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第七章 工程的变形监测和数据处理,主要内容和重点,工程变形监测的基础知识变形监测方案设计变形监测方法和自动化监测技术变形监测的数据处理变形监测资料整理、成果表达和解释,滑坡体,航道,地质灾害监测,大坝,桥梁,地铁与隧道,高层与高耸建筑,科学实验设施,工业结构物,古文物保护,7.1 工程变形监测的基础知识,变形监测的定义、作用和内容 变形模型分类 变形体的几何模型和监测点布设,7.1.1 变形监测的定义、作用和内容,一、变形监测的基本概念 变形的概念 变形监测的概念 变形体的范畴,7.1.1 变形监测的定义、作用和内容,一、变形监测的基本概念变形是自然界的普遍现象，它是指变形体在各种荷载作用下，其形状、大小及位置在时空域中的变化。变形体的变形在一定范围内被认为是允许的，如果超出允许值，则可能引发灾害。自然界的变形危害现象时刻都在我们周边发生着，如地震、滑坡、岩崩、地表沉陷、火山爆发、溃坝、桥梁与建筑物的倒塌等。,7.1.1 变形监测的定义、作用和内容,一、变形监测的基本概念所谓变形监测，就是利用测量与专用仪器和方法对变形体的变形现象进行监视观测的工作。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。变形监测工作是人们通过变形现象获得科学认识、检验理论和假设的必要手段。,7.1.1 变形监测的定义、作用和内容,一、变形监测的基本概念变形体的范畴可以大到整个地球，小到一个工程建（构）筑物的块体，它包括自然的和人工的构筑物。根据变形体的研究范围，可将变形监测研究对象划分为这样三类：全球性变形监测，如监测全球板块运动、地极移动、地球自转速率变化、地潮等区域性变形监测，如地壳形变监测、城市地面沉降等工程和局部性变形监测，如监测工程建筑物的三维变形、滑坡体的滑动、地下开采使引起的地表移动和下沉等,7.1.1 变形监测的定义、作用和内容,在工程测量中，典型的变形体：大坝 桥梁 矿区 高层（耸）建筑物 防护堤 边坡 隧道 地铁、地表沉降等,7.1.1 变形监测的定义、作用和内容,二、变形监测的意义人类社会的进步，国民经济的发展，加快了工程建设进程，并且对现代工程建筑物的规模、造型、难度提出了更高要求。众所周知，工程建筑物在施工和运营期间，由于受多种主客观因素的影响，会产生变形，变形如果超出了规定的限度，就会影响建筑物的正常使用，严重时还会危及建筑物的安全，给人民生命财产带来巨大损失。尽管工程建筑物在设计时采用了一定的安全系数，使其能安全承受所考虑的多种外荷载影响，但是由于设计中不可能对工程的工作条件及承载能力做出完全准确的估计，施工质量也不可能完美无缺，工程在运行过程中还可能发生某些不利的变化因素，因此，国内外仍有一些工程出现事故。,7.1.1 变形监测的定义、作用和内容,二、变形监测的意义以大坝为例:法国67m高的马尔巴塞（Malpasset）拱坝1959年垮坝；意大利262m高的瓦依昂（Vajont）拱坝1963年因库岸大滑坡导致涌浪翻坝且水库淤满失效；美国93m高的提堂（Teton）土坝1976年溃决；我国板桥和石漫滩两座土坝1975年洪水漫坝失事等，都是一些典型的事例。可见，保证工程建筑物安全是一个十分重要现问题。,塔可马大桥(Tacoma Narrows)事件:1940年完工，主跨853m,只使用了三个月，便在19m/s的风速下造成了塌桥事故。,扭曲运动之一,扭曲运动之二,边跨下垂现象,主跨破坏惨状,新建的塔可马(Tacoma)大桥,7.1.1 变形监测的定义、作用和内容,二、变形监测的意义目前，地质与工程灾害的监测与防治已越来越受到全社会、全人类的普遍关注，各级政府及主管部门对此问题十分重视，诸多国际学术组织，如国际大地测量协会（IAG）、国际测量师联合会（FIG）、国际岩石力学协会（ISRM）、国际大坝委员会（ICOLD）、国际矿山测量协会（ISM）等，非常活跃地定期召开专业会议进行学术交流和研究对策。经过广大测量科技工作者和工程技术人员数十年的共同努力，在变形监测领域，取得了丰硕的理论研究成果，并发挥了实用效益。,7.1.1 变形监测的定义、作用和内容,二、变形监测的意义例如:利用地球物理大地测量反演理论，于1993年准确预测了1996年发生的丽江大地震；1985年6月12日长江三峡新滩滑坡的成功预报，使得灾害损失减少到最低程度，被誉为我国滑坡预报研究史上罕见的奇迹；隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统在1998年长江流域抗洪错峰中所发挥的巨大作用，确保了安全渡汛，避免了荆江大堤灾难性的分洪。,7.1.1 变形监测的定义、作用和内容,二、变形监测的意义对于工程建筑物，变形监测的意义重点表现在：确保安全；验证设计；灾害防治。1、实用意义：主要是掌握各种建筑物和地质构造的稳定性，为安全性诊断提供必要信息，及时发现问题，以便采取措施；2、科学意义：包括解释变形的机理，验证变形的假说，检验设计是否合理，为修改设计、制定规范提供参考。,7.1.1 变形监测的定义、作用和内容,三、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。,7.1.1 变形监测的定义、作用和内容,三、变形监测的内容变形监测的内容，应根据变形体的性质与地基情况来定。要求有明确的针对性，既要有重点，又要作全面考虑，以便能正确反映出变形体的变化情况，达到监视变形体的安全、了解其变形规律之目的。,7.1.1 变形监测的定义、作用和内容,三、变形监测的内容例1 工业与民用建筑物：主要包括基础的沉陷监测与建筑物本身的变形监测。就其基础而言，主要监测内容是建筑物的均匀沉陷与不均匀沉陷；对于建筑物本身来说，则主要是监测倾斜与裂缝；对于高层和高耸建筑物，还应对其动态变形（主要为振动的幅值、频率和扭转）进行监测；对于工业企业、科学试验设施与军事设施中的各种工艺设备、导轨等，其主要监测内容是水平位移和垂直位移。,7.1.1 变形监测的定义、作用和内容,三、变形监测的内容例2 水工建筑物对于土坝：主要为水平位移、垂直位移、渗透以及裂缝监测。对于混凝土坝：以混凝土重力坝为例，由于水压力、外界温度变化、坝体自重等因素的作用，其主要监测项目为垂直位移（以求得基础与坝体的转动）、水平位移（以求得坝体的扭曲）和伸缩缝的监测，这些内容通常称为外部变形观测。此外，为了解混凝土坝结构内部的情况，还应对混凝土应力、钢筋应力、温度等进行观测，这些内容通常称为内部观测。,7.1.1 变形监测的定义、作用和内容,三、变形监测的内容例3 地面沉降对于建立在江河下游冲积层上的城市，由于工业用水需要大量地吸取地下水，而影响地下土层的结构，将使地面发生沉降现象。对于地下采矿地区，由于在地下大量的采掘，也会使地表发生沉降现象。这种沉降现象严重的城市地区，暴雨以后将发生大面积的积水，影响仓库的使用与居民的生活。有时甚至造成地下管线的破坏，危及建筑物的安全。因此，必须定期地进行观测，掌握其沉降与回升的规律，以便采取防护措施。对于这些地区主要应进行地表沉降观测。,7.1.1 变形监测的定义、作用和内容,四、变形监测的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”,表7-1 变形监测的精度举例,7.1.2 变形模型,一、变形影响因子和动态变形模型1、变形影响因子：即引起变形的原因，如：地壳运动、基础形变、地下开采、地下水位变化、工程建筑物的各种荷载作用、机械设备安装偏离设计值等,以及温度、气候变化等。,2、动态变形模型的一般数学表达式：,典型变形影响因子下的变形模型,对于变形影响因子呈跳跃变化(突变)、线性变化(渐变)和周期变化(周变)所引起的变形体的典型变形,7.1.2 变形模型,二、典型动态变形模型 1、非周期变形 1）突变模型：图7-1(a)2）渐变模型：图7-1(b)2、周期变形：图7-1(c),7.1.2 变形模型,三、运动模型 在许多情况下（如滑坡），变形影响因子的大小是随机性变化且不可量测的，或者虽可量测而难于建立影响因子与变形间的函数模型。运动模型把变形视为时间的函数：,7.1.2 变形模型,运 动 模 型,7.1.3 变形体的几何模型和监测点布设,一、变形体的几何模型1、定义(参见图7-3)：参考点、目标点及其它们之间的连接称为变形体的几何模型。2、概念：变形体空间上的离散化：监测点（目标点）时间上的离散化：周期性监测、持续性监测相对定位、绝对定位参考点、目标点不变量、可变量,变形体的几何模型,二、参考点、目标点的布设 要点：位置、数量(密度)、埋石、布标。,7.1.3 变形体的几何模型和监测点布设,
