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1、第七章 工程变形监测与数据处理,思考题：1什么叫工程变形监测？它的作用、目的、意义何在？2工程变形监测有哪些内容和特点？3工程变形监测有哪些方法？发展趋势如何？4什么叫变形观测的数据处理？5什么叫变形的几何分析和物理解释？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包括哪些？,1.工程变形监测基础知识 什么是变形？什么是变形监测？产生变形的原因；变形监测的分类；为什么要进行变形监测？变形监测的内容；变形监测的特点；建筑物变形观测的精度和频率；变形观测的方案设计。,1.1 什么是变形或形变 定义：变形体在各种荷载作用下，其形状、大小及位置在时间域和空间域中的变化。变形：
2、变形体自身的形变_伸缩、错动、弯曲和扭转;变形体的刚体位移_整体平移、转动、升降和倾斜;正常的?-变形体的变形在允许的范围内 异常的?-超出允许值，则可能引发灾害。,1.2 产生变形的原因是什么?地下水的大量开采 潮汐现象 板块构造现象 工程建筑物变形 人工破坏,1.3 什么是变形监测?所谓变形监测，就是利用测量与专用仪器和方法对变形体在运动中的空间和时间域内进行周期性的重复观测。其任务是确定在各种荷载和外力作用下，变形体的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征。,1.4 变形监测的分类 全球性形变-测定地极移动，地球旋转速度的变化以及地壳板块运动。空间大地测量是最基本最适用的技术。它包括全
3、球定位系统（GPS），卫星激光测距（SLR），射电源甚长基线干涉测量（VLBI），激光测月技术(LLR)以及卫星重力探测技术(卫星测高、卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量)等技术手段。,区域性形变-测定地壳板块内变形状态和板块交界处地壳相对速度 GPS已成为主要的技术手段。近10年发展起来的空间对地观测遥感新技术合成孔径雷达干涉测量(InSAR),在监测地震、火山地表移动、冰川漂移、地面沉降、山体滑坡等方面，其试验成果的精度可达cm或mm级，表现出了很强的技术优势。,工程和局部形变-测定工程建筑物的沉陷、水平位移、挠度和倾斜，滑坡体的滑动，以及采矿、采油和抽取地下水等人为因素造成的沉陷。,1.5
4、变形监测的目的和意义 实用意义：保障工程安全。科学意义：解释变形的机理，验证变形的假说，检验设计是否合理，为修改设计、制定规范提供依据。,1.6 变形监测的内容获取变形几何量：水平位移、垂直位移以及偏距、倾斜、扰度、弯曲、扭转、震动、裂缝等。获取与变形有关的影响因子（物理量）：应力、应变、温度、气压、水位（库水位、地下水位）、渗流、渗压、扬压力等。,*（局部）变形体变形原因和变形观测内容,1.7 变形监测的特点变形观测关心的是位置的变化，而非某个位置。1、重复观测频率多高？L+v=Ax；L+v=Ax；L=L1-L22、两周期观测中相同系统误差的影响可以抵消 因此，规定变形观测要求相同的观测条件
5、，外界条件，定人，定仪器，定路线。3、变形观测精度要求高精度多高？4、多学科的配合（边缘学科）。,特点：要进行周期观测，每一周期的观测方案如监测网的图形、使用仪器、作业方法乃至观测人员都要尽可能一致；动态、持续监测；要求精度高，对于重要工程，一般要求“以当时能达到的最高精度为标准进行变形观测设计”。,1.8 建筑物变形观测的精度和频率一、观测精度的确定（有待进一步的研究）1、从保证建筑物的安全角度，提出取建筑物允许变形值的1/101/20。如：允许倾斜:4;允许变形值:30 4=120mm;测量精度:f0=(1/20)120mm=6 mm,观测中误差;提高精度:m=f0(1/3)=2 mm,标
6、准中误差。,一般建筑物的倾斜是用沉降反映的，就可用A,B两点的沉降反映，则水准测量的精度就可以用相似三角形原理得：fh=（D/H）*f0=(12/30)*6=2.4mm标准中误差：mh=（1/2）*fh=1.2mm,2、从科学研究角度出发，精度尽可能高，1mm，但受经济因素与技术力量所能达到的影响。总之，对于水工建筑物，根据其结构，形状的不同，观测内容和精度也有差异，即使对于同一建筑物的不同部位，其观测精度也不相同，变形大的部位（如拱冠）的观测精度可稍微低于变形小的部位（如拱座）。,二、观测频率（周期）变形观测的特点是重复观测，隔多长时间观测一次不是千篇一律的。,原则：1、反映变形规律：如按春
7、、夏、秋、冬或二个月一次，一个月测一次等。大坝：d=d(T,h,t)T温度，h坝高，t时间,2、考虑变形观测精度的可能性 观测精度低，变形观测的把握性就不大，不能保证，一年变形10mm.一月最多1mm,如观测精度达不到1mm时，就延长观测周期，如23月观测一次，原因是观测精度反映不了变形大小。,1.9 变形观测的方案设计一、变形观测的方法1、大地测量方法三维方向：GPS网同时观测分开观测：水平位移（交会观测，三角测量，导线测量，准直测量）;垂直位移（几何水准，三角高程测量，液体静力水准测量）。特点：所测量的量为绝对位移，监测范围广，监测精度高，能反映变形体的外观变形。不能连续观测，野外工作量大
8、，不适用于困难地区。,2、摄影测量：单张相片测量两个方向的变化。立体摄影测量三个方向的变化。特点：测量数据具有永久性，适应困难地区，精度较低。3、非大地测量：倾斜仪测量倾斜位移应变仪测量长度的变化应力仪测量应力的变化特点：能连续观测，监测岩体内部的变形，但测量范围小，代表性较差，远距离控制和观测。4、三维激光扫描测量法：HDS、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，来测定目标点的“绝对”变形自由点：在变形体上，来代表变形的几何特征（状态）变形观测网：参考网：检查本身自己的稳定性（基准点构成）相对网：相对点位变化布设的网（目标点构成）基准点的选择原则：远离变形
9、体（矛盾：观测误差积累与稳定性间）深埋基准点（矛盾：深埋与费用矛盾）,目标点的选择原则：a)能反映整个变形体的情况（每个坡段至少一个观测点）；b)变形变化大的地方多埋；c)工程的重点地段，地质条件差的地段；d)其他原因专门提出；e)有利的观测条件。,三、垂直位移基准点的布置 为解决基准点选择的矛盾，对于水准基准点一般采用一级或两级水准点方式布置。水准基点：远处稳定的水准点，对工作基点进行定期观测，以求得工作基点的垂直位移值。工作基点：离变形体较近的点，定期对各观测点进行精密水准测量，以求得各点在某一时间段内的相对垂直位移值。观测点：变形体上的点，反映了变形体的变化情况。（葛洲坝坝面503个观测
10、点，廊道270个点。）,水准基点本身将采用成组埋设（如图3点），进行稳定性检验。,水准点的埋设：要求：保证稳定不变和长久保存。几种方式：平峒岩石标：可避免温度变化的影响分内外两扇门。内外标点工作时：a.先关外门，打开内门，等内门与过渡室温度一致时，将内标点高程传递至外标点。b.关闭内门，打开外门，等过渡室温与外界温度一致后，将高程传递到洞外。,深埋双金属标：避免温度变化对标志高程的影响。a.组成：由膨胀系数不同的两根金属管（钢和铝）组成，在两根管顶部装有读数设备。b.工作时，在读数设备上，可以得出由于温度变化引起的两根管长度变化差数，由值可算出金属管本身长度的变化。c.原理：原长为L0，受热为
11、L，L钢=L0+L0 钢t=L0+L钢 L铝=L0+L0 铝t=L0+L铝,其中,t为标志各层高程处温度改变之平均值，其值未知，=L钢-L铝=L0 t（钢-铝）/L钢=（钢-铝）/钢/L铝=（钢-铝）/铝移项后，有：L钢=(钢/（钢-铝）)L铝=(铝/（钢-铝）),已知钢的线膨胀系数为0.000012/，铝的膨胀系数为0.000024/。则有：L钢=-;L铝=-2由此，可知各管受温度变化而引起的长度变化。,四、水平位移基准点的选择 视准线法和激光准直法：三角测量法、前方交会法(仪器架在已知点上)、后方交会法（仪器架在未知点上），检核视准线法；引张线法：倒立垂；前方交会：见图，两级布网。,五、监
12、测网优化设计的灵敏度 变形监测网设计的目的：通过多期观测来发现监测网点的变形。灵敏度把监测网发现网点变形的能力称作监测网的灵敏度。分为：总体灵敏度、局部灵敏度与单点灵敏度。,例：葛洲坝水平位移监测方案实例介绍：a.基点检验网布置：由翠谷山，疗家苞，下鹅石子沟，综合点为固定点，基左，基右为待定点，组成边角网，以检验基左基右两倒锤点的稳定性。b.直伸边角网：布置：基左，基右，葛1，葛2，葛3，葛46点组成，以基左基右两倒立锤点为固定点，检验深埋倒锤的稳定性。c.连续引张线法；d.正锤，倒锤；e.引张线；f.视准线。,2.工程变形监测技术 变形观测模式 地面监测方法与测量机器人 地面摄影测量方法 G
13、PS变形监测及自动化系统 振动观测 三维激光扫瞄测量 特殊的测量手段 工程变形与灾害监测技术发展趋势,2.1 变形监测模式 对变形体在运动中的空间和时间域内进行周期性的重复观测，就称为变形监测。如何实施？在变形体上布置变形观测点，在变形区影响范围之外的稳定地点设置固定观测站，用高精度测量仪器定期监测变形区内点的三维(X,Y，Z)方向变化。主要手段？高精度地面监测技术、摄影测量方法及GPS监测系统等手段。观测模式？离散型和连续型,2.2 地面监测方法与测量机器人一 地面监测方法主要是指用高精度测量仪器(如经纬仪、测距仪、水准仪、全站仪等)测量角度、边长和高程的变化来测定变形，它们是目前变形监测的
14、主要手段。,地面监测方法的优点(1)能够提供变形体的变形状态，监控面积大，可以有效地监测确定变形体的变形范围和绝对位移量；(2)观测量通过组成网的形式可以进行测量结果的校核和精度评定；(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前方交会测定建筑物的位移,观测特点：a、对b的丈量精度要求不高；b、对端点稳定性的要求高；c、后视点不主张相互用两端点作后视，而以另外远离建筑区，远离点作后视（向下游方向找），后视点的坐标不要求测定。,2垂直位移观测,什么是垂直位移？,21精密水准测量,1、观测点观测由工作基点来测定，大多数设成两工作
15、基点之间的附和路线,一般要求沉陷观测中误差不超过1.0mm。,徕卡新一代中文数字水准仪DNA03流线型外观设计，以降低风阻影响，可用于精密水准测量工作，其1km往返差的精度采用铟钢尺为0.3mm，采用标准水准尺为1.0mm。,说明：工作基点本身逐年也会有些下沉，但各次观测点高程仍以工作基点得首次高程作为起算高程，而将工作基点各年的下沉量视为一常数，在分析资料时一并考虑。,a、附和路线观测点高程计算：Hi=Hi(fh/m)*i注：fh附和路线的高差闭合差;m附和路线上总的测站数;Hi 分配前i点的观测高程，其值为：Hi=H0+HiH0（首次）起算工作基点的高程。,则，各观测点的垂直位移为：Hi=
16、Hi+Hi规定：下沉 Hi+上升 Hi b、附和水准路线上一测站高差中数的中误差为:站=(pdd/4n)观测成果的精度评定而 pi=1/(Ni)(i=1,2,n),式中：n为水准环线的测段数；Ni为i测段的测站数（i测段）；di为i测段往返测高差的较差(mm)，其权为pi/2。最弱点相对于工作基点的高程中误差为：m弱=弱k，k=k1*k2/(k1+k2)式中：k1,k2为由两工作基点分别测到最弱点的测站数。最弱点沉陷量的测定中误差:m沉=m弱2=1mm,2、基准点观测 由工作基点与水准基点间布设成水准环线。一般要求每公里水准测量高差中数的中误差不大于0.5mm,作业方式：一等水准测量，视距长度
17、;观测周期：由水准基点到工作基点的联测，每年一次或两次，定路线，定月份;成果计算：水准基点的高程推算工作基点的高程，再与各点的首次观测高程比较，可得工作基点高程的变化值;每公里水准测量高差中数的中误差计算式：,水准测量等级 一等 二等 三等 km 0.5mm 1mm 3mm,km=(pdd/4n)而 pi=1/Ri(i=1,2,n)式中：n为水准环线的测段数;Ri为各测段数的线路长度，以km计;di为各测段数往返测高差的较差，以mm计，其权为pi/2。,22三角高程测量,观测仪器设站点到目标点的垂直角、水平或斜距，以求得目标点的高程。进而可以得到目标点的垂直位移情况。该法适用于精度要求较低或水
18、准测量难以到达的地区及山区。,23液体静态水准测量,原理：利用液体静止时表明为一水平面 h=H1-H2=(a1-a2)(b1-b2)(a1-a2)为仪器常数C通常0，变形观测中两次抵消。为消除容器的零点制造误差，可将两容器互换位置，类似地，有：h=(a2-a1)(b2-b1)联合解之，得：h=(b2-b1)(b2-b1)/2 仪器常数：C=(a2-a1)=(b2-b1)+(b2-b1)/2,二 测量机器人-Georobot,是一种能代替人进行自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标并获取角度、距离、三维坐标以及影像等信息的智能型电子全站仪。它是在全站仪基础上集成步进马达、CCD影像传感器构成的视频成
19、像系统，并配置智能化的控制及应用软件发展而形成的。测量机器人通过CCD影像传感器和其他传感器对现实测量世界中的“目标”进行识别，迅速作出分析、判断与推理，实现自我控制，并自动完成照准、读数等操作，以完全代替人的手工操作。,测角精度:0.5水平角,垂直角一样测距精度:(1+1PPM)mm自动照准(ATR)测程:1000米(中等能见度),特点与优势 测量方案先进，系统组成合理。无人值守、完全自动。快速监测、时效性强。综合监测、全方位预报。加点方便、成本低廉。维护方便、运行成本低。,2.3 地面摄影测量方法用地面摄影测量方法测定工程建筑物、构筑物、滑坡体等的变形，就是在变形体周围选择稳定的点，在这些
20、点上安置摄影机，并对变形体进行摄影，然后通过内业量测和数据处理得到变形体上目标点的二维或三维坐标，比较不同时刻目标点的坐标得到它们的位移。,2.3.1 摄影测量方法优点(1)可以同时测定变形体上任意点的变形；(2)提供完全和瞬时的三维空间信息；(3)大量减少野外的测量工作量；(4)可以不需要接触被测物体；(5)有了摄影底片，可以观测到变形体以前的状态。,2.3.2 用地面摄影测量进行变形观测的两种基本方式,1固定摄站的时间基线法(或称伪视差法)时间基线法是把两个不同时刻所拍的像片作为立体像对，量测同一目标像点的左右和上下视差，这些视差乘以像片比例尺即为目标点的位移。这种方法仅能测定变形体的二维
21、变形，不能获得目标点沿摄影机主光轴方向的位移。,2立体摄影测量法 正直摄影:正直摄影是像片对的摄影光轴水平相互平行，且都垂直于摄影基线方向。等偏摄影:等偏摄影是像片对的摄影光轴水平相互平行，且与垂直于摄影基线的方向偏开一定的角度。交向摄影:交向摄影是像片对的两摄影光轴水平并相交成一定的角度。等倾摄影:等倾摄影是两个摄影机的光轴相对于水平方向倾斜一个相同的倾角。在变形观测中，应用最多的是交向摄影。,2.4 GPS变形监测及自动化系统 全球定位系统的应用时测量技术的一次革命性变革，它使建立三维网的监测变得简单.全球GPS可以提供的相对定位精度1 10-6，或更高的精度，它在精度上核经济上优越性将使
22、它取代传统的地面测量方法。过去几年中，GPS广泛用于各种变形监测，GPS连续自动监测系统以研究成功。并用于San Audress断层地壳运动核大坝变形的实时监测。隔河岩大坝外观变形GPS自动监测系统。,2.4.1 GPS变形监测自动化系统 隔河岩水库位于湖北省长阳县境内，是清江中游的一个水利水电工程隔河岩水电站。大坝为三圆心变截面混凝土重力拱坝，坝长为653m,坝高为151m。隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统于1998年3月投入运行，系统由数据采集，数据传输，数据处理、分析和管理等部分组成。,1)数据采集 GPS数据采集分为基准点和监测点两部分，由7台AshtechZ12GPS接收机组成
23、。两个大坝监测基准点，分别位于大坝两岸。点位地质条件好，点位稳定且能满足GPS观测条件。监测点能反映大坝形变，并能满足GPS观测条件。隔河岩大坝外观变形GPS监测系统基准点为2个(GPS1和GPS2)、监测点为5个(GPS3GPS7)。,2)数据传输 GPS数据传输采用有线(坝面监测点观测数据)和无线(基准点观测数据)相结合的方法3)GPS数据处理、分析和管理 整个系统有7台GPS接收机，在365天内连续观测，并实时将观测资料传输至控制中心，进行处理、分析、贮存。系统反应时间小于10分钟(即从每台GPS接收机传输数据开始，到处理、分析、变形显示为止，所需总的时间小于10分钟)，为此，必须建立一
24、个局域网，有一个完善的软件管理、监控系统。,2.5 振动观测 高层（或塔式）建筑物，在温度和风力荷载作用下，会产生振动或来回摆动，从而需要进行振动（摆动）观测。桥梁也需进行振动观测，特高的房屋建筑如美国的帝国大厦（102层），在风荷载下，最大摆动达7.6cm。一般采用光电测量系统和全球定位系统作持续动态观测。,2.6 三维激光扫瞄测量 三维激光扫瞄仪本质上也是一种测距测角仪器，通过极坐标和交会原理快速地获取物体的三维坐标。激光扫描仪LR200（也称调频相干激光雷达）可提供水平角、垂直角和距离三个观测值。经坐标转换和建模，可输出被测对象的各种数字模型，并转换到CAD成图。在工程建筑变形监测方面将
25、成为一种重要的方法得到应用。,2.7 特殊的测量手段2.7.1 精密准直测量定义：水平基准线平行于被监测物体，如大坝、桥梁、机器设备等的轴线。偏离基准线垂直距离或到基准线所构成的垂直基准面的偏离值称为偏距或垂距，测量偏距的过程叫准直测量。方法：光学法光电法机械法,2.7.2 小角度法,2.7.3 活动觇牌法应用活动觇牌直接量目标点距离基准的偏离值。,2.7.4 激光准直法激光经纬仪准直：由中心装有两个半圆得硅光电池组成得光电探测器替代。两个硅光电池各接在检流表上，激光来通过觇牌中心硅光电池左右两半圆上接收相同激光能量，检流表指针为零。反之。检流表指针就偏离零位，移动光电探测器使检流表指针指零，
26、即可在读数尺上读取读数。操作：将激光经纬仪置于端点A上，另一端点B置光电探测器，使光电探测器安置为零，确定基准面。依次将激光光束投射到每个观测点处的光电探测器上，移动光电探测器，使检流表指针为零，读取每个观测点相对基准面的偏离值。,2.7.5 波带板激光准直原理：利用通过波带板上不同透光孔得绕射光波之间得相互干涉，使所成得象恰好落在接收端点B处，读取B处光电探测器得偏离读数。,2.7.6 引张线法机械准直原理：利用一根拉紧的不锈钢丝所建立的基准面来测定观测点的偏离值。克服垂曲度过大设置若干浮托装置；倾向力的克服测线保护管。由于各观测点的标尺是与坝体固连的，而AB引张线是固定的基准线，所以，对于
27、不同的观测周期，钢丝在标尺上的读数的变化值，就直接表示该点的位移值。,观测：读数显微镜：利用刻有测微分划线的读数显微镜进行，最小刻划0.1mm,估读0.01mm。钢丝左边与左刻划读一数 钢丝右边与右刻划读一数 两读数之平均值即钢丝的标尺上的读数。一个检核：两读数之差应为钢丝粗度。,注意点：I）钢丝观测前要动一下，避免与保护管触着，以保护钢丝能自由移动。II）采用读数显微镜时，水的浮托装置应能调节钢丝高度，以保护钢丝与刻划成像清楚。III）引张线端点的移动，用倒锤测定。,2.8 倾斜观测 倾斜：=(h12(2)h12(1)/l l：两点间的水平距离高层建筑物：作为刚体考虑基础的倾斜即为建筑物的倾
28、斜。测定建筑物倾斜的方法：直接测定建筑物的倾斜；测量建筑物基础相对沉陷来测定建筑物的倾斜。,2.8.1 挠度观测挠度：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。规定：正值向上游位移（右岸位移)负值向下游位移（左岸位移）,2.8.2 利用正锤线测定挠度的方法1、多点观测站法 在各观测点安置坐标量测仪，进行观测，得的观测值为观测点到正锤线（顶点）之间的绕测仪各点间的相互距离，则任一点度为：,2.多点夹线法:坐标仪安置于垂线的最低点观测，各高程点处埋设活动夹线装置，可将垂线自上而下依次夹紧。在坐标仪上所得的观测值即为各点相对最低点的绕度值。,*3.变形监测点的数据处理3.1回归分
29、析法3.2 多元线性回归模型法3.3 逐步回归算法3.4 时间序列分析法3.5 频谱分析法3.6 模糊人工神经网络法3.7 小波分析法,2.9 变形监测技术新进展 1、变形监测的方法 2、变形监测的精度 3、变形监测的频率,发展趋势：1）多种传感器、数字近景摄影、全自动跟踪全站仪和GPS的应用，将向实时、连续、高效率、自动化、动态监测系统的方向发展。2）变形监测的时空采样率会得到大大提高，变形监测自动化为变形分析提供了极为丰富的数据信息；3）高度可靠、实用、先进的监测仪器和自动化系统，要求在恶劣环境下长期稳定可靠地运行；4）实现远程在线实时监控，在大坝、桥梁、边坡体等工程中将发挥巨大作用，网络监控是推进重大工程安全监控管理的必由之路。,复习第九章 线状工程测量Class is over,
