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1、教学目的：使学生了解和掌握变形观测技术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：讲授第一章、变形监测1.1 变形监测技术一、变形监测的定义及意义一、变形监测的定义及意义变形监测变形监测 是对被监视的对象（变形体）进行测量以确定其是对被监视的对象（变形体）进行测量以确定其 空间位置随时间的变化特征。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。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。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、如：古塔与电视塔、桥梁与隧
2、道、船闸与大坝、大型天线、车船与飞机、油罐与贮矿仓、大型天线、车船与飞机、油罐与贮矿仓、崩滑体与泥石流、采空区与高边坡、崩滑体与泥石流、采空区与高边坡、城市与灌溉沉降区城市与灌溉沉降区.变形观测意义：n n对于工程建筑物：为改善建筑物理参数、地基强对于工程建筑物：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，提高抗灾度参数提供依据，防止工程破坏事故，提高抗灾能力。能力。n n机械技术设备：保证设备安全、可靠、高效地运机械技术设备：保证设备安全、可靠、高效地运行，为改善产品质量和新产品设计提供技术依据行，为改善产品质量和新产品设计提供技术依据.n n滑坡：通过监测其随时间变化过程，
3、可进一步研滑坡：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。究引起滑坡的成因，预报大的滑坡灾害。n n矿山：可采用控制开挖量和加固等方法，避免危矿山：可采用控制开挖量和加固等方法，避免危险性变形的发生，同时可改进变形预报模型。险性变形的发生，同时可改进变形预报模型。n n地壳构造运动监测。地壳构造运动监测。二、变形观测方法（一）常规的大地测量方法一）常规的大地测量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。等量所采用的方法的总称。n n仪器：光学经纬仪、水准仪、电
4、子经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪、仪器：光学经纬仪、水准仪、电子经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪、GPSGPS等等.n n特点：特点：1.1.能提供变形体整体的变形状态；能提供变形体整体的变形状态；2.2.观测量通过组网线可进行测量成果的校核和精度的评定；观测量通过组网线可进行测量成果的校核和精度的评定；3.3.灵活性大，能适用于不同的精度要求、不同形式的变形和不同的外界条件灵活性大，能适用于不同的精度要求、不同形式的变形和不同的外界条件.n n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.沉降：几何水准测量（沉
5、降：几何水准测量（H H）位移：一维水平位移（位移：一维水平位移（X X或或Y Y）二维水平位移（二维水平位移（XYXY）倾斜：倾斜：i i挠度挠度一维水平位移：测小角法测小角法活动觇牌法活动觇牌法控制线法控制线法 激光经纬仪准直和波带板激光准直法激光点光源、波带板装置、光电探测器引张线法三测回平均值中误差0.03mm二维水平位移：二维水平位移：极坐标法极坐标法导线法导线法前方交会法前方交会法单三角形单三角形GPS10GPS10-6-6CMPU双频监测器双频监测器双频监测器双频监测器双频监测器双频监测器参考点参考点单频监测器单频监测器GPS连续监测系统框图连续监测系统框图挠度：在建筑物的垂直面
6、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7.6cm.可由观测不同高度处的倾斜换算而得。（二）特殊的大地测量方法 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1、沉降测量：液体静力水准测量法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，亦即为容器液面高度的变化量。2、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
7、.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：几十个微米干涉法：激光干涉法可测到几百米，甚至几千米.精度：10-7真空中：4X10-10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、准直测量：激光 在大气中精度：10-510-6 在真空中精度：10-710-8 方向性强，直接准直 如：激光经纬仪准直 激光准直 单色性好，衍射准直 如：波带极激光准直 尼龙丝
8、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。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：尼龙绳准直的精度受观测仪器误差读数误差影响气流的影响钢丝准直：引张线，直径1mm，1050kg拉力拉紧钢丝.装置：端点，观测点，钢丝和保护管.设置浮托装置 三测回观测平均值精度：0.1 0.3mm垂直测量：光学垂准仪 激光铅直仪：可用于测定高层建筑物的摆动.机械法垂直准直：正垂 倒垂：还可用作变形观测的基
9、准点。偏离值可通过垂线坐标仪测得。倾斜：电子倾斜仪1.摆式倾斜仪利用可变电感的原理制成的，具有：灵敏度高读数方便调整范围宽2.气泡式倾斜仪 我国制造的气泡式倾斜仪2 观测范围 1 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x，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，就能自动地进行倾斜观测。适用于作动态观测，形成差动电容装置高频交流电压C1C2构成桥路两臂Z1Z2为阻抗R载为负载电阻（三）摄影测量方法1.应用：地面摄
10、影测量方法越来越广泛用于大型工程建筑物的变形观测。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地表移动.由于火山喷发而致的环境变化 2.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有了摄影底片，可以观测到变形体以前的状态。3.原理：有基于固定摄站得时间基线法：测二维变形 有立体摄影测量方法：测三维变形 固定摄站的时间基线法原理：原理：精度：参考点使用：设内外方位元素不变，第2次摄影时像点坐标为x，z；内外方位元素变化，像点坐标测得为设n个控制点列误差方程
11、可解算系数地面立体摄影测量的解析处理方法有：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右像片坐标仪量测的坐标值像片坐标像方空间坐标u当DLT系数已知：对一个时X列4个误差方程可解出三维坐标u当DLT系数未知：需布至少6个控制点，X解算出DLT系数再求XX坐标.1.2 变形监测方案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包括以下几个方面：变形观测的精度变形观测的周期变形观测的内容变形观测的方法（监测网布置、观测点布置）变形观测的成本一、变形观测的精度确定 典型精度典型精度1mm1mm或相对精度为或相对精度为1010-6-6，制定变形观
12、测的精度取决于变形的大小、速率、仪器和制定变形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。方法所能达到的实际精度，以及观测目的等。一般：一般：变形目的是安全变形目的是安全监测监测：观测误差：观测误差(1/101/20)(1/101/20)允许变形值允许变形值变形目的是研究变形过程：以最高的精度进行变形观测变形目的是研究变形过程：以最高的精度进行变形观测如：某建筑物为框架结构，基础土层为高压缩土，相邻两沉如：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降观测点的距离，两点差异沉降量的允许值为，两点差异沉降量的允许值为 =0.003l=0.0
13、03=0.003l=0.003 8=24mm8=24mm两点差异沉降量的观测中误差取为两点差异沉降量的观测中误差取为mm差异差异=1/10=1/10=2.4mm=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，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则任一测点高程中误差为又如：某建筑物高又如：某建筑物高24m24m，允许倾斜值为：，允许倾斜值为：=0.004Hg=96mm=0.004Hg=96mm设倾斜是平移和沉降共同作用，影响相等，则允许的平移设倾斜是平移和沉降共同作用，影响相等，则允许的平移值为值为 则：则：也和不同的建筑物及建筑物的结构、部位等
14、有关。也和不同的建筑物及建筑物的结构、部位等有关。一般：对于有连续生产线的大型车间（钢结构，钢筋混凝一般：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）土结构的建筑物）mm沉沉陷陷=2mm=2mmmm高程高程H H=1mm=1mm特种工程设备特种工程设备m=0.1mmm=0.1mm二、观测的周期观测内容沉陷量/mm水平位移/mm岩基上的混凝土坝压缩土上的混凝土坝土坝施工期间土坝运营期间121051251035大坝的要求列于下表：定量：一般当时，认为是有变形，否则为误差反映。定性：与荷载增加、地基土质、沉降变形速度、变形值大小定性：与荷载增加、地基土质、沉降变形速度、变形值大小 等
15、有关。等有关。一般：施工中，频率要大一些，一般三天，七天，半月。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、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。三个月、半年、一年等。观测点稳定后，荷载增加观测点稳定后，荷载增加2525，每增加，每增加1515，第第1 1年年4 4次，第次，第2 2年年2 2次，以后每年次，以后每年1 1次。次。变形种类水库蓄水前水库蓄水水库蓄水后23年正常运营 沉 陷混凝土坝 相对水平位移 绝对水平位移土石坝 沉陷、水平位移1个月半个月0.51个月1季度1个月1周1季度1个月36个月半个月1季度1
16、季度半年1个月612个月半年大坝变形观测周期：三、变形观测的内容n n根据不同类建筑物及建筑物的不同部位，甲方、乙方综合商定。四、变形观测的方法n n前面所讲的变形监测技术，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。控制网布设：控制网布设：基准点基准点工作基点工作基点观测点（目标点）观测点（目标点）布置原则：布置原则：远离或深埋远离或深埋 近，有变形近，有变形 建筑物上，反应建筑物变形建筑物上，反应建筑物变形标志构造形式：标志构造形式：如：地表岩石标如：地表岩石标考虑冻土考虑冻土铆钉铆钉深埋双金属标深埋双金属标平峒岩石标平
17、峒岩石标爆扩桩爆扩桩古树根古树根监测网坐标系和基准的选择：监测网坐标系和基准的选择：大地坐标系统：当变形体的范围较大且形状不规则时，可大地坐标系统：当变形体的范围较大且形状不规则时，可选选用该系统用该系统好处：已知系统的归化和投影改正公式好处：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为参考点的方法即可确定一一二三准网秩二三准网秩亏亏数分别为数分别为1 1、3 3、6 6（测边时）（测边时）11个已知点个已知点22个已知点个已知点基于监测体的
18、坐标系统：适用于那些具有明显结构性特征的变形体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。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。这时目标点的变形刚好在某一坐标方向上。注意注意关键：关键：1.1.一旦选定了固定基准，该基准在整个变形监测时期都应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。保持不变。2.2.每一周期的观测方案，观测方法（仪器、人）和精度保持不变。每一周期的观测方案，观测方法（仪器、人）和精度保持不变。监测网的优化设计监测网的优化设计:精度精度可靠性可靠性 灵敏度灵敏度 费
19、用费用 方法可参见方法可参见 2 21,1,另外还需注意另外还需注意1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6.6.五、监测费用总费用分成以下几方面：总费用分成以下几方面：11）建立监测系统的一次性花费）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、埋设永久标石包括踏勘、埋设永久标石、标志、观测墩、仪器设标志、观测墩、仪器设备的购置费、安装费、数据处理软硬件等。备的购置费、安装费、数据处理软硬件等。22）每一个观测周期的花费）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、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。临时标志费、交通费等。33）维修和管理费）维修和管理费主要包括标志的维护费、仪器设备折旧费以及管理主要包括标志的维护费、仪器设备折旧费以及管理人员费用等。人员费用等。六、变形监测的自动化变形监测的自动化要求基于以下原因：l l变形速度太快l l需要在同一时刻获得许多点上的变形l l变形过程需要大量短时间间隔的观测数据描述l l监测环境恶劣，噪声、高压、高热、高磁场或人无法到达l l不影响生产和运行管理