南唐二陵文物結(jié)構(gòu)長期健康監(jiān)測與結(jié)果分析

周鵬　穆保崗

摘 要：南唐二陵是新中國成立后發(fā)掘的第一個(gè)帝王級別的陵墓，隨著時(shí)間推移，陵墓內(nèi)外環(huán)境變遷及材質(zhì)老化等影響了文物本體建筑的健康。為了對南唐二陵文物本體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行有效監(jiān)控，南京市江寧區(qū)文旅新局制定了監(jiān)控方案，對陵墓的長期環(huán)境參數(shù)溫度、濕度、雨水量及變形進(jìn)行收集和觀測，對各監(jiān)測項(xiàng)目的變化趨勢展開分析，發(fā)現(xiàn)南唐二陵墓頂、內(nèi)室沉降均在可控范圍內(nèi)。通過總結(jié)南唐二陵文物本體的長期健康檢測成果，為同類文物建筑的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：文物保護(hù);健康監(jiān)測;環(huán)境參數(shù);變形

0 引言

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（structural health monitoring）是指利用無損傳感技術(shù)，分析結(jié)構(gòu)的響應(yīng)、物理力學(xué)性能等。①由此對結(jié)構(gòu)的損傷位置和程度進(jìn)行診斷，對結(jié)構(gòu)的可靠性、耐久性和承載能力進(jìn)行評估，為結(jié)構(gòu)的維修、養(yǎng)護(hù)與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。目前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究與應(yīng)用多體現(xiàn)在橋梁、隧道等大型工程上。余波等②對蘇通大橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，指出研究結(jié)構(gòu)健康評估系統(tǒng)的主要技術(shù)途徑。李惠等③基于壓縮感知理論對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理做了進(jìn)一步研究。在文物建筑監(jiān)測方面，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)用尚顯不足，但也有了一定的成果。孟哲④以江南地區(qū)傳統(tǒng)木構(gòu)建筑為研究對象，提出了適用的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估方法與損傷預(yù)警機(jī)制。范峰、金曉飛等⑤根據(jù)滄州鐵獅子橋特有的結(jié)構(gòu)形式針對性地設(shè)計(jì)了健康監(jiān)測系統(tǒng)的方案，并進(jìn)行了監(jiān)測試驗(yàn)，結(jié)果表明監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠反映結(jié)構(gòu)基本性能。

建筑遺產(chǎn)建造年代久遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)服役至今會(huì)受到材料老化、荷載作用、腐蝕、疲勞效應(yīng)等不利因素的影響，必然會(huì)導(dǎo)致抗力衰減、材性退化和損傷累積。建筑遺產(chǎn)所顯現(xiàn)出的民族文化底蘊(yùn)愈發(fā)得到重視，以建筑遺產(chǎn)為基地的旅游開發(fā)產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出持久的活力，因此應(yīng)對文物本體的結(jié)構(gòu)健康情況給予更多的關(guān)注。

本文以南京市南唐二陵文物保護(hù)項(xiàng)目為依托，對欽陵、順陵文物本體進(jìn)行了長期健康監(jiān)測，對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了技術(shù)分析，期望為類似工程的保護(hù)提供思路。

1 工程概況

1.1 南唐二陵簡介

南唐二陵即安葬南唐開國皇帝列祖李昪及其皇后宋氏的欽陵和安葬中主李景及其皇后鐘氏的順陵，位于江蘇省南京市南郊祖堂山南麓兩陵東西并列，相距約50米，距中華門約25千米，1950—1951年發(fā)掘，1988年國務(wù)院公布為全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位。

欽陵全長21.48米，分前中后3個(gè)主室及10個(gè)側(cè)室。前中室為磚砌，后室為石筑，均為仿木結(jié)構(gòu)，在墓門上和壁面砌鑿出柱、枋和斗栱，上有彩繪。順陵全長21.9米，有前中后3個(gè)主室和8個(gè)側(cè)室，均為磚筑，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單。

二陵發(fā)掘后，就地保護(hù)。1956年維修加固。1962年，在二陵墓室地下修建排水道。1981年起，對墓室進(jìn)行維修加固，采取防潮措施，劃定保護(hù)范圍。2002年在墓室的兩側(cè)注漿，對墓頂采用防滲土工布覆蓋。2010年在二陵墓室北、西、東三面設(shè)計(jì)防滲墻，主要作用是防止地表水向墓室內(nèi)滲漏。

1.2 現(xiàn)有險(xiǎn)情

結(jié)構(gòu)病害方面：墓室拱墻出現(xiàn)數(shù)條長度幾厘米至幾十厘米不等、寬度1厘米左右的裂縫（圖1-a）;墓室后室的支撐柱出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象，且后室有根支撐柱的劈裂部分已經(jīng)完全剝落（圖1-b）;墓室的底板均出現(xiàn)隆起、下陷等不均勻沉降（圖1-c）;墓室多處墓磚出現(xiàn)細(xì)微開裂，磚間砂漿流失（圖1-d）。墓室兩側(cè)耳房和后壁的頸部可聽到水滴聲，地下漏水嚴(yán)重，對墓室安全構(gòu)成威脅。

根據(jù)南唐二陵文物本體結(jié)構(gòu)病害現(xiàn)狀，建筑結(jié)構(gòu)各部位存在不同程度的開裂，磚間砂漿流失情況較為嚴(yán)重，考慮南唐二陵為研究五代十國時(shí)期的帝王喪葬制度及文化藝術(shù)發(fā)展提供了重要的實(shí)物資料，具有極其寶貴的歷史、文化、藝術(shù)和科學(xué)研究價(jià)值，結(jié)構(gòu)安全是保證其價(jià)值存在的重要基礎(chǔ)，亟須對其結(jié)構(gòu)健康情況進(jìn)行監(jiān)測。

2 監(jiān)控方案

2.1 監(jiān)測點(diǎn)選取

根據(jù)南唐二陵病害情況，需對其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行有效的監(jiān)測，因此在墓室內(nèi)部布設(shè)水準(zhǔn)儀觀測墓室底板的隆起、下沉等不均勻沉降問題，前、中、后室頂部分別安設(shè)沉降儀用于沉降觀測，通過整體結(jié)構(gòu)不同位置位移相對變化推算結(jié)構(gòu)傾覆狀態(tài)的變化。溫度也是結(jié)構(gòu)主要荷載之一，影響裂縫的生成與寬度變化，因此在墓室內(nèi)布設(shè)溫度計(jì)監(jiān)測墓室的溫度，同時(shí)布設(shè)濕度計(jì)對影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的濕度進(jìn)行監(jiān)測。選取墓室后側(cè)位置設(shè)立相對基準(zhǔn)點(diǎn)，不另設(shè)絕對基準(zhǔn)點(diǎn)。

2.2 監(jiān)測點(diǎn)布置

欽陵的沉降監(jiān)測共布設(shè)3個(gè)觀測點(diǎn)、1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，在墓室外頂部安裝CJ-1型液壓式沉降儀，3個(gè)觀測點(diǎn)分別布設(shè)在前、中、后墓室的正上方。內(nèi)部于后室角點(diǎn)設(shè)置3個(gè)靜力水準(zhǔn)測點(diǎn)，位置如圖2所示，用于觀測墓室地面石板的隆起和凹陷，并在后室耳房布設(shè)RH-1型濕度計(jì)和RT-1溫度計(jì)監(jiān)測墓室的濕度和溫度。圖2中紅色監(jiān)測點(diǎn)位于墓室外頂部，其余測點(diǎn)位于墓室內(nèi)部。

順陵監(jiān)測點(diǎn)布置方案參照欽陵，墓室后側(cè)增設(shè)雨量測點(diǎn)（圖3）。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

3.1 欽陵

3.1.1 內(nèi)室沉降監(jiān)測結(jié)果

本次統(tǒng)計(jì)從2018年8月底至2019年8月26日，約360天。以監(jiān)測點(diǎn)20-28作為基準(zhǔn)點(diǎn)來分析其余各監(jiān)測點(diǎn)的相對沉降。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，繪制欽陵內(nèi)室各測點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)的相對沉降過程圖線和各測點(diǎn)間沉降差過程圖線（圖4、圖5）。可知，欽陵內(nèi)室3個(gè)測點(diǎn)（17-25、17-26、17-27）變形趨勢高度一致，欽陵內(nèi)室各測點(diǎn)沉降變形曲線將欽陵內(nèi)室變形過程分為三個(gè)階段，分別是：2018年8月底—2018年11月中沉降初期發(fā)展階段;2018年11月中—2019年1月中沉降基本穩(wěn)定階段;2019年1月中—2019年8月底沉降速率回升階段。在本次監(jiān)測期間內(nèi)，變形速度在監(jiān)測初期略大于中后期，原因?yàn)榍捌趦x器安裝帶來的土層擾動(dòng);2019年1月至今，欽陵內(nèi)室變形總體呈上升趨勢，原因?yàn)橛昙舅辉龈邘淼慕Y(jié)構(gòu)整體浮動(dòng)。

截至2019年8月26日0點(diǎn)，3個(gè)測點(diǎn)相較于基準(zhǔn)點(diǎn)的沉降分別為24.42毫米、24.39毫米和24.83毫米。3個(gè)測點(diǎn)之間的沉降差值在0.029～0.436毫米，差值較小，說明墓室后室整體未出現(xiàn)傾斜。

3.1.2 室外頂部監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，繪制欽陵墓室頂部各測點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)的相對沉降過程圖線和各測點(diǎn)間沉降差過程圖線（圖6、圖7）。2018年8月底至2019年2月上旬，欽陵墓室頂部3個(gè)測點(diǎn)變形趨勢基本一致，欽陵墓室頂部變形總體呈上升趨勢，測點(diǎn)20-27變形幅度略大于測點(diǎn)20-25、20-26， 2019年2月至今，欽陵墓室頂部各測點(diǎn)呈上下浮動(dòng)趨勢，變形增大趨勢停止，各測點(diǎn)變形趨勢基本保持一致。

截止到2019年8月26日0點(diǎn)，3個(gè)測點(diǎn)相較于基準(zhǔn)點(diǎn)的沉降量分別為41.985毫米、23.334毫米和13.879毫米，墓室頂部整體傾斜變形，后室頂部變形值最大，且大于后室內(nèi)室測點(diǎn)位移值。室頂各測點(diǎn)之間的沉降差值在9.455～28.106毫米。

3.2 順陵

3.2.1 內(nèi)室沉降監(jiān)測結(jié)果

以監(jiān)測點(diǎn)16-28作為基準(zhǔn)點(diǎn)來分析其余各監(jiān)測點(diǎn)的相對沉降。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，繪制順陵內(nèi)室各測點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)的相對沉降過程圖線和各測點(diǎn)間沉降差過程圖線（圖8、圖9）。順陵內(nèi)室3個(gè)測點(diǎn)（21-25、21-26、21-27）變形趨勢高度一致，順陵內(nèi)室變形總體呈上升趨勢，由沉降變形曲線將順陵內(nèi)室變形過程分為三個(gè)階段，分別是：2018年8月底—2018年11月中沉降初期發(fā)展階段;2018年11月中—2019年1月中沉降基本穩(wěn)定階段;2019年1月中—2019年8月底沉降速率回升階段，與欽陵保持一致。

截至2019年8月26日0點(diǎn)，3個(gè)測點(diǎn)相較于基準(zhǔn)點(diǎn)的沉降量分別為23.864毫米、23.710毫米和24.283毫米。3個(gè)測點(diǎn)之間的沉降差值在-0.718～0.469毫米，較為接近。

3.2.2 室外頂部監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，繪制順陵墓室頂部各測點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)的相對沉降過程圖線和各測點(diǎn)間沉降差過程圖線（圖10、圖11）。可知，順陵墓室頂部各測點(diǎn)變形趨勢基本一致，但變形幅度略有不同：2018年8月底至2018年11月上旬，各測點(diǎn)變形呈上升趨勢;2018年11月上旬至2019年4月底，測點(diǎn)變形總體平穩(wěn)，16-27測點(diǎn)出現(xiàn)輕微起伏;2019年5月至今，各測點(diǎn)變形浮動(dòng)增大，但總體位移較小。截止到2019年8月26日0點(diǎn)，3個(gè)測點(diǎn)相較于基準(zhǔn)點(diǎn)的沉降量分別為21.545毫米、18.531毫米和14.177毫米。3個(gè)測點(diǎn)之間的沉降差值在3.014～7.368毫米，較為接近。

3.3 墓室溫、濕度監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，繪制欽陵和順陵墓室內(nèi)溫度與濕度變化曲線（圖12、圖13）。

由圖12可知：欽陵和順陵墓室內(nèi)溫度變化與外部環(huán)境趨勢一致，溫度變化速率平穩(wěn)，欽陵溫度變化范圍為10.484～22.371攝氏度，順陵溫度變化范圍為8.591～21.750攝氏度，欽陵溫度略高于順陵。由圖13可知：2018年8月底至今，順陵墓室內(nèi)濕度達(dá)到99%以上，長期處于飽和水平;欽陵墓室內(nèi)濕度變化較大。

4 結(jié)論與建議

南唐二陵文物健康監(jiān)測內(nèi)容主要包括差異沉降的監(jiān)測和溫濕度監(jiān)測，監(jiān)測工作開展至今為期約1年，數(shù)據(jù)采集工作開展較為順利，是健康監(jiān)測技術(shù)在文物保護(hù)領(lǐng)域的一次成功實(shí)踐。監(jiān)測結(jié)論如下：

①欽陵文物本體近期仍在出現(xiàn)持續(xù)變形，雖在可控范圍內(nèi)，但后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)觀測，順陵基本穩(wěn)定。

②欽陵、順陵室內(nèi)溫度變化與外部環(huán)境趨勢一致，溫度變化速率平穩(wěn)，觀測期內(nèi)溫度變化范圍為10.484攝氏度～22.371攝氏度，觀測期內(nèi)順陵溫度變化范圍為8.591攝氏度～21.750攝氏度。

③欽陵墓室內(nèi)濕度變化較大，在觀測期內(nèi)，2018年11月-2019年3月內(nèi)濕度下降至最低約60%。順陵墓室內(nèi)濕度達(dá)到99%以上，長期處于高濕度水平。

根據(jù)南唐二陵結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測結(jié)果，欽陵與順陵兩個(gè)文物本體的變形雖基本穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯危險(xiǎn)隱患，順欽二陵長期的高濕環(huán)境仍為文物本體的風(fēng)化、有害微生物的大量繁衍提供了環(huán)境。建議持續(xù)長期觀測，為科學(xué)保護(hù)文物建筑和制定具有針對性的控制標(biāo)準(zhǔn)提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論依據(jù)。