外部变形监测方法及新技术介绍

大坝外部变形监测

——测量新技术及方法介绍

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一、外部变形监测内容简介

二、外部变形监测技术发展

三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用

四、GNSS北斗系统介绍及对未来大坝测量的意义

一、外部变形监测内容简介

二、外部变形监测技术发展

三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用

四、GNSS北斗系统介绍及对未来大坝测量的意义外部变形监测工作的内容

枢纽安全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。

外部变形观测一般指利用测量仪器与专用仪器和大地测量方法对枢纽建筑物表面的变形现象进行监测工作。 其他观测项目一般指环境量监测（包括上下游水位、库水位、气温、降雨、坝前淤积、下游冲刷等项目）,地震监测等。

一、外部变形监测内容简介

一、外部变形监测内容简介外部变形监测工作有两方面的作用

一是实际运用上的作用：掌握建筑物位移变化规律,为安全评估提供必要的信息,以便发现问题并及时采取工程措施,防止事故发生。

二是科学研究上的作用：可以更好地了解建筑物的变形机理,验证工程设计理论,以利于进行反馈设计和建立有效的变形预报模型。

一、外部变形监测内容简介

对于不同的水利水电工程项目,变形监测的工作内容和监测重点是有不同的。 对于砼坝，它的位移变化主要受水压力、外界温度变化、坝体自重等因素作用,所以砼坝的主要观测项目为垂直位移、水平位移、伸缩缝位移、混凝土应力、钢筋应力等。对于土石坝,它的位移变化受坝体自重渗压力水压力等因素作用，所以土石坝主要观测项目为渗流观测（包括渗流量、渗压力）、垂直位移、水平位移、土压力等。而对于大型地下洞室开挖则边墙收敛监测又作为主要监测内容之一。

一、外部变形监测内容简介

水平位移监测：对水工建筑物的顺水流方向或顺轴线方向的水平

位移变化进行监测常用观测方法分两大类。一类是基准线法,基准线法是通过一条固定的基准线来测定监测点的位移,常见的有视准线法、引张线法、激光准直法、垂线法。另一类是大地测量方法,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,常见的有交会法、精密导线法、三角测量法、GPS观测法等。

一、外部变形监测内容简介2.垂直位移观测：重点了解水工建筑有无不均匀垂直位移变化出现。常用的方法有几何水准测量方法、三角高程测量法、液体静力水准法等。3.挠度观测：本项目一般用于砼坝,以坝体内置的铅垂线（正锤线和倒锤线）为基准,测量坝体不同高度相对于铅垂线的位置变化,以测定各点的水平位移,从而确定坝体的挠曲变化。

一、外部变形监测内容简介4.裂缝观测：对建筑物产生的裂缝或库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、铟钢尺等进行精密量距。5.滑坡及崩岸观测：滑坡体崩岸区应进行定期监测,以及时进行预警,减少突发事件发生时的损失。一般采用布设水平和垂直位移观测标点进行定期监测。

一、外部变形监测内容简介

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二、外部变形监测技术发展

三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用

四、GNSS北斗系统介绍及对未来大坝测量的意义光机电技术的发展为实现监测自动化创造了条件光机电技术的发展和综合运用，使一些常规的人工读数设备变为自动测读设备，并采用光纤通信、无线电通信等手段完成信号传输工作，利用计算机技术进行在线分布式监测，形成了监测自动化系统。多种新技术的使用，将使外部变形监测工作向实时、连续、高效、自动化、动态方向发展。

二、外部变形监测技术发展常规大地测量方法进一步改善与发展全自动跟踪全站仪（也称测量机器人、Georbot）GNSS北斗对未来测量意义重大北斗系统的启用对长期依赖GPS及GLONASS的GNSS定位技术是重大改变，精度和实用性大大提升。数字摄影测量、实时摄影测量等新技术应用

二、外部变形监测技术发展

一、外部变形监测内容简介

二、外部变形监测技术发展

三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用

四、GNSS北斗系统介绍及对未来大坝测量的意义测量机器人的使用可以大大减轻劳动强度，提高准确度及工作效率。三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用测量机器人1、平面测量大坝的平面测量工作分为两大部分：A.水平位移监测点测量B.基准控制网的建立与复测三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用测量机器人在平面及高程测量中的应用A.水平位移监测点如何实现自动测量边角交会法双站边角交会，总体平差。

由A、B两点分别计算P点所得的坐标值。由于AB两站观测是等精度的，在无粗差情况下，可以以两个坐标值中的中值作为P点的坐标。三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用测量机器人实现自动化水平位移监测点测量，采用极坐标的计算原理实现。测定一个夹角、一条边长来确定被监测点的平面坐标（原理与极坐标法放点一样）。但极坐标法测量缺少多余校核条件，为提高监测精度采用了多个后视点后视、差分改正计算来提高观测精度。三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用按照自动型全站仪的标称精度，单纯采用极坐标测量显然达不到亚毫米级，必须采用先进的数据处理方法来进行修正测量值。极坐标差分法的基本思路是：由于测量实现了自动化，使得观测时间缩短，在短时间内，大气环境可视为相对不变，故利用基准点的观测信息，在无需测量气象元素的条件下实现大气折射、大气折光的实时差分改正，测试结果显示，在150m的距离上，距离测量精度为±0.2mm，水平方向测量精度为±0.24″，坐标测量精度达±0.2mm，说明在近距离上达到了比较高的精度。这种方法已经在水电大坝、地铁、桥梁、高边坡等自动化监测中广泛采用。三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用配置：（1）数据综合处理平台（接收、处理、存储）（2）测量机器人；（3）测量目标：基准点、测量监测点（4）数据链及供电系统三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用系统特点：高精度：平面优于0.2mm,高程优于0.5mm（150米）。稳定性好：系统节点少，维护简便。低成本：棱镜成本低，增加点容易。全天24h无人值守，超限自动报警（声音、电邮、短信）。方式灵活，可全自动可半自动。平面及高程成果同时测出，可一定程度上替代水准测量。三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用福建水口电站、街面电站安全在线监测系统三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用B.基准控制网的建立与复测中自动测量的应用大坝基准控制网是大坝监测的控制基础、首级控制网，用于对监测工作基点的点位校核。一般在大坝建设时期建立，初期作为施工控制网使用，大坝运营后成为基准控制网。一般一年左右需要复测一次，以检核基准网自身的稳定性。三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用大坝基准控制网的测量，测角九测回，测边6测回。10个点的控制网，到少需要精确照准目标600次以上，工作量大，测站数据处理工作多，对观测人员要求极高，费时很长。三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用以13个控制点的基准网为例三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用对测量人员要求低，测量效率数倍于常规人工测量；符合国家测量规范，自动控制数据质量，如归零差、2C互差、同一方向测回互差、指标差i互差、测距互差等；自动控制仪器进行观测，观测数据自动进入数据库；可以对水准网、三角高程网、高程导线网、三角网、三边网、边角同测网、导线网进行平差处理，使自动全站仪最大效率地发挥了作用。三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用基准控制网测量实现自动化，质量和精度不再依赖于测量人员的经验和计算能力，使以前只能由专业测量院做的复测工作，也能由小型的观测队伍来完成。三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用2、高程测量观测方法有水准测量、三角高程测量、静力水准测量等。一般认为，三角高程测量只能做到三等水准的精度。事实上，运用测量机器人，配合专用软件及专用棱镜等设施，三角高程已经可以做到二等高程的精度。这在高铁测量中已经成功运用。三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用测量机器人在平面及高程测量中的应用三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用精密三角高程测量的可能自动照准的高精度全站仪的仪器精度可以满足三角高程测量代替二等水准测量的要求。实现两台仪器同时对向观测，有利于削减大气垂直折光影响。在一个测段上对向观测的边为偶数条边，避免量取仪器高和觇标高。限制观测边的长度和高度角，以减少大气垂直折光和相对垂线偏差的影响。三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用三角高程测量实施精密三角高程测量按三角高程测量基本原理，采用自动照准的高精度全站仪同时对向观测，以基本消除或大大消弱大气垂直折光的影响。对向观测时照准棱镜固定在另一全站仪的把手上，在一个测段上对向观测的边为偶数条边，同时在测段的起末水准点上立高度不变的同一棱镜，这样可完全避免量取仪器高和觇标高。限制观测边的长度和高度角，以减少相对垂线偏差的影响。三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用仪器改装三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用起、末水准点观测方法在测段水准点附近（一般在20米以内，并要求起、末点大致相等）架设全站仪，在水准点上架设棱镜杆（起、末点为同一根杆，长度不变），进行距离和高度角观测。低棱镜两测回，高棱镜两测回。观测时各站上要在观测前测定温度和气压，在全站仪上设置，以便对边长进行改正。三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用观测三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用对向观测方法按仪器前进方向，先进行后测站观测，再进行前测站观测。每个测段进行单棱镜往返测或高低双棱镜观测，高低双棱镜观测顺序为：后低，前低，前高，后高。支线测段进行单棱镜往返测。一条边观测结束后，进行下条边观测，这时特别要注意，前站仪器不动，为下条边的后站，原后仪器迁至前面，为下条边的前站，在一个测段上对向观测的边为偶数条边。三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用观测三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用观测测回数（二等）对边观测边长一般在200～500米，丘陵地区、山地最长为1000米。竖角一般不超过10度。仪器架设要选择坚实的地面，并踩稳脚架。观测边长在100米以内测2测回，100～500米测4测回，500～800米测6测回，800～1000米测8测回。三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用观测测回数（三等）对边观测边长一般在200～500米，丘陵地区、山地最长为1000米。竖角一般不超过10度。观测边长在200米以内测2测回，200～700米测4测回，700～1000米测6测回。三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用观测限差各测回垂直角和指标差不超过5秒，距离不超过3毫米。测段往返测高差不符值不超出

毫米，双棱镜观测时按高低棱镜观测值分别计算高差，不符值不超出

毫米，并在测站上要检核高低棱镜观测高差之差。三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用观测经验在有太阳的中午前、后一段时间，望远镜成象受大气湍流影响而跳动，严重影响观测高度角的精度。最好不要观测或者是缩短观测边长。精密三角高程测量，观测时间的选择取决于成像是否稳定。但在日出、日落时，大气垂

直折光系数变化较大，不宜进行长边观测。三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用线路长约64公里，经过三个山口，两个低谷，起伏总高差超过2000米。线路附合于两个一等水准点上，闭合差为11.9mm。三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用大瑶山精密三角高程测量利用摄影测量学原理实现的高精度、非接触、实时性、全自动的测量仪器可用来测量视距范围内任何目标在二微平面内的微小移动测量过程不需要人工干预测量结果会自动发送到远处的数据后台仪器可以即时架设测量也可以固定安装长期监测数据后台可同时支持多台仪器联网测量3.摄影测量在平面及高程自动测量中的应用三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用基本技术指标测量分辨率可达到0.4秒（相当于2ppm）测量范围为±15分（相当于±400毫米/百米）工作距离可达到500米动态测量可达到每秒10次以上工作功耗小于15瓦，待机功耗小于2毫瓦使用温度范围-45摄氏度~+55摄氏度防尘防水等级IPX65三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用适用领域所有需要监测微小形变的目标测量坝体的绝对位移测量路轨的微小沉降测量高层建筑或结构顶部的平面摆动测量山体、边坡的微小移动测量大跨度绗架结构的变形测量任何目标的微小移动三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用测量系统的组成测量标靶测量/监测仪数据后台待测工程目标1目标2目标3目标4站点1站点2站点3站点4后台主机三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用与静力水准仪比较三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用4、隧道收敛仪在收敛自动监测中的应用收敛监测是大型地下洞室开挖边墙的主要监测内容之一。收敛监测是测定两个位移标点间的距离变化收敛计测读法专用锢钢尺丈量法全站仪直接测距法三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用

隧道收敛仪主要着眼于取代钢尺量距等人工测量方式而设计开发的激光自动测量设备。可用于大坝的大型地下洞室、地铁及公路隧道围岩收敛监测工作。收敛仪简单易用，精度高，可达到毫米级别，测量更精确，测程长达200米，设备安装简便，轻便小巧软件应实现数据通讯、质量检查、回归分析等功能。三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用隧道收敛仪通讯方式采用有线与无线两种形式通讯，方便施工期、运营期的通讯使用，设备软件无线通讯与有线通讯均可支持三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用

一、外部变形监测内容简介

二、外部变形监测技术发展

三、平面及高程自动测量方法在大坝外部变形监测中的应用

四、GNSS北斗系统介绍及对未来大坝测量的意义空间部分包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星MEO：中高度圆轨道卫星GEO：地球静止轨道卫星IGSO：倾斜地球同步轨道卫星地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。北斗卫星导航系统由空间、地面和用户三部分组成。四、GNSS北斗系统介绍及对未来大坝测量的意义51北斗卫星导航系统三步计划:第一步：2000年建成了北斗卫星导航试验系统。第二步：2012年覆盖亚太大部分地区的服务能力。第三步：2020年左右，全球覆盖能力。四、GNSS北斗系统介绍及对未来大坝测量的意义中国区域的局部增强“北斗”特有的GEO+IGSO卫星设计对中国区域进行局部增强，卫星信号更优。BDS运行示意图GPS+GLONASS运行示意图四、GNSS北斗系统介绍及对未来大坝测量的意义时间可用性和空间可用性更强可视卫星多，跟踪时间长，基于北斗的高精度定位产品能够长时间的以低PDOP