石窟寺作为我国古代建造技艺传承的重要载体，记录着中华民族不同时期的历史文化特点，是不可再生的珍贵文物资源。受长期自然作用以及人类活动的影响，石窟寺的损伤劣化及失稳风险不容忽视，文化遗产的传承与延续正面临着严峻的威胁。《典型砂岩石窟岩体损伤劣化机制与失稳机理》以典型砂岩石窟为对象，系统分析了石窟岩体的赋存环境、多尺度结构、损伤时效规律与失稳机理，取得了以下四个方面的重要成果：①编制了中国石窟寺工程地质环境系列图件，提出了石窟寺赋存环境的“四大区、九小区”分类方案；②研发了石窟病害智能探测机器人，厘清了多尺度结构的空间异质分布规律；③明晰了多环境因子对石窟寺岩体劣化的阶段性控制作用，构建了基于能量耗散原理的时效劣化模型；④阐明了石窟寺岩体的破坏模式和控制要素，揭示了岩体累积性与瞬时性失稳的耦合机制。

第1章绪论
　　石窟寺是我国文化遗产中的一颗璀璨明珠，作为佛教传播的路标，沿丝绸之路东渐，经巴基斯坦、阿富汗分南北两线传入我国（程云霞，2010），集中展现了建筑、雕塑和壁画艺术的辉煌成就。我国的石窟寺空间分布和迁移规律主要与佛教文化传播历史有关，一座座历史悠久的石窟不仅构成了佛教的东传史，而且记录着中华民族不同时期的历史文化特点，是不可再生的珍贵文物资源。
　　我国石窟寺分布广、数量大、类型多。2021年12月24日国家文物局公布的石窟寺调查结果显示，全国共有石窟寺2155处，摩崖造像3831处，共计5986处。其中，全国重点文物保护单位共288处，省级文物保护单位417处，市县级文物保护单位1285处，尚未核定公布为文物保护单位的不可移动文物3361处，另有新发现635处。依据国务院公布的国家重点文物保护单位信息（共八批），筛分出石窟寺、摩崖造像、石刻和岩画等石质文物共313处，其中石窟寺和摩崖造像180处，包括石窟寺97处，摩崖造像83处。
　　在漫长的历史岁月中，石窟寺经历了自然侵蚀与人类活动的长期影响，导致其病害和破坏现象日益加剧，如裂隙发育、坍塌失稳、渗水溶蚀和风化。这些现象破坏了石窟寺的真实性、完整性和延续性，对其长期保存和安全利用构成了威胁。同时，由于我国石窟寺形制多样且赋存地质环境复杂，其劣化与破坏方式存在显著差异。为了解决上述问题，更好地保护和传承石窟寺文化遗产，如何科学地阐明石窟岩体劣化机制与失稳机理，已成为新时代石窟寺保护与利用的巨大挑战。
　　1.1石窟岩体劣化与稳定性
　　考虑石窟岩体的劣化特征、破坏形式、规模及特点，结合以往研究（李宏松，2011），可以将石窟寺的劣化失稳分为两类：一类为岩石劣化，表现为岩石表层风化破坏了石窟文物表面结构的完整性或影响了文物价值；另一类为结构性破坏，指石窟岩体或所依附山体发生的崩落、坍塌、块体滑移等不稳定现象。
　　岩石劣化是石窟寺保护面临的普遍问题，常见的劣化形式包括剥落、开裂、变色与堆积、生物侵蚀等，其中剥落是较为典型的劣化类型。岩石劣化剥落的形式较为复杂形式较为复杂，以砂岩石窟为例，可分板状剥落、片状剥落、鳞片状剥落、粉末状剥落、粒状剥落和层状剥落六个*立类型（李宏松，2011）。石窟赋存的地质环境不同，岩石的风化剥落特征也存在显著差异。例如，汪东云等（1994）在宝顶山石窟风化破坏分析中发现，石窟岩体风化严重的区域形成了粒状脱落、片状-卷*状剥离和空腔状剥落等破坏，部分地段形成层状、板状脱落，造成佛龛及碑文模糊；张景科等（2021）对庆阳北石窟寺砂岩表层风化调查时指出，北石窟寺砂岩表层发育的主要风化病害有颗粒状剥落、层状剥落、片状剥落、鳞片状剥落等，这些岩石劣化问题不仅受温湿条件等赋存环境的影响，与岩石本身的性质也有着密切关联。
　　石窟寺的结构性破坏易发生于洞窟顶板、岩柱及石窟崖壁，主要受控于岩体结构与复杂应力条件。洞窟顶板岩体失稳是石窟寺*为常见的破坏模式，具体表现为梁板式折断、冒落、局部掉块等（王金华等，2013）。在应力集中作用下，顶板岩体的拉应力若超过其抗拉强度，便会产生裂缝并易形成不稳定块体，以致发生掉块。当顶板岩体较薄时，若其截面上的剪应力超过岩体的抗剪强度，或截面弯矩超过岩体的抗弯能力，则可能发生顶板坍塌（满君等，2009;王逢睿和肖碧，2011）。而石窟岩柱的失稳破坏主要由裂隙切割与风化蠕变所致（王金华等，2013）。结构面的切割改变了岩柱的形态结构，进而导致其受力状态发生不利调整。石窟崖壁的失稳破坏主要发生在被结构面切割形成的危岩体上（何德伟等，2008），破坏形式包括滑塌式破坏、倾倒式破坏和坠落式破坏（陈洪凯等，2003）。当石窟所处的应力环境发生变化时，崖壁危岩体的位移、应力状态及动力响应等也发生相应调整，易引发失稳，威胁石窟文物和广大游客的安全。
　　综合来看，以往学者在石窟寺岩体劣化现象及失稳模式等方面已开展了大量研究工作。为深入揭示石窟岩体劣化与失稳机理，我们仍需关注不同尺度岩体结构以及复杂环境所产生的力学效应，尤其对易发生损伤劣化与失稳的石窟顶板，阐明其损伤劣化机制与失稳机理更具有科学意义和应用价值。
　　1.2石窟岩体劣化失稳机理研究挑战
　　影响石窟岩体稳定性的因素众多，揭示石窟岩体劣化失稳机理是保障石窟稳定的前提。近年来，学者们从不同的角度探究了影响石窟岩体失稳的内外因素。
　　石窟寺的岩性、岩体结构、洞窟形制以及赋存区地形地貌等是影响石窟寺稳定的主要内部因素（汪东云等，1994;方云等，2011）。岩性不仅决定着石质文物自身的耐久性，而且是造成差异风化的主要原因（李智毅，1995）。结构面的存在则显著弱化岩体的力学特性，并导致其表现出强烈的各向异性（包含等，2015，2016）。洞窟形制也直接影响石窟岩体稳定性，受开凿条件及所处文化背景差异影响，石窟形制多样，其结构力学性能差异较大，导致稳定性表现不尽相同（王茜，2020）。此外，石窟寺多依山开凿，特殊的地形地貌条件易形成诸多不良地质条件，如危岩体、边坡卸荷等，对石窟的长久稳定构成了重要威胁（黄克忠，1998;丁梧秀等，2004;刘佑荣，2009）。
　　石窟岩体稳定性与所处的自然环境、人类活动等外部因素也密不可分（牟会宠等，2000）。从以往的研究成果来看，学者们对外因的关注多集中于以下两类：一类是自然营力（潘别桐和黄克忠，1992），如水环境（严绍军等，2005;Liu et al.，2020a；张梦婷等，2021）、气候（温湿度、风沙、降雨）（王亨通，1990;Wang et al.，2006;Li et al.，2015;王逢睿等，2017）、生物作用（张永等，2019;王金华和霍晓彤，2021）、可溶盐（Jiang et al.，2015）及构造活动（Peng et al.，2013;Guo et al.，2021）等；另一类是人类相关活动（潘别桐和黄克忠，1992），如焚香、居住、战乱、游客活动及工程振动等（赵以辛等，2002;张明泉等，2009;陈卫昌等，2017;Chen et al.，2018）。这些外界因素增大了石窟寺保护的难度，使石窟寺的劣化与失稳问题呈现出加速趋势。
　　石窟岩体的劣化失稳是内部与外部因素综合作用的结果。一方面，岩性、岩体结构、洞窟形制、地形地貌等内部因素，为石窟岩体劣化过程的发育和发展创造了先决条件（张金风，2008；兰恒星等，2023）。另一方面，石窟岩体损伤劣化、失稳破坏与所处的环境条件、人类活动等外部因素也密不可分。在上述内、外因素的综合作用下，石窟岩体呈现出复杂的劣化与失稳特征（刘世杰等，2022），为石窟寺的长期保护带来了极大的挑战。
　　1.3本书的学术思路、研究内容与成果进展
　　我国80%以上的石窟寺建造于砂岩之中。然而，由于砂岩本身疏松多孔，又长期暴露于复杂多变的外界环境中，导致诸多砂岩型石窟寺发生失稳破坏等多种病害。近年来，工业的快速发展更显著改变了石窟寺的赋存环境，加剧了病害问题的严峻性。
　　虽然针对砂岩石窟岩体的损伤劣化与失稳已开展了大量的研究工作，但各石窟赋存环境存在差异，影响石窟稳定性的主控因素不尽相同，相关研究工作的侧重点也不尽相同。为深入贯彻文物工作系列重要论述精神，落实《“十四五”文物保护和科技创新规划》及《关于加强石窟寺保护利用工作的指导意见》，更好地指导石窟寺文物保护的科学研究与实践，需要进一步梳理相关成果和研究需求。因此，本书在分析岩体损伤破坏机制的基础上，以石窟寺赋存工程地质环境为背景，运用智能搭载平台、其他现场勘测技术以及室内测试等手段，厘清多尺度岩体结构空间分布特征，阐明内外动力耦合作用下石窟岩体的劣化机制，进而揭示石窟岩体失稳机理。本书围绕“工程地质环境特征、岩体结构调查与探测、多尺度岩体结构特征、石窟岩体渗透特性、微环境作用下石窟砂岩损伤劣化特征与机制、砂岩石窟破坏模式与分类体系、砂岩石窟失稳破坏机理及防护对策”等多个方面详细介绍了石窟岩体劣化失稳的相关研究成果，以期为砂岩石窟岩体病害的科学诊断与有效防治提供理论支撑和实践参考。
　　1.3.1关键科学与技术问题
　　1）石窟岩体稳定性影响因素的识别与量化评价
　　石窟岩体的劣化失稳反映了在内外因素的长期作用下，岩体内部多尺度结构的产生一拓展一贯通一成网一演化过程。因此，在考虑地质环境特征的基础上，如何精准识别与量化评价影响石窟岩体稳定性的主控因子，是揭示石窟岩体多尺度、长时序损伤演化机制的关键所在。
　　2）石窟岩体结构精细探测与三维表征
　　石窟岩体结构尺度多变、成因机制复杂，岩体结构的分布特征与组合关系是造成岩体劣化失稳的基础。对石窟岩体结构进行精细探测与评估，关键需要厘清多尺度裂隙的天然分布状态，探明埋藏裂隙的发育与分布模式，进而实现岩体结构多尺度三维网络构建。
　　3）石窟岩体损伤劣化的时效演化规律
　　石窟岩体的失稳破坏表现出显著的时间依赖性。因此，结合洞室与窟体应力场特征及环境影响，追踪岩体损伤演化随时间的阶段性特征，阐明时效性演化规律，是定量揭示多因素耦合作用下石窟岩体损伤劣化的关键环节。
　　4）石窟岩体渐进性与瞬时性破坏机制
　　石窟岩体的破坏过程存在显著的差异性，在研究石窟岩体工程地质破坏模式分类的基础上，如何探明内、外因素耦合作用下岩体的应力调整及变形规律，揭示石窟岩体渐进性和瞬时性破坏机制，是石窟寺保护工作的重要理论支撑。
　　1.3.2主要研究内容
　　1）石窟寺赋存环境特征与稳定主要控制因素
　　围绕石窟寺岩体劣化失稳的影响因素，厘清石窟寺赋存的工程地质环境特征，提出石窟寺赋存工程地质环境分区方法；揭示地质环境要素对石窟岩体稳定的影响，并明晰主要控制因素。
　　2）石窟岩体结构精细化探测与三维重构
　　开发石窟病害自适应智能探测搭载平台，结合现场调查获取不同尺度结构面分布信息，厘清岩体结构及多尺度裂隙空间分布特征；融合石窟形制、崖体结构特征，构建反映石窟岩体宏观、微观、细观结构信息的三维模型。
　　3）石窟岩体损伤劣化时效规律
　　定量化描述不同环境因子作用下石窟岩体参数的变化，捕捉岩体形变对微环境的响应特征，确定石窟寺稳定性主控因子和关键参数的时序特征；厘定多环境因子对石窟岩体劣化的长期作用，构建石窟岩体损伤时效演化模型。
　　4）石窟岩体的结构特征与累积性和瞬时性破坏机制
　　根据岩体结构多尺度三维空间模型，建立安岳石窟和北石窟岩体结构特征与失稳类型的相关性；探明环境因素耦合作用下岩体应力调整及变形规律，从多维角度揭示石窟岩体累积性和瞬时性破坏失稳机理。
　　1.3.3本书主要成果介绍
　　本书共分为12章。第1章绪论主要介绍石窟寺保护背景和面临的工程地质问题；第2章突出石窟寺工程地质环境特征的介绍；第3？5章重点介绍了石窟岩体结构调查与多种探测方法，以及石窟寺多尺度岩体结构特征；第6？10章涉及石窟岩体渗透特性，以及水-岩作用、酸蚀作用、盐析作用、温度循环等微环境作用下石窟砂岩损伤劣化特征与机制；第11、12章分别介绍别介绍了石窟砂岩典型破坏模式与分类体系，以及石窟岩体失稳破坏机理及防护对策。主要研究具体如下：
　　（1）围绕石窟岩体赋存工程地质环境特征，本书第2章重点阐释了地质环境系统、地形地貌环境系统和气候环境系统三大自然系统的耦合作用共同构成了石窟寺赋存的自然环境系统，并指出该耦合作用是石窟寺病害产生的根本原因；*次基于地球系统科学观点，从赋存环境要素耦合角度系统研究了中国石窟寺区域工程地质环境的总体特征与空间变化规律；梳理了不同区域石窟岩体的环境主控因素，提出了石窟寺赋存环境的分区方案，明确了不同区域在赋存环境特征、岩体稳定性及损伤破坏主控因素方面的差异性，为石窟寺保护规划和具体保护实践提供了科学依据。
　　（2）围绕石窟岩体结构精细化探测与三

目录
前言
第1章 绪论 1
11 石窟岩体劣化与稳定性 1
12 石窟岩体劣化失稳机理研究挑战 2
13 本书的学术思路、研究内容与成果进展 3
131 关键科学与技术问题3
132 主要研究内容 4
133 本书主要成果介绍 4
134 社会效益 5
第2章 石窟寺工程地质环境特征 7
21 我国石窟寺岩性特征与空间分布 7
211 我国石窟寺岩石类型划分 7
212 我国石窟寺空间分布特征 8
22 石窟寺赋存的工程地质环境 9
221 区域气候环境 9
222 区域地貌环境 15
223 大地构造 18
224 地震与活动构造 20
225 水文地质环境 24
23 石窟寺赋存的区域工程地质环境分区 26
231 我国石窟寺赋存工程地质环境分区原则 26
232 我国石窟寺赋存区域工程地质环境分区 27
24 工程地质环境对石窟岩体稳定的影响 28
241 石窟寺病害主要控制因素 28
242 工程地质环境要素之间相互作用及耦合关系 29
25 小结 30
第3章 石窟岩体结构调查与探测 31
31 岩体结构分类与统计理论 31
311 地质成因分类 31
312 尺度分类 34
313 岩体结构统计理论 34
32 岩体结构调查与探测原则 36
321 探测对象的特殊性 36
322 探测原则与内容 37
33 常规地质调查 38
331 现场调查 38
332 室内探测 38
34 无损探测技术 42
341 探地雷达 42
342 三维激光扫描 46
343 红外无损探测技术 48
344 摄影测量技术 51
35 小结 54
第4章 石窟病害的自主检测与智能识别技术 56
41 洞窟病害自主探测机器人开发 56
42 洞窟三维数字化模型构建 59
421 稠密建图算法简介 59
422 稠密建图算法架构 60
423 三维数字化模型构建 61
43 多重洞窟病害智能识别方法开发 66
431 深度筛选机制 66
432 病害探测算法 67
44 洞窟病害的空间定位与量化表征 71
441 病害空间定位 71
442 病害数据量化 71
45 石窟寺洞窟自主探测与智能识别技术应用实例 73
46 小结 75
第5章 石窟寺多尺度岩体结构特征 77
51 岩体结构的统计分布特征 77
511 结构面产状统计分布特征 78
512 结构面迹长统计分布特征 79
513 结构面间距统计分布特征 80
514 结构面深度统计分布特征 81
52 石窟岩体结构空间分布的异质性 81
521 不同类型结构面的空间分布 81
522 不同尺度结构面的空间分布 85
53 岩体结构组合作用 88
531 局部块体失稳 88
532 危岩体病害 92
533 水分渗流通道 94
54 岩体结构三维重构 94
541 三维仿真实景模型构建 95
542 多尺度岩体结构信息融合 98
55 小结 102
第6章 石窟岩体渗透特性 103
61 岩体裂隙渗流特性 104
611 岩石结构面形貌特征 104
612 渗流基本理论 105
613 渗流模型制作及试验方案 106
614 试验结果及分析 107
615 渗流模型及参数确定 111
62 岩体裂隙网络渗流特性 115
621 裂隙网络渗流基本理论 115
622 格子玻尔兹曼方法介绍 116
623 网络模型构建及渗流特性分析 118
624 裂隙网络和格子玻尔兹曼方法流固耦合计算 122
63 孔隙介质渗流特性研究 123
631 岩石渗流基本理论 123
632 基于格子玻尔兹曼方法的孔隙介质渗流特性研究 124
633 结果分析和渗透系数模型建立 131
64 小结 135
第7章 水？岩作用下石窟砂岩损伤劣化特征与机制 136
71 水-岩作用下石窟砂岩物理力学性质劣化规律 136
711 石窟砂岩物理性质劣化规律 137
712 石窟砂岩力学性质劣化规律 139
713 石窟砂岩强度指标劣化 144
714 石窟砂岩破坏模式演化 146
72 水-岩作用下石窟砂岩劣化微观特征分析 148
721 石窟砂岩的孔隙特征变化 149
722 石窟砂岩的微观形貌变化 152
723 石窟砂岩的矿物含量变化 152
73 水-岩作用下石窟砂岩损伤劣化的阶段性控制机制 154
731 劣化阶段一：孔隙扩展控制 155
732 劣化阶段二：微观结构控制 155
733 劣化阶段三：穿晶破裂控制 156
734 石窟砂岩损伤劣化阶段演化模型 157
74 小结 157
第8章 酸蚀作用下石窟砂岩损伤劣化特征与机制 159
81 石窟区酸雨条件及病害现象 159
82 酸蚀作用下石窟砂岩劣化损伤特征与规律 162
821 石窟砂岩酸蚀劣化试验 162
822 石窟砂岩质量损失规律 163
823 石窟砂岩单轴压缩强度劣化规律 164
83 酸蚀作用下石窟砂岩损伤劣化微观机制 166
831 孔隙特征劣化损伤机制 167
832 矿物成分劣化损伤机制 168
84 酸蚀作用下石窟寺砂岩时效损伤模型 171
841 基于能量耗散原理的石窟砂岩时效损伤模型 171
842 酸蚀作用下石窟寺砂岩时效损伤模型现场应用 175
85 小结 177
第9章 盐析作用下石窟砂岩损伤劣化特征与机制 179
91 石窟砂岩裂隙水含盐量与成分鉴定 179
92 盐析作用下石窟砂岩物理力学性质响应规律 181
921 石窟砂岩表面形貌变化特征 181
922 石窟砂岩物理性质变化特征 185
923 石窟砂岩力学性质变化特征 186
93 盐析作用下石窟砂岩损伤劣化微观机理 188
94 小结 190
第10章 温度循环下石窟砂岩损伤劣化特征与机制 192
101 石窟砂岩温度劣化原位监测及热诱导损伤分析 192
1011 温度监测布置及监测结果 193
1012 热诱导裂纹定量评价 195
1013 砂岩热诱导裂纹损伤分析 198
102 石窟砂岩热诱导形变的原位监测与反演验证 200
1021 地基SAR 监测布置及监测结果 200
1022 地基SAR 监测对高热诱导裂纹扩展区的反演验证 201
103 石窟砂岩冻融条件下损伤劣化特征与机制 202
1031 石窟砂岩冻融循环试验 202
1032 石窟砂岩物理性质损伤劣化特征 202
1033 石窟砂岩力学性质损伤劣化特征 206
1034 石窟砂岩冻融破坏机理分析 207
104 小结 210
第11章 石窟砂岩典型破坏模式与分类体系 211
111 石窟砂岩破坏模式及分类体系 211
112 地质环境控灾型 214
1121 成岩环境控制型 214
1122 微环境控制型 215
113 地质结构致灾型 218
1131 岩体层理控制型 218
1132 岩体节理控制型 219
114 地质力学诱灾型 221
1141 构造活动控制型 221
1142 卸荷松弛控制型 222
1143 人工扰动控制型 223
115 石窟砂岩破坏类型差异分析 224
116 小结 225
第12章 石窟岩体失稳破坏机理及防护对策 226
121 石窟岩体渐进性失稳破坏机制 227
1211 渐进性失稳破坏模式 227
1212 渐进性失稳破坏机理及原因分析 229
122 石窟岩体瞬时性失稳破坏机制 230
1221 瞬时性失稳破坏模式 230
1222 瞬时性失稳破坏机理及原因分析 233
123 石窟寺顶板失稳过程分析 234
1231 石窟寺顶板失稳影响因素 234
1232 石窟顶板失稳过程数值模拟分析 235
124 石窟稳定性评价与应用 236
1241 石窟稳定性评价指标 236
1242 石窟稳定性评价方法 238
1243 案例分析 241
125 石窟岩体失稳破坏的防治对策 243
1251 石窟寺常见病害 243
1252 石窟寺保护现状 244
1253 常用加固处置措施 245
1254 石窟寺加固发展趋势 246
126 小结 246
第13章 展望 248
131 我国石窟寺岩体赋存区域环境差异性研究 248
132 水害治理面临的水文循环、水-岩作用复杂性研究 249
133 石窟寺保护的特殊空间尺度和时效性研究 249
134 环境要素变化速率和变化强度不确定性对石窟寺保护影响研究 249
135 极端环境事件对石窟寺保护的不确定性研究 250
参考文献 251
彩图