南京明城墻監(jiān)測(cè)分析

王南南

摘 要：南京明城墻始建于1366年，砌筑城墻的材料和工藝歷經(jīng)幾百年的歲月，城墻自身強(qiáng)度降低。同時(shí)由于城墻頂面、立面防排水設(shè)施失效，加速了風(fēng)化、剝落、鼓脹等各種病害的產(chǎn)生和發(fā)展，城墻內(nèi)外立面多處出現(xiàn)風(fēng)化、鼓脹、裂縫、剝落等病害情況，需實(shí)時(shí)監(jiān)控城墻本體的變化情況，建立城墻本體安全狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過全站儀、振弦式測(cè)縫計(jì)、經(jīng)緯儀等儀器，定期進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，嚴(yán)重部位建立預(yù)警以利于城墻維護(hù)。文章通過介紹近幾年南京城墻解放門至太平門段城墻的病害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單分析監(jiān)測(cè)工作的原理及意義。

關(guān)鍵詞：南京明城墻;鼓脹;裂縫;監(jiān)測(cè);維護(hù)

1 項(xiàng)目概況

南京城墻屬全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，它東傍鐘山，西據(jù)石頭，南逢秦淮，北控后湖，實(shí)測(cè)周長(zhǎng)35.267km。公元1366年，明太祖朱元璋聽取朱升“高筑墻”的建議，始筑都城垣，至1386年竣工，前后達(dá)21年之久，不僅建成當(dāng)時(shí)世界上最長(zhǎng)的城墻，也是迄今世界上最堅(jiān)固的城墻之一。2012年11月作為“中國(guó)明清城墻”項(xiàng)目的牽頭城市被列入中國(guó)世界文化遺產(chǎn)預(yù)備名單。

南京城墻畢竟已經(jīng)建成600余年，因超期服役、風(fēng)化以及外部條件的不斷變遷，使幸存的南京明城墻尚有多處險(xiǎn)情和隱患，現(xiàn)存主要問題有：一是部分段城墻頂面、立面長(zhǎng)滿植物，局部墻體松動(dòng);二是城墻內(nèi)外立面多處出現(xiàn)風(fēng)化、鼓脹、開裂、剝落，部分段墻體有坍塌危險(xiǎn);三是少數(shù)城墻附屬設(shè)施存在安全隱患等。

為了切實(shí)加強(qiáng)對(duì)城墻的科學(xué)保護(hù)和管理，利用城墻本體安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)，分析變化狀況，定期借助無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)城墻進(jìn)行“體檢”，排查病害，建立病害動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，為城墻搶險(xiǎn)、消險(xiǎn)工程提供有力的數(shù)據(jù)支撐。南京城墻結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，每段不一，大致可以分為四種，分別為條石墻、城磚墻、包山墻以及條石、城磚混砌墻。按照南京城墻目前各區(qū)段的連續(xù)情況、保存現(xiàn)狀及修筑方式等，大致可將南京城墻分為9個(gè)區(qū)段進(jìn)行監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)采集分析，具體分段見圖1。

全程城墻范圍最為嚴(yán)重的裂縫、鼓脹區(qū)域?yàn)榻夥砰T至太平門段，即圖1城墻分段示意圖中太平門至臺(tái)城段，該區(qū)段外側(cè)墻面病害主要為裂縫、鼓脹、墻磚松動(dòng)剝落、風(fēng)化缺失和植物病害等，其中九華山公園登城口至轉(zhuǎn)角處的病害較為集中，裂縫寬度最大超過10cm，并伴隨墻面錯(cuò)動(dòng)和鼓脹現(xiàn)象。城墻轉(zhuǎn)角及附近墻面出現(xiàn)多條大裂縫，裂縫深度最大超過1.5m，其中轉(zhuǎn)角處墻面表層剝落嚴(yán)重，部分未剝落的城磚懸掛于墻面有掉落的可能，脫落表層與內(nèi)墻面無拉結(jié)構(gòu)件（圖2）。

九華山段明城墻從玄武門經(jīng)解放門至太平門，是目前南京城墻現(xiàn)存最長(zhǎng)、最完好的一段城墻，同時(shí)也是最高大的一段城墻，城墻垛口至城外地面的高度普遍在20～25m。

2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

2.1 明城墻本體裂縫監(jiān)測(cè)

部分城墻段存在的裂縫有橫向的水平裂縫、豎向的裂縫及斜向裂縫。根據(jù)墻體裂縫的具體情況，主要采用以下3種方案：第一種在城墻裂縫部位埋設(shè)標(biāo)尺作監(jiān)控點(diǎn)，用全站儀（測(cè)角精度0.5s，測(cè)距精度0.5mm+1ppm×D）直接對(duì)裂縫進(jìn)行裂縫的角度測(cè)量，然后計(jì)算;第二種在城墻裂縫部位埋設(shè)標(biāo)尺做監(jiān)控點(diǎn)，應(yīng)用相機(jī)拍照（應(yīng)用長(zhǎng)焦相機(jī)，如離地面較高采用無人機(jī)拍攝），然后應(yīng)用地面近景攝影測(cè)量的相關(guān)理論進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;第三種采用振弦式測(cè)縫計(jì)，由于觀測(cè)采用的頻率作為觀測(cè)信號(hào)，故觀測(cè)時(shí)要注意觀測(cè)溫度、接觸電阻、泄露電阻的影響，并選擇適宜的觀測(cè)條件，減少此方面的影響。最后，依據(jù)振弦式頻率測(cè)定儀測(cè)出測(cè)縫計(jì)的頻率代入計(jì)算公式，計(jì)算出建筑物表面縫隙的寬度變化情況。

測(cè)縫計(jì)的一般計(jì)算公式：

Lm=k△F+b△T=k（F-F0）+b（T-T0）

式中：Lm—被測(cè)結(jié)構(gòu)物的變形量，單位為mm

k—測(cè)縫計(jì)的測(cè)量靈敏度，單位為mm/F

△F—測(cè)縫計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量值相對(duì)于基準(zhǔn)值的變化量，單位為F

b—測(cè)縫計(jì)的溫度修正系數(shù)，單位為mm/℃

△T—溫度實(shí)時(shí)測(cè)量值相對(duì)于基準(zhǔn)值的變化量，單位為℃

F—測(cè)縫計(jì)的實(shí)時(shí)測(cè)量值，單位為F

F0—測(cè)縫計(jì)的測(cè)量基準(zhǔn)值，單位為F

T—溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量值，單位為℃

T0—溫度的測(cè)量基準(zhǔn)值，單位為℃

振弦式測(cè)縫計(jì)的敏感測(cè)量元件，其與固定機(jī)架的材料線膨脹系數(shù)極為接近，試驗(yàn)所得其溫度修正系數(shù)小于最小讀數(shù)，由此一般計(jì)算可用公式：L=k△F。

九華山拐角處總共有6處裂縫儀監(jiān)測(cè)點(diǎn)，城墻拐角東側(cè)處段總共有4處裂縫標(biāo)尺監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各點(diǎn)的裂縫數(shù)值都在逐漸變大（表1）。

2.2 明城墻本體鼓脹監(jiān)測(cè)

將全站儀（測(cè)角精度0.5s，測(cè)距精度1mm+1ppm×D）安置在基準(zhǔn)點(diǎn)上，嚴(yán)格對(duì)中整平后瞄準(zhǔn)后視基準(zhǔn)點(diǎn)，然后瞄準(zhǔn)墻體鼓脹監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量水平角、豎直角、距離，在另一基準(zhǔn)點(diǎn)重復(fù)上述測(cè)量（需觀測(cè)2個(gè)測(cè)回）。通過計(jì)算三維坐標(biāo)及校核，計(jì)算鼓脹監(jiān)測(cè)的位置變化。臺(tái)城至太平門（大橋西側(cè)處）主要病害是城墻鼓脹，布設(shè)方案是布設(shè)21個(gè)鼓脹監(jiān)測(cè)點(diǎn)和3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)（圖3）。

臺(tái)城（大鐵橋西側(cè)第1處）、臺(tái)城（大鐵橋西側(cè)第2處）、臺(tái)城（拐角處）、臺(tái)城（拐角處東）段總共有84處鼓脹監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各點(diǎn)的鼓脹數(shù)值都在逐漸增大，但整體幅度較小。近一期內(nèi)由于雨水汛期來臨變化幅度較大（表2）。

2.3 明城墻本體沉降及位移監(jiān)測(cè)

明城墻本體沉降監(jiān)測(cè)采用二等水準(zhǔn)測(cè)量開展，平差采用精密平差，明城墻本體位移監(jiān)測(cè)采用GPS靜態(tài)觀測(cè)。

2.4 明城墻巡視檢查

為了確保城墻本體的安全，在應(yīng)用儀器監(jiān)測(cè)的同時(shí)，還需加強(qiáng)巡視檢查。巡視內(nèi)容包括城墻本體的巡視、城墻本體周邊環(huán)境的變化、監(jiān)測(cè)設(shè)施的巡視（基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)完好狀況，有無影響觀測(cè)工作的障礙物，監(jiān)測(cè)元件的完好及保護(hù)情況）。巡視檢查方法以目測(cè)為主，輔以攝影、攝像等設(shè)備。應(yīng)用無人機(jī)定期按航線巡視拍攝比對(duì)?？紤]到城墻周邊有軍區(qū)等敏感區(qū)域，不允許無人機(jī)飛行，敏感處仍使用傳統(tǒng)目測(cè)方法。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在巡視檢查中發(fā)現(xiàn)解放門至太平門段拐角等多處地方，面向玄武湖方向的一側(cè)，發(fā)現(xiàn)城墻的裂縫較大、觀感差，還出現(xiàn)表層剝落的現(xiàn)象，現(xiàn)就該監(jiān)測(cè)區(qū)域近期及近兩年裂縫、鼓脹等數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并，進(jìn)行對(duì)比分析。

裂縫監(jiān)測(cè)值在監(jiān)測(cè)點(diǎn)TJL-6（裂縫儀編號(hào)104）處出現(xiàn)極值，達(dá)到10.159mm，最大日均變化量為0.124mm/d。裂縫標(biāo)尺監(jiān)測(cè)值在監(jiān)測(cè)點(diǎn)TJL-6處出現(xiàn)極值，達(dá)到62.5mm，近兩年累計(jì)變形量最大值在監(jiān)測(cè)點(diǎn)TJL-4處出現(xiàn)極值，達(dá)到7.5mm，整體仍呈上升趨勢(shì)。鼓脹監(jiān)測(cè)在臺(tái)城段（大鐵橋西側(cè)第2處）出現(xiàn)極大值10.9mm，整體仍呈穩(wěn)定上升趨勢(shì)。最大日均變化量為0.079mm/d，沉降監(jiān)測(cè)表明解放門東監(jiān)測(cè)點(diǎn)JFM05處沉降量較大為7.1mm，最大日均沉降量為0.020mm/d。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析，加上變化速率超出《建筑變形測(cè)量規(guī)范》（JGJ8-2016）中5.5.5.4條“當(dāng)最后100d的沉降速率小于0.01～0.04mm/d時(shí)可以認(rèn)為已進(jìn)入穩(wěn)定階段”的規(guī)定?？梢源_定明城墻九華山段城墻拐角東側(cè)處等區(qū)域存在安全隱患，應(yīng)予以重視并采取相應(yīng)措施（圖4）。

4 結(jié)論

由于近期解放門至太平門段城墻觀測(cè)數(shù)據(jù)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)大，城墻表面觀感差，表明其是存在安全隱患的，因近期雨水天氣，裂縫、鼓脹已經(jīng)發(fā)生了變化。若進(jìn)入雨水主汛期，在強(qiáng)降雨條件的影響下，發(fā)生變化的可能性大。后期監(jiān)測(cè)中應(yīng)加強(qiáng)巡視觀察，提高防范意識(shí)，必要時(shí)隔離安全區(qū)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行維修方案編制及報(bào)國(guó)家文物部門審批等工作，以避免該段城墻出現(xiàn)坍塌等嚴(yán)重事件的發(fā)生，也遵循了文物預(yù)防性保護(hù)理念。綜上所述，對(duì)南京明城墻本體安全進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測(cè)工作，在南京城墻的保護(hù)工作中具有非常重要的意義。

（本文數(shù)據(jù)來源于南京城墻保護(hù)管理中心內(nèi)部資料《南京明城墻本體安全監(jiān)測(cè)分析報(bào)告（2010年—2019年）》。）

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