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第七章工程的变形监测和数据处理•内容–变形监测基础知识–变形监测方法–变形监测数据处理–变形监测成果表达•重点：监测方法与成果表达7.1工程变形监测的基础知识一、变形监测的定义、作用和内容–什么是变形监测？–什么是工程变形监测？–为什么要进行变形监测？–变形监测的内容和特点–变形模型的分类•非周期变形模型•周期变形模型•运动模型、动态模型（1）变形监测的定义变形监测：对监视对象或物体(简称变形体)进行测量，以确定其空间位置随时间的变化特征。包括全球性、区域性和工程的变形监测。变形：变形体自身的形变变形体的刚体位移伸缩、错动整体平移、转动弯曲、扭转升降和倾斜变形的原因：建筑物在工程建设和使用过程中，由于基础的地质构造不均匀，土壤的物理性质不同，土基的塑性变形，地下水位的变化，大气温度的变化，建筑物荷身的荷重及动荷载(如风力、震动等)的作用等．变形按时间长短分为：长周期变形(建筑物自重引起的沉降和变形)、短周期变形(温度变化所引起的变形)和瞬时变形(风振引屈的变形)。变形按其类型可分为：静态变形和动态变形（2）变形监测的意义实用意义：保障工程安全。科学意义：解释变形的机理，研究变形规律，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。（3）变形监测的内容现场巡视外部监测：沉降、水平位移、倾斜、挠度、裂缝。内部监测：温度、应力／应变、渗压、渗流量、水力学观测、水文观测、泥沙。环境监测：水位、气温、降雨量、风、地震、地下渗流场。几何量观测和物理量观测大坝外部变形监测–水平位移监测•视准线法：工程造价低,精度低,不易实现自动观测,受外界条件影响较大,而且测量的变形值受限•引张线法：成本低,精度高（亚毫米）,自动读数,受外界条件影响小,应用较普遍•激光准直法–大气激光准直：小于300m、坝高较低的大坝,测量相对精度为10-5～10-6–真空激光准直：综合精度高达(1～2)×10-7,主要用于长坝、高坝的变形监测•正、倒垂线法：既可以实现水平位移监测,又可实现混凝土坝的挠度观测（CCD，自动化）•精密导线法：拱坝的水平位移监测。此法应用较为广泛,但量边工作量大,角度观测受旁折光影响较大。•前方交会法：在各种水工建筑物的施工阶段或已建成的拱坝下游面、拱冠等观测效率较低且观测时不易直接到达的部位,可以用测边、测角或边角前方交会法测定其水平位移。前方交会法由于受测角误差、测边误差、交会角及图形结构、基线长度、外界条件的变化等因素影响,精度较低,一般为±(1～3)mm。另外,其观测工作量较大,计算过程较复杂,故不单独使用,而是常作为备用手段或配合其他方法使用-垂直位移监测几何水准法：几何水准法是垂直位移监测的常用方法,精度容易满足,但主要问题是如何实现观测自动化。流体静力水准法：静力水准的测点基本上要处于同一水平位置,高差测量范围较小。近年来研制开发出了通过压力传感器测量液体压力的变化来计算高差变化的仪器,扩大了测量范围-三维位移监测–极坐标法：该法采用当前具有最高精度的测量机器人进行作业（差分法）–距离交会法：不用角度信息,只用距离信息;对距离信施加各种改正,使其达到亚毫米级。•用测边和三边交会法确定变形点的三维坐•用频率校准仪、高稳定度高精度温度计、气压计与湿度计等,对所测边长施加频率改正和气象改正;•用自动周日观测技术测定大气代表性误差规律,削弱大气代表性误差的影响。–GPS法：1km左右的短基线上,GPS测量可以获得亚毫米级的相对定位精度桥梁变形监测–桥梁墩台变形监测（包括：垂直位移、水平位移监测）（水准、准直）–塔柱变形监测（包括：顶部水平位移监测、整体倾斜观测、周日变形观测、挠度观测、伸缩量观测）（GPS、全站仪）。–桥面挠度观测（几何水准微波干涉）。–桥面水平位移观测深基坑变形监测–基坑内壁水平位移–基坑内壁倾斜–周围建筑物沉降高层变形监测–沉降（水准，静力水准）–水平位移（准直、全站仪）–倾斜（挠度）（准直、经纬仪）–裂缝、日照、风震隧道变形监测–沉降–收敛变形–围岩压力–钢筋应力•滑坡变形监测-各种裂缝监测-岩土体松弛以及局部坍塌、沉降隆起活动-地下、地面三维位移-地下水水位、水量、水化学特征-树木倾斜和各种建筑物变形-降雨以及地震活动等外部环境变化-动物活动异常。（4）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”。变形监测精度二、变形模型（1）变形影响因子和动态变形模型•变形影响因子：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、设备安装偏离设计值，以及温度、气候变化等。动态变形模型的一般数学表达式：（2）典型的动态变形模型——变形视为外力的函数突变模型外力阶梯渐变模型外力线性周期模型外力周期（3）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：三、变形体的几何模型和监测点布设几何模型：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。概念：变形体空间离散化：监测点（目标点）时间离散化：周期监测、持续监测相对定位、绝对定位参考点、目标点：不变量、可变量点位布设的要点：数量、位置、类型7.2变形监测方案设计–测量方法的选择–监测网布设–测量精度的确定–观测周期的确定…一、变形监测方案制定准则（1）所需的测量精度：坐标精度（2）观测间隔与观测次数（3）一次观测所允许的时间二、典型变形的准则（1）非周期变形:测量精度与最大变形量有关yyδ10=∆5/yyδσ=（2）周期变形：观测频率：Δt≤1/2F三、测量方法选择需考虑的问题（1）测量精度的确定对于监测网，要将坐标精度转化为观测值的精度。网的模拟优化设计：确定观测方案，确定观测元素(如方向、距离、高差、GPS基线边长等)及其精度。（仪器的标称精度）按设计的测量方案和精度计算出各目标点坐标的精度，应完全满足要求（应有一定富余）–1971年国际测量师联合会(FIG)第十三届会议上工程测量组提出：“如果观测的目的是为了使变形值不超过某一允许的数值而确保建筑物的安全，则其观测的中误差应小于允许变形值的1/10～1/20；如果观测的目的是为了研究其变形的过程，则其中误差应比这个数小得多。”–不同类型的工程建筑物，其精度要求差别较大；–同一建筑物，不同部位、不同时间对观测精度的要求也不相同。建筑物变形测量等级及精度（2）观测周期数和一周期观测时间的确定原则：观测周期数取决于变形的大小、速度及观测的目的，且与工程规模、监测点数量、位置以及观测一次所需时间有关。在工程建筑物建成初期，变形速度较快，观测周期应多一些，随着建筑物趋向稳定，可减少观测次数；但仍应坚持观测，以便发现异常变化。及时进行第一周期观测具有重要意义，推延初始测量可能失去已经发生的变形，应特别重视第一周期观测的质量，以后各周期的成果要与第一期比较。•第一次观测：大坝蓄水之前。而且多次观测，了解温度影响。•在特殊时刻：洪水、地震或者水位变化明显的代表性阶段需要加测。水平位移趋势大坝变形观测周期选择表对于周期性变形，在一个变形周期内至少应观测两次。如果观测周期的时刻选择不当，将导致错误的结论。下面情形是四种不同的一维变形过程如果都用三个离散的时刻来获取，则会出现完全不同的结果：一周期内所有测量工作需在允许的时间间隔δt内完成。否则，周期内的变形将歪曲目标点的坐标值。长周期变形，δt可达几天甚至数周，可选用各种大地测量仪器和技术。日周期变形，δt为数十分钟，可选用快速测量仪器和技术，如GPS、Georobot。短周期变形，δt仅为数分甚至数秒，需要考虑采用摄影测量方法或自动化测量方法。（3）监测费用建立监测系统的一次性花费。每一个观测周期的花费。维护和管理费。原则：当变形监测项目所要求的观测周期较少时，采用常规大地测量方法较好；若观测周期多且周期中测量持续时间较短，应采用特殊的测量方法，研制专用仪器，建立全自动化监测系统。7.3变形监测方法和自动化一、常规的大地测量方法指用常规的大地测量仪器测量方向、角度、边长和高差等量所采用方法的总称。常规的大地测量仪器：光学经纬仪、光学水准仪、电磁波测距仪、电子经纬仪、电子水准仪、电子全站仪、GPS接收机等常规大地测量方法：变形监测网（GPS网、边角网），几何水准、电磁波测距三角高程测量等。二、摄影测量方法特点：–不接触监测。–外业工作量小，观测时间短，快速，很多–信息量大，利用率高，利用种类多–仪器费用较高，数据处理对软硬件的要求较高。三、特殊的大地测量方法（1）短距离及其变化（裂缝）（2）准直法（光学、光电、机械）（3）铅直法（光学、光电、机械）（4）流体静力水准（5）挠度测量和倾斜测量（6）震动测量（7）三维激光扫描•经纬仪投点法——倾斜测量测位移差值测角度差值•裂缝观测•前方交会法——水平位移测量基点基点观测点•基准线法——水平位移•三维激光扫描测量AllrightsreservedtoIDS50雷达基本原理雷达（Radar）的意思是:电磁波测量和探测RAdioDetectionAndRanging雷达主要应用于检测目标物的存在性和测量目标物和设备之间的距离。R•地面雷达干涉仪差分干涉测量技术将在不同时间得到的目标物的相位信息的差异进行比较，从而演算出很小的位移变化量。d第一次采样第二次采样1ϕ()124ϕϕπλ−−=d该系统能够在同时发射n组连续频率的电磁波，每组电磁波的脉冲持续时间为Ttone。该组连续的电磁波是步进频率的电磁波。Bf第n组电磁波2τ⋅=∆cR步进频率连续波技术能够使得IBIS系统得到一个非常高的距离向分辨率步进频率连续波技术(SFCW)IBIS系统的距离向分辨率可以达到0.5mAllrightsreservedtoIDS一组步进频率连续波信号的时间域表示:每一次结束之后，IBIS系统均能够得到目标物在本次采样时间内的矢量变化。步进频率连续波技术(SFCW)每一次扫描的延时Ttonef0f0+∆ff0+2∆ff0+(N-1)∆f下一次扫描t每一次扫描只能在电磁波达到最远的目标物点之后才能进行下一次扫描Rmax:cRTmaxtone2I0+jQ0I1+jQ1I2+jQ2IN-1+jQN-1步进频率连续波技术(SFCW)天线中心线Range(m)IBIS第n个分割单元通过该项技术得到的是一个一维切面图，称为距离向切面图。在这个切面上，按照距离向分辨率（0.5m）进行分割。∆RAllrightsreservedtoIDS55IBIS-L系统:硬件描述雷达控制单元线性扫描轨道能量供应单元电脑AllrightsreservedtoIDS56在大坝反射图中，电磁波的反射情况得到很好的解释。图中将整个监测区域内所有反射物的情况都记录了下来。下图将每种颜色所代表的反射情况大小表示出来。并与大坝照片进行比较:IBIS-L大坝监测实例—紫坪铺大坝AllrightsreservedtoIDS57IBIS-L监测某大坝实例15小时监测时间内坝体表面的变形情况•从15小时的观测得到的表面变形图可以看出来,该坝是稳定的;•由于在15小时的观测过程中，大气等因素的变化会对监测有一定影响，所以,系统用GCP来校正;[mm]GCPIBIS-L大坝监测实例—紫坪铺大坝AllrightsreservedtoIDS585.点位移图通过区域位移图能够对整个区域的变形情况有一个宏观的掌握，此外还可以得到其中任意一个点的变形情况。IBIS-L监测某大坝实例21:0000:0003:0006:0009:0012:00-5-4-3-2-1012345Time[hours]LOSDisplacement[mm]P1P2P3P4P5P6P7P8P910GCPP1P6P19P21P26P27P70P77P131P129P4P3P5P6P10P9P2P1P7P8GCPGCP•右图是在坝体表面选择的几个点的位