石质文物的保护一直是国内外研究者公认的一个难题。自然因素、地质因素和人类工程活动都可能对石质文物本身赋存造成不可修复的危害。麦积山石窟因地震发生过大面积崩塌,四川2018年5.12地震造成了一大批文物需要抢救性保护,龟兹石窟因滑坡掩埋大量洞口。人类工程活动如三峡库区蓄水,共有1087处文物列为保护对象,包括了被称为“世界第一水文站”的涪陵白鹤梁。石质文物稳定性问题越来越突出。因此,本文以皎平渡山洞遗址为例,以扎实的地质调查和详尽的地质资料为基础,采用无人机航拍、高密度电法物探、地震面波法物探等勘察手段,阐明皎平渡山洞遗址本体(山洞)和载体(斜坡)的地层结构和形成成因,特别是山洞遗址堆积层的韵律层成因和结构特征。钙质胶结土作为山洞赋存的关键岩土体,采用水化学分析、光学显微镜、XRD、XRF试验方法,阐明其矿物成分、化学成分、成因、结构特征,并基于室内试验,研究了钙质胶结土在蓄水条件下的力学变化特征。采用数值模拟、物理模拟、可靠度分析方法,综合分析水库蓄水和运营阶段所产生的库水位变动、岩土参数异性、地震及降雨条件、山洞洞型结构对山洞遗址稳定性和变形影响。最后,针对性提出“围堰式外支内撑结构”治理方案和系统监测工程,确保皎平渡山洞遗址在水下长期赋存。通过以上系统研究工作,取得以下主要认识:(1)遗址山洞堆积层主要由崩积大块石和坡积碎石、角砾组成,在多期水流作用下,形成韵律层。其层数多达10层,具有多层次、多序列、胶结程度不一、顺倾坡外、岩性混杂、卸荷裂隙发育、含盐分物质特征。山洞处基岩以反倾千枚岩、板岩和白云岩为主;山洞由7个独立山洞和3个穿洞组成,平面呈弧形分布,洞型有平顶式和圆顶式。(2)钙质胶结土是山洞赋存的关键岩体,属于陆相碎屑岩。碎屑物质来自于斜坡上部的三大岩类,即辉长岩、白云岩、千枚岩和板岩;其矿物成分是方解石(碳酸盐矿物),胶结类型是基底式胶结。水-岩环境是钙质胶结土胶结的主因,主要钙质来源于岩土水、潜水和金沙江水;高盐度的水质、干热的气候、孔隙度和连通状况是其胶结条件。(3)通过岩石三轴实验获得了不同泡水时间后的钙质胶结土强度变化特征,内聚力C急剧降低,由3.6Mpa降低至0.5Mpa,降低幅度达86.1%;钙质胶结土中方解石、白云石等物质的流失是强度降低的原因,阴离子流失量大小关系为HCO>SO>Cl。阳离子流失量大小关系为Mg>Ca,流失的原因是钙质胶结土与溶液水发生溶滤作用和阳离子交换作用。(4)无论降雨、地震等条件,库水位上升直接造成山洞遗址失稳破坏。发生失稳破坏方式有三种:一是斜坡前缘失稳,前缘最大失稳滑面上剪入口距坡肩30m左右,下剪出口为坡脚附近;二是胶结较弱、贯通性较好、变形最大的两层块碎石韵律层对位移起到控制性作用,遗址斜坡沿着韵律层后退式变形破坏;三是钙质胶结土随着泡水时间增加,其胶结强度进一步弱化,遗址堆积体沿基覆界面产生滑动破坏。(5)在稳定性是前提、尽少干预原则和可逆性原则的设计理念下,提出“围堰式外支内撑结构”治理设计方案,达到“固坡(保护文物载体)”和“保山洞(保护文物本体)”在水下长期赋存的设计目标。布设系统的监测工程,在可能出现变形破坏的征兆时捕捉到异常信息,及时对坡体采取必要的工程措施。