乐山大佛胸部渗水病害特征研究

孙 博 ，张虎元 ，张 鹏 ，申喜旺 ，杨天宇

（1.兰州大学土木工程与力学学院，甘肃 兰州 730000；2.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000；3.乐山大佛风景名胜区管理委员会，四川 乐山 614000）

乐山大佛（又名凌云大佛）位于四川省乐山市，位于岷江、青衣江、大渡河三江汇流处.佛像开凿于唐玄宗开元初年（公元713 年），唐德宗贞元19 年（公元803 年）完工，历时90 年，是唐代摩岩造像中的艺术精品之一，是世界上最大的石刻弥勒佛坐像.1996 年12 月，峨嵋山-乐山大佛被联合国教科文组织批准为“世界文化与自然遗产”，列入《世界自然与文化遗产名录》.

古人在大佛头部、颈部及胸部后侧开挖3 条排水廊道，在一定程度上截断了山体渗水对头部的影响.近代以来，乐山大佛的修复与保护工作一直未断，但并未涉及水害问题[1].大佛胸部是地下水渗出的地段，该段岩层长期处于湿润状态，是佛像本体砂岩溶蚀，生物病害，佛体表面修复材料空鼓及开裂的主要原因之一.

方云等[2-3]认为水在石质文物化学风化过程中具有主导作用，化学风化使岩石成分、结构、构造均产生明显变化，造成石质文物病害.严绍军等[4]将龙门石窟水文地质条件与典型石窟病害调查结果相结合，分析了石窟渗水来源和渗水病害形成机制，并提出了“外堵内疏”的治理措施.俞剑清等[5]在浙江省内38 处石质文物调查评估工作中发现，渗水病害为浙江地区前三大病害.水害问题一直以来是乐山大佛保护工作中的一个难点，秦中等[6]对乐山大佛砂岩风化速率及侵蚀机理进行了研究，发现生物侵害和水蚀侵害是促成石刻风化毁损的2 个主要方面.此次研究对乐山大佛胸部渗水及大气降水进行了系统监测，分析了大佛渗水来源及其特征，并结合水化学与岩石微观组成对“大佛砂岩”风化机理进行了研究.

1 样品采集

此次研究在2019 年平水期（4 月）、丰水期（7 月）及枯水期（12 月）对大佛胸部渗水进行了监测，并在同年7 月28 日—30 日对渗水（左侧与右侧）和大气降水进行监测采样（图1）.利用佛身内部设计的排水管道将胸部渗水量引至佛脚下用量筒收集，利用雨量计收集大气降水，采样期间共收集到雨水样品25 个，大佛渗水样品103 个（左侧47 个，右侧56 个）.

图1 乐山大佛胸部渗水点位Fig.1 Seepage points of Leshan Giant Buddha′s chest

2 降水与胸部渗水时空分布特征

2.1 渗水量影响因素

4 月份大佛胸部左侧渗水量变化范围为20～185 mL/h，平均值为83 mL/h；右侧渗水量变化范围为5～46 mL/h，平均值为25 mL/h.绘制4 月6 日—10 日渗水量随时间变化曲线（图2（a）），4 月份处于平水期，大气降水量较低，渗水量主要受蒸发作用影响，白天07：00—17：00 大佛表面蒸发量大，渗水量减小；夜间19：00—翌日07：00 大佛表面蒸发量减小，渗水量随之增大.此外，渗水量在大气降水量较低的条件下仍能保持稳定的规律性变化，表明平水期地下水为渗水的主要补给来源.

图2 大佛胸部渗水量Fig.2 Seepage water in the chest of giant Buddha

7 月份大佛胸部左侧渗水量变化范围为0～3 361 mL/h，平均值为26 mL/h；右侧渗水量变化范围为0～4 800 mL/h，平均值为57 mL/h.7 月份蒸发作用强烈，晴朗天气条件下渗水量基本为0.由于大佛表面蒸发量大，浅表层地下水受影响强烈，7 月份渗水量并未出现每日规律性变化（图2（b））.7 月份处于丰水期，大气降水集中且降水量大，在降水条件下，渗水量陡增，有些时段甚至接近5 000 mL/h.

12 月份大佛胸部左侧渗水量变化范围为0～83 mL/h，平均值为2 mL/h；右侧渗水量变化范围为0～42 mL/h，平均值为2 mL/h.12 月处于枯水期，相较于4 月和7 月渗水量很小.蒸发作用对渗水量有一定影响，12 月每日渗水量呈现一定的规律性变化，20：00 渗水量最小，12：00 渗水量最大，每日渗水量最大值和最小值差值保持在10 mL/h 以内（图2（c））.

平水期与枯水期大佛胸部渗水主要补给来源为地下水；丰水期由于大佛表面蒸发量大，对浅表层地下水影响较大，渗水出现在降水条件下，补给来源主要为大气降水，岩体干湿交替作用严重.平水期和枯水期由于蒸发作用的影响，渗水量每日呈现规律性变化.

2019 年7 月份对大佛胸部渗水及降水进行了系统采样，第1 次降水开始于7 月27 日08：50，15：20大佛胸部左侧开始渗水，渗水滞后于降水5.5 h，右侧口未出现渗水现象.第2 次降水开始于7 月28 日20：40，大佛胸部左右两侧21：00 开始出现渗水现象.绘制第2 次降水期间的降水强度与渗水量随时间变化曲线如下（图3），降水强度曲线与大佛胸口渗水量曲线走势基本保持一致，大佛左侧渗水量峰值滞后于降水强度峰值48 min，右侧渗水量主峰值滞后于降水强度峰值73 min.

图3 渗水量与降水强度随时间变化曲线Fig.3 Variation curves of seepage water and rainfall intensity with time

大佛胸部渗水在小雨和暴雨条件下的滞后效应显示：左侧基岩导水性强，降水在入渗地表后经基岩裂隙向外排出较快；右侧渗水量大于左侧渗水量，这可能由于大佛右侧降水汇水面积较大，降水对地下水的补给量大.在2 次降水条件下，右侧渗水量除主峰外还存在2 个明显次级峰：二峰与三峰，且二峰与三峰滞后于降水峰值较大，表明大佛右侧岩体内部构造复杂，右侧渗水接受3 个不同来源的降水入渗补给，且其中2 处渗水通道较长.

2.2 pH 变化

pH 能够影响物质元素的迁移与溶解沉淀，是决定水体中化学元素迁移与转化的重要水环境因素之一.监测期间降水pH 变化范围为7.47～8.97，平均值为8.13，为中性及弱碱性.收集2001 年—2017 年乐山市大气降水pH 资料[7-8]（图4，2009 年—2017 参考乐山市生态环境局）发现，随着近年来国家环境治理的不断深入，乐山大佛地区降水相较于早些年的酸雨（pH＜5.60）已经逐步转变为中性及弱碱性.

图4 乐山大佛降水历年pH 变化Fig.4 PH changes of Leshan Giant Buddha precipitation over the years

监测期间降水pH 变化范围为7.47～8.97，pH值较高.降水pH 偏高主要通常有2 种原因：一是致酸离子（和）的匮乏，二是碱性物质的输入中和了酸性物质[9].乐山市花湖湾空气质量监测站数据显示，7 月乐山市大气中SO2和NO2处于全年最低值，降水中致酸离子匮乏（图5）.另外小麦水稻等农业活动产生的NH3等碱性物质的释放给降水提供了可能的碱性物质源[10].夏季农业活动强，大面积施用氮肥使得铵态氮以NH3的形式释放到大气中，使得降水中增加，pH 升高.此次监测期间大佛左侧渗水pH 平均值为7.70、右侧渗水pH 平均值为7.72.相较于胸部渗水，大气降水pH 较高.大佛左侧渗水与右侧渗水pH 无明显差异.降水期间，左、右侧部初期渗水pH 接近7.00，随着降水的深入及时间的推进，渗水pH 呈增大趋势，接近降水pH，并最终在降水开始22 h 后pH稳定在8.00 左右直至渗水结束（图6）.

图5 2019 年大气中SO2 和NO2 含量Fig.5 SO2 and NO2 in the atmosphere in 2019

图6 pH 随时间变化Fig.6 PH changes with time

2.3 电导率和总溶解性固体

电导率（EC）是水体中离子浓度含量的指标，在一定程度上反映了水循环的长度和水流在循环中的停留时间[11].此次监测降水的EC 平均值为20 μS/cm，左侧渗水EC 平均值为1 178 μS/cm，右侧渗水EC平均值为763 μS/cm.大佛胸部渗水EC 值比降水大40 倍～60 倍，胸部渗水在基岩中停留时间较长，渗水中含有大量溶解质组分.左侧渗水EC 值要大于右侧渗水EC 值，表明大佛左侧渗水中含有较多溶解质组分，对大佛左侧基岩风化破坏作用较强.

总溶解性固体（TDS）是溶解在水中离子浓度大小的量度，可以一定程度反映研究区岩性、土壤、植被、风化侵蚀速率和人为活动等信息.降水TDS 平均值为19.5 mg/L，左侧渗水TDS 平均值为594.1 mg/L，右侧渗水TDS 平均值为387.7 mg/L.降水TDS 较低，胸部渗水TDS 比降水大20 倍～30 倍，表明降水拥有较强的溶解能力，降水在下渗-流动-排泄过程中对基岩存在明显的侵蚀溶解作用，与EC 值一致，左侧TDS 高于右侧.

降水监测期间大佛胸部渗水EC 与TDS 随时间变化特征基本一致，表现为前期与后期小，中期较大.根据EC 与TDS 变化可将大佛胸部渗水分为前期、中期与后期（图7、8）.由图7、8 可知：前期渗水含有少量溶解物质，可能为滞留于靠近大佛渗水口的前几次降水优先渗出，左侧前期渗水中EC 与TDS 先增大后减小，这可能与左侧储水构造有关；中期渗水为大佛内部基岩裂隙中储存的前次降水，因为在大佛内部储存时间久、流动路径长，溶解有大量可溶性基岩成分，在本次降水的推动下渗出；后期降水含有少量可溶性物质，意味着本次降水混合着前次降水到达出渗口，EC 与TDS 开始呈现下降趋势.

图7 渗水EC 值随时间变化Fig.7 EC value of seepage water changes with time

图8 渗水TDS 随时间变化Fig.8 TDS of seepage water changes with time

2.4 水化学分类

大佛胸部渗水阳离子以Ca2+为主，其当量占阳离子当量总和的70%，各阳离子当量浓度大小依次为Ca2+＞Na+＞Mg2+＞K+；阴离子以与为主，其当量占阳离子当量总和的59%与22%，各阴离子当量浓度大小依次为＞＞Cl-＞.绘制各离子浓度随时间变化曲线（图9），各离子（除Cl-）浓度随时间变化趋势与TDS 及EC基本一致，左侧前期渗水过程中，Na+、K+与CI-存在明显的一个的峰值，这可能与左侧特殊的储水构造有关.

图9 渗水中各离子浓度随时间变化Fig.9 Concentration of ions in seepage water changes with time

根据阿列金分类，前期和后期渗水主要为碳酸盐类-钙组-Ⅱ型，中期渗水主要为硫酸盐类-钙组-Ⅲ型.Ⅱ型水矿化度中等或较低，与水和沉积岩的作用有关；Ⅲ型水一般具有较高的矿化度，水中离子交换作用使水的成分明显变化，通常是水中的Na＋交换出土壤和沉积岩中的Ca2＋和Mg2＋.

2.5 渗水中各离子来源贡献

乐山大佛景区基本无人为污染物对渗水水化学组成产生影响，大佛渗水化学组成主要为大气降水输入与岩石溶解输入.Cl-是大气降水中的主要组分，较为保守、不易被吸附、很难发生沉淀，在岩石中含量也很低且不参与生物地球化学循环[12]，选择Cl-为参照元素进行分析大气降水对水体化学组成的影响，以大气降水中Cl-与其他元素的比值和水体中大气降水输入Cl-对照得出其他大气降水输入元素浓度，如式（1）.

式中：[Cl-]atm为大气降水输入到水体的Cl-浓度；（Cl-）ref为大气降水中Cl-的平均浓度；P为多年平均降水量，参考中国气象局，mm；E为多年平均蒸发量，参考高蔺云等[13]，mm.

表1 为渗水离子贡献情况，由分析可知：大佛渗水中离子来源主要为岩石风化（总体超过90%）；大气降水对和有一定影响，对其他离子影响很小（＜10%）.

表1 渗水离子贡献Tab.1 Contributions to seepage ions

2.6 水岩相互作用

“大佛砂岩”为白垩系下统夹关组（K2j）的下部层位，此次研究对大佛左侧崖壁对应胸部渗水段岩层进行了取样分析（图10），按高度间隔1 m 取样，每个采样点分不同深度（深度B为0～2 cm，C为2～4 cm，D为4～6 cm）.

图10 岩石采样位置Fig.10 Rock sampling location

岩石XRF (X-Ray Fluorescence)分析结果显示（表2）：岩石主要含量为SiO2（＞50%），含有一定量的CaO 和Al2O3（＞8%），少量MgO、Na2O、K2O 与Fe2O （＜4%）.考虑到SiO2性质稳定，在空气和水中可以稳定存在，因此，主要分析CaCO3的变化.中上部岩石47、47+ 和48 采样点CaCO3含量较小，CaCO3流失严重，CaCO3随地下水在下部岩层汇集.中上部岩层在深度C（2～4 cm）处CaCO3含量最低，受风化作用影响强烈.大佛胸部覆盖有一层厚约30 cm 的白色结晶物质，其主要含量为CaCO3，大气降水进入地下水流动系统，溶蚀碳酸盐岩，地下水出露后脱气作用导致CaCO3浓度达到饱和浓度从而形成结晶体.生物有机体可以为CaCO3晶体成和堆积提供一个稳定的场所，促进水的脱气作用[14]，大佛胸部生物病害发育严重，为CaCO3晶体的形成提供了更加有利的场所.

表2 X 射线荧光Tab.2 X-Ray fluorescence%

岩石SEM (scanning electron microscope)分析显示（图11）：基岩表面分布着很多颗粒，断面均呈颗粒状，颗粒大小从几微米到几百微米；整体结构致密，表面较为粗糙，微裂隙不发育，偶见孔洞和溶洞；各层的低倍SEM 照片显示的表面形态相差不大，高倍SEM 照片（5 000 倍）显示，岩样微观结构呈现团粒状或块状、形态不规则、胶结较好、局部比较致密、微裂隙发育明显且不规则、多孔洞.38B 样品颗粒表现存在明显的层状形貌，该形貌具有较大的比表面积，在空气和水存在的情况下更容易发生腐蚀.

图11 扫描电子显微镜Fig.11 Scanning Electron Microscope

岩石风化产物在很大程度上决定了地下水的水化学性质.一般而言，大气或土壤的CO2是碳酸盐岩化学风化最常见的侵蚀介质，而且H2SO4普遍参与了岩石的风化过程[15].HCO3和H2SO4的化学风化过程可简化为

只有H2CO3参与风化时，碳酸盐岩的风化产物主要为Ca2+、Mg2+与，（Ca2++ Mg2+）/的当量比值应该为1.而大佛渗水中（Ca2++ Mg2+）/的当量比值远高于1，说明仅凭离子不足以和Ca2+、Mg2+平衡.大佛渗水中主要阴离子为，其主要来源于大气输入的SO2以及硫化物矿物氧化.图12 为大佛渗水中（Ca2++ Mg2+）/（+）的当量比值，可以清楚地看到：当H2SO4参与反应后，（Ca2++ Mg2+）/当量比值基本为1，说明H2SO4参与了“大佛砂岩”的风化，并起到重要作用.

图12 渗水 （Ca2+ + Mg2+ ）/（）当量比值Fig.12 （Ca2+ + Mg2+ ）/（） of water seepage

3 结 论

1） 乐山大佛胸部渗水在平水期与枯水期主要补给来源为地下水；丰水期主要补给来源为大气降水.平水期和枯水期由于蒸发作用的影响，渗水量每日呈现规律性变化.渗水的滞后效应显示左侧基岩裂隙发育，导水性强，右侧渗水接受3 个不同来源的降水入渗补给.

2） 监测期间降水pH 平均值为8.13，为弱碱性.乐山市降水从2009 年起年平均pH＞5.60，降水已由酸性转为碱性， 大佛胸部渗水pH 平均值7.70.TDS 与EC 显示降水在下渗-流动-排泄过程中对基岩存在明显的溶解作用.

3） 大佛胸部渗水水化学类型为碳酸盐类-钙组-Ⅱ型与硫酸盐类-钙组-Ⅲ型，阳离子以Ca2+为主，其当量占阳离子当量总和的70%；阴离子以与为主，其当量占阳离子当量总和的59%与22%.岩石风化对大佛渗水中离子贡献超过90%.“大佛砂岩”主要成分为 CaCO3和SiO2，胸部的白色结晶物质主要含量为CaCO3.岩石微观分析表明，大佛胸部岩石存在明显的层状形貌，在空气和水存在的情况下容易发生溶蚀，水化学离子组成分析表明H2CO3与H2SO4共同参与了“大佛砂岩”的风化.