟中，溶蝕作用促進了石窟內(nèi)各種溶孔、溶隙的形成，其產(chǎn)物碳酸鈣還堆積在石質(zhì)文物的表面，破壞了石窟的完整性和觀賞性[3]。云岡石窟中的地下水在地溫場的作用下蒸騰成水汽，賦存于巖石包氣帶中的裂隙和孔隙中，當溫度降低時，對巖石產(chǎn)生侵蝕和凍脹破壞[4]。大足石刻的裂隙水通過浸濕軟化、滲流潛蝕、沉積破壞等作用方式對文物本體產(chǎn)生最直接、最嚴重的傷害[5]，其地下水通過各種裂隙下滲，不斷溶蝕巖體擴大裂隙，同時還滋生了許多微生物[6]。龍游石窟植被繁茂區(qū)域的有機物結(jié)合雨水形成酸性地表水滲入石窟，巖體進一步風化[7]。炳靈寺石窟中，滲水在冬季可形成數(shù)米的懸崖掛冰，當冰的重力達到一定程度時下墜，對崖面、下方石窟文物和游人產(chǎn)生威脅[8]。地區(qū)環(huán)境和氣候條件的差異導致了水對石窟破壞方式的多樣性。

目前，針對石窟中水害的劣化機理和防治措施已經(jīng)有大量研究，但是非水害的石窟病害中，水的作用往往被忽略。為了響應(yīng)和落實《“十四五”文物保護和科技創(chuàng)新規(guī)劃》和《關(guān)于加強石窟寺保護利用工作的指導意見》，更好地指導石窟保護工作，筆者對石窟中與水相關(guān)的問題進行了全面的梳理。首先，分析了石窟水源，水主要來自降雨、地下水和凝結(jié)水；其次，梳理了由水直接或間接導致的各類石窟病害問題和巖體劣化機理，病害類型包括開裂失穩(wěn)病害、水侵蝕病害、風化病害、生物病害，水作為中間介質(zhì)或最終介質(zhì)引起石窟巖體的材料劣化與結(jié)構(gòu)失穩(wěn)；最后，整理了石窟保護工作中針對雨水、地下水、凝結(jié)水的防治措施，以期為石窟病害診斷和防治提供參考。

1 石窟水源分析

賦存于石窟的水種類豐富，成分復雜，來源廣泛。按照其來源可以分為降雨、地下水、凝結(jié)水3 類。這些水通過不同的途徑、不同的形態(tài)滲入到石窟內(nèi)部，以不同的速度持續(xù)地侵害石窟巖體，導致各種石窟病害頻發(fā)，給石窟保護工作帶來了挑戰(zhàn)[9]。

1.1 降雨

在大氣中形成的水凝結(jié)成云，然后以液態(tài)的形式從云中落至地面的過程稱為降雨。一般性降雨為石窟提供了所需要的水分，維持了石窟內(nèi)部的濕度穩(wěn)定。但是，不穩(wěn)定性降雨是石窟內(nèi)部病害的主要誘因。降雨有2 種路徑進入石窟內(nèi)部。一是當降雨強度小于石窟上方巖石覆蓋層的入滲能力時，雨水完全入滲[10]，通過巖石間的孔隙、巖壁間的裂縫、石窟的自然通風等路徑緩慢滲透進石窟內(nèi)部。例如，云岡石窟山體地下水的主要補給來源就是大氣降水入滲，夏季強降雨和春季積雪的融化，都可能產(chǎn)生顯著的入滲補給作用[11]。其次，降雨會導致石窟內(nèi)部熱濕環(huán)境發(fā)生明顯變化，而熱濕環(huán)境的變化為細菌、藻類的生長和微生物的活動提供了有利條件，進而對石窟內(nèi)巖體造成損害[12]。二是當降雨強度大于石窟上方巖石覆蓋層的入滲能力的時候，就會產(chǎn)生地表徑流[10]。流水一般在石窟外部或者內(nèi)部經(jīng)過，往往帶有較高的速度和壓力，尤其是在經(jīng)過巖石裂隙、孔洞的時候，對石窟表面造成沖刷破壞。此外，降雨中的水分和溶解的氣體可以與石窟巖體發(fā)生化學反應(yīng)，導致石質(zhì)材料溶解，長期的降雨作用會導致石窟壁面的損壞和腐蝕。在降雨比較集中的時期，北石窟寺巖體上覆黃土層會發(fā)生形變，進一步導致巖體劣化，誘發(fā)巖體失穩(wěn)破壞[13]。

不同強度的降雨，誘發(fā)的石窟病害類型也不一樣。汪東云等[14]在探究大足石刻寶頂山石窟巖體風化的影響因素時，總結(jié)了暴雨、中雨小雨、霪雨霧氣3 種不同強度的降雨對石窟巖體的作用方式，指出在強降雨情況下，雨水對巖壁產(chǎn)生比較大的作用力，使松動的巖粒和切割體脫落，沿著裂隙貫入的方向發(fā)生機械潛蝕；在中小雨的條件下，雨水與巖石內(nèi)部的黏土礦物作用，巖石體積膨脹，在干燥后巖石體積收縮，在經(jīng)歷多次的干燥循環(huán)后，巖石產(chǎn)生大量微裂紋并逐漸形成空腔；霪雨霧氣浸潤巖石表面，誘發(fā)鹽害或者生物病害。

降雨作為一種自然現(xiàn)象，無論是處于北方干燥地區(qū)還是南方潮濕區(qū)域的石窟，都不可避免地要遭受到雨水的侵害。特別是干燥地區(qū)的石窟，如果區(qū)域內(nèi)發(fā)生相對集中且強度較大的降雨，對石窟保護工作是一次極大的挑戰(zhàn)。2012 年，莫高窟所在的區(qū)域內(nèi)發(fā)生了多次強降雨事件，歷時短，但雨量大，崖頂坡面的砂礫層經(jīng)雨水浸泡后軟化，雨水滲入崖體巖層，部分洞窟出現(xiàn)滲水情況，洞窟微環(huán)境出現(xiàn)較大波動，激發(fā)洞窟巖體中的鹽、水遷移，誘發(fā)深度惡化[15]。王彥武等[16]基于熱紅外成像調(diào)查北石窟降雨過程中雨水對崖壁的沖刷范圍，發(fā)現(xiàn)北石窟崖面總面積的59.4% 遭受著雨水的沖刷，這加速了北石窟崖體的風化。吳寶燕等[17]在調(diào)查云岡石窟水害時，發(fā)現(xiàn)云岡石窟所處的降雨集中區(qū)域，其石窟前緣受雨水沖刷，外壁雕刻遭受嚴重風化。降雨進入石窟內(nèi)部有雨水入滲和地表徑流2 種方式，引發(fā)的石窟病害包括生物風化、物理風化和化學風化3 種類型，如圖2 所示。石窟中出現(xiàn)病害的區(qū)域與降雨都有高度的關(guān)聯(lián)，應(yīng)當引起保護人員的注意。

1.2 地下水

地下水是指存在于地表以下含水層、巖石裂隙或者孔隙中的水資源。石窟是一種人工挖掘的空間，通常建立在山腳或者山崖之中，處于地下水脈流經(jīng)的位置，地下水是石窟中水分的重要來源。圖3 展示了地下水進入石窟內(nèi)部2 種主要方式和基本原理。地下水可以通過毛細上升和滲透作用進入石窟內(nèi)部，二者都是通過巖石間的孔隙或者裂隙進入石窟，但是各自的原理又有所不同。巖石本身具有微小的孔隙和裂隙，是在漫長的地質(zhì)構(gòu)造中形成的，它們之間相互連接，具有一定的連通性，形成滲透網(wǎng)絡(luò)。當水頭差形成的時候，水就會從水頭高的地方流向水頭低的地方，水順著巖石中的孔隙向下滲透，最終達到石窟內(nèi)部。毛細現(xiàn)象是固體吸附力與液體表面張力共同作用、達到平衡的結(jié)果，巖石是由多種親水性礦物組成的多孔介質(zhì)，當水進入到巖石中的時候，巖石被潤濕，水分子的表面張力和巖石的潤濕性引起毛細力，水克服自身重力，在毛細力的驅(qū)動下進入石窟內(nèi)部[20?21]。當水達到平衡狀態(tài)時，停留的高度為

式中：h 為毛細上升高度；Ts為水相表面張力；θY 為接觸角；d 為孔隙直徑；ρw 為水的密度。毛細水與凍融循環(huán)、干濕循環(huán)、可溶鹽析出等多種破壞過程有著直接或間接的聯(lián)系[22]。影響巖石毛細吸水能力的因素有很多，包括石窟內(nèi)部溫度、液體類型、孔徑大小、孔隙數(shù)量和微觀結(jié)構(gòu)等[23?25]。毛細作用是水分子在分子引力的作用下通過巖石孔隙，而滲透作用是水在壓力差作用下通過巖石孔隙。在實際情況中，地下水進入石窟內(nèi)部是毛細上升與孔隙滲透共同作用。毛細作用使地下水通過微小通道上升，滲透則在更大的孔隙或裂隙中發(fā)揮作用，二者共同實現(xiàn)地下水進入石窟內(nèi)部的過程。

地下水是石窟中水分的來源之一，查明水的來源，需要將氣象、地質(zhì)地貌、入滲條件等進行全面觀測、詳細分析[26]。Lu 等[27]利用表面核磁共振方法和自然電位法2 種無損探測方法探究金燈寺石窟滲水來源，探測結(jié)果表明，巖石裂隙滲水是金燈寺石窟滲水的主要源頭之一。Li 等[28]將莫高窟中的一個窟室完全封閉起來，測量窟室圍巖的水蒸氣含量，通過分析蒸發(fā)特征、圍巖溫度和濕度，確定了莫高窟中水分的主要來源是潛水。圍巖的溫度波動和地熱力是水分蒸發(fā)的基本動力，在這2 個因素的驅(qū)動下，潛水蒸發(fā)遷移，擴散到莫高窟的窟室中去。莫高窟重點保護區(qū)域?qū)儆诘叵滤毞^(qū)，僅有的地下水賦存于上更新統(tǒng)玉門礫巖裂隙帶和中更新統(tǒng)酒泉礫巖中，大泉河沖洪積扇的中下部地帶普遍分布有地下潛水，地下水補給來源主要是附近流域地下水的徑流補給[29]。袁偉等[30]在研究安岳毗盧洞石窟的時候，發(fā)現(xiàn)石窟所處的地層中構(gòu)造裂隙、風化裂隙與層面裂隙相互交錯，構(gòu)成了巖體滲流網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)造了包氣帶水形成的良好條件。進入構(gòu)造裂隙的包氣帶水一部分直接排泄，導致窟內(nèi)濕度過高，剩下的排泄至石窟平臺處。

地下水的形成與地質(zhì)條件、地表滲透性以及地下水循環(huán)等因素密切相關(guān)。地下水的遷移有滲透作用和毛細上升2 種方式。針對石窟的保護和可持續(xù)利用，需要深入了解地下水的形成機理和水分遷移運動的規(guī)律，有效遏制石窟中病害的產(chǎn)生。

1.3 凝結(jié)水

石窟通常是封閉或者半封閉結(jié)構(gòu)，不容易受到外部空氣的直接影響，窟內(nèi)與窟外有一定的溫度差，窟內(nèi)的濕度通常較高。這些環(huán)境因素為凝結(jié)水的形成提供了良好的條件。

Monteith[32]在1965 年提出了凝結(jié)水理論，指出凝結(jié)是由于空氣中的飽和水汽含量超過了某一表面的飽和水汽含量而發(fā)生的。當空氣接觸到相對較冷的表面時，水蒸氣會凝結(jié)成液態(tài)水。物理學中的大氣水分膜狀凝結(jié)原理指出，當水汽遇到接觸角小的低溫壁面，會逐漸潤濕壁面，并形成一層液膜，如圖4 所示[33]。比較石窟內(nèi)墻壁的表面溫度和露點溫度，可以判斷空氣中的水汽是否發(fā)生了凝結(jié)。所謂露點溫度，就是指水蒸氣凝結(jié)的溫度。當墻壁表面溫度低于露點溫度，水汽就會發(fā)生凝結(jié)。凝結(jié)水形成的2 個必要因素是濕度和凝結(jié)核，大氣中的水汽能在空氣中的懸浮顆粒上凝結(jié)形成小水滴[34]，這種懸浮顆粒就是凝結(jié)核。如果缺少凝結(jié)核，即使空氣中相對濕度很大，也不會發(fā)生凝結(jié)。石窟中相對濕度不會超過100%，可以確認石窟中凝結(jié)水的形成與可溶性凝結(jié)核有關(guān)，一般來自于被風化的、附著于巖壁的粉塵[35]。水汽由氣態(tài)變成液態(tài)成為凝結(jié)水對石窟進行破壞，而石窟中的水汽來源主要是空氣和地下水。潮濕石窟內(nèi)的空氣在達到露點溫度時，遇到冰冷的巖石成為凝結(jié)水。特別是在寒冷的冬季，石窟內(nèi)相對濕度大、晝夜溫差大，在這種環(huán)境中極易形成凝結(jié)水。還有一部分水汽賦存于巖石的包氣帶的裂隙和孔隙中，在地溫場的作用下，蒸騰形成水汽擴散到石窟內(nèi)部，在溫度降低時形成凝結(jié)水[4]。巖石表面的凝結(jié)水會通過巖石裂隙或者孔隙滲入巖石中，當冬季降溫時，這些存儲在巖石內(nèi)部的水結(jié)冰，產(chǎn)生凍脹破壞[36]。研究還發(fā)現(xiàn)，在凝結(jié)水出現(xiàn)比較頻繁的區(qū)域，發(fā)生鹽害的頻率也會比較大[37]。水汽除了在巖石外部凝結(jié)，也可能在巖石內(nèi)部凝結(jié)。Huang[38]確定了凝結(jié)水從氣態(tài)變成液態(tài)的露點溫度，隨后采集了云岡石窟的砂巖作為樣品進行驗證實驗，利用溫度與相對濕度分析、電阻和濕度分析研究了水從氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)的過程，得出“當溫度和濕度從巖石外部到內(nèi)部降低的時候，凝結(jié)水就已經(jīng)在巖石內(nèi)部形成”的結(jié)論。如果僅僅只關(guān)注在巖石表面形成凝結(jié)水，忽略水汽在巖石內(nèi)部一次又一次凝結(jié)，對石窟巖體是非常大的傷害。

季節(jié)變化、晝夜變化、降雨等自然環(huán)境的變化會對水汽凝結(jié)產(chǎn)生影響。李燕等[39]在研究麥積山石窟的凝結(jié)水形成機理的時候，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)只有夏、秋兩季的環(huán)境條件可以促進凝結(jié)水的形成；而在分析晝夜變化時，指出一天中凝結(jié)水出現(xiàn)只有2 個時間段，一個是氣溫升高使露點溫度達到峰值導致其高于洞壁溫度的下午；一個是溫度降低導致洞壁溫度低于露點溫度的夜間。蘇美亮等[40]利用紅外熱成像技術(shù)對大足石刻千手觀音進行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)千手觀音春季的凝結(jié)水分布是最多的，冬季最少。方云等[41]在對龍門石窟潛溪寺的凝結(jié)水進行定量測試時，對比了早、中、晚3 個時段的凝結(jié)水生成速率，指出上午的凝結(jié)水生成速率最大。馬策[42]針對2020 年8 月云岡石窟的一次典型降雨，利用紅外熱成像技術(shù)對降雨前后100 h 壁面的溫度進行了監(jiān)測，指出降雨前和降雨期間的大氣絕對濕度增大，洞窟內(nèi)空氣露點溫度上升，壁面出現(xiàn)凝結(jié)水。降雨期間空氣溫度驟降，洞窟內(nèi)不再具備凝結(jié)水的形成條件，可以通過降低空氣溫度來避免凝結(jié)水的生成。因此，保護人員要根據(jù)環(huán)境的實際變化，采取針對性的措施，避免造成更大程度的傷害。

凝結(jié)病害是石質(zhì)文物中的三大水害之一。凝結(jié)水存在于石窟巖體的內(nèi)部與外部，其破壞的表現(xiàn)形式涵蓋鹽害、凍脹、溶蝕等多個方面。隨著人們對凝結(jié)水危害的重視，凝結(jié)病害的研究也更深入。

2 石窟水致劣化機理

我國石窟種類繁多、規(guī)模龐大、分布廣泛，不同的地域環(huán)境造就了不同的文化，也滋生了不同的石窟病害，需要一個規(guī)范體系來整合歸納石窟病害的類型[43]。水誘發(fā)的石窟病害類型包括開裂失穩(wěn)病害、水侵蝕病害、風化病害、生物病害。在文物病害的形成過程中，水發(fā)揮的作用有大有小，需要根據(jù)具體的破壞過程進行分析。

2.1 開裂失穩(wěn)病害

開裂失穩(wěn)指的是石窟巖體、石窟圍巖等由于外界環(huán)境的作用，導致固有的力學特性劣化，出現(xiàn)巖體開裂、變形乃至失穩(wěn)崩落的破壞現(xiàn)象。石窟巖體開裂失穩(wěn)會對石窟本體產(chǎn)生難以修復的毀滅性損害。

2.1.1 軟化作用

一些軟巖在長期浸水后出現(xiàn)軟化效應(yīng)，導致巖石的強度變低，穩(wěn)定性變差[44]。外力作用在石窟巖體上，裂縫在巖石內(nèi)部擴張，巖體出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，隨時有坍塌的風險。巖石吸水軟化的機理主要有2 種。首先，在石窟中最常見的就是水與巖石成分發(fā)生化學反應(yīng)，成巖礦物被溶解，使巖石強度降低。大足石刻中的北山石刻是在砂巖上雕鑿而成，砂巖中含有大量的泥質(zhì)物，例如，石英、鈉長石等。當砂巖遇水軟化后，形成易于失穩(wěn)的軟弱層，相鄰的巖層失去依靠，導致巖體發(fā)生位移，面臨著坍落的風險[45]。另外一種機理是應(yīng)力垮塌作用。Hadizadeh[46]在探究砂巖遇水弱化的問題時，指出砂巖中裂紋尖端處于拉伸狀態(tài)，但強度較大的Si-O-Si鍵被強度較弱的Si-OH-OH-Si 鍵代替，誘發(fā)裂紋拓展。黃宏偉等[47]分析了不含蒙脫石的泥巖遇水軟化過程中，微觀結(jié)構(gòu)隨時間變化的動態(tài)特征， 指出水破壞了顆粒間的連接，進入層狀顆粒之間， 導致大量不均勻內(nèi)應(yīng)力和微隙在巖石內(nèi)部產(chǎn)生。張娜[48]認為巖石吸水軟化的根本原因在于黏土礦物的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，而非水與黏土礦物發(fā)生反應(yīng)導致其形態(tài)變化?？偠灾?，是巖石內(nèi)部的宏觀形態(tài)或者微觀結(jié)構(gòu)的改變導致巖石力學性質(zhì)發(fā)生了改變，引發(fā)巖體失穩(wěn)。

2.1.2 凍脹作用

對于北方石窟來說，凍融交替引起的巖體破壞是一種常見的病害。云岡石窟坐落在山西省北部，冬季最低氣溫可達-30 ℃，屬于典型的高寒地區(qū)，其遭受循環(huán)凍融而引起的破壞較為嚴重[49]。大量研究表明，巖石中的小孔隙不斷拓展連通形成大孔隙，導致巖石的抗拉強度、波速等物理力學性質(zhì)在頻繁的凍融循環(huán)中發(fā)生劣化[50?54]。凍融交替作用對石窟的傷害主要體現(xiàn)在巖石的強度降低之后，石窟更容易遭受破壞，巖體表層出現(xiàn)開裂、剝落現(xiàn)象。關(guān)于巖石的凍融損傷機理觀點不一，賈海梁[55]認為巖石損傷與水主要有3 種相互作用。1）體積膨脹作用：水-冰相變過程中體積大約膨脹了9.05%[56]，受到周圍剛性空間的限制，對孔隙壁施加了壓力，當壓力超過了巖石的抗拉強度時，巖石就會開裂。2）冰楔作用：巖石是一種天然的多孔材料，水分可以儲存在巖石表面和內(nèi)部[57]。孔隙水在結(jié)冰的過程中不能立即凍結(jié)并且還處于遷移的過程中，這就導致冰晶體持續(xù)生長，造成裂縫逐漸擴大[58]。3）靜水壓理論：結(jié)冰過程中，未凍水被冰驅(qū)趕進巖石內(nèi)部，如果凍結(jié)速率足夠快或者巖石的滲透系數(shù)較低，未凍水就會對巖石產(chǎn)生壓力，引起巖石的損傷[59]。巖石的凍融損傷是多種因素耦合的結(jié)果，分為外因和內(nèi)因[60]。為了探究影響石窟巖體凍融損壞的因素，許多學者進行了巖石凍融循環(huán)的模擬實驗。楊鴻銳等[61]對麥積山石窟砂礫巖進行了凍融循環(huán)模擬實驗，設(shè)置了3 個溫度區(qū)間，指出溫度對巖石凍融損壞起到了關(guān)鍵性作用，溫度越低，巖石劣化越劇烈。Sun 等[62]對太原龍山石窟的砂巖進行了凍融循環(huán)模擬實驗，設(shè)置了不同的循環(huán)次數(shù)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，巖樣的孔隙度也隨之增大，巖石損傷程度增大。可見長期的低溫環(huán)境會對石窟產(chǎn)生持續(xù)性的傷害。劉向峰等[63]對比了云岡石窟砂巖在完整與缺陷狀態(tài)下的凍融損傷程度，完整巖樣在經(jīng)歷凍融循環(huán)后的抗壓強度明顯要比缺陷的巖樣的抗壓強度高。張景科等[64]也指出在凍融循環(huán)過程中裂隙催化了北石窟砂巖的劣化，裂隙的拓展是巖樣孔隙率上升的關(guān)鍵因素。凍融循環(huán)的發(fā)生需要低溫環(huán)境，因而凍脹破壞并不是我國石窟的一個共性問題，但是應(yīng)當引起文物保護工作者的注意。

綜上所述，軟化作用導致巖體自身的力學性質(zhì)發(fā)生改變，強度降低；凍脹作用是在巖體內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，當裂縫發(fā)育到一定程度時，巖體失穩(wěn)變形，如圖5 所示。巖體分離體的脫落不僅對文物本體產(chǎn)生了不可逆轉(zhuǎn)的損害，還會對游客的生命安全產(chǎn)生威脅。因而，有必要采取措施對已經(jīng)出現(xiàn)失穩(wěn)預兆的巖體進行加固，常用的方式是錨桿加固和裂隙灌漿。同時，也要從源頭上解決問題，密切關(guān)注石窟中水的存在和遷移。

2.2 水侵蝕病害

國際古跡遺址理事會石質(zhì)學術(shù)委員會將侵蝕歸為缺失狀病害，水侵蝕病害是指在水的作用下，石窟巖體出現(xiàn)缺失現(xiàn)象，圖6 展示了石窟文物在滲水作用下發(fā)生侵蝕病害的情況。水巖之間發(fā)生的反應(yīng)通常是化學反應(yīng)、物理反應(yīng)、力學反應(yīng)單獨或者共同作用。文中主要闡述酸雨侵蝕和水合作用2 個劣化機理。

2.2.1 酸雨侵蝕

酸雨對巖石的侵蝕作用是指水中的溶解物質(zhì)與巖石顆粒發(fā)生化學反應(yīng)，改變了巖石的微觀結(jié)構(gòu)、組成成分、孔隙結(jié)構(gòu)，導致巖石發(fā)生破壞。在溶蝕的作用下，石窟巖石出現(xiàn)了形態(tài)各異的溶洞、溶溝和溶孔，造成了石窟巖體的空架結(jié)構(gòu)，降低了巖體的強度，破壞了石窟的完整性和美學性[67]。大量煤炭的燃燒導致二氧化氮、二氧化硫等有害氣體產(chǎn)生，加劇了酸雨的形成[68]。酸雨是開放環(huán)境下加速巖石劣化的主要潛在因素[69]。

砂巖是我國石窟最常見的賦存巖石類型，砂巖型石窟占了全國石窟的80% 以上[70]。因此，研究砂巖在酸雨條件下的劣化特征和機理，具有一定的實際意義。砂巖的礦物成分主要為石英、長石、方解石等，石英在中性溶液中的溶解效率比酸性溶液中的強，而長石恰恰與之相反[71]，因此，主要闡述酸性溶液中長石的溶解作用。長石是具有架狀結(jié)構(gòu)的鋁硅酸鹽，在化學上，硅（鋁）氧四面體之間以橋鍵氧相聯(lián)，四面體與鉀、鈉、鈣等陽離子之間以非橋鍵氧相接[72]。長石在流體中的溶解反應(yīng)，主要發(fā)生在橋鍵氧和非橋鍵氧上，這個過程包含了離子交換反應(yīng)、水解反應(yīng)、質(zhì)子化反應(yīng)一系列復雜的反應(yīng)。最終的結(jié)果就是硅（鋁）氧四面體中的硅、鋁及硅（鋁）氧四面體外的鉀、鈉、鈣等從長石的骨架中脫離出來，進入溶液[73]。鉀長石、鈉長石、鈣長石在酸性溶液中的化學反應(yīng)式如下[74]：

2KAlSi3O8 + 2H+ + 9H2O → Al2Si2O5 （ OH ）4 + 4H4SiO4 + 2K+， （2）

2NaAlSi3O8 + 2H+ + 9H2O → Al2Si2O5 （ OH ）4 + 4H4SiO4 + 2Na+， （3）

2CaAlSi3O8 + 2H+ + 9H2O → Al2Si2O5 （ OH ）4 + 4H4SiO4 + 2Ca2 +。（4）

長石的溶解形成了次生孔隙，巖體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變得松散，在水流的沖擊下，松散堆積體被帶走。謝振斌等[75]選用四川崖墓石刻砂巖，進行模擬酸雨試驗。巖石在與酸雨接觸后，出現(xiàn)酥松、局部起泡和脫落現(xiàn)象，強度降低，抗風化性能變差。

另一種容易遭受酸雨溶蝕的巖石是石灰?guī)r，石灰?guī)r韌性較好，易于雕刻，我國保留著大量的石灰?guī)r石質(zhì)文物。石灰?guī)r的主要成分是碳酸鹽，環(huán)境中能夠溶解碳酸鹽的物質(zhì)主要是H2CO3、H2SO4 和HNO3，主要來源于大氣中的CO2、SO2以及NOx，以碳酸鈣為例，其溶解過程反應(yīng)式如下：

CO2：CaCO3 + H2O + CO2 → Ca （ HCO ）3， （5）

SO2：CaCO3 + H2O + SO2 → CaSO4 + H2O + CO2 ↑， （6）

NOx：CaCO3 + H2O + NOx → Ca （ NO3 ）2 + H2O + CO2 ↑。（7）

石灰?guī)r中的碳酸鈣在酸雨的淋濾作用下變成CaSO4 和Ca（HCO3）2，CaSO4 的溶解度較高，Ca（HCO3）2 本來是離子狀態(tài)，被水流帶走，堅硬的巖石變得松散[76]。陳為昌等[77]模擬了硫酸型酸雨加速侵蝕石灰?guī)r的室內(nèi)試驗，研究酸雨作用下碳酸鹽巖類文物的侵蝕過程和機理。結(jié)果表明，石灰?guī)r在酸雨的淋蝕作用下發(fā)生溶解脫落，新暴露出來的巖石繼續(xù)與酸雨發(fā)生化學作用，加速了巖樣的質(zhì)量損失。

目前研究主要集中于不同外界條件下酸性液體對巖石侵蝕速度的影響。Zhang 等[78]采用大足石刻釋迦摩尼砂巖作為樣本進行了酸雨循環(huán)實驗，發(fā)現(xiàn)較高的H+ 離子濃度會加速砂巖的劣化。林云等[79]開展了不同賦存環(huán)境下碳酸鹽巖石的溶蝕模擬實驗，發(fā)現(xiàn)碳酸鹽巖在開放環(huán)境侵蝕性最強，半封閉環(huán)境次之，封閉環(huán)境最弱。余敏等[80]開展不同壓力、不同溫度下碳酸鹽巖溶蝕模擬實驗，指出碳酸鹽巖的侵蝕量與溫度呈反比、與壓力成正比，且溫度效應(yīng)大于壓力效應(yīng)，符合化學熱力學的規(guī)律。

2.2.2 水合作用

巖石的水合作用是指巖石內(nèi)部的礦物成分與水分子發(fā)生反應(yīng)，其中礦物成分的一個官能團或原子與水分子結(jié)合。在水化反應(yīng)中，通常只涉及一個物質(zhì)分子或離子與一個水分子結(jié)合，形成水合物。一方面，水合作用改變了巖石的原有構(gòu)造，降低了巖石強度，使其更容易遭受到外部環(huán)境的侵蝕。例如，石膏（CaSO4）在經(jīng)歷水合作用后會變成硬石膏（CaSO4·2H2O），硬石膏的強度一般比石膏要低。砂巖中的長石在經(jīng)歷水合作用后變成了水云母，其硬度比原來低，抗侵蝕能力降低[81]。另一方面，在水合作用的過程中，礦物體積膨脹，對巖石造成巨大的壓力，這個壓力就是水合壓力。Mortensen[82]提出的水合壓力的計算公式為

式中：Ph為水合壓力，Pa；R 為氣體常數(shù)，J·mol-1·K-1；T 為絕對溫度，K；Vw為結(jié)晶水的絕對體積，m3·mol-1；Pw為給定溫度T 條件下的水蒸汽壓，Pa；Phyd 為水合鹽的蒸汽壓，Pa。一些物質(zhì)轉(zhuǎn)化為水合物之后，體積膨脹。七水硫酸鎂的體積較無水硫酸鎂體積的大約增長了173%[83]，無水硫酸鈉的水合物十水硫酸鈉，其體積相較于無水狀態(tài)，大約增長了314%[84]?；瘜W方程式為

MgSO4 + 7H2O → MgSO4?7H2O， （9）

Na2SO4 + 10H2O → Na2SO4?10H2O。（10）

由高嶺土、水云母等組成的泥質(zhì)膠結(jié)物與水發(fā)生水合反應(yīng)，礦物顆粒體積膨脹，對基巖造成傷害[85]。四川廣元千佛崖石窟在經(jīng)歷降雨之后，水沿著裂隙滲透進石窟巖體，其中的硬石膏遇水膨脹，水化為石膏，體積增長了31%，產(chǎn)生了0.15 MPa 的水合壓力[86]。因此，當巖體中的泥質(zhì)膠結(jié)物與水發(fā)生水合反應(yīng)，巖體受到水合壓力作用發(fā)生劣化，巖體顆粒間的連接以及巖層內(nèi)部與外部的連接被破壞，巖石表層疏松產(chǎn)生裂縫，出現(xiàn)剝蝕、脫落現(xiàn)象，加劇了水侵蝕的速度。

綜上所述，關(guān)于石窟中的水侵蝕病害，主要梳理了酸雨侵蝕和水合作用2 種劣化機理。砂巖型石窟被含酸溶液侵蝕，是砂巖中的長石與酸發(fā)生化學反應(yīng)，而灰?guī)r型石窟是碳酸鹽與酸發(fā)生反應(yīng)。二者的反應(yīng)過程不同，但最終結(jié)果都是導致巖體結(jié)構(gòu)松散，易于侵蝕。同樣地，石窟巖體中的成分在變成水合物的過程中，其原本的硬度降低，還會產(chǎn)生水合壓力，導致巖石表層出現(xiàn)剝蝕、脫落現(xiàn)象，水侵蝕速度進一步加快。酸雨侵蝕和水合作用都屬于水與巖石之間的化學反應(yīng)，巖石成分發(fā)生改變。

2.3 風化病害

石窟的風化病害是指在大氣營力、生物活動和人類活動的因素影響下，文物表層出現(xiàn)材料劣化、結(jié)構(gòu)損傷、外貌形態(tài)變化的現(xiàn)象，對文物的價值產(chǎn)生一定程度的影響[43]。風化按照劣化機理分類，可以分成物理風化和化學風化。在這里主要闡述水參與環(huán)境下的鹽風化和機械風化的劣化機理。

2.3.1 可溶鹽破壞

鹽風化的過程是物理風化與化學風化共同作用的過程。從作用的機理來看，在鹽風化的過程中涉及到礦物成分的改變，應(yīng)當屬于化學風化；從作用的結(jié)果來看，鹽風化只是巖石內(nèi)部的礦物成分在水的干涉下發(fā)生體積膨脹，對周圍的巖石產(chǎn)生壓力，加速了巖石的崩解，屬于物理風化。因此，徐叔鷹[87]總結(jié)鹽風化是屬于化學風化與物理風化之間的一種過渡類型，以化學過程為機理，以物理過程為結(jié)果。鹽風化是巖石風化的核心要素[88]。鹽風化是指可溶鹽在環(huán)境作用下經(jīng)歷膨脹收縮循環(huán)，最終造成巖石粉化的現(xiàn)象。產(chǎn)生風化的鹽種類繁多，一般以硫酸鹽、氯化物為主[89]。鹽的風化是存在于石窟的共性問題。云岡石窟內(nèi)鹽大量堆積（見圖7（a）），且鹽的形態(tài)多樣，以棉絮狀為主，其次是鐘乳狀[90]。莫高窟所處的環(huán)境氣候干燥、晝夜溫差大，為可溶鹽在巖體表面堆積提供了適宜的條件[91]（見圖7（b））。延安清涼山石窟多處區(qū)域出現(xiàn)返堿現(xiàn)象（見圖7（c）），可見大量鹽結(jié)晶析出[92]。因而，解決石窟內(nèi)可溶鹽析出問題刻不容緩，研究石窟內(nèi)水鹽的遷移規(guī)律和積累機理，才是解決問題的根本。

鹽分的遷移與水密切相關(guān)，水鹽運移是引起鹽害的根本原因[95?97]。地下水是石窟中鹽的主要來源，石窟巖體在地下水的淋濾作用下，巖層中含有的礦物成分被水氧化水解[98]。因為巖石屬于多孔材料，水在滲透作用或者毛細作用下通過巖體內(nèi)部的孔隙或者裂隙帶動鹽分遷徙。Jiang 等[94]在研究云岡石窟水鹽運移的時候發(fā)現(xiàn)，鹽的生成與土壤和巖石風化帶的垂直運移有關(guān)，鹽運移源于土壤，經(jīng)過砂巖風化帶，最終在石窟內(nèi)部聚集。此外，空氣中的粉塵有時候會充當水汽的凝結(jié)核，跟隨凝結(jié)水沉降吸附到巖石表面，成為石窟中鹽分的另一來源[99]。隨后，鹽在環(huán)境的作用下結(jié)晶并產(chǎn)生壓力，當壓應(yīng)力超過石窟巖體的抗拉強度時，就會引發(fā)巖石破壞，擴大原有孔隙，產(chǎn)生新的裂縫，為鹽分富集提供更多的空間，周而復始，成為一個惡性循環(huán)[9]。目前，認為鹽風化有3 種機理：結(jié)晶、水合、熱膨脹[100]。結(jié)晶壓力被認為是導致鹽風化的主要誘因。當溫度升高、水分蒸發(fā)、鹽分析出時，鹽晶體在巖石的孔隙中受到周圍空間的限制，對巖石施加一個擠壓力[101]，導致顆粒鍵局部斷裂，這個擠壓力就是結(jié)晶壓力。在結(jié)晶壓力的作用下，巖石發(fā)生脫落剝離，抗風化能力降低。水合壓力是除了結(jié)晶壓力之外另一個導致鹽風化的重要機理。許多鹽分在吸水之后會發(fā)生相變，轉(zhuǎn)化為水合物，體積發(fā)生膨脹，對孔隙壁產(chǎn)生擠壓力。在氣候濕度和巖石表面溫度的變化下，寄存于巖石內(nèi)部的鹽晶體反復經(jīng)歷干濕交替循環(huán)，于是鹽晶體在巖石孔隙中反復膨脹收縮[92]，導致巖石疏松膨脹，抗風化能力大大降低。鹽分和巖石產(chǎn)生的熱膨脹差異也是導致巖石劣化的不可忽略的因素。一般鹽分的熱膨脹系數(shù)比巖石的礦物成分的熱膨脹系數(shù)大[100]，導致當溫度變化時，鹽分的膨脹程度比巖石礦物的膨脹程度大，鹽分對孔隙壁產(chǎn)生膨脹壓力，造成破壞。雖然，鹽分膨脹的熱應(yīng)力對巖石的影響甚微，但是在溫度反復變化下，巖石難免會發(fā)生疲勞破壞。上述3 種機理共同作用在石窟巖體上，只有弄清楚可溶鹽的劣化機理，才能采取相應(yīng)的保護措施。除此之外，鹽以固體的形態(tài)附著于文物上，影響了石窟的外觀形態(tài)，破壞了其美學價值，對石窟文物也是一種傷害。

2.3.2 水力沖刷

巖石表層的成分在水流壓力沖擊下脫離巖石，被水流帶走，這一個過程稱為水力沖刷。常年遭受水力沖刷作用的巖石區(qū)域比較容易出現(xiàn)風化現(xiàn)象，粉狀、層狀、塊狀等不同形態(tài)的脫離體堆積在巖石表面，不僅影響了石窟的美觀性，還降低了巖石的強度，抗風化性能降低。水力沖刷是物理作用過程，中國的石窟中基本上存在這種現(xiàn)象。潼南大佛寺的地表水直接從巖頂排泄形成一條沖溝，破壞了石窟巖體整體結(jié)構(gòu)，并伴有巖面顆粒、塊狀脫落現(xiàn)象[102]。天龍山石窟在經(jīng)歷暴雨之后，崖壁上存在大面積的面流現(xiàn)象，對崖壁上的石雕和石像造成了傷害，波及范圍比較廣。安岳毗盧洞石窟所處的區(qū)域降水充沛，石刻造像均為開放型石窟，地面徑流可以直接作用在石窟文物的表面，對石窟巖體造成沖刷風化[30]。云岡石窟所處的區(qū)域降水量相對不多，但是與毗盧洞石窟一樣，所存的石窟幾乎全部暴露在自然之中，在歷史的變遷中，石窟外壁雕刻被雨水沖刷破壞，僅存的雕刻也只剩一個朦朧的輪廓[103]。大足石刻雕刻于砂巖之上，膠結(jié)物主要以泥質(zhì)與鈣質(zhì)為主，在流水的過程中，泥質(zhì)膠結(jié)物被水流帶走，鈣質(zhì)膠結(jié)物與水中的成分發(fā)生化學反應(yīng)后被水帶走，表層出現(xiàn)顆粒剝落風化破壞[5]。

如圖8 所示，鹽風化是物理化學耦合作用的一個過程，水在其中的主要作用是生產(chǎn)和運輸。巖石中的礦物成分溶解于水中形成鹽，水又帶動鹽遷移至石窟內(nèi)部。機械風化主要是水力沖刷的過程，是一種物理作用，水在其中發(fā)揮了撞擊和運輸功能。在流水的作用下巖石表層松動脫離，分離體又隨著流水遷移。針對石窟的風化現(xiàn)象，應(yīng)對其形成機理進行針對性的修復措施，將風化對石窟產(chǎn)生的傷害降到最低。

2.4 生物病害

由于生物生長致使石窟巖體表層受到微觀、結(jié)構(gòu)、外貌的破壞稱為石窟的生物病害。在生物病害中，生物的種類大致有植物、微生物和動物3 類[43]。其中，微生物的繁殖與水有高度的相關(guān)性，以下主要闡釋水是如何誘發(fā)微生物病害的。

2.4.1 微生物破壞

研究表明，在所有影響微生物生長的環(huán)境因素中[104]，濕度是與其相關(guān)性最高的，水汽的增長為微生物的生長提供了有利的環(huán)境。He 等[105]用高通量測序分析了麥積山石窟正常墻壁樣品和微生物斑塊的細菌和真菌群落來探究影響微生物爆發(fā)的環(huán)境因素，典型關(guān)聯(lián)分析（CCA）表明石窟內(nèi)外的濕度過高是微生物爆發(fā)的主要原因。胡軍艦等[106]分析了麥積山石窟第32 窟大環(huán)境、微環(huán)境中的溫濕度的變化特征，指出微生物的爆發(fā)與相對濕度季節(jié)性變化高度吻合、窟門位置和洞窟深處的病害是最嚴重的，根本原因是長時間的高濕度環(huán)境。武發(fā)思等[107]在研究太原北齊徐顯秀墓的微生物病害時指出濕度是真菌生長的關(guān)鍵因素，高濕度的賦存環(huán)境、凝結(jié)水都促進了微生物爆發(fā)的進程。

大多數(shù)石窟光照缺乏，通風不足，不能提供微生物繁殖所需要的養(yǎng)分和水分，是一種寡營養(yǎng)環(huán)境[12]。而有些微生物具有超強的環(huán)境適應(yīng)能力，能夠在極端環(huán)境中生存。當石窟內(nèi)部由于降雨或者其他原因?qū)е聺穸壬仙龝r，空氣中的水汽形成凝結(jié)水吸附在石頭上，不僅為微生物的定殖提供了水分，凝結(jié)水還溶解了一些化合物為其提供了營養(yǎng)物質(zhì)，這也是濕度影響微生物生長的原因[108]。微生物對石窟的侵害可以分為表觀損害和內(nèi)部侵蝕。微生物會釋放色素，在石窟巖石的表面形成星星點點的斑狀污染物。細菌、真菌、藻類都有產(chǎn)生有色代謝產(chǎn)物的能力，包括但不限于白色、灰色、黃色、粉色等[12]。假諾卡式菌會產(chǎn)生白色污染[109]，放線菌會在巖石表面形成灰色斑點[110]，鏈霉菌參與石質(zhì)文物劣化的途徑就是產(chǎn)生生物色素，包含黑色素、類胡蘿卜素（紅色、黃色、粉色、紫色）以及與放線菌有關(guān)的藍色素[111]。微生物還可以通過生成綠色生物膜的方式對文物表面造成污染，這類微生物以藻類為主，例如，拉科斯洞穴內(nèi)綠藻不受控制的繁殖導致了綠色生物膜生成[112]。微生物對巖石內(nèi)部的侵蝕可以總結(jié)為物理作用和化學作用。菌絲體侵入巖石內(nèi)部后，生長過程對其周圍的巖石產(chǎn)生孔隙壓力，直接引發(fā)應(yīng)力破壞、巖縫擴大，導致巖石表層脫落[113]。微生物代謝的產(chǎn)物有O2、CO2、無機酸和有機酸等，無機酸包括亞硝酸、硝酸、硫酸等[114]，有機酸有葡萄酸、乳酸、檸檬酸等[115]。代謝產(chǎn)物通過溶解巖石中的礦物成分造成巖石劣化，還有可能與巖石中的無機物反應(yīng)生成鹽，造成鹽風化破壞。有機酸還可以絡(luò)合巖石中的金屬離子，破壞礦物晶格的穩(wěn)定，加速巖石性能退化[18， 116]。

綜上所述，高濕度的環(huán)境給微生物的繁殖提供了水分和養(yǎng)分，適宜微生物大量繁殖。微生物繁殖后，對石窟造成的傷害包括表觀破損和內(nèi)部侵蝕。表觀破損是由于微生物產(chǎn)生了色素（見圖9（a））和生物膜（見圖9（b）），污染了文物本體，影響了其觀賞性。而內(nèi)部侵蝕又可以歸納為物理作用和化學作用，物理作用微生物菌絲穿透至巖石，造成裂隙發(fā)育（見圖9（c））；化學作用是微生物產(chǎn)生酸與巖石發(fā)生反應(yīng)，造成巖石侵蝕（見圖9（d））。石窟所處的環(huán)境和建筑構(gòu)造決定了勢必會受到微生物的破壞，需采取措施應(yīng)對微生物破壞。

3 石窟防水治水措施

3.1 降雨治理

3.1.1 窟檐防雨

窟檐是最普遍的一種防雨水的設(shè)施?？唛艿淖饔弥饕? 種：1）減少壁面雨水沖刷和潤濕；2）維護窟內(nèi)微環(huán)境穩(wěn)定；3）美化修飾石窟。窟檐是古人智慧的一種象征，用簡單的設(shè)施完成了石窟保護的多重要求。楊泓先生認為石窟窟前建筑有兩種：一種是“在窟室的外部雕鑿出仿木建筑結(jié)構(gòu)，使洞窟的外貌呈現(xiàn)出佛殿或佛塔的外貌”，另一種是“在山崖所開鑿的窟龕前面，接連修筑木構(gòu)的殿堂或重閣等建筑”。前者是在石窟巖洞上方開鑿出一個斜度（見圖10（a）），在上面直接進行窟檐的雕刻，后者是在石窟外部連接防雨水的窟檐（見圖10（b））。前者是石質(zhì)結(jié)構(gòu)，后者在古代一般為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，隨著科學技術(shù)的發(fā)展和保護材料的創(chuàng)新，鋼結(jié)構(gòu)、砼結(jié)構(gòu)也逐漸涌現(xiàn)，很好地發(fā)揮了窟檐防雨水的作用。

20 世紀60 年代—80 年代，修補加固工程最多的措施就是修建窟檐。1974 年，北石窟在165 窟窟頂外坡體和32 窟上部修建了臨時雨篷（見圖10（c）），在一定程度上降低了大氣降水對石窟巖體的直接沖刷[120]。龍門石窟的窟檐修建大多是在1987-1992 年完成的，包含了仿古式窟檐、簡易雨篷和防雨棧道3 種類型，對防止雨水直接沖淋、坡面的流水沖刷起到了積極的作用[121]。天龍山石窟的窟檐則可以分為石構(gòu)窟檐、木構(gòu)窟檐和棧道型窟檐（見圖10（d）），對于石窟本體來說，修建窟檐對防止日曬雨淋、延緩石窟壽命有很大的效用[122]。

3.1.2 窟頂防滲

大氣降水除了以地表徑流的方式排泄和蒸發(fā)外，剩余的部分通過石窟巖體中的裂隙和孔隙從頂部滲入到石窟內(nèi)部。石窟窟頂滲水問題一般采取鋪設(shè)防滲層的措施。在窟頂鋪設(shè)防滲層，阻礙了大氣降水的下滲。甘肅榆林窟的東崖窟頂在1990 年的加固工程中鋪設(shè)了10 cm 的混凝土防滲層，由于榆林窟所屬區(qū)域的溫差較大，加之窟頂原有沖溝的存在，防滲層建造不久之后，表面就出現(xiàn)了大量的凹坑，雨水聚集在防滲層的凹坑里。因為混凝土防滲層的存在，水分不易揮發(fā)，導致窟內(nèi)濕度上升，加劇了窟內(nèi)水害的發(fā)生。1995 年，保護團隊將混凝土防滲層全部揭除，重新鋪設(shè)了厚度為15 cm、東西坡度為25° 的三合土（沙土∶石灰=7∶3）防滲層，不僅保留了石窟原有的外觀，還具有良好的防滲效果[123]。對于莫高窟石窟頂層薄頂洞窟，保護團隊釘上一層金屬拉網(wǎng)，然后在金屬拉網(wǎng)之上鋪一層土工薄膜，隨后疊加一層土工織物，最后鋪撒沙石，同時噴灑PS 加固，在此工程完成后的8 年時間內(nèi)，石窟都沒有出現(xiàn)滲水病害[124]。

目前，國內(nèi)外比較常用的防滲層是GCL（鈉基膨潤土防水毯）和HPDE（高密度聚乙烯）土工膜。GCL 防水毯的主要構(gòu)成材料是膨潤土，主要優(yōu)勢是透水性小、修復能力強，鈉基膨潤土在出現(xiàn)小缺陷的情況下具有自我閉合的能力[125?126]。最重要的是，雖然滲透系數(shù)低，但是能夠維持土層之間的水分和空氣交換。HPDE 土工膜的主要成分是HPDE 樹脂，滲透系數(shù)低，能夠阻止水分蒸騰，而且質(zhì)量輕、化學穩(wěn)定性好、安裝方便，因而在防滲層市場上應(yīng)用廣泛[127]。圖11 展示了一般防滲層鋪設(shè)的順序，防滲層的設(shè)計綜合考慮石窟頂部的覆蓋層的成分、厚度和滲透度，確定鋪設(shè)防滲層的合理位置，同時還要考慮防滲層的重量，以免質(zhì)量過大造成窟頂坍塌。在鋪設(shè)防滲層之前一般要對裂隙進行灌漿封堵，鋪設(shè)之后還要覆蓋一層天然植被，因為天然植被具有固定土壤、吸收水分的功能[128]。

3.2 地下水治理

3.2.1 溝渠排水

地下水治理的兩個原則是打通地下排水通道和降低地下水位。排水溝的作用在于改變地下水的徑流場，切斷地下水側(cè)向徑流，使其不朝石窟排泄，而地下水位的降低可以消除毛細水對石窟巖體的侵蝕[4]。溝渠排水分為暗渠排水和明渠排水，對于不影響文物觀賞的巖體可以采用明渠排水，影響文物的則采用暗渠排水。合理設(shè)置排水溝的平面位置和深度，是石窟地下水治理的關(guān)鍵。為保證排水時的流暢，需要對石窟所處區(qū)域的地理情況進行仔細探查，一般情況下石窟排水位置的布置，如圖12 所示。首先，排水溝需要處于一個合適的高度，才能排走基巖中的裂隙水。其次，如果排水溝距離石窟本體過近，會影響石窟巖體的穩(wěn)定性；過遠的話，排水效果又可能不是很理想[128]。以疏為主是石窟水害治理的重要原則之一，而溝渠排水是一種比較常見的治理方式。1974 年—1976 年，云岡石窟在窟前修建了排水溝渠，緩解了地下水對巖體造成的損害[17]。甘肅慶陽的北石窟窟前距崖壁3 m 處有一道深4 m、寬1.6 m、南北向長60 m 的排水溝，在降低地下水位、加速排泄裂隙水方面發(fā)揮了很大的作用。

3.2.2 裂隙灌漿

當基巖裂隙水排泄不暢的時候，在裂隙中的滯留時間過長，會導致裂隙水滲出，提高洞窟內(nèi)的濕度，加速石窟內(nèi)文物的風化。除了疏通的方法外，還可以采取裂隙灌漿的方式堵截滲水。裂隙灌漿的主要作用在于加固巖體，同時達到封堵阻水的目的。灌漿材料的選擇是重中之重，不僅要達到阻水的目的，還要保證對文物本體不會產(chǎn)生副作用，需要全面考慮灌漿材料的流動性、凝結(jié)時間、抗壓強度、黏結(jié)強度、收縮性等性質(zhì)。在龍門石窟的加固工程中，最常用的一種材料是環(huán)氧樹脂類材料，可以灌注較細的裂縫，且硬度大、體積小、收縮時無氣泡[129]。劉祥友等[130]采用一種混合灌漿材料對龍門石窟潛溪寺區(qū)域內(nèi)的裂隙進行灌注，這種材料以偏高嶺土為主，由高細水泥、硅粉、氫氧化鈉和水玻璃按照一定比例配置而成，具有良好的力學性質(zhì)，能夠控制材料的返堿，減少對文物本體的污染。針對巖體松散、強度較低的砂礫巖型石窟，李最雄等[131]研究出一種PS-F（PS-模數(shù)3.7～3.8，濃度8%～12% 的硅酸鉀，F(xiàn)-粉煤灰）漿液，不僅能確保灌漿的密實性，還能牢固連接灌漿結(jié)石體和裂隙兩壁。

對于滲水問題不太嚴重的石窟，采用裂隙灌漿的方式可以阻止水的滲出。但是對于滲水問題比較嚴重的石窟，這個方式治標不治本，反而會產(chǎn)生新的破壞。方云等[3]對龍門石窟中裂隙灌注過的區(qū)域進行重新調(diào)查后，發(fā)現(xiàn)滲水點發(fā)生了轉(zhuǎn)移，滲水區(qū)域擴大。由于水長期封堵在巖體內(nèi)部，導致原本就松動的巖體的位移進一步擴大。因此，采取裂隙灌注的方式時要考慮石窟滲水的實際情況，不能因小失大。

3.3 凝結(jié)水治理

3.3.1 環(huán)境監(jiān)測

眾所周知，當洞壁溫度大于露點溫度時，會形成凝結(jié)水，有必要對石窟內(nèi)的環(huán)境進行實時監(jiān)測。對石窟內(nèi)部不同深度和高度的溫度和濕度進行全面的監(jiān)測，可以更深入了解凝結(jié)水形成的環(huán)境[132]，幫助工作人員發(fā)現(xiàn)石窟內(nèi)異常環(huán)境。北石窟監(jiān)測了重點洞窟十幾年的溫濕度變化和異常情況，為后續(xù)的保護工作奠定了堅實的基礎(chǔ)[120]。除了微環(huán)境的監(jiān)測，還可以對凝結(jié)水的含量進行直接的監(jiān)測。云岡石窟研究院和中國地質(zhì)大學（北京）聯(lián)合研制了一種專門用于凝結(jié)水測量的裝置，如圖13 所示，利用空氣回路系統(tǒng)吸收石壁上的凝結(jié)水，再通過干燥劑的質(zhì)量變化獲取吸收的凝結(jié)水的質(zhì)量[133]。利用該監(jiān)測系統(tǒng)進行長期監(jiān)測可以探究石窟巖體中水汽循環(huán)的規(guī)律，為控制水汽風化提供有利的數(shù)據(jù)支撐。

3.3.2 通風除濕

由凝結(jié)水的形成條件可知，減小露點溫度可以減少凝結(jié)水的出現(xiàn)頻率。露點溫度與氣溫和相對濕度有關(guān)，表達式為[135]

式中：TD為露點溫度，℃；RH為空氣相對濕度，%；T 為空氣溫度，℃。

由此可知，降低溫度和空氣相對濕度都可以降低露點溫度。降低環(huán)境溫度在操作上不具有可行性，可以通過降低濕度來降低露點溫度。具體措施可以采取通風和除濕。通風主要是加速石窟內(nèi)空氣的流動，將濕氣排除洞外。通風的時間也需仔細挑選?？咄猸h(huán)境濕度較小時，通風可以驅(qū)除窟內(nèi)的濕氣，但在降雨前后，空氣中水蒸氣含量較高，過量的通風只會導致窟內(nèi)濕度上升[136- 137]。除濕的目的在于降低窟內(nèi)的濕度，可以利用干燥劑和除濕設(shè)備達到目的。干燥劑不能與水發(fā)生化學反應(yīng)且不能有其它的副作用，同時成本最好要低廉一些。當石窟內(nèi)濕度過大時，干燥劑不能滿足要求，可以采用除濕機。除濕機可以收集空氣中的水汽，達到通風的目的。

4 結(jié)論

水在石窟病害形成的過程中發(fā)揮的作用是多樣的、持續(xù)的，由水誘發(fā)的石窟病害是石窟保護工作中的核心問題，根據(jù)其作用的方式可以分為直接作用和間接作用。軟化作用、凍脹作用、酸雨侵蝕、水合作用、機械風化都屬于直接作用，是水通過化學、物理、力學作用直接對石窟載體和本體產(chǎn)生傷害；而鹽風化和微生物破壞屬于間接作用，是鹽和微生物通過一種或者多種方式損害石窟。

1）文中針對由水誘發(fā)的石窟病害，詳細闡述了病害的劣化機理。

①石窟中的水主要來自降雨、地下水和凝結(jié)水，但這不是絕對意義上的。例如，雨水可以直接侵蝕石窟巖體，也可以滲入石窟內(nèi)部，匯入地下水，還可以蒸發(fā)成水汽，在特定條件下變成凝結(jié)水。

②在不同的病害類型中，水充當?shù)慕巧遣煌摹τ趦雒涀饔?、水合作用、水力沖刷作用來說，是水在靜止或者移動情況下通過狀態(tài)的改變對巖體產(chǎn)生力的作用，這里水充當?shù)慕巧亲饔昧Φ膫鲗蛄海粚τ谲浕饔谩⑺嵊昵治g來說，水通過一定的反應(yīng)對巖體產(chǎn)生傷害，這里水充當?shù)慕巧遣煌镔|(zhì)的反應(yīng)場所；對于鹽風化、微生物破壞來說，水并不直接破壞巖體，但是水是鹽和微生物形成的必不可少的條件，這里水充當?shù)慕巧俏镔|(zhì)形成的必要條件。

③水在不同相態(tài)、圈層之間轉(zhuǎn)換、遷移時，對石窟巖體造成的影響也是各不相同的。例如，水在固態(tài)、液態(tài)轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的凍融循環(huán)，在巖體內(nèi)部反復地收縮膨脹，導致巖體內(nèi)裂縫的形成和發(fā)育；石窟中的凝結(jié)水是水在氣、液態(tài)的轉(zhuǎn)變中形成的，凝結(jié)水可侵蝕石窟的巖體。

④不同地域的石窟中，由水誘發(fā)的石窟病害的出現(xiàn)頻次也是有差異的。在干旱地區(qū)的石窟中，例如，莫高窟、麥積山石窟，降水不是很充足，雨水沖刷、酸雨侵蝕并不是當?shù)厥叩闹饕『Γ诔睗駞^(qū)域的石窟中，例如，龍游石窟、安岳石窟，雨水充沛，降雨所引發(fā)的病害出現(xiàn)頻率較高。此外，根據(jù)南北方溫度的差異，凍脹破壞出現(xiàn)在北方石窟的可能性比出現(xiàn)在南方石窟的大。

⑤面對不同來源的水，目前都有針對性的保護手段來減緩水對石窟巖體的損害程度。這些保護手段既有從古代流傳下來的傳統(tǒng)方法，也有基于時代發(fā)展同現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)新方法。在實際石窟保護工作中，研究人員將傳統(tǒng)方法與先進技術(shù)有效融合，具有一定的參考價值。

2）文中從石窟水分探查、石窟巖體水致劣化機理、石窟防水治水措施3 個方面提出了未來研究的方向。

①發(fā)展石窟水分可視化探查技術(shù)。水巖作用是導致石窟病害發(fā)育的重要原因，探查石窟水分來源和賦存是解決石窟水害的主要任務(wù)。水分探查工作要做到“不損壞文物”“測量數(shù)據(jù)準確”“不受環(huán)境擾動”。因而，無損檢測技術(shù)需要得到進一步的發(fā)展，降低檢測給文物帶來的損傷。探查技術(shù)在精確性、靈敏性上還有很大的發(fā)展空間，提供更加準確的石窟水分來源和水分分布的數(shù)據(jù)。石窟大多處于露天環(huán)境中，檢測技術(shù)易受到環(huán)境變化的影響，例如，紅外成像技術(shù)就易受到植物苔蘚的影響，降低環(huán)境擾動的影響也是水分探查技術(shù)未來發(fā)展的方向之一。

②深化石窟水致劣化機理研究。結(jié)合現(xiàn)場情況與室內(nèi)實驗，探究水致劣化的具體過程?？紤]多種因素耦合作用下石窟巖體的水致劣化機理，綜合考慮濕度、降雨、微生物等因素的參與進行全面的研究。利用先進的技術(shù)手段，例如，紅外成像技術(shù)聚焦巖體劣化微觀層面的觀察，探究水分對巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。集合化學、氣象學、地質(zhì)學等多個學科的專業(yè)知識，開展跨學科合作。

③加強石窟防水治水措施技術(shù)創(chuàng)新?！邦A防性保護”是文物保護的重要理念，也是未來發(fā)展的新方向，及時對石質(zhì)文物賦存環(huán)境和病害演化進行監(jiān)測是預防性保護工作的基礎(chǔ)。監(jiān)測系統(tǒng)要具備準確性、完善性、適用性強等特點，實時監(jiān)測文物的環(huán)境條件，及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在的危害。新型文物防水材料的研發(fā)是文物保護科學的重要內(nèi)容之一，仿生超疏水材料是近年研究的熱點，研究人員模仿自然界中生物表面的不黏附現(xiàn)象研發(fā)出超疏水材料。超疏水材料能夠阻礙液態(tài)水在石質(zhì)文物表面的附著，自發(fā)清理表面的污染物。但是，超疏水材料在文物保護領(lǐng)域的應(yīng)用還不夠成熟，如何針對不同賦存環(huán)境選擇石窟防水材料種類，如何在超疏水材料投入使用后對其性能進行長期監(jiān)測，如何降低生產(chǎn)成本以滿足石窟巖體的大面積使用，是需解決的問題。