浅议利用自动化结构安全监测技术保护南京明城墙

王天文+李丽

【摘 要】近年来，为了切实加强文物的科学保护和管理，防大患于未然，把危险和险情控制在萌芽状态，尽力延长南京城墙的寿命，如何采取先进的科学手段保护城墙也变的极为迫切。本文通过对南京明城墙目前比较突出的几种结构安全病害提出了具体的自动化结构安全监测手段，并对几种自动化监测方式和技术指标进行了介绍。为今后利用自动化安全监测技术更好的保护南京明城墙提出了一些可行的具体建议。

【关键词】明城墙；结构安全；自动化；监测

1 城墙概况

南京城墙属全国重点文物保护单位，它东傍钟山，西据石头，南冯秦淮，北控后湖，实测周长35.267 公里，规模宏大，气势雄伟，城墙本体始建于公元1366 年，1386 年竣工，前后达21 年之久。建筑规模宏大，城垣用巨大的条石砌基，以砖石砌筑而成。现存的25.091 公里城墙，虽已历经600 年风雨，大部分墙体仍巍然屹立。明城墙坚若磐石的秘密在于它的修建过程中严格的质量管理。然而随程城市建设，战火洗礼以及各种人为外部因素的扰动下，城墙结构病害情况也变得越来越严重，必须得到高度的重视，作为全国重点文物保护单位，依据文物建筑保护的相关规定，大规模的加固、维修都是不被允许，科学的自动化结构安全监测变得十分重要。

2 城墙自动化安全结构监测方式

由于城墙沿线较长，结构形式较为复杂且每段城墙的隐患情况都不完全相同，根据结构病害及病害的具体现场情况，建议对于南京城墙的安全结构监测分为两类，一是自动监测：采用物联网传感器的进行组网，通过数据的自动采集实现本体的自动化监测。通过传感器将采集数据上报管理平台，对上报数据进行实时分析，以便于得到对城墙管理有利的数据，尽量降低各种危险事件发生。二是固定时间监测：采用人工采集本体变化的细微数据，通过对比，比对两个采集周期间的变化情况。固定监测主要针对本体难以通过传感器进行实时监测而设计。由于人工采集数据的偶然性和成本都比较大，下文就目前城墙主要的表观病害简单提出几种自动化监测方式作为参考。

2.1 裂缝监测

裂缝监测主要用于本体之上，对目前已经存在的裂缝位置进行实时监测，以掌握裂缝宽度或长度的变化情况，为裂隙的填补提供数据支撑。

传感设备布置前，应就该区域存在的裂隙情况进行分析和记录，测定其长度、深度和宽度等，并设置明晰的端面标示。根据裂缝的位置、走向、长度、宽度，设置传感器的位置和安装数量，必要时还应该监测裂缝的深度。采用无线传感器进行自动化监测，自动采集时间间隔为1分钟～24小时均可设置，无线传输方式免去在城墙的繁杂布线，从而避免对城墙稳定性及观赏性的影响。裂缝深度监测宜采用超声波法、凿出法等。

2.2 位移监测

位移监测主要用于对本体的纵向面方向，对本体移位情况进行实时的监测，以掌握本体的变化情况。位移传感器主要测量城墙本体相对于墙体根基的位移，采用城墙底部基坑作业方法。为了最大程度的减少安装设备对城墙本体的影响，本次项目使用普通位移传感器，传感器的固定采用对本体影响最小的粘胶式固定方式。对于本体的位移监测，将传感器本体采用水泥浇筑方法掩埋于城墙本部，传感器顶杆顶端固定于城墙根基城砖上，当本体发生侧方位滑移时，就能通过传感器顶杆的伸缩来检测滑移的位移量；对于包山城墙或者依山而建的城墙，监测其位移的方法采用拉线式位移传感器，拉线一端固定在城墙底部的城砖上，传感器固定于山体适当位置，中间采用钢丝拉线，拉绳式位移传感器的功能是把机械运动转换成可以计量，记录或传送的电信号。拉绳位移传感器由可拉伸的不锈钢绳绕在一个有螺纹的轮毂上，此轮毂与一个精密旋转感应器连接在一起，感应器可以是增量编码器，绝对编码器，混合或导电塑料旋转电位计，同步器或解析器。操作上，拉绳式位移传感器安装在固定位置上，拉绳缚在移动物体上。拉绳直线运动和移动物体运动轴线对准。运动发生时，拉绳伸展和收缩。一个内部弹簧保证拉绳的张紧度不变。带螺纹的轮毂带动精密旋转感应器旋转，输出一个与拉绳移动距离成比例的电信号。测量输出信号可以得出城墙的位移、方向或速率。

2.3 沉降监测

本体及周边环境中，对目前存在有危及本体安全的区域进行监测。沉降监测将采用基于振弦式的传感器，通过钻孔施工将其布设在钻孔内，然后回填土体与本体耦合，从而对地下土体的分层压缩变形量、渗水压力等进行监测，对以上特征要素的发展规律及速率进行掌控，并根据其发展趋势进行预警。城墙的竖向不均匀变形和沉降监测可选用静力水准仪。分为无线沉降监测和有线沉降监测。沉降监测系统主要有储液罐、基点、测点、采集设备组成，静力水准仪包括主体容器、连通管、传感器等部件。静力水准仪是利用连通液的原理进行沉降观测，多支通用连通管连在一起的储液面总是在同一水平面上，通过测量不同储液罐的液面高度，经过计算可以得出各个精力水准仪的相对差异沉降。

2.4 鼓胀监测

受气象和环境因素的长期影响，城墙本体的部分区域受山体/墙体内部填充材质的影响，存在着小面积的外突现象，根据此情况而设计的部位监测。

墙体臌胀监测可以采用电平梁表面安装，电平梁通常安装在有丝扣的螺杆上，该螺栓又通过钻孔或环氧粘胶固定在监测结构表面。环氧粘胶的粘接方式对城墙结构稳定性没有影响，钻孔采用最小的打孔固定方式，仅对城墙本体城砖造成微小影响，不会影响结构稳定性。通过电平梁测量数据的变化差异，分析墙体鼓胀变化。

2.5 过境交通监测

由于城市现代化的发展，过境交通线路（公路交通、轨道交通）的规划、设计和建设，过往车辆和地下铁路过时产生的强烈振动，对城墙本体产生一定的影响，长久以往将造成本体受损、沉降、位移和裂隙等情况的发生。

振动采集频率的高要求、高幅度值，需采用光纤光栅的方式，布设响应的应力、应变传感器，以实现轨道交通通过时实时测量振动值。分布式光纤振动测量基于光纤振动传感技术，以光缆作为传感元，持续采集外界振动信号，并将振动信号转化为干涉信号，传送至光纤信号处理器后集中向监测中心上报，经过智能分析及模式识别，从而达到对轨道交通振动值实时监测的目的。振动监测的组网由光纤振动预警主机、采集器、终端盒等组成。

2.6 渗水监测

城墙本体的现实环境状况，主要受山体条件的影响。由于受极端恶劣天气的影响，本体靠山一侧的山体内部，可能会短时间的积攒较多的水分，导致内部水容量激增，而水份无法及时排出将会直接导致城墙垮塌。

对于靠近城墙的山体进行水压力监测，水压力传感器安装于靠近渗水城墙一侧的山体，通过对山体打孔进行安装，安装之后采用原土掩埋，并恢复周围生态环境，对山体的打孔不会对城墙本体造成任何影响。同时在结构性监测过程中可以做钻孔压水、注水试验。目的是求取岩体不同部位的滲透系数，查明岩体内部地下水的渗流途径，查明地下水渗流对南京城墙本体的影响。

3 结束语

南京城墙的“衰老”已经是不可避免的了，通过科学的自动化结构监测手段，定期采集数据，分析变化状况，为墙体本身安全拿出“健康体检表”，为制定维修保护方案提供科学依据，建立安全登记预警系统，使南京城墙逐步走向科学保护的轨道。结合南京城墙的主要破坏因素分析和实际管理工作的现状，设计以自动监测为主、固定时间监测为辅的本体监测办法，能更好的对存在的问题和障碍进行监测和预警。此项必将大大提高保护城墙工作的效率，为城墙申遗工作打下坚实的基础。

【参考文献】

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