南唐二陵文物结构长期健康监测与结果分析

周鹏　穆保岗

摘 要：南唐二陵是新中国成立后发掘的第一个帝王级别的陵墓，随着时间推移，陵墓内外环境变迁及材质老化等影响了文物本体建筑的健康。为了对南唐二陵文物本体结构稳定性进行有效监控，南京市江宁区文旅新局制定了监控方案，对陵墓的长期环境参数温度、湿度、雨水量及变形进行收集和观测，对各监测项目的变化趋势展开分析，发现南唐二陵墓顶、内室沉降均在可控范围内。通过总结南唐二陵文物本体的长期健康检测成果，为同类文物建筑的结构健康监测提供参考和借鉴。

关键词：文物保护;健康监测;环境参数;变形

0 引言

结构健康监测（structural health monitoring）是指利用无损传感技术，分析结构的响应、物理力学性能等。①由此对结构的损伤位置和程度进行诊断，对结构的可靠性、耐久性和承载能力进行评估，为结构的维修、养护与管理决策提供依据和指导。目前结构健康监测的研究与应用多体现在桥梁、隧道等大型工程上。余波等②对苏通大桥进行了结构健康监测系统设计，指出研究结构健康评估系统的主要技术途径。李惠等③基于压缩感知理论对结构健康监测数据的处理做了进一步研究。在文物建筑监测方面，结构健康监测的应用尚显不足，但也有了一定的成果。孟哲④以江南地区传统木构建筑为研究对象，提出了适用的结构安全状态评估方法与损伤预警机制。范峰、金晓飞等⑤根据沧州铁狮子桥特有的结构形式针对性地设计了健康监测系统的方案，并进行了监测试验，结果表明监测数据能够反映结构基本性能。

建筑遗产建造年代久远，结构服役至今会受到材料老化、荷载作用、腐蚀、疲劳效应等不利因素的影响，必然会导致抗力衰减、材性退化和损伤累积。建筑遗产所显现出的民族文化底蕴愈发得到重视，以建筑遗产为基地的旅游开发产业呈现出持久的活力，因此应对文物本体的结构健康情况给予更多的关注。

本文以南京市南唐二陵文物保护项目为依托，对钦陵、顺陵文物本体进行了长期健康监测，对监测结果进行了技术分析，期望为类似工程的保护提供思路。

1 工程概况

1.1 南唐二陵简介

南唐二陵即安葬南唐开国皇帝列祖李昪及其皇后宋氏的钦陵和安葬中主李景及其皇后钟氏的顺陵，位于江苏省南京市南郊祖堂山南麓两陵东西并列，相距约50米，距中华门约25千米，1950—1951年发掘，1988年国务院公布为全国重点文物保护单位。

钦陵全长21.48米，分前中后3个主室及10个侧室。前中室为砖砌，后室为石筑，均为仿木结构，在墓门上和壁面砌凿出柱、枋和斗栱，上有彩绘。顺陵全长21.9米，有前中后3个主室和8个侧室，均为砖筑，内部结构简单。

二陵发掘后，就地保护。1956年维修加固。1962年，在二陵墓室地下修建排水道。1981年起，对墓室进行维修加固，采取防潮措施，划定保护范围。2002年在墓室的两侧注浆，对墓顶采用防渗土工布覆盖。2010年在二陵墓室北、西、东三面设计防渗墙，主要作用是防止地表水向墓室内渗漏。

1.2 现有险情

结构病害方面：墓室拱墙出现数条长度几厘米至几十厘米不等、宽度1厘米左右的裂缝（图1-a）;墓室后室的支撑柱出现劈裂现象，且后室有根支撑柱的劈裂部分已经完全剥落（图1-b）;墓室的底板均出现隆起、下陷等不均匀沉降（图1-c）;墓室多处墓砖出现细微开裂，砖间砂浆流失（图1-d）。墓室两侧耳房和后壁的颈部可听到水滴声，地下漏水严重，对墓室安全构成威胁。

根据南唐二陵文物本体结构病害现状，建筑结构各部位存在不同程度的开裂，砖间砂浆流失情况较为严重，考虑南唐二陵为研究五代十国时期的帝王丧葬制度及文化艺术发展提供了重要的实物资料，具有极其宝贵的历史、文化、艺术和科学研究价值，结构安全是保证其价值存在的重要基础，亟须对其结构健康情况进行监测。

2 监控方案

2.1 监测点选取

根据南唐二陵病害情况，需对其结构稳定性进行有效的监测，因此在墓室内部布设水准仪观测墓室底板的隆起、下沉等不均匀沉降问题，前、中、后室顶部分别安设沉降仪用于沉降观测，通过整体结构不同位置位移相对变化推算结构倾覆状态的变化。温度也是结构主要荷载之一，影响裂缝的生成与宽度变化，因此在墓室內布设温度计监测墓室的温度，同时布设湿度计对影响结构强度的湿度进行监测。选取墓室后侧位置设立相对基准点，不另设绝对基准点。

2.2 监测点布置

钦陵的沉降监测共布设3个观测点、1个基准点，在墓室外顶部安装CJ-1型液压式沉降仪，3个观测点分别布设在前、中、后墓室的正上方。内部于后室角点设置3个静力水准测点，位置如图2所示，用于观测墓室地面石板的隆起和凹陷，并在后室耳房布设RH-1型湿度计和RT-1温度计监测墓室的湿度和温度。图2中红色监测点位于墓室外顶部，其余测点位于墓室内部。

顺陵监测点布置方案参照钦陵，墓室后侧增设雨量测点（图3）。

3 监测数据及结果分析

3.1 钦陵

3.1.1 内室沉降监测结果

本次统计从2018年8月底至2019年8月26日，约360天。以监测点20-28作为基准点来分析其余各监测点的相对沉降。根据监测结果，绘制钦陵内室各测点相对于基准点的相对沉降过程图线和各测点间沉降差过程图线（图4、图5）。可知，钦陵内室3个测点（17-25、17-26、17-27）变形趋势高度一致，钦陵内室各测点沉降变形曲线将钦陵内室变形过程分为三个阶段，分别是：2018年8月底—2018年11月中沉降初期发展阶段;2018年11月中—2019年1月中沉降基本稳定阶段;2019年1月中—2019年8月底沉降速率回升阶段。在本次监测期间内，变形速度在监测初期略大于中后期，原因为前期仪器安装带来的土层扰动;2019年1月至今，钦陵内室变形总体呈上升趋势，原因为雨季水位增高带来的结构整体浮动。

截至2019年8月26日0点，3个测点相较于基准点的沉降分别为24.42毫米、24.39毫米和24.83毫米。3个测点之间的沉降差值在0.029～0.436毫米，差值较小，说明墓室后室整体未出现倾斜。

3.1.2 室外顶部监测结果

根据监测结果，绘制钦陵墓室顶部各测点相对于基准点的相对沉降过程图线和各测点间沉降差过程图线（图6、图7）。2018年8月底至2019年2月上旬，钦陵墓室顶部3个测点变形趋势基本一致，钦陵墓室顶部变形总体呈上升趋势，测点20-27变形幅度略大于测点20-25、20-26， 2019年2月至今，钦陵墓室顶部各测点呈上下浮动趋势，变形增大趋势停止，各测点变形趋势基本保持一致。

截止到2019年8月26日0点，3个测点相较于基准点的沉降量分别为41.985毫米、23.334毫米和13.879毫米，墓室顶部整体倾斜变形，后室顶部变形值最大，且大于后室内室测点位移值。室顶各测点之间的沉降差值在9.455～28.106毫米。

3.2 顺陵

3.2.1 内室沉降监测结果

以监测点16-28作为基准点来分析其余各监测点的相对沉降。根据监测结果，绘制顺陵内室各测点相对于基准点的相对沉降过程图线和各测点间沉降差过程图线（图8、图9）。顺陵内室3个测点（21-25、21-26、21-27）变形趋势高度一致，顺陵内室变形总体呈上升趋势，由沉降变形曲线将顺陵内室变形过程分为三个阶段，分别是：2018年8月底—2018年11月中沉降初期发展阶段;2018年11月中—2019年1月中沉降基本稳定阶段;2019年1月中—2019年8月底沉降速率回升阶段，与钦陵保持一致。

截至2019年8月26日0点，3个测点相较于基准点的沉降量分别为23.864毫米、23.710毫米和24.283毫米。3个测点之间的沉降差值在-0.718～0.469毫米，较为接近。

3.2.2 室外顶部监测结果

根据监测结果，绘制顺陵墓室顶部各测点相对于基准点的相对沉降过程图线和各测点间沉降差过程图线（图10、图11）。可知，顺陵墓室顶部各测点变形趋势基本一致，但变形幅度略有不同：2018年8月底至2018年11月上旬，各测点变形呈上升趋势;2018年11月上旬至2019年4月底，测点变形总体平稳，16-27测点出现轻微起伏;2019年5月至今，各测点变形浮动增大，但总体位移较小。截止到2019年8月26日0点，3个测点相较于基准点的沉降量分别为21.545毫米、18.531毫米和14.177毫米。3个测点之间的沉降差值在3.014～7.368毫米，较为接近。

3.3 墓室温、湿度监测结果分析

根据监测结果，绘制钦陵和顺陵墓室内温度与湿度变化曲线（图12、图13）。

由图12可知：钦陵和顺陵墓室内温度变化与外部环境趋势一致，温度变化速率平稳，钦陵温度变化范围为10.484～22.371摄氏度，顺陵温度变化范围为8.591～21.750摄氏度，钦陵温度略高于顺陵。由图13可知：2018年8月底至今，顺陵墓室内湿度达到99%以上，长期处于饱和水平;钦陵墓室内湿度变化较大。

4 结论与建议

南唐二陵文物健康监测内容主要包括差异沉降的监测和温湿度监測，监测工作开展至今为期约1年，数据采集工作开展较为顺利，是健康监测技术在文物保护领域的一次成功实践。监测结论如下：

①钦陵文物本体近期仍在出现持续变形，虽在可控范围内，但后续应加强观测，顺陵基本稳定。

②钦陵、顺陵室内温度变化与外部环境趋势一致，温度变化速率平稳，观测期内温度变化范围为10.484摄氏度～22.371摄氏度，观测期内顺陵温度变化范围为8.591摄氏度～21.750摄氏度。

③钦陵墓室内湿度变化较大，在观测期内，2018年11月-2019年3月内湿度下降至最低约60%。顺陵墓室内湿度达到99%以上，长期处于高湿度水平。

根据南唐二陵结构健康监测结果，钦陵与顺陵两个文物本体的变形虽基本稳定，未出现明显危险隐患，顺钦二陵长期的高湿环境仍为文物本体的风化、有害微生物的大量繁衍提供了环境。建议持续长期观测，为科学保护文物建筑和制定具有针对性的控制标准提供实践经验和理论依据。