我国作为世界上唯一历史悠久且未曾中断的国家,拥有极为丰富的文化遗产,目前已有52项世界文化、景观和自然遗产列入《世界遗产名录》。在已公布的七批全国重点文物保护单位中,石窟寺(包含石刻)达266处,这些石窟寺遗址中,有较大部分石窟开凿于砂岩(砂砾岩)崖体上,而且多为密集开凿。作为世界文化遗产,也是砂砾岩石窟的典型代表,更是世界文化遗产保护与管理的典范,莫高窟是世界上现存规模最大、延续时间最久、内容最丰富、艺术精湛、保存完整和影响最大的佛教艺术圣地。随着丝绸之路成功申请为世界文化遗产以及国家“一带一路”倡议和甘肃华夏文明传承创新区的实施,对其的保护和研究牵动众人。莫高窟自开凿以来,受地层岩性和地质构造的控制,在风沙、降雨、地震以及游客等作用下,莫高窟崖体出现了局部崩塌、落石、流沙、渗漏和盐害等问题,其稳定状况也受到严重威胁,特别是对于弱胶结的砂砾岩洞窟群稳定性问题,仍然没有合理的分析方法。特别对于局部存在的危岩体,急需对其进行稳定性评价及风险评估。近年来莫高窟的客流量急剧增加,对于密集分布的洞窟群和壁画构成严重威胁。同时,由于地震的不可预见性和强破坏性,其对密集洞窟群的影响仍然缺乏有效的研究。本文详细梳理了莫高窟的保护历史,通过对莫高窟赋存环境的调查和收集整理,对其地层特性进行了精细化探索。采用层次分析法,对莫高窟崖体整体稳定性进行评价,结果显示崖体整体稳定,局部存在危岩体。游客荷载和地震对崖体稳定性的影响至关重要,采用数值模拟方法,分析了此二者对莫高窟这种密集洞窟群稳定性的影响。最后采用模糊层次综合评价法,详细评价了崖体上存在的潜在危岩体的危险性,以及其对人员和洞窟等承灾体的危害性,最后评估了这些危岩体的风险,得到莫高窟南区崖体风险分图,得出了如下几点主要研究结论:(1)针对莫高窟的保护历史,经历了看守时期、抢险加固时期、科学保护时期到如今的预防性保护阶段,一切针对遗产的监测和研究工作,都属于预防性保护范畴。本研究引入风险理论,进行风险源的识别、危险性评估和危害性评估,并成功应用于莫高窟崖体的风险评价。(2)通过现场调查,选取128个地层剖面,对洞窟地层进行了更为精细的划分,主要可划分为:(1)不含砂层的斜坡型崖体;(2)不含砂层的台阶型崖体;(3)不含砂层的直立型崖体;(4)含明显砂层的台阶型崖体;(5)含不明显砂层的斜坡型崖体。包含砂层的地层划分方式仍然是莫高窟崖体地层的主要形式。(3)采用地质雷达、高密度电阻率法和面波法三种物理勘探方法,对崖顶地层进行详细探测,探测结果显示:崖顶表层疏松,特别是冲沟内表层堆积沙层厚度清晰可辨,含水量相对较高;沿崖顶向下,地层逐渐致密,局部含有砂层;地层整体成层性较好,部分区段略有起伏,且部分区段有水汽聚集。(4)通过大量的现场调查和资料收集,选取“洞窟分布”、“崖体形态”、“裂隙”等作为评价因子,采用层次分析法对莫高窟崖体整体危险性进行评价。评价结果显示,莫高窟崖体整体稳定,不存在高危险和中危险区域。同时,游客荷载和地震属于动态因素,是影响崖体稳定性最重要因素,应进行专门研究。崖体上存在多处潜在危岩体,其对崖体稳定性和人员的影响最大,应对其进行风险评估。(5)选取一相对危险较高区域,采用数值模拟方法分析不同工况下游客荷载对洞窟群稳定性的影响。计算结果显示:(1)密集洞窟群的顶部和薄顶洞窟顶部会产生拉应力集中(0.14MPa),但在游客荷载作用下拉应力没有明显增大(0.15MPa)。(2)中部洞窟密集分布区位移较大(0.55mm),在游客荷载作用下洞窟群的位移略有增加(0.6mm)。(3)工况3作用下位移的增长与其他工况相比较小,此种游客站位方式能够有效降低游客对洞窟位移的影响。总之,游客静荷载对洞窟群稳定性的影响较小。(6)采用数值模拟方法探讨了自重和地震荷载作用下洞窟群的应力、位移分布特征和加速度变化规律。计算结果显示:(1)中层密集分布的洞窟更容易出现拉应力集中,而地震荷载明显增大了拉应力集中效应,提高了最大拉应力值(0.16MPa)。(2)中层密集分布的洞窟和顶层洞窟位移较大,在地震荷载作用下,最终产生约9.0mm的水平相对位移和3.0mm的竖向永久位移。(3)中层密集分布洞窟的加速度放大效应最为明显。对于所有洞窟,其加速度的低频部分被明显放大,而中层洞窟加速度的所有频率范围均被放大。(4)虽然密集洞窟群会出现拉应力集中,但不会出现拉裂破坏,然而不均匀的水平相对位移和较大的加速度响应会对洞窟稳定性和壁画的保护产生负面影响。(7)通过采用Fuzzy-AHP方法,对莫高窟南区崖体存在的42处潜在危岩体进行了风险评估,评估结果显示:(1)Fuzzy-AHP方法计算结果更加真实可靠,可用于类似莫高窟这种文化遗产地的风险评估。(2)在危险性评估时,通过大量的现场调查和资料收集,选取“危岩体”、“崖体形态”、“地层岩性”、“裂隙”等作为评价指标,依此所得到的危险性评估结果与现场调查结果一致。(3)在危害性评估时,选取的承灾体主要有人员、建筑物、基础设施和其他财产。这些指标基本全覆盖了所能受到影响的所有人员和财产。(4)根据危险性和危害性评估结果,可得到南区崖体的风险分区。结果显示,南区南侧风险较低,而崖体中部由于崖体较高,危岩体体量较大,威胁的范围较广,因此风险较高。希望评估结果能够对莫高窟的监测预警体系建立和长期预防性保护起到一定的指导意义,能够为其他研究人员和管理者提供一定的参考价值。