高商

摘 要：鑒于傳統(tǒng)的人工測(cè)量方式在大體量文物本體上進(jìn)行裂隙病害的監(jiān)測(cè)存在直接接觸不便和誤差控制難度大等問(wèn)題，嘉峪關(guān)文化遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)嘗試將北京光電技術(shù)研究所研發(fā)的遠(yuǎn)距離裂縫測(cè)寬儀（BJQF-V）應(yīng)用于嘉峪關(guān)光化樓、柔遠(yuǎn)樓的城臺(tái)裂隙監(jiān)測(cè)工作實(shí)踐。通過(guò)這種基于圖像處理技術(shù)的無(wú)損監(jiān)測(cè)手段，對(duì)城臺(tái)裂隙發(fā)育現(xiàn)狀進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，為該類型的文物本體裂隙監(jiān)測(cè)探索一種可靠的方式。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)距離;裂隙監(jiān)測(cè);無(wú)損技術(shù);嘉峪關(guān)

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2022.01.037

0 引言

結(jié)構(gòu)開(kāi)裂后形成的狹長(zhǎng)縫隙在工程上定義為裂縫，是固體材料的一種不連續(xù)現(xiàn)象。裂縫的形成受結(jié)構(gòu)荷載、溫度效應(yīng)、材料疲勞、基礎(chǔ)不均勻沉降、地震等因素影響，是結(jié)構(gòu)損傷的一種體現(xiàn)，預(yù)示著材料耐久性不足和結(jié)構(gòu)破壞。因此，裂縫在工程質(zhì)量檢測(cè)鑒定中是安全性、可靠性評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)。①

在文物保護(hù)工作中，將遺址本體內(nèi)受自然或工程因素作用形成的開(kāi)裂破壞現(xiàn)象定義為裂隙②，可分為基礎(chǔ)變形裂隙、地震作用變形裂隙和建造工藝裂隙等類型。文物本體的一部分裂隙會(huì)隨著文物賦存環(huán)境的變化不斷發(fā)育成嚴(yán)重病害，進(jìn)而危害文物本體的整體性和穩(wěn)定性，影響文物的安全保存。

1 研究背景

工程實(shí)踐中，裂縫的人工測(cè)量方法通過(guò)肉眼識(shí)別，采用卡尺、裂縫顯微鏡等工具測(cè)量裂縫的寬度，檢測(cè)效果極度依賴于作業(yè)人的主觀性，其他客觀因素諸如危險(xiǎn)、不便利的檢查環(huán)境等同樣影響檢測(cè)結(jié)果的可靠性③，而這也恰恰是在大體量文物建筑本體上進(jìn)行人工測(cè)量裂隙病害的難點(diǎn)。同時(shí)，不恰當(dāng)?shù)厥褂脙x器也會(huì)對(duì)磚石、夯土質(zhì)文物本體造成損傷。正是由于人工裂縫檢查手段存在測(cè)不準(zhǔn)、高空多、效率低、記不全等缺點(diǎn)④，所以在嘉峪關(guān)文化遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)工作中，監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)積極應(yīng)用了遠(yuǎn)距離裂縫測(cè)量技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)于光化樓、柔遠(yuǎn)樓的城臺(tái)裂隙監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)化和便捷性。

遠(yuǎn)距離裂縫測(cè)量技術(shù)通過(guò)高精度光學(xué)系統(tǒng)及CCD成像系統(tǒng)，遠(yuǎn)距離采集結(jié)構(gòu)表面圖像，通過(guò)數(shù)字圖像相關(guān)算法進(jìn)行圖片處理，提取缺陷特征，計(jì)算出其寬度、最大寬度、長(zhǎng)度等量化信息。對(duì)于此類技術(shù)的可靠性和工程領(lǐng)域的適用性，已有許多研究做了驗(yàn)證。張海明⑤驗(yàn)證了利用基于光測(cè)法的數(shù)字圖像處理技術(shù)，對(duì)混凝土表面裂縫寬度等特征進(jìn)行測(cè)量和分析的可靠性。胡愛(ài)勇等⑥使用北京光電ACDS遠(yuǎn)距離裂縫測(cè)量系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)改造施工監(jiān)測(cè)中研究了其適用性。

2 裂隙監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)對(duì)象

光化樓、柔遠(yuǎn)樓作為嘉峪關(guān)關(guān)城的重要組成部分，由肅州兵備副使李端澄于正德元年（1506）仿照弘治八年（1495）所筑嘉峪關(guān)樓的樣式、規(guī)格主持修筑。其城臺(tái)采用磚包土的夯筑形式，是承托木構(gòu)建筑的重要結(jié)構(gòu)載體。由于各種原因（如干燥收縮、溫度應(yīng)力、外荷載、基礎(chǔ)變形等），裂隙是城臺(tái)本體最常見(jiàn)的缺陷和損傷現(xiàn)象。由于裂隙的成因、狀態(tài)、發(fā)展以及在結(jié)構(gòu)中位置等的不同，對(duì)結(jié)構(gòu)的危害性也有很大的區(qū)別。嚴(yán)重的裂隙可能危害結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，影響城臺(tái)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)穩(wěn)定和木構(gòu)建筑的安全保存。對(duì)于裂隙的修補(bǔ)，如裂隙充填（往裂隙中注入充填材料，以防內(nèi)部空洞）和裂隙補(bǔ)強(qiáng)（裂隙表面加固等）都需要在明確裂隙的狀態(tài)、成因的基礎(chǔ)上才能合理、有效地進(jìn)行。為明確裂隙的狀態(tài)、發(fā)展和成因，以及合理評(píng)價(jià)裂隙對(duì)城臺(tái)本體的影響，對(duì)光化樓和柔遠(yuǎn)樓城臺(tái)共5條特征顯明的裂隙進(jìn)行了定期監(jiān)測(cè)。

2.2 監(jiān)測(cè)頻率及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

監(jiān)測(cè)頻率為每月一次。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位如圖1和圖2所示。

2.3 儀器的可靠性檢驗(yàn)

①在被測(cè)量裂縫旁邊放置板尺，應(yīng)用儀器測(cè)量板尺刻度進(jìn)行校驗(yàn)（圖3），軟件分析得到板尺10mm的表面距離兩端數(shù)據(jù)分別為9.90mm和10.00mm，誤差為0.1mm。

②應(yīng)用游標(biāo)卡尺和遠(yuǎn)距離裂縫測(cè)寬儀同時(shí)測(cè)量裂縫的某一點(diǎn)寬度（圖4），軟件分析數(shù)據(jù)為7.10mm，卡尺測(cè)量數(shù)據(jù)為7.17mm，誤差為0.07mm。

通過(guò)兩種方式檢驗(yàn)遠(yuǎn)距離裂縫測(cè)寬儀（BJQF-V）所測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，誤差均在合理范圍之內(nèi)。

2.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

應(yīng)用遠(yuǎn)距離裂縫測(cè)寬儀（BJQF-V）測(cè)得光化樓、柔遠(yuǎn)樓裂隙14個(gè)病害點(diǎn)2020年全年數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

3 裂隙病害發(fā)育特征

3.1 光化樓數(shù)據(jù)分析

光化樓北1號(hào)裂隙4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位觀測(cè)數(shù)值全年波動(dòng)增大，其中，1號(hào)、2號(hào)點(diǎn)位增幅在1mm之內(nèi)，3號(hào)點(diǎn)位最大寬度增幅大于1mm，4號(hào)點(diǎn)位增幅大于2mm（圖5）。綜合判定，光化樓北1號(hào)裂隙處于緩慢増大趨勢(shì)，尤其上端增大明顯，整體發(fā)育程度小，需密切監(jiān)測(cè)其后續(xù)發(fā)育趨勢(shì)作長(zhǎng)時(shí)段發(fā)育狀態(tài)分析。

光化樓北2號(hào)裂隙和3號(hào)裂隙4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位觀測(cè)數(shù)值全年波動(dòng)幅度均在1mm之內(nèi)（圖6）。排除測(cè)量誤差因素，綜合判定光化樓北2號(hào)裂隙和3號(hào)裂隙處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 柔遠(yuǎn)樓數(shù)據(jù)分析

柔遠(yuǎn)樓南1號(hào)裂隙和北1號(hào)裂隙6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)值全年波動(dòng)幅度均在1mm之內(nèi)（圖7）。排除測(cè)量誤差因素，綜合判定柔遠(yuǎn)樓南1號(hào)裂縫和北1號(hào)裂縫處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

①遠(yuǎn)距離裂縫測(cè)寬儀（BJQF-V）應(yīng)用于嘉峪關(guān)光化樓、柔遠(yuǎn)樓的城臺(tái)裂隙監(jiān)測(cè)工作實(shí)踐，從誤差控制和工況適應(yīng)性的角度評(píng)價(jià)，能夠滿足監(jiān)測(cè)工作的需求。

②通過(guò)整年觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，光化樓北2號(hào)、3號(hào)裂隙和柔遠(yuǎn)樓南1號(hào)、北1號(hào)裂隙均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

③光化樓北1號(hào)裂隙存在發(fā)育増大趨勢(shì)，尤其上端增大明顯，整體發(fā)育程度小，需做進(jìn)一步監(jiān)測(cè)和精細(xì)評(píng)價(jià)。

注釋

①③④劉宇飛，樊健生，聶建國(guó)，等.結(jié)構(gòu)表面裂縫數(shù)字圖像法識(shí)別研究綜述與前景展望[J].土木工程學(xué)報(bào)，2021，54（6）：79-98.

②王旭東.巖土質(zhì)文物保護(hù)名詞術(shù)語(yǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2014.

⑤張海明.土木工程結(jié)構(gòu)中遠(yuǎn)距離非接觸式表面缺陷及裂縫檢測(cè)系統(tǒng)研究[D].北京：中冶集團(tuán)建筑研究總院，2013.

⑥胡愛(ài)勇，張紅喜，唐科學(xué)，等.遠(yuǎn)距離裂縫測(cè)量技術(shù)在結(jié)構(gòu)改造施工監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析[J].中國(guó)建材科技，2019，28（5）：10-11.

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