綜合變形監(jiān)測(cè)方法在新疆交河故城崖體加固中的應(yīng)用

內(nèi)容摘要：本文通過(guò)對(duì)首次應(yīng)用于古遺址加固工程領(lǐng)域內(nèi)的綜合變形監(jiān)測(cè)方法以及在交河加固工程的應(yīng)用實(shí)例的介紹，說(shuō)明簡(jiǎn)易觀(guān)測(cè)樁、半自動(dòng)和全自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備綜合使用的變形監(jiān)測(cè)方法能夠從監(jiān)測(cè)設(shè)備方面為古遺址文物和加固人員的安全提供保障。并通過(guò)全自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果比較可知：經(jīng)過(guò)加固后的危崖體明顯趨于穩(wěn)定，目前交河故城危崖體的加固方法是有效可行的；溫度的頻繁波動(dòng)是導(dǎo)致交河故城臺(tái)地崖邊裂隙發(fā)育的主要原因之一。

關(guān)鍵詞：交河故城；崖體加固；變形監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：K854.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-4106(2007)05-0028-04

一 前言

新疆交河故城遺址是國(guó)務(wù)院1961年公布的第一批全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，位于新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市西10km的雅爾乃孜溝村。交河故城建于公元前3世紀(jì)以前。在我國(guó)西域史上占有重要的地位，從漢武帝的開(kāi)疆?dāng)U土到元末的宗教戰(zhàn)爭(zhēng)，許多歷史事件的發(fā)生都和它有關(guān)，同時(shí)對(duì)于研究中西方文化的交流和我國(guó)西域歷史有著不可替代的作用。由于自然和人為因素，交河故城的文物本體和崖體產(chǎn)生了嚴(yán)重的病害。

2006年國(guó)家文物局立項(xiàng)對(duì)交河故城實(shí)施搶險(xiǎn)加固工程，分為文物本體和崖體加固兩部分，其中崖體加固工程占本次加固工程量的絕大部分。據(jù)敦煌研究院和蘭州大學(xué)文物保護(hù)中心調(diào)查，交河故城的崖體主要為Q₂和Q₃粉土地層構(gòu)成，高20-30m。臺(tái)地崖邊裂隙密布，卸荷裂隙和節(jié)理非常發(fā)育，裂隙最大寬度達(dá)0.8cm，最大切割深度達(dá)18m，形成了崖邊破碎的地貌特征，崩塌破壞為其主要破壞形式，主要崩塌類(lèi)型有錯(cuò)斷式、傾倒式和拉裂式。由于一些待加固的危崖體瀕臨崩塌或下挫的極限，為了確保加固過(guò)程中人員的安全和文物的安全，對(duì)加固崖體全過(guò)程實(shí)施變形監(jiān)測(cè)。有關(guān)變形監(jiān)測(cè)的方法和手段在我國(guó)多用于滑坡和大壩監(jiān)測(cè)，但在古遺址加固中尚屬首次。在交河故城崖體加固中，我們借鑒了滑坡和大壩監(jiān)測(cè)的方法，又考慮了文物加固中變形監(jiān)測(cè)的特殊性，采用了全自動(dòng)、半自動(dòng)和觀(guān)測(cè)樁相結(jié)合的監(jiān)測(cè)方法。

二 施工中主要采取的監(jiān)測(cè)方法

1、人工簡(jiǎn)易觀(guān)測(cè)樁

在交河危崖體加固工程中，對(duì)判定有危害程度的危巖體和變形不明顯的區(qū)域都布設(shè)簡(jiǎn)易觀(guān)測(cè)樁，形成觀(guān)測(cè)樁斷面，采用人工尺量的方法進(jìn)行觀(guān)測(cè)。每個(gè)危險(xiǎn)塊體上都應(yīng)有觀(guān)測(cè)點(diǎn)，讀數(shù)精確到0.1mm，正常情況下每天確保兩次觀(guān)測(cè)，當(dāng)該區(qū)域施工時(shí)。加密測(cè)量次數(shù)。觀(guān)測(cè)樁布置見(jiàn)圖1。

簡(jiǎn)易觀(guān)測(cè)樁具有布置方便、不需要設(shè)備、觀(guān)測(cè)直接、操作簡(jiǎn)單和費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但這種方法獲得數(shù)據(jù)少，不能進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，無(wú)法知道危崖體發(fā)生變形的確切時(shí)間。我們?cè)诮缓友麦w加固工程中大量使用了簡(jiǎn)易樁觀(guān)測(cè)，用來(lái)驗(yàn)證監(jiān)測(cè)儀器的準(zhǔn)確性和工程后期監(jiān)測(cè)加固后危崖體是否穩(wěn)定。

2、自動(dòng)裂縫伸縮儀

在交河崖體加固中我們使用了由中鐵西北科學(xué)研究院自行研制的JXY-1型裂縫觀(guān)測(cè)儀，它是依據(jù)日本侏式會(huì)社SRL-6(4)型裂縫伸縮儀改制的一種能夠準(zhǔn)確觀(guān)測(cè)裂縫變化的自動(dòng)記錄儀器，通過(guò)單點(diǎn)或多臺(tái)級(jí)聯(lián)方式來(lái)觀(guān)測(cè)裂縫的開(kāi)、合變化情況，有周計(jì)(連續(xù)150小時(shí)自動(dòng)記錄)和月計(jì)(連續(xù)720小時(shí)自動(dòng)記錄)兩種型號(hào)。其讀數(shù)精度可以達(dá)到0.2mm。安裝見(jiàn)圖2。

該設(shè)備可以通過(guò)圖2中的自動(dòng)記錄儀實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)，并能夠連續(xù)記錄一定時(shí)段內(nèi)的危崖體的變形，設(shè)備費(fèi)用較低，在交河加固工程中發(fā)揮了一定的作用，但所得數(shù)據(jù)精度相對(duì)較低，數(shù)據(jù)處理比較麻煩，也無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸和報(bào)警。因此只能算作半自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。

3、全自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)設(shè)備

交河故城加固工程所使用的全自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集單元和采集軟件組成，所用設(shè)備為南京南瑞集團(tuán)公司大壩工程監(jiān)測(cè)分公司的電位器式位移計(jì)、DAMS-IV型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及相關(guān)數(shù)據(jù)采集軟件。該設(shè)備是南瑞集團(tuán)大壩監(jiān)測(cè)分公司的技術(shù)和開(kāi)發(fā)人員通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)地考察后，根據(jù)交河故城加固工程的特殊性，專(zhuān)門(mén)為交河加固工程開(kāi)發(fā)研制的一套全自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。

(1)傳感器

采用NDW-50南瑞產(chǎn)電位器式位移計(jì)，測(cè)量范圍50mm，最小讀數(shù)0.01mm。將恒張力機(jī)兩端裝在待測(cè)部位，以恒力張拉銦鋼絲，位移計(jì)一端與銦鋼線(xiàn)相連接，待測(cè)部位間的相對(duì)位移轉(zhuǎn)化為銦鋼絲的相對(duì)固定端的位移，位移值由電位器式位移計(jì)測(cè)出。銦鋼絲由2\"保護(hù)管保護(hù)。

(2)數(shù)據(jù)采集單元

系統(tǒng)配置1臺(tái)DAU2000數(shù)據(jù)采集單元，通信介質(zhì)采用CDMA網(wǎng)絡(luò)。測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)安裝一臺(tái)采集單元，內(nèi)裝2個(gè)NDA1603數(shù)據(jù)采集模塊、1個(gè)CDMA通信模塊和1個(gè)NDA5200直流電源(配12V/24AH免維護(hù)蓄電池)，采用40W太陽(yáng)能電池板供電，監(jiān)控中心設(shè)置1臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)，配USB口CDMA上網(wǎng)卡，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)采集單元與計(jì)算機(jī)間的通信。采集單元中設(shè)置2個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊可以執(zhí)行動(dòng)態(tài)測(cè)量方式，對(duì)位移計(jì)的進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，最小采樣時(shí)間間隔不大于5秒，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至監(jiān)控計(jì)算機(jī)；也可以執(zhí)行靜態(tài)測(cè)量方式，只對(duì)位移計(jì)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，最小采樣時(shí)間間隔可以自行設(shè)定，數(shù)據(jù)定時(shí)上傳至監(jiān)控計(jì)算機(jī)。圖3為全自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。

(3)采集軟件

數(shù)據(jù)采集所用軟件為南瑞大壩監(jiān)測(cè)公司開(kāi)發(fā)的DSIMS數(shù)據(jù)采集軟件，軟件可設(shè)置各種測(cè)量方式、測(cè)量參數(shù)，獲得各種測(cè)量數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，可以快速及時(shí)獲取數(shù)據(jù)，并對(duì)越限數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警，采用手機(jī)短信報(bào)警方式進(jìn)行報(bào)警。軟件可對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行換算并保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和成果進(jìn)行查閱、編輯、刪除、備份等操作，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Excel等通用格式，可制作年、季、月、旬、周、日等多種形式的報(bào)表，輸出單點(diǎn)測(cè)值、多點(diǎn)測(cè)值和相對(duì)取值。軟件也可繪制過(guò)程線(xiàn)圖、分布圖、相關(guān)圖、方塊圖等多種圖形，各種圖形都可隨意定制，并有多種外觀(guān)可供選用。

三 變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)初步分析

圖4為交河故城崖體45區(qū)施工期間簡(jiǎn)易觀(guān)測(cè)樁水平位移變化曲線(xiàn)圖，為每天8點(diǎn)和20點(diǎn)分別對(duì)裂隙兩端的觀(guān)測(cè)樁進(jìn)行測(cè)量，記錄數(shù)據(jù)成圖。圖中有位移的地方均為施工時(shí)鉆機(jī)擾動(dòng)危崖體所至。從圖中可以看出，簡(jiǎn)易樁除在施工擾動(dòng)較大的情況下監(jiān)測(cè)到變形之外，其他時(shí)候所監(jiān)測(cè)到的位移變化均為零，可見(jiàn)簡(jiǎn)易樁在施工期間用來(lái)監(jiān)測(cè)不失為一種簡(jiǎn)單有效的方法，并可以對(duì)全自動(dòng)監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。但由于其觀(guān)測(cè)精度和數(shù)據(jù)的不連續(xù)性，單一地使用這種方法并不能確保加固過(guò)程中人員和文物的安全。

圖5為交河故城45區(qū)JXY-1型裂縫觀(guān)測(cè)儀所測(cè)水平位移變化曲線(xiàn)，與圖4相比，圖5所得數(shù)據(jù)具有連續(xù)性，精度相對(duì)也高于簡(jiǎn)易觀(guān)測(cè)樁所得數(shù)據(jù)，同時(shí)間內(nèi)所測(cè)出的位移變化也明顯多于簡(jiǎn)易觀(guān)測(cè)樁，但其數(shù)據(jù)獲取采用時(shí)鐘滾筒自記式，只有觀(guān)測(cè)人員在現(xiàn)場(chǎng)才能了解到是否有位移變化，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖6和圖7分別為全自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備所測(cè)水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所作曲線(xiàn)，對(duì)比前兩種監(jiān)測(cè)方法，該方法實(shí)現(xiàn)了危崖體和裂縫變形監(jiān)測(cè)的完全自動(dòng)化，并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，儀器的靈敏度也遠(yuǎn)高于前兩種方法。一旦儀器測(cè)到變形發(fā)生，便可以根據(jù)設(shè)置自動(dòng)向監(jiān)測(cè)人員報(bào)警，監(jiān)測(cè)人員可根據(jù)情況立即做出反應(yīng)，可最大限度地避免文物失損和人員傷亡。

圖6為51區(qū)加固后的水平位移監(jiān)測(cè)情況，51區(qū)未加固前為該加固工程最危險(xiǎn)的區(qū)域之一，發(fā)育的縱向裂隙切割形成的危崖體已發(fā)生外傾，裂隙張開(kāi)度大，隨時(shí)有坍塌的可能。圖7為同一時(shí)間50區(qū)內(nèi)未加固的崖體水平位移監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)，50區(qū)相對(duì)51區(qū)而言比較穩(wěn)定，裂隙張開(kāi)度較小，相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)比兩圖可以看出，加固后的崖體的水平位移的變化幅度明顯地小于未加固崖體同一時(shí)間段的變化幅度，崖體經(jīng)過(guò)加固后明顯趨于穩(wěn)定，可見(jiàn)對(duì)交河故城危崖體的加固有十分明顯的效果，從而也說(shuō)明目前所采取的崖體加固方法是可行的。

圖8為用美國(guó)產(chǎn)的HOBO溫濕度探頭所測(cè)與圖6、圖7同一時(shí)間段的溫度變化曲線(xiàn)，其變化趨勢(shì)剛好和圖7變化趨勢(shì)相反，由此可以推測(cè)溫度的頻繁波動(dòng)是導(dǎo)致交河故城臺(tái)地崖邊裂隙發(fā)育的主要原因之一。

四 結(jié)論

1、交河故城加固工程首次將我國(guó)滑坡和大壩變形監(jiān)測(cè)中所用手段應(yīng)用于遺址加固領(lǐng)域。

2、簡(jiǎn)易觀(guān)測(cè)樁、半自動(dòng)和全自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備結(jié)合使用的變形監(jiān)測(cè)方法既可以使所測(cè)得的數(shù)據(jù)之間可以相互印證，又提高資金的利用率，從監(jiān)測(cè)設(shè)備方面為文物和加固人員的安全提供了保障。

3、從加固區(qū)域和未加固區(qū)域崖體水平位移監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)可以看出，加固的崖體的水平位移的變化幅度明顯地小于未加固崖體同一時(shí)間段的變化幅度，崖體經(jīng)過(guò)加固后明顯趨于穩(wěn)定，目前交河故城危崖體的加固方法是可行有效的。

4、溫度的頻繁波動(dòng)是導(dǎo)致交河故城臺(tái)地崖邊裂隙發(fā)育的主要原因之一。

5、交河故城加固工程的變形監(jiān)測(cè)還處于探索階段，還需要更加深入的研究和工程實(shí)踐的檢驗(yàn)。

致謝：

加固工程中所使用變形監(jiān)測(cè)儀器的選定以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到了中鐵西北科學(xué)研究院、南瑞大壩監(jiān)測(cè)分公司的相關(guān)人員的無(wú)私的幫助和指導(dǎo)，在此深表感謝。

責(zé)任編輯：梁 紅