遠距離裂縫觀測系統在嘉峪關世界文化遺產監測中的適用性研究

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摘 要：鑒于傳統的人工測量方式在大體量文物本體上進行裂隙病害的監測存在直接接觸不便和誤差控制難度大等問題，嘉峪關文化遺產監測機構嘗試將北京光電技術研究所研發的遠距離裂縫測寬儀（BJQF-V）應用于嘉峪關光化樓、柔遠樓的城臺裂隙監測工作實踐。通過這種基于圖像處理技術的無損監測手段，對城臺裂隙發育現狀進行監測分析，為該類型的文物本體裂隙監測探索一種可靠的方式。

關鍵詞：遠距離;裂隙監測;無損技術;嘉峪關

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2022.01.037

0 引言

結構開裂后形成的狹長縫隙在工程上定義為裂縫，是固體材料的一種不連續現象。裂縫的形成受結構荷載、溫度效應、材料疲勞、基礎不均勻沉降、地震等因素影響，是結構損傷的一種體現，預示著材料耐久性不足和結構破壞。因此，裂縫在工程質量檢測鑒定中是安全性、可靠性評價的主要指標。①

在文物保護工作中，將遺址本體內受自然或工程因素作用形成的開裂破壞現象定義為裂隙②，可分為基礎變形裂隙、地震作用變形裂隙和建造工藝裂隙等類型。文物本體的一部分裂隙會隨著文物賦存環境的變化不斷發育成嚴重病害，進而危害文物本體的整體性和穩定性，影響文物的安全保存。

1 研究背景

工程實踐中，裂縫的人工測量方法通過肉眼識別，采用卡尺、裂縫顯微鏡等工具測量裂縫的寬度，檢測效果極度依賴于作業人的主觀性，其他客觀因素諸如危險、不便利的檢查環境等同樣影響檢測結果的可靠性③，而這也恰恰是在大體量文物建筑本體上進行人工測量裂隙病害的難點。同時，不恰當地使用儀器也會對磚石、夯土質文物本體造成損傷。正是由于人工裂縫檢查手段存在測不準、高空多、效率低、記不全等缺點④，所以在嘉峪關文化遺產監測工作中，監測機構積極應用了遠距離裂縫測量技術，以期實現對于光化樓、柔遠樓的城臺裂隙監測的標準化和便捷性。

遠距離裂縫測量技術通過高精度光學系統及CCD成像系統，遠距離采集結構表面圖像，通過數字圖像相關算法進行圖片處理，提取缺陷特征，計算出其寬度、最大寬度、長度等量化信息。對于此類技術的可靠性和工程領域的適用性，已有許多研究做了驗證。張海明⑤驗證了利用基于光測法的數字圖像處理技術，對混凝土表面裂縫寬度等特征進行測量和分析的可靠性。胡愛勇等⑥使用北京光電ACDS遠距離裂縫測量系統在結構改造施工監測中研究了其適用性。

2 裂隙監測

2.1 監測對象

光化樓、柔遠樓作為嘉峪關關城的重要組成部分，由肅州兵備副使李端澄于正德元年（1506）仿照弘治八年（1495）所筑嘉峪關樓的樣式、規格主持修筑。其城臺采用磚包土的夯筑形式，是承托木構建筑的重要結構載體。由于各種原因（如干燥收縮、溫度應力、外荷載、基礎變形等），裂隙是城臺本體最常見的缺陷和損傷現象。由于裂隙的成因、狀態、發展以及在結構中位置等的不同，對結構的危害性也有很大的區別。嚴重的裂隙可能危害結構的整體性和穩定性，影響城臺結構的基礎穩定和木構建筑的安全保存。對于裂隙的修補，如裂隙充填（往裂隙中注入充填材料，以防內部空洞）和裂隙補強（裂隙表面加固等）都需要在明確裂隙的狀態、成因的基礎上才能合理、有效地進行。為明確裂隙的狀態、發展和成因，以及合理評價裂隙對城臺本體的影響，對光化樓和柔遠樓城臺共5條特征顯明的裂隙進行了定期監測。

2.2 監測頻率及監測點位

監測頻率為每月一次。監測點位如圖1和圖2所示。

2.3 儀器的可靠性檢驗

①在被測量裂縫旁邊放置板尺，應用儀器測量板尺刻度進行校驗（圖3），軟件分析得到板尺10mm的表面距離兩端數據分別為9.90mm和10.00mm，誤差為0.1mm。

②應用游標卡尺和遠距離裂縫測寬儀同時測量裂縫的某一點寬度（圖4），軟件分析數據為7.10mm，卡尺測量數據為7.17mm，誤差為0.07mm。

通過兩種方式檢驗遠距離裂縫測寬儀（BJQF-V）所測數據的可靠性，誤差均在合理范圍之內。

2.4 監測數據

應用遠距離裂縫測寬儀（BJQF-V）測得光化樓、柔遠樓裂隙14個病害點2020年全年數據如表1和表2所示。

3 裂隙病害發育特征

3.1 光化樓數據分析

光化樓北1號裂隙4個觀測點位觀測數值全年波動增大，其中，1號、2號點位增幅在1mm之內，3號點位最大寬度增幅大于1mm，4號點位增幅大于2mm（圖5）。綜合判定，光化樓北1號裂隙處于緩慢増大趨勢，尤其上端增大明顯，整體發育程度小，需密切監測其后續發育趨勢作長時段發育狀態分析。

光化樓北2號裂隙和3號裂隙4個觀測點位觀測數值全年波動幅度均在1mm之內（圖6）。排除測量誤差因素，綜合判定光化樓北2號裂隙和3號裂隙處于穩定狀態。

3.2 柔遠樓數據分析

柔遠樓南1號裂隙和北1號裂隙6個觀測點觀測數值全年波動幅度均在1mm之內（圖7）。排除測量誤差因素，綜合判定柔遠樓南1號裂縫和北1號裂縫處于穩定狀態。

4 結論

①遠距離裂縫測寬儀（BJQF-V）應用于嘉峪關光化樓、柔遠樓的城臺裂隙監測工作實踐，從誤差控制和工況適應性的角度評價，能夠滿足監測工作的需求。

②通過整年觀測數據分析，光化樓北2號、3號裂隙和柔遠樓南1號、北1號裂隙均處于穩定狀態。

③光化樓北1號裂隙存在發育増大趨勢，尤其上端增大明顯，整體發育程度小，需做進一步監測和精細評價。

注釋

①③④劉宇飛，樊健生，聶建國，等.結構表面裂縫數字圖像法識別研究綜述與前景展望[J].土木工程學報，2021，54（6）：79-98.

②王旭東.巖土質文物保護名詞術語[M].北京：科學出版社，2014.

⑤張海明.土木工程結構中遠距離非接觸式表面缺陷及裂縫檢測系統研究[D].北京：中冶集團建筑研究總院，2013.

⑥胡愛勇，張紅喜，唐科學，等.遠距離裂縫測量技術在結構改造施工監測中的應用分析[J].中國建材科技，2019，28（5）：10-11.

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