7第7章工程的变测和数据处理方案

1、2021-11-221第七章 工程建筑物的变形监测 2021-11-222 7.1 变形监测的基础知识变形监测的基础知识 7.2 变形监测方案设计变形监测方案设计 7.3 变形观测数据处理变形观测数据处理 7.4 变形监测资料整理、成果表达和解释变形监测资料整理、成果表达和解释第七章 工程建筑物的变形监测 2021-11-2237.1 变形监测的基础知识7.1.1 变形监测的定义和分类7.1.2 工程变形监测的意义和特点7.1.3 变形影响因子和变形模型7.1.4 变形监测的技术和方法 2021-11-2247.1 变形监测的基础知识7.1.1 变形监测的定义和分类 什么是变形监测？ 什么是变

2、形体？ 为什么要进行变形监测？ 变形监测的内容及分类2021-11-2257.1.1.1变形监测的定义变形监测： 对监视对象或物体(简称变形体)进行定期测量以确定其空间位置随时间的变化特征。 包括全球性、区域性、和工程建筑物的变形监测。 定期测量则是时间上的离散观测，分静态变形和动态变形监测 2021-11-2267.1.1.1变形监测的定义变形监测的对象-变形体 变形体用有代表性的位于变形体空间上离散的监测点来代表，监测点的空间位置随时间的变化可以描述变形体的变形 对于工程的安全来说，变形监测为变形分析提供基础数据，变形分析又是为变形预报服务的。根据变形预报来修改监测方案，指导工程管理、整治

3、和灾害预防。 变形监测是基础，变形分析是手段，变形预报是目的。2021-11-2277.1.1.2变形监测的分类 工程建筑物的变形分为： （1）变形体自身的形变 （2）变形体的刚体位移。 （1）变形体自身的形变： 伸缩、错动、弯曲和扭转。 （2）变形体的刚体位移: 整体平移、转动、升降和倾斜。 2021-11-2287.1.1.2变形监测的分类 变形监测主要分水平位移监测、垂直位移监测两大类，还包括倾斜、扰度、偏距、震动、裂缝和伸缩、错动、弯曲、扭转等的监测。 水平位移和垂直位移监既可描述变形体的刚体位移，也可描述变形体自身的形变。 2021-11-2297.1.1.3变形监测的内容 获取变形

4、几何量： 水平位移、垂直位移以及偏距、倾斜、扰度、弯曲、扭转、震动、裂缝等。 获取与变形有关的影响因子（物理量）：温度、气压，应力、应变、水位、水压，渗流、渗压、扬压，静荷载、动荷载以及时间等。 本章主要讲述工程建筑物的变形监测。 2021-11-22107.1.2 工程变形监测的意义和特点7.1.2.17.1.2.1变形监测的意义变形监测的意义 1 1、实用意义：、实用意义： 保障工程安全。保障工程安全。 2 2、科学意义：、科学意义： 解释变形的机理，解释变形的机理， 验证变形的假说，验证变形的假说， 检验设计是否合理，检验设计是否合理， 为修改设计、制定规范提供依据。为修改设计、制定规范

5、提供依据。2021-11-22117.1.2 工程变形监测的意义和特点7.1.2.27.1.2.2变形监测的特点变形监测的特点（1）变形监测贯穿于工程建设和运营的始终，需要进变形监测贯穿于工程建设和运营的始终，需要进行长期的重复观测。行长期的重复观测。（2）精度差别很大，有极高精度要求。精度差别很大，有极高精度要求。不同工程建筑不同工程建筑 物、不同阶段、不同的变形监测项目，要求的精度物、不同阶段、不同的变形监测项目，要求的精度不同，相差非常大。不同，相差非常大。 对变形监测常采用一种极高精度要求：即对变形监测常采用一种极高精度要求：即“以当时以当时能达到的最高精度为标准进行变形观测能达到的最

6、高精度为标准进行变形观测”。 （3）对遥控、遥测和自动化要求更高。对遥控、遥测和自动化要求更高。 2021-11-2212 变形监测的精度举例 项 目位移中误差限值水平位移坝 体重 力 坝1.0mm拱 坝径 向2.0mm切 向1.0mm坝 基重 力 坝0.3mm拱 坝径 向0.3mm切 向0.3mm坝体、坝基垂直位移坝顶1.0mm坝基0.3mm坝体、坝基挠度0.3mm倾 斜坝 体5.0坝 基1.0坝体表面接缝与裂缝0.2mm近坝区岩体水 平 位 移2.0mm垂直位移2.0mm滑坡体和高边坡水 平 位 移3.0(岩质边坡)5.0 (土质边坡)垂 直 位 移3.0mm裂 缝1.0mm2021-11

7、-22137.1.3 变形影响因子和变形模型7.1.3.1 变形影响因子 变形原因的时间特征表现为急剧变化、随机变变形原因的时间特征表现为急剧变化、随机变化、近似线性变化、周期变化等多种情况。我们将化、近似线性变化、周期变化等多种情况。我们将引起变形的原因称为引起变形的原因称为变形影响因子变形影响因子。 变形影响因子中，有的是可测量的，有的是难变形影响因子中，有的是可测量的，有的是难于定量描述的，应对引起工程建筑物变形的影响因于定量描述的，应对引起工程建筑物变形的影响因子进行定期测量或与变形监测同步同时测量。子进行定期测量或与变形监测同步同时测量。 2021-11-22147.1.3 变形影响

8、因子和变形模型7.1.3.1 变形影响因子 引起工程建筑物变形的原因有多种多样，如地，如地壳运动、基础形变、地下开采、地下水位变化、作壳运动、基础形变、地下开采、地下水位变化、作用在工程建筑物上的各种荷载（包括风、日光、雪、用在工程建筑物上的各种荷载（包括风、日光、雪、冰、暴雨、水压、地震、滑坡、泥石流、自重、桥冰、暴雨、水压、地震、滑坡、泥石流、自重、桥上的车辆等）以及机械设备安装偏离设计值、上的车辆等）以及机械设备安装偏离设计值、 温度、温度、 气候变化等气候变化等。 2021-11-22157.1.3 变形影响因子和变形模型7.1.3.2 变形体的几何模型变形监测：变形监测： 空间离散化

9、空间离散化监测点监测点 时间离散化时间离散化周期性监测周期性监测 变形体的的相对运动即自身的形变可通过对目标点变形体的的相对运动即自身的形变可通过对目标点之间的连接元素进行周期性或连续性测量之间的连接元素进行周期性或连续性测量(称相对定称相对定位位)得到。得到。 变形体的绝对运动则是通过对位于变形体之外的参变形体的绝对运动则是通过对位于变形体之外的参考点、工作基点与位于变形体之上的目标点之间的考点、工作基点与位于变形体之上的目标点之间的连接元素进行周期性或连续性的测量连接元素进行周期性或连续性的测量(称绝对定位称绝对定位)得到。得到。2021-11-22167.1.3 变形影响因子和变形模型7

10、.1.3.2 变形体的几何模型变形体的几何模型 定义定义（参见图（参见图7-17-1） ： 参考点、目标点及其它们之间的连接称为变形体参考点、目标点及其它们之间的连接称为变形体的几何模型。的几何模型。 概念：概念： 变形体空间上的离散化：监测点（目标点）变形体空间上的离散化：监测点（目标点） 时间上的离散化：周期性监测、持续性监测时间上的离散化：周期性监测、持续性监测 相对定位、绝对定位相对定位、绝对定位 参考点、目标点参考点、目标点 不变量、可变量不变量、可变量2021-11-2217变形体的几何模型（图7-1）图7-1 变形体的几何模型 2021-11-22187.1.3 变形影响因子和变

11、形模型 参考点的坐标可看成是不变的（不变量），目标点坐标参考点的坐标可看成是不变的（不变量），目标点坐标是变化的（可变量），根据目标点坐标随时间的变化可导出是变化的（可变量），根据目标点坐标随时间的变化可导出变形体的变形。变形体的变形。 变形监测的目的就是确定目标点之间的相对运动以及目变形监测的目的就是确定目标点之间的相对运动以及目标点相对于变形体周围的绝对运动。标点相对于变形体周围的绝对运动。 参考点、目标点布设的要点：参考点、目标点布设的要点： 位置、数量（密度）位置、数量（密度） 埋石、布标。埋石、布标。 2021-11-22197.1.3 变形影响因子和变形模型7.1.3.3 变形模型

12、的一般表达式 一个变形影响因子（或称影响因子）引起变形体在时刻的变形量，不仅与该时刻的变形影响因子大小有关，而且与该时刻以前各时刻的变形影响因子大小有关。 动态变形模型的一般数学表达式：动态变形模型的一般数学表达式： 式中：式中： 为为 时刻变形影响因子的大小，时刻变形影响因子的大小， 为它的权函为它的权函数，相当于对变形量数，相当于对变形量 的贡献，的贡献， 为回返时间间隔。为回返时间间隔。 ()x t2021-11-22207.1.3 变形影响因子和变形模型2021-11-2221 典型动态变形模型一、非周期变形一、非周期变形1、突变模型 （图7-2(a)） 2021-11-2222 2、

13、渐变模型（图7-2(b)）： 典型动态变形模型2021-11-2223 二、周期变形（图7-2(c)） 典型动态变形模型2021-11-2224三、运动型变形模型 在许多情况下（如在许多情况下（如滑坡），变形影响因子滑坡），变形影响因子的大小是随机性变化且的大小是随机性变化且不可量测的，或者虽可不可量测的，或者虽可量测而难于建立影响因量测而难于建立影响因子与变形间的函数模型。子与变形间的函数模型。运动模型把变形视为时运动模型把变形视为时间的函数：间的函数： 典型动态变形模型2021-11-22257.1.4 变形监测的技术和方法 7.1.4.1 常规的大地测量方法7.1.4.2 特殊的大地测量

14、方法7.1.4.3 现代高新测量方法 7.1.4.4 裂缝和振动观测方法 2021-11-22267.1.4 变形监测的技术和方法 7.1.4.1 常规的大地测量方法 指用常规的大地测量仪器测量方向、角度、边长、基线和高差等量所采用方法的总称。 常规的大地测量仪器： 光学经纬仪、光学水准仪、电磁波测距仪、电子经纬仪、电子水准仪、电子全站仪、gps接收机等 常规大地测量方法： 网观测法，视准线法、交会法、极坐标法、几何水准法、精密测距三角高程法等。2021-11-22277.1.4 变形监测的技术和方法 7.1.4.2特殊的大地测量方法 包括微距离及其变化的测量方法、液体静力水准测量、基准线法、

15、倾斜测量、挠度测量和传感器测量等方法，见本书第3章3.4节 2021-11-22287.1.4 变形监测的技术和方法 7.1.4.3现代高新测量方法 有三维激光扫描测量法、合成孔径雷达测量方法、远程微形变雷达测量方法以及摄影测量方法等，见本书第3章有关部分 2021-11-22297.1.4 变形监测的技术和方法 7.1.4.4 裂缝和振动观测方法 1）裂缝观测法。工程建筑物的裂缝观测内容包括对裂缝编号，观测裂缝的位置、走向、长度、宽度等，对于重要的裂缝，要埋设如图7-4所示的观测标志，用游标卡尺定期地测定两个标志头之间距离的变化，确定裂缝的发展情况。 1-钻孔后回填的混凝土，2-观测标志，

16、3-裂缝，4-游标卡尺的标志头图7-4裂缝观测标志2021-11-22307.1.4 变形监测的技术和方法 7.1.4.4 裂缝和振动观测方法 2）振动观测法。而对于塔式建筑物，在温度和风力荷载作用下，其挠曲会来回摆动，从而就需要对建筑物进行动态观测振动（摆动）观测。有的桥梁也需进行振动观测，对于特高的房屋建筑，也存在振动现象，（例如美国的帝国大厦，高102层，观测结果表明， 风荷载下，最大摆动达7.6cm）。 为了观测建筑物的振动，可采用专门的光电观测系统，其原理与激光铅直相似。采用全球定位系统（gps）技术可作持续动态的振动观测。7.2 变形监测方案设计变形监测方案设计变形监测方案设计变形

17、监测方案设计内容内容 1）监测方法选择）监测方法选择 2）变形监测网和变形监测点布设）变形监测网和变形监测点布设 3）测量精度（所需的测量精度）测量精度（所需的测量精度 ，对于监测网，对于监测网，是确定目标点坐标，是确定目标点坐标、的允许精度或坐标差的的允许精度或坐标差的允许精度允许精度 4）观测周期数（施测的次数）观测周期数（施测的次数） 5）两周期之间的时间间隔）两周期之间的时间间隔t 6）一周期所允许的观测时间）一周期所允许的观测时间 7.2 变形监测方案设计变形监测方案设计几个名词几个名词 测量精度测量精度 预计最大变形量预计最大变形量 变形监测分辨率变形监测分辨率 变形速率变形速率

18、周期时间周期时间 一周期所允许的观测时间一周期所允许的观测时间7.2.1典型变形的监测设计典型变形的监测设计7.2.1.1 非周期变形的监测设计非周期变形的监测设计 测量精度测量精度 与预计的最大变形量与预计的最大变形量y（准确性差）（准确性差）有关：有关： y：变形监测分辨率，相邻两周期间能以一定概：变形监测分辨率，相邻两周期间能以一定概率率(如如p=95%)区分的最小变形量。区分的最小变形量。y = 10y。或7.2.1.1 非周期变形的监测设计非周期变形的监测设计 突变模型：末期观测必须在变形趋于平缓的时突变模型：末期观测必须在变形趋于平缓的时刻进行：刻进行： t为与变形体有关的时间常数

19、，根据试验和经为与变形体有关的时间常数，根据试验和经验确定。验确定。 在在 和和 之间要进行多期观测。设第之间要进行多期观测。设第 与与 期期间时间间隔为间时间间隔为t ，t与与y和变形速率和变形速率 有关：有关： 7.2.1.1 非周期变形的监测设计非周期变形的监测设计 初期，由于初期，由于 较大且不精确，故较大且不精确，故t较小且误差较大；较小且误差较大；后期，后期， 值愈来愈小且愈来愈精确，值愈来愈小且愈来愈精确，t 会愈来愈大且会愈来愈大且愈来愈准确。一周期所允许的观测时间愈来愈准确。一周期所允许的观测时间 应满足：应满足： 的大小对测量方法的选择很有意义。的大小对测量方法的选择很有意

20、义。 7.2.1.2 周期变形的监测设计周期变形的监测设计7.2.1.2 周期变形的监测设计周期变形的监测设计 t与周期时间与周期时间 有关，有有关，有 m=2，表示只对两个极值有兴趣且准确地知道所发生，表示只对两个极值有兴趣且准确地知道所发生的时间，如在大坝的最高水位和最低水位时观测。的时间，如在大坝的最高水位和最低水位时观测。 m=20， 满足满足 7.2.1.3 运动式变形的监测设计运动式变形的监测设计 测量精度根据要求监测的最小变形量来确测量精度根据要求监测的最小变形量来确 定定，即要求满足，即要求满足 t应满足应满足 每一次的观测时间每一次的观测时间 由下式估算。由下式估算。7.2.

21、2 测量方案设计需考虑的问题测量方案设计需考虑的问题 7.2.2.1 确定测量精度时需考虑的问题确定测量精度时需考虑的问题 对于监测网，要将坐标精度转化为观侧值的精度。对于监测网，要将坐标精度转化为观侧值的精度。 网的模拟网的模拟优化设计优化设计：确定观测方案，确定观测元素（：确定观测方案，确定观测元素（如方向、距离、高差、如方向、距离、高差、gps基线边长等）及其精度基线边长等）及其精度 测量精度选取测量精度选取：仪器的标称精度、外界影响，应有一：仪器的标称精度、外界影响，应有一定富余。定富余。 按设计的测量方案和精度计算出各目标点坐标的精度按设计的测量方案和精度计算出各目标点坐标的精度，应

22、完全满足要求。，应完全满足要求。 7.2.2.1 确定测量精度时需考虑的问题确定测量精度时需考虑的问题 1971年国际测量师联合会年国际测量师联合会(fig)第十三届会议上工程第十三届会议上工程测量组提出：测量组提出：“如果观测的目的是为了使变形值不超如果观测的目的是为了使变形值不超过某一允许的数值而确保建筑物的安全，则其观测的过某一允许的数值而确保建筑物的安全，则其观测的中误差应小于允许变形值的中误差应小于允许变形值的1/101/20；如果观测的；如果观测的目的是为了研究其变形的过程，则其中误差应比这个目的是为了研究其变形的过程，则其中误差应比这个数小得多。数小得多。”普遍的观点是：普遍的观

23、点是：应采用当时所能获得的最好测量仪器应采用当时所能获得的最好测量仪器和技术，达到其最高精度和技术，达到其最高精度不同类型工程建筑物，其精度要求差别较大；不同类型工程建筑物，其精度要求差别较大；同一建筑物，不同部位、不同时间对观测精度的要求同一建筑物，不同部位、不同时间对观测精度的要求也不相同。也不相同。 建筑物变形测量等级及精度建筑物变形测量等级及精度变形变形测量测量等级等级 沉降观测沉降观测 位移观测位移观测 适用范围适用范围 观测点测站高差观测点测站高差中误差中误差 （mm） 观测点坐标观测点坐标中误差（中误差（mm） 特级特级 0.05 0.3 特种精密工程，重要科研项目变形特种精密工

24、程，重要科研项目变形观测观测 一级一级0.15 1.0 高精度要求的大型建筑物，科研项高精度要求的大型建筑物，科研项目变形观测目变形观测 二级二级 0.50 3.0 中等精度要求的建筑物和科研项目中等精度要求的建筑物和科研项目变形观测；重要建筑物主体倾斜观变形观测；重要建筑物主体倾斜观测、场地滑坡观测测、场地滑坡观测 三级三级 1.50 10.0 低精度要求的建筑物变形观测；一低精度要求的建筑物变形观测；一般建筑物主体倾斜观测、场地滑坡般建筑物主体倾斜观测、场地滑坡观测观测 7.2.2.2 确定周期方面需考虑的问题确定周期方面需考虑的问题一、观测周期数的确定一、观测周期数的确定 观测周期数观测

25、周期数取决于变形的大小、速度及观测的目的，取决于变形的大小、速度及观测的目的，且与工程规模、监测点数量、位置以及观测一次所需且与工程规模、监测点数量、位置以及观测一次所需时间有关。时间有关。在工程建筑物建成初期，变形速度较快，在工程建筑物建成初期，变形速度较快，观测周期应多一些，随着建筑物趋向稳定，可减少观观测周期应多一些，随着建筑物趋向稳定，可减少观测次数；但仍应坚持观测，以便发现异常变化。测次数；但仍应坚持观测，以便发现异常变化。 及时进行第一周期观测及时进行第一周期观测具有重要意义，推延初始测量具有重要意义，推延初始测量可能失去已经发生的变形，应特别重视第一周期观测可能失去已经发生的变形

26、，应特别重视第一周期观测的质量，以后各周期的成果要与第一期比较。的质量，以后各周期的成果要与第一期比较。大坝变形观测周期选择表大坝变形观测周期选择表 变形种类变形种类 水库蓄水前水库蓄水前 水库蓄水库蓄水水 水库蓄水水库蓄水后后23年年 正常运营正常运营 混凝土坝：混凝土坝：沉陷沉陷相对水平位移相对水平位移绝对水平位移绝对水平位移土石坝：土石坝：沉陷和水平沉陷和水平位移位移 1个月个月半个月半个月0.51个月个月1季度季度 1个月个月1周周1季度季度1个月个月 36个月个月半个月半个月1季度季度1季度季度 半年半年1个月个月612个月个月半年半年 7.2.2.2 确定周期方面需考虑的问题确定周

27、期方面需考虑的问题 大坝运行期间，大坝运行期间，观测时刻的选择也很重要观测时刻的选择也很重要，特别是为，特别是为了确定是否存在水平位移有向下游方向的趋势性变化了确定是否存在水平位移有向下游方向的趋势性变化，参数，参数是否显著。是否显著。 7.2.2.2 确定周期方面需考虑的问题确定周期方面需考虑的问题 7.2.2.2 确定周期方面需考虑的问题确定周期方面需考虑的问题二、一周期内观测时间的确定 一周期内所有测量工作需在允许的时间间隔t内完成。否则，周期内的变形将歪曲目标点的坐标值。 长周期变形，t可达几天甚至数周，可选用各种大地测量仪器和技术。 日周期变形，t为数十分钟，可选用快速测量仪器和技术

28、，如gps、georobot。 短周期变形，t仅为数分甚至数秒，需要考虑采用摄影测量方法或自动化测量方法。 7.2.3.3 确定费用时需考虑的问题确定费用时需考虑的问题 总费用包括：总费用包括： 1）建立监测系统的一次性花费。）建立监测系统的一次性花费。 2）每一个观测周期的花费。）每一个观测周期的花费。 3）维护和管理费。）维护和管理费。 当变形监测项目所要求的当变形监测项目所要求的观测周期较少观测周期较少时，采时，采用用常规大地测量方法较好常规大地测量方法较好； 若观测周期多且周期中若观测周期多且周期中测量持续时间较短测量持续时间较短，应，应采用特殊的测量方法，研制专用仪器，建立采用特殊的

29、测量方法，研制专用仪器，建立全自全自动化监测系统动化监测系统。7.2.2.4 其他方面需考虑的问题其他方面需考虑的问题 1）在监测时，变形体）在监测时，变形体不能被触及不能被触及，更不准许人，更不准许人在上面行走，否则将影响其变形形态在上面行走，否则将影响其变形形态 2） 只有在一定的时候只有在一定的时候才能到达变形体，在变形才能到达变形体，在变形体上工作有特别的危险性，这种情况，许多测量体上工作有特别的危险性，这种情况，许多测量方法也不能采用方法也不能采用 3）有的变形监测任务仅在于将变形体的原始状）有的变形监测任务仅在于将变形体的原始状态保存下来，一旦该监测对象发生了变化，则通态保存下来，

30、一旦该监测对象发生了变化，则通过测量来比较和证明所发生变化的情况，这时宜过测量来比较和证明所发生变化的情况，这时宜采用采用摄影测量方法摄影测量方法，其优点是初始测量的费用少，其优点是初始测量的费用少，在需要时可对丰富的摄影信息进行详细处理乃，在需要时可对丰富的摄影信息进行详细处理乃至空间分析。至空间分析。 4）基于下述原因，）基于下述原因，应采用自动化监测方法应采用自动化监测方法 需要作需要作持续动态监测，或变形的速度太快持续动态监测，或变形的速度太快； 监测点太多，监测点太多，人工观测工作量很大人工观测工作量很大，或需要同一，或需要同一时刻获得许多个监测点的变形；时刻获得许多个监测点的变形；

31、 要求要求监测的时间间隔太短监测的时间间隔太短。变形过程需要短时间。变形过程需要短时间间隔的观测数据描述；间隔的观测数据描述； 监测环境太恶劣监测环境太恶劣，如噪声、高压、高热、高磁场，如噪声、高压、高热、高磁场等对人体有危害，或人无法到达；等对人体有危害，或人无法到达； 要求变形监测作业不影响日常生产和运行管理要求变形监测作业不影响日常生产和运行管理 当变形量达到一定的值时，对当变形量达到一定的值时，对变形体本身或环境变形体本身或环境将造成巨大危害将造成巨大危害，但这种危害可通过事先报警而，但这种危害可通过事先报警而避免或减小时，宜采用自动化的持续监测系统，避免或减小时，宜采用自动化的持续监

32、测系统，用计算机进行实时监控检核，需要时报警。用计算机进行实时监控检核，需要时报警。 7.3 变形观测数据处理变形观测数据处理变形观测数据处理变形观测数据处理 监测网的周期观测数据处理监测网的周期观测数据处理 各监测点上的监测数据处理各监测点上的监测数据处理 变形分析变形分析 变形预报变形预报 7.3.2 监测网参考点的稳定性分析监测网参考点的稳定性分析 参考点稳定性分析参考点稳定性分析目的目的： 对参考网进行周期观测的目的在于检查参考点是否对参考网进行周期观测的目的在于检查参考点是否都是稳定的。通过检验，选出真正的稳定点作为监都是稳定的。通过检验，选出真正的稳定点作为监测网的固定基准，从而可

33、确定监测体上目标点的变测网的固定基准，从而可确定监测体上目标点的变形。形。 方法：方法：平均间隙平均间隙-最大间隙法最大间隙法、组合后验方差、组合后验方差检验法检验法 高斯高斯- -马尔可夫模型：马尔可夫模型： 参考点坐标向量的估值及协因数矩阵参考点坐标向量的估值及协因数矩阵 7.3.2.1 7.3.2.1 平均间隙平均间隙- -最大间隙法最大间隙法 由由d 及及 构成的二次型构成的二次型 称为平均间隙。整体检验（参考网的叠合分析）：称为平均间隙。整体检验（参考网的叠合分析）： 零假设零假设备择假设备择假设 成立，即成立，即ddq7.3.2.1 7.3.2.1 平均间隙平均间隙- -最大间隙法

34、最大间隙法构成统计量构成统计量当零假设成立时，说明参考点不存在显著性变形。当零假设成立时，说明参考点不存在显著性变形。当备择假设成立时，说明参考点存在显著性变形。当备择假设成立时，说明参考点存在显著性变形。做分解：做分解： 7.3.2.1 平均间隙平均间隙-最大间隙法最大间隙法做以下变换做以下变换 构造二次型：构造二次型： 7.3.2.1 平均间隙平均间隙-最大间隙法最大间隙法 称 为动点间隙， 为其余点的平均间隙。 对所有的参考点，均轮换做上述分解并计算 , 其中最大的一个称为最大间隙，最大间隙所对应的点为显著性变形点。 对剩下的平均间隙 再重复上述的整体检验，直至整体检验通过。 7.3.2

35、.1 平均间隙平均间隙-最大间隙法最大间隙法 经过上述检验，参考网若存在至少两个稳定经过上述检验，参考网若存在至少两个稳定点，可作约束平差。如果少于两个稳定点，则点，可作约束平差。如果少于两个稳定点，则应进行拟稳平差。应进行拟稳平差。7.3.2.1 平均间隙平均间隙-最大间隙法最大间隙法拟稳平差：拟稳平差： 把参考网点当做拟稳点，把参考网点当做拟稳点，拟稳点的权根据其上的拟稳点的权根据其上的位移向量大小按一定的规则确定位移向量大小按一定的规则确定，如，如 表示第表示第j j点的位移向量，点的位移向量， 是一个小的正数。是一个小的正数。在确定出固定基准或拟稳基准后，所在确定出固定基准或拟稳基准后

36、，所计算出动点以计算出动点以及目标点的位移向量则是相对于基准的真实位移及目标点的位移向量则是相对于基准的真实位移，利用所求的位移及其精度就可以进行变形体变形模利用所求的位移及其精度就可以进行变形体变形模型鉴别和变形参数的估计。型鉴别和变形参数的估计。 7.3.2.2 组合后验方差检验法组合后验方差检验法7.3.2.2 组合后验方差检验法组合后验方差检验法组合后验方差检验法的计算步骤如下：组合后验方差检验法的计算步骤如下： 1）根据基准点数进行基准点组合，如有）根据基准点数进行基准点组合，如有m个基准个基准点，则可取点，则可取m个、个、 m -1个、个、 m -2个、个、 m - k个基个基准点

37、的组合，但不能小于准点的组合，但不能小于2，当等于，当等于2时，所选的时，所选的点不能相距太近。按组合计算公式得点不能相距太近。按组合计算公式得基准点为定值基准点为定值时的组合个数时的组合个数 2）对每一组合作后验方差检验。若零假设不成立）对每一组合作后验方差检验。若零假设不成立，可得到显著变动的基准点，剔除统计量最大即变，可得到显著变动的基准点，剔除统计量最大即变动最大的基准点，对余下的基准点再作迭代计算，动最大的基准点，对余下的基准点再作迭代计算，直到检验通过或只有两个基准点为止直到检验通过或只有两个基准点为止 7.3.2.2 组合后验方差检验法组合后验方差检验法 2 2220002210

38、0:():()hehe7.3.2.2 组合后验方差检验法组合后验方差检验法当当 时，备选假设成立，说明有基时，备选假设成立，说明有基准点发生了显著变动，准点发生了显著变动， 为分位值为分位值当基准点数小于当基准点数小于2时，说明无足够的已知点，时，说明无足够的已知点，“组合后验方差检验法组合后验方差检验法”无效。此时可采用无效。此时可采用自由网平差或拟稳平差，即以网的重心为基自由网平差或拟稳平差，即以网的重心为基准。但也有缺陷，因为拟稳点或自由网点并准。但也有缺陷，因为拟稳点或自由网点并不一定满足随机微小变动的假设。不一定满足随机微小变动的假设。7.3.3 变形分析变形分析 变形分析变形分析包

39、括静态、似静态点场分析（拟在划分包括静态、似静态点场分析（拟在划分稳定点和变形点）。稳定点和变形点）。对变形点的变形可用对变形点的变形可用综合变形模型综合变形模型（计算刚体变（计算刚体变形及相对形变参数）、形及相对形变参数）、运动模型（运动模型（计算速度、加速计算速度、加速度）和度）和动力学模型描述动力学模型描述（根据受力与变形的函数关（根据受力与变形的函数关系确定变形）。系确定变形）。7.3.3变形分析变形分析 变形分析分为：变形的几何分析和物理解释几何分析在于确定变形量的大小、方向及其变化，即变形体形态的动态变化。物理解释在于确定引起变形的原因（例如是由某种荷载为主引起的周期性变形），和确

40、定变形的模式（属于弹性变形还是塑性变形，是自身内部形变还是整体变形等）总的来说，变形监测是基础，变形分析是手段，变形预报是目的，变形观测数据处理的过程就是进行变形分析和预报的过程。7.3.3 变形分析变形分析 7.3.3.1 7.3.3.1 回归分析法回归分析法 回归分析回归分析是处理变量之间相关关系的一种数理统是处理变量之间相关关系的一种数理统计方法。计方法。 变形值变形值( (亦称效应量，如位移、沉陷、挠度、倾斜亦称效应量，如位移、沉陷、挠度、倾斜等等) )为为系统的输出系统的输出，影响因子（亦称环境量，如库水，影响因子（亦称环境量，如库水位、气温、气压、坝体混凝土温度、渗流、渗压以及位、

41、气温、气压、坝体混凝土温度、渗流、渗压以及时间等）为时间等）为系统的输入系统的输入，将输入称，将输入称自变量自变量，输出称，输出称因因变量变量。 用回归分析方法近似地估计变形与影响因子间的用回归分析方法近似地估计变形与影响因子间的函数关系。根据这种函数关系可以解释变形产生的原函数关系。根据这种函数关系可以解释变形产生的原因，同时也可以进行预报，自变量取预计值时变形的因，同时也可以进行预报，自变量取预计值时变形的预报值。预报值。 重要概念重要概念：1 1）回归分析回归分析既是一种统计计算方法，又是一种变形的物理解既是一种统计计算方法，又是一种变形的物理解释方法。释方法。2 2）若只是两个变量之间

42、的问题，即一个自变量的情况，称）若只是两个变量之间的问题，即一个自变量的情况，称一一元回归元回归。3 3）若两个变量之间存在线性函数关系，则为直线回归。若为）若两个变量之间存在线性函数关系，则为直线回归。若为非线性关系，有两种处理方法：非线性关系，有两种处理方法： （1 1）根据散点图和常见的函数曲线进行匹配，通过变量变）根据散点图和常见的函数曲线进行匹配，通过变量变换把曲线问题化为直线问题；换把曲线问题化为直线问题； （2 2）用多项式拟合任一种非线性函数，通过变量变换把）用多项式拟合任一种非线性函数，通过变量变换把一一元非线性回归元非线性回归问题化为问题化为多元线性回归多元线性回归问题。问

43、题。 直线回归方为：直线回归方为： 双曲线方程：双曲线方程： 代换：代换： 化为一元直线回归问题：化为一元直线回归问题： 7.3.3.1 回归分析法回归分析法7.3.3.1 回归分析法回归分析法关系：关系：总离差平方和总离差平方和 s 等于残差平方和等于残差平方和 q 加加上回归平方和上回归平方和 u。 s = q + u 几何意义：几何意义：总离差平方和总离差平方和为变形观测值与变形为变形观测值与变形观测值的平均值之差的平方和，残差平方和为观测值的平均值之差的平方和，残差平方和为变形观测值与变形观测值的回归值之差的平方变形观测值与变形观测值的回归值之差的平方和，回归平方和为变形观测值的回归值

44、与变形和，回归平方和为变形观测值的回归值与变形观测值的平均值之差的平方和。观测值的平均值之差的平方和。 7.3.3.1 回归分析法回归分析法 回归平方和回归平方和 u 为经过回归之后使总离差平方和为经过回归之后使总离差平方和 s 减少的那一部分，减少的那一部分，u 愈大，表示回归效果愈好；愈大，表示回归效果愈好； 残差平方和残差平方和 q 表示经过回归之后自变量对因变量表示经过回归之后自变量对因变量的非线性影响及它们的测量误差影响部分，回归的非线性影响及它们的测量误差影响部分，回归计算公式是以计算公式是以 q 等于最小的原理推导的。等于最小的原理推导的。 在在s 一定的情况下，一定的情况下，q

45、 愈小，则愈小，则u 愈大。愈大。q 愈小愈小， 愈小，另外，变形影响因子的个数愈小，另外，变形影响因子的个数m愈少，愈少， 也愈小。在用回归模型进行预报或控制时，也愈小。在用回归模型进行预报或控制时，应选应选用尽可能少的影响因子，达到尽可能高的拟合度用尽可能少的影响因子，达到尽可能高的拟合度，即，即q、m 都尽可能地小。都尽可能地小。20s7.3.3.1 回归分析法回归分析法7.3.3.2 其他方法其他方法时间序列分析法时间序列分析法频谱分析法频谱分析法模糊人工神经网络法模糊人工神经网络法小波分析法小波分析法7.4 7.4 变形监测资料整理、成果表达和解释变形监测资料整理、成果表达和解释 7

46、.4.1 变形监测资料整理变形监测资料整理 7.4.2 成果表达成果表达 7.4.3 成果解释成果解释 7.4.1 变形监测资料整理变形监测资料整理1 1、变形观测资料：、变形观测资料： 包括自动采集或人工采集的各种原始观测数据包括自动采集或人工采集的各种原始观测数据。 对原始观测资料进行汇集、审核、整理、编排对原始观测资料进行汇集、审核、整理、编排，使之集中、系统化、规格化和图表化，并刊，使之集中、系统化、规格化和图表化，并刊印成册称为印成册称为观测资料整理观测资料整理。 观测资料整理自动化观测资料整理自动化 2 2、资料整理的主要内容：、资料整理的主要内容：（1）收集资料）收集资料（如：工

47、程或观测对象的资料、考证资（如：工程或观测对象的资料、考证资料、观测资料及有关文件等）。料、观测资料及有关文件等）。（2）审核资料）审核资料（如：检查收集的资料是否齐全、审查（如：检查收集的资料是否齐全、审查数据是否有误或精度是否符合要求、对间接资料进行转数据是否有误或精度是否符合要求、对间接资料进行转换计算、对各种需要修正的资料进行计算修正、审查平换计算、对各种需要修正的资料进行计算修正、审查平时分析的结论意见是否合理等）。时分析的结论意见是否合理等）。（3）填表和绘图）填表和绘图（将已核数据资料分类填入成果统计（将已核数据资料分类填入成果统计表；绘制各种过程线、相关线、等值线图等；按一定顺

48、表；绘制各种过程线、相关线、等值线图等；按一定顺序进行编排）。序进行编排）。（4）编写整理成果说明）编写整理成果说明（如：工程或其他观测对象情（如：工程或其他观测对象情况、观测情况、观测成果说明等）。况、观测情况、观测成果说明等）。7.4.1 变形监测资料整理变形监测资料整理3 3、观测资料分析阶段：、观测资料分析阶段：（1 1）施工期的资料分析）施工期的资料分析（计算分析建筑物在施工期取计算分析建筑物在施工期取得的观测资料，可为施工决策提供必要的依据。）得的观测资料，可为施工决策提供必要的依据。）（2 2）初期蓄水期的资料分析）初期蓄水期的资料分析（以查明水工建筑物承受（以查明水工建筑物承受

49、实际水荷载作用时的工作状态，保证水工建筑物蓄水期实际水荷载作用时的工作状态，保证水工建筑物蓄水期的安全。）的安全。）（3 3）运行期的资料分析）运行期的资料分析（应定期进行（例如（应定期进行（例如5年一次年一次）,分析成果用以判断大坝等水工建筑物性态是否正常分析成果用以判断大坝等水工建筑物性态是否正常,评评估其安全程度估其安全程度,制定维修加固方案，更新改造安全监测系制定维修加固方案，更新改造安全监测系统。统。 ）7.4.1 变形监测资料整理变形监测资料整理4 4、资料分析常用方法：、资料分析常用方法： （1 1）作图分析）作图分析（将观测资料绘制成各种曲线，常用将观测资料绘制成各种曲线，常用

50、的是将观测资料按时间顺序绘制成过程线。）的是将观测资料按时间顺序绘制成过程线。） （2 2）统计分析）统计分析（用数理统计方法分析计算各种观测（用数理统计方法分析计算各种观测物理量的变化规律和变化特征，分析观测物理量的周期物理量的变化规律和变化特征，分析观测物理量的周期性、相关性和发展趋势。性、相关性和发展趋势。 ） （3 3）对比分析）对比分析（将各种观测物理量的实测值与设计（将各种观测物理量的实测值与设计计算值或模型试验值进行比较，相互验证，寻找异常原计算值或模型试验值进行比较，相互验证，寻找异常原因，探讨改进运行和设计、施工方法的途径。）因，探讨改进运行和设计、施工方法的途径。） （4

51、4）建模分析）建模分析（采用系统识别方法处理观测资料，（采用系统识别方法处理观测资料，建立数学模型，用以分离影响因素，研究观测物理量变建立数学模型，用以分离影响因素，研究观测物理量变化规律，进行实测值预报和实现安全控制。化规律，进行实测值预报和实现安全控制。 ）7.4.1 变形监测资料整理变形监测资料整理建模分析建模分析常用数学模型常用数学模型 统计模型统计模型，主要以逐步回归计算方法处理实测资料建主要以逐步回归计算方法处理实测资料建立的模型；立的模型； 确定性模型确定性模型，主要以有限元计算和最小二乘法处理实主要以有限元计算和最小二乘法处理实测资料建立的模型；测资料建立的模型； 混合模型混合

52、模型，一部分观测物理量（如温度）用统计模型一部分观测物理量（如温度）用统计模型，一部分观测物理量（如变形）用确定性模型。这种方，一部分观测物理量（如变形）用确定性模型。这种方法能够定量分析，是长期观测资料进行系统分析的主要法能够定量分析，是长期观测资料进行系统分析的主要方法。方法。7.4.1 变形监测资料整理变形监测资料整理注意：注意：1、原始观测值绝大多数以数字形式提供，少部分是以原始观测值绝大多数以数字形式提供，少部分是以模拟的方式输出模拟的方式输出2、对于变形监测网的周期观测数据需进行观测值的质对于变形监测网的周期观测数据需进行观测值的质量检查，如完整性、一致性检查，进行粗差和系统误量检

53、查，如完整性、一致性检查，进行粗差和系统误差检验，方差分量估计，保证变形观测数据处理结果差检验，方差分量估计，保证变形观测数据处理结果正确可靠。正确可靠。3、对于各监测点上的时间序列实测资料，通过插值方对于各监测点上的时间序列实测资料，通过插值方法或拟合方法整理成等间隔时间的观测序列以便供变法或拟合方法整理成等间隔时间的观测序列以便供变形分析使用。形分析使用。4、观测成果计算和分析中的数字取位应符合规范规定观测成果计算和分析中的数字取位应符合规范规定。原始记录成果应整洁、清晰，不得涂改，严禁作伪。原始记录成果应整洁、清晰，不得涂改，严禁作伪；计算成果应完整、正确，图表应整齐、美观。；计算成果应

54、完整、正确，图表应整齐、美观。7.4.1 变形监测资料整理变形监测资料整理提交成果资料提交成果资料：1.1. 技术设计书和测量方案；技术设计书和测量方案； 2.2. 监测网和监测点布置平面图；监测网和监测点布置平面图； 3.3. 标石、标志规格及埋设图；标石、标志规格及埋设图； 4.4. 仪器的检校资料；仪器的检校资料； 5.5. 原始观测记录原始观测记录( (手簿和（或）电子文件手簿和（或）电子文件) )； 6.6. 平差计算、成果质量评定资料；平差计算、成果质量评定资料； 7.7. 变形观测数据处理分析和预报成果资料；变形观测数据处理分析和预报成果资料； 8.8. 变形过程和变形分布图表；

55、变形过程和变形分布图表； 9.9. 变形监测、分析和预报的技术报告。变形监测、分析和预报的技术报告。 7.4.2 成果表达成果表达 形式：形式：文字、表格、图形，多媒体、仿真、虚拟文字、表格、图形，多媒体、仿真、虚拟现实技术现实技术要点：要点：变形监测、分析和预报的技术总结和报告变形监测、分析和预报的技术总结和报告是最重要的成果。在正确、可靠的前提下，才是是最重要的成果。在正确、可靠的前提下，才是表达的逻辑性和艺术性。表达的逻辑性和艺术性。图表结合的恰当十分重图表结合的恰当十分重要，还要满足业主的要求要，还要满足业主的要求7.4.2 成果表达成果表达 文字：文字：变形监测、分析和预报的技术总结和报变形监测、分析和预报的技术总结和报告是最重要的成果。告是最重要的成果。表格：表格：表格是一种最简单的表达形式，用它直表格是一种最简单的表达形式，用它直接列出观测成果或由之导出变形。表格的设计接列出观测成果或由之导出变形。表格的设计编排应清楚明了，如按建筑阶段或观测周期编编排应清楚明了，如按建筑阶段或观测周期编排。变形值与同时获取的其他影响量如温度、排。变形值与同时获取的其他影响量如温度、水位等数据可一起表达。水位等数据可一起表达。图形：图形：图形表达最直观，形式也最丰富多彩图形表达