工程变形监测技术总结

第1章概述

主要内容变形监测的目的与意义变形监测的主要内容变形监测的精度与周期变形监测系统设计变形监测技术发展进展定义对被监测的对象或物体(简称变形体)进行测量以确定其空间位置及内部形态随时间的变化特征。变形监测又称变形测量或变形观测。变形体一般包括工程建筑物、技术设备以及其他自然或人工对象。工程建筑物和技术设备变形以及局部地表形变的监测乃是工程测量学的重要内容。变形监测是掌握建筑物工作性态的基本手段，但仅对建筑物进行位移特征的监测是不够全面的，还需要对结构内部的应力、温度以及外部环境进行相应的监测，只有这样才能全面掌握建筑物的性态特征，为此，在变形监测的基础上发展成为安全监测。安全监测的成果不仅可以反映建筑物的工作性态，同时还能反馈给生产管理部门，以控制和调节建筑物的荷载，所以，安全监测有时又称安全监控。安全监测的主要目的是确定建筑物的工作性态，保证建筑物的安全运营，为此，需要建立一套完整的安全评判理论体系，以分析和评判建筑物的安全状况，由此而产生和发展了一种新的建筑物健康诊断理论。1.1变形监测的目的与意义

目的与意义

分析和评价建筑物的安全状态

验证设计参数

反馈设计施工质量

研究正常的变形规律和预报变形的方法

具体表现对于机械技术设备，则保证设备安全、可靠、高效地运行，为改善产品质量和新产品的设计提供技术数据；对于滑坡，通过监测其随时间的变化过程，可进一步研究引起滑坡的成因，预报大的滑坡灾害；通过对矿山由于矿藏开挖所引起的实际变形的观测，可以采用控制开挖量和加固等方法，避免危险性变形的发生，同时可以改进变形预报模型。在地壳构造运动监测方面，主要是大地测量学的任务，但对于近期地壳垂直和水平运动以及断裂带的应力积聚等地球动力学现象、大型特种精密工程如核电厂、粒子加速器以及铁路工程也具有重要的工程意义。变形监测的特点

周期性重复观测

精度要求高

多种观测技术的综合应用

监测网着重于研究点位的变化

变形的原因主要可分为外部原因和内部原因两个方面。外部原因主要有：建筑物的自重、使用中的动荷载、振动或风力等因素引起的附加荷载、地下水位的升降、建筑物附近新工程施工对地基的扰动等等。内部原因主要有：地质勘探不充分、设计错误、施工质量差、施工方法不当等。分析引起建筑物变形的原因，对以后变形监测数据的分析解释是非常重要的。变形的的一般般分类类在通常常情况况下，，变形形可分分为静静态变变形和和动态态变形形两大大类。。静态变变形主主要指指变形形体随随时间间的变变化而而发生生的变变形，，这种种变形形一般般速度度较慢慢，需需要较较长的的时间间才能能被发发觉。。动态变变形主主要指指变形形体在在外界界荷载载的作作用下下发生生的变变形，，这种种变形形的大大小和和速度度与荷荷载密密切相相关，，在通通常情情况下下，荷荷载的的作用用将使使变形形即刻刻发生生。按变形形特征征分类类根据变变形体体的变变形特特征，，变形形可分分为变变形体体自身身的形形变和和变形形体的的刚体体位移移。变形体体自身身形变变包括括：伸伸缩、、错动动、弯弯曲和和扭转转四种种变形形；刚体位位移包包含整整体平平移、、整体体转动动、整整体升升降和和整体体倾斜斜四种种变形形。按变形速度分类类变形按照其速度度一般可分为：：长周期变形、、短周期变形和和瞬时变形。长周期变形一般般指在比较长的的时间段内发生生的循环变形过过程，如大坝在在运营期由于受受水压、温度等等的影响而产生生的年周期变形形等。短周期变形是指指在较短的一段段时间内发生的的循环变形过程程，如高大型建建筑物在日照的的作用下而发生生的周日变形等等。瞬时变形是指在在短时间荷载作作用下发生的瞬瞬间变形，例如如，烟囱、塔柱柱等高大建筑物物在风力的作用用下发生的变形形等。按变形特点分类类变形按其特点可可分为弹性变形形和塑性变形两两类。当作用的荷载在在构件的弹性范范围内时，其发发生的变形一般般为弹性变形，，其特点是当荷荷载撤销后，变变形也将消失。。当荷载作用在非非弹性体或者荷荷载超过了构件件的弹性限度，，则会产生塑性性变形，其特点点是当荷载撤销销后，变形没有有或者没有全部部消失。在实际工程中，，弹性变形和塑塑性变形会同时时存在。1.2变形监测的主要要内容对于不同类型的的变形体，其监监测的内容和方方法有一定的差差异；总的来说可以分分成现场巡视、、位移监测、渗渗流监测、应力力监测等几个方方面。现场巡视现场巡视检查是是变形监测中的的一个重要内容容；包括巡视检查和和现场检测两项项工作；分别采用简单量量具或临时安装装的仪器设备在在建筑物及其周周围定期或不定定期进行检查；；检查结果可以定定性描述，也可可以定量描述。。巡视检查不仅是是工程运营期的的必需工作，在在施工期也应十十分重视。巡视检查的次数数应根据工程的的等级、施工的的进度、荷载情情况等决定。巡视检查的方法法主要依靠目视视、耳听、手摸摸、鼻嗅等直观观方法，也可辅辅以锤、钎、量量具、放大镜、、望远镜、照相相机、摄像机等等工器具进行。。现场巡视检查应应按规定做好记记录和整理，并并与以往检查结结果进行对比，，分析有无异常常迹象。环境量监测环境量监测一般般包括气温、气气压、降水量、、风力、风向等等。对于水工建筑物物，还应监测库库水位、库水温温度、冰压力、、坝前淤积和下下游冲刷等；对于桥梁工程，，还应监测河水水流速、流向、、泥沙含量、河河水温度、桥址址区河床变化等等。总之，对于不不同的工程，，除了一般性性的环境量监监测外，还要要进行一些针针对性的监测测工作。位移监测位移监测主要要包括沉降监监测、水平位位移监测、挠挠度监测、裂裂缝监测等；；对于不同类型型的工程，各各类监测项目目的方法和要要求有一定的的差异。为使测量结果果有相同的参参考系，在进进行位移测量量时，应设立立统一的监测测基准点。渗流监测渗流监测主要要包括地下水水位监测、渗渗透压力监测测、渗流量监监测等。对于水工建筑筑物，还要包包括扬压力监监测、水质监监测等。应力、应变监监测应力、应变监监测的主要项项目包括：混混凝土应力应应变监测、锚锚杆（锚索））应力监测、、钢筋应力监监测、钢板应应力监测、温温度监测等。。为使应力、应应变监测成果果不受环境变变化的影响，，在测量应力力、应变时，，应同时测量量监测点的温温度。应力、应变的的监测应与变变形监测、渗渗流监测等项项目结合布置置，以便监测测资料的相互互验证和综合合分析。应力、应变监测一一般采用专门的应应力计和应变计进进行。周边监测周边监测主要指对对工程周边地区可可能发生的对工程程运营产生不良影影响的监测工作；；主要包括：滑坡监监测、高边坡监测测、渗流监测等。。1.3变形监测的精度和和周期变形监测的精度在制定变形观测方方案时，首先要确确定精度要求。如果观测的目的是是为了使变形值不不超过某一允许的的数值而确保建筑筑物的安全，则其其观测的中误差应应小于允许变形值值的1/10～1/20；如果观测的目的是是为了研究其变形形的过程，则其中中误差应比这个数数小得多。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±1.0mm切向±0.5mm坝体、坝基垂直位移±1.0mm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垂直位移坝下游±1.5mm库区±2.0mm滑坡体和高边坡水平位移±0.3～3.0mm垂直位移±3.0mm裂缝±1.0mm表1.1混凝土大坝变形监监测的精度变形测量等级沉降观测位移观测适用范围观测点测站高差中误差（mm）观测点坐标中误差（mm）特级≤0.05≤0.3特高精度要求的特种精密工程和重要科研项目变形观测一级≤0.15≤1.0高精度要求的大型建筑物和科研项目变形观测二级≤0.50≤3.0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测、场地滑坡观测三级≤1.50≤10.0低精度要求的建筑物变形观测；一般建筑物主体倾斜观测、场地滑坡观测表1.2建筑物变形测量等等级及精度变形监测的周期变形监测的时间间间隔称为观测周期期，即在一定的时时间内完成一个周周期的测量工作。。观测周期与工程的的大小、测点所在在位置的重要性、、观测目的以及观观测一次所需时间间的长短有关。根据观测工作量和和参加人数，一个个周期可从几小时时到几天。观测速度要尽可能能地快，以免在观观测期间某些标志志产生一定的位移移。变形监测的周期应应以能系统反映所所测变形的变化过过程且不遗漏其变变化时刻为原则，，根据单位时间内内变形量的大小及及外界影响因素确确定。当观测中发现变形形异常时，应及时时增加观测次数。。不同周期观测时，，宜采用相同的观观测网形和观测方方法，并使用相同同类型的测量仪器器。对于特级和一级变变形观测，还宜固固定观测人员、选选择最佳观测时段段、在基本相同的的环境和条件下观观测。一般可按荷载的变变化或变形的速度度来确定。在工程建筑物建成成初期，变形速度度较快，观测次数数应多一些，随着着建筑物趋向稳定定，可以减少观测测次数，但仍应坚坚持长期观测，以以便能发现异常变变化。对于周期性的变形形，在一个变形周周期内至少应观测测两次。如果按荷载阶段来来确定周期，建筑筑物在基坑浇筑第第一方混凝土后就就立即开始沉陷观观测。在软基上兴建大型型建筑物时，一般般从基坑开挖测定定坑底回弹就开始始进行沉陷观测。。一般来说，从开始始施工到满荷载阶阶段，观测周期约约为10天～30天，从满荷载起至至沉陷趋于稳定时时，观测周期可适适当放长。在施工期间，若遇遇特殊情况（暴雨雨、洪水、地震等等），应进行加测测。变形种类水库蓄水前水库蓄水水库蓄水后2～3年正常运营混凝土坝：沉陷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个月半年表1.3大坝变形观测周期期1.4变形监测系统设计计设计原则（1）针对性设计人员应熟悉设设计对象，了解工工程规模、结构设设计方法、水文、、气象、地形、地地质条件及存在的的问题，有的放矢矢地进行监测设计计，特别是要根据据工程特点及关键键部位综合考虑，，统筹安排，做到到目的明确、实用用性强、突出重点点、兼顾全局，即即以重要工程和危危及建筑物安全的的因素为重点监测测对象，同时兼顾顾全局，并对监测测系统进行优化，，以最小的投入取取得最好的监测效效果。（2）完整性对监测系统的设计计要有整体方案，，它是用各种不同同的观测方法和手手段，通过可靠性性、连续性和整体体性论证后，优化化出来的最优设计计方案。监测系统统以监测建筑物安安全为主，观测项项目和测点的布设设应满足资料分析析的需要，同时兼兼顾到验证设计，，以达到提高设计计水平的目的。另另外，观测设备的的布置要尽可能地地与施工期的监测测相结合，以指导导施工和便于得到到施工期的观测数数据。（3）先进性设计所选用的监测测方法、仪器和设设备应满足精度和和准确度的要求，，并吸取国内外的的经验，尽量采用用先进技术，及时时有效地提供建筑筑物性态的有关信信息，对工程安全全起关键作用且人人工难以进行观测测的数据，可借助助于自动化系统进进行观测和传输。。（4）可靠性观测设备要具有可可靠性，特别是监监测建筑物安全的的测点，必要时在在这些特别重要的的测点上布置两套套不同的观测设备备以便互相校核并并可防止观测设备备失灵。观测设备备的选择要便于实实现自动数据采集集，同时考虑留有有人工观测接口。。（5）经济性监测项目宜简化，，测点要优选，施施工安装要方便。。各监测项目要相相互协调，并考虑虑今后监测资料分分析的需要，使监监测成果既能达到到预期目的，又能能做到经济合理，，节省投资。主要内容（1）技术设计书。测测量所遵照的规范范及其相应规定；；合同主要条款及及双方职责等。（2）有关建筑物自然然条件和工艺生产产过程的概述。主主要是说明各部分分观测的重要性及及可能出现的现象象的解释。（3）观测的原则方案案。包括监测工作作的重要性、目的的、要求等的总体体说明。（4）控制点及监测点点的布置方案。包包括监测系统布置置图、测量精度要要求及说明。（5）测量的必要精度度论证。对主要监监测方法的精度论论证，并说明观测测中的注意事项。。（6）测量的方法及仪仪器。包括仪器的的种类、数量、精精度等，对于特殊殊仪器应给出加工工图、施工图，以以及观测规程。（7）成果的整理方法法及其它要求或建建议。成果的整理理一般按照规范的的要求执行，对于于规范中没有明确确规定的内容，应应进行详细说明。。（8）观测进度计划表表。主要说明观测测所需要的时间及及其安排。（9）观测人员的编制制及预算。变形监测点的分类类基准点是变形监测系统的的基本控制点，是是测定工作点和变变形点的依据。基基准点通常埋设在在稳固的基岩上或或变形区域以外，，尽可能长期保存存，稳定不动。工作点又称工作基点，它它是基准点与变形形观测点之间起联联系作用的点。工工作点埋设在被研研究对象附近，要要求在观测期间保保持点位稳定，其其点位由基准点定定期检测。变形观测点是直接埋设在变形形体上的能反映建建筑物变形特征的的测量点，又称观观测点，一般埋设设在建筑物内部。。并根据测定它们们的变化来判断这这些建筑物的沉陷陷与位移。1.5变形监测技术发展展进展自动化监测技术电子计算机技术、、激光技术、空间间技术等新科技的的发展与应用，有有力地促进了观测测技术的发展。根据自动控制原理理，把被观测的几几何量（长度、角角度）转换成电量量，再与一些必要要的测量电路、附附件装置相配合，，组成自动测量装装置，从而推动了了连续观测方法的的兴起，传感器也也成了自动化观测测必不可缺的重要要部件。从外部观测的静力力水准、正倒锤、、激光准直，到内内部观测的渗压计计、沉降计、测斜斜仪、土体应变计计、土压力计，其其自动化遥测都建建立在传感器的基基础上。由于用途不同，传传感器有机械式、、光敏式、电式（（又分为电压式、、电容式、电感式式）等几种形式，，精度也各不相同同。光纤传感检测技术术光导纤维是以不同同折射率的石英玻玻璃包层及石英玻玻璃细芯组合而成成的一种新型纤维维。它使光线的传传播以全反射的形形式进行，能将光光和图像曲折传递递到所需要的任意意空间。具有通信容量大，，速度快，抗电磁磁干扰等优点。以以激光作载波，光光导纤维作传输路路径来感应、传输输各种信息。凡是电子仪器能测测量的物理量（如如位移、压力、流流量、液面、温度度等）它几乎都能能测量。CT技术的应用CT技术（ComputerizedTomography意译为“计算机机层析成像”））是在不破坏物物体结构的前提提下，根据在物物体周边所获取取的某种物理量量（如波速、ＸＸ线光强）的一一维投影数据，，运用一定的数数学方法，通过过计算机处理，，重建物体特定定层面上的二维维图像以及依据据一系列上述二二维图像而构成成三维图像的一一门技术。CT技术在工程的选选址、施工和运运营期间可以发发挥重大作用，，既减少了仪器器设备的复杂性性，又提高了建建筑物的安全度度，同时对于建建筑物的内部性性态检测、缺陷陷搜索和老化评评判都将成为重重要依据。GPS在变形监测中的的应用由于接收技术和和数据处理技术术的日臻完善，，使测量的速度度和精度不断提提高，GPS在我国的变形监监测领域中得到到应用。1998年，我国的隔河河岩大坝外部变变形首次采用GPS自动化监测系统统；该系统具有速度度快、全天候观观测、测点间无无需通视、自动动化程度高等优优点，对坝体表表面的各监测点点能进行同步变变形监测，并实实现了从数据采采集、传输、处处理、分析、显显示、存储等，，测量精度可达达到亚毫米级。。激光技术的应用用激光技术的使用用，提高了探测测的灵敏度，减减少了作业的条条件限制，克服服了一定的外界界干扰。我国从70年代初开始研究究激光准直系统统，70年代后期开始研研究真空激光准准直系统，1981年在太平哨坝顶顶建成运行。90年代后期真空激激光准直系统有有新的发展，采采用密封式激光光点光源、聚用用光电耦合器件件CCD(面阵)作传感器、采用用新型的波带板板和真空泵自动动循环冷却水装装置等新措施和和新技术，将进进一步提高该系系统的可靠性。。测量机器人技