永祚寺双塔变形监测方法及数据分析

温少杰

（太原市文物保护研究院，山西 太原 030000）

1 项目背景

三晋名刹永祚寺，俗称“双塔寺”，坐落于山西省太原市东南方向的山岗上，是一处集历史人文与自然风光于一体的游览胜地。2006年5月被公布为第六批全国重点文物保护单位。

据寺内宣文佛塔刹顶宝瓶外壁的铭文记载，永祚寺始建于明万历二十七年（1599）。当时为了补辅太原文运不足，兴盛士风，以傅霖为首的缙绅、学士初建一座风水塔，即文峰塔（东塔），寺名“永明寺”。文峰塔建成九年后，明万历三十六年（1608），在晋王朱敏淳的倡导、邀请和万历皇帝母亲慈圣宣文皇太后的资助下，五台山住持妙峰法师又增建一座新塔“宣文佛塔”以及无梁殿建筑群：大雄宝殿、三圣阁、两耳方丈和西禅堂、东客堂，形成了“两峰插天”、楼阁巍然的大观，并改寺名为“永祚寺”。历代地方志都把“凌霄双塔”作为太原古八景之一，被誉为“晋阳奇观”。姚奠中老先生在《永祚双塔四百周年记》中写道：“永祚之所以著名，既在于大殿牡丹，更在于双塔。……行旅远来，遥见塔影，即知太原将至；公私外出，回首塔身，渐远渐没，难尽依依之怀。唯此，双塔不仅为古城之标志，殆同于多情之主人”。可见永祚寺双塔不单是一处古建筑文物，更是太原人民的情怀所寄托，见证了太原市四百多年的发展历程。

然而四百年来，由于地基的不均匀沉降，地基承载能力的不足，地下水位的差异变化，偏心受压导致恶性循环，以及地震的影响，文峰塔倾斜严重。1989年，专业人士对文峰塔进行了精准测量，数据显示其塔尖相对中心位移将近2.28m，塔身扭曲变形极为严重，同时还对塔基地质进行了勘察；1992年，对文峰塔进行了基础结构形式、塔底静压力、塔体材料抗压强度等一系列理化检测工作；1993年，文峰塔的中心点已向西北倾斜至2.86m；1995年7月，太原市政府聘请我国著名的纠偏大师曹时中先生开始纠偏维修文峰塔，采用沉井法，成功将斜度缩小为0.86m，引起全国文物科学专家学者的普遍关注；1996年开始对文峰塔塔基进行加固及维修，并对塔身残破扭曲变形进行了整修等工作，让双塔“延年益寿”，恢复和保持了原有的风貌。

近年来，预防性保护的相关理论已成为文物保护领域的主流理念，我们作为文物保护研究的从业人员也在积极转变保护观念，践行预防性保护理念，对永祚寺宣文塔、文峰塔及大雄殿等建筑进行倾斜和沉降观测。本文主要对监测的方法进行初步探讨和对一段时间内的监测数据进行分析。

2 变形监测基准网的建立和监测方法

2.1 监测思路（技术路线）

2.1.1 倾斜观测

①布设平面控制网（GPS静态＋地面观测边长，联测已知点，作为起算数据）。

②前方角度交会，测得变形点坐标。

③求圆心方程，求得塔心坐标。

④三角高程求变形点高程，进而求得塔心高程。

⑤各层塔心对照，求得塔的倾斜。

2.1.2 沉降观测

①布设高程控制网（水准联测已知点，作为起算数据）。

②沉降观测。

2.2 监测频率和周期

观测频率和观测周期的确定以能系统地反映所测建筑物的变形过程为原则。由于双塔从纠偏后二十多年未进行过变形观测，因此我们将其中前两期观测间隔定为半年，后续为每年一次。其中，首期观测值是整个变形测量的基础数据，两次同精度独立观测，可以保证初始值有足够的可靠性。目前，我们采用已完成三期的观测任务做数据分析，三期观测任务分别在2018年1月完成第一期，2018年7月完成第二期，2019年8月完成第三期。

2.3 基准网的建立

2.3.1 确立观测起算点

太原市二等水准网（2016年实测），可作为沉降观测基准，其中二等水准点“迎泽检察院”“松庄村委会”“太原市实验中学”可作为沉降观测起算点。

太原市C级GPS网（2015年实测），可作为水平位移观测基准，其中“测绘院”“铁校”“赵璧沟标”可作为水平位移观测起算点。

这些控制点均远离变形区域，位置稳定，易于长期保存。

2.3.2 定位基础

平面坐标系：太原独立坐标系。高程基准：大沽高程系。

2.3.3 精度指标

依据项目的具体要求，参照《建筑变形测量规范JGJ8-2016》，项目变形监测的级别定为二等，即水平位移监测点坐标中误差±3.0mm，沉降监测点测站高差中误差±0.5mm。

2.3.4 平面基准点的选埋

结合场地条件，埋设15个具有强制对中装置的观测墩，另利用旧有观测墩1个。点名按内外命名为N1—N7，W1—W9。

结合以上几点要求并经现场踏勘，控制点布设如图1。

2.3.5 高程基准点的选埋

选取5-6个水平位移观测墩，直接在水平位移观测墩上布设，作为高程基准点。标石及其水准标志埋设完成、凝固稳定后，利用水准仪或全站仪测量各观测墩强制对中标志和水准标志的高差。

2.3.6 变形点的选取与布设

综合考虑所要反映的变形量，各变形点布设要求如下：

①倾斜观测点布设在塔的一层、六层和十一层拐角处。两个塔共计48个。标志为直径15mm的不锈钢球。

②双塔的沉降观测点布设在塔基础拐角的承重部位，两个塔共布设16个点。

4座殿堂的沉降观测点布设在每座殿堂4个基础拐角的承重部位，共布设16个点。

2.4 观测方法

2.4.1 平面控制网

首期观测，需联测“测绘院”“铁校”“赵璧沟标”，之后各期观测不需联测。点N4不具备卫星定位观测条件，需利用全站仪观测数据平差求得。

①卫星导航定位测量。GPS网观测采用静态观测模式，基本技术要求如下：网形的连接方式采用边连式；截止高度角≥15°；有效观测卫星数≥6；数据采样间隔15s；PDOP值≤5；时段长度180min；观测时段数1。

②全站仪测量。控制网外部控制点平均边长在100m左右，内部控制点平均边长在50m左右，对可通视的控制点利用全站仪测量边长、水平角、垂直角。

观测方法：开始测量 → 测量＋ → 多测回测角（中国版）→ 测站设置（输入测站、测站点号、观测测回数、仪器高，输入水平角、垂直角、距离观测的各项限差 → 学习测量（输入点号、目标高、棱镜类型、找准目标后点测存、照准下一点，完成后点完成 → 自动测量（仪器开始自动观测，自动观测完成后点确认）。

2.4.2 高程控制网

按照国家二等水准测量要求，采用水准测量的方法，与太原市测绘研究院二等水准点、“迎泽检察院”“松庄村委会”“太原市实验中学”联测，平差获得工作基点的高程，作为起算高程。

历次观测是通过与工作基点间联测一条闭合水准线路，由线路的工作点来测量各观测点的高程。

2.4.3 倾斜观测

①按照三角高程测量的要求，测得一层、六层、十一层的角点高度和顶部的高度。

②采用前方角度交会方法，利用N1—N7基准点采用前方边角交会的方法观测一层的8个点，利用W1—W9基准点采用前方角度交会的方法观测十一层的8个点，利用N1—N7和W1—W9基准点采用前方角度交会的方法观测六层的8个点。

③倾斜观测数据处理。

④倾斜观测结果（表1）。

表1 倾斜观测结果

⑤倾斜观测成果分析（表2～表4）。

表2 第一、二期塔心坐标对比表观测值

表3 第二、三期塔心坐标对比表观测值

表4 塔心坐标累计变化量

由表1～表4可知，双塔第一、二期间，第二、三期间，以及累计的变形量，小于极限误差±6.0mm（即位移监测点坐标中误差±3.0mm的2倍）。因此认为双塔的位移监测点在这三期之间没有变形或变形不显著。

2.4.4 沉降观测

沉降观测按照高程控制网的观测方法和要求，对32个沉降点进行了2次独立观测。以W3点的高程作为起算点，对双塔寺的高程工作网进行平差。第二、三期，高程基准网复测后，对所有基准点分别按照两两组合，计算当期平差后的高差数据和上期平差后高差数据之间的差值。经计算，所有高差差值不大于限差。根据《建筑变形测量规范 JGJ8-2016》中5.4.2的规定，当所有高差差值不大于限差时，可认为基准点“双塔寺W3”稳定，二、三期的沉降点高程计算中采用的是第一期“双塔寺W3”的高程值。用徕卡测量LGO软件对双塔寺W1、W3、W8、W9、N3、N5构成的闭合线路平差计算，可得沉降数据（表5）。

表5 沉降观测数据

由表5可知，沉降比较均匀。

3 监测中出现的问题及解决办法

①不锈钢观测墩温度变形问题。第一期观测，发现不锈钢墩因向阳侧和背阴侧的温差存在轻微的变形，后对其不锈钢墩进行了保温处理，解决了该问题。

②夏天树木生长茂盛，遮挡严重，观测时有4个点只有两个方向通视，没有多余观测条件。茂密的树叶对GNSS观测影响较大，GNSS测量控制网的精度整体有所降低。第一期的观测时间是冬季，没有树叶遮挡，观测条件较好。建议以后在冬季进行观测。

③对比三期控制点坐标可知，控制点发生了位移。一方面不锈钢观测墩的平面位置通不过检验，另一方面，沉降量出现了负值。主要因为不锈钢观测墩的效果比混凝土观测墩要差一些，埋设的控制点应经过一个冻土期和雨季的静置。

4 总结

①从数据分析表明，永祚寺双塔均朝西北方向倾斜，反映了双塔的保存状况，为今后的保护和管理提供了依据。

②测量的所有点位都有照片记录存档，以便日后继续监测使用。

③建议今后增用先进的三维激光扫描技术，建立三维模型，为双塔的保护和修缮提供更有利的保障。