古塔變形測量方法探討

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(大理天作測繪規(guī)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(guī)劃院有限公司，云南大理 671000)

針對重要古建筑的安全性監(jiān)測，因為其精度要求高，監(jiān)測環(huán)境復(fù)雜的情況，可根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)特點，運用可相互檢核的監(jiān)測方法，綜合分析各種方法的監(jiān)測結(jié)果，得出可靠的結(jié)論。

古塔變形監(jiān)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(jiān)測的古建筑一般都是文物，因文物保護、旅游開發(fā)等需要將其建設(shè)成文物保護區(qū)或風(fēng)景區(qū)。這類區(qū)域的特點是植被密度大，各種附屬構(gòu)筑物的遮擋導(dǎo)致測量時通視條件不好，用單一的測量方法難以滿足監(jiān)測要求。若采用幾種方法監(jiān)測，并相互檢驗，可得出可靠的監(jiān)測結(jié)果。在這里以一組古塔的變形監(jiān)測為例，探討了一種實用的監(jiān)測方案。

2 依據(jù)監(jiān)測對象和客觀環(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，屬于國家重點文物，其中主塔高度近70 m。該區(qū)域也是4A級旅游風(fēng)景區(qū)，藍天白云下古塔巍然屹立，雄偉壯麗。選擇監(jiān)測方法時就必須考慮盡量保護文物和景區(qū)現(xiàn)狀設(shè)施的情況下方案的優(yōu)化。在對古塔安全性監(jiān)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(wěn)定性。針對上述幾方面就采取對應(yīng)的監(jiān)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(jiān)測)；塔身各段的變化監(jiān)測采用了前方交會法。對塔基穩(wěn)定性監(jiān)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(jié)果可進行綜合分析，對古塔的安全性監(jiān)測得出較為可靠的結(jié)論。

3 監(jiān)測方案的具體實施

測量精度的確定依據(jù)《建筑變形測量規(guī)程》[1]中“為實用目的，觀測值中誤差不應(yīng)超過變形允許值的1/20～1/10，或者1 mm～2 mm”的規(guī)定。平面位移監(jiān)測的觀測值中誤差設(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值中誤差m△d≤±1.0 mm；沉降監(jiān)測的觀測值中誤差設(shè)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(qū)客觀條件限制不能成90°時，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(jiān)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(shè)定的精度要求。選擇古塔頂部適宜觀測且穩(wěn)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(diào)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(zhuǎn)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(shù)并記錄。然后再縱轉(zhuǎn)望遠鏡成盤右位置，重復(fù)上述操作讀一數(shù)并記錄，此為一個測回。依據(jù)精度確定觀測的測回數(shù)，這個監(jiān)測工程因精度要求較高，設(shè)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(shù)中數(shù)為觀測目標的垂直投影線(鉛垂線)位置。首次觀測的讀數(shù)中數(shù)即可設(shè)為零點，以后各周期觀測所得讀數(shù)中數(shù)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(shù)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(jiān)測的坐標點。選定每塔交會的測站點位置，并設(shè)立定向點、聯(lián)系點、檢核點。垂直投影法中條件適合的監(jiān)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(jiān)測墩一起建立統(tǒng)一的監(jiān)測網(wǎng)坐標系，每次觀測前對各點進行檢核，確定其穩(wěn)定性后再進行下一步測量工作。依據(jù)觀測數(shù)值經(jīng)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(shè)位置應(yīng)據(jù)監(jiān)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(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(jiān)測法

在每個塔的塔基上設(shè)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(jiān)測區(qū)域內(nèi)地基穩(wěn)固處設(shè)置1個起算點，外圍設(shè)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(huán)，全部塔基的閉合環(huán)又連接形成大閉合環(huán)，整個觀測線路構(gòu)成含多個水準環(huán)的精密水準網(wǎng)。采用DSZ05型水準儀及配套的精密水準尺，按《建筑變形測量規(guī)程》中沉降觀測二級的規(guī)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(shù)為觀測值，以滿足測站高差中誤差≤±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)每個古塔塔基的兩把游標卡尺的安置夾角和數(shù)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(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點坐標，再據(jù)余切公式編程計算后核對驗算。

(3)塔基的沉降觀測法的數(shù)據(jù)處理:使用“NASEW 95”平差軟件對水準網(wǎng)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(jiān)測方法。這種方法和前方交會法及沉降觀測法的結(jié)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(jiān)測網(wǎng)坐標系的(xp，yp)確定一個點位]連線方向應(yīng)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(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。因重點文物保護的有關(guān)規(guī)定涉及數(shù)據(jù)保密，這里就不再以數(shù)據(jù)、圖表等作為實例說明。

5 總 結(jié)

通過上述三種監(jiān)測方法的應(yīng)用及結(jié)果的綜合分析，對這組古塔進行長期的安全性監(jiān)測，取得很好效果。對建立變形趨勢預(yù)報數(shù)學(xué)模型提供了可靠數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在測量技術(shù)不斷發(fā)展進步，激光全息掃描儀，測量機器人，GPS測量技術(shù)等也已用于變形監(jiān)測工程中來。對于不同的監(jiān)測精度要求和實際監(jiān)測環(huán)境，應(yīng)綜合運用幾種可靠、實用、快捷的監(jiān)測方法來優(yōu)質(zhì)高效地完成監(jiān)測任務(wù)。

[1] JGJ/T 8－97.建筑變形測量規(guī)程[S].

[2] JGJ 8－2007.建筑變形測量規(guī)范[S].

[3] 武漢測繪科技大學(xué)《測量學(xué)》編寫組編著，陸國勝修訂.測量學(xué)[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?？?1975—)，女，工程師，主要從事控制測量和精密工程測量工作。