近现代以来,受人为因素和自然条件的影响,莫高窟壁画出现了各种各样的病害,对壁画的保护造成极大威胁。壁画赋存环境及地仗层内部湿分的迁移是造成病害发生和发展的一个主要因素,而湿传递与热传递是耦合相关的,热湿的耦合作用带动了盐分的传递和富集。目前对于莫高窟地仗层内热湿迁移的耦合机理和研究方法都不明确,无法准确地描述热湿分布特征,一定程度上约束了人们对病害机理的研究。因此对莫高窟地仗层进行热湿传递特征和机理的研究可以为科学解释壁画病害机理以及壁画预防性保护措施、修复措施等的制定提供理论依据和方法支撑。本文为解决洞窟环境下地仗层内热湿耦合机理不清晰,以及地仗层内热湿传递特性研究方法缺失的问题,首先基于多层多孔介质的热质传递理论,分析洞窟环境问题中边界条件的特殊性,提出洞窟环境条件下地仗层及围岩层内的热湿迁移数学模型;其次,对地仗层材料的微观结构、矿物学性能及热湿物理性能参数进行研究,揭示了不同加筋纤维对地仗层材料热湿物性参数的影响规律;对热质迁移模型进行模拟求解,与现场实测得到的数据进行对比分析,验证了模型的准确性,进而探明了地仗层及围岩层内的热质迁移特性,揭示了热湿作用下两种主要盐分的相变对地仗层的破坏机理;最后基于单因子灵敏度分析,识别出了不同环境温湿度边界条件及地仗层材料热湿物理性能参数受到扰动时对热湿耦合模型计算结果的影响,揭示了模型相关因素对湿分和热量传递造成的影响,探讨热-湿-盐三者互相影响下的洞窟温湿度控制阈值。主要内容和结论如下:首先,为明确地仗层及围岩层内热湿耦合迁移机理,基于对传热传质迁移基本理论的分析和研究,建立了考虑裂隙水相变的具有洞窟应用特点的地仗层及围岩层热湿耦合传递模型,该模型以温度梯度和水蒸气分压力梯度为驱动势,并给出了相应的初始条件和边界条件,方程中各系数的物理意义明确,便于确定。该模型将材料内部的湿传递过程统一为以水蒸气分压力为驱动势的表达形式,考虑裂隙水相变的影响,基于经典蒸发-凝结理论给出了裂隙水相变的湿流量以及由此引起的相变热的计算公式;并构建了描述窟内空气热湿平衡的方程组,重点研究了洞窟壁画表面蒸发率的计算方法,给出了地仗层表面吸放湿量的计算公式。第二,为解决热湿耦合模型参数缺失的问题,首次对不同加筋纤维的地仗层材料试样的热湿物理性能进行了实验室测试和研究。结果表明,两种由不同纤维加筋的地仗层材料的热性能差异较小,而湿性能相差较大。比较而言,含有棉纤维的地仗层对热量的传递性能较弱,对热量的储存性能较强,对水蒸气的传递能力和储存能力较弱。含棉地仗层这种较弱的湿分传导能力可以降低湿分在材料中的传递速率,减缓盐分随着水分传递到壁画表面的速率。第三,为了揭示莫高窟地仗层内的热湿耦合传递规律,利用MATLAB软件编程对热湿耦合传递模型进行求解,将数值模拟结果与108窟西壁的现场实测结果对比,考虑到模型简化假设,两者具有较好的吻合度;结果表明,洞窟地仗层及围岩层内的热湿传递过程是周期性非稳态变化的,各点处的温度变化和相对湿度变化均呈现类正弦曲线的变化规律,并且随着深度的增加,传递波呈现波幅衰减和相位延迟的现象,各点处的热流密度和湿通量也随着时间发生变化。根据其内部热湿传递性能及规律,可以将壁体分为热湿Ⅰ区、热湿Ⅱ区、热湿Ⅲ区、热湿Ⅳ区和热湿Ⅴ区。第四,基于对地仗层内部热湿规律和传递特性的动态分析,结合盐分的相变规律,揭示了热湿作用下Na Cl和Na2SO4的相变对地仗层的破坏机理。结果表明,Na Cl潮解发生在相对湿度RHi高于潮解临界湿度的区间,在地仗层中造成的破坏主要是由于溶解度对温度敏感造成的;Na2SO4对地仗层的破坏主要是由于水分溶解了盐分形成的溶液,在热湿作用下向地仗层内迁移,在迁移过程中遇到相对湿度下降,溶液失水析出十水硫酸钠晶体,随着相对湿度继续下降,晶体又脱水形成粉末状无水芒硝。经过长时间热湿作用的积累,最终对地仗层造成结构性破坏,热量和湿分的耦合作用在盐害的发生发展过程中起到了推动力的作用。第五,为了明确不同的环境温湿度边界条件及地仗层材料性能参数受到扰动时对热湿耦合模型计算结果的影响,采用单因子敏感性分析方法,识别并量化了输入模型方程的各相关参数对模型结果影响的重要性程度。结果表明,环境参数的变化是影响地仗层内热湿状况的最敏感因素,其次是地仗层材料的湿性能,而热性能的敏感性较低。当改变窟内空气的环境温湿度变化后,地仗层内的热湿分布表现出较大的差异性。最后,探讨得出热-湿-盐三者互相影响下的洞窟温湿度控制阈值:当窟内空气相对湿度不超过62%,空气温度变化区间为4～12℃时Na Cl和Na2SO4两种盐分的相态稳定。