变形监测方法及方案设计

[教学目的]：使学生了解和掌握变形观测技术方法及变形观测方案的设计.[教学重点]：1.变形观测方法

2.变形观测方案的设计.[教学方法]：讲授第一章、变形监测§1.1变形监测技术一、变形监测的定义及意义变形监测是对被监视的对象（变形体）进行测量以确定其空间位置随时间的变化特征。为变形分析和预报提供基础数据。

变形体：工程建筑物、技术设备以及其他自然或人工对象。如：古塔与电视塔、桥梁与隧道、船闸与大坝、大型天线、车船与飞机、油罐与贮矿仓、崩滑体与泥石流、采空区与高边坡、城市与灌溉沉降区.变形观测意义：对于工程建筑物：为改善建筑物理参数、地基强度参数提供依据，防止工程破坏事故，提高抗灾能力。机械技术设备：保证设备安全、可靠、高效地运行，为改善产品质量和新产品设计提供技术依据.滑坡：通过监测其随时间变化过程，可进一步研究引起滑坡的成因，预报大的滑坡灾害。矿山：可采用控制开挖量和加固等方法，避免危险性变形的发生，同时可改进变形预报模型。地壳构造运动监测。二、变形观测方法（一）常规的大地测量方法指用常规的经典或现代的大地测量仪器测量方向、角度、边长和高差等量所采用的方法的总称。仪器：光学经纬仪、水准仪、电子经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪、GPS等.特点：

1.能提供变形体整体的变形状态；

2.观测量通过组网线可进行测量成果的校核和精度的评定；

3.灵活性大，能适用于不同的精度要求、不同形式的变形和不同的外界条件.缺点：外业工作量大，作业时间长，不易实现连续监测和测量过程自动化.

沉降：几何水准测量（H） 位移：一维水平位移（X或Y） 二维水平位移（XY） 倾斜：i

挠度一维水平位移：①测小角法②活动觇牌法③控制线法④激光经纬仪准直和波带板激光准直法

激光点光源、波带板装置、光电探测器⑤引张线法

三测回平均值中误差0.03mm二维水平位移：①极坐标法②导线法③前方交会法④单三角形⑤GPS10-6CMPU双频监测器双频监测器双频监测器参考点单频监测器GPS连续监测系统框图挠度：在建筑物的垂直面内各不同高程点相对于底点的水平位移称为挠度。美国纽约‘帝国大厦’高102层，在风荷载作用下，最大摆动达7.6cm.可由观测不同高度处的倾斜换算而得。（二）特殊的大地测量方法

特点：①测量过程简单

②容易实现自动化观测和连续观测

③提供的是局部的变形信息1、沉降测量：液体静力水准测量法

①

②当液面高度发生生变化时，浮子子带着铁心升降降，由于铁心相相对于电感线圈圈的上下移动，，使线圈上的电电感发生变化，，用导线连接到到离观测点一定定距离的观测室室内，再用专门门的电桥将电感感量的变化→电电压变化，遥测测仪器通过量测测电压的变化，，便知铁心的升升降量，亦即为为容器液面高度的变化量。2、应变测量：设设两点间距离为为,第二周期测量时时距离变化了那么为为两点点间平均线应变变.当与变形体尺寸比很小时时，则看看成为点应变.测有机械法：用因瓦丝、石石英棒等作为长长度的标准.长度的变化用机械械—电子传感器测量量；精度：几十个微微米干涉法：激光干涉法可可测到几百米，，甚至几千米.精度：10-7真空中：4X10-10应变传感器实质质为——导体（金属条或或很窄的箔条））做法：埋设在变变形体中，由于于变形体中的应应变使得导体伸长长或缩短，从而而改变了导体的电阻.电阻变化用电桥桥测量，通过测量电阻的变变化就可以计算算应变.测距离变化求应应变应变传感器3、准直测量：激激光在大气中精度：：10-5~10-6在真空中精度：：10-7~10-8方向性强，直接接准直如：：激光经纬仪准准直激光准直单色性好，衍射射准直如：：波带极激光准准直尼龙丝准直：尼尼龙丝直径0.3mm，施加1.5kg拉力系统包括：尼龙龙丝拉紧装置和和一个对中的读读数显微镜原理：如果逐次观测三三个点的偏离值值，每次推进一一个点，两个点点重叠起连接作作用，这样可按按连接支导线计计算导线各中间间点相对于闭合合边的偏离值。。尼龙绳准直测量量的精度分析连接支导线中点点（最弱点）的的准直精度可用用下式估算：尼龙绳准直的精精度受①观测仪仪器误差②读数数误差影响③气气流的影响钢丝准直：引张张线，直径1mm，10~50kg拉力拉紧钢丝.装置：端点，观观测点，钢丝和和保护管.设置浮托装置三测回观测平均均值精度：0.1~0.3mm垂直测量：光学垂准仪激光铅直仪：可可用于测定高层层建筑物的摆动动.机械法垂直准直直：正垂倒垂：：还可可用作作变形形观测测的基基准点点。偏离值值可通通过垂垂线坐坐标仪仪测得得。倾斜：：电子子倾斜斜仪1.摆式倾倾斜仪仪利用可可变电电感的的原理理制成成的，具有：①灵敏敏度高高②读数数方便便③调整整范围围宽2.气泡式式倾斜斜仪我国制制造的的气泡泡式倾倾斜仪仪2°观测范范围1°如应用用于设设备基基础平平台的的倾斜斜观测测。3.差动电电容式式电子子水准准器工作原原理：：当玻玻璃管管水准准器倾倾斜时时，气气泡向向旁边边偏离离x，使C1C2中介质质的介介电常常数发发生变变化，，引起起桥路路两臂臂的电电抗发发生变变化，，因而而桥路路失去去平衡衡，可可用测测量装装置将将其记记录下下来。。这种种电子子水准准器可可固定定地安安置在在建筑筑物或或设备备的适适当位位置，，就能能自动动地进进行倾倾斜观观测。。适用用于作作动态态观测测，形成差差动电电容装装置高频交交流电电压C1C2构成桥桥路两两臂Z1Z2为阻抗抗R载为负载载电阻阻（三））摄影影测量量方法法1.应用：：地面摄摄影测测量方方法越越来越越广泛泛用于于大型型工程程建筑筑物的的变形形观测测。大型的的工程程建筑筑物：：混凝凝土大大坝、、档土土墙、、高层层建筑筑物等等。空中摄摄影测测量也也有用用于较较大范范围的的地面面变形形测量量。如：测测定由由于地地下采采矿而而引起起的地地表移移动.由于火火山喷喷发而而致的的环境境变化化……2.优点：：①可同同时测测定变变形体体的任任何变变形②提供供完全全和瞬瞬时的的三维维空间间信息息③大量量减少少野外外的测测量工工作量量④可以以不需需要接接触被被测物物体⑤有了了摄影影底片片，可可以观观测到到变形形体以以前的的状态态。3.原理：：有基基于固固定摄摄站得得时间间基线线法：：测测二维维变形形有立体体摄影影测量量方法法：测测三维维变形形固定摄摄站的的时间间基线线法原原理：：原理：：精度：参考点点使用用：设设内外外方位位元素素不变变，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，以后每每年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个月半年大坝变形观观测周期：：三、变形观观测的内容容根据不同类类建筑物及及建筑物的的不同部位位，甲方、、乙方综合合商定。四、变形观观测的方法法前面所讲的的变形监测测技术，都都是根据控控制点直接接测定变形形的方法，，在所有的的方法中，，都首先要要进行变形形监测控制制网的布设设，然后才才能以此为为基础测定定变形值。控制网布设设：基准点———工作基点点——观测测点（目标标点）①布置原则则：远离或深埋埋近，有变形形建筑物上，，反应建筑筑物变形②标志构造造形式：如：地表岩岩石标考虑冻土铆钉深埋双金属属标平峒岩石标标爆扩桩古树根……③监测网坐坐标系和基基准的选择择：大地坐标系系统：当变变形体的范范围较大且且形状不规规则时，可可选用该系统好处：已知知系统的归归化和投影影改正公式式监测网也可可得到检查查确定：将监监测网与已已有的大地地网连测或或将大地控控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：适用用于那些些具有明明显结构构性特征征的变形形体坐标轴与与监测体体的主轴轴线重合合、平行行或垂直直。这时目标标点的变变形刚好好在某一一坐标方方向上。。注意※关关键：1.一旦选定定了固定定基准，