变形监测技术.ppt

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1、教学目的：使学生了解和掌握变形观测 方法及变形观测方案的设计.教学重点：1.变形观测方法 2.变形观测方案的设计.教学方法：讲授,2 变形监测技术,变形监测：是对被监视的对象（变形体）进行测量以确定其 空间位置随时间的变化特征。为变形分析和预报提供基础数据。变形体：工程建筑物、技术设备以及其他自然或人工对象。如：古塔与电视塔、桥梁与隧道、船闸与大坝、大型天线、车船与飞机、油罐与贮矿仓、崩塌体与泥石流、采空区与高边坡、城市与灌溉沉降区.变形监测意义：对于工程建筑物：为改善建筑物理参数、地基强度参数提供依据，防止工程破坏事故，提高抗灾能力。机械技术设备：保证设备安全、可靠、高效地运行，为改善产品质

2、量和新产品设计提供技术依据.滑坡：通过监测其随时间变化过程，可进一步研究引起滑坡的成因，预报大的滑坡灾害。矿山：可采用控制开挖量和加固等方法，避免危险性变形的发生，同事可改进变形预报模型。地壳构造运动监测。,2.1 变形监测方法 2.2 变形监测方案设计,2 变形监测技术,2.1.1 常规的大地测量方法2.1.2 特殊的大地测量方法2.1.3 地面摄影测量方法,2.1 变形监测方法,指用常规的经典或现代的大地测量仪器测量方向、角度、边长和高差等量所采用的方法的总称。仪器：光学经纬仪、水准仪、电子经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪、GPS等.特点：1.能提供变形体整体的变形状态；2.观测量通过组网线

3、可进行测量成果的校核和精度的评定；3.灵活性大，能适用于不同精度要求、不同形式的变形和外界条件.缺点：外业工作量大，作业时间长，不易实现连续监测和测量过程自动化.观测内容：沉降：几何水准测量（H）位移：一维水平位移（X或Y）二维水平位移（X Y）三维位移（X Y H）倾斜：i 挠度,2.1.1 常规大地测量方法,2.1.1.1 沉降（垂直位移）主要采用几何水准测量方法二等水准测量的主要技术要求：1）观测前必须对水准仪（i角15）和水准尺进行全面检验2）观测顺序：往测：奇数站为后-前-前-后；偶数站为前-后-后-前 返测：奇数站为前-后-后-前；偶数站为后-前-前-后3）观测限差,2.1.1.2

4、 一维水平位移1）测小角法（1）原理：（2）测小角法观测程序的设计：由 根据 测回数 n,2.1.1.2 一维水平位移1）测小角法例题：设某观测点到端点（置镜点）距离为400m，若要求测定偏离值的精度为0.7mm，试问：（1）用小角法观测时，小角度的限差应为多少？（2）若设，当采用J1型仪器（40望远镜）时，小角度应观 测测回数n？解（1）（2）小角度观测1测回的中误差为：要使小角度达到0.35的精度，则小角度观测的测回数n应满足：即：,2.1.1.2 一维水平位移2）活动觇牌法 当采用对观测点照准相同次数时，此法与测小角法具有相同的精度估算式。3）控制线法,2.1.1.2 一维水平位移 4）

5、激光经纬仪准直 活动觇牌 光电探测器5）波带板激光准直法 A激光点光源、C波带板装置、B光电探测器,C,2.1.1.2 一维水平位移 5）引张线法 在坝体廊道内，利用一根拉紧的不锈钢丝所建立的基准面来测定观测点偏离值的方法。装置：包括：端点、观测点、测线（不锈钢丝）、测线保护管等 端点：墩座、夹线装置、滑轮、重锤连接装置及重锤等 观测点：浮托装置、标尺、保护箱 测线：直径为0.61.2mm的不锈钢丝 保护管：直径大于10cm的塑料管优点：可不受旁折光的影响观测：从靠近端点的第一个观测点读数，依次至测线另一端点，为一个测回 每次观测三个测回。三测回平均值中误差0.3mm,2.1.1.3 二维水平

6、位移,1）极坐标法2）导线法3）前方交会法4）单三角形5）GPS：10-6,2.1.1.3 二维水平位移,5）GPS：10-6,GPS自动监测系统网络结构,隔河岩大坝GPS监测点位分布图,2.1.1.4 三维位移,1）全站仪坐标测量 测量机器人：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。测量机器人与能够定制测量计划、控制测量过程、进行测量数据处理和分析的软件系统相结合，完全可以代替人完成许多测量任务。分为：固定式全自动持续监测，包括：基站、参考点、目标点、控制中心 移动式半自动变形监测，有人工干预应用：三峡库区巴东滑坡监测、武汉长

7、江二桥高塔柱变形监测,2.1.1.4 三维位移,2）三维激光扫描测量三维激光扫描技术是上世纪七十年代中期开始出现的一项高新技术，它通过高速激光扫描测量的方法，快速、大量的采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，将任何复杂的现场环境及空间进行扫描操作，并直接将三维数据完整的采集到电脑中，进而快速重构出目标的三维模型。,三维激光扫描测量的应用,2.1.1.5 倾斜观测,1,2,3,4,8,7,6,5,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。美国纽约帝国大厦高102层，在风荷载作用下，最大摆动达7.

8、6cm.可由观测不同高度处的倾斜换算而得。,2.1.1.4 挠度观测,2.1.1 常规的大地测量方法2.1.2 特殊的大地测量方法2.1.3 地面摄影测量方法,2.1 变形监测方法,特点：测量过程简单 容易实现自动化观测和连续观测 提供的是局部的变形信息具体从 1）沉降测量 2）倾斜测量 3）应变测量 4）准直测量 5）垂线测量,2.1.2 特殊的大地测量方法,1）沉降测量：液体静力水准测量法,2.1.2 特殊的大地测量方法,电感传感器测定液面高度变化：当液面高度发生变化时，浮子带着铁心升降，由于铁心相对于电感线圈的上下移动，使线圈上的电感发生变化，用导线连接到离观测点一定距离的观测室内，再用

9、专门的电桥将电感量的变化电压变化，遥测仪器通过量测电压的变化，便知铁心的升降量，亦即为容器液面高低的变化量。光电传感器来测定液面高度变化：原理略精度可达0.01mm,2）倾斜测量：倾斜仪,2.1.2 特殊的大地测量方法,（1）摆式倾斜仪利用可变电感的原理制成具有：灵敏度高读数方便调整范围宽（2）气泡式倾斜仪（微距水准仪）如应用于设备基础平台的倾斜观测。,（3）差动电容式电子水准器 工作原理：当玻璃管水准器倾斜时，气泡向旁边偏离，使C1C2中介质的介电常数发生变化，引起桥路两臂的电抗发生变化，因而桥路失去平衡，可用测量装置将其记录下来。这种电子水准器可固定地安置在建筑物或设备的适当位置，就能自动

10、地进行倾斜观测。适用于作动态观测，,应变测量：设两点间距离为,第二周期测量时距离变化了 那么 为两点间平均线应变.当 与变形 体尺寸比很小时，则 看成为点应变.,测 有机械法：用因瓦丝、石英棒等作为长度的标准.长 度的变化用机械电子传感器测量；精度：几十个um 干涉法：激光干涉法可测到几百米，甚至几千米.精度：10-7 应变传感器实质为导体（金属条或很窄的箔条）做法：埋设在变形体中，由于变形体中的应 变使得导体伸长或缩短，从而改变了 导体的电阻.电阻变化用电桥测量，通 过测量电阻的变化就可以计算应变.,测距离变化求应变,应变传感器,3）应变测量,2.1.2 特殊的大地测量方法,4)准直测量：激

11、光在大气中精度：10-510-6 在真空中精度：10-710-8（1）激光经纬仪准直：方向性强，直接准直（2）波带极激光准直：激光准直单色性好，衍射准直（3）尼龙丝准直：尼龙丝直径0.3mm，施加1.5kg拉力 系统包括：尼龙丝拉紧装置和一个对中的读数显微镜 原理如下：在三个相邻点上用对中读数显微镜照准尼龙丝读取相对偏离值V1、V2、V3，即可计算折角b,如果逐次观测三个点的偏离值，每次推进一个点，两个点重叠起连接作用，这样可按连接支导线计算导线各中间点相对于闭合边的偏离值。,2.1.2 特殊的大地测量方法,尼龙绳准直测量的精度分析连接支导线中点（最弱点）的准直精度可用下式估算：尼龙绳准直的精

12、度受：观测仪器误差读数误差影响气流的影响,5）垂准观测（1）光学垂准仪（2）激光铅直仪：可用于测定高层建筑物的摆动.（3）机械法垂直准直 正垂线：将钢丝上端固定在建筑物上，下端挂有重锤浸在油箱内保持重锤稳定。可利用正垂线法测定挠度。倒垂线：通过钻孔将钢丝下端固定在基础岩石中，上端和油桶中的浮子相连，在浮力的作用下被拉紧。倒垂线可作为变形观测的基准点。垂线的观测是在垂线的不同高程上设置测点，采用垂线坐标仪测出各测点与垂线之间的相对位移值，以确定建筑物的倾斜和挠曲变形。利用倒垂线还可以测定建筑物相对于基岩的移动，倒垂线可以将深处基岩的点引至地面，作为可靠、稳定的基准点。,2.1.2 特殊的大地测量

13、方法,1）沉降测量：液体静力水准测量2）倾斜测量：各种电子测斜仪、机械测斜仪3）应变测量：机械电子传感器测量、激光干涉测量、应变传感器4）准直测量：激光经纬仪准直、波带板激光准直、尼龙丝准直5）垂线测量：光学垂准仪、激光铅直仪、正垂线、倒垂线,2.1.2 特殊的大地测量方法,2.1.1 常规的大地测量方法2.1.2 特殊的大地测量方法2.1.3 地面摄影测量方法,2.1 变形监测方法,2.1.3.1.应用：地面摄影测量方法越来越广泛用于大型工程建筑物及滑坡灾害的变形观测。大型的工程建筑物：混凝土大坝、档土墙、高层建筑物等。空中摄影测量也有用于较大范围的地面变形测量。如：测定由于地下采矿而引起的

14、地表移动.由于火山喷发而致的环境变化 优点：可同时测定变形体的任何变形提供完全和瞬时的三维空间信息大量减少野外的测量工作量可以不需要接触被测物体可以观测到变形体以前的状态。,2.1.3 地面摄影测量方法,用地面摄影测量进行变形观测的两种基本方式,固定摄站的时间基线法 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，这些视差乘上像片比例尺即为目标点的位移。（仅测二维位移）立体摄影测量方法 在两个或两个以上测站对变形体进行摄影，构成立体像对，然后通过内业处理得到目标点的三维坐标。涉及到使用非量测相机的标定问题,2.1.3.3 固定摄站的时间基线法,选定一固定摄影

15、站，摄影时使像平面平行于变形体的变形平面，在相同的内外方位元素情况下，以一定的时间间隔相继拍摄一组像片。当目标点位移时，所得的像点坐标也发生变化。,2.1.3.3 固定摄站得时间基线法,上述原理适用前提：内外方位元素不变解决的办法是：在物方平面上设置几个参考点或控制点设内外方位元素不变，第2次测量时像点坐标为x，z；而实际内外方位元素变化，第2次测量时像点坐标测得为x*，z*,设,可解算系数,2.1.3.3 固定摄站得时间基线法,可列误差方程,从而即使两次测量时内外方位元素发生了变化，也可以通过上述变换解决问题。,有：1)空间前方交会法2)空间后交前交法3)严密解法4)直接线性变换法,左像片,

16、右像片,地面立体摄影测量的解析处理方法,4)直接线性变换解法基本关系式,DLT模型：,地面立体摄影测量的解析处理方法,当DLT系数已知：在一个立体像对上，对一个目标点可列4个误差方程，从而解出三维坐标当DLT系数未知：需布至少6个控制点，先解算出DLT系数再求目标点坐标.,4)直接线性变换法,地面立体摄影测量的解析处理方法,用地面摄影测量进行变形观测的两种基本方式,固定摄站的时间基线法 立体摄影测量方法 1)空间前方交会法 2)空间后交前交法 3)严密解法 4)直接线性变换法,2.2 变形监测方案设计,变形监测方案的制定影响到：观测的成本 成果的精度和可靠性变形监测方案的制定的主要内容有：监测

17、内容的确定 监测精度、方法和仪器的确定 施测部位和测点布置的确定 监测周期（频率）的确定 监测费用的确定,2.2.1 变形观测的内容确定,监测内容的确定主要根据监测工程的性质和要求，在收集和阅读工程地质勘察报告、施工组织计划的基础上，根据施工周围的环境确定变形监测的内容。对于建筑物的变形监测就可能包含：建筑物的沉降监测、水平位移监测、倾斜监测、裂缝监测以 及挠度监测等对于危岩滑坡的成灾条件，变形监测主要包括：危岩、滑坡地表及地下变形的二维或三维位移、倾斜变化的监测；有关物理参数应力应变、地声变化的监测；环境因素地震、降雨量、气温、地表（下）水等的监测。,2.2.2 变形观测的精度确定,制定变形

18、观测的精度取决于变形的大小、速率、仪器和方法所能达到的实际精度，以及观测目的等。典型精度1mm或相对精度为10-6变形观测的精度与目的有关 一般：变形观测目的是安全检测：观测误差(1/101/20)允许变形值变形观测目的是研究变形过程：以最高的精度进行变形观测,2.2.2 变形观测的精度确定,例1：某建筑物为框架结构，基础土层为高压缩土，相邻两沉 降观测点的距离，两点差异沉降量的允许值为=0.003l=0.0038=24mm，求任一测点的高程中误差。解：两点差异沉降量的观测中误差取为 m差异=1/10=2.4mm 差异沉降量是两次高差之差，而高差又是两点高程之差，则任一测点高程中误差为：,例2

19、：某建筑物高24m，允许倾斜值为：=0.004H=96mm 设倾斜是平移和沉降共同作用，影响相等，求任一测点的 点位中误差。解：平移允许值为 平移量的观测中误差取 又因为平移量是观测点点位的两次观测之差，则观测点的点位中误差为：,2.2.2 变形观测的精度确定,变形观测的精度也和不同的建筑物及建筑物的结构、部位等有关。一般：1）对于有连续生产线的大型车间（钢结构，钢筋混凝土结构的建筑物）m沉降=2mm；m高程=1mm 2）特种工程设备 m=0.1mm 3）大坝的要求列于下表：,2.2.2 变形观测的精度确定,典型精度1mm或相对精度为10-6变形观测的精度与目的有关变形观测的精度也和不同的建筑

20、物及建筑物的结构、部位等有关。,2.2.2 变形观测的精度确定,2.2.3 变形观测的方法和仪器确定,前面2.1所讲的变形监测方法，都是根据控制点直接测定变形的方法，在所有的方法中，都首先要进行变形监测控制网的布设，然后才能以此为基础测定变形值。根据变形监测的内容和精度，确定变形监测的方法和所使用的仪器。,2.2.4 变形观测周期的确定,定量分析：,一般当 时，认为是有变形，否则为误差反映。,变形观测的周期（频率）取决于变形的大小、速度以及观测的目的。变形监测频率的大小应能反映出变形体的变形规律，并可随单位时间内变形量的大小而定：变形量较大时，应增大监测频率；变形量减小或建筑物趋于稳定时，则可

21、减小监测频率。,定性分析：与荷载增加、地基土质、沉降变形速度、变形值 大小 等有关。一般：施工中，频率要大一些，一般三天，七天，半月。竣工投产，频率要小一些，一般一个月、两个月、三个月、半年、一年等。观测点稳定后，荷载增加25，每增加15，第1年4次，第2年2次，以后每年1次。,大坝变形观测周期：,2.2.5 监测费用的确定,总费用分成以下几方面：1）建立监测系统的一次性花费 监测网和持续性自动化观测装置所需费用 包括：踏勘、埋设永久标石标志、观测墩、仪器设备的 购置费、安装费、数据处理软硬件等。2）每一个观测周期的花费 包括：人员费、仪器使用费、观测费、数据处理费、临 时标志费、交通费等。3

22、）维修和管理费 包括：标志的维护费、仪器设备折旧费以及管理人员费 用等。,2.3.1 布置原则2.3.2 标志构造形式2.3.3 坐标系和基准的选择2.3.4 监测网的优化设计,2.3 变形监测网的设计,变形监测网的布设：基准点工作基点观测点（目标点）布置原则：1）基准点：远离或深埋 2）工作基点：深埋，在建筑物附近 3）观测点：设置在建筑物上,2.3.1 变形监测网的布置原则,标志构造形式：如：地表岩石标 考虑冻土 铆钉 深埋双金属标 平峒岩石标 爆扩桩 古树根,2.3.2 变形监测网的标志构造形式,地表岩石标,平硐岩石标,2.3.2 变形监测网的标志构造形式,基准点标石,钢管标,深埋双金属

23、标,2.3.2 变形监测网的标志构造形式,基准点标石,稳固建筑物的墙角水准标石,2.3.2 变形监测网的标志构造形式,爆扩桩古树根,基准点标石,钢筋混凝土基础上的观测点,2.3.2 变形监测网的标志构造形式,观测点标志,钢筋混凝土柱上的观测点,钢柱上的观测点,2.3.2 变形监测网的标志构造形式,观测点标志,隐藏式观测点,大坝廊道混凝土底板的内外钢管标点（底板厚）,2.3.2 变形监测网的标志构造形式,观测点标志,混凝土嵌心标点,非冻土地区预制混凝土测点,2.3.2 变形监测网的标志构造形式,观测点标志,冻土地区预制混凝土测点,监测网坐标系和基准的选择 1）大地坐标系统：当变形体的范围较大且形

24、状不规则时，可 起用该系统 好处：已知系统的归化和投影改正公式 监测网也可得到检查 确定：将监测网与已有的大地网连测或将大地控制 网点直接作为参考点的方法即可确定 一 二三准网秩亏数分别为1、3、6（测边时）1个已知点 2个已知点,2.3.3 变形监测网的坐标系和基准的选择,2）基于监测体的坐标系统：适用于那些具有明显结构性特征的 变形体坐标轴与监测体的主轴线重合、平行或垂直。这时目标点的变形刚好在某一坐标方向上。注意关键：一旦选定了固定基准，该基准在整个变形监测时期都应保持不变。每一周期的观测方案，观测方法（仪器、人）和精度保持不变。,2.3.3 变形监测网的坐标系和基准的选择,监测网坐标系

25、和基准的选择,优化设计问题：零类、一类、二类、三类设计问题 基准、网形、权、网形和权 优化设计方法：机助法和解析法监测网优化设计的质量标准:精度、可靠性、灵敏度、费用一、精度指标（一）总体精度指标,2.3.4 变形监测网的优化设计,一、精度指标（二）局部精度指标,2.3.4 变形监测网的优化设计,二、可靠性指标 指控制网探测观测值粗差和抵抗残存粗差对平差成果影响的能力。内部可靠性 外部可靠性 与多余观测分量有关（一）内部可靠性 指能探测观测值中粗差的下界值。,2.3.4 变形监测网的优化设计,一、可靠性指标（一）内部可靠性,2.3.4 变形监测网的优化设计,二、可靠性指标（一）内部可靠性,2.

26、3.4 变形监测网的优化设计,二、可靠性指标（二）外部可靠性 指无法探测的粗差（小于 而保留在观测数据中的残存粗差对平差结果的影响。,2.3.4 变形监测网的优化设计,二、可靠性指标（三）多余观测分量（ri),2.3.4 变形监测网的优化设计,三、灵敏度指标 在给定的显著水平和检验功效下，通过ui周期观测的平差结果进行统计检验，所能发现的某一位移向量的下界值。,2.3.4 变形监测网的优化设计,四、费用指标 埋石和观测费用最大原则：费用一定，质量最好最小原则：质量满足要求，费用最小,2.3.4 变形监测网的优化设计,2.4 变形监测的自动化,变形监测的自动化要求基于以下原因：变形速度太快需要在同一时刻获得许多点上的变形变形过程需要大量短时间间隔的观测数据描述监测环境恶劣，噪声、高压、高热、高磁场或人无法到达不影响生产和运行管理,