第七章 工程的变形监测与数据处理

1、第七章工程变形监测和数据处理、思考问题： 1工程变形监测是什么？ 其作用、目的和意义是什么？ 2工程变形监测有什么内容和特征？3工程变形监测有什么方法？发展趋势如何？4变形观测的数据处理是什么？5变形的几何分析和物理解释是什么？ 6工程变形的监测、分析和预报有什么关系？ 7变形观测资料整理的内容和方法是什么？1 .工程变形监视的基础知识是什么？ 什么是变形监视？ 变形的原因变形监视的分类为什么进行变形监视？ 变形监视的内容变形监视的特征建筑物的变形观测的精度和频度变形观测的方案设计。 1.1变形或变形的定义：变形体在各种载荷的作用下，其形状、大小和位置在时域和空间域中发生变化。 变形：变形体本

2、身的变形_伸缩、偏移、弯曲、扭曲变形体的刚体位移_整体的平移、旋转、升降、倾斜普通？ -变形体的变形在允许范围内异常吗？ -如果超过容许值，可能会引起灾害。 1.2变形的原因是什么？ 地下水大量开采潮汐现象板块构造现象工程建筑物变形人工破坏，1.3变形监测是什么？ 变形监测是利用测量和专用设备和方法，在变形体运动中的空间和时域周期性地反复观测。 其任务是确定变形体的形状、大小和位置随各种载荷和外力而变化的空间状态和时间特征。 1.4变形监测的分类全球变形测量地极移动、地球转速的变化和地壳板块运动。 空间大地测量是最基本最合适的技术。 包括全球定位系统(GPS )、卫星激光测距(SLR )、辐射

3、电源很长的基线干扰测量(VLBI )、激光测月技术(LLR )和卫星重力探测技术(卫星测高、卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量)等技术手段。 地区变形-测量地壳板块内的变形状态和板块边界的地壳相对速度GPS成为了主要的技术手段。 近10年发展的空间对地观测遥感新技术合成孔径雷达干扰测量(InSAR )，在监测地震、火山地表移动、冰川漂移、地基下沉、泥石流等方面，其实验成果精度达到cm和mm级，显示出很强的技术优势。 工程和局部变形测量工程建筑物下沉、水平位移、挠度和倾斜、滑坡体打滑、采矿、采油和地下水提取等原因引起的下沉。 1.5变形监测的目的和意义实用意义：保障工程安全。 科学意义：解释变形机制

4、，验证变形假说，验证设计是否合理，修改设计，为制定规范提供依据。 1.6变形监测内容：水平位移、垂直位移和偏移、倾斜、扰动度、弯曲、扭曲、振动、裂纹等。 获取变形的影响因素(物理量) :应力、应变、温度、气压、水位(库水位、地下水位)、渗流、渗透压、扬压力等。 * (局部)变形体的变形原因和变形观测内容，1.7变形观测的特征变形观测感兴趣的是位置的变化，而不是某个位置。 1、重复观测频率有多高？ PS=PS； PS=PS； l=L1-l22，2周期观测可以抵消相同系统误差的影响，因此变形观测要求规定相同的观测条件、外界条件、定员、仪表、路线。 3、变形观测精度要求多大的高精度？ 4、多学科合作

5、(边缘学科)。 特征：为了进行周期性观测，各周期的观测方案，例如监视网的图形、使用设备、作业方法，还有观测者必须尽可能一致，动态、持续的监视要求精度高，对于重要的工序，一般要求“以当时能达到的最高精度为基准进行变形观测设计”。 1.8建筑物变形观测的精度和频度一致，观测精度的确定(需要进一步的研究) 1、从保证建筑物安全的观点出发，提出建筑物允许变形值的1/101/20。例如倾斜容许量：4； 允许变形值：304=120mm； 测量精度：f0=(1/20)120mm=6mm，提高观测中误差精度：m=f0(1/3)=2mm，标准误差。 一般建筑物的倾斜由沉降反映，由a、b两点沉降反映，水准测量的精

6、度由相似三角形的原理得到： fh=(D/H)*f0=(12/30)*6=2.4mm标准，误差： mh=(1/2)*fh=1.2mm，2，从科学研究的观点来看，精度尽可能高也就是说，在水工建筑物中，根据其构造、形状的不同，观测内容和精度不同，即使在同一建筑物的不同部位，观测精度也不同，变形大的部位(拱形冠等)的观测精度比变形小的部位(拱形座等)稍低。 二、观测频率(周期)变形观测的特征是反复观测，每隔几小时观测一次并非千篇一律。 原则： 1、反映变形规则：如春、夏、秋、冬或两个月一次，每月一次等。 水库： d=d(T，h，t)T温度，h水库高，t时间，2，考虑变形观测精度的可能性的观测精度低，变

7、形观测的把握性低，不能保证，一年变形10mm 1.9变形观测的方案设计一、变形观测的方法1、大地测量方法3维方向： GPS网同时观测分离观测：水平位移(交叉观测、三角测量、导线测量、平行测量)。 垂直位移(几何水平、三角高程测量、液体静力水平测量)。 特征：测量的量绝对位移，监测范围宽，监测精度高，能反映变形体的外观变形。 不能连续观测，野外工作量多，不适用于困难地区。 2、摄影测量：单张摄影测量双方向的变化。 立体摄影测量三个方向的变化。 特征：测量数据适应永久性、困难地区，精度低。 3、非大地测量：倾斜仪测量倾斜位移计的长度变化压力计测量应力变化的特征：可以连续观测，监视岩体内部的变形，但

8、测量范围小，代表性低，远程控制和观测。 4，三维激光扫描测量法： hitachi，Faro，二，设计目标点和基准点的一般原则变形观测点：基准点：在变形体外，测量目标点的“绝对”变形自由点：在变形体上代表变形的几何特征(状态)变形观测网：参考网：自身的稳定性(基准点构成) 相对网：相对点变化的网络(目标点构成)基准点的选择原则：远离变形体(矛盾：观测误差的积蓄和稳定性之间)把基准点深埋(矛盾：深埋的话费用的矛盾)，目标点的选择原则： a )可以反映变形体整体的状况(每坡至少一个观测点)。 b )填补了很多变形变化大的地方c )工程的重点地区、地质条件差的地区d )其他原因特别提出了e )有利的观

9、测条件。 三、垂直位移基准点的配置为了解决基准点选择的矛盾，对基准点一般以一级或二级水准点方式进行配置。 水平基点：定期观测远处稳定的水准点、工作基点，求出工作基点的垂直位移值。 工作基点：在靠近变形体的点，定期在精密水平上测量各观测点，求出各点在某个时间段的相对垂直位移值。 观测点：变形体上的点反映了变形体的变化。 (葛洲水库面503观测点，道路270分。 )水平基点本身采用集团埋设(图3点)，进行稳定性检查。 埋设水准点：要求保证稳定的不变性和长期保存。 几种方式：平洞窟岩标：可以避免温度变化的影响。 内外标点的工作时： a .先关闭外门，打开内门，内门和过渡室温度一致的情况下，把内标点的

10、标高告诉外标点。 b .关上内门，打开外门，过渡室温和外气温一致后，把海拔传到洞外。深埋双金属坐标：避免温度变化对海拔的影响。 a .组成：由膨胀系数不同的两根金属管(钢和铝)构成，在两根管的上部设置读取装置。 b .工作时，读取装置可以求出温度变化引起的两根管的长度的变化之差，可以根据值计算出金属管自身的长度的变化。 c原理：原长为L0，热为l，l钢=L0 L0钢t=L0 L钢l铝=L0t铝，其中t表示各层海拔上的温度变化的平均值，其值未知，=L钢-L铝=L0t (钢-铝)/L钢=(钢-铝) 铝转移项后，l钢=(钢/(钢-铝) l铝=(铝/(钢-铝) )，钢的线膨胀系数为0.000012/，

11、铝的膨胀系数为已知的l钢=-； l铝=-2由此可知，各管受到了温度变化引起的长度变化。 四、水平位移基准点的选择视准线法和激光准线法：三角测量法、前方交叉法、后方交叉法、检查视准线法的引线法：倒立垂直前方交叉：请参见图。 五、监视网优化设计的灵敏度变形监视网设计的目的：通过多期观测发现监视网的变形。 灵敏度，把监视网发现网点变形的能力称为监视网的灵敏度。 分为整体灵敏度、局部灵敏度、单点灵敏度。 例如葛洲坝水平位移监视方案介绍： a .基点检查网的配置：翠谷山、治疗家苞、下鹅石沟，综合点为固定点，基左，基右构成待机点，方网，检查基左两个跌倒点的稳定性。 b .直角网：配置：由基左、基右、ge1

12、、ge2、ge3、ge46点构成，以基左基右两倒立锤点为固定点，验证深埋锤的稳定性。 c .连续引出线法d .正锤、逆锤e .引出线f .视基准线。 2、工程变形监视技术变形观测模式地面监视方法和测量机器人地面摄影测量方法GPS变形监视和自动系统振动观测三维激光扫描测量特殊测量手段工程变形和灾害监视技术的发展趋势，2.1变形监视模式在变形体运动中的空间和时域周期性反复观测称为变形监视。 如何实施呢？ 在变形体上配置变形观测点，在变形区域影响范围外的稳定场所设置固定观测点，用高精度测定器定期监视变形区域内点的三维(x，y，z )方向的变化。 主要手段是？ 高精度地面监视技术、摄影测定方法和GPS

13、监视系统等手段。 观测模式？ 离散型和连续型、2.2地面监视方法和测量机器人地面监视方法主要是用高精度测量仪(如经纬仪、测距仪、水平仪、全站仪等)测量角度、边长和高程变化来测量变形，是目前变形监视的主要手段。 地面监视方法的优点(1)可以提供变形体的变形状态，监视面积大，可以有效地监视确定变形体的变形范围和绝对位移量；(2)观测测量可以以构成网络的形式进行测量结果的验证和精度评价；(3)灵活性大，适用于不同的精度要求、不同形式的变形体和不同的外界条件1水平位移观测，什么是水平位移？ 11前方交叉测量建筑物的位移，观测特征： a，b的测量精度不高的b .端点对稳定性要求高的c，后视点并不主张彼此

14、在两端点向后看，而是主张分别离开建筑物，在离开的点向后看(向下游方向寻找)，后视点的坐标不要求测量2垂直位移观测、垂直位移是什么？ 21精密水准测量、1、观测点观测是在工作基点测量，多设定在2工作基点间的随声附和路线上，一般来说，沉入观测要求误差不要超过1.0mm。 莱卡新一代中文数字水平DNA03的流线型外观设计，为了减少风阻的影响，可用于精密水平的测量工作，其1km的往复差精度为铟钢尺0.3mm，标准水平尺1.0mm。说明：工作基点本身逐年下沉，各观测点的标高以工作基点的初次标高为起点标高，工作基点的年下沉量视为一定，在分析资料时考虑。 a、随槌路线观测点海拔计算： Hi=Hi(fh/m)

15、*i注： fh随槌路线的台阶封闭差m随槌路线上的全站仪数Hi分配前的I点的观测海拔是根据Hi=H0 HiH0(初次)计算作业基点的海拔的值。 各观测点垂直位移规定为Hi=hi :下降hi上升Hib，随声级路线上的测定站的台阶中的数量的误差在：站=(pdd/4n )观测结果的精度评价中pi=1/(Ni ) (I=1，2，n )，式中： n是电平环路的测定级数ni为I段相对于最弱点工作基点的标高误差为m弱=弱k，k=k1*k2/(k1 k2 )式，k1、k2是从两工作基点分别测定最弱点的工位数。 在最脆弱的下沉量的测定中，误差：m下沉=m弱2=1mm，2 .基准点观测从工作的基点和基准点之间被布置

16、在水平环上。 一般来说，每公斤水平测定台阶中的数量误差要求在0.5mm以下，作业方式： 1等水平测定，焦距长度； 观测周期：从水平基点到工作基点的连续测量，每年一次或两次，确定路线和月的成果计算：水平基点的标高估计工作基点的标高，与各点的第一次观测标高相比，可以得到工作基点标高的变化值的每公里水平测量台阶数的中误差计算式： 水平测定等级1等2等3等km0.5mm1mm3mm，km=(pdd/4n )时pi=1/Ri (I=1，2，n )式： n是水平环路的测定级数ri为各段数的线路长度，以km计算的di是各测定级数的往返测定台阶的差，为mm，其权重为pi/2 22三角高程测量，观测设备设定站到

17、目标点的垂直角、水平或倾斜距离，求出目标点的高程。 还可以得到目标点的垂直位移。 这个方法适用于精度要求低的地区和水平难以达到的地区和山区。23液体静态水平测量、原理：在利用液体静止的情况下，水平面h=H1-H2=(a1-a2)(b1-b2)(a1-a2 )的机器常数c通常为0，在变形观测中被两次抵消。 为了消除容器的零点制造误差，可以更换两个容器。 同样，如果将h=(a2-a1)(b2-b1 )联合起来解，则h=(b2-b1)(b2-b1)/2设备常数： C=(a2-a1)=(b2-b1) (b2-b1)/2，二测量机器人-Georobot代替人进行自动搜索、跟踪、识别和正确的在全站仪上集成

18、了步进电机、CCD图像传感器的视频成像系统中，配置了智能控制和应用软件。 测量机器人通过CCD图像传感器和其他传感器识别现实测量世界的“目标”，快速进行分析、判断、推论，实现自我控制，为了完全代替人的手动操作，自动完成校准、读取等操作。 测角精度：0.5水平角，与垂直角类似测距精度：(1 1PPM)mm自动照度(ATR )测量：1000米(中等可视性)，特征和优势测量方案先进，系统结构合理。 无人完全自动。 迅速监视，时效性高。 综合监视，全方位预报。 方便成本便宜。 维护方便，运营成本低。 2.3地面摄影测量方法用地面摄影测量方法测量工程建筑物、构筑物、滑坡体等的变形，要在变形体的周围选择稳定的点，在这些点上设置摄像机，拍摄变形体，然后用行业测量和数据处理得到变形体上的目标点的二维或三维坐标，比较不同时刻的目标点的坐标，并将其2.3.1