梁海奎

(大理天作測(cè)繪規(guī)劃院有限公司，云南大理 671000)

古塔變形測(cè)量方法探討

梁海奎?

(大理天作測(cè)繪規(guī)劃院有限公司，云南大理 671000)

針對(duì)重要古建筑的安全性監(jiān)測(cè)，因?yàn)槠渚纫蟾?，監(jiān)測(cè)環(huán)境復(fù)雜的情況，可根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用可相互檢核的監(jiān)測(cè)方法，綜合分析各種方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果，得出可靠的結(jié)論。

古塔變形監(jiān)測(cè)；垂直投影法；前方交會(huì)法；沉降觀測(cè)；綜合分析

1 前 言

需要進(jìn)行安全性監(jiān)測(cè)的古建筑一般都是文物，因文物保護(hù)、旅游開(kāi)發(fā)等需要將其建設(shè)成文物保護(hù)區(qū)或風(fēng)景區(qū)。這類(lèi)區(qū)域的特點(diǎn)是植被密度大，各種附屬構(gòu)筑物的遮擋導(dǎo)致測(cè)量時(shí)通視條件不好，用單一的測(cè)量方法難以滿足監(jiān)測(cè)要求。若采用幾種方法監(jiān)測(cè)，并相互檢驗(yàn)，可得出可靠的監(jiān)測(cè)結(jié)果。在這里以一組古塔的變形監(jiān)測(cè)為例，探討了一種實(shí)用的監(jiān)測(cè)方案。

2 依據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象和客觀環(huán)境制定合理方案

這組古塔為密檐式空心磚塔，建成的歷史悠久，已逾千年，屬于國(guó)家重點(diǎn)文物，其中主塔高度近70 m。該區(qū)域也是4A級(jí)旅游風(fēng)景區(qū)，藍(lán)天白云下古塔巍然屹立，雄偉壯麗。選擇監(jiān)測(cè)方法時(shí)就必須考慮盡量保護(hù)文物和景區(qū)現(xiàn)狀設(shè)施的情況下方案的優(yōu)化。在對(duì)古塔安全性監(jiān)測(cè)方面要滿足以下三個(gè)方面:①塔體傾斜變化；②塔身各段的變化；③塔基的穩(wěn)定性。針對(duì)上述幾方面就采取對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)方法，塔體傾斜變化采用垂直投影法(又稱(chēng)垂線法，對(duì)相對(duì)位移量進(jìn)行監(jiān)測(cè))；塔身各段的變化監(jiān)測(cè)采用了前方交會(huì)法。對(duì)塔基穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)采用了精密水準(zhǔn)測(cè)量方法進(jìn)行沉降觀測(cè)。這三種方法的每周期測(cè)量結(jié)果可進(jìn)行綜合分析，對(duì)古塔的安全性監(jiān)測(cè)得出較為可靠的結(jié)論。

3 監(jiān)測(cè)方案的具體實(shí)施

測(cè)量精度的確定依據(jù)《建筑變形測(cè)量規(guī)程》[1]中“為實(shí)用目的，觀測(cè)值中誤差不應(yīng)超過(guò)變形允許值的1/20～1/10，或者1 mm～2 mm”的規(guī)定。平面位移監(jiān)測(cè)的觀測(cè)值中誤差設(shè)定為md≤±1.5 mm，依據(jù)變形允許值分量應(yīng)按變形允許值的1/2采用[2]，平面位移分量差的觀測(cè)值中誤差m△d≤±1.0 mm；沉降監(jiān)測(cè)的觀測(cè)值中誤差設(shè)定為允許變形值的1/20，即測(cè)站高差中誤差mh≤±0.3 mm。

(1)垂直投影法

在每個(gè)古塔塔基不同方向面上固定安置兩把游標(biāo)卡尺，兩尺所在位置以?xún)砂仓妹嫠椒较驃A角90°為最佳，因測(cè)區(qū)客觀條件限制不能成90°時(shí)，每塔兩尺安置面之間的夾角應(yīng)控制在60°～120°之間。在古塔邊建造監(jiān)測(cè)墩，墩上安裝強(qiáng)制對(duì)中盤(pán)，使觀測(cè)時(shí)安置儀器的對(duì)中誤差降低到最小。監(jiān)測(cè)墩的位置選擇時(shí)，在滿足精度要求條件下使一個(gè)墩盡量觀測(cè)到多個(gè)塔的塔尖和游標(biāo)卡尺安置處。觀測(cè)邊長(zhǎng)≤80 m，采用觀測(cè)中誤差標(biāo)稱(chēng)精度≤±2″，望遠(yuǎn)鏡放大倍率不低于25倍的全站儀進(jìn)行觀測(cè)，其最弱觀測(cè)精度為80 000/ρ″×2＝0.78 mm，滿足設(shè)定的精度要求。選擇古塔頂部適宜觀測(cè)且穩(wěn)定的固定目標(biāo)(條件允許宜安置不銹鋼針狀觀測(cè)目標(biāo))。觀測(cè)時(shí)，儀器安置于觀測(cè)墩強(qiáng)制對(duì)中盤(pán)上，調(diào)平儀器后，先用望遠(yuǎn)鏡盤(pán)左位置照準(zhǔn)觀測(cè)目標(biāo)，固定儀器水平制動(dòng)軸，縱轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)塔基上游標(biāo)卡尺，由觀測(cè)者指揮記錄者滑動(dòng)游標(biāo)以卡口對(duì)準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡中絲讀一數(shù)并記錄。然后再縱轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡成盤(pán)右位置，重復(fù)上述操作讀一數(shù)并記錄，此為一個(gè)測(cè)回。依據(jù)精度確定觀測(cè)的測(cè)回?cái)?shù)，這個(gè)監(jiān)測(cè)工程因精度要求較高，設(shè)計(jì)為零周期(首次觀測(cè))時(shí)觀測(cè)24測(cè)回，以后每周期觀測(cè)12測(cè)回。每周期取游標(biāo)卡尺的讀數(shù)中數(shù)為觀測(cè)目標(biāo)的垂直投影線(鉛垂線)位置。首次觀測(cè)的讀數(shù)中數(shù)即可設(shè)為零點(diǎn)，以后各周期觀測(cè)所得讀數(shù)中數(shù)與零點(diǎn)對(duì)比就知道古塔在與卡尺安置平行方向的傾斜變化值。

(2)前方交會(huì)法

古塔一般都是塔體為偶數(shù)多邊形的對(duì)稱(chēng)體，選擇塔體某橫截面的對(duì)角線交點(diǎn)(截面中心點(diǎn)，也是塔體豎軸點(diǎn))為交會(huì)法監(jiān)測(cè)的坐標(biāo)點(diǎn)。選定每塔交會(huì)的測(cè)站點(diǎn)位置，并設(shè)立定向點(diǎn)、聯(lián)系點(diǎn)、檢核點(diǎn)。垂直投影法中條件適合的監(jiān)測(cè)墩可同時(shí)作為交會(huì)測(cè)站點(diǎn)。交會(huì)的測(cè)站點(diǎn)和垂直投影法的監(jiān)測(cè)墩一起建立統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)網(wǎng)坐標(biāo)系，每次觀測(cè)前對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行檢核，確定其穩(wěn)定性后再進(jìn)行下一步測(cè)量工作。依據(jù)觀測(cè)數(shù)值經(jīng)分角計(jì)算后用余切公式[3]計(jì)算出交會(huì)點(diǎn)(即塔體豎軸點(diǎn)P)坐標(biāo)。

圖1 前方交會(huì)法示意圖

其點(diǎn)位中誤差可按下式估算:

式中:mβ為儀器的觀測(cè)中誤差(標(biāo)稱(chēng)精度)；b為兩測(cè)站點(diǎn)間距(觀測(cè)基線長(zhǎng)度)，單位為mm，如圖1中Q1、Q2間距；β1，β2為各測(cè)站點(diǎn)至交會(huì)點(diǎn)方向與觀測(cè)基線間夾角，如圖1中∠Q1、∠Q2；γ為兩測(cè)站點(diǎn)至交會(huì)點(diǎn)的夾角(90°為最佳)，如圖1中∠P。

交會(huì)的測(cè)站點(diǎn)固定埋設(shè)位置應(yīng)據(jù)監(jiān)測(cè)所需精度要求和上述誤差估算公式進(jìn)行選擇。對(duì)每一個(gè)塔，據(jù)其傾斜變形程度和高度選取橫截面，一般以間隔5 m～8 m為截取值。從每塔的各截面中點(diǎn)坐標(biāo)，即可看出塔體各段傾斜的量及整體的總傾斜度。

(3)對(duì)塔基的沉降監(jiān)測(cè)法

在每個(gè)塔的塔基上設(shè)置不少于4個(gè)方向的觀測(cè)點(diǎn)，每點(diǎn)水準(zhǔn)觀測(cè)標(biāo)志頂部呈半球形，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)地基穩(wěn)固處設(shè)置1個(gè)起算點(diǎn)，外圍設(shè)置1個(gè)～2個(gè)檢核點(diǎn)。宜將每個(gè)塔基的觀測(cè)點(diǎn)連接為一個(gè)閉合環(huán)，全部塔基的閉合環(huán)又連接形成大閉合環(huán)，整個(gè)觀測(cè)線路構(gòu)成含多個(gè)水準(zhǔn)環(huán)的精密水準(zhǔn)網(wǎng)。采用DSZ05型水準(zhǔn)儀及配套的精密水準(zhǔn)尺，按《建筑變形測(cè)量規(guī)程》中沉降觀測(cè)二級(jí)的規(guī)定進(jìn)行觀測(cè)。首次觀測(cè)4測(cè)回，第二次以后可觀測(cè)2測(cè)回，取中數(shù)為觀測(cè)值，以滿足測(cè)站高差中誤差≤±0.3 mm，環(huán)線閉合差≤±0.5 n mm的精度要求。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理及分析

(1)垂直投影法的數(shù)據(jù)處理:依據(jù)每個(gè)古塔塔基的兩把游標(biāo)卡尺的安置夾角和數(shù)值進(jìn)行矢量合成計(jì)算，就得到塔的傾斜方向和塔頂相對(duì)塔基的位移變化值。再測(cè)出塔頂觀測(cè)目標(biāo)至塔基游標(biāo)卡尺間的距離，即可計(jì)算各塔的傾斜率。

(2)前方交會(huì)法的數(shù)據(jù)處理:使用清華山維公司的“NASEW 95”平差軟件可得到交會(huì)點(diǎn)坐標(biāo)，再據(jù)余切公式編程計(jì)算后核對(duì)驗(yàn)算。

(3)塔基的沉降觀測(cè)法的數(shù)據(jù)處理:使用“NASEW 95”平差軟件對(duì)水準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行嚴(yán)密平差。以各點(diǎn)的本次高程與前一次高程和首次高程比較計(jì)算，如某點(diǎn)首次測(cè)量高程為40.744 16 m，第4次測(cè)量高程為40.743 16 m第5次測(cè)量高程為40.742 77 m，該點(diǎn)的本期變化量即－0.000 39 m，累積變化量為－0.001 39 m，依此方法計(jì)算各點(diǎn)的本期變化量和累積變化量，并繪制等沉降曲線圖。

垂直投影法的觀測(cè)精度較高，以其作為主要監(jiān)測(cè)方法。這種方法和前方交會(huì)法及沉降觀測(cè)法的結(jié)果可相互檢核，即前方交會(huì)法測(cè)得由低至高各截面中點(diǎn)[每一個(gè)截面中點(diǎn)由監(jiān)測(cè)網(wǎng)坐標(biāo)系的(xp，yp)確定一個(gè)點(diǎn)位]連線方向應(yīng)與垂直投影法測(cè)得塔頂與塔基相對(duì)位移矢量方向一致；最高截面中點(diǎn)和塔基截面中點(diǎn)的坐標(biāo)差變化量應(yīng)與位移數(shù)值相同或極趨近；古塔傾斜方向應(yīng)朝向等沉降曲線圖顯示沉降量較大區(qū)域。因重點(diǎn)文物保護(hù)的有關(guān)規(guī)定涉及數(shù)據(jù)保密，這里就不再以數(shù)據(jù)、圖表等作為實(shí)例說(shuō)明。

5 總 結(jié)

通過(guò)上述三種監(jiān)測(cè)方法的應(yīng)用及結(jié)果的綜合分析，對(duì)這組古塔進(jìn)行長(zhǎng)期的安全性監(jiān)測(cè)，取得很好效果。對(duì)建立變形趨勢(shì)預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型提供了可靠數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在測(cè)量技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步，激光全息掃描儀，測(cè)量機(jī)器人，GPS測(cè)量技術(shù)等也已用于變形監(jiān)測(cè)工程中來(lái)。對(duì)于不同的監(jiān)測(cè)精度要求和實(shí)際監(jiān)測(cè)環(huán)境，應(yīng)綜合運(yùn)用幾種可靠、實(shí)用、快捷的監(jiān)測(cè)方法來(lái)優(yōu)質(zhì)高效地完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。

[1] JGJ/T 8－97.建筑變形測(cè)量規(guī)程[S].

[2] JGJ 8－2007.建筑變形測(cè)量規(guī)范[S].

[3] 武漢測(cè)繪科技大學(xué)《測(cè)量學(xué)》編寫(xiě)組編著，陸國(guó)勝修訂.測(cè)量學(xué)[M].北京:測(cè)繪出版社，1991

The Discussion of Monitoring Ancient Buddhist Pagoda Deformation

Liang HaiKui
(Dali Tianzuo Institute of Surveying，Mapping＆Planning，Co.，Ltd.Dali 671000，China)

To monitor the safety of ancient buildings，facing various monitoring conditions，precision is required highly.According to the structure features of ancient buildings，to use several methods which can be checked mutually and analyse their monitoring results from those methods，reliable conclusions can be found.

Deformation monitoring of ancient Buddhist pagoda；Perpendicular projection；In front intersection；Sedimentation observation；Synthetic analyse

1672－8262(2010)03－113－02

TU196

B

2010—10—11

梁?？?1975—)，女，工程師，主要從事控制測(cè)量和精密工程測(cè)量工作。