甘肅武威天梯山石窟地質災害分析研究及措施建議

袁燕飛

（甘肅省地質礦產勘查開發局第四地質礦產勘查院，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，是國內最早由皇家出資開鑿的石窟寺，現為全國重點文物保護單位。石窟群南北長130m，高60m，現保存壁畫數百平方米，上中下三層洞窟18個，佛像100多尊，以及魏、隋、唐時期的漢、藏寫經若干，主體建筑為大佛窟（13號窟）如來佛坐像，是中國美術史上著名的“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淵源和發展有重要意義，具有很高的藝術價值和歷史價值。

2 天梯山石窟現狀

天梯山石窟賦存巖體經過歷代陸續開鑿、長期環境變遷之后，目前巖體裂隙密布，地質病害發育，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模崩塌或傾倒趨勢。

3 孕災地質條件分析

地形地貌：高寒半干旱氣候區，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：中奧陶統車輪溝群變質砂巖和千枚巖巖組、下第三系漸新統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。石窟上部為泥質細砂巖夾薄層礫巖，主要成分為石英、長石、云母和燧石，膠結類型為接觸式和基底式。

地質構造：大地構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造活動，其中前期較后期褶皺發育。

水文地質條件：黃羊河水庫庫岸，外部空氣濕度較大，石窟內部尚未見地下水，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%，滲透系數約為0.23~0.58，屬弱透水或相對隔水層，窟區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，周圍地區地震活動頻繁，石窟所在周邊地區上世紀以來曾發生過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。

巖體結構及卸荷裂隙：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%，巖石質量差，結構松散，裂隙孔隙發育，抗壓抗剪強度低。塊體結構巖組，分布在風化破碎帶以下的礫巖，塊狀構造，礫狀結構，結構較致密，沿空間走向巖體穩定性較好，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，屬軟質巖石。巖體性質參數:礫巖干密度為2.3，孔隙度為8.5%，滲透系數約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0.16，屬極易軟化巖石。

4 地質災害分析

指石窟周圍地質環境所引起的石窟病害，即石窟面臨的地質問題，它影響著整個石窟的穩定與安全，天梯山石窟面臨的地質災害主要有，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

賦存巖體是泥質膠結的第三系河湖相砂礫巖，風化最主要的因素是泥質膠結結構被破壞，石窟區處在黃羊河水庫岸邊，屬高寒地區，晝夜溫差變化大，小區域內溫度濕度變化大，這種情況下蒙脫石等粘土類礦物容易發生吸水膨脹、失水收縮，造成砂巖的膠結狀態受到破壞，膠結物脫離，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境的溫度濕度頻繁變化發生反復結晶膨脹和溶解收縮，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。

4.2 巖體卸荷裂隙

石窟區南側巖體臨空，洞窟地層成巖程度不高，以沙泥質充填為主，少量鈣質膠結，受窟區構造及內外應力影響，巖體節理松弛，工程性質較差，洞窟地層經構造運動，傾角達17°左右，但窟區構造裂隙極為少見，控制洞窟圍巖及崖體穩定性的主要是在構造基礎上形成的卸荷裂隙，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物，明確的說，就是由坡頂張應力控制的，石窟區延伸長度在5m以上的裂隙有16條，其中規模較大，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，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在兩個方面：首先，窟區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，沿沖溝內裂隙下滲，造成窟內潮濕，從而加速了巖體和文物的風化及剝蝕。

石窟區坡面徑流對洞窟的沖刷破壞可解釋為，洞窟地層的水穩性差，賦存巖體以泥質膠結為主，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，石窟區前面由于黃羊河水庫影響形成小氣候區，所以降雨量比較集中，有時候會有山洪發生，且山體植被稀少，在雨水的沖刷下沖溝發育易成熟，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計和特殊施工處理，在2005年便出現壩體裂隙滲漏，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，地下水經毛細作用上升沿崖壁蒸發排泄造成新的洞窟水鹽病害，若任其發展下去必將危及大佛石胎下部的完整保存。

5 地質災害處理措施建議

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，根據小洞窟群崖面巖體規模及分布情況，首先對凹陷的崖體重新回填加固；然后設置預應力錨索進行加固。

5.3 裂隙注漿

石窟區巖體裂隙發育，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，注意不能連續噴涂，應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置截排水系統，即分別設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坡體的沖刷破壞。

5.6 洞窟加固

對存在傾斜現象的中心柱進行加固，中心柱窟的清理加固應與窟檐修建結合進行。為確保巖柱本身及周邊巖體的穩定，采用鋼筋混凝土門型結構對空洞進行局部支頂，支頂結構通過做空預埋鋼筋與下部巖體相連結，以增強穩定性，并對門型結構進行復舊，與崖壁協調。

5.7 棧道工程

天梯山石窟南側崖體臨空，受制于自然條件，天梯山石窟的現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。采用木質結構，棧道工程基礎應采用錨鉗，鉗頭應進入微風化礫巖。

5.8 崖體及洞窟變形監測

地面變形監測：在崖體上設置網狀變形觀測點，在變形區域影響范圍之外穩定點設置固定觀測站，用全站儀定期監測變形區內網點的三維位移變化。

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

中心柱傾斜監測。

環境因素監測：采用雨量計、溫濕度記錄儀監測降雨量及溫濕度，采用地下水位自記儀監測地下水位。

6 結語

要想有效的保護文物、治理石窟地質災害，首先要對災害成因有全面準確深入的分析，盡最大努力診斷準確，然后采取結合實際的綜合治理措施，對石窟地質災害進行全面防治，才能達到預期的目標。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。