杭州市余杭区塘栖镇广济桥监测技术设计方案.doc

杭州市余杭区塘栖镇广济桥监测技术设计方案 一、背景 广济桥，曾名通济桥、碧天桥，俗称长桥。位于杭州市余杭塘栖镇西北，南北向横跨于京杭大运河上，如长虹卧波，是古运河上仅存的一座七孔石拱桥，也是大运河上保存至今规模最大的薄墩联拱石桥。广济桥,建于明代弘治十一年（1498年）由鄞人陈守清募建，后世五百多年中，桥不断得到重修和修补。桥全长89.70米，桥宽5.42米，上下共169级台阶，中间最大的的石拱跨度为15.6米，南北各有三个对应的的石拱，分别为11.8米、8.0米、5.4米。七孔，拱券纵联并列分节砌筑，桥两坡各设石阶80级。石栏板素面，栏板两端为卷云纹抱鼓石，共有望柱64根，四角望柱上刻覆莲。广济长桥势如长虹，造型秀丽，历经500余年仍雄踞京杭大运河之上，成为历史沧桑的真实见证了京杭大运河500年的兴旺漕运史。 广济桥是塘栖镇最著名的一处古迹，1989年被列为浙江省重点文物保护单位。塘栖广济桥不仅是中国建筑史上的杰作，而且还载入中国桥梁建筑史册。这是因为，广济桥建筑历史悠久，系石拱桥，七孔拱形对称，造型非常优美，跨度大，受力合理，不仅是京杭大运河上惟一，在全国也十分罕见。因此，从广济桥建筑中发现，在数百年前，就有建筑力学的技术经验，从中找到空间结构技术原理，从简单的拱形跨度，发展到现代复杂的空间结构技术。 广济桥也是千里古运河上唯一一座七孔石桥，其稀缺性和不可替代性日益为人们所重视。保持城镇的传统格局与风貌以及各种文物古迹，是保护历史文化名城（镇）的必要条件和特殊需要，具有很高的历史、科学和艺术价值。但是由于岁月的无情侵蚀，广济桥本体桥面、桥身、桥墩、拱圈等均存在不同程度的损害，石块风化、石墙裂缝、拱圈变形等现象比较严重。虽然多年来一直被不断地进行着保护和维修，由于广济桥长期暴露在户外，受自然环境对其的影响很难避免，为了更加科学、全面、完整地保护好广济桥。提高保护修缮的预见性，降低破坏广济桥原状所携带的历史信息的可能性，非常有必要对广济桥实施监测工作。 二、监测依据 《保护世界文化及自然遗产公约》（1972年） 《实行保护世界文化和自然遗产公约操作指南》（2005年） 《国际古迹保护与修复宪章》（1964年） 《中华人民共和国文物保护法》（2002年） 《中华人民共和国文物保护法实行条例》（2003年） 《世界文化遗产保护管理办法》（2006年） 《中国世界文化遗产监测巡视管理办法》（2006年） 《中国文物古迹保护准则》（2000年） 《古迹、建筑群和遗址的记录准则》（2003年） 《浙江省文物保护管理条例》（2003年） 《历史文化名城名镇保护条例》（国务院，2008年） 《城市紫线管理办法》（建设部，2004年） 《西安宣誓——关于古建筑、古遗址和历史区域周边环境的保护》（2005年） 《杭州市文物保护管理若干规定》（1999年5月） 《国家一、二等水准测量规范》GB12897-91 《工程测量规范》（GB 50026-2007）； 《建筑变形测量规范》（JGJ 8-2007）。 《精密工程测量规范》GB/T15314-94 《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2002 《中国世界文化遗产监测技术规范》 三、监测目的和意义 1、及时发现不稳定因素。由于广济桥的复杂性、古建筑材料质量不确定性，加上自然环境因素等的影响，广济桥的保护需要借助监测手段进行必要的补充，以便及时采取补救措施，确保工程广济桥的结构安全和人员安全，减少和避免不必要的损失。 2、科学指导广济桥保护管理工作。通过动态的监测工作可以了解施广济桥结构的实际石块风化、石墙裂缝、拱圈变形、沉降位移等，为广济桥保护管理提供实测数据和资料。根据实测数据的反馈，实时调整和优化广济桥保护管理工作，确保广济桥保护工作中在可控的管理范围之中。 3、保障广济桥文物相关社会利益。通过对广济桥全过程中不间断的监测数据采集和分析，及时调整广济桥保护管理工作，确保广济桥科学、合理、有序进行保护管理提供依据，提高管理决策的科学性。 4、监测工作遵循“保护为主、抢救第一、合理利用、加强管理”的工作方针，确保广济桥安全性及景观其价值，保护广济桥遗产的真实性 、完整性和维护可持续性的原则。 5、全面规划，广济桥的监测应紧密与保护维修设计相结合，突出监测重点，合理布点，确保监测资料、数据的真实性和全面性的原则。通过科学化和系统化的监测，对监测资料、数据进行认真核实，科学分析形成有较的监测成果。为保护广济桥提出科学的依据。 四、监测的内容和方法 文物古迹监测按其特点不同，一般分为内部变形观测、外部变形观测、其他观测项目三大类。由于古建物结构的检测，难度较大，为了使广济桥得到更好的保护，本次监测工作主要采用外部变形观测。对于不同的文物古迹项目,变形监测的工作内容和监测重点是有不同的。根据广济桥文物古迹的结构特点，监测内容主要为, 水平位移监测、沉降监测、石墙裂缝监测、拱圈变形监测、石块风化监测、环境监测等。对广济桥长期健康监测方面展开相应工作。 1.水平位移监测：对广济桥古建筑物的顺水流方向或顺轴线方向的水平位移变化进行监测。大地测量方法,大地测量方法主要是以外部变形监测控制网点为基准,以大地测量方法测定被监测点的大地坐标,进而计算被监测点的水平位移, 采用交会法、精密导线法。 2.垂直位移观测：对广济桥古建筑物垂直方向的位移变化进行监测,用以了解广济桥古建筑各种监测部位的垂直位移变化,从各监测点垂直位移变化情况了解有无不均匀垂直位移变化出现。采用几何水准测量方法。 3. 拱圈挠度监测挠度观测：以控制网点为基准，采用三维交会的方法进行观测。由于监测的点位位于桥面以下的拱圈内弧线上, 常规作业无法设施, 只能采用三维交会的方法进行观测。从而确定坝体的挠曲变化。 4．裂缝观测：对建筑物产生的裂缝或河岸边坡裂缝进行位置、长度、宽、深度错距等进行监测,以了解裂缝的变化情况。一般采用丈量方式,可采用检定过的钢尺、油标卡尺等进行精密量距。 5.环境监测主要内容有：现场的温度、湿度、风力、降雨、水位监测等。掌握现场的气象情况，可为测量和监测时间的选择提供科学依据，保证测量精度。通过对现场周边环境的监测，及时掌握现场环境状况。 五、变形监测控制网及方案 为了掌握广济桥运行期的工作状态，验证广济桥维护和加固处理后的各项参数，及时发现异常情况采取措施，以保证广济桥能安全地正常运行，因此，对其进行广济桥变形监测是非常必要的。 （一）监测精度要求 监测精度设计要考虑工程的类别、等级、广济桥不同部位的变形特点、工作实施的相关条件等等。精度主要取决于变形的大小、速率、设备条件、观测手段等,设计时可根据监测的目的和监测项目，在相应的规范中查取设计容许值。监测精度对不同的工程要求是不同的,对工程的不同部位也是不同的。 根据广济桥的特点及规范要求：为了能准确反映广济桥的变形情况，达到监视广济桥安全的目的，其广济桥的水平位移量中误差限差为+1.0mm，垂直位移量中误差为+1.0mm。 1、 桥体水平与垂直位移: 水平位移监测点的点位误差≤±2mm , 垂直位移高程中误差≤±1mm。 2、 桥拱跨径监测与拱圈挠度监测: 跨径误差≤±2mm; 拱圈挠度监测点点位误差≤±2mm , 高程点位误差≤±1mm。拱圈监测点位置布设应与桥梁竣工阶段的监测点位相同。 3、 南北桥台、两端拱脚、拱圈等处的裂缝变形观测误差≤±1.0mm。 4、沉降观测精度的要求 根据古建筑物的特性和具体要求选择沉降观测精度的等级。再未有特除要求情况下，一般性的古建构筑物，采用二等水准测量的观测方法就能满足沉降观测的要求。采用二等水测量的观测方法。 各项观测指标要求如下： (1)往返较差 、附和或环线闭合差： △h＝∑a-∑b≤l√n—，表示测站数。(或△h＝∑a-∑b≤1.0√L—， L表示观测路线距离)。 (2)前后视距 ： ≤30m (3)前后视距差 ： ≤1.0m (4)前后视距累积差 ≤3.0m (5)沉降观测点相对于后视点的高差容差 ：≤1.0mm （二）使用的仪器设备要求 1. 索佳SET2300RK3全站仪。 2. 天宝03电子水准仪加3米铟钢条码尺 3. 钢尺、油标卡尺 各种仪器均应送省测绘局检定。 （三）监测频率 变形监测的频率取决于变形的大小、速度及目的。变形监测频率的大小应能够反映出被监测建筑物的变形规律,一般随单位时间内变形量的大小来确定。 序号 监测项目 监测频率 备注 1 水平位移监测 一月/次 2 沉降监测 一月/次 3 拱圈变形监测 一月/次 4 石墙裂缝监测 一月/次 5 石块风化监测、 每年/次 6 环境监测 每天/次 （四）监测部位和测点布置 根据古建筑的特点布局、现场的环境条件制订测量施测方案，由有关单位提供的平面位置控制点和水准控制点(或城市精密导线点)根据广济桥古建筑的测量施测方案和布网原则的要求建立平面位置水准控制网。监测部位和测点的布置,应满足监测总方案的技术思想；点位必须安全、可靠；总的布局合理，又能突出重点；有利于监测工作进行，又便于长期观测。 1、拱圈变形监测 1．1、建立基准网 本次选设的基准点与监测点之间的距离按要求基本控制在70m 以内。变形基准网按绝对网的布设, 基准点点位选在桥位上、下游二侧距桥位30～40m 不受影响的稳固地方, 每侧二点构成一个微形大地四边形。各基准点均用混凝土浇成1.2m 左右的固定观测墩, 墩顶预埋强制对中装置。网中长边约79m , 短边70m , 平均边长75m ,各点间最大高差在0.6m 左右。平面水平角观测采用索佳SET2300RK3全站仪9 测回观测。作业仪器与照准觇牌均采用强制对中。观测结果, 三角形最大闭合差W =+ 4.3″, 最小W = - 1.7″; 测角中误差为±1.76″ (允许±1.8″) , 平差后测角中误差M测= ±1.38″;另测网的基线边两条(位于运河两侧岸边) , 基线用鉴定钢尺3 测回往返读数丈量。经尺长、温度、高差各项改正平差, 两条基线边精度分别为1/17 万和1/18.5 万, 控制网采用典型图形按最小二乘法严密平差。平差后, 网中最弱边相对中误差为Δs/S= 1/8.9 万, 最弱点点位中误差≤±0.98mm。基准网各点高程采用天宝03电子水准仪按变形Ⅱ等水准规程观测, 路线为一独立闭合环。各站前后最大视长≤28m , 最大不等差≤±3m , 路线全长591.1m (10 站) , 闭合差为+ 0.23mm , 允许WΔ =±0.6mm √n = ±1.9mm。路线经带权平差后, 每公里观测高程中误差为Mw = ± √1/N [ ww／R ] = ±√0.232／0.6 = ±0.29mm ( R 公里数) , 每测站高程中误差M点= ± √( [ WW] ÷n) ／N = ±√ 0.0389= ±0.2mm。均符合规范精度要求。本网高程系统采用该国家水准点高程。平面基准网坐标与国家坐标系统连测。 1．2、拱圈内弧监测点设置与照准标志制 根据广济桥古建筑的实际情况, 设置拱圈内弧监测点,按桥拱圈内弧设置的间隔L/8、L/4、3L/8 和L/2 来截取布设。这样连同拱圈两头的拱脚共9 点, 编号由北向南为1 —9 , 其中1 和9 两点为桥拱的跨径点，共7个拱圈共计划63点。为了提高照准标志的观测精度, 本次观测标志特选用4cm ×4cm 白铁皮用红白油漆精确涂成倒三角形, 三角形尖朝向拱圈内弧线。然后用强力环氧树胶将各块标志牢固粘在各个拱圈内弧位置上, 倒三角的尖端即为本次监测点点位。 1．3、监测点平面坐标交会观测 监测点平面坐标采用前方交会, 设站于桥位同侧的已知基准点上, 以另一已知基准点作起始方向分别读取各监测点方向值。为了加强与已知基准点的检查, 每次设站均采用另一已知点测固定角一组供复查。监测点首期水平角观测以索佳SET2300RK3全站仪3 测回读取, 其成果作为本项目的基础数据。继后每期水平角观测2 测回, 每期作业均选择良好天气和最佳观测时间, 作业严格执行三同(同人, 同仪, 同顺序, 仪器遮伞) 。对不合要求的观测资料, 一经检查发现, 均于现场立即重测, 直到全部合格为止。为了提高观测精度, 特别是基准点到各监测点视长不一, 由调焦引起的视轴观测误差有可能掩盖点位的真实形变。为了减小观测仪器视轴误差对成果的影响, 实际作业时,把测回正倒镜观测改为按每方向正倒镜观测。 1、4、监测点高程交会观测 监测点高程观测采用在桥位同侧两已知点设站分别读取各监测点垂直角, 观测与水平角同期进行。首期拱圈各点垂直角用J2 级全站仪中丝法单向观测6 测回, 其数据作为本项目的基本数据。继后每期4 测回。同水平角观测一样, 每期按三定程序操作。针对短边高精度竖角观测, 除测前对仪器认真调试外, 另在实测过程中针对测站到拱圈各监测点视长不一而导致观测不断调焦带来的误差影响, 仿前述方法, 同样对各点垂直角采取单独一次正倒镜观测, 并严格将仪器竖角观测指标差控制在±5″之内, 测回较差控制在±3″之内。严格控制竖角测角中误差；对仪高丈量精度方面取二步做法: 一是先于室内将仪器调平螺丝上缘至望远镜横轴之间的固定长用千分卡尺精确量取; 二是将礅座至仪器调平螺丝之间的高度用小直钢尺二次以上读数取平均值, 数据估读至0.1mm; 各监测点高差计算采用单向高差公式:Δh = Stgα+ CS2 + i - v +Δh12 。由于小范围近距离观测, 折光影响很小。另也无需将边长投影。 2、水平位移监测 2．1、监测网精度估算 根据表中数据得知，点位中误差均小于± 1.0 mm，能满足规范中一等独立控制网限差± 1.0 mm的要求。 SET2300RK3全站仪测小角的精度估算公式 mi= mα，视线S的最大值约80米，取mα=0.6″则mi=+0.78mm，符合规范要求，要达到0.6″必须观测4个测回。 采用SET2300RK3全站仪按小角法观测，应在两端工作基点上观测邻近的1/2的测点，每一测次观测4个测回，每测回正、倒镜各照准觇标两次并读数两次，取平均值作为该测回的观测值，其限差