紫禁城城墻無損檢測方法的應(yīng)用研究

李 兵（北京特種工程設(shè)計研究院 北京 100028）

張兵峰（中國文化遺產(chǎn)研究院 北京 100029）

旺 久（西藏自治區(qū)文物局 西藏拉薩 850000）

引言

北京故宮紫禁城城墻建于明永樂十八年（1420年），距今已有近六百年歷史，是我國現(xiàn)存最為完整的皇家宮殿城墻，世界文化遺產(chǎn)故宮的重要組成部分。出于遺產(chǎn)監(jiān)測和城墻保護的需要，準(zhǔn)確查明城墻的保存狀態(tài)、及時對危險區(qū)域進行加固是非常必要的。但是由于文物保護工程的特殊性，坑探、槽探及鉆探等常規(guī)有損檢測無法大范圍使用，因此，無損檢測成為調(diào)查紫禁城城墻的重要手段。

無損檢測由于具有無損、快速、簡便和經(jīng)濟的特點，在文物保護領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。已有的實踐中，王亞清等使用地質(zhì)雷達對山海關(guān)古城墻隱伏缺陷進行了探測[1]；何培等使用高密度電法對古墓葬進行了探測[2]；陳祥等使用超聲波CT層像法對古月橋條石的風(fēng)化程度進行了評價[3]；史寧昌等通過紅外熱波檢測技術(shù)分析了壁畫、鑄鐵佛頭、陶俑、漢白玉螭首等多種不同材料不同結(jié)構(gòu)文物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、損傷等信息[4]。這些無損檢測方法在文物保護工作中都取得了不錯的效果。本次工作選取了其中一部分方法進行測試，并與傳統(tǒng)坑探結(jié)果進行比對。

無損檢測方法的現(xiàn)場試驗

紫禁城城墻為內(nèi)部夯土、外部砌磚的磚包土結(jié)構(gòu)（圖1），在六百年歷史中歷經(jīng)風(fēng)雨，也經(jīng)過多次維修，目前保存狀況不容樂觀，出現(xiàn)海墁不均勻沉降、城墻墻體面層磚離鼓及城墻墻體鼓脹等病害（圖2）。為了查明紫禁城城墻的結(jié)構(gòu)特點和病害分布情況，選擇合適的無損檢測方法尤為重要，本次工作針對故宮紫禁城城墻的結(jié)構(gòu)和病害，現(xiàn)場分別采用地質(zhì)雷達、高密度電法、超聲波CT成像及彈性波CT成像等多種無損檢測方法對紫禁城城墻進行測試。

（一）地質(zhì)雷達測試

地質(zhì)雷達法(Ground Penetrating Radar Method)是利用探地雷達發(fā)射天線向目標(biāo)體發(fā)射高頻脈沖電磁波，由接收天線接收目標(biāo)體的反射電磁波，探測目標(biāo)體空間位置和分布的一種地球物理探測方法。其實際是利用目標(biāo)體及周圍介質(zhì)電磁波的反射特性，對目標(biāo)體內(nèi)部的構(gòu)造和缺陷（或其他不均勻體）進行探測[5][6]（圖3）。探地雷達通過雷達天線對隱蔽目標(biāo)體進行全斷面掃描的方式獲得斷面的垂直二維剖面圖像，具體工作原理是：當(dāng)雷達系統(tǒng)利用天線向地下發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號在介質(zhì)內(nèi)部傳播時遇到介電差異較大的介質(zhì)界面時，就會發(fā)生反射、透射和折射。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大，反射的電磁波能量也越大；反射回的電磁波被與發(fā)射天線同步移動的接收天線接收后，由雷達主機精確記錄下反射回的電磁波運動特征，再通過信號技術(shù)處理，形成全斷面的掃描圖，工程技術(shù)人員通過對雷達圖像的判讀，判斷出地下目標(biāo)物的實際結(jié)構(gòu)情況。探地雷達工作原理如圖4所示。

現(xiàn)場將地質(zhì)雷達測試工作布置在紫禁城東南角樓和午門之間城墻段頂部，重點在東南角樓和午門之間坍塌處進行了地質(zhì)雷達測試，測試天線采用500ZHz頻率天線，測試位置如圖5所示。

地質(zhì)雷達測試結(jié)果如圖6及圖7所示。可以看出，地質(zhì)雷達清晰地看出了城墻內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和城墻內(nèi)部的孔洞現(xiàn)象。為了驗證地質(zhì)雷達的測試結(jié)果，現(xiàn)場在坍塌處采用坑探的方法揭露城墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)，探坑揭示的城墻內(nèi)部情況如圖8及圖9所示，和地質(zhì)雷達測試結(jié)果比較吻合。從以上對比測試結(jié)果可以看出，地質(zhì)雷達對測試城墻結(jié)構(gòu)和城墻病害作用比較明顯，能夠比較直觀地反映城墻內(nèi)部的病害特征和結(jié)構(gòu)形式。

（二）高密度電法測試

高密度電阻率法是普通電阻率法的一種改進形式，針對普通電法的缺陷，在儀器設(shè)備和勘察方法上都比普通電法優(yōu)越。其集中了電剖面法和電測深法的特點，不僅可以提供地下一定深度范圍內(nèi)橫向電性變化情況，而且還可提供垂向電性的變化特征[7][8]。該方法可選用多種裝置類型進行組合觀測，測點密度高，從而彌補了普通電阻率法數(shù)據(jù)少、解譯方法單一的不足，增強了適應(yīng)各種地電條件的能力。根據(jù)電極空間位置的不同，高密度電阻率勘探的裝置形式又分為二極裝置、三極裝置、偶極裝置、溫納和斯龍貝格裝置等工作方法。這些方法具有各自的優(yōu)點以及相應(yīng)的限制條件，目前工程中常用的主要有溫納裝置、斯龍貝格裝置、雙邊三極和二極裝置。

紫禁城城墻內(nèi)部墻磚和夯土的電阻率有很大的差異，通過高密度電法確定的視電阻率剖面能夠反映這一特性，確定墻磚和夯土的分界面，從而確定城墻在縱向剖面的建筑形制。本次工作沿城墻頂面進行高密度電法測試，由于城墻頂面鋪有城磚，普通的電極無法插入，會影響測試結(jié)果，現(xiàn)場嘗試采用了鹽水毛巾電極解決該問題。所謂鹽水毛巾電極是把毛巾在飽和鹽水中浸泡一段時間，然后包在電極開關(guān)串上。在進行高密度電法測試時，把鹽水毛巾電極按照預(yù)設(shè)的電極距放在城墻頂?shù)孛嫔希▓D10），這樣就解決了測試中接地電極的問題。

從東南角樓至午門之間112米的高密度電法測試剖面如圖11所示。從該剖面圖可以看出，在坍塌處（60～62米處）的局部高阻抗區(qū)域，探坑揭示為城墻海幔下的孔洞區(qū)域，因此高密度電法測試成果和實際情況比較吻合。

（三）彈性波CT成像

彈性波CT成像技術(shù)是根據(jù)聲波射線的幾何運動學(xué)原理，利用聲波發(fā)射、接受系統(tǒng)在被檢測體的一側(cè)發(fā)射，在另一側(cè)接收，用聲波掃描被檢測物體。用于現(xiàn)場的觀測系統(tǒng)為一發(fā)多收聲系，即在一側(cè)單點發(fā)射，另一側(cè)作扇形排列接收，然后逐點同步沿剖面線移動進行掃描觀測。該方法首先將待檢測斷面剖分為諸多矩形單元，然后從不同方向?qū)γ恳粏卧M行多次地震波射線掃描，即由來自不同方向的多條射線穿過一個單元，用所測地震波走時數(shù)據(jù)進行計算成像，其成像結(jié)果可精確、直觀表示出整個測試斷面上不同建筑材料的分布區(qū)域[9][10]。

現(xiàn)場在東南角樓和午門坍塌處首先進行了超聲波CT成像測試，發(fā)現(xiàn)激發(fā)源的信號無法穿透城墻傳遞過去，即無法進行測試。因此超聲波CT成像測試方法對于城墻類遺址不太適用。

由于超聲波CT成像的測試方法在現(xiàn)場測試效果不理想，我們選擇了頻率較低的彈性波CT成像進行測試。彈性波的頻率較低，因此穿透能力較強，從測試結(jié)果看能反映一定問題（圖12）。從測試結(jié)果圖可以看出，底部夯土的速度比較高，頂部夯土的速度比較低，說明底部夯土的密實程度較高，頂部夯土的密實程度較低。但是對于城墻內(nèi)部病害特征反映不是很明顯，同時由于測試方法的局限，對于城墻兩側(cè)墻體結(jié)構(gòu)的測試效果不是很好。

結(jié)論

通過在紫禁城城墻上進行多種無損檢測現(xiàn)場試驗，根據(jù)現(xiàn)場試驗檢測結(jié)果和探坑揭露的實際情況相互驗證，可以得出如下結(jié)論：

1.地質(zhì)雷達的測試方法，測試過程簡單，對城墻沒有任何損害，測試結(jié)果能夠反映城墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征和病害情況，適合在城墻調(diào)查中大范圍使用。

2.高密度電法的測試方法，通過采用鹽水毛巾電極的方法能夠測出城墻內(nèi)部的電阻率異常情況，測試過程簡單，在一定程度上能夠反映城墻內(nèi)部的特征，適合在城墻調(diào)查中使用。

3.超聲波CT由于穿透能力弱，無法穿透城墻，因此不適用城墻調(diào)查。彈性波CT成像法能夠一定程度反映城墻內(nèi)部彈性波波速的差異，但是對于城墻結(jié)構(gòu)的測試效果不理想，并且測試過程復(fù)雜，而且需在城墻上進心敲擊，對城墻有一定的破壞，因此不宜在城墻調(diào)查中大規(guī)模使用。

綜上所述，地質(zhì)雷達和高密度電法這兩種無損檢測方法，測試過程簡單，測試結(jié)果準(zhǔn)確，對城墻沒有任何損壞，適合在紫禁城城墻這類磚包土的城墻類文物結(jié)果及病害調(diào)查中大規(guī)模應(yīng)用。