炳灵寺石窟的地质状况问题及其一些处理

炳灵寺石窟的地质状况问题及其一些处理
中国历史悠久，在漫漫的历史发展中，佛教与中国有了密切的联系，随着佛教的东进，与佛教相关的一些文化汇聚在了中国，比如石窟寺。

而石窟寺从十六国时期就出现了，距离现在已经有很长的时间，随着时间的发展，石窟寺或多或少的会受到一定的损坏和危害，比如敦煌的莫高窟，临夏回族的炳林寺石窟，河南的龙门石窟等等，它们都有或多或少的损坏。

本文针对炳灵寺石窟的问题做了一些简要的分析，其中有一些主要的病害，如酥碱现象，崖壁渗水，泥沙堆积等问题。

此类问题在许多的石窟寺中都有相应的体现，且对石窟寺的危害很大，若不及时治理，引发的后果我们不得而知。

古代的艺匠们不断改革与创新，使各个地区的石窟寺逐步形成了特有的形制风格，堪称为是我国民族文化宝库中的重要艺术财富，我们要最大可能的保护这些瑰宝，让我们在文化传承的历史上绽放风采。

炳灵寺石窟简介
1.1 炳灵寺石窟的地理位置
炳灵寺石窟，位于中国甘肃省临夏回族自治州永靖县西南约四十公里处的积石山的大寺沟西侧的崖壁上，西晋初年（约公元3世纪）开凿在黄河北岸大寺沟的峭壁之上，正式建立于西秦建弘元年（420年），上下四层。

炳灵寺是在古代中西交通要道“丝绸之路”陇西段的一条支线上。

1.2 炳灵寺石窟的历史
炳灵寺建寺开窟和造像的活动在西晋时开始了。

十六国时期，鲜卑族乞伏部贵族建立了西秦政权，他们崇信佛教，内地和西域的高僧好多都云集在了这里，当时在这里译经传法活动十分活跃，西秦境内的小积石山大寺沟，也就是现在我们所说的炳灵寺石窟一带，便成为了佛教的一大胜地。

1.3 炳灵寺石窟的建造方式和构造
炳灵寺石窟现存的窟龛一共有183个，石雕造像共计694身，泥塑82身，壁画面积约900平方米，它们全部分布在大寺沟西岸长约200米，高60米的悬崖上。

石窟以位于悬崖高处的修建于唐代的“自然大佛”（169窟）和位于崖面中段的大量中小型窟龛构成了主体，其中唐代窟龛占了百分之六十五以上，共
有20窟，113龛。

而北朝的代表性作品如169窟的泥塑观音，125龛的石雕释迦牟尼和多宝佛等，都属于炳灵寺石窟的完美杰作。

1.4 炳灵寺的景点介绍
炳灵寺各个时期石窟形制都各具特色，西秦时期龛的形制有长方形、圆拱形背屏式，佛像多以彩塑为主。

北魏时期窟龛都是人工建造，洞窟形制主要有：平面方形、覆斗顶、三壁开有浅龛，平面方形、正中建有中心柱，平面方形、覆斗顶、低坛基，少数作为穹窿顶。

隋代以第8窟为主，平面方形、平顶、低坛基，造像为一佛二弟子二菩萨。

唐代窟龛建造居多，窟龛形制主要为方形、圆形、马蹄形，窟顶作平顶，设低坛基，造像多为一佛二弟子二菩萨二天王。

炳灵寺石窟在唐代时期，窟龛之间雕有大量佛塔龛，具有鲜明的建筑形制特点。

北魏时期开凿的沿寺石窟，又称五佛寺，深9米、宽7米，窟内中心方柱高达窟顶，四面开龛，龛内都塑有佛像一尊，窟内另有隋唐雕像两尊，西夏泥塑两尊，两壁泥塑佛千余个。

窟前三木楗与窟崖紧接，楼顶设有尖顶八角亭。

炳灵寺大佛
二、炳灵寺石窟的地质状况问题
2.1 石窟的环境状况
炳灵寺石窟的环境特征是位于黄河上游刘家峡水库的库尾，因为水库的小气候影响，导致这里多年的平均气温在9.2℃左右，平均降水量约357mm，蒸发1610.8mm。

石窟的水环境条件相对来说比较特殊，窟龛所在的山体顶部和后部都有降水渗入，窟崖有泉水的渗流现象，窟前常年有溪流和水库的回水，窟左窟右的冲沟有一些微弱的渗流和积水，窟底有一定的毛细水。

炳灵寺石窟因此一直处在水的包围中。

炳灵寺石窟处于白奎系砂岩、砾岩互层的地质体上，可见厚度达300m。

岩层的倾向在320°~ 340°之间，倾角在5°~10°之内。

本区的小型断裂不断地发育，由于四周的断裂切割形成了断块山——大佛山。

窟区以陡倾角(70°以上)、小断距(20c m~50cm) 断裂发育为特征，以正断层为主，主要的断裂走向为NE—SW （230°~ 235°）。

窟区并不存在区域性较深的大断裂,按照1:400万中国地震烈度区划，其基本地震烈度为Ⅶ度。

2.2 窟崖壁有渗水现象
炳灵寺石窟所在的山体轮廓像一尊大佛石像，所以叫做大佛山。

大佛山的东、南、北三面临空，高大概210m。

库龛大都分布在山体东侧延伸200m、高100m左右的外悬直立崖体的中下部。

石窟崖壁上比较均匀地分布了13个渗水点,其中5个渗水点在高层洞窟169、172窟中,2处是古渗水点。

近些年来主要有6、7个渗水点经常渗水，剩余的渗水点只有在丰水年才会渗水。

这些渗水点分布在悬崖峭壁上，导致渗出水沿着直立的崖壁近似垂直的流下,一般形象地叫做“悬挂泉”。

石窟崖壁上悬挂泉的基本特征是出露高度相同（约在1777m左右）；沿着同一岩层面发育，在该层面的下部有一层较薄的砂质泥岩，因为该砂质泥岩结构致密，所以形成了隔水层；泉水渗出点大都处在构造裂隙与岩层面的交汇处；渗出泉水部位的岩石风化比较严重，按照席状节理的状态发育，而且形成了崖面的凹陷和洞穴（169、172窟是利用古代的渗水作用而形成的洞穴建造的）；因为冲刷侵蚀和风化作用，泉水渗出点的下部崖面多形成宽在3m~5m之间的直立“U”型凹槽；泉水在秋、冬季流量较大(约0.3ml/s)，春夏季流量较小；泉水属于淡水，矿化度为0.45g/l一0.60g/l。

[2]
大佛山三面临空石是窟崖壁悬挂泉形成的水文地质条件,而西边则是以张性断裂的形式与后山相连。

因为这个断层的影响而形成的负地形可将后山和大佛山顶的降水汇集，然后沿着断层影响带的裂隙和松散充填物的空隙向下渗入，当渗入水渗入到山体中部的隔水层时，可将部分滞留的渗入水由垂直方向的运
动变成缓慢的分散的水平运动，这种沿裂隙运动的水平渗流渗到山体的临空面时，就会以泉水形式渗出。

因为崖壁的渗水对石窟文物造成的主要危害是：①冲刷侵蚀崖面岩体，而使洞穴和凹槽形成，对岩体的稳定性有很大的影响；②渗水浸泡、软化崖面岩体使其潮湿，加速了岩石的风化崩解；③渗流会抵达窟龛，直接使文物发生损坏；④渗水在冬季会形成大量的长达数米的崖壁挂冰，当冰体消融或其重力超过它与崖面的联接力时，会崩塌下落，不但损坏崖面，而且会对下面洞窟的文物和游人的安全产生很大的威胁；⑤渗水能使崖面岩体中的盐分发生溶解、迁移、表聚等现象，会让泉水的渗流影响到崖壁、雕塑、壁画，发生酥碱破坏。

据现场的调查,炳灵寺石窟30%的窟龛遭受不同程度的损害是因为崖壁渗水造成的，这个问题已经成为石窟保护面临的最主要的一个环境地质问题。

2.3 石窟崖体裂隙与危岩、危石
炳灵寺石窟的地层卸荷裂隙、构造裂隙、风化裂隙和原生裂隙都有不同程度的发育。

卸荷裂隙大都分布于石窟崖体一定深度内，平行崖面是其发育特征，且呈张性，裂隙面不是很平直，而且有少许的填充物。

虽然构造裂隙在窟区有比较普遍的存在，但是密度小，一条在数米或数十米，是与石窟崖面呈斜交产生的。

风化裂隙主要分布于地表或崖壁中约1.0m深度的砂岩里，尤其是崖壁渗水影响带的岩体，风化裂隙成簇状出现，密度很大。

而原生裂隙主要分布于砂质的泥岩中，是由于成岩过程中的泥质成分因为失水收缩发展形成的。

卸荷裂隙发育的方向是窟区裂隙发育的主导方向，对炳灵寺石窟的稳定性影响很大。

根据调查，卸荷裂隙发育较深的部分主要分布在距崖面约5.0m~6.0m 的地方，而发育较浅者则在1.0m左右。

在窟区切割洞窟出露比较明显的卸荷裂隙主要有3条(图1J36、J38、J41) 延伸长度在0m左右，延伸长度在5.0 m~30m 可观测到的裂隙约45条。

卸荷裂隙穿过最多的洞窟是147窟（图2），这是最为严重的地方。

卸荷裂隙的发育宽度大多在3mm~10mm之间，而只有少数裂隙宽度在这个范围之外。

卸荷裂隙的切割，也是炳灵寺石窟崖体出现数十块危石和连片的四处危岩块体的最主要原因。

图 1 炳灵寺石窟平切图（1747m）
危岩块体呈直立板状，且不紧密或
半连接于后部的岩体，在海拔高度1777m
以下整个石窟崖面的约45%的面积有危
岩块体的分布，危岩的方量都在100 m
以上，最大的危岩方量有2000m3~2500m3
之多。

危石主要是指分布在169窟和南部
石窟崖壁上摇摇欲坠的小型岩块，它们的
方量不到10m3。

危岩和危石对炳灵寺石窟的主要危
害是严重威胁游人和石窟文物的安全，而
且严重影响石窟的稳定性，有使石窟遭受
毁灭性破坏的潜在隐患。

由此可见，因为
裂隙切割石窟崖体而产生的危岩危石，在
炳灵寺石窟保护问题上面是一个重大环
境地质问题.
图2炳灵寺147窟剖面图
2.4底层窟龛潮湿、酥碱
现存的炳灵寺窟龛按它们的分布高度大致划分为四层。

海拔在1737m左右的窟龛为第一层（底层），约有120个窟盒；第二层是在海拔约1740m左右的窟龛，约有27个；第三层是海拔在1747m左右的窟龛，有34个左右；海拔为1777m的169窟和172窟划分为第四层。

根据调查发现在底层洞窟中有大多数的窟龛都存在着潮湿和酥碱问题，尤其是在位置最低的39,126,128,132,134,144,145,146等洞窟中酥碱造成的损害很严重。

酥碱情况主要发生在距离窟底0.0cm~70cm范围的洞壁及石窟崖体底角位置，酥碱发生部位的岩壁已有很明显的粉化散落现象，岩壁凹进约5cm~20cm不等。

水分对石窟崖体的作用是窟龛酥碱产生的原因，这种作用有水分对洞窟围岩中的易溶盐溶解、载运、重结晶等物理化学过程。

盐分重结晶大都发生在水
分易于蒸发的岩壁表层，它会使岩石颗粒得间距增大，粒间连接力明显降低，导致岩石颗粒发生粉化和剥落。

刘家水库的蓄水和窟前大寺沟常年性的流水是引起炳灵寺石窟发生酥碱的水分来源。

炳灵寺洞窟围岩潮湿和酥碱现象所造成的危害，一是直接地损坏了窟龛雕塑、壁画和洞壁；二是大幅度地使石窟崖壁底部岩石的风化速度增大，使得崖壁有了明显的凹穴；三是使岩石的力学性质发生了不利的改变，使岩体强度降低，相对造成了很大的危险。

2.5 窟前泥砂淤积
炳灵寺石窟前的大寺沟，在1968年以前是一条以馒蚀下切作用为主的“V”型沟谷，沟底低于炳灵寺下层洞窟12 m左右。

从刘家峡水库建成蓄水到现在的短短28年内，在窟前大寺沟中已经沉积了10m~12m厚的泥砂，最严重的沉积厚度已有20m，沉积物表面的海拔高度达1734.2m，已经超过了水库初建时预测的50年泥砂淤积高度。

根据实测表明，窟前泥砂淤积高度只比138、144、145、146等洞窟低0.8m~1.2m，而且泥砂淤积高度还在逐年不断地增加，最近3年的泥砂淤积速度约20cm/a，这个情况必须重视。

刘家峡水库是使得炳灵寺石窟前快速而大量的泥砂淤积起因，原来以侵蚀下切作用为主的“V”型沟谷因为水库蓄水使当地侵蚀基准面抬高成了现在的泥砂沉积沟谷。

刘家峡水库的正常蓄水位是1735.0m，最高蓄水位为1735.5m，洪水回水位是1735.6m ，炳灵寺下层窟龛底高在1735.0m~1735.3m的窟前大寺沟比降较大，大概是 2 % ~5%，有着很好的泥砂搬运条件，水库蓄水的顶托作用使得炳灵寺石窟前面变成了一个泥砂沉积的好地方。

泥砂的主要来源是大寺沟上游松散沉积物和黄河携带的泥质成分还有出露岩石的风化物。

窟前泥砂淤积的主要危害，一是淤积泥砂长期地处于饱水状态，而地表有常年性的溪流，这就使得水分无处可去，只能向石窟方向入渗，下层窟龛围岩因此而潮湿，让壁画、雕塑、洞壁产生了酥碱现象。

二是洞窟围岩的属于易软化岩石，岩石强度因为水分的入渗和潮湿会降低，石窟崖体的稳定性受到了一定威胁。

三是窟前泥砂淤积掩埋了原有的自然沟谷地貌景观，导致大佛山两侧的冲沟出水受阻，出现积水变腐现象。

如果任由泥砂的淤积自由发展，那将会出现窟前泥砂高度过高，导致其高于下层洞窟底部高度，使得下层窟龛最后面临毁灭性的灾难。

由此可见，窟前的泥砂淤积问题在炳灵寺石窟的保护问题中是不能轻视的环境地质问题，甚至可以说很严重。

此外，炳灵寺石窟的保护还有大佛山的抗震性能高低，雕塑的自然风化，鸽群时常的栖息对文物造成的损坏，壁画的变色，游客乱扔废物以及窟区的污染等环境问题。

这些环境地质问
题都对石窟文物有着直接或间接的严重危害，对其进行治理是炳灵寺石窟保护的重要任务，刻不容缓。

三、相似石窟的地质状况问题的应对措施
像石窟中的水分渗入，酥碱病害在莫高窟中也常有，我们可以看看敦煌石窟在这方面的治理。

3.1 关于莫高窟洞窟围岩水分入渗的防治[1]
要解决水分人渗洞窟围岩的问题，先要找到洞窟围岩中的水分来源。

上层洞窟围岩中的水分主要是自然降水通过薄顶洞窟窟顶的崖体或裂隙而渗入的，下层的水分是层洞窟围岩中地下水通过毛细现象渗透到围岩中。

对于上层洞窟防止降水渗漏必须经过工程加固的办法解决，一是裂隙灌浆，使岩体裂隙填充充实；二是对薄顶洞窟窟顶进行加固。

莫高窟窟顶崖体受多年风沙的侵蚀已经变得很酥松，同时风沙还对现存壁画有着严重的侵蚀现象，洞窟底层的稳定性已经受到崖体裂隙很大的危害。

3.2 关于除去莫高窟壁画中的盐分的处理[1]
在水分入渗问题得到解决之后，可以缓解病害对壁画的危害，在温度改变的时候，因为游人呼吸等因素，相对湿度有了明显的提高，空气中的水分很可能会再次凝结到壁画的表面上，壁画中存在较多的盐分，会再次引发酥碱病变的发生。

因此，治理酥碱病害应该从改造环境和控制洞窟对外开放的时间着手。

四、炳灵寺地质状况问题的应对措施
炳灵寺环境地质问题，对石窟文物的长期保存有着严重的影响。

因此，治理和改善环境是石窟保护的最主要的任务。

通过以上对窟区环境问题的分析，我们可以初步提出以下几点对石窟环境保护的治理措施。

4.1 疏排隔水层之上的滞水
首先，我们可以从水滴岭处流淌出的洪水在石窟前没有固定的沟槽，洪流满沟散流，泥沙不能有效地搬运出去，在窟前大量沉积。

若从水滴岭至黄河边掘一条深2～4 米、宽 3 米左右、有一定坡度的沟槽，将洪流集中排泄，这不仅增强洪水对泥沙的搬运能力，而且对已沉积的泥沙冲击和搬运作用，同时也能有效避免河水到出运送泥沙。

这种临时性的抢救石窟排泄泥沙也较为经济，
这是一个临时性救急式的措施，也是一个较为经济的方案。

石窟崖壁渗水的治理还可以疏导排泄，即使汇集于该断层带充填物中的水通过在大佛山后沿断层带开挖导流洞使其顺利排走。

导流洞开挖位置得当，大佛山中部隔水层之上的滞水就能大幅度减少或消除，从而石窟崖壁渗水的来源也会被切断。

崖壁渗水源于后山补给和山体岩层及隔水层以5°~10°向后山倾斜是可行的前提条件，便于排泄滞水。

4.2 治沙
4.2.1清理窟前泥沙
据初步估计，窟前淤积的泥沙约70万立方米，洪流最高水位超过低层洞窟，距防护堤坝顶不足 1 米。

只有将窟前淤积的泥沙清理，才能有效缓解石窟面临的危机。

这也是保护石窟的一种临时性措施，并不能从根本上解决问题，且需要经常性清理，这样会费时、费资、费力。

4.2.2筑坝治沙
在大寺沟内泥沙来源最多的直沟内修建多个拦砂提坝，将泥沙拦截在直沟内，降低洪水携带的泥沙量，减少大寺沟内疏松泥沙的沉积。

这样做也未尝不是一种可行的办法，但有可能对将来的治理工作带来更大的麻烦。

4.2.3绿化治沙
绿化治沙是一条比较有效而长远的办法。

也是从源头上解决泥沙病害的合理途径。

根据记载，20世纪50年代以前，炳灵寺周围山上有大片森林覆盖，山上的植被非常好。

1958 年大炼钢铁时，发动群众到这里砍树，森林几乎砍伐殆尽。

再后来，附近几县的农民大量到这里砍烧柴，植被遭到更大的破坏。

这种过度砍伐是造成炳灵寺石窟前淤积泥沙的因素之一。

目前需要做的是：继续禁止砍伐树木，保护已有的原始植被；禁止过度放牧，牛羊过多对植被的破坏也极为严重。

适当地在周围山上种植抗旱能力强，成活率高的植物，以求有效得保护植被。

4.3 锚固，危石清理，裂隙灌浆
崖体裂隙与危岩，危石的治理，可采用裂隙灌浆，危岩锚固，危石清理的办法。

施工次序应该是先清理危石，后锚固危岩，再进行裂隙灌浆。

值得注意的是危岩锚固必须随打孔随锚固，可采用锚杆和锚锁法，锚杆深度以穿过最深裂隙2m , 一般锚杆4.0m~6.0m，最长锚杆约为8.0m~9.0m。

4.4 窟前淤积与底层窟龛潮湿、酥碱同步治理
底层窟龛潮湿、酥碱与窟前泥砂淤积在一定程度上是相互联系的。

要防治窟龛潮湿、酥碱，就得截断水分来源。

而可供采取的措施有：①凿山开沟，使
大寺沟水流改道；②清理窟前泥砂；③在大寺逐段修筑拦砂坝，减少窟前淤积；
④在窟前约20m处修筑防渗挡砂弧形坝降低水库水位；⑤降低水库水位。

这些措施中，①和④工程量很大，耗费资金超出目前的承受能力，相对来说难以实施。

其它三项措施虽有一定的局限性，但还是有一定的可实施性。

只要合理地采用治理方法，窟龛潮湿和窟前泥砂淤积、酥碱问题一定能够得到缓解。

五、结论
炳灵寺石窟还发育有中国北方极为罕见的丹霞地貌，是珍惜的文物，我们需要做好一切措施将其保护好。

其面临的主要环境地质问题有：①石窟崖壁的渗水；②崖体裂隙与危岩、危石；③底层窟龛潮湿和酥碱现象；①窟前大量的泥砂淤积。

这些地质环境的问题在石窟文物保护方面来说极为不利，应尽快采取合理的措施加以整治。

崖壁渗水可在后山凿洞疏干排水法来治理，危岩可采用锚固法来治理，危石加以清理，裂隙用灌浆法处理，对底层窟龛的潮湿、酥碱现象以及窟前泥砂淤积应采用拦砂、阻水、清淤、控制水库水位和尽可能的减少上游泥砂来源等综合治理方法。