无损检测技术在平遥古城墙保护中的应用
无损检测技术在平遥古城墙保护中的应用
《无损检测》 2011年05期
康锦霞，马成理
（太原理工大学 建筑与土木工程学院 土木工程系，太原 030024）
摘 要∶简要介绍了在世界文化遗产平遥古城墙保护中采用的多项无损检测新技术。指出采用无损检测新技术在文物古建筑保护中具有良好的社会效益和经济效益。期望加强文物古建筑保护领域无损检测新技术的研究和技术交流、注重大力推广应用。
关键词∶无损检测技术；世界文化遗产；文物古建筑保护
1 概述
山西省平遥古城是中国境内保存最为完整的一座古代县城，是国家级历史文化名城，被联合国教科文组织列入《世界遗产名录》。平遥古城墙作为古代城防工程以其气势恢宏、保存完整的格局成为这一遗产的重要组成部分。整座城墙由墙身、马面、瓮城和角台等构成。城门六道，南北各一，东西各二。城墙顶部的附属物包括蝶楼、角楼、城楼。城内有马道，城外有护城河。古城墙东、西、北三面俱直，惟南墙随柳根河蜿蜒而筑，形如龟状，如图1所示。平遥古城墙始建于西周，初为夯土墙。现存的城墙为明代洪武年间（即公元1370年）扩建，并在夯土墙外墙面包砌城砖【1】。
平遥古城墙保护总体上是卓有成效的，迄今六百余年，历经沧桑，修复了30多次，保存基本完好，因而弥足珍贵。但是亟待解决的问题也不少。2004 年10月17日，平遥古城南门瓮城外侧一段长17.3m的城墙突然坍塌，上千块青砖落地，引起各界广泛关注。此外，古城墙的很多地方也出现墙体裂缝、破损、酥碱、外闪鼓胀和地基下沉等等隐患，险象环生，令人担忧。特别是古城位于汾渭地震带上，地震设防烈度为8度，一旦发生相当规模的地震，其后果更是不堪设想。因此，需要尽快对古城墙进行全方位的检测鉴定和对安全可靠性水平做出客观地评价，为古城墙的维修加固技术决策、编制保护规划和加固方案制定提供科学的依据。
2 古城墙无损检测技术
鉴于古城墙的特殊性、重要性及危险性，检测鉴定工作不能依靠简单的传统经验，不能对古城墙造成新的破坏。笔者所在单位在墙体检测中充分发挥自身优势，采用了高科技的无损检测技术和数字化等多种新兴技术，完成了平遥古城墙现状测绘、墙体缺陷检测、砖砌体强度的检测等，为平遥古城墙的可靠性分析计算和维修加固保护提供了可靠的数据。
2.1 GPS测绘
现状测绘是对古城墙进行安全性检测鉴定的基础，是计算分析的依据，也是古城墙保护管理工作的基本要求。由于各方原因，平遥古城墙至今尚未有完整准确的图件。本次现状测绘的目的就是建立一套科学完整的记录档案。现状测绘采用了GPS及全站仪等先进的仪器，建立了完整的坐标体系和高程体系，完成了测绘及绘图工作。由现状测绘取得的数据成果表明，平遥古城墙轴线全长共计6142.63m。各段长度及外墙面展开长度、内墙面展开长度测绘统计结果见表1所示。
2.2 数码摄像检测
为了对墙体缺陷进行检测，采用数码摄像、图像处理技术，辅以全站仪测量、裂缝检测仪、人工实测实量以及现场多次核查校对的方法，对墙体的外表缺陷进行了详细普查，对城墙的裂缝、破损、残缺、酥碱、鼓胀等缺陷进行了检测，查清缺陷部位、范围、尺寸等。每个单元都采用数码照片如实地记录和描述，提供了纸基和光盘资料。
砖砌体墙面主要裂缝有1000余条，其中最大裂缝宽度达到了45mm，位于新东门，如图2所示。
最长裂缝长度为24500mm，位于WQ-56。砖墙面多处存在外闪鼓胀现象，鼓胀面积最大处位于外墙WQ-56，鼓胀面积约150m²。墙面鼓胀最大处位于北门瓮城外墙西侧，鼓凸值为252mm。部分城墙墙体和城墙下部基础发生严重残缺，另外还有人为挖凿的射击孔等残缺。这些残缺对城墙本身结构的安全性均造成一定影响。砖墙面的风化酥碱侵蚀也十分严重，如图3所示。砖墙面侵蚀最严重处位于WQ-77，侵蚀深度达300mm，占墙体厚度的1/3。
2.3古砖砌体强度无损检测
为了对平遥古城墙的可靠性作出科学、客观的评价，必须对砖砌体进行应力分析计算，而进行应力计算则必须首先确定城砖的材料强度。传统的材料强度试验方法是采用破坏性试验方法，这对于弥足珍贵的古建筑往往难以进行。在墙体上大量采样做破坏性试验不可能实现，采样少又缺乏代表性，以点代面，缺乏真实性，并且现场取样危险性很大，甚至会危及墙体安全。在不少古建筑维修加固中往往凭经验估计，因人而异，误差较大，可能会有误判的情况，要么高估冒险，降低结构安全度；要么低判保守，造成不必要的浪费。
为了解决这一难题，早在20世纪80年代，笔者采用非破损方法对古砖石结构的强度进行了专门研究，并应用于工程实践，对山西省五台山佛光寺、蒲县莺莺塔、大同华严寺等古旧建筑中砖的强度进行了无损检测。20世纪90年代，笔者成功地对太原市的标志建筑——太原双塔寺东塔进行了全面的无损检测，为东塔的纠偏、加固、维修提供了可靠的依据，取得了良好的效益。
通过以前大量的试验表明，古砖砌体中砖与灰浆的抗压强度值与超声波穿透它们时的超声速度值和回弹值之间具有比较好的相关性，如图4所示。借助概率论与数理统计的理论，建立超声、回弹以及超声与回弹综合的专用测强曲线，评定古砖、灰浆的抗压强度是完全可行的，具有较好的测试精度，误差<12%，可以满足工程要求。本次为了加大平遥古城墙检测的精度，笔者充分利用了南门瓮城修复的契机，现场采集了各种明代砖、清代砖的试样，在试验室采用无损检测方法对各种试样的超声值和回弹值进行了测定，之后采用传统的破坏法，进行了强度试验。在原有研究的基础上进一步拟订出平遥古城墙的专用测强曲线，并以此计算分析实体的各种强度值。采用的超声仪有两种，一种是自行研制的DC-88型超声仪，另一种是北京智博联科技有限公司生产的ZBL-U520数字化非金属超声检测仪，便携、多功能、体积小、重量轻，特别适用于古建筑的检测；采用的回弹仪是天津建筑仪器厂的系列产品HT-75与HT-28型两种。通过专用测强曲线，超声回弹法推定平遥古城墙砖与灰浆抗压强度值如表
2所示。
本次现场无损检测共选取了3000多个测区，获得的原始数据90 000余个。从现场检测中可见，平遥古城墙砖砌体的种类繁多，有明代砖、清代砖、仿明砖、仿清砖、近代砖和现代砖，个体差异大，离散性大，砖的强度最高可达16MPa，最低<1MPa；灰浆强度最高可达10MPa，最低<0.5MPa。根据现场检测，砖砌体的吸水性变化很大，受潮和泡水时强度明显下降，干燥时强度明显提高。在进行城墙维修加固时必须慎之又慎，对每一部分都应进行具体的分析，万不可凭经验估计，否则将会导致安全隐患。
2.4 雷达检测技术
为了对城墙内部缺陷（松散、空洞和地道等）进行普查，对城墙砖厚度进行局部探测，对城墙地面以下砖及砖基础进行局部探测，采用雷达进行了扫描测试。雷达仪采用意大利IDS公司生产的RIS-2Ka 探地雷达，选用了900，400和40MHz三种天线，累计测试长度八千余米，测试断面三百余个。
利用地质雷达探测古城墙的技术尚处于试验阶段，目前没有先例和规范可供借鉴。此外，平遥古城墙介质成分和结构十分复杂，无法获得各分层介质准确的物性参数（如介电常数），雷达图像的解译工作非常困难。因此，对平遥古城墙开展地质雷达检测，是一项极具挑战性的技术工作。
图5为拱极门雷达剖面图。采用的天线为400MHz，剖面长为7.63m。数据处理有∶零点漂移、背景去噪、垂直带通滤波和线性增益。从图4可以看出，砌砖自上而下，厚度增加0.3～0.5m；与内部夯土脱节，有孔洞。自砌砖内侧到2m深处夯土变形最大，且顶部大于底部。墙体内部还可见一竖直结构物。
3 实效
平遥古城墙可靠性检测鉴定工作是一个综合性、交叉性、边缘性的课题，涉及到文物保护、物理、化学、水文、地质、气象、历史、考古、建筑、结构、材料和施工工艺等多方面的内容。笔者采用无损检测方法对古城墙的可靠性进行了鉴定与评估。根据可靠性评定结果，区分出轻重缓急，指导抢修加固维修工作的及时开展，避免或减少了事故发生。保证了古城墙的安全性和耐久性，充分体现出良好的社会效益和显著的经济效益。4 展望
世界文化遗产是全人类的共同财富，保护世界文化遗产，就是保护人类可持续发展的共同物质和文化基础。我国是世界文明古国，至今已有31处世界文化遗产，居世界第三。我国的文物古建量位居世界前列，占有相当重要的位置。
工程实践充分表明，文物古建领域及文化遗产保护工作十分需要无损检测技术。而文物古建领域也是无损检测技术的一个重要的发展领域，有着广阔的天地。但是随着文物保护的不断进行，古建领域对无损检测技术提出更新更高的要求∶①需要研究更适合文物古迹检测的无损检测技术。需要借鉴医学检测中的各种化验、B超、CT、腹腔镜、核磁共振等先进技术的思路。把无损检测技术应用在文物古建的保护中。②需要生产更适合的检测设备或工具。如薄壁空心钻头、高能量聚能超声传感器等。文物古建系统的木结构、砖石结构、夯土结构等测强曲线的建立比一般混凝土困难得多。文物古迹的检测比一般的建筑工程检测难度更大、条件更差、限制更多、更具有挑战性。需要无损检测技术的工作者锐意进取，不懈努力，开拓一片新天地，取得更多的科研成果，获得更大的经济效益，为世界文化遗产的保护做出贡献。
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