微波在石窟巖體水分可視化探查的研究與應用

周 杰， 王逢睿， 王 捷， 趙 煊

(1.中鐵西北科學研究院有限公司， 蘭州 730000； 2.國家文物局石窟保護技術重點科研基地， 蘭州 730000; 3.甘肅省巖土文物保護工程技術研究中心， 蘭州 730000)

以砂巖為載體開鑿建造的石窟寺在中國石質文物中占有不可替代的地位，敦煌莫高窟、麥積山石窟、云岡石窟和龍門石窟等世界文化遺產備受國內外專家學者的廣泛關注[1]。然而，受氣候條件、環境因素和工程地質條件的限制，這些珍貴的石質文物遭受裂隙、坍塌、落砂、酥堿等病害的威脅[2]，其中水-巖作用是導致這些石質文物病害發育的重要原因之一[3-5]，因而石窟巖體水分探查成為其病害研究的首要任務。

石窟巖體水來源主要有大氣降雨、空氣凝結水、裂隙和層間滲水、地下毛細水等，這些水通過物理作用、化學作用和力學作用三個方面破壞巖體結構，導致石窟巖體劣化，進而影響石質文物賦存。石質文物水害防治的首要任務就是要解決巖體水分賦存和水分來源問題，傳統的巖體水分探查手段主要有以鉆孔取樣為代表的破壞性檢測法[6]、以埋設水分傳感器探頭為代表的微損監測方法[7]和以高密度電阻率法為代表的無損檢測[8]等方法。近年來，隨著紅外熱像技術和高周波(頻率大于100 kHz 的電磁波)技術等技術的發展，多種新型無損檢測手段被文物工作者用于文物保護研究[9-11]。

鉆孔取芯法可有效、準確測試巖體含水率，然而破壞性檢測的缺陷使得其在文物保護領域的應用受到極大限制，水分測試位置局限于鉆孔位置和取樣時巖體的水分分布，無法做到長期的動態監測；同時鉆孔取樣過程中，鉆孔工藝對巖體水分測試的真實性造成一定影響。近年來，隨著預防性保護觀念的深入人心，文物工作者對巖體水分長期監測提出新的要求，水分傳感器探頭在裂隙水治理評價過程中得到廣泛應用，該方法可實時動態的監測巖體水分變化情況；然而該方法監測探頭并未直接與石窟巖體接觸，監測結果往往受裂隙充填情況或裂隙加固材料性質影響[12]。傳統的高密度電阻率法檢測手段存在測試精度相對較低、文物區布線相對困難等問題，基于此文物工作者以高密度電阻率法為原理研發的微電集手段可有效檢測巖體淺表層水分運移情況。紅外熱像技術利用水分比熱遠高于砂石比熱的特點，通過對石窟巖體滲水區進行紅外熱像，可有效探查石窟巖體滲水點，同時可用于裂隙滲水封堵加固效果評價和巖體導水效果評價，具有遠距離觀測、無損檢測和長期觀測等優點；然而紅外熱像測試需要一定溫度條件且受表面植物苔蘚影響較大。

微波測濕技術依據同種介質、相同能量的微波激發條件下，含水率越高的巖體能量耗損越大的原理，通過微波能量的耗損情況反演巖體內水分含量情況。因而，以微波測濕原理為依托，探查石窟巖體水分來源、水分分布特征以及石窟巖體水分對環境因子響應特性。研究結果可為砂巖類石窟文物水分探查提供新的思路。

1 試驗設備與測試原理

1.1 試驗設備

微波測濕技術依據同種介質、相同能量的微波激發條件下，含水率越高的巖體能量耗損越大的原理，通過微波能量的耗損情況反演巖體內水分含量情況。目前該技術通過微波濕度測試系統與MOISTANALYZE多維濕度分布成像軟件綜合使用(圖1)，該設備具有便捷、可測試不同巖體深度、溫度自動補償、無損檢測等優點。

圖1 試驗設備Fig.1 Test equipment

試驗設備有5個不同深度的探頭(表1)，可用于檢測與監測石窟淺表層巖體(0～30 cm)水分運移情況，繪制小區域內巖體水分分布的三維圖像，以及隨時間變化巖體內水分變化情況。測試過程中

表1 設備技術參數

需在相同巖性條件下進行，盡量保證測試平面的平整和測試區域的溫度基本一致。

1.2 試驗原理

水是極性分子，在外加電場作用下， 將產生很強的取向極化，與此同時還將產生位移極化。極化的結果將外加電場的能量轉化成水分子的勢能，結果將從外電場獲得的能量儲存起來，用復介電常數的實部ε′來表示。由于分子的運動有惰性，取向極化運動相對于外電場的變化有一段時間上的滯后，并產生馳豫現象。馳豫現象的宏觀效果使水分子產生能量損耗，這一損耗可以用復介電常數的虛部ε″來表示(圖2)。

圖2 測試原理Fig.2 Testing principle

水分子極化的宏觀效果使微波電場能量發生衰減, 接收到的檢測信號相對變小, 拾取表面波附近電場分量的變化就能夠反映物質含水量的多少，這是微波測濕的物理基礎。材料水分含量越高，微波通過物料的能量耗損越大，水與被測物質復相對介電常數相差越大，測試精度越高。

試驗根據微波能量耗損標定巖體內水分含量，由表2可知，水與一般物質復相對介電常數相差240～300倍，因而一般物質屬性對試驗結果精度影響極小。

表2 常見物質復相對介電常數參數

1.3 測試方法

按設備要求連接，選擇砂巖測試界面，測試時應盡量選擇巖性均一、表面平坦區域，確保探頭與巖體密切接觸，避免因巖體表面不平整帶來的測試誤差。

在巖體水分檢測中，為保證每次測試點為同一測點的不同深度，首先對測試區域進行網格化定點，對于一般非文物本體區域可采用易清洗、不影響美觀的粉筆進行定點；對于文物本體區域可采用防爆膠泥定點，確保不損壞文物本體。

2 適用性評價

以天梯山大佛窟為研究對象，選擇已經相對成熟的探頭監測數據作為參照，對同一區域相同高度范圍內的巖體采微波測濕技術，測試巖體不同深度、不同高度的含水率變化，對比分析微波測濕數據與探頭監測結果，評價微波測濕技術的適用性和優異性。

2.1 測試點的布置

結合現場工程實際，在大佛腿部左右兩側布設濕度傳感器，其中大佛的左側測點距地面高度0、1、2.5、3.5、4.5、5.2 m，大佛右側測點距地面高度1、3、5 m，探頭監測點布設如圖3所示。

在探頭測試區域進行巖體水分微波測濕探查，微波測試區與探頭監測區為同一測試縱剖面，測試高度為0～4.8 m，測試高度梯度0.3 m。

Y1、Y3、Y5分別為大佛右側測點距地面高度1、3、5 m； Z0、Z1、Z2.5、Z3.5、Z4.5、Z5.2分別為大佛左側測點距 地面高度0、1、2.5、3.5、4.5、5.2 m圖3 大佛窟測點布設Fig.3 Layout of measuring points in Dafo Grottoes

2.2 探頭監測結果分析

圖4為2017年大佛左右兩側巖體水分探頭監測結果。大佛左側巖體水分相對含量在6.2%～28.3%間，底層巖體含水量波動較大，高度超過 2.5 m 后巖體水分隨時間近拋物線變化，當年的8月份水分含量最高；同時，隨著測試高度的增加，巖體的含水量逐漸降低，0～2.5 m巖體水分含量快速降低，超過2.5 m后巖體水分變化相對緩慢。大佛右側巖體水分相對含量在9.95%～34.9%，底層巖體含水量波動較大，高度超過3 m后巖體水分含量隨時間近拋物線變化，當年8月巖體水分含量最高；同時，隨著監測高度的增加，巖體水分含量快速降低。

圖4 水分探頭監測Fig.4 Moisture probe monitoring

綜合可知，大佛右側巖體水分含量顯著低于左側巖體，現場觀察可知右側巖體底部有泉水滲出而左側未出現，表明右側裂隙巖體對水分的傳導能力優于左側裂隙巖體；隨著測試點高度的增加，巖體水分含量快速降低，當超過一定高度時，巖體水分含量變化減小；結合工程實際，黃羊水庫與大佛窟形成連通器，隨測試高度的增加，巖體內的滲透壓逐漸減小，因而水庫對底部巖體水分影響較大。

2.3 微波測濕結果分析

監測點微波測濕結果如圖5所示，可以看出，大佛左側巖體含水量范圍在0.6%～3.2%，隨著測試點的高度增加巖體含水率逐漸降低，且當測試點低于300 cm時，巖體含水率快速減小；當測試點高于300 cm時，巖體含水率變化逐漸減緩。整體來看，7 cm深的巖體含水率略高于3 cm深巖體的含水率。

由圖5(b)可知，大佛右側巖體含水率在0.6%～7.8%，隨測試點高度的增加，巖體含水率逐漸降低，且內部巖體含水率略高于外部巖體。當測試點高度低于300 cm時，巖體含水率快速降低，且7、3 cm巖體含水率相差較大；當巖體測試點高于300 cm時，巖體含水率變化趨于平穩，且7、3 cm巖體含水率相差較小。

圖5 水分微波測濕監測Fig.5 Moisture monitoring by moisture microwave

綜合可知，天梯山巖體隨著測試高度增加，巖體含水率逐漸降低，該結果與探頭監測結果基本一致；測試高度低于一定值時，同一高度大佛右側巖體含水率明顯高于左側。微波測濕與埋設探頭測試結果基本一致，內部巖體含水率整體高于表層巖體含水量，表明巖體水分主要來自巖體內部，該結果與天梯山大佛窟所處的工程地質條件一致。

2.4 適用性評價

表3為探頭監測與微波測濕的結果，對比分析天梯山大佛窟巖體水分測試結果可知，兩種測試方式對于大佛左右兩側巖體水分判斷基本一致：大佛右側巖體水分含量顯著高于左側巖體水分含量，隨著測試高度的增加巖體水分含量逐漸減少，且底部巖體水分含量變化更快。結合工程實際，大佛窟右側巖體底部長期存在泉水滲出點，且大佛底部存在近13.8 m的滲透壓，因而大佛底部巖體水分含量顯著高于上部巖體。微波測試結果與探頭監測結果基本一致，且與工程實際相吻合，因而微波測試技術在石窟巖體水分探查中是可靠的。

表3 探頭監測與微波測濕對比

微波測試結果表明，大佛窟底部巖體水分主要來源于內部，調換不同測試深度的探頭可完成巖體水分的空間測試，而探頭監測受安裝、布設等限制，僅能滿足于點或線的監測，因而微波測試具有空間測試的優點。其次，探頭監測屬于埋設型監測手段，需在巖體內部布設，為典型的破壞性監測，為了獲得穩定的監測數據，監測點需待注漿填充物穩定后方可選取有用數據，測試周期長；微波測試只需將探頭與巖體接觸即可測試，響應時間小于1 s。

綜上可知，相較于成熟的探頭監測，微波測試不僅具有較好的可靠性，且具有快速測試、無損監測、空間測試等優點。

3 巖體水分分布可視化研究

基于測試區域的網格化特征，利用微波測濕技術測試不同深度、不同平面巖體的水分含量，以網格化坐標為基礎，利用相關軟件對石窟巖體水分含量分布進行可視化展示。

3.1 “滲入型”露天石刻

選擇玉蟾露天石刻作為研究對象，測試區域為西轅門東墻砂巖巖體，測試點如圖6所示，測試區域為390 cm×270 cm的矩形，在240～270 cm的高度區間存在一條導流槽。測試時間為降雨4小時后，測區下30 cm為地面，降雨過程中地面存在積水，不同深度巖體的水分含量可視化結果如圖7所示。

由圖7可知，隨著測試深度的增加，巖體水分含量逐漸減少，巖體水分滲透主要影響3～11 cm深的巖體，對30 cm深的巖體含水量影響較小。3 cm深巖體的含水率范圍在1.2%～6.6%，多數區域巖體平均水分含量為3.43%；7 cm深巖體的含水率范圍在1.9%～5.8%，平均水分含量超過3.3%；11 cm深巖體含水量在1.1%～4.3%，平均含水量在2.66%；30 cm深巖體含水量在1.6%～3.6%，平均含水量為2.42%。

圖7 東墻不同深度巖體水分分布Fig.7 Water distribution of rock mass in different depths of east wall

底部積水區附近的巖體含水量顯著高于上部巖體，且在0～45 cm的高度范圍內，巖體存在水分集聚區域，隨著測試深度的增加，水分集聚區范圍逐漸減小，在導流槽下方存在一條水分含量相對較低的巖層。

圖8為沿A-A剖面不同深度巖體的水分分布情況，圖中水分等勢線可知，隨著測試深度的增加，巖體水分含量逐漸減少，降雨后巖體水分主要來源于表層巖體的滲透作用。

圖8 A-A剖面巖體水分分布Fig.8 Water distribution of rock mass in A-A profile

在導水槽下(高度200～240 cm的范圍)存在一條水分含量較低的帶狀巖體，結合巖體水分的平面分布，可推測該區域存在一層水分含量較低的巖層。測試區頂部為腐殖質和土層，其水分含量較高，導致上部巖體水分含量較高，由于存在低含水巖層，頂部滲水對巖體淺表層水分運移的影響有限。低含水巖層區域巖體水分隨測試深度增加而緩慢增加，與周圍巖層表現相反，腐殖質和土層所形成的自然坡角35°～40°，隨測試深度增加，上層土體水分涵養能力越強，上層滲水對低含水區巖體的影響越明顯。

3.2 “滲出型”洞窟巖體

選擇洞窟巖體作為研究對象，測試內凹形佛龕對洞窟巖體水分分布的影響，測試區域如圖9所示。由于洞窟表面不平整，且洞窟內存在文物遺跡，對測試區不宜進行網格化，選擇縱測線和橫測線布點，橫測線選佛龕下高度10 cm、平行于地面的水平測線(0～300 cm)；縱測線垂直于橫測線，高度為270 cm。

圖9 窟龕巖體測試區Fig.9 Cave rock mass test area

測試結果如圖10所示，由圖10(a)水分等勢線可知，內部巖體水分含量顯著高于表層巖體，表明該窟區域巖體水分主要來自于內部，水分由內向外運移。距離窟龕位置越遠的巖體，水分含量越高。佛龕的開鑿為巖體增加了臨空條件，增大巖體水分的散失面積，導致巖體水分向窟龕方向運移。由圖10(b)可知，隨著測試高度的增加，巖體水分含量快速降低，且具有較明顯的成層分布特點；在150 cm以下可觀測到明顯的水分運移通道，水分主要沿巖層運移，在地表50 cm范圍內形成水分集聚區。

圖10 窟龕巖體水分分布Fig.10 Water distribution of cave rock mass

表5 溫度對石窟巖體水分運移的影響

4 巖體水分運移可視化研究

降雨和溫度變化是導致巖體水分動態運移的主要原因，對于露天巖體的作用尤甚。選擇玉蟾山西轅門石刻巖體作為研究對象，測試區為240 cm×180 cm的矩形，首先對測試區域進行網格化，如圖11所示。測區高度150～180 cm區域內，存在一條內傾的導水槽，導水槽傾角為15°，巖體頂部為腐殖質和土層所形成的自然坡面，自然坡角為35°～40°。測試區域兩測與周圍巖體發育有縱向裂隙，裂隙傾角約為80°。

圖11 水分運移可視化測試區Fig.11 Visual test area of water movement

降雨對石窟巖體水分運移的影響研究主要從降雨中、雨初停(降雨持續6 h后)、雨停后24 h和雨停后48 h，分別測試網格區不同深度巖體的水分含量，評價降雨對巖體水分運移的影響。溫度對石窟巖體水分運移的作用，主要研究日出前和傍晚時巖體的水分變化情況，監測溫度對巖體水分運移的影響。

4.1 降雨對石窟巖體水分運移的影響

由表4可知，該區域巖體含水率在1.5%～5.0%，隨著降雨時間的持續，3～7 cm深的巖體水分含量顯著變化，11 cm深巖體水分含量變化相對較小，30 cm深巖體水分含量基本不變，表明該強度的降雨主要作用于淺表層巖體，對于深度超過 30 cm 的巖體作用有限。降雨期間表層巖體水分含量顯著高于內部巖體，該區域在降雨過程中水分主要從表面向內部運移；48 h后，隨著蒸發量的增加，表層巖體水分含量低于內部巖體，淺表巖體失去大氣降雨的補給，水分逐漸由“滲入”補給轉為“滲出”散失。

表4 降雨對石窟巖體水分運移的影響

巖體在高度為150 cm左右存在水分相對較低的巖層，由于上層腐殖質土層的堆積作用，在低含水巖層上部存在一定的富水區；當降雨持續時間較長時，富水區形成“漏斗狀”的積水區，當積水達到一定程度時，形成圖示的滲水通道。隨著降雨作用的停止，巖體水分由“滲入”轉為“滲出”模式，滲水通道開始閉合，低含水層逐漸重新形成，表層巖體的水分開始顯著低于內部巖體。

4.2 早晚溫度對石窟巖體水分運移的影響

上午9：00太陽初升，大氣溫度為21.4 ℃，環境相對濕度為92%；下午16：00時太陽正射測試區域，此時大氣溫度為32.7 ℃，環境相對濕度為75%，測試早晚溫度對巖體濕度的影響。

測試結果如表5所示，從日出到傍晚，測試區域巖體含水率在1.5%～3.7%，其中表層巖體水分含量變化最大，含水率最大差值約為2%；隨著時間的增加，7～11 cm深的巖體含水率變化逐漸增大，30 cm 處巖體含水率變化較小。

日出前，環境溫度較低、相對濕度較高，巖體內淺表層水分含量較高，在表層結合水作用下，巖體水分含量相對較高。隨著日出環境溫度增高、濕度減小，巖體表面蒸發作用顯著增大，表層巖體水分迅速散失，內部巖體水分向表層運移。

5 結論

借助微波測濕技術，評價其在石窟巖體水分運移中的適用性，同時測試石窟巖體水分分布和水分動態運移情況，得到如下結論。

(1)對比微波測濕技術與傳統探頭監測技術，微波測濕技術具有便捷可靠、無損檢測、三維動態展示、結果為干基含水率等優點，同時可監測環境變化條件下石窟巖體的水分運移。

(2)在石窟巖體水分分布可視化研究中，通過測試區域網格化，對于水分“滲出型”和“滲入型”巖體，可準確判斷巖體的水分補給類型和分布狀況，確定巖體相對隔水層位置、積水區域位置和范圍、水分運移通道等。

(3)在石窟巖體水分對環境響應可視化研究中，對于露天石刻，降雨主要作用于0～7 cm深的淺表層巖體，且表層巖體水分變化最顯著；巖體水分對環境濕度和濕度變化的響應，環境濕度減小、溫度升高，0～11 cm巖體水分散失相對較快，且表層巖體水分受影響最顯著。

參考微波測濕技術在紡織、造紙等其他領域中的應用，通過微波測濕技術在石窟巖體水分分布和水分動態運移可視化研究，微波測濕技術對石窟巖體淺表層水分探查和水害治理具有重要的指導意義，增加測試頻率和測試時長，研發新類型微波測濕設備，可達到石窟淺表層巖體水分動態運移實時監測效果。