石窟寺监测的关键问题与思考

我国石窟寺分布广泛、规模宏大、体系完整、发展脉络清晰、内涵深厚，充分体现了中华民族的审美追求、价值理念、文化精神，是中华文明开放包容、海纳百川，不断同其他古代文明融会贯通、交流互鉴的重要历史见证。

石窟寺集中展现了宗教的建筑、雕塑和壁画艺术的辉煌成就，反映了古人建造哲学思想和思维方式，创造出独具风格的灿烂文化[1]，在我国文化遗产中占有重要的地位，在世界文化遗产中也是最具中国特色的文化遗产类型之一[2]。然而，受赋存地质条件及自然环境等因素影响，我国石窟寺岩体坍塌失稳、渗水及风化等病害普遍发育，破坏了石窟寺的真实性、完整性和延续性，威胁着石窟寺长久保存与安全利用。石窟寺及其赋存环境监测对文物病害发育机理研究、演化过程研究和科学防控具有重要意义，是预防性保护的重要手段，也是确保石窟寺长期安全的关键环节。

石窟寺兼具地质体、结构体、不可移动和文物等多重属性。石窟岩体的地质特征、结构形制、赋存环境及边界条件复杂，岩体失稳、表层风化、水害是石窟寺保护面临的突出问题。因此，从石窟寺保护角度出发，监测对象繁多、适用的监测手段有限，整体监测不易实施等是石窟寺监测的难点，也是我国石窟寺保护研究面临的关键问题。

一方面，石窟寺地质载体岩性多样、结构发育，洞窟的水文地质条件、工程地质条件复杂，石窟的长期安全稳定面临地质灾害的威胁。另一方面，洞窟的形制多样，建筑学、岩体力学、水文地质学特征显著，石窟本体的壁画、彩绘、贴金等脆弱，极易受微环境扰动的影响。石窟寺监测的对象包括石窟工程地质体、洞窟岩体、关键块体以及浅表层岩体等，以及附着于石窟岩体的彩绘、贴金、壁画等多尺度、多元监测对象，而监测过程中要避免对石窟寺彩绘、贴金等文物本体的破坏，且尽量与文物景观环境相协调，因而，诸多成熟的监测手段的应用受限且效果有限；此外，石窟赋存环境监测也是重要监测内容，石窟寺具有野外不可移动的特点，环境多变、扰动大，对于温度场、应力场、渗流场等监测精度和时效性要求高；同时，在石窟展示利用过程中的文物安全也是监测的重要组成部分，包括游客量监测、安消防监测等。因此，石窟寺的监测对象繁多、监测时效和精度要求高，受石窟开凿条件、赋存环境、洞窟形制、病害特征等因素的影响，整体监测不易实施。

根据石窟保护利用的特点，石窟监测要兼顾高精度和长时序的基本要求，监测对象要涵盖石窟本体、赋存环境以及安全管理等主要内容。

由于赋存地质环境复杂，内外环境作用漫长，石窟寺岩体裂隙发育，在卸荷、浸水和风化作用下，极易失稳。从已掌握的资料及石窟特定的工程地质条件来看，石窟岩体的变形破坏主要类型包括块状崩塌、滑移及风化溶蚀等[3]。石窟寺的主要特点就是经历了长期地质历史作用，因此，具有复杂成因的石窟岩体在后期的多期构造运动的影响下，实际上是一种非均质各向异性和非连续性的复合结构体[4]。另一方面，石窟岩体在开凿-卸荷-风化-变形-失稳演化历史过程中，复杂的内外动力耦合作用使石窟岩体变形破坏和失稳过程的研究变得非常复杂。

(1) 特有的洞窟结构

石窟寺一般都开凿在坚硬或半坚硬的灰岩和砂岩陡壁中，岩石的物质结构不同，产生的岩体稳定性问题也就不同。石窟寺与自然山体构成的工程地质体多分布于河谷、冲沟和低山丘陵地貌条件下[5]，石窟寺岩体长期处于卸荷状态，长期渐进式松动变形是失稳的主要表现形式之一。另一方面，我国石窟寺的洞窟形制复杂，包括了窟内中心塔柱的塔庙窟、无中心柱的佛殿窟、僧人生活起居和禅行的僧房窟、塔庙窟和佛殿窟中雕塑大佛像的大像窟、佛典窟内设坛置像的佛坛窟、僧房窟中专为禅行的小型禅窟（罗汉窟）以及小型禅窟组成的禅窟群[6]。洞窟形制的复杂性造成了洞窟变形破坏的多样性，顶板岩体、侧壁岩体、中心柱的结构变形、失稳岩体规模和位置存在较大差异[7]。石窟寺洞窟结构的特殊性还在于我国部分石窟开凿在煤系地层结构之上，例如云冈石窟附近的大同煤矿、北响堂石窟和水峪寺石窟附近的峰峰煤矿，长期采动引发的山体变形和应力调整，也石窟整体稳定性监测的重要方向之一。

(2) 时空演化效应突出

石窟寺岩体经历了上百年甚至上千年的地质历史作用，石窟开挖后往往处于复杂的应力状态，其变形过程具有长时序性、动态力学的特点[8、9]，石窟岩体的静态力学行为与实际监测资料必然很不一致。由于节理、浅表层风化裂隙的存在，实际上的石窟岩体损伤程度较高，岩体长期结构效应不容忽视。另一方面，正是由于石窟岩体损伤程度较高、岩石脆弱，在水、热、酸性环境等因素下的响应敏感。因此，对于石窟岩体变形、微环境的精准、长期监测是重要研究方向之一。

(3) 水文地质环境复杂

我国石窟寺多开凿在砂岩和石灰岩地层，大气降雨和地下水沿着孔隙、裂隙、节理或断层渗入石窟，产生的溶滤作用和溶蚀作用，是威胁石窟岩体完整性和稳定性的重要隐患之一。同时，由水诱发的渗透作用、盐结晶作用和生物作用，进一步促进了石窟岩体物质成分的流失和结构破坏，加速了浅表层岩体的劣化过程。因此，石窟岩体水文过程监测是水害机理研究的重要基础和制定水害治理措施的重要依据。

石窟寺岩体稳定性预测评价主要依赖于评估技术和监测技术，然而，传统工程地质监测手段在石窟寺本体上的适用性有待提高，最小干预、微损或无损等特殊要求限制了诸多优势监测技术的实施与应用。因此，加强石窟寺岩体变形监测技术研究，实现岩体性状实时、可靠和长期监测，并充分整合石窟寺历史和实时监测数据是石窟寺岩体稳定性监测亟需解决的问题。

科学认识石窟赋存环境特征与演化规律是石窟寺长期保护的关键基础内容。一方面，受地质条件和地理地貌的影响，石窟寺所处山体应力场、渗流场复杂，在长期气候环境干扰下，部分石窟的崩塌、滑坡、泥石流地质灾害易发；部分石窟还处于活动构造带中，地震等活动构造对石窟本体和载体的影响也不容忽视。因此，赋存地质环境监测是确保石窟整体稳定与长期安全的必要工作，一般应包括山体地表变形监测、孔隙水压力监测、地下水监测、边坡岩体变形监测、坡脚应力监测、坡体表面-深度位移监测等内容。

石窟寺赋存自然环境是控制洞窟岩体劣化的重要因素之一，研究温度、盐、水等多场耦合作用下岩体裂隙时序演化及宏观力学强度的衰减过程有利于促进对石窟岩体劣化机理的认识。开展石窟赋存环境的监测，厘定温度、湿度、风、降水、径流、地下水等影响因子在石窟寺岩体强度劣化的长期协同作用，可为揭示不同石窟寺岩体在各环境因子作用下的响应规律提供基础数据。

建立石窟微环境模型是石窟病害机理研究、保护加固方案制定和预防性保护决策的重要依据。对洞窟微环境的监测是揭示石窟岩体劣化过程、指导加固技术、评估安全稳定的重要环节。洞窟微环境的监测对象一般包括洞窟温湿度、振动噪声、空气质量、二氧化碳浓度、可见光、粉尘颗粒、凝结水、毛细水等监测对象。

石窟安全是文物保护的红线。石窟安全监测涵盖了石窟本体、石窟保护范围、建设控制带等多个层次，监测对象包括了文物安全、自然灾害、人为破坏等诸多方面。石窟的安全监测应与国土资源、环境监测、气象和公安部门沟通联合。

石窟监测的对象繁多、技术要求高，监测涉及的学科和技术复杂，当前监测技术和设备的适用性和匹配性不足、整体监测不易实施，是石窟寺监测面临的关键问题，石窟安全、病害、保护利用的监测仍面临诸多挑战。

我国石窟数量庞大、分布广泛，世界遗产地石窟和重点石窟的监测工作受到广泛关注，然而我国大部分中小石窟的专业技术人员与管理人员严重不足，专业、必要的监测工作很难实施，石窟寺的抢救性保护、安全防范等工作仍面临严峻挑战。需要强调的是，监测只是手段而不是目的，监测的本质是为石窟安全、石窟保护和利用提供必要数据和可靠依据。

传统监测技术成熟、设备先进，可靠性高，但尚未突破专项监测技术瓶颈（如石窟岩体内部空间异质性监测、微结构、表层岩体风化速率监测受本体影响不易实施等），需要针对性的研发改进；同时，针对监测有时会出现监测设备由于技术故障等原因，造成监测中断、数据丢失等事故，要有监测应急方案。需要指出的是，石窟寺监测对象应该包括石窟寺面临的现有和潜在的风险因素，因此，石窟寺专项监测方案的确定应该由多方面专家（包括考古、材料专家、结构专家、建筑师、保护专家、监测技术人员、管理单位等）共同研究确定。

石窟寺历史文化遗产的监测涉及地质学、建筑学、水文地质、岩体力学、地理信息等多学科的监测技术和方法，在不可移动岩土文物的保护研究中具有典型的示范价值和推广意义。目前，石窟寺专项监测转为常规监测还存在诸多困难，因此，石窟寺专项监测的针对性和普适性是未来的发展方向之一。

[1] 黄克忠. 要重视石窟寺的文化与社会价值[N]. 中国文物报, 2018-12-21.

[2] 王金华. 石窟寺保护壮丽七十年[N].中国文物报. 2019-10-22.

[3] 李丽慧, 杨志法, 岳中琦,等. 龙游大型古洞室群变形破坏方式及加固方法研究[J]. 岩石力学与工程学报[J], 2005, 024(012):2018-2028.

[4] 牟会宠, 杨志法. 文物保护中石窟寺的稳定性分析与评价[C]// 第四届全国工程地质大会论文选集(三). 1992,1154-1167.

[5] 王金华, 陈嘉琦.我国石窟寺保护现状及发展探析[J]. 东南文化, 2018, No.261(01):8-16+135-136.

[6] 张良, 四川石窟寺中常见的洞窟形制及经编相考[J]. 四川文物, 2002, 2:49-55.

[7] 晏鄂川,方云.云岗石窟立柱岩体安全性定量评价[J].岩石力学与工程学报,2004(S2):5046-5049.

[8] 黄克忠. 石窟寺保存修复的理念与技术[C]// 云冈国际学术研讨会. 2005, 22-27.

[9] 陈永明,石玉成,王旭东.天水麦积山石窟地震构造环境评价[J].敦煌研究,2005(05):83-87.