張磊

摘 要：超聲波無損檢測技術(shù)可以在不損害石窟的前提下檢測其風(fēng)化程度、風(fēng)化區(qū)結(jié)構(gòu)與分布、裂隙位置及結(jié)構(gòu)特征，在裂隙灌漿加固之后，還可用于檢驗灌漿質(zhì)量。云岡石窟的窟前八角立柱風(fēng)化情況檢測、洞窟表面裂隙檢測都采用了超聲波法，波速、聲波走時以及波形方面的變化在判斷風(fēng)化和裂隙病害時發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用，為石窟保護(hù)性加固提供了精確的數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：云岡石窟；超聲波無損檢測；應(yīng)用

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2023.04.010

超聲波能在石質(zhì)材料中傳播，當(dāng)石質(zhì)材料中存在裂隙和風(fēng)化等情況時，超聲波的波速、走時、波幅、波形等都會產(chǎn)生異常反應(yīng)，因而超聲波無損檢測技術(shù)可用于檢測石質(zhì)文物的各類病害。國內(nèi)研究人員廣泛運(yùn)用超聲波無損檢測技術(shù)，檢驗、分析各類石質(zhì)文物的風(fēng)化和裂隙情況。云岡石窟風(fēng)化和裂隙病害嚴(yán)重，加固保護(hù)工作任重道遠(yuǎn)，超聲波無損檢測技術(shù)在云岡石窟病害檢測中應(yīng)用價值突出。

1 超聲波法檢測石質(zhì)文物病害的原理

1.1 超聲波在巖體中的傳播特點

巖石是一種傳播聲音的彈性介質(zhì)，因此超聲波可在巖體中傳播，形成透射波。速度、振幅以及走時等是超聲波傳播過程產(chǎn)生的物理量，可用于表征超聲波的傳播特點。云岡石窟的巖體在自然環(huán)境的長期作用下，出現(xiàn)了大量的風(fēng)化和裂隙類病害，導(dǎo)致其巖體不均勻。超聲波在此類巖體中傳播時會經(jīng)過不同彈性的介質(zhì)，進(jìn)而引發(fā)折射、繞射、反射等現(xiàn)象，其波速、振幅以及走時等物理量也會同步發(fā)生變化。

1.2 超聲波無損檢測的原理

透射波、折射波以及反射波均能反映出石質(zhì)文物內(nèi)部的結(jié)構(gòu)性病害，但實現(xiàn)原理上存在差異。透射波可穿過被檢測的石質(zhì)文物，形成特定的波形。當(dāng)超聲波遭遇裂隙時，部分聲波被反射，形成回波。通過分析波速、走時、波形可掌握病害的位置和結(jié)構(gòu)。

以透射波法為例，其檢測原理如圖1所示。S1、S2…Sn是被檢測對象上發(fā)射超聲波的點位，透射法要接收聲波信號，因此在另一面設(shè)置聲波信號接收點。S1對應(yīng)的接收點為R11～R1i，S2對應(yīng)R21～R2k，Sn對應(yīng)Rn1～Rnj。將巖石樁體假定為規(guī)則的結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行網(wǎng)格化處理，由于網(wǎng)格密度很大，超聲波通過網(wǎng)格時的路徑非常短，因而可忽略網(wǎng)格內(nèi)的速度變化，將網(wǎng)格內(nèi)的速度看作定值。超聲波射線為n條，lij代表第i條射線在第j個單元格內(nèi)的路徑長度，根據(jù)時間=距離÷速度，tij=lij÷vij，射線i的走時為ti1+ti2+…tim（m表示聲波射線i經(jīng)過的網(wǎng)格數(shù)）。在工程實踐中將速度的倒數(shù)稱為慢度，記為s，于是可利用矩陣來描述透射波法的檢測過程，如式（1）。每一條射線的走時可直接測得，每一條聲波射線的總長度可直接測得，于是矩陣方程中的ti和lij均為已知量，最終的目的是求得s1、s2…sm，再對這些慢度值取倒數(shù)，即可求得超聲波經(jīng)過每一個網(wǎng)格時的速度值，進(jìn)而獲得速度分布圖。

2 超聲波無損檢測技術(shù)在云岡石窟的應(yīng)用

2.1 云岡石窟立柱風(fēng)化程度檢測

2.1.1 巖石風(fēng)化程度劃分依據(jù)

風(fēng)化是石質(zhì)文物最常見的病害，理論上講，外層巖石的風(fēng)化程度最嚴(yán)重，其對超聲波聲速的影響也最大。工程實踐中使用波速比表征巖石的風(fēng)化程度，其原理為采用同一特性的超聲波分別經(jīng)過新鮮巖石和風(fēng)化巖石（巖石質(zhì)地相同），前者的傳播速度記為V0，后者速度記為V，波速比為V/V0?！稁r土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2018）中規(guī)定了波速比與風(fēng)化程度之間的對應(yīng)關(guān)系，再將云岡石窟立柱風(fēng)化巖體對應(yīng)的超聲波波速匯總在一起，得到表1。云岡石窟立柱風(fēng)化程度檢測的關(guān)鍵是通過超聲波法求得石柱在水平截面上的速度分布，然后對照表1掌握其風(fēng)化程度。

2.1.2 檢測及分析方法

云岡石窟中前方空間較為開闊的洞窟包括5座，稱為“五華洞”，其中包括第9窟和第10窟。但這兩座洞窟具有一定的特殊性，原因在于窟前空間均設(shè)置有4根石質(zhì)立柱，將地面和頂部的巖體聯(lián)系在一起，一方面起到承重作用，另一方面又雕刻了大量的藝術(shù)形象。經(jīng)專家研究發(fā)現(xiàn)，這些立柱吸收了古羅馬、古希臘的建筑形制，雕刻的內(nèi)容卻是在中國盛行的佛陀形象，達(dá)到了中西合璧的藝術(shù)效果，其學(xué)術(shù)研究價值極高。這些石柱都出現(xiàn)了不同程度的風(fēng)化，第9窟的石柱風(fēng)化程度更加嚴(yán)重①。按照從東向西的順序?qū)Φ?窟石柱進(jìn)行編號，東側(cè)第一根石柱編號為M09E。在其上、中、下三個部位分別選取點超聲波無損檢測截面，設(shè)置8個聲波發(fā)射點位，每兩個點位相隔45°，先確定正東方向的點位，其他點位按照角度間隔依次分布。由此便形成了24條不同的測線，然后根據(jù)每條測線的長度分別設(shè)置一定數(shù)量的波速檢測點，最終的目標(biāo)是通過超聲波檢測獲取每條測線上檢測點的波速值，然后對比表1，繪制出風(fēng)化程度分布圖。

石質(zhì)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在很大程度上與建筑混凝土類似，因而可使用建筑工程中廣泛運(yùn)用的非金屬超聲檢測儀，云岡石窟病害檢測中使用國產(chǎn)C62雙通道非金屬超聲檢測儀。根據(jù)超聲波無損檢測的原理可知，數(shù)據(jù)層面的重點是獲取每條測線的首波走時。需注意一點，由于石柱風(fēng)化嚴(yán)重，超聲波在經(jīng)過石柱時會產(chǎn)生大量的反射、折射等現(xiàn)象，有可能因此干擾部分首波走時數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在計算之前要將個別異常數(shù)據(jù)清除掉，方法上可采用格魯布斯法。在獲得各方向的首波走時數(shù)據(jù)之后，按照計算原理求得速度，繪制出速度分布圖和風(fēng)化程度分布圖②。

以M09E1檢測層為例，經(jīng)測量，其周長達(dá)521cm，南北向最大寬度為109.8cm，東西向最大寬度達(dá)116.5cm，該檢測層距離地面的高度為129cm，以獲取石柱下端最大截面積。

圖2展示了M09E號石柱底端M09E1層的超聲波檢測結(jié)果，左側(cè)為速度分布圖，右側(cè)為風(fēng)化程度分布圖。云岡石窟第9窟前的石柱均為砂巖，超聲波在同類新鮮巖體中的傳播速度為2669～2967m/s，當(dāng)檢測點上的波速小于這一范圍時，表明出現(xiàn)了風(fēng)化。根據(jù)速度分布圖繪制出風(fēng)化分布圖，其中風(fēng)化層包括三種，按照由外到內(nèi)的順序，分別為強(qiáng)風(fēng)化層、中等風(fēng)化層和微風(fēng)化層，石柱截面巖心部分為未風(fēng)化層。風(fēng)化層的厚度是非常重要的指標(biāo)，厚度越大表明危害越嚴(yán)重。從分布圖可知，強(qiáng)風(fēng)化層主要分布在截面的東北角、西北側(cè)以及東南側(cè)，以東北角厚度最大。中風(fēng)化層呈現(xiàn)出閉合的環(huán)狀，以西北角最為嚴(yán)重。微風(fēng)化層也是閉合的環(huán)狀，以西南方向最為嚴(yán)重。經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，在M09E1檢測層上，未風(fēng)化層的面積大約為2200cm2，面積占比僅為16.2%。

相較于M09E1檢測層，M09E2和M09E3檢測層在結(jié)構(gòu)上更加均勻，更加符合八角柱的幾何構(gòu)型，這兩個檢測層在風(fēng)化類型上與M09E1層相同，厚度最大的均為中風(fēng)化層，經(jīng)測算，其未風(fēng)化層的面積占比分別為8.92%和6.54%?？梢?，M09E2層和M09E3層的風(fēng)化情況比M09E1層更加嚴(yán)重。原因包括兩個方面：其一是石柱的截面積自上到下逐步遞增，因而M09E1的截面積更大，有利于保持較多的未風(fēng)化層；其二是石柱中上部的風(fēng)力作用更加強(qiáng)勁，因而風(fēng)化速度較快。

2.2 云岡石窟巖體表層裂隙檢測

石質(zhì)文物表層裂隙檢測主要包括裂隙深度和裂隙分布兩種內(nèi)容，其在實現(xiàn)方法上存在一定的差異。

2.2.1 裂隙深度的超聲波檢測方法

裂隙在石質(zhì)文物上的分布形式呈現(xiàn)多樣化特點，最常見的是垂直分布和傾斜分布，而裂隙分布形式對后期的數(shù)據(jù)處理具有較大的影響，僅以垂直分布和傾斜分布做對比，后者的計算量超過前者③。

石質(zhì)文物垂直裂隙深度的檢測原理：如圖4所示，假設(shè)從云岡石窟某區(qū)域表面上A點發(fā)射超聲波，在B點接收超聲波，但是在直線傳播路徑上分布著一條垂直裂隙，將直線傳播路徑切斷。由于超聲波具有繞射能力，在直線路徑不通的情況下可從其他部位繞過裂隙，在圖3中從A點經(jīng)C點達(dá)到B點，因而在B點依然能接收到超聲波信號，檢測分為三步。

第一，檢測無裂隙巖體的超聲波傳播速度。選擇文物表面不存在裂隙的部位，設(shè)置兩點，一個為超聲波發(fā)射點，另一個為接收點。使用激光測距設(shè)備精確測量其距離，記為l。超聲波檢測儀在接收到聲波信號時會自動記錄下聲波走時，記為t。由此即可按照式（2）計算出無裂隙時的傳播速度v。

第二，建立幾何關(guān)系。在計算裂隙深度時，需對干擾因素做理想化處理，不考慮環(huán)境因素對超聲波的干擾，并且認(rèn)為超聲波在石質(zhì)巖體中的傳播速度為定值，根據(jù)幾何關(guān)系可得方程組（3）。由于存在裂隙情況下，超聲波的傳播路徑不確定，因而l1、l2為未知量，h為待其求量。

第三，計算裂隙深度。方程組中傳播速度v、時間t、d1、d2均為已知量，將其代入方程組（3）中可求出h，其結(jié)果如式（4）。

2.2.2 裂隙分布的檢測方法

裂隙是一種破壞性極強(qiáng)的石質(zhì)文物病害，云岡石窟中存在大量的雕刻作品，受到裂隙發(fā)育的影響，這些雕刻飾物容易出現(xiàn)局部性的滑脫，石窟中各類文物的觀賞及研究價值因此受到了嚴(yán)重的損害，研究云岡石窟的裂隙分布情況有助于文物加固和保護(hù)，超聲波法檢測裂隙分布規(guī)律的步驟如下。

第一步，選擇適宜的檢測區(qū)域。由于云岡石窟裂隙病害較為突出，交錯分布的裂隙不利于清晰地觀察超聲波波形與裂隙結(jié)構(gòu)和走向之間的關(guān)系④。因此，在選擇檢測區(qū)域時應(yīng)避免此類不利因素。最終確定的方案是選取10處存在單一裂隙的區(qū)域，裂隙的幾何形態(tài)與走向要達(dá)到清晰可辨的程度。

第二步，布置測線和測點。裂隙對超聲波的直接影響是改變波速、波形、波幅等物理特性，前提是超聲波在傳播路徑上遭遇裂隙。鑒于此，將測線布置在裂隙走向的垂直方向上，然后在測線上均勻設(shè)置測點，如此能確保超聲波的縱波與裂隙走向垂直。

第三步，獲取和分析檢測數(shù)據(jù)。利用超聲波法檢測云岡石窟的裂隙分布情況，其主要的觀測內(nèi)容是各個檢測點上的波速，尤其要對比裂隙附近區(qū)域的波速與其他非裂隙區(qū)的波速差異，從而根據(jù)波速的變化情況判斷裂隙的位置和幾何構(gòu)型。通過分析10個檢測區(qū)域的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)超聲波波速的變化情況高度一致，于是總結(jié)出相關(guān)規(guī)律。①超聲波通過云岡石窟非裂隙區(qū)域時的速度為0.8～1.2mm·us-1；②超聲波在裂隙處會出現(xiàn)突出的異常反應(yīng)，波速明顯下降，并且所有裂隙處的波速均下降到0.4mm·us-1以下；③在靠近裂隙位置的小范圍區(qū)域內(nèi)，波速會受到一定程度的影響，具體表現(xiàn)為波速下降，為在0.4～0.7mm·us-1之間；④按照特定的比例尺制作波速平面等值線圖，將速度相同或者高度接近的測點連接成線，觀察這些曲線的走勢和幾何輪廓，發(fā)現(xiàn)等值線所形成的帶狀區(qū)域可反映出石窟上裂隙的分布特點。圖4為1號測區(qū)的波速平面等值線圖，觀察其橫坐標(biāo)200～300mm處和1000～1100mm處，發(fā)現(xiàn)各有一條淺色的帶狀區(qū)域，表明這些位置的波速在0.2mm·us-1左右，再觀察檢測區(qū)內(nèi)裂隙的實際分布位置，發(fā)現(xiàn)與帶狀區(qū)域吻合。速度等值線的走向與裂隙的軸線基本保持一致，二者幾乎達(dá)到了平行的程度，由此也證明了超聲波檢測技術(shù)可通過波速變化來確定結(jié)構(gòu)裂隙的分布情況。另外，在1號測區(qū)內(nèi)兩條帶狀區(qū)域發(fā)現(xiàn)，左側(cè)裂隙附近區(qū)域存在較為密集的波速等值線，并且顏色呈梯度變化，說明波速在這些區(qū)域快速下降，檢測區(qū)域內(nèi)與之相對應(yīng)的實際位置上存在嚴(yán)重的風(fēng)化，巖體表面破碎程度高，因而導(dǎo)致波速衰減，形成密集的等值線⑤。根據(jù)實際檢測的結(jié)果可知，超聲波法能夠有效反映出云岡石窟表面的裂隙位置、裂隙幾何特征以及巖體的風(fēng)化情況。

3 結(jié)束語

在云岡石窟保護(hù)工作中要掌握風(fēng)化、裂隙等病害的嚴(yán)重程度、分布情況以及結(jié)構(gòu)特點。利用超聲波無損檢測技術(shù)檢驗第9窟和第10窟的窟前八角立柱風(fēng)化情況，掌握了風(fēng)化層結(jié)構(gòu)、厚度以及面積占比。石窟表面裂隙病害檢驗中借助超聲波法掌握了裂隙位置和結(jié)構(gòu)形態(tài)，超聲波法還能用于檢驗裂隙灌漿加固的質(zhì)量。波速分布、波形變化、聲時變化在判斷病害時發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用，尤其是波速分布圖。

注釋

①任建光，王書，孟田華，等.超聲波無損檢測技術(shù)在世界文化遺產(chǎn)地云岡石窟保護(hù)中的應(yīng)用[J].工程勘察，2021（6）：68-73.

②劉義凡，李哲瑞，張曉蘭，等.超聲波無損檢測技術(shù)在古建筑檢測中的應(yīng)用：以少林寺初祖庵大殿闌額為例[J].工業(yè)建筑，2021（5）：37-43.

③瞿輝，戴曉嬌，趙金菊.超聲波無損檢測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].機(jī)電信息，2020（2）：82-83.

④杜孟啟，蔣娟，代揚(yáng).淺析超聲波無損檢測技術(shù)及其應(yīng)用[J].建材與裝飾，2018（45）：206-207.

⑤黃繼忠，章云夢，張悅，等.無損檢測技術(shù)在文物表面空鼓病害探查中的應(yīng)用[J].上海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2022（4）：656-667.