远距离裂缝观测系统在嘉峪关世界文化遗产监测中的适用性研究

时间：2024-05-20

高商

摘要：鉴于传统的人工测量方式在大体量文物本体上进行裂隙病害的监测存在直接接触不便和误差控制难度大等问题，嘉峪关文化遗产监测机构尝试将北京光电技术研究所研发的远距离裂缝测宽仪（BJQF-V）应用于嘉峪关光化楼、柔远楼的城台裂隙监测工作实践。通过这种基于图像处理技术的无损监测手段，对城台裂隙发育现状进行监测分析，为该类型的文物本体裂隙监测探索一种可靠的方式。

关键词：远距离;裂隙监测;无损技术;嘉峪关

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

0 引言

结构开裂后形成的狭长缝隙在工程上定义为裂缝，是固体材料的一种不连续现象。裂缝的形成受结构荷载、温度效应、材料疲劳、基础不均匀沉降、地震等因素影响，是结构损伤的一种体现，预示着材料耐久性不足和结构破坏。因此，裂缝在工程质量检测鉴定中是安全性、可靠性评价的主要指标。①

在文物保护工作中，将遗址本体内受自然或工程因素作用形成的开裂破坏现象定义为裂隙②，可分为基础变形裂隙、地震作用变形裂隙和建造工艺裂隙等类型。文物本体的一部分裂隙会随着文物赋存环境的变化不断发育成严重病害，进而危害文物本体的整体性和稳定性，影响文物的安全保存。

1 研究背景

工程实践中，裂缝的人工测量方法通过肉眼识别，采用卡尺、裂缝显微镜等工具测量裂缝的宽度，检测效果极度依赖于作业人的主观性，其他客观因素诸如危险、不便利的检查环境等同样影响检测结果的可靠性③，而这也恰恰是在大体量文物建筑本体上进行人工测量裂隙病害的难点。同时，不恰当地使用仪器也会对砖石、夯土质文物本体造成损伤。正是由于人工裂缝检查手段存在测不准、高空多、效率低、记不全等缺点④，所以在嘉峪关文化遗产监测工作中，监测机构积极应用了远距离裂缝测量技术，以期实现对于光化楼、柔远楼的城台裂隙监测的标准化和便捷性。

远距离裂缝测量技术通過高精度光学系统及CCD成像系统，远距离采集结构表面图像，通过数字图像相关算法进行图片处理，提取缺陷特征，计算出其宽度、最大宽度、长度等量化信息。对于此类技术的可靠性和工程领域的适用性，已有许多研究做了验证。张海明⑤验证了利用基于光测法的数字图像处理技术，对混凝土表面裂缝宽度等特征进行测量和分析的可靠性。胡爱勇等⑥使用北京光电ACDS远距离裂缝测量系统在结构改造施工监测中研究了其适用性。

2 裂隙监测

2.1 监测对象

光化楼、柔远楼作为嘉峪关关城的重要组成部分，由肃州兵备副使李端澄于正德元年（1506）仿照弘治八年（1495）所筑嘉峪关楼的样式、规格主持修筑。其城台采用砖包土的夯筑形式，是承托木构建筑的重要结构载体。由于各种原因（如干燥收缩、温度应力、外荷载、基础变形等），裂隙是城台本体最常见的缺陷和损伤现象。由于裂隙的成因、状态、发展以及在结构中位置等的不同，对结构的危害性也有很大的区别。严重的裂隙可能危害结构的整体性和稳定性，影响城台结构的基础稳定和木构建筑的安全保存。对于裂隙的修补，如裂隙充填（往裂隙中注入充填材料，以防内部空洞）和裂隙补强（裂隙表面加固等）都需要在明确裂隙的状态、成因的基础上才能合理、有效地进行。为明确裂隙的状态、发展和成因，以及合理评价裂隙对城台本体的影响，对光化楼和柔远楼城台共5条特征显明的裂隙进行了定期监测。

2.2 监测频率及监测点位

监测频率为每月一次。监测点位如图1和图2所示。

2.3 仪器的可靠性检验

①在被测量裂缝旁边放置板尺，应用仪器测量板尺刻度进行校验（图3），软件分析得到板尺10mm的表面距离两端数据分别为9.90mm和10.00mm，误差为0.1mm。

②应用游标卡尺和远距离裂缝测宽仪同时测量裂缝的某一点宽度（图4），软件分析数据为7.10mm，卡尺测量数据为7.17mm，误差为0.07mm。

通过两种方式检验远距离裂缝测宽仪（BJQF-V）所测数据的可靠性，误差均在合理范围之内。

2.4 监测数据

应用远距离裂缝测宽仪（BJQF-V）测得光化楼、柔远楼裂隙14个病害点2020年全年数据如表1和表2所示。

3 裂隙病害发育特征

3.1 光化楼数据分析

光化楼北1号裂隙4个观测点位观测数值全年波动增大，其中，1号、2号点位增幅在1mm之内，3号点位最大宽度增幅大于1mm，4号点位增幅大于2mm（图5）。综合判定，光化楼北1号裂隙处于缓慢増大趋势，尤其上端增大明显，整体发育程度小，需密切监测其后续发育趋势作长时段发育状态分析。

光化楼北2号裂隙和3号裂隙4个观测点位观测数值全年波动幅度均在1mm之内（图6）。排除测量误差因素，综合判定光化楼北2号裂隙和3号裂隙处于稳定状态。