变形监测概述课件.ppt

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1、LOREM IPSUM DOLOR,LOREM IPSUM DOLOR,1,PPT课件,欢迎各位同学！,2,PPT课件,授课教师: 陈志伟黑龙江工业学院 资源工程系,课程：变形监测与数据处理,3,PPT课件,变形监测数据处理,主要参考书: 1.陈永奇,吴子安,吴中如.变形监测分析与预报. 北京:测绘出版社,1998 2.吴子安.工程建筑物变形观测数据处理. 北京:测绘出版社,1989 3.陈永奇.变形观测数据处理. 北京:测绘出版社,1988 4.吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用. 北京:高等教育出版社,2003,4,PPT课件,变形监测数据处理,主要参考书: 5.吴中如,顾冲时.大坝原

2、型反分析及其应用. 南京:江苏科学技术出版社,2000 6.夏才初,潘国荣.土木工程监测技术. 北京:中国建筑工业出版社,2001 7.王尚庆.长江三峡滑坡监测预报. 北京:地质出版社,1999 8.李珍照.大坝安全监测. 北京:中国电力出版社,1997,5,PPT课件,变形监测数据处理,9.岳建平等.变形监测技术与应用. 国防工业出版社 200710.何秀凤.变形监测新方法及其应用.科学出版社 200711.伊晓东等.变形监测技术及应用.黄河水利出版社 2007 12.白迪谋.工程建筑物变形观测和变形分析. 西南交通大学出版社 2002 13.朱建军等.变形测量的理论与方法.中南大学出版社

3、2004 14.唐孟雄等.深基坑工程变形控制. 中国建筑工业出版社 200615.黄声享等.小浪底水利枢纽外部变形规律研究. 测绘出版社,2008.12,6,PPT课件,变形监测数据处理,规范: 中华人民共和国行业标准.建筑变形测量规范 （JGJ8-2007）. 北京:中国建筑工业出版社,2008中华人民共和国水利行业标准. 混凝土大坝安全监测技术规范（DL/T 5178-2003）. 北京：中国水利水电出版社, 2004,7,PPT课件,如何学好该课程？,变形监测任务书,监测方案,监测资料的预处理,监测基准与稳定性分析,变形分析方法,数理统计知识,确定性模型,统计模型,变形监测数据获取,自动

4、化观测,人工观测,8,PPT课件,第一章 引 论,主要内容,变形监测的内容、目的与意义变形监测技术及其发展变形分析的的内涵及其研究进展关于本课程的学习,9,PPT课件,本节要求了解并掌握三方面的内容： 变形监测的基本概念 变形监测的内容 变形监测的目的和意义,1.1 变形监测的内容、目的与意义,10,PPT课件,1.1.1 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,1.1 变形监测的内容、目的与意义,11,PPT课件,1.1.1 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

5、，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。,1.1 变形监测的内容、目的与意义,12,PPT课件,1.1.1 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,1.1 变形监测的内容、目的与意义,13,PPT课件,1.1.1 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。,1

6、.1 变形监测的内容、目的与意义,14,PPT课件,1.1.1 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,1.1 变形监测的内容、目的与意义,15,PPT课件,1.1.1 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：全球性变形研究，如监测全球板块运动、地极移动、地球自转速率变化、地潮等；区域性变形研究，如地壳形变监测、城市地面沉降等；工程和局部性变形研究，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。,1.1 变形监测的内容

7、、目的与意义,16,PPT课件,1.1 变形监测的内容、目的与意义,1.1.1 变形监测的基本概念在精密工程测量中，研究的最具有代表性的变形体有： 大坝 桥梁 高层（耸）建筑物 矿区 防护堤 边坡 隧道 地铁 地表沉降 高速铁路 核电站 大型科学实验装置等,17,PPT课件,1.1.1 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,1.1 变形监测的内容、目的与意义,18,PPT课件,本节要求了解并掌握三方面的内容： 变形监测的基本概念 变形监测的内容 变形监测的目的和意义,1.1 变形监测的内容、目的与意义,19,PPT课件,1.1.2 变形监测的内容变形监测的内容，应根据变

8、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。,1.1 变形监测的内容、目的与意义,20,PPT课件,1.1.2 变形监测的内容1）工业与民用建筑物：主要包括基础的沉陷观测与建筑物本身的变形观测。就其基础而言，主要观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，则主要是观测倾斜与裂缝。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）进行观测。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，其主要观测内容是水平位移和垂直位移。,1.1 变形监测

9、的内容、目的与意义,21,PPT课件,1.1.2 变形监测的内容2）水工建筑物：对于土坝，其观测项目主要为水平位移、垂直位移、渗透以及裂缝观测。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， 其主要观测项目主要为垂直位移（从而可以求得基础与坝体的转动）、水平位移（从而可以求得坝体的扭曲）以及伸缩缝的观测，这些内容通常称为外部变形观测。此外，为了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。,1.1 变形监测的内容、目的与意义,22,PPT课件,23,PPT课件,1.1.2 变形监测的内容3）地面沉降：对于建

10、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。,1.1 变形监测的内容、目的与意义,24,PPT课件,25,PPT课件,本节要求了解并掌握三方面的内容： 变形监测的基本概念 变形监测的内容 变形监测的目的和意义,1.1 变形监测的内容、目的与

11、意义,26,PPT课件,1.1.3 变形监测的目的和意义 人类社会的进步，国民经济的发展，加快了工程建设的进程，并且对现代工程建筑物的规模、造型、难度提出了更高的要求。与此同时，变形监测工作的意义更加重要。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

12、的变化因素，因此，国内外仍有一些工程出现事故。,1.1 变形监测的内容、目的与意义,27,PPT课件,1.1.3 变形监测的目的和意义 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的、很实际的问题。,1.1 变形监测的内容、目的与意义,28,PPT课件,1.1.3 变形监测的目的和意义 塔可马大桥(Tacoma

13、 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。,1.1 变形监测的内容、目的与意义,扭曲运动之一,扭曲运动之二,29,PPT课件,1.1.3 变形监测的目的和意义 塔可马大桥(Tacoma Narrows)事件:,1.1 变形监测的内容、目的与意义,边跨下垂,30,PPT课件,1.1.3 变形监测的目的和意义 塔可马大桥(Tacoma Narrows)事件:,1.1 变形监测的内容、目的与意义,主跨破坏,31,PPT课件,1.1.3 变形监测的目的和意义 塔可马大桥(Tacoma Narrows)事件:,1.1 变形监测的内容、目

14、的与意义,破坏惨状,32,PPT课件,1.1.3 变形监测的目的和意义 塔可马大桥(Tacoma Narrows)事件:,1.1 变形监测的内容、目的与意义,新TACOMA桥,33,PPT课件,1.1.3 变形监测的目的和意义 目前，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近三十年的共同努力，在变

15、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。,1.1 变形监测的内容、目的与意义,34,PPT课件,1.1.3 变形监测的目的和意义 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。,1.1 变形监测的内容、目的与意义,35,PPT课件,1.1.3 变形监测的目的和意义 科学、准确、及时地分析和预报

16、工程及工程建筑物的变形状况，对工程建筑物的施工和运营管理极为重要，这一工作属于变形监测的范畴。由于变形监测涉及到测量、工程地质、水文、结构力学、地球物理、计算机科学等诸多学科的知识，是一项跨学科的研究，正向边缘学科的方向发展，已成为测量工作者与其它学科专家合作研究的领域。,1.1 变形监测的内容、目的与意义,36,PPT课件,1.1.3 变形监测的目的和意义 变形监测所研究的理论和方法主要涉及到这样三个方面： 变形信息的获取； 变形信息的分析与解释； 以及变形预报。 其研究成果对预防自然灾害及了解变形机理是极为重要的。对于工程建筑物，变形监测除了作为判断其安全的耳目之外，还是检验设计和施工的重

17、要手段。,1.1 变形监测的内容、目的与意义,37,PPT课件,1.1.3 变形监测的目的和意义 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 具有实用上的意义，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； 具有科学上的意义，包括更好地理解变形的机理，验证有关工程设计的理论和地壳运动的假说，进行反馈设计，以及建立有效的变形预报模型。,1.1 变形监测的内容、目的与意义,38,PPT课件,本节要求了解并掌握三方面的内容： 变形监测的基本概念 变形监测的内容 变形监测的目的和意义,1.1 变形监测的内容、目的与意义,39

18、,PPT课件,1.2 变形监测技术及其发展,本节重点为： 变形信息获取的手段 变形监测方案设计问题 地表变形监测方法 GPS周期性和连续性变形监测问题 GPS动态监测 变形监测技术的未来,40,PPT课件,1.2 变形监测技术及其发展,变形信息获取方法的选择取决于变形体的特征、变形监测的目的、变形大小和变形速度等因素。 在全球性变形监测方面，空间大地测量是最基本最适用的技术，它主要包括全球定位系统（GPS）、甚长基线射电干涉测量（VLBI）、卫星激光测距（SLR）、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；,41,PPT课件,1.2 变形

19、监测技术及其发展,在区域性变形监测方面，GPS已成为主要的技术手段。近十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,Interferometric Synthetic Aperture Radar），在监测地震变形、火山地表移动、冰川漂移、地面沉降、山体滑坡等方面，其试验成果的精度已可达厘米或毫米级，表现出很强的技术优势。但精密水准测量依然是高精度高程信息获取的方法。 在工程和局部性变形监测方面，地面常规测量技术、地面摄影测量技术、特殊和专用的测量手段、以及以GPS为主的空间定位技术等均得到了较好的应用。,42,PPT课件,43,PPT课件,44,PPT课件,1.2 变

20、形监测技术及其发展,本节重点为： 变形信息获取的手段 变形监测方案设计问题 地表变形监测方法 GPS周期性和连续性变形监测问题 GPS动态监测 变形监测技术的未来,45,PPT课件,1.2 变形监测技术及其发展,合理设计变形监测方案是变形监测的首要工作，对于监测网设计而言，其主要内容包括：确定监测网的质量标准；选择观测方法；点位的最佳布设和观测方案的最优选择。在过去三十年里，变形监测方案设计和监测网优化设计的研究较为深入和全面，取得了丰富的理论研究成果和实用效益，这一点可从众多文献中得到体现。目前，在变形监测方案与监测系统设计方面，其主要发展是监测方案的综合设计和监测系统的数据管理与综合处理。

21、例如，在大坝的变形监测中，要综合考虑外部观测和内部观测设计，大地测量与特殊测量的观测量（geodetic and geotechnical observations）要进行综合处理与分析。,46,PPT课件,1.2 变形监测技术及其发展,本节重点为： 变形信息获取的手段 变形监测方案设计问题 地表变形监测方法 GPS周期性和连续性变形监测问题 GPS动态监测 变形监测技术的未来,47,PPT课件,数十年变形监测技术的发展，传统的地表变形监测方法主要采用的是大地测量法。 1）常规地面测量方法的完善与发展，其显著进步是全站型仪器的广泛使用，尤其是全自动跟踪全站仪（RTS, Robotic Tota

22、l Stations），也称测量机器人（Georobot），为局部工程变形的自动监测或室内监测提供了一种很好的技术手段，它可进行一定范围内无人值守、全天侯、全方位的自动监测。 例如，在美国加州南部的一个新水库（Diamond Valley Lake已安装了由8个永久性 RTS 和218个棱镜组成的地面自动监测系统。但是，TPS（Terrestrial Positional System）的最大缺陷是受测程限制，测站点一般都处在变形区域范围之内。,1.2 变形监测技术及其发展,48,PPT课件,2）地面摄影测量技术在变形监测中的应用起步较早，但是由于摄影距离不能过远，绝对精度较低，使得其应用受到

23、局限，仅大量应用于高塔、烟囱、古建筑、船闸、边坡体等的变形监测。后来发展起来的数字摄影测量和实时摄影测量为地面摄影测量技术在变形监测中的深入应用开拓了非常广泛的前景。地面三维激光扫描系统将是变形监测领域的一种重要技术。 3）光、机、电技术的发展，研制了一些特殊和专用的监测仪器可用于变形的自动监测，它包括应变测量、准直测量和倾斜测量。采用光纤传感器测量系统将信号测量与信号传输合二为一，具有强的抗雷击、抗电磁场干扰和抗恶劣环境的能力，便于组成遥测系统，实现在线分布式监测。,1.2 变形监测技术及其发展,49,PPT课件,4）GNSS作为一种全新的现代空间定位技术，已逐渐在许多领域取代常规光学和电子

24、测量仪器，在变形监测领域也不例外。 自从上世纪80年代以来，尤其是进入90年代后，GPS卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合，在空间定位技术方面引起了革命性的变化。用GPS同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静态扩展到动态，从单点定位扩展到局部与广域差分，从事后处理扩展到实时（准实时）定位与导航，绝对和相对精度扩展到米级、厘米级乃至亚毫米级，从而大大拓宽了它的应用范围和在各行各业中的作用。,1.2 变形监测技术及其发展,50,PPT课件,1.2 变形监测技术及其发展,本节重点为： 变形信息获取的手段 变形监测方案设计问题 地表变形监测方法 GPS周期性

25、和连续性变形监测问题 GPS动态监测 变形监测技术的未来,51,PPT课件,数据通讯技术、计算机技术和以GPS为代表的空间定位技术的日益发展和完善，使得GPS法由原来的周期性观测走向高精度、实时、连续、自动监测成为可能。 GPS用于变形监测的作业方式可划分为周期性和连续性两种模式（episodic and continuous mode）。 1）周期性变形监测与传统的变形监测网没有多大区别，因为有的变形体的变形极为缓慢，在局部时间域内可以认为是稳定的，其监测频率可以是几个月，有的长达几年，此时，采用GPS静态相对定位法进行测量，数据处理与分析一般都是事后的。经过十多年的努力，GPS静态相对定位

26、数据处理技术基本成熟，在周期性监测方面，其最大屏障还是变形基准的选择与确定，已成为近几年研究的关键 。,1.2 变形监测技术及其发展,52,PPT课件,GPS在工程中的应用,清江隔河岩大坝GPS自动监测系统,清江隔河岩大坝,53,PPT课件,清江隔河岩大坝GPS自动监测系统,5.1.4 实际应用,54,PPT课件,清江隔河岩大坝GPS自动监测系统,55,PPT课件,清江隔河岩大坝GPS自动监测系统,隔河岩大坝GPS监测点位分布图,56,PPT课件,GPS用于桥梁的安全监测,GPS在工程中的应用,武汉长江二桥GPS变形监测网,57,PPT课件,2）连续性变形监测指的是采用固定监测仪器进行长时间的

27、数据采集，获得变形数据序列。虽然连续性监测模式也是对测点进行重复性的观测，但其观测数据是连续的，具有较高的时间分辨率。根据变形体的不同特征，GPS连续性监测可采用静态相对定位和动态相对定位两种数据处理方法进行观测，一般要求变形响应的实时性，它为数据解算和分析提出了更高要求。比如，大坝在超水位蓄洪时就必须时刻监视其变形状况，要求监测系统具有实时的数据传输和数据处理与分析能力。当然，有的监测对象虽然要求较高的时间采样率，但是数据解算和分析可以是事后的。比如，桥梁的静动载试验和高层建筑物的振动测量，其监测的目的在于获取变形信息，数据处理与分析可以事后进行。,1.2 变形监测技术及其发展,58,PPT

28、课件,1.2 变形监测技术及其发展,本节重点为： 变形信息获取的手段 变形监测方案设计问题 地表变形监测方法 GPS周期性和连续性变形监测问题 GPS动态监测 变形监测技术的未来,59,PPT课件,GPS在工程中的应用,厦门的高层建筑,60,PPT课件,GPS在高层建筑动态监测中的应用,厦门建设银行大厦,61,PPT课件,GPS动态监测监测方案,GPS在高层建筑动态监测中的应用,62,PPT课件,结构振动频段信号的频谱分析及对比,63,PPT课件,GPS用于桥梁的安全监测,GPS在工程中的应用,64,PPT课件,GPS用于桥梁的安全监测,GPS在工程中的应用,武汉长江二桥GPS动态监测,65,

29、PPT课件,GPS在工程中的应用,武汉长江二桥GPS动态监测,监测点(WH02) 相对于基准站(WH01)在H方向的频谱图,66,PPT课件,GPS在工程中的应用,武汉长江二桥GPS动态监测,监测点(WH02) 相对于参考点(WH03)在H方向的频谱图,67,PPT课件,GPS在工程中的应用,武汉长江二桥GPS动态监测,参考点(WH03) 相对于基准站(WH01)在H方向的频谱图,68,PPT课件,在动态监测方面，过去一般采用加速度计、激光干涉仪等测量设备测定建筑结构的振动特性，但是，随着建筑物高度的增高，以及连续性、实时性和自动化监测程度的要求加强，常规测量技术已越来越受到局限。GPS作为一

30、种新方法，由于其硬件和软件的发展与完善，特别是高采样率（目前有的已高达20Hz）GPS接收机的出现，在大型结构物动态特性和变形监测方面已表现出其独特的优越性。近几年来，一些学者已开展了卓有成效的GPS动态监测实验与测试工作。目前，GPS动态监测数据处理主要采用OTF方法，同时，GPS变形监测单历元求解算法及其相应软件开发的研究也在发展之中。令人鼓舞的是，正如Loves等（1995）所言，随着GPS动态变形监测能力的进一步证实，这一技术可望被采纳为测量结构振动的标准技术。,1.2 变形监测技术及其发展,69,PPT课件,1.2 变形监测技术及其发展,本节重点为： 变形信息获取的手段 变形监测方案

31、设计问题 地表变形监测方法 GPS周期性和连续性变形监测问题 GPS动态监测 变形监测技术的未来,70,PPT课件,展望变形监测技术的未来： 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； 变形监测的时空采样率会得到大大提高，变形监测自动化可为变形分析提供极为丰富的数据信息； 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； 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。,1.2 变形监测技术及其发展,71,PPT课件,1.2 变形监测技术及其发展,本节重点为： 变形信息获取的手段 变形监测方案设计问题 地表变形监测方法 GPS周期性和连续性变形监测问题 GPS动态监测 变形监测技术的未来,72,PPT课件,