杭州市余杭区塘栖镇广济桥监测技术设计方案

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。

（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，其限差为两次读数差不大于1.0″，测回差不大于3.0″。

2．2、可靠性分析

控制网进行精度估算后, 系统给出如下粗差分析数据:

各站观测值分类C: c-方向, a-方位, d-边长, h-高差, $-间高

权p -- 对边长以PPM为单位.

多余观测分量r = 1-AQxxAP

可靠性指标的:

显著水平为a0,检验功效为b0,非中心参数为d0

若, a0=0.1%, b0=80%, 有 d0=4.13, 则

内可靠性指标R, 一般认为: R<5 好, R<=10 一般, R>10 差

外可靠性指标R' : R'<3 好, R'<=8 一般, R'>8 差

m=0.000500 a0=0.1% b0=80% d0=4.13

2．3、水平角观测

a. 水平角采用方向法观测12个测回，方向多余6个时应分组观测。采用索佳SET2300RK3全站仪观测，使用垂线作为照准目标。

b. 水平方向观测的限差按规范执行。

c. 水平角观测使用的仪器在测前应按规定进行检定。

2．4、 三角网边长观测

a. 每条边均应往返观测4测回，观测限差为：往返较差不得大于3mm。

b. 应在大气稳定和成象清晰的气象条件下进行观测，如在雾、雨天，大气透明度较差的情况下不宜观测。

c. 测站和镜站均应测定气象数据（温度、气压）。

d. 测距仪测前应按规定送计量检定站检定。

2．5、 垂直角观测

a. 天顶距采用中丝法观测4测回。

b. 垂直角其互差不大于10″，指标差互差不大于10″。

c. 测边与测垂直角同步进行。

2．6、 水平监测的平差计算

a. 对水平角观测值进行测站平差，计算出各方向平差值的中误差。

b. 计算三角形闭合差，并按菲列罗公式计算测角中误差。

c. 对观测边长进行气象改正、加常数改正、乘常数改正、倾斜改正、投影改正。

d. 根据边长往返测平距之差，计算出往返观测的平均值中误差。

e. 监测网的平差采用经典严密平差“NF-33”软件计算。首期进行两次观测，可采用经典平差，自由网平差和拟稳平差等，并按统计检验的方法进行检验，符合要求取平均值作为监测网的基准值。

3、垂直位移监测

3．1、水准网的布设、设计

水准基准点采用有关单位提供的城市精密导线点。根据广济桥监测工作的需要水准工作基点埋设在桥的南北两岸共计4点，形成两个环的水准网。

3．2、水准点的埋设

水准点应埋设广济桥两岸的公路旁，用不锈钢作标志，以保证稳定可靠，并加以保护盖。

3．3、水准观测

a. 测前对仪器和标尺进行全面检定，仪器i角不得大于15″。

b. 在水准线路上先用水准仪、水准尺、皮尺选点定位，这样可以提高观测速度和精度。

c. 水准观测中严格执行规范要求。

d. 观测测次

首期观测应在两个时间段内完成，连续观测二次取平均值作为基准值。

3、4、水准网的平差计算

a. 水准网的概算，首先观测高差加尺长改正，然后计算每公里往返测高差中数偶然中误差，有关限差为高差中数偶然中误差不大于0.5mm，往返测不符值不大于2，环闭合差不大于1.0， R 和F均以公里为单位。

b. 首期平差按经典严密平差，采用“NF-33”软件计算，然后进行水准网的拟稳平差。

4、监测网复测的数据处理

1. 一年度的基准值复测时应按自由网拟稳平差，求得每个基准点的位移量，然后对其稳定性进行检验，以确定是否有明显点位移动。

2. 自由网拟稳平差方法对每个选定的稳定点要进行统计检验，稳定成立时，平差成果才可靠，否则要剔除非稳定点，重新进行自由网拟稳平差。

六、质量保证措施：

建立质量保证和质量控制机制，对监测的全过程进行质量控制。监测仪器必须在有效定期内使用，并在规定的检定周期内进行检定，自检的仪器设备等应按期进行自检。作业人员在每次观测时应详细记录荷载情况，描述监测的广济桥古建筑物出现的情况，并在现场及时计算各测点的辅差，检查各读数是否正确无误，各项误差是否在允许的范围内。做到记录清晰、齐全，计算准确无误。检查员应及时对成果数据进行检查验算，发现问题及时处理。审核员负责报告的审核，把好质量的最后一道关。

七、监测资料的整编

变形监测资料包括自动采集或人工采集的各种原始观测数据、各类计算资料、以及相关的专项报告等技术资料。对上述资料进行汇集、审核、整理、编排，使资料集中、系统化、规范化和图表化，并刊印成册称为监测资料整编。

1．监测资料的平时整理工作

监测资料的平时整理工作包括以下内容：

① 收集各种资料

② 对收集到的资料进行适时检查

③对监测成果进行数据输入

④ 按一定的顺序对各类资料进行分组编排。

2．监测资料的定期整编工作

监测资料需进行定期整编。古建筑资料整编周期一般在以1～5年为宜。

整编工作主要包括以下内容：

① 汇集古建筑基本情况（含各种运行状态的控制指标）、监测系统布置和相关考证资料，各次巡查记录资料、有关的报告和文件。

② 根据工程监测资料，在平时整理的基础上，对整编时段内的监测成果按时序进行列表统计和校对。如平时建有数据库，可由数据管理程序列表输出。对一些监测中的特殊情况，应附加说明。

③ 根据监测结果统计资料绘制各监测点各向位移在时间和空间上的分布特征图（包括过程线图、分布图、等值线图等），并绘制与水位、温度等影响因素有关的相关图。

④ 分析各观测物理量（即监测点各向位移变化量）的变化规律与影响因素，提出对工程安全影响的评价，并对影响工程安全的问题提出运行和处理意见。

3．监测资料的整编后的刊印

整编资料刊印的编排顺序一般为：封面→目录→整编说明→工程概况→考证资料→巡视检查资料→观测资料→分析成果→封底。

①封面内容：工程名称、整编时段、卷册名称、编号、整编单位、刊印日期等。

②整编说明：整编时段内的工程变化和运行概括、现场巡查和监测工作概况，观测设备维修、检校和更新改造情况，监测资料和考证资料的可信程度。

③观测资料：按相应工程项目监测规范所规定的编排次序排列，每一个项目统计表在前，整编图表在后。

④观测资料分析成果：一般指常规性分析结果，包括分析内容和方法、分析结果、简要结论和建议。

3、监测资料的分析

监测资料分析是体现观测工作效果的重要环节。

① 作图分析法

绘制相关关系图，位移变化分布图，等值线图。观察每一个监测点的位移变化过程、点与点间变化规律异同；每一个项目的位移变化分布，相关项目间位移分布异同；监测点位移影响因素之间的相关关系。

② 对比分析法

对比分析可以了解点与点间、项目与项目间、测次与测次间的位移变化规律。

③ 统计分析

用数理统计的方法分析监测成果的变化规律和变化特征，分析监测成果的周期性、相关性，并判断其发展。

八、监测预警制度

在广济桥监测过程中，一旦发现广济桥遗产存在安全隐患，须及时填报《预警通知书》报有关部门，会同有关专家及时审查、批复、并由上级主管部门制定修复、抢修方案；由主管部门按规定及时逐级上报文物部门审批，并及时向县级以上地方人民政府和省级文物主管部门报告。

九、监测费用估算