綜合變形監測方法在新疆交河故城崖體加固中的應用

內容摘要：本文通過對首次應用于古遺址加固工程領域內的綜合變形監測方法以及在交河加固工程的應用實例的介紹，說明簡易觀測樁、半自動和全自動監測設備綜合使用的變形監測方法能夠從監測設備方面為古遺址文物和加固人員的安全提供保障。并通過全自動變形監測結果比較可知：經過加固后的危崖體明顯趨于穩定，目前交河故城危崖體的加固方法是有效可行的；溫度的頻繁波動是導致交河故城臺地崖邊裂隙發育的主要原因之一。

關鍵詞：交河故城；崖體加固；變形監測

中圖分類號：K854.3 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106(2007)05-0028-04

一 前言

新疆交河故城遺址是國務院1961年公布的第一批全國重點文物保護單位，位于新疆維吾爾自治區吐魯番市西10km的雅爾乃孜溝村。交河故城建于公元前3世紀以前。在我國西域史上占有重要的地位，從漢武帝的開疆擴土到元末的宗教戰爭，許多歷史事件的發生都和它有關，同時對于研究中西方文化的交流和我國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生了嚴重的病害。

2006年國家文物局立項對交河故城實施搶險加固工程，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。據敦煌研究院和蘭州大學文物保護中心調查，交河故城的崖體主要為Q₂和Q₃粉土地層構成，高20-30m。臺地崖邊裂隙密布，卸荷裂隙和節理非常發育，裂隙最大寬度達0.8cm，最大切割深度達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，主要崩塌類型有錯斷式、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，為了確保加固過程中人員的安全和文物的安全，對加固崖體全過程實施變形監測。有關變形監測的方法和手段在我國多用于滑坡和大壩監測，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測的方法，又考慮了文物加固中變形監測的特殊性，采用了全自動、半自動和觀測樁相結合的監測方法。

二 施工中主要采取的監測方法

1、人工簡易觀測樁

在交河危崖體加固工程中，對判定有危害程度的危巖體和變形不明顯的區域都布設簡易觀測樁，形成觀測樁斷面，采用人工尺量的方法進行觀測。每個危險塊體上都應有觀測點，讀數精確到0.1mm，正常情況下每天確保兩次觀測，當該區域施工時。加密測量次數。觀測樁布置見圖1。

簡易觀測樁具有布置方便、不需要設備、觀測直接、操作簡單和費用低等優點，但這種方法獲得數據少，不能進行連續監測，無法知道危崖體發生變形的確切時間。我們在交河崖體加固工程中大量使用了簡易樁觀測，用來驗證監測儀器的準確性和工程后期監測加固后危崖體是否穩定。

2、自動裂縫伸縮儀

在交河崖體加固中我們使用了由中鐵西北科學研究院自行研制的JXY-1型裂縫觀測儀，它是依據日本侏式會社SRL-6(4)型裂縫伸縮儀改制的一種能夠準確觀測裂縫變化的自動記錄儀器，通過單點或多臺級聯方式來觀測裂縫的開、合變化情況，有周計(連續150小時自動記錄)和月計(連續720小時自動記錄)兩種型號。其讀數精度可以達到0.2mm。安裝見圖2。

該設備可以通過圖2中的自動記錄儀實現自動變形監測，并能夠連續記錄一定時段內的危崖體的變形，設備費用較低，在交河加固工程中發揮了一定的作用，但所得數據精度相對較低，數據處理比較麻煩，也無法進行現場數據傳輸和報警。因此只能算作半自動監測設備。

3、全自動變形監測設備

交河故城加固工程所使用的全自動變形監測系統由傳感器、數據采集單元和采集軟件組成，所用設備為南京南瑞集團公司大壩工程監測分公司的電位器式位移計、DAMS-IV型數據采集系統及相關數據采集軟件。該設備是南瑞集團大壩監測分公司的技術和開發人員通過現場的實地考察后，根據交河故城加固工程的特殊性，專門為交河加固工程開發研制的一套全自動監測設備。

(1)傳感器

采用NDW-50南瑞產電位器式位移計，測量范圍50mm，最小讀數0.01mm。將恒張力機兩端裝在待測部位，以恒力張拉銦鋼絲，位移計一端與銦鋼線相連接，待測部位間的相對位移轉化為銦鋼絲的相對固定端的位移，位移值由電位器式位移計測出。銦鋼絲由2\"保護管保護。

(2)數據采集單元

系統配置1臺DAU2000數據采集單元，通信介質采用CDMA網絡。測量現場安裝一臺采集單元，內裝2個NDA1603數據采集模塊、1個CDMA通信模塊和1個NDA5200直流電源(配12V/24AH免維護蓄電池)，采用40W太陽能電池板供電，監控中心設置1臺監控計算機，配USB口CDMA上網卡，負責現場采集單元與計算機間的通信。采集單元中設置2個數據采集模塊，數據采集模塊可以執行動態測量方式，對位移計的進行動態測量，最小采樣時間間隔不大于5秒，數據實時上傳至監控計算機；也可以執行靜態測量方式，只對位移計進行靜態測量，最小采樣時間間隔可以自行設定，數據定時上傳至監控計算機。圖3為全自動監測設備系統構成示意圖。

(3)采集軟件

數據采集所用軟件為南瑞大壩監測公司開發的DSIMS數據采集軟件，軟件可設置各種測量方式、測量參數，獲得各種測量數據；數據采集過程中，可以快速及時獲取數據，并對越限數據進行報警，采用手機短信報警方式進行報警。軟件可對監測數據進行換算并保存至數據庫中，對監測數據和成果進行查閱、編輯、刪除、備份等操作，并將監測數據轉換成Excel等通用格式，可制作年、季、月、旬、周、日等多種形式的報表，輸出單點測值、多點測值和相對取值。軟件也可繪制過程線圖、分布圖、相關圖、方塊圖等多種圖形，各種圖形都可隨意定制，并有多種外觀可供選用。

三 變形監測數據初步分析

圖4為交河故城崖體45區施工期間簡易觀測樁水平位移變化曲線圖，為每天8點和20點分別對裂隙兩端的觀測樁進行測量，記錄數據成圖。圖中有位移的地方均為施工時鉆機擾動危崖體所至。從圖中可以看出，簡易樁除在施工擾動較大的情況下監測到變形之外，其他時候所監測到的位移變化均為零，可見簡易樁在施工期間用來監測不失為一種簡單有效的方法，并可以對全自動監測所得數據進行驗證。但由于其觀測精度和數據的不連續性，單一地使用這種方法并不能確保加固過程中人員和文物的安全。

圖5為交河故城45區JXY-1型裂縫觀測儀所測水平位移變化曲線，與圖4相比，圖5所得數據具有連續性，精度相對也高于簡易觀測樁所得數據，同時間內所測出的位移變化也明顯多于簡易觀測樁，但其數據獲取采用時鐘滾筒自記式，只有觀測人員在現場才能了解到是否有位移變化，無法實現數據的實時監測。

圖6和圖7分別為全自動監測設備所測水平位移監測數據所作曲線，對比前兩種監測方法，該方法實現了危崖體和裂縫變形監測的完全自動化，并且可以進行實時監測，儀器的靈敏度也遠高于前兩種方法。一旦儀器測到變形發生，便可以根據設置自動向監測人員報警，監測人員可根據情況立即做出反應，可最大限度地避免文物失損和人員傷亡。

圖6為51區加固后的水平位移監測情況，51區未加固前為該加固工程最危險的區域之一，發育的縱向裂隙切割形成的危崖體已發生外傾，裂隙張開度大，隨時有坍塌的可能。圖7為同一時間50區內未加固的崖體水平位移監測曲線，50區相對51區而言比較穩定，裂隙張開度較小，相對穩定。對比兩圖可以看出，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間段的變化幅度，崖體經過加固后明顯趨于穩定，可見對交河故城危崖體的加固有十分明顯的效果，從而也說明目前所采取的崖體加固方法是可行的。

圖8為用美國產的HOBO溫濕度探頭所測與圖6、圖7同一時間段的溫度變化曲線，其變化趨勢剛好和圖7變化趨勢相反，由此可以推測溫度的頻繁波動是導致交河故城臺地崖邊裂隙發育的主要原因之一。

四 結論

1、交河故城加固工程首次將我國滑坡和大壩變形監測中所用手段應用于遺址加固領域。

2、簡易觀測樁、半自動和全自動監測設備結合使用的變形監測方法既可以使所測得的數據之間可以相互印證，又提高資金的利用率，從監測設備方面為文物和加固人員的安全提供了保障。

3、從加固區域和未加固區域崖體水平位移監測曲線可以看出，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間段的變化幅度，崖體經過加固后明顯趨于穩定，目前交河故城危崖體的加固方法是可行有效的。

4、溫度的頻繁波動是導致交河故城臺地崖邊裂隙發育的主要原因之一。

5、交河故城加固工程的變形監測還處于探索階段，還需要更加深入的研究和工程實踐的檢驗。

致謝：

加固工程中所使用變形監測儀器的選定以及現場監測得到了中鐵西北科學研究院、南瑞大壩監測分公司的相關人員的無私的幫助和指導，在此深表感謝。

責任編輯：梁 紅