微波在石窟岩体水分可视化探查的研究与应用

周 杰， 王逢睿， 王 捷， 赵 煊

(1.中铁西北科学研究院有限公司， 兰州 730000； 2.国家文物局石窟保护技术重点科研基地， 兰州 730000; 3.甘肃省岩土文物保护工程技术研究中心， 兰州 730000)

以砂岩为载体开凿建造的石窟寺在中国石质文物中占有不可替代的地位，敦煌莫高窟、麦积山石窟、云冈石窟和龙门石窟等世界文化遗产备受国内外专家学者的广泛关注[1]。然而，受气候条件、环境因素和工程地质条件的限制，这些珍贵的石质文物遭受裂隙、坍塌、落砂、酥碱等病害的威胁[2]，其中水-岩作用是导致这些石质文物病害发育的重要原因之一[3-5]，因而石窟岩体水分探查成为其病害研究的首要任务。

石窟岩体水来源主要有大气降雨、空气凝结水、裂隙和层间渗水、地下毛细水等，这些水通过物理作用、化学作用和力学作用三个方面破坏岩体结构，导致石窟岩体劣化，进而影响石质文物赋存。石质文物水害防治的首要任务就是要解决岩体水分赋存和水分来源问题，传统的岩体水分探查手段主要有以钻孔取样为代表的破坏性检测法[6]、以埋设水分传感器探头为代表的微损监测方法[7]和以高密度电阻率法为代表的无损检测[8]等方法。近年来，随着红外热像技术和高周波(频率大于100 kHz 的电磁波)技术等技术的发展，多种新型无损检测手段被文物工作者用于文物保护研究[9-11]。

钻孔取芯法可有效、准确测试岩体含水率，然而破坏性检测的缺陷使得其在文物保护领域的应用受到极大限制，水分测试位置局限于钻孔位置和取样时岩体的水分分布，无法做到长期的动态监测；同时钻孔取样过程中，钻孔工艺对岩体水分测试的真实性造成一定影响。近年来，随着预防性保护观念的深入人心，文物工作者对岩体水分长期监测提出新的要求，水分传感器探头在裂隙水治理评价过程中得到广泛应用，该方法可实时动态的监测岩体水分变化情况；然而该方法监测探头并未直接与石窟岩体接触，监测结果往往受裂隙充填情况或裂隙加固材料性质影响[12]。传统的高密度电阻率法检测手段存在测试精度相对较低、文物区布线相对困难等问题，基于此文物工作者以高密度电阻率法为原理研发的微电集手段可有效检测岩体浅表层水分运移情况。红外热像技术利用水分比热远高于砂石比热的特点，通过对石窟岩体渗水区进行红外热像，可有效探查石窟岩体渗水点，同时可用于裂隙渗水封堵加固效果评价和岩体导水效果评价，具有远距离观测、无损检测和长期观测等优点；然而红外热像测试需要一定温度条件且受表面植物苔藓影响较大。

微波测湿技术依据同种介质、相同能量的微波激发条件下，含水率越高的岩体能量耗损越大的原理，通过微波能量的耗损情况反演岩体内水分含量情况。因而，以微波测湿原理为依托，探查石窟岩体水分来源、水分分布特征以及石窟岩体水分对环境因子响应特性。研究结果可为砂岩类石窟文物水分探查提供新的思路。

1 试验设备与测试原理

1.1 试验设备

微波测湿技术依据同种介质、相同能量的微波激发条件下，含水率越高的岩体能量耗损越大的原理，通过微波能量的耗损情况反演岩体内水分含量情况。目前该技术通过微波湿度测试系统与MOISTANALYZE多维湿度分布成像软件综合使用(图1)，该设备具有便捷、可测试不同岩体深度、温度自动补偿、无损检测等优点。

图1 试验设备Fig.1 Test equipment

试验设备有5个不同深度的探头(表1)，可用于检测与监测石窟浅表层岩体(0～30 cm)水分运移情况，绘制小区域内岩体水分分布的三维图像，以及随时间变化岩体内水分变化情况。测试过程中

表1 设备技术参数

需在相同岩性条件下进行，尽量保证测试平面的平整和测试区域的温度基本一致。

1.2 试验原理

水是极性分子，在外加电场作用下， 将产生很强的取向极化，与此同时还将产生位移极化。极化的结果将外加电场的能量转化成水分子的势能，结果将从外电场获得的能量储存起来，用复介电常数的实部ε′来表示。由于分子的运动有惰性，取向极化运动相对于外电场的变化有一段时间上的滞后，并产生驰豫现象。驰豫现象的宏观效果使水分子产生能量损耗，这一损耗可以用复介电常数的虚部ε″来表示(图2)。

图2 测试原理Fig.2 Testing principle

水分子极化的宏观效果使微波电场能量发生衰减, 接收到的检测信号相对变小, 拾取表面波附近电场分量的变化就能够反映物质含水量的多少，这是微波测湿的物理基础。材料水分含量越高，微波通过物料的能量耗损越大，水与被测物质复相对介电常数相差越大，测试精度越高。

试验根据微波能量耗损标定岩体内水分含量，由表2可知，水与一般物质复相对介电常数相差240～300倍，因而一般物质属性对试验结果精度影响极小。

表2 常见物质复相对介电常数参数

1.3 测试方法

按设备要求连接，选择砂岩测试界面，测试时应尽量选择岩性均一、表面平坦区域，确保探头与岩体密切接触，避免因岩体表面不平整带来的测试误差。

在岩体水分检测中，为保证每次测试点为同一测点的不同深度，首先对测试区域进行网格化定点，对于一般非文物本体区域可采用易清洗、不影响美观的粉笔进行定点；对于文物本体区域可采用防爆胶泥定点，确保不损坏文物本体。

2 适用性评价

以天梯山大佛窟为研究对象，选择已经相对成熟的探头监测数据作为参照，对同一区域相同高度范围内的岩体采微波测湿技术，测试岩体不同深度、不同高度的含水率变化，对比分析微波测湿数据与探头监测结果，评价微波测湿技术的适用性和优异性。

2.1 测试点的布置

结合现场工程实际，在大佛腿部左右两侧布设湿度传感器，其中大佛的左侧测点距地面高度0、1、2.5、3.5、4.5、5.2 m，大佛右侧测点距地面高度1、3、5 m，探头监测点布设如图3所示。

在探头测试区域进行岩体水分微波测湿探查，微波测试区与探头监测区为同一测试纵剖面，测试高度为0～4.8 m，测试高度梯度0.3 m。

Y1、Y3、Y5分别为大佛右侧测点距地面高度1、3、5 m； Z0、Z1、Z2.5、Z3.5、Z4.5、Z5.2分别为大佛左侧测点距 地面高度0、1、2.5、3.5、4.5、5.2 m图3 大佛窟测点布设Fig.3 Layout of measuring points in Dafo Grottoes

2.2 探头监测结果分析

图4为2017年大佛左右两侧岩体水分探头监测结果。大佛左侧岩体水分相对含量在6.2%～28.3%间，底层岩体含水量波动较大，高度超过 2.5 m 后岩体水分随时间近抛物线变化，当年的8月份水分含量最高；同时，随着测试高度的增加，岩体的含水量逐渐降低，0～2.5 m岩体水分含量快速降低，超过2.5 m后岩体水分变化相对缓慢。大佛右侧岩体水分相对含量在9.95%～34.9%，底层岩体含水量波动较大，高度超过3 m后岩体水分含量随时间近抛物线变化，当年8月岩体水分含量最高；同时，随着监测高度的增加，岩体水分含量快速降低。

图4 水分探头监测Fig.4 Moisture probe monitoring

综合可知，大佛右侧岩体水分含量显著低于左侧岩体，现场观察可知右侧岩体底部有泉水渗出而左侧未出现，表明右侧裂隙岩体对水分的传导能力优于左侧裂隙岩体；随着测试点高度的增加，岩体水分含量快速降低，当超过一定高度时，岩体水分含量变化减小；结合工程实际，黄羊水库与大佛窟形成连通器，随测试高度的增加，岩体内的渗透压逐渐减小，因而水库对底部岩体水分影响较大。

2.3 微波测湿结果分析

监测点微波测湿结果如图5所示，可以看出，大佛左侧岩体含水量范围在0.6%～3.2%，随着测试点的高度增加岩体含水率逐渐降低，且当测试点低于300 cm时，岩体含水率快速减小；当测试点高于300 cm时，岩体含水率变化逐渐减缓。整体来看，7 cm深的岩体含水率略高于3 cm深岩体的含水率。

由图5(b)可知，大佛右侧岩体含水率在0.6%～7.8%，随测试点高度的增加，岩体含水率逐渐降低，且内部岩体含水率略高于外部岩体。当测试点高度低于300 cm时，岩体含水率快速降低，且7、3 cm岩体含水率相差较大；当岩体测试点高于300 cm时，岩体含水率变化趋于平稳，且7、3 cm岩体含水率相差较小。

图5 水分微波测湿监测Fig.5 Moisture monitoring by moisture microwave

综合可知，天梯山岩体随着测试高度增加，岩体含水率逐渐降低，该结果与探头监测结果基本一致；测试高度低于一定值时，同一高度大佛右侧岩体含水率明显高于左侧。微波测湿与埋设探头测试结果基本一致，内部岩体含水率整体高于表层岩体含水量，表明岩体水分主要来自岩体内部，该结果与天梯山大佛窟所处的工程地质条件一致。

2.4 适用性评价

表3为探头监测与微波测湿的结果，对比分析天梯山大佛窟岩体水分测试结果可知，两种测试方式对于大佛左右两侧岩体水分判断基本一致：大佛右侧岩体水分含量显著高于左侧岩体水分含量，随着测试高度的增加岩体水分含量逐渐减少，且底部岩体水分含量变化更快。结合工程实际，大佛窟右侧岩体底部长期存在泉水渗出点，且大佛底部存在近13.8 m的渗透压，因而大佛底部岩体水分含量显著高于上部岩体。微波测试结果与探头监测结果基本一致，且与工程实际相吻合，因而微波测试技术在石窟岩体水分探查中是可靠的。

表3 探头监测与微波测湿对比

微波测试结果表明，大佛窟底部岩体水分主要来源于内部，调换不同测试深度的探头可完成岩体水分的空间测试，而探头监测受安装、布设等限制，仅能满足于点或线的监测，因而微波测试具有空间测试的优点。其次，探头监测属于埋设型监测手段，需在岩体内部布设，为典型的破坏性监测，为了获得稳定的监测数据，监测点需待注浆填充物稳定后方可选取有用数据，测试周期长；微波测试只需将探头与岩体接触即可测试，响应时间小于1 s。

综上可知，相较于成熟的探头监测，微波测试不仅具有较好的可靠性，且具有快速测试、无损监测、空间测试等优点。

3 岩体水分分布可视化研究

基于测试区域的网格化特征，利用微波测湿技术测试不同深度、不同平面岩体的水分含量，以网格化坐标为基础，利用相关软件对石窟岩体水分含量分布进行可视化展示。

3.1 “渗入型”露天石刻

选择玉蟾露天石刻作为研究对象，测试区域为西辕门东墙砂岩岩体，测试点如图6所示，测试区域为390 cm×270 cm的矩形，在240～270 cm的高度区间存在一条导流槽。测试时间为降雨4小时后，测区下30 cm为地面，降雨过程中地面存在积水，不同深度岩体的水分含量可视化结果如图7所示。

由图7可知，随着测试深度的增加，岩体水分含量逐渐减少，岩体水分渗透主要影响3～11 cm深的岩体，对30 cm深的岩体含水量影响较小。3 cm深岩体的含水率范围在1.2%～6.6%，多数区域岩体平均水分含量为3.43%；7 cm深岩体的含水率范围在1.9%～5.8%，平均水分含量超过3.3%；11 cm深岩体含水量在1.1%～4.3%，平均含水量在2.66%；30 cm深岩体含水量在1.6%～3.6%，平均含水量为2.42%。

图7 东墙不同深度岩体水分分布Fig.7 Water distribution of rock mass in different depths of east wall

底部积水区附近的岩体含水量显著高于上部岩体，且在0～45 cm的高度范围内，岩体存在水分集聚区域，随着测试深度的增加，水分集聚区范围逐渐减小，在导流槽下方存在一条水分含量相对较低的岩层。

图8为沿A-A剖面不同深度岩体的水分分布情况，图中水分等势线可知，随着测试深度的增加，岩体水分含量逐渐减少，降雨后岩体水分主要来源于表层岩体的渗透作用。

图8 A-A剖面岩体水分分布Fig.8 Water distribution of rock mass in A-A profile

在导水槽下(高度200～240 cm的范围)存在一条水分含量较低的带状岩体，结合岩体水分的平面分布，可推测该区域存在一层水分含量较低的岩层。测试区顶部为腐殖质和土层，其水分含量较高，导致上部岩体水分含量较高，由于存在低含水岩层，顶部渗水对岩体浅表层水分运移的影响有限。低含水岩层区域岩体水分随测试深度增加而缓慢增加，与周围岩层表现相反，腐殖质和土层所形成的自然坡角35°～40°，随测试深度增加，上层土体水分涵养能力越强，上层渗水对低含水区岩体的影响越明显。

3.2 “渗出型”洞窟岩体

选择洞窟岩体作为研究对象，测试内凹形佛龛对洞窟岩体水分分布的影响，测试区域如图9所示。由于洞窟表面不平整，且洞窟内存在文物遗迹，对测试区不宜进行网格化，选择纵测线和横测线布点，横测线选佛龛下高度10 cm、平行于地面的水平测线(0～300 cm)；纵测线垂直于横测线，高度为270 cm。

图9 窟龛岩体测试区Fig.9 Cave rock mass test area

测试结果如图10所示，由图10(a)水分等势线可知，内部岩体水分含量显著高于表层岩体，表明该窟区域岩体水分主要来自于内部，水分由内向外运移。距离窟龛位置越远的岩体，水分含量越高。佛龛的开凿为岩体增加了临空条件，增大岩体水分的散失面积，导致岩体水分向窟龛方向运移。由图10(b)可知，随着测试高度的增加，岩体水分含量快速降低，且具有较明显的成层分布特点；在150 cm以下可观测到明显的水分运移通道，水分主要沿岩层运移，在地表50 cm范围内形成水分集聚区。

图10 窟龛岩体水分分布Fig.10 Water distribution of cave rock mass

表5 温度对石窟岩体水分运移的影响

4 岩体水分运移可视化研究

降雨和温度变化是导致岩体水分动态运移的主要原因，对于露天岩体的作用尤甚。选择玉蟾山西辕门石刻岩体作为研究对象，测试区为240 cm×180 cm的矩形，首先对测试区域进行网格化，如图11所示。测区高度150～180 cm区域内，存在一条内倾的导水槽，导水槽倾角为15°，岩体顶部为腐殖质和土层所形成的自然坡面，自然坡角为35°～40°。测试区域两测与周围岩体发育有纵向裂隙，裂隙倾角约为80°。

图11 水分运移可视化测试区Fig.11 Visual test area of water movement

降雨对石窟岩体水分运移的影响研究主要从降雨中、雨初停(降雨持续6 h后)、雨停后24 h和雨停后48 h，分别测试网格区不同深度岩体的水分含量，评价降雨对岩体水分运移的影响。温度对石窟岩体水分运移的作用，主要研究日出前和傍晚时岩体的水分变化情况，监测温度对岩体水分运移的影响。

4.1 降雨对石窟岩体水分运移的影响

由表4可知，该区域岩体含水率在1.5%～5.0%，随着降雨时间的持续，3～7 cm深的岩体水分含量显著变化，11 cm深岩体水分含量变化相对较小，30 cm深岩体水分含量基本不变，表明该强度的降雨主要作用于浅表层岩体，对于深度超过 30 cm 的岩体作用有限。降雨期间表层岩体水分含量显著高于内部岩体，该区域在降雨过程中水分主要从表面向内部运移；48 h后，随着蒸发量的增加，表层岩体水分含量低于内部岩体，浅表岩体失去大气降雨的补给，水分逐渐由“渗入”补给转为“渗出”散失。

表4 降雨对石窟岩体水分运移的影响

岩体在高度为150 cm左右存在水分相对较低的岩层，由于上层腐殖质土层的堆积作用，在低含水岩层上部存在一定的富水区；当降雨持续时间较长时，富水区形成“漏斗状”的积水区，当积水达到一定程度时，形成图示的渗水通道。随着降雨作用的停止，岩体水分由“渗入”转为“渗出”模式，渗水通道开始闭合，低含水层逐渐重新形成，表层岩体的水分开始显著低于内部岩体。

4.2 早晚温度对石窟岩体水分运移的影响

上午9：00太阳初升，大气温度为21.4 ℃，环境相对湿度为92%；下午16：00时太阳正射测试区域，此时大气温度为32.7 ℃，环境相对湿度为75%，测试早晚温度对岩体湿度的影响。

测试结果如表5所示，从日出到傍晚，测试区域岩体含水率在1.5%～3.7%，其中表层岩体水分含量变化最大，含水率最大差值约为2%；随着时间的增加，7～11 cm深的岩体含水率变化逐渐增大，30 cm 处岩体含水率变化较小。

日出前，环境温度较低、相对湿度较高，岩体内浅表层水分含量较高，在表层结合水作用下，岩体水分含量相对较高。随着日出环境温度增高、湿度减小，岩体表面蒸发作用显著增大，表层岩体水分迅速散失，内部岩体水分向表层运移。

5 结论

借助微波测湿技术，评价其在石窟岩体水分运移中的适用性，同时测试石窟岩体水分分布和水分动态运移情况，得到如下结论。

(1)对比微波测湿技术与传统探头监测技术，微波测湿技术具有便捷可靠、无损检测、三维动态展示、结果为干基含水率等优点，同时可监测环境变化条件下石窟岩体的水分运移。

(2)在石窟岩体水分分布可视化研究中，通过测试区域网格化，对于水分“渗出型”和“渗入型”岩体，可准确判断岩体的水分补给类型和分布状况，确定岩体相对隔水层位置、积水区域位置和范围、水分运移通道等。

(3)在石窟岩体水分对环境响应可视化研究中，对于露天石刻，降雨主要作用于0～7 cm深的浅表层岩体，且表层岩体水分变化最显著；岩体水分对环境湿度和湿度变化的响应，环境湿度减小、温度升高，0～11 cm岩体水分散失相对较快，且表层岩体水分受影响最显著。

参考微波测湿技术在纺织、造纸等其他领域中的应用，通过微波测湿技术在石窟岩体水分分布和水分动态运移可视化研究，微波测湿技术对石窟岩体浅表层水分探查和水害治理具有重要的指导意义，增加测试频率和测试时长，研发新类型微波测湿设备，可达到石窟浅表层岩体水分动态运移实时监测效果。