無損檢測技術在平遙古城墻保護中的應用
無損檢測技術在平遙古城墻保護中的應用
《無損檢測》 2011年05期
康錦霞，馬成理
（太原理工大學 建筑與土木工程學院 土木工程系，太原 030024）
摘 要∶簡要介紹了在世界文化遺產平遙古城墻保護中采用的多項無損檢測新技術。指出采用無損檢測新技術在文物古建筑保護中具有良好的社會效益和經濟效益。期望加強文物古建筑保護領域無損檢測新技術的研究和技術交流、注重大力推廣應用。
關鍵詞∶無損檢測技術；世界文化遺產；文物古建筑保護
1 概述
山西省平遙古城是中國境內保存最為完整的一座古代縣城，是國家級歷史文化名城，被聯合國教科文組織列入《世界遺產名錄》。平遙古城墻作為古代城防工程以其氣勢恢宏、保存完整的格局成為這一遺產的重要組成部分。整座城墻由墻身、馬面、甕城和角臺等構成。城門六道，南北各一，東西各二。城墻頂部的附屬物包括蝶樓、角樓、城樓。城內有馬道，城外有護城河。古城墻東、西、北三面俱直，惟南墻隨柳根河蜿蜒而筑，形如龜狀，如圖1所示。平遙古城墻始建于西周，初為夯土墻。現存的城墻為明代洪武年間（即公元1370年）擴建，并在夯土墻外墻面包砌城磚【1】。
平遙古城墻保護總體上是卓有成效的，迄今六百余年，歷經滄桑，修復了30多次，保存基本完好，因而彌足珍貴。但是亟待解決的問題也不少。2004 年10月17日，平遙古城南門甕城外側一段長17.3m的城墻突然坍塌，上千塊青磚落地，引起各界廣泛關注。此外，古城墻的很多地方也出現墻體裂縫、破損、酥堿、外閃鼓脹和地基下沉等等隱患，險象環(huán)生，令人擔憂。特別是古城位于汾渭地震帶上，地震設防烈度為8度，一旦發(fā)生相當規(guī)模的地震，其后果更是不堪設想。因此，需要盡快對古城墻進行全方位的檢測鑒定和對安全可靠性水平做出客觀地評價，為古城墻的維修加固技術決策、編制保護規(guī)劃和加固方案制定提供科學的依據。
2 古城墻無損檢測技術
鑒于古城墻的特殊性、重要性及危險性，檢測鑒定工作不能依靠簡單的傳統(tǒng)經驗，不能對古城墻造成新的破壞。筆者所在單位在墻體檢測中充分發(fā)揮自身優(yōu)勢，采用了高科技的無損檢測技術和數字化等多種新興技術，完成了平遙古城墻現狀測繪、墻體缺陷檢測、磚砌體強度的檢測等，為平遙古城墻的可靠性分析計算和維修加固保護提供了可靠的數據。
2.1 GPS測繪
現狀測繪是對古城墻進行安全性檢測鑒定的基礎，是計算分析的依據，也是古城墻保護管理工作的基本要求。由于各方原因，平遙古城墻至今尚未有完整準確的圖件。本次現狀測繪的目的就是建立一套科學完整的記錄檔案?，F狀測繪采用了GPS及全站儀等先進的儀器，建立了完整的坐標體系和高程體系，完成了測繪及繪圖工作。由現狀測繪取得的數據成果表明，平遙古城墻軸線全長共計6142.63m。各段長度及外墻面展開長度、內墻面展開長度測繪統(tǒng)計結果見表1所示。
2.2 數碼攝像檢測
為了對墻體缺陷進行檢測，采用數碼攝像、圖像處理技術，輔以全站儀測量、裂縫檢測儀、人工實測實量以及現場多次核查校對的方法，對墻體的外表缺陷進行了詳細普查，對城墻的裂縫、破損、殘缺、酥堿、鼓脹等缺陷進行了檢測，查清缺陷部位、范圍、尺寸等。每個單元都采用數碼照片如實地記錄和描述，提供了紙基和光盤資料。
磚砌體墻面主要裂縫有1000余條，其中最大裂縫寬度達到了45mm，位于新東門，如圖2所示。
最長裂縫長度為24500mm，位于WQ-56。磚墻面多處存在外閃鼓脹現象，鼓脹面積最大處位于外墻WQ-56，鼓脹面積約150m2。墻面鼓脹最大處位于北門甕城外墻西側，鼓凸值為252mm。部分城墻墻體和城墻下部基礎發(fā)生嚴重殘缺，另外還有人為挖鑿的射擊孔等殘缺。這些殘缺對城墻本身結構的安全性均造成一定影響。磚墻面的風化酥堿侵蝕也十分嚴重，如圖3所示。磚墻面侵蝕最嚴重處位于WQ-77，侵蝕深度達300mm，占墻體厚度的1/3。
2.3古磚砌體強度無損檢測
為了對平遙古城墻的可靠性作出科學、客觀的評價，必須對磚砌體進行應力分析計算，而進行應力計算則必須首先確定城磚的材料強度。傳統(tǒng)的材料強度試驗方法是采用破壞性試驗方法，這對于彌足珍貴的古建筑往往難以進行。在墻體上大量采樣做破壞性試驗不可能實現，采樣少又缺乏代表性，以點代面，缺乏真實性，并且現場取樣危險性很大，甚至會危及墻體安全。在不少古建筑維修加固中往往憑經驗估計，因人而異，誤差較大，可能會有誤判的情況，要么高估冒險，降低結構安全度；要么低判保守，造成不必要的浪費。
為了解決這一難題，早在20世紀80年代，筆者采用非破損方法對古磚石結構的強度進行了專門研究，并應用于工程實踐，對山西省五臺山佛光寺、蒲縣鶯鶯塔、大同華嚴寺等古舊建筑中磚的強度進行了無損檢測。20世紀90年代，筆者成功地對太原市的標志建筑——太原雙塔寺東塔進行了全面的無損檢測，為東塔的糾偏、加固、維修提供了可靠的依據，取得了良好的效益。
通過以前大量的試驗表明，古磚砌體中磚與灰漿的抗壓強度值與超聲波穿透它們時的超聲速度值和回彈值之間具有比較好的相關性，如圖4所示。借助概率論與數理統(tǒng)計的理論，建立超聲、回彈以及超聲與回彈綜合的專用測強曲線，評定古磚、灰漿的抗壓強度是完全可行的，具有較好的測試精度，誤差<12%，可以滿足工程要求。本次為了加大平遙古城墻檢測的精度，筆者充分利用了南門甕城修復的契機，現場采集了各種明代磚、清代磚的試樣，在試驗室采用無損檢測方法對各種試樣的超聲值和回彈值進行了測定，之后采用傳統(tǒng)的破壞法，進行了強度試驗。在原有研究的基礎上進一步擬訂出平遙古城墻的專用測強曲線，并以此計算分析實體的各種強度值。采用的超聲儀有兩種，一種是自行研制的DC-88型超聲儀，另一種是北京智博聯科技有限公司生產的ZBL-U520數字化非金屬超聲檢測儀，便攜、多功能、體積小、重量輕，特別適用于古建筑的檢測；采用的回彈儀是天津建筑儀器廠的系列產品HT-75與HT-28型兩種。通過專用測強曲線，超聲回彈法推定平遙古城墻磚與灰漿抗壓強度值如表
2所示。
本次現場無損檢測共選取了3000多個測區(qū)，獲得的原始數據90 000余個。從現場檢測中可見，平遙古城墻磚砌體的種類繁多，有明代磚、清代磚、仿明磚、仿清磚、近代磚和現代磚，個體差異大，離散性大，磚的強度最高可達16MPa，最低<1MPa；灰漿強度最高可達10MPa，最低<0.5MPa。根據現場檢測，磚砌體的吸水性變化很大，受潮和泡水時強度明顯下降，干燥時強度明顯提高。在進行城墻維修加固時必須慎之又慎，對每一部分都應進行具體的分析，萬不可憑經驗估計，否則將會導致安全隱患。
2.4 雷達檢測技術
為了對城墻內部缺陷（松散、空洞和地道等）進行普查，對城墻磚厚度進行局部探測，對城墻地面以下磚及磚基礎進行局部探測，采用雷達進行了掃描測試。雷達儀采用意大利IDS公司生產的RIS-2Ka 探地雷達，選用了900，400和40MHz三種天線，累計測試長度八千余米，測試斷面三百余個。
利用地質雷達探測古城墻的技術尚處于試驗階段，目前沒有先例和規(guī)范可供借鑒。此外，平遙古城墻介質成分和結構十分復雜，無法獲得各分層介質準確的物性參數（如介電常數），雷達圖像的解譯工作非常困難。因此，對平遙古城墻開展地質雷達檢測，是一項極具挑戰(zhàn)性的技術工作。
圖5為拱極門雷達剖面圖。采用的天線為400MHz，剖面長為7.63m。數據處理有∶零點漂移、背景去噪、垂直帶通濾波和線性增益。從圖4可以看出，砌磚自上而下，厚度增加0.3～0.5m；與內部夯土脫節(jié)，有孔洞。自砌磚內側到2m深處夯土變形最大，且頂部大于底部。墻體內部還可見一豎直結構物。
3 實效
平遙古城墻可靠性檢測鑒定工作是一個綜合性、交叉性、邊緣性的課題，涉及到文物保護、物理、化學、水文、地質、氣象、歷史、考古、建筑、結構、材料和施工工藝等多方面的內容。筆者采用無損檢測方法對古城墻的可靠性進行了鑒定與評估。根據可靠性評定結果，區(qū)分出輕重緩急，指導搶修加固維修工作的及時開展，避免或減少了事故發(fā)生。保證了古城墻的安全性和耐久性，充分體現出良好的社會效益和顯著的經濟效益。4 展望
世界文化遺產是全人類的共同財富，保護世界文化遺產，就是保護人類可持續(xù)發(fā)展的共同物質和文化基礎。我國是世界文明古國，至今已有31處世界文化遺產，居世界第三。我國的文物古建量位居世界前列，占有相當重要的位置。
工程實踐充分表明，文物古建領域及文化遺產保護工作十分需要無損檢測技術。而文物古建領域也是無損檢測技術的一個重要的發(fā)展領域，有著廣闊的天地。但是隨著文物保護的不斷進行，古建領域對無損檢測技術提出更新更高的要求∶①需要研究更適合文物古跡檢測的無損檢測技術。需要借鑒醫(yī)學檢測中的各種化驗、B超、CT、腹腔鏡、核磁共振等先進技術的思路。把無損檢測技術應用在文物古建的保護中。②需要生產更適合的檢測設備或工具。如薄壁空心鉆頭、高能量聚能超聲傳感器等。文物古建系統(tǒng)的木結構、磚石結構、夯土結構等測強曲線的建立比一般混凝土困難得多。文物古跡的檢測比一般的建筑工程檢測難度更大、條件更差、限制更多、更具有挑戰(zhàn)性。需要無損檢測技術的工作者銳意進取，不懈努力，開拓一片新天地，取得更多的科研成果，獲得更大的經濟效益，為世界文化遺產的保護做出貢獻。
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