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贵州省大坝安全监测中心——沈鹏2013年8月目录外部变形概述一、外部变形监测目的及意义二、外部变形监测的特点三、外部变形监测依据四、外部变形监测主要内容及方案制定五、外部变形监测方法及仪器六、双河口等8座水电站外部变形监测点布置及运行情况外部变形概述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。外部变形概述所谓变形监测，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和观测的工作。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。一、外部变形监测目的及意义1、外部变形监测的目的1）施工期监测目的施工期外部变形监测往往布设一些临时性监测项目，主要是及时了解施工期一些关键部位的位移变化情况，以便对设计方案或施工方案进行调整，为施工过程中的安全护航。2）竣工后（运营期）监测目的竣工后监测项目则是永久性监测项目，主要是监测工程建筑物的位移变化，并了解其在空间与时间的变化规律，从而判定建筑物的运行工况及稳定安全性。2、外部变形监测的意义水利水电工程枢纽建筑，由于受各种因素的影响，在运行过程中都会产生不同程度的变形，这一变形超过了一定的界限就会影响枢纽建筑的正常使用，危及安全。因此，在建筑物的施工、运行期都必须对枢纽建筑物进行变形监测，其中外部变形监测是枢纽变形监测工作中的重要组成部分，对枢纽安全运行、提高科学认识、检验理论、做好监测预报预警等工作具有十分重要的意义。包括实用上及科学上两方面的意义。实用意义科学意义通过施工建设期间和运营期间的变形监测，可以获得变形体的空间状态和时间特性，并据此指导施工和运营，可及时发现问题并采取工程措施，以确保施工质量和运营安全。通过对变形观测资料进行严密的数据处理，做出变形体变形的几何分析和物理解释，更好地理解变形机理，可验证有关的工程设计理论和变形体变形的模型假设，以改进现行的工程设计理论，建立、健全科学的预报变形的理论和方法。二、外部变形监测的特点不同时段的监测目的不同监测项目的可恢复性监测项目的人为影响性监测项目的周期性要求监测项目与内部变形监测项目的关联性二、外部变形监测的特点二、外部变形监测的特点三、外部变形监测依据《水利水电工程施工测量规范》（DL/T5173-2003)《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012)《混凝土坝安全监测技术规范》（DL/T5178-2003）《工程测量规范》（GB50026-2007）《国家一、二等水准测量规范》（GB/T12897-2006）《国家三、四等水准测量规范》（GB/T12898-2009）《精密工程测量规范》（GB/T15134-94）《测绘技术设计规定》（CH/T1004-2005）《中、短程光电测距规范》（GB/T16818-2008）《三、四等导线测量规范》（GB/T12898-2009）《国家三角测量规范》（GB/T15134-94）四、外部变形监测主要内容及方案制定主要内容水平位移监测垂直位移监测挠度监测裂缝监测滑坡及崩岸监测方案制定监测内容监测精度监测部位和测点布置监测频率四、外部变形监测主要内容及方案制定监测内容应根据变形体的性质、监测要求和环境等因素来确定变形监测工作的内容。监测精度要求对于工程建筑物来说，变形监测的精度要求，取决于该工程建筑物预计的允许变形值的大小和进行观测的目的。外部变形监测精度如何根据允许变形值来确定观测的精度，国内外还存在着各种不同的看法。在国际测量师联合会（FIG）第十三届会议（1971年）工程测量委员会的讨论中提出：“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值小得多”。也有人认为精度愈高愈好，尽可能提高观测的精度。外部变形监测精度在生产实践中，求得必要的中误差以后，如果根据本单位的仪器设备和技术力量，能够比较容易地达到精度要求，而且在不必花费很大的精力、不增加很多工作量的情况下，还能达到更高的精度时，也可以将观测的精度指标提高。对于水工建筑物，根据其结构、形状不同，观测内容和精度也有差异。即使对于同一建筑物（如拱坝）的不同部位，其观测精度也不相同，变形大的部位（拱冠）的观测精度可稍低于变形小的部位（如拱座）。对于混凝土大坝，测定变形值的精度一般为±1mm；对于土工建筑物，测定其变形值的精度不低于±2mm。大坝变形观测典型精度观测内容沉降量/mm水平位移/mm基岩上的混凝土坝11压缩土上的混凝土坝22土坝的施工期间105～10土坝的运营期间53～5监测部位和测点布置土石坝一般为直线或折线坝，其位移变化主要是水平位移和垂直位移变化。土石坝的外部变形监测一般按平行于坝轴线和垂直于坝轴线两个方向来布设监测断面。平行于坝轴线方向的断面一般在坝顶上下游侧、上下游坝坡的马道上布设，这些测点大部分在同一高程上；垂直于坝轴线方向的断面是将不同高程的平行于坝轴线上的监测点设置在同于坝轴线桩号上，形成一个剖面。监测部位和测点布置—土石坝监测部位和测点布置混凝土坝是用钢筋混凝土浇筑而成的刚性块体，其水平位移变化量远小于土石坝，它的水平位移变化受温度影响较大，因而对混凝土坝段更重视他的挠曲变化。如果是混凝土拱坝，则两个拱肩是受力的重要部位，是监测的重点。混凝土坝一般上下游坝坡都很陡，一般不设马道，因此很难在坝坡上设置测点，所以对于混凝土坝段的水平位移外部变形监测一般着重于坝顶（拱坝的坝肩更是重点），一般在拱冠、1/2拱弧及拱肩处布设测点，采用水平位移和垂直位移点共建在一起的综合位移标点进行观测。桃花电站外观布置图团坡电站测点布置图外部变形监测频率变形监测的频率取决于变形的大小、速度以及观测的目的。通常，在工程建筑物建成初期，变形的速度比较快，因此观测频率也要大一些。经过一段时间后，建筑物趋于稳定，可以减少观测次数，但要坚持定期观测。外部变形监测频率五、外部变形监测方法及仪器1、大地测量方法及仪器大地测量方法所观测结果的几何意义既明确又直观，故从古至今广泛用于各类工程建筑物的变形监测。例如，用于沉降观测的几何水准测量、液体静力水准测量、微水准测量和三角高程测量；用于水平位移观测的三角测量、三边测量、边角测量、精密导线测量、交会测量和基线测量；用于倾斜观测的纵横距投影和交会测量等。测量基准面与基准线：大地水准面和铅垂线是测绘工作的基准线和基准面。大地水准面：平均海水面是代表海水静止时的水面，是一个特定重力位的水准面，称为大地水准面大地测量方法—交会法、极坐标法大地测量方法主要以外部变形监测控制网点为基准，以大地测量的方法测定被监测点的大地坐标，进而计算监测点的水平位移，常用方法有交会法、极坐标法、精密导线法、GPS观测法等。大地测量方法大地测量方法大地测量方法—测量机器人测量机器人（MeasurementRobot,或称测地机器人，Georobt）是一种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、三维坐标记忆影像等信息的智能型电子全站仪。它是在全站仪的基础上集成步进马达、CCD影像传感器构成的视频成像系统，并配置智能化的控制及应用软件发展而成的。如TCA1800、TCA2003、TCA1201+、TM30等测量机器人进行自动化变形监测一般可采用两种方式(1).固定式全自动持续监测(2).移动式半自动变形监测固定式全自动持续监测固定式全自动持续监测方式是基于一台测量机器人的有合作目标（照准棱镜）的变形监测系统，可实现全天候的无人值守监测，其实质为自动化坐标测量系统。移动式半自动变形监测移动式半自动变形监测系统的作业与传统的观测方法一样，在各观测墩上安置仪器，输入测站点号，进行必要的测站设置，后视之后测量机器人会按照预置在机内的观测点顺序、测回数，全自动地寻找目标。数据处理1、自动全站仪监测系统测量中，为进一步提高精度，减弱误差的影响，应用差分处理是一种有效的方法。2、自动极坐标差分处理的基本原理是：每一个测量周期均按极坐标的方法测量工作基点和变形测点的斜距、水平角和垂直角，将监测站点至具有气象条件代表性参照的工作基点测量值与其初始值相比，求得差值。3、由于变形观测采用同样的仪器和作业方法，并且工作基点均埋设在基岩上，可以认为工作基点是稳定的，故将这一差值看作是受大气压力、温度及仪器等各种因素影响的结果。测距改正测距边长经过仪器加常数、乘常数、气象及投影改正。仪器常数改正：式中:△S——仪器改正数，mm；a——仪器加常数；b——仪器乘常数（均为仪器检验值）。气象改正式中：△D——气象改正数，mm；P——气压；T——温度oC；S——经仪器常数改正后的斜距，km。SabS0.29065(281.8)10.0036PDST测距改正倾斜改正（斜距该平距）式中：D——平距，m；S——经仪器和气象改正后的斜距，m；k——折光系数；z——天顶距，°′″；R——地球曲率半径。投影改正：式中：DH——投影后平距；DP——经改正后平距；HP——平均高程，m；HM——测边两点平均高程；R——地球曲率半径。2sin(1)sin2/4DSzkSzR[1()/]HPPMDDHHR方位角的差分改正0zjzjzHHH•在变形点每周期的方位角测量值中，实时加入由同期基准点求得的改正值，可准确求得变形点的方位角zzpzpHHH•在长期的变形监测过程中，难以保证仪器的绝对稳定，因水平度盘零方向的变化，对水平方位角的影响不可忽略。•所求的变形量均是相对第一周期而言的，故可把工作基点第一次测量的方位角作为基准方位角，其它周期对工作基点测量的方位角与基准方位角相比，有一差异：大地测量仪器大地测量方法—几何水准测量几何水准测量：水准测量的目的是测出一系列点的高程，这些点通常称为水准点。水准测量等级：无论是科学研究或是经济建设对水准点的密度和水准点高程的精度要求，都随着具体任务的不同而有所差别，为了适应各方面的需要，国家测绘局对全国的水准测量作了统一的规定，按不同的要求规定了四个等级（一、二、三、四等水准），之后的为普通水准。水准路线：单一水准路线的形式有三种，即：附合水准路线、支水准路线、闭合水准路线。水准网：若干条单一水准路线相互连接构成的图形，称为水准网。大地测量方法—几何水准测量水准测量误差的主要来源水准管气泡居中的误差水准尺读数误差水准尺竖立不直的误差仪器和尺子升沉的误差大气折光影响大地测量方法—几何水准测量大地测量方法—几何水准测量大地测量方法—几何水准测量垂直位移监测网沉降变形网一般采用多结点闭合水准网，并重复按精密水准测量的方法进行测量。具体做法是：1.在建筑物的外围布设一条闭合水准环行路线；2.进行精密水准测量，将测量的外业成果用严密平差的方法，求出各水准点和沉降监测点的高程最或是值。3.某一沉降监测点的沉降量即为首次监测求得的高程与该次复测后求得的高程之差。水准测量进行垂直位移监测的内业计算大地测量方法——三角高程测量三角高程测量大地测量方法—三角高程测量在进行几何水准测量确有困难的地方，三、四等水准路线可以用电磁波测距三角高程导线进行测量，但三等须进行正、反觇观测。三角高程测量的误差来源竖角的测角误差边长误差折射系数误差仪器高i和目标高v的测定误差准直测量准直测量是提供一条基准线，测量观测点相对于基准线的单向位移，可以是水平方向，也可以是垂直方向。准直测量方法由很多，有测小角法、活动觇牌法、垂线法、激光准直法和引张线