古塔变形测量方法探讨

梁海奎

(大理天作测绘规划院有限公司，云南大理 671000)

古塔变形测量方法探讨

梁海奎∗

(大理天作测绘规划院有限公司，云南大理 671000)

针对重要古建筑的安全性监测，因为其精度要求高，监测环境复杂的情况，可根据建筑物结构特点，运用可相互检核的监测方法，综合分析各种方法的监测结果，得出可靠的结论。

古塔变形监测；垂直投影法；前方交会法；沉降观测；综合分析

1 前 言

需要进行安全性监测的古建筑一般都是文物，因文物保护、旅游开发等需要将其建设成文物保护区或风景区。这类区域的特点是植被密度大，各种附属构筑物的遮挡导致测量时通视条件不好，用单一的测量方法难以满足监测要求。若采用几种方法监测，并相互检验，可得出可靠的监测结果。在这里以一组古塔的变形监测为例，探讨了一种实用的监测方案。

2 依据监测对象和客观环境制定合理方案

这组古塔为密檐式空心砖塔，建成的历史悠久，已逾千年，属于国家重点文物，其中主塔高度近70 m。该区域也是4A级旅游风景区，蓝天白云下古塔巍然屹立，雄伟壮丽。选择监测方法时就必须考虑尽量保护文物和景区现状设施的情况下方案的优化。在对古塔安全性监测方面要满足以下三个方面:①塔体倾斜变化；②塔身各段的变化；③塔基的稳定性。针对上述几方面就采取对应的监测方法，塔体倾斜变化采用垂直投影法(又称垂线法，对相对位移量进行监测)；塔身各段的变化监测采用了前方交会法。对塔基稳定性监测采用了精密水准测量方法进行沉降观测。这三种方法的每周期测量结果可进行综合分析，对古塔的安全性监测得出较为可靠的结论。

3 监测方案的具体实施

测量精度的确定依据《建筑变形测量规程》[1]中“为实用目的，观测值中误差不应超过变形允许值的1/20～1/10，或者1 mm～2 mm”的规定。平面位移监测的观测值中误差设定为md≤±1.5 mm，依据变形允许值分量应按变形允许值的1/2采用[2]，平面位移分量差的观测值中误差m△d≤±1.0 mm；沉降监测的观测值中误差设定为允许变形值的1/20，即测站高差中误差mh≤±0.3 mm。

(1)垂直投影法

在每个古塔塔基不同方向面上固定安置两把游标卡尺，两尺所在位置以两安置面水平方向夹角90°为最佳，因测区客观条件限制不能成90°时，每塔两尺安置面之间的夹角应控制在60°～120°之间。在古塔边建造监测墩，墩上安装强制对中盘，使观测时安置仪器的对中误差降低到最小。监测墩的位置选择时，在满足精度要求条件下使一个墩尽量观测到多个塔的塔尖和游标卡尺安置处。观测边长≤80 m，采用观测中误差标称精度≤±2″，望远镜放大倍率不低于25倍的全站仪进行观测，其最弱观测精度为80 000/ρ″×2＝0.78 mm，满足设定的精度要求。选择古塔顶部适宜观测且稳定的固定目标(条件允许宜安置不锈钢针状观测目标)。观测时，仪器安置于观测墩强制对中盘上，调平仪器后，先用望远镜盘左位置照准观测目标，固定仪器水平制动轴，纵转望远镜照准塔基上游标卡尺，由观测者指挥记录者滑动游标以卡口对准望远镜中丝读一数并记录。然后再纵转望远镜成盘右位置，重复上述操作读一数并记录，此为一个测回。依据精度确定观测的测回数，这个监测工程因精度要求较高，设计为零周期(首次观测)时观测24测回，以后每周期观测12测回。每周期取游标卡尺的读数中数为观测目标的垂直投影线(铅垂线)位置。首次观测的读数中数即可设为零点，以后各周期观测所得读数中数与零点对比就知道古塔在与卡尺安置平行方向的倾斜变化值。

(2)前方交会法

古塔一般都是塔体为偶数多边形的对称体，选择塔体某横截面的对角线交点(截面中心点，也是塔体竖轴点)为交会法监测的坐标点。选定每塔交会的测站点位置，并设立定向点、联系点、检核点。垂直投影法中条件适合的监测墩可同时作为交会测站点。交会的测站点和垂直投影法的监测墩一起建立统一的监测网坐标系，每次观测前对各点进行检核，确定其稳定性后再进行下一步测量工作。依据观测数值经分角计算后用余切公式[3]计算出交会点(即塔体竖轴点P)坐标。

图1 前方交会法示意图

其点位中误差可按下式估算:

式中:mβ为仪器的观测中误差(标称精度)；b为两测站点间距(观测基线长度)，单位为mm，如图1中Q1、Q2间距；β1，β2为各测站点至交会点方向与观测基线间夹角，如图1中∠Q1、∠Q2；γ为两测站点至交会点的夹角(90°为最佳)，如图1中∠P。

交会的测站点固定埋设位置应据监测所需精度要求和上述误差估算公式进行选择。对每一个塔，据其倾斜变形程度和高度选取横截面，一般以间隔5 m～8 m为截取值。从每塔的各截面中点坐标，即可看出塔体各段倾斜的量及整体的总倾斜度。

(3)对塔基的沉降监测法

在每个塔的塔基上设置不少于4个方向的观测点，每点水准观测标志顶部呈半球形，监测区域内地基稳固处设置1个起算点，外围设置1个～2个检核点。宜将每个塔基的观测点连接为一个闭合环，全部塔基的闭合环又连接形成大闭合环，整个观测线路构成含多个水准环的精密水准网。采用DSZ05型水准仪及配套的精密水准尺，按《建筑变形测量规程》中沉降观测二级的规定进行观测。首次观测4测回，第二次以后可观测2测回，取中数为观测值，以满足测站高差中误差≤±0.3 mm，环线闭合差≤±0.5 n mm的精度要求。

4 监测数据的处理及分析

(1)垂直投影法的数据处理:依据每个古塔塔基的两把游标卡尺的安置夹角和数值进行矢量合成计算，就得到塔的倾斜方向和塔顶相对塔基的位移变化值。再测出塔顶观测目标至塔基游标卡尺间的距离，即可计算各塔的倾斜率。

(2)前方交会法的数据处理:使用清华山维公司的“NASEW 95”平差软件可得到交会点坐标，再据余切公式编程计算后核对验算。

(3)塔基的沉降观测法的数据处理:使用“NASEW 95”平差软件对水准网进行严密平差。以各点的本次高程与前一次高程和首次高程比较计算，如某点首次测量高程为40.744 16 m，第4次测量高程为40.743 16 m第5次测量高程为40.742 77 m，该点的本期变化量即－0.000 39 m，累积变化量为－0.001 39 m，依此方法计算各点的本期变化量和累积变化量，并绘制等沉降曲线图。

垂直投影法的观测精度较高，以其作为主要监测方法。这种方法和前方交会法及沉降观测法的结果可相互检核，即前方交会法测得由低至高各截面中点[每一个截面中点由监测网坐标系的(xp，yp)确定一个点位]连线方向应与垂直投影法测得塔顶与塔基相对位移矢量方向一致；最高截面中点和塔基截面中点的坐标差变化量应与位移数值相同或极趋近；古塔倾斜方向应朝向等沉降曲线图显示沉降量较大区域。因重点文物保护的有关规定涉及数据保密，这里就不再以数据、图表等作为实例说明。

5 总 结

通过上述三种监测方法的应用及结果的综合分析，对这组古塔进行长期的安全性监测，取得很好效果。对建立变形趋势预报数学模型提供了可靠数据。现在测量技术不断发展进步，激光全息扫描仪，测量机器人，GPS测量技术等也已用于变形监测工程中来。对于不同的监测精度要求和实际监测环境，应综合运用几种可靠、实用、快捷的监测方法来优质高效地完成监测任务。

[1] JGJ/T 8－97.建筑变形测量规程[S].

[2] JGJ 8－2007.建筑变形测量规范[S].

[3] 武汉测绘科技大学《测量学》编写组编著，陆国胜修订.测量学[M].北京:测绘出版社，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，工程师，主要从事控制测量和精密工程测量工作。