古塔變形測量方法探討

梁海奎

(大理天作測繪規劃院有限公司，云南大理 671000)

古塔變形測量方法探討

梁海奎?

(大理天作測繪規劃院有限公司，云南大理 671000)

針對重要古建筑的安全性監測，因為其精度要求高，監測環境復雜的情況，可根據建筑物結構特點，運用可相互檢核的監測方法，綜合分析各種方法的監測結果，得出可靠的結論。

古塔變形監測；垂直投影法；前方交會法；沉降觀測；綜合分析

1 前 言

需要進行安全性監測的古建筑一般都是文物，因文物保護、旅游開發等需要將其建設成文物保護區或風景區。這類區域的特點是植被密度大，各種附屬構筑物的遮擋導致測量時通視條件不好，用單一的測量方法難以滿足監測要求。若采用幾種方法監測，并相互檢驗，可得出可靠的監測結果。在這里以一組古塔的變形監測為例，探討了一種實用的監測方案。

2 依據監測對象和客觀環境制定合理方案

這組古塔為密檐式空心磚塔，建成的歷史悠久，已逾千年，屬于國家重點文物，其中主塔高度近70 m。該區域也是4A級旅游風景區，藍天白云下古塔巍然屹立，雄偉壯麗。選擇監測方法時就必須考慮盡量保護文物和景區現狀設施的情況下方案的優化。在對古塔安全性監測方面要滿足以下三個方面:①塔體傾斜變化；②塔身各段的變化；③塔基的穩定性。針對上述幾方面就采取對應的監測方法，塔體傾斜變化采用垂直投影法(又稱垂線法，對相對位移量進行監測)；塔身各段的變化監測采用了前方交會法。對塔基穩定性監測采用了精密水準測量方法進行沉降觀測。這三種方法的每周期測量結果可進行綜合分析，對古塔的安全性監測得出較為可靠的結論。

3 監測方案的具體實施

測量精度的確定依據《建筑變形測量規程》[1]中“為實用目的，觀測值中誤差不應超過變形允許值的1/20～1/10，或者1 mm～2 mm”的規定。平面位移監測的觀測值中誤差設定為md≤±1.5 mm，依據變形允許值分量應按變形允許值的1/2采用[2]，平面位移分量差的觀測值中誤差m△d≤±1.0 mm；沉降監測的觀測值中誤差設定為允許變形值的1/20，即測站高差中誤差mh≤±0.3 mm。

(1)垂直投影法

在每個古塔塔基不同方向面上固定安置兩把游標卡尺，兩尺所在位置以兩安置面水平方向夾角90°為最佳，因測區客觀條件限制不能成90°時，每塔兩尺安置面之間的夾角應控制在60°～120°之間。在古塔邊建造監測墩，墩上安裝強制對中盤，使觀測時安置儀器的對中誤差降低到最小。監測墩的位置選擇時，在滿足精度要求條件下使一個墩盡量觀測到多個塔的塔尖和游標卡尺安置處。觀測邊長≤80 m，采用觀測中誤差標稱精度≤±2″，望遠鏡放大倍率不低于25倍的全站儀進行觀測，其最弱觀測精度為80 000/ρ″×2＝0.78 mm，滿足設定的精度要求。選擇古塔頂部適宜觀測且穩定的固定目標(條件允許宜安置不銹鋼針狀觀測目標)。觀測時，儀器安置于觀測墩強制對中盤上，調平儀器后，先用望遠鏡盤左位置照準觀測目標，固定儀器水平制動軸，縱轉望遠鏡照準塔基上游標卡尺，由觀測者指揮記錄者滑動游標以卡口對準望遠鏡中絲讀一數并記錄。然后再縱轉望遠鏡成盤右位置，重復上述操作讀一數并記錄，此為一個測回。依據精度確定觀測的測回數，這個監測工程因精度要求較高，設計為零周期(首次觀測)時觀測24測回，以后每周期觀測12測回。每周期取游標卡尺的讀數中數為觀測目標的垂直投影線(鉛垂線)位置。首次觀測的讀數中數即可設為零點，以后各周期觀測所得讀數中數與零點對比就知道古塔在與卡尺安置平行方向的傾斜變化值。

(2)前方交會法

古塔一般都是塔體為偶數多邊形的對稱體，選擇塔體某橫截面的對角線交點(截面中心點，也是塔體豎軸點)為交會法監測的坐標點。選定每塔交會的測站點位置，并設立定向點、聯系點、檢核點。垂直投影法中條件適合的監測墩可同時作為交會測站點。交會的測站點和垂直投影法的監測墩一起建立統一的監測網坐標系，每次觀測前對各點進行檢核，確定其穩定性后再進行下一步測量工作。依據觀測數值經分角計算后用余切公式[3]計算出交會點(即塔體豎軸點P)坐標。

圖1 前方交會法示意圖

其點位中誤差可按下式估算:

式中:mβ為儀器的觀測中誤差(標稱精度)；b為兩測站點間距(觀測基線長度)，單位為mm，如圖1中Q1、Q2間距；β1，β2為各測站點至交會點方向與觀測基線間夾角，如圖1中∠Q1、∠Q2；γ為兩測站點至交會點的夾角(90°為最佳)，如圖1中∠P。

交會的測站點固定埋設位置應據監測所需精度要求和上述誤差估算公式進行選擇。對每一個塔，據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坐標，即可看出塔體各段傾斜的量及整體的總傾斜度。

(3)對塔基的沉降監測法

在每個塔的塔基上設置不少于4個方向的觀測點，每點水準觀測標志頂部呈半球形，監測區域內地基穩固處設置1個起算點，外圍設置1個～2個檢核點。宜將每個塔基的觀測點連接為一個閉合環，全部塔基的閉合環又連接形成大閉合環，整個觀測線路構成含多個水準環的精密水準網。采用DSZ05型水準儀及配套的精密水準尺，按《建筑變形測量規程》中沉降觀測二級的規定進行觀測。首次觀測4測回，第二次以后可觀測2測回，取中數為觀測值，以滿足測站高差中誤差≤±0.3 mm，環線閉合差≤±0.5 n mm的精度要求。

4 監測數據的處理及分析

(1)垂直投影法的數據處理:依據每個古塔塔基的兩把游標卡尺的安置夾角和數值進行矢量合成計算，就得到塔的傾斜方向和塔頂相對塔基的位移變化值。再測出塔頂觀測目標至塔基游標卡尺間的距離，即可計算各塔的傾斜率。

(2)前方交會法的數據處理:使用清華山維公司的“NASEW 95”平差軟件可得到交會點坐標，再據余切公式編程計算后核對驗算。

(3)塔基的沉降觀測法的數據處理:使用“NASEW 95”平差軟件對水準網進行嚴密平差。以各點的本次高程與前一次高程和首次高程比較計算，如某點首次測量高程為40.744 16 m，第4次測量高程為40.743 16 m第5次測量高程為40.742 77 m，該點的本期變化量即－0.000 39 m，累積變化量為－0.001 39 m，依此方法計算各點的本期變化量和累積變化量，并繪制等沉降曲線圖。

垂直投影法的觀測精度較高，以其作為主要監測方法。這種方法和前方交會法及沉降觀測法的結果可相互檢核，即前方交會法測得由低至高各截面中點[每一個截面中點由監測網坐標系的(xp，yp)確定一個點位]連線方向應與垂直投影法測得塔頂與塔基相對位移矢量方向一致；最高截面中點和塔基截面中點的坐標差變化量應與位移數值相同或極趨近；古塔傾斜方向應朝向等沉降曲線圖顯示沉降量較大區域。因重點文物保護的有關規定涉及數據保密，這里就不再以數據、圖表等作為實例說明。

5 總 結

通過上述三種監測方法的應用及結果的綜合分析，對這組古塔進行長期的安全性監測，取得很好效果。對建立變形趨勢預報數學模型提供了可靠數據。現在測量技術不斷發展進步，激光全息掃描儀，測量機器人，GPS測量技術等也已用于變形監測工程中來。對于不同的監測精度要求和實際監測環境，應綜合運用幾種可靠、實用、快捷的監測方法來優質高效地完成監測任務。

[1] JGJ/T 8－97.建筑變形測量規程[S].

[2] JGJ 8－2007.建筑變形測量規范[S].

[3] 武漢測繪科技大學《測量學》編寫組編著，陸國勝修訂.測量學[M].北京:測繪出版社，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

梁海奎(1975—)，女，工程師，主要從事控制測量和精密工程測量工作。