監(jiān)測數(shù)據(jù)在嘉峪關(guān)關(guān)城保護中的分析應(yīng)用

陳穎

摘 要：自2014年嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測預(yù)警管理平臺基本建成投入使用以來，利用實時監(jiān)測設(shè)備和便攜式監(jiān)測儀器得到了大量關(guān)于文物賦存環(huán)境及本體病害的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過充分利用這些獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析文物本體病害發(fā)育情況以及相關(guān)因素對文物本體病害的作用關(guān)系，總結(jié)文物保存現(xiàn)狀的變化趨勢，為今后開展更加精準的監(jiān)測工作提供技術(shù)支持和決策依據(jù)，更好地實現(xiàn)文物預(yù)防性保護。

關(guān)鍵詞：風(fēng)速風(fēng)向;墻體水分含量;積沙監(jiān)測;遠距離裂縫觀測

為實現(xiàn)文物的預(yù)防性保護，促進文物保護技術(shù)的科學(xué)化、智能化、精細化，2013年嘉峪關(guān)市啟動了由國家文物局立項批準實施的嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)工程，其目的在于高起點、高標準地建立適合嘉峪關(guān)關(guān)城及境內(nèi)夯土遺址的監(jiān)測預(yù)警體系，進行長期監(jiān)測，并形成專業(yè)的夯土長城監(jiān)測的技術(shù)標準和規(guī)范體系，促進文化遺產(chǎn)的預(yù)防性保護。

1 現(xiàn)狀

嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)工程一期主要布設(shè)了電纜信號線和各類實時采集儀器，完成了關(guān)城監(jiān)測站監(jiān)測專用機房的建設(shè)、監(jiān)測預(yù)警管理信息平臺的開發(fā)和部署等，2014年10月基本完工，該平臺即投入運行使用。監(jiān)測預(yù)警管理平臺是實現(xiàn)實時監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)采集上傳、便攜式監(jiān)測設(shè)備采集錄入和監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計、分析、預(yù)警等為核心的數(shù)據(jù)庫建設(shè)，主要建成檔案、監(jiān)測、分析、指標、系統(tǒng)設(shè)置、公眾參與和GIS地圖7大模塊共計34個功能子系統(tǒng)。實時監(jiān)測設(shè)備有裂縫計、壓力計、水平測斜儀、多點位移計積沙儀和全自動氣象站等，便攜式設(shè)備主要有墻體水分儀、遠距離裂縫觀測儀、鹽分計、三維掃描儀、全站儀、非金屬超聲探傷儀和單反相機等，涉及自然環(huán)境、墻體裂縫、傾斜、沉降及墻體內(nèi)水分等監(jiān)測指標。截至2021年，該平臺已工作近7年，運行良好，積累了大量文物監(jiān)測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

監(jiān)測系統(tǒng)工程一期主要是針對關(guān)城內(nèi)的文物開展監(jiān)測，進行監(jiān)測的內(nèi)容有土遺址的墻體裂縫、傾斜、應(yīng)力、酥堿等及木建筑的穩(wěn)定性;監(jiān)測對象主要是烽火臺、內(nèi)城、甬道、西羅城、東西甕城和戲臺、文昌閣、箭樓、光化樓、柔遠樓和嘉峪關(guān)樓;監(jiān)測設(shè)備有實時監(jiān)測儀器（裂縫計、應(yīng)力計、多點位移計、固定測斜儀、水平測斜儀、懸掛測斜儀、溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、階梯式積沙儀）和便攜式監(jiān)測儀器（水分計、鹽分計、遠距離裂縫觀測儀、單反相機）。

經(jīng)過近7年的監(jiān)測工作，得到墻體水分、裂縫寬度、傾斜角度、應(yīng)力強度等數(shù)據(jù)。本文以2020年全年監(jiān)測到的賦存環(huán)境及本體病害裂縫、傾斜等數(shù)據(jù)進行說明分析。

2.1 風(fēng)速風(fēng)向

從柔遠樓二樓的風(fēng)速與傾斜統(tǒng)計圖（圖1）來看，只有柔遠樓西南角傾斜變化率較為明顯，風(fēng)速均值變化趨勢波動明顯，波動幅度最大的為東北柱體風(fēng)速，這與西南角傾斜波動幅度大相一致;且西南角傾斜的變化趨勢和東北柱體風(fēng)速呈現(xiàn)正相關(guān)，風(fēng)速均值增大時，西南角傾斜度數(shù)增加，風(fēng)速均值減小出現(xiàn)大范圍波動時，傾斜角度也緩慢減少。由于這兩個儀器的分布位置是對角線方向（圖2），說明風(fēng)速變化會引起其傾斜，這與近些年發(fā)現(xiàn)柔遠樓已發(fā)生傾斜結(jié)果相一致。

2.2 墻體水分

監(jiān)測墻體水分主要是對墻體滲水嚴重的點位進行數(shù)據(jù)采集，具體的監(jiān)測點位在關(guān)城東閘門城臺（圖3）和門洞、光華樓馬道、柔遠樓馬道、嘉峪關(guān)樓城臺和門洞，監(jiān)測周期為半個月，采用的是JT-C50墻面地面水分儀，針對不同的病害區(qū)域，科學(xué)規(guī)劃監(jiān)測點位，確保獲取的數(shù)據(jù)具有代表性、科學(xué)性。將儀器的三個感應(yīng)探頭與墻面充分接觸，讀取數(shù)據(jù)（圖4）。

根據(jù)2020年關(guān)城東閘門城臺東南面七個監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)（圖5），得出4號、5號和7號三個點位的水分含量全年變化較穩(wěn)定，1號、3號和6號三個點位的水分含量全年變化較大，1號、2號、3號和6號點位相對其他點位墻體水分含量相對較高，7月各點位水分含量相對全年較高，這是因為2020年7月降水相對較多，從而引起7月墻體水分含量偏高。墻體水分含量的變化容易引起墻體內(nèi)部的水鹽運移變化，進而會產(chǎn)生墻體酥堿、風(fēng)化潰爛等病害。病害一般發(fā)生在墻體下部，根部有的大面積潰爛，既影響古建筑的墻體結(jié)構(gòu)也不美觀①，特別是水分含量較高、變化頻繁的監(jiān)測點位，嚴重的會導(dǎo)致墻體坍塌，因此做好墻體水分監(jiān)測及其變化規(guī)律分析對加強墻體穩(wěn)定性保護有重要意義。

2.3 積沙監(jiān)測

風(fēng)沙災(zāi)害一直是困擾長城完整保存的主要環(huán)境問題之一。根據(jù)風(fēng)沙對長城文物本體危害方式和不同地理條件風(fēng)沙流運動規(guī)律的原則，科學(xué)安裝了階梯式積沙儀（圖6）。積沙儀主要監(jiān)測積沙狀況和輸沙量。階梯式積沙儀的應(yīng)用靈活度很高，既可以即測即撤用于短時間的風(fēng)沙流量監(jiān)測，也可以長期固定在一個代表性監(jiān)測點進行一年或多年的風(fēng)沙量監(jiān)測對比，配套設(shè)備為精密電子天平。目前，全部階梯式積沙儀都用于長期監(jiān)測，積沙采集周期為每季度1次。4臺積沙儀均處于正常工作狀態(tài)，使用期間未發(fā)生儀器故障或數(shù)據(jù)失真。

依據(jù)2020年四個風(fēng)沙監(jiān)測點每個季度積沙儀數(shù)據(jù)分析圖（圖7），我們得出嘉峪關(guān)境內(nèi)四個特征點位置的積沙儀積沙數(shù)據(jù)采集情況：①長城第一墩（南）的積沙數(shù)據(jù)相較于其他三個點偏多;②第三季度積沙量為全年最多，也符合第三季度平均風(fēng)速為全年最高的數(shù)據(jù)統(tǒng)計規(guī)律;③第一、第四季度積沙采集數(shù)據(jù)普遍低于第二、第三季度，前三季度積沙量逐漸增加，第四季度呈下降趨勢，符合當?shù)貧夂蜃兓闆r。

夯土墻體材料具有吸放濕作用，然而夯土墻怕水，不耐雨水侵蝕，在風(fēng)驅(qū)雨作用下易受到較大的損害。①嘉峪關(guān)地處河西走廊最西端，基本屬于荒漠地區(qū)，全年風(fēng)沙較大，沙塵在強風(fēng)的作用下，吹蝕和磨蝕著露天夯土墻體，會使其表面風(fēng)化、風(fēng)沙蝕以及倒塌，因此做好積沙監(jiān)測有助于預(yù)判夯土墻體保存現(xiàn)狀。由上述分析可以看出，長城第一墩（南）處的積沙量較多，且每年第三季度積沙量偏高，在今后的工作中要重點關(guān)注該時間段和監(jiān)測點位的墻體變化，做出風(fēng)險評估，必要時研究采取相應(yīng)保護措施。

2.4 遠距離裂縫觀測

遠距離裂縫觀測儀主要是用于定點監(jiān)測并記錄在高空以及不易接觸結(jié)構(gòu)位置上的重點裂縫變化情況，采用光學(xué)鏡頭對遠處裂縫進行成像（圖8），利用處理軟件對裂縫圖像進行處理，獲取裂縫的實際寬度等，具有測試精度高、穩(wěn)定性好的特點。應(yīng)用到關(guān)城監(jiān)測中是對城臺頂部的表面裂縫進行遠距離監(jiān)測（圖9）。

利用遠距離裂縫觀測儀監(jiān)測柔遠樓南面城臺裂縫，由圖10可知，裂縫01裂縫寬度明顯高于其他兩個監(jiān)測點位，且變化波動相對較大，特別是每年5—11月，這是因為該時間段為景區(qū)旅游旺季，每天經(jīng)過柔遠樓和登上城樓旅游觀光的游客較多，產(chǎn)生的應(yīng)力和摩擦等增多，這是引起裂縫寬度變化的重要因素;裂縫02和裂縫03的裂縫寬度較小，全年變化不大;縱向觀察可以發(fā)現(xiàn)裂縫寬度隨著高度增加而減小，這是因為一是建筑物本身承重所造成的，二是裂縫越靠下，受到游客的人為影響越多。從三條曲線的趨勢線來看，裂縫01的寬度在逐漸增大，裂縫02和03變化相對穩(wěn)定，沒有發(fā)生較明顯的變化，因此今后的監(jiān)測工作需要加大對裂縫01的監(jiān)測，根據(jù)分析結(jié)果及時上報相關(guān)單位，盡早采取保護措施，做到預(yù)防性保護。

3 結(jié)語

綜上，本文分別選取了風(fēng)速風(fēng)向、墻體水分、積沙和遠距離裂縫觀測四種監(jiān)測方法，采用實時風(fēng)速傳感器、便攜式水分計、階梯式積沙儀和遠距離裂縫觀測儀開展全年監(jiān)測工作，科學(xué)篩選甄別數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)做出相關(guān)分析圖，分析對應(yīng)病害發(fā)育情況、發(fā)展趨勢以及與相關(guān)因素之間的關(guān)系。經(jīng)過科學(xué)分析，為政府相關(guān)部門提供科學(xué)決策依據(jù)，盡早采取相關(guān)保護措施，實現(xiàn)預(yù)防性保護。文物監(jiān)測工作的起點是規(guī)范做好日常監(jiān)測，但是最終的目的還是科學(xué)地分析研究監(jiān)測數(shù)據(jù)，使這些數(shù)據(jù)發(fā)揮出它們的科研價值，能為后續(xù)開展監(jiān)測工作起到指導(dǎo)作用，使監(jiān)測工作更加精準、高效和便捷。持續(xù)加強對監(jiān)測數(shù)據(jù)的科學(xué)分析與研究，是我們每位專業(yè)技術(shù)工作者工作的重中之重，因此不斷加強專業(yè)知識的學(xué)習(xí)與升華，才能更好服務(wù)文物保護工作。