变形监测方法及方案设计

[教学目目的]：使学学生了了解和和掌握握变形形观测测技术术方法及及变形形观测测方案案的设设计.[教学重重点]：1.变形观观测方方法2.变形观观测方方案的的设计计.[教学方方法]：讲授授第一章章、变变形监监测§1.1变形监监测技技术一、变变形监监测的的定义义及意意义变形监监测是是对被被监视视的对对象（（变形形体））进行行测量量以确确定其其空间位位置随随时间间的变变化特特征。。为变形形分析析和预预报提提供基基础数数据。。变形体体：工工程建建筑物物、技技术设设备以以及其其他自自然或或人工工对象象。如：古古塔与与电视视塔、、桥梁梁与隧隧道、、船闸闸与大大坝、、大型天天线、、车船船与飞飞机、、油罐罐与贮贮矿仓仓、崩滑体体与泥泥石流流、采采空区区与高高边坡坡、城市与与灌溉溉沉降降区.变形观观测意意义：：对于工程建建筑物：为为改善建筑筑物理参数数、地基强强度参数提提供依据，，防止工程程破坏事故故，提高抗抗灾能力。。机械技术设设备：保证证设备安全全、可靠、、高效地运运行，为改改善产品质质量和新产产品设计提提供技术依依据.滑坡：通过过监测其随随时间变化化过程，可可进一步研研究引起滑滑坡的成因因，预报大大的滑坡灾灾害。矿山：可采采用控制开开挖量和加加固等方法法，避免危危险性变形形的发生，，同时可改改进变形预预报模型。。地壳构造运运动监测。。二、变形观观测方法（一）常规的的大地测量量方法指用常规的的经典或现现代的大地地测量仪器器测量方向向、角度、、边长和高高差等量所所采用的方方法的总称称。仪器：光学学经纬仪、、水准仪、、电子经纬纬仪、水准准仪、测距距仪、全站站仪、GPS等.特点：1.能提供变形形体整体的的变形状态态；2.观测量通过过组网线可可进行测量量成果的校校核和精度度的评定；；3.灵活性大，，能适用于于不同的精精度要求、、不同形式式的变形和和不同的外外界条件.缺点：外业业工作量大大，作业时时间长，不不易实现连连续监测和和测量过程程自动化.沉降：几何何水准测量量（H）位移：一维维水平位移移（X或Y）二维维水水平平位位移移（（XY）倾斜斜：：i挠度度一维维水水平平位位移移：：①测测小小角角法法②活活动动觇觇牌牌法法③控控制制线线法法④激激光光经经纬纬仪仪准准直直和和波波带带板板激激光光准准直直法法激光光点点光光源源、、波波带带板板装装置置、、光光电电探探测测器器⑤引引张张线线法法三测测回回平平均均值值中中误误差差0.03mm二维维水水平平位位移移：：①极极坐坐标标法法②导导线线法法③前前方方交交会会法法④单单三三角角形形⑤GPS10-6CMPU双频频监监测测器器双频频监监测测器器双频频监监测测器器参参考考点点单频频监监测测器器GPS连续续监监测测系系统统框框图图挠度度：：在在建建筑筑物物的垂直直面内各各不不同同高高程程点点相相对于于底底点点的的水水平平位位移称称为为挠挠度度。。美国国纽纽约约‘‘帝帝国国大大厦厦’’高高102层，，在在风风荷荷载载作作用用下下，，最最大大摆摆动动达达7.6cm.可由由观观测测不不同同高高度度处处的的倾倾斜斜换换算算而而得得。。（二二））特特殊殊的的大大地地测测量量方方法法特点点：：①①测测量量过过程程简简单单②容容易易实实现现自自动动化化观观测测和和连连续续观观测测③提提供供的的是是局局部部的的变变形形信信息息1、沉沉降降测测量量：：液液体体静静力力水水准准测测量量法法①②当液液面面高高度度发发生生变变化化时时，，浮浮子子带带着着铁铁心心升升降降，，由由于于铁铁心心相相对对于于电电感感线线圈圈的的上上下下移移动动，，使使线线圈圈上上的的电电感感发发生生变变化化，，用用导导线线连连接接到到离离观观测测点点一一定定距距离离的的观观测测室室内内，，再再用用专专门门的的电电桥桥将将电电感感量量的的变变化化→→电电压压变变化化，，遥遥测测仪仪器器通通过过量量测测电电压压的的变变化化，，便便知知铁铁心心的的升升降降量量，，亦亦即即为为容容器器液液面面高度度的变变化化量量。。2、应变测量：：设两点间距距离为,第二周期测量量时距离变化化了那么为为两点间平均均线应变.当与变形形体尺寸比很小小时，则看看成为为点应变.测有有机械法：用因瓦丝、、石英棒等作作为长度的标标准.长度的变化用机机械—电子传感器测测量；精度：几十个个微米干涉法：激光干涉法法可测到几百百米，甚至几几千米.精度：10-7真空中：4X10-10应变传感器实实质为——导体（金属条条或很窄的箔箔条）做法：埋设在在变形体中，，由于变形体体中的应变使得导体伸伸长或缩短，，从而改变了了导体的电阻.电阻变化用电电桥测量，通通过测量电阻的的变化就可以以计算应变.测距离变化求求应变应变传感器3、准直测量：激激光在大气中精度度：10-5~10-6在真空中精度度：10-7~10-8方向性强，直直接准直如如：激光经经纬仪准直激光准直单色性好，衍衍射准直如如：波带极极激光准直尼龙丝准直：：尼龙丝直径径0.3mm，施加1.5kg拉力系统包括：尼尼龙丝拉紧装装置和一个对对中的读数显显微镜原理：如果逐次观测测三个点的偏偏离值，每次次推进一个点点，两个点重重叠起连接作作用，这样可可按连接支导导线计算导线线各中间点相相对于闭合边边的偏离值。。尼龙绳准直测测量的精度分分析连接支导线中中点（最弱点点）的准直精精度可用下式式估算：尼龙绳准直的的精度受①观观测仪器误差差②读数误差差影响③气流流的影响钢丝准直：引引张线，直径径1mm，10~50kg拉力拉紧钢丝丝.装置：端点，，观测点，钢钢丝和保护管管.设置浮托装置置三测回观测平平均值精度：：0.1~0.3mm垂直测量：光学垂准仪激光铅直仪：：可用于测定定高层建筑物物的摆动.机械法垂直直准直：正正垂倒垂：还可可用作变形形观测的基基准点。偏离值可通通过垂线坐坐标仪测得得。倾斜：电子子倾斜仪1.摆式倾斜仪仪利用可变电电感的原理理制成的，具有：①灵敏度高高②读数方便便③调整范围围宽2.气泡式倾斜斜仪我国制造的的气泡式倾倾斜仪2°观测范围1°如应用于设设备基础平平台的倾斜斜观测。3.差动电容式式电子水准准器工作原理：：当玻璃管管水准器倾倾斜时，气气泡向旁边边偏离x，使C1C2中介质的介介电常数发发生变化，，引起桥路路两臂的电电抗发生变变化，因而而桥路失去去平衡，可可用测量装装置将其记记录下来。。这种电子子水准器可可固定地安安置在建筑筑物或设备备的适当位位置，就能能自动地进进行倾斜观观测。适用用于作动态态观测，形成差动电电容装置高频交流电电压C1C2构成桥路两两臂Z1Z2为阻抗R载为负载电阻阻（三）摄影影测量方法法1.应用：地面摄影测测量方法越越来越广泛泛用于大型型工程建筑筑物的变形形观测。大型的工程程建筑物：：混凝土大大坝、档土土墙、高层层建筑物等等。空中摄影测测量也有用用于较大范范围的地面面变形测量量。如：测定由由于地下采采矿而引起起的地表移移动.由于火山喷喷发而致的的环境变化化……2.优点：①可同时测测定变形体体的任何变变形②提供完全全和瞬时的的三维空间间信息③大量减少少野外的测测量工作量量④可以不需需要接触被被测物体⑤有了摄影影底片，可可以观测到到变形体以以前的状态态。3.原理：有基基于固定摄摄站得时间间基线法：：测二维维变形有立体摄影影测量方法法：测三维维变形固定摄站的的时间基线线法原理：：原理：精度：参考点使用用：设内外外方位元素素不变，第第2次摄影时像点坐标标为x’，z’；内外方位元元素变化，，像点坐标标测得为设n个控制点列列误差方程程可解算系数数地面立体摄摄影测量的的解析处理理方法有：：1.空间前方交交会法2.空间后交—前交法3.严密解法4.直接线性变变换法左像片右像片坐标仪量测测的坐标值值像片坐标像方空间坐坐标当DLT系数已知：：对一个时时X列4个误差方程程可解出三三维坐标当DLT系数未知：：需布至少少6个控制点，，X解算出DLT系数再求XX坐标.§1.2变形监测方方案变形监测方方案的制定定影响到：：观测的成成本成果的精度度和可靠性性变形监测方方案的制定定包括以下下几个方面面：①变形观测测的精度②变形观测测的周期③变形观测测的内容④变形观测测的方法（（监测网布布置、观测测点布置………）⑤变形观测测的成本一、变形观观测的精度度确定典型精度1mm或相对精度度为10-6，制定变形观观测的精度度取决于变变形的大小小、速率、、仪器和方法所能达达到的实际际精度，以以及观测目目的等。一般：变形目的是是安全监测：观测误差差<(1/10~1/20)允许变形值值变形目的是是研究变形形过程：以以最高的精精度进行变变形观测如：某建筑筑物为框架架结构，基基础土层为为高压缩土土，相邻两两沉降观测点的的距离，两点差异异沉降量的的允许值为为δ=0.003l=0.003×8=24mm两点差异沉沉降量的观观测中误差差取为m差异=1/10δ=2.4mm差异沉降量量是两次高高差之差，，而高差又又是两点高高程之差，，则任一测测点高程中中误差为又如：某建建筑物高24m，允许倾斜斜值为：δδ=0.004Hg=96mm设倾斜是平平移和沉降降共同作用用，影响相相等，则允允许的平移移值为则：也和不同的的建筑物及及建筑物的的结构、部部位等有关关。一般：对于于有连续生生产线的大大型车间（（钢结构，，钢筋混凝凝土结构的的建筑物））m沉陷=2mmm高程H=1mm特种工程设设备m=0.1mm二、观测的周期观测内容沉陷量/mm水平位移/mm岩基上的混凝土坝压缩土上的混凝土坝土坝施工期间土坝运营期间12105125~103~5大坝的要求求列于下表表：定量：一般当时时，，认为是有有变形，否否则为误差差反映。定性：与荷荷载增加、、地基土质质、沉降变变形速度、、变形值大大小等有关。一般：施工工中，频率率要大一些些，一般三三天，七天天，半月。。竣工投产：：频率要小小一些，一一般一个月月、两个月月、三个月、半半年、一年年等。观测点稳定定后，荷载载增加25％，每增加加15％，…………第1年4次，第2年2次，以后后每年1次。变形种类水库蓄水前水库蓄水水库蓄水后2~3年正常运营沉

陷混凝土坝

相对水平位移

绝对水平位移土石坝

沉陷、水平位移1个月半个月0.5~1个月1季度1个月1周1季度1个月3~6个月半个月1季度1季度半年1个月6~12个月半年大坝变形形观测周周期：三、变形形观测的的内容根据不同同类建筑筑物及建建筑物的的不同部部位，甲甲方、乙乙方综合合商定。。四、变形形观测的的方法前面所讲讲的变形形监测技技术，都都是根据据控制点点直接测测定变形形的方法法，在所所有的方方法中，，都首先先要进行行变形监监测控制制网的布布设，然然后才能能以此为为基础测测定变形形值。控制网布布设：基准点———工作作基点———观测测点（目目标点））①布置原原则：远离或深深埋近，有变变形建筑物上上，反应应建筑物物变形②标志构构造形式式：如：地表表岩石标标考虑冻土土铆钉深埋双金金属标平峒岩石石标爆扩桩古树根……③监测网网坐标系系和基准准的选择择：大地坐标标系统：：当变形形体的范范围较大大且形状状不规则则时，可可选用该系统统好处：已已知系统统的归化化和投影影改正公公式监测网也也可得到到检查确定：将将监测网网与已有有的大地地网连测测或将大大地控制制网点直直接作为参考点点的方法法即可确确定一二三准网网秩亏数分别为为1、3、6（测边时时）↓↓1个已知点点2个已知点点基于监测测体的坐坐标系统统：适