苏州虎丘塔的变形监测与保护.doc

苏州云岩寺塔，俗名虎丘塔，是古城苏州的标志，属全国第一批重点文物保护单位，虽历经千年沧桑，塔身严重倾斜，但在政府有关部门的研究1 监测系统与监测结果苏州市政府在1976-1986年间，对虎丘塔进行了建国以来的第二次维修加固，1979年9月，江苏省建筑设计院建立了虎丘塔变形监测系统。变形监测系统建有导线网、固定观测台，并进行了近景摄影测量，以后观测点位逐渐增加，最多时各类观测标志近百个。目前虎丘塔的观测项目有5个：（1）塔体水平形变观测。在塔体东、南两边各设强制队中观测台1座以及相应的初始目标观测墩，观测目标16个。（2）地表塔基沉降观测。虎丘塔为双筒式结构，外筒和筒外地坪处分别各设固定水准观测点4个，塔心1个，共9个固定水准观测点，塔基外设工作基点1个，与距此几十米的一等水准基本点联测。（3）底层塔壁沉降观测。设固定观测点22个，观测标志为固定于底层塔壁的小钢尺。用于监测塔壁沉降。（4）塔体层面倾斜观测。在每层塔的东南西北4个方向各布设1个固定水准点，2-7层共有24个点位，用于监测该层面的倾斜变化。（5）塔顶高度观测。用以监测塔顶高度变化，了解塔体受温、湿度影响的程度。20多年来，对虎丘塔的监测从未间断（除第五项外），获得了大量观测数据，对这些数据进行了处理和分析。垂直形变监测结果表明，虎丘塔的第二次维修加固非常成功，塔基得到加固，塔基的不均匀沉降现象已经基本消除。对水平形变观测数据进行了你和计算，滤去粗差，分理处变形信息，分析结果表明，虎丘塔塔体各层形变量呈逐层增加，整体仍在微小倾斜，属量级较小的渐变过程。根据虎丘塔的水平形变具有趋势性和周期性的特点，采用线性和三角函数模型对虎丘塔的倾斜过程进行了模拟，对古塔今后3年的水平形变趋势进行了预测。预测结果表明，到2003年，虎丘塔的倾斜将继续发展，与2000年同期相比形变量将达12mm。2 监测周期与监测方案2.1 监测周期就一般建筑物的变形观测而言，观测周期取决于观测目的、变形值的大小以及变形速率。由于观测对象是国家级文物，苏州古城的标志，又是一座千年古塔，塔体部分牢固性较差，因此应采用定期观测方式进行。多年来的监测和保护工作表明，地质条件、恶劣天气、温度差异等都可能引起塔体不同程度的变形。例如观测曲线显示，每年的3月和9月，塔体变形值分别达到最小和最大。为确保古塔的安全，不遗漏变化的时刻，每年最好分别于3、6、9、12月观测4次，这样的周期基本上可以反映出塔体的变化过程。在特殊情况下，如遭遇地震、狂风、暴雨袭击时，其变形可能会加大，除规定的周期性监测外，还应增加观测次数。监测时要注意观测点位稳定，所用仪器和观测人员要固定，观测条件基本一致，观测路线、程序和方法要固定，以较少观测误差的不定性，使结果更有可比性。2.2 监测方案原有监测系统是1979年建立的，二十几年来，监测仪器和监测方法有了很大改进。使用全站仪或其它新型监测仪器可以提高效率并达到很高的精度。下面是几种观测方案：（1）三维坐标测量。用三维空间前方交会的方法，采用两台电子经纬仪可以组成三维坐标测量系统，求得观测目标在上述坐标系中的三维空间坐标。但观测点的点位精度主要受到起算数据、两测站仪器的相对定向精度，以及空间前方交会时方向观测误差的影响，还与交会点的位置、交会图形有关。因此在建立虎丘塔监测站和观测目标的位置时，应注意它们注册回归的交会图形。由于各目标位于塔身的不同层，观测台与目标间的高差随层数增加，精度随之降低。为了克服这一弱点，可以使用激光准直三维坐标测量。（2）倾斜仪测量。虎丘塔的倾斜可以采用倾斜仪测量。倾斜仪的种类很多，大体可分为“短基线”倾斜仪和“长基线”倾斜仪。前者一般用垂直摆锤或水准气泡作为参考线；后者一般用水或水银作为液体，根据静力水准原理做成，精度较高。短基线倾斜仪的精度可达0.51.0s。倾斜仪测量队环境的要求较高。（3）滑坡观测。由于虎丘山西、北两面地形坡度较陡，高差大，遇突发因素时可能产生顺坡滑动现象。从以往塔身1-4层的大量纵向裂缝来看，塔身具有产生整体滑动的内因，对此应有警惕，可以进行小范围的滑坡监测，监测周期也可以长些。3 塔体墙面裂缝处理对虎丘塔塔身检视可以看到1-4层东西两面塔壁上的大量纵向裂缝，其中一层裂缝大多已被填补，二层约有十几处，三层最多，大概有几十处，四层以上减少。目前可见的裂缝长度为2m左右，由于不断填补，实际长度远大于此，有的裂缝最宽处达2cm左右。在第二次塔基加固工程前，塔基的不均匀澄江应该是塔体倾斜的原因之一，因此引起了大量的墙面裂缝。观查塔基可以看到，塔外墙南、北门洞旁直棂窗下的塔壁高度相差明显，南面塔壁高约0.88m，北面则只有0.31m。南门壶门洞高2.7m，而北面壶门洞仅高2.15m，南北面相差达0.55m，可见塔北面的墙体下沉明显。虎丘塔裂缝产生的原因除上述地基不均匀沉降外，还有塔身因温、湿差变化引起的材料收缩，裂缝宽度随季节发生周期性变化。虽然温差引起的裂缝一般不会危及塔体安全。但裂缝的出现使墙体整体性受到破坏，抗震性能降低，而且温差裂缝一旦出现，要想复原是很困难的。对规模小、发展缓慢的裂缝，目前文保人员在塔体裂缝上填补石膏泥并注明日期，定期检查灰泥是否开裂。为防止大面积的表面细裂缝开裂，导致耐久性及防水性的降低，并从外观上消除裂缝，可采用表面修补的方法，对有宽度变化的裂缝，要使用有伸缩性的材料。对重要裂缝则应进行定期观测，对裂缝按层编号，用钢尺或游标卡尺观测裂缝的位置、走向、长度和宽度，观测次数视裂缝发展确定，裂缝修补可采用水泥灌浆法和化学灌浆法。4 虎丘塔的保护建议4.1 定期检视为确保古塔安全，应紧密结合经常性的目视检查与专门的全面检查，以便发现问题，及时处理。目前塔体的变形，有些是可逆的，如由温、湿度造成的物理变化；有些是不可逆的，如转表层的风化、墙面裂缝、砖间黄泥层的压缩等。其中由于自然环境诸如温度、湿度、风雨、虫鸟草树等多种因素的影响所造成的塔体表面风化日趋严重，这些不可逆变化累积到一定数量后就会产生质变，导致塔体整体变形。例如虎丘塔的维修加固工程中，修补墙体使用了大量水泥，由于水泥构筑的部分与塔体原有的黄泥砖砌体在性能上并不一致，随着时间的推移，它们的差异发展到一定时期，墙体会发生裂缝、脱壳等现象，应定期进行检视，防范雨