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变形观测与数据处理成都理工大学地球科学学院测绘工程系授课曾涛第3章水平位移监测主要内容交会法测量水平位移基准线法测量水平位移导线及前方交会测量水平位移挠度测量3.1概述3.1.1基本原理&x=Xk-X0&y=Yk-Y0V均=&n-&m/t单点的某周期的水平位移观测点的平均变形速度：3.1.2测点布设基准点：采用控制网或一定的几何图形测角网测边网边角网导线网基准点标志的形式及埋设要求：一般原则不位于变形体上，相对稳定的点；有利于放置仪器的地方；考虑布点地段的地质水文情况；（如地下水位线、最大冻土线等）水平位移监测基准点观测敦埋设（a）观测敦（单位：cm）（b）重力平衡球式照准标志（单位：mm）3.1.2测点布设观测点布设基本要求：一般原则反应整体变形（均匀布点）；变形量大的地段多布点；工程重点地段多布点；其它原因专门提出；有利于观测3.1.3常用的监测方法1.大地测量手段：三角网、精密导线、交会法等2.基准线法：视准线、引张线3.GPS测量法4.其它专业测量方法：坐标位移计3.2交会法测量水平位移前方交会法概述前方交会法有三种：测角前方交会法、测边前方交会法、边角前方交会法。其观测值和观测仪器见下表：种类测角交会法测边交会法边角交会法观测值,D1,D2,D1,D2观测仪器精密经纬仪光电测距仪精密全站仪角度前方交会法测量原理第一次观测时，假设测得两水平夹角为和，由公式求得P点坐标值，第二次观测时，假设测得的水平夹角为和，则P点坐标值变为，那么在此两期变形观测期间，P点的位移可按下式解算：P点的位移方向为：。如所示为双曲线拱坝变形观测图。为精确测定等观测点的水平位移，首先在大坝的下游面合适位置处选定供变形观测用的两个工作基准点E和F；为对工作基准点的稳定性进行检核，应根据地形条件和实际情况，设置一定数量的检核基准点（如C、D、G等），并组成良好图形条件的网形，用于检核控制网中的工作基准点（如E、F等）。各基准点上应建立永久性的观测墩，并且利用强制对中设备和专用的照准觇牌。对E、F两个工作基点，除满足上面的这些要求外，还必须满足以下条件：用前方交会法观测各变形观测点时，交会角不得小于，且不得大于。一.测量实例拱坝变形观测图变形观测点应预先埋设好合适的、稳定的照准标志，标志的图形和式样应考虑在前方交会中观测方便、照准误差小。此外，在前方交会观测中，最好能在各观测周期由同一观测人员以同样的观测方法，使用同一台仪器进行。3.3精密导线法测量水平位移精密导线测量法概述对于非直线型建筑物，如重力拱坝、曲线型桥梁以及一些高层建筑物的位移观测宜采用导线测量法、前方交会法以及地面摄影测量等方法。用于变形观测的精密导线在布设、观测及计算等方面都具有其自身的特点。一.导线的布设应用于变形观测中的导线，是两端不测定向角的导线。可以在建筑物的适当位置（如重力拱坝的水平廊道中）布设，其边长根据现场的实际情况确定。导线端点的位移，在拱坝廊道内可用倒锤线来控制，在条件许可的情况下，其倒锤点可与坝外三角点组成适当的联系图形，定期进行观测以验证其稳定性。下图为在拱坝水平廊道内进行位移观测而采用的导线布置形式示意图。导线点上的装置，在保证建筑物位移观测精度的情况下，应稳妥可靠。它由导线点装置（包括槽钢支架、特制滑轮拉力架、底盘、重锤和微型觇标等）及测线装置（为引张的铟瓦丝，其端头均有刻划，供读数用。固定铟瓦丝的装置越牢固，则其读数越方便且读数精度稳定）等组成。下图的微型觇标供观测时照准用，当测点要架设仪器时，微型觇标可取下。微型觇标顶部刻有中心标志供边长丈量时用。导线测量用的小觇标在拱坝廊道内，由于受条件限制，一般布设的导线边长较短，为减少导线点数，使边长较长，可由实测边长（）计算投影边长。实测边长（）应用特制的基线尺，来测定两导线点间（即两微型觇标中心标志刻划间）的长度。为减少方位角的传算误差，提高测角效率，可采用隔点设站的办法，即实测转折角和投影角（）（见示意图）。二.导线的测量三.导线的计算由于导线两端不观测定向角，因此，导线点坐标计算相对要复杂一些。假设首次观测精密地测定了边长与转折角，则可根据无定向导线平差（有兴趣的读者可参看有关参考书），计算出各导线点的坐标作为基准值。以后各期观测各边边长及转折角，同样可以求得各点的坐标，各点的坐标变化值即为该点的位移值。值得注意的是，端点A、B同其它导线点一样，也是不稳定点，每期观测均要测定A、B两点的坐标变化值)，消除端点的变化对各导线点的坐标值均有影响。3.4基准线法测量水平位移基准线法概述原理：通过变形体（一般为直线型建筑物）轴线或平行于轴线构建一个固定不变的铅垂面为基准面，用基准面测定水平位移的方法。分类（根据确立基准面方法的不同）视准线法引张线法激光准直法一、视准线法视准线法：由经纬仪的视准面构建基准面。根据情况可以采用测小角法和活动觇牌法。视准线的构成：基点观测墩变形观测点觇牌图案采用照相制版、腐蚀成形，图案色彩对比鲜明，边缘清晰，对中精度高。活动式觇牌的最大测量范围为±50毫米，可满足坝内精密导线测量的近坝区水平位移监测网等各种场合的测量需要。量测范围：±50mm最小读数：0.01mm量测精度：0.05mm水准器置平精度：30″一、视准线法根据情况可以采用测小角法和活动觇牌法两种测量手段。小角法：基准线应按平行于待测的变形体轴线布置。角度观测的精度和测回数，应按要求的偏差值观测中误差估算确定；距离可按1/2000的精度量测。活动觇牌法：基准线离开观测点的距离不应超过活动觇牌读数尺的读数范围。在基准线一端安置经纬仪或视准仪，瞄准安置在另一端的固定觇牌进行定向，待活动觇牌的照准标志正好移至方向线上时读数。每个观测点，应按确定的测回数进行往测与返测。一、视准线法视准线测量程序及观测精度分析视准线测量程序方案设计基准点、观测墩及观测点埋设测量小角和距离测定活动觇牌位移量测小角在采用视准线小角法测量观测点位移量时,常在视准线端点设站(如图1),其观测点的位移量为△:基本公式：误差来源：对中测角照准二、引张线法测定水平位移通过一根拉直的钢丝确立基准面（线）的方法。优点：不受折光影响适合:大坝基础廊道；闸门1、基本装置：基点（端点)观测点测线测线保护管浮托装置端点：它由墩座、夹线装置、滑轮、重锤连接装置及重锤等部件组成（见图）。夹线装置是端点的关键部件，它起着固定不锈钢位置的作用。为了不损伤钢丝，夹线装置的V形槽底及压板底部嵌镶铜质类软金属。端点处用以拉紧钢丝的重锤，其重量视允许拉力而定，一般在10～50kg之间。1－保护管支架，2－保护箱，3－钢筋，4－槽钢5－标尺，6－测线保护管，7－角钢，8－水箱，9－浮船引张线观测点观测点：由浮托装置、标尺、保护箱组成，如图所示。浮托装置由水箱和浮船组成。浮船置入水箱内，用以支撑钢丝。浮船的大小（或排水量）可以依据引张线各观测点间的间距和钢丝的单位长度重量来计算。一般浮船体积为排水量的1.2～1.5倍，而水箱体积为浮船体积的1.5～2倍。标尺系由不锈钢制成，其长度为15cm左右。标尺上的最小分划为1mm。它固定在槽钢面上，槽钢埋入大坝廊道内，并与之牢固结合。引张线各观测点的标尺基本位于同一高度面上，尺面应水平，尺面垂直于引张线，尺面刻划线平行于引张线。保护箱用于保护观测点装置，同时也可以防风，以提高观测精度。2.引张线读数引张线法中假定钢丝两端点固定不动引张线是固定的基准线，由于各观测点上的标尺是与坝体固连的，所以对于不同的观测周期，钢丝在标尺上的读数变化值，就直接表示该观测点的位移值。观测钢丝在标尺上的读数的方法很多，现介绍读数显微镜法。该法是利用由刻有测微分划线的读数显微镜进行的，测微分划线最小刻划为0.1mm，可估读到0.01mm。由于通过显微镜后钢丝与标尺分划线的像都变得很粗大，所以采用测微分划线读数时，应采用读两个读数取平均值的方法。下图给出了观测情况与读数显微镜中的成像情形。如图所示，钢丝左边缘读数为a＝72.30mm，钢丝右边缘读数为b＝73.40mm，故该观测值结果为：通常观测是从靠近端点的第一个观测点开始读数，依次观测到测线的另一端点，此为一个测回，每次需要观测三个测回。各测回之间应轻微拨动中间观测点上的浮船，使整条引张线浮动，待其静止后，再进行下一个测回的观测工作。各测回之间观测值互差的限差为0.2mm。大坝廊道内测量三、激光准直法测定水平位移通过激光束确立基准面（线）的方法。优点：激光光源单一，方向性好激光准直法根据其测定偏离值的方法不同，可分为“激光经纬仪准直法”与“波带板激光准直法”，1.激光经纬仪准直法采用激光经纬仪准直时，活动觇牌法中的觇牌是由中心装有两个半圆的硅光电池组成的光电探测器。两个硅光电池各连接在检流表上，如激光束通过觇牌中心时，硅光电池左右两半圆上接收相同的激光能量，检流表指针在零位。反之，检流表指针就偏离零位。这时，移动光电探测器使检流表指针指零，即可在读数尺上读取读数。为了提高读数精度，通常利用游标卡尺，可读到0.1mm。当采用测微器时，可直接读到0.01mm。激光经纬仪准直法的操作要点为：①将激光经纬仪安置在端点A上，在另一端点B上安置光电探测器。将光电探测器的读数安置到零上。调整经纬仪水平度盘微动螺旋，移动激光束的方向，使在B点的光电探测器的检流表指针指零。这时，基准面即已确定，经纬仪水平度盘就不能再动。②依次在每个观测点处安置光电探测器，将望远镜的激光束投射到光电探测器上，移动光束探测器，使检流表指针指零，就可以读取每个观测点相对于基准面的偏离值。为了提高观测精度，在每一观测点上，探测器的探测需进行多次。2.波带板激光准直法波带板激光准直系统由三个部件组成：激光器点光源，波带板装置和光电探测器。用波带板激光准直系统进行准直测量如图所示。波带板激光准直测量方形波带板圆形波带板在基准线两端点A、B分别安置激光器点光源和探测器。在需要测定偏离值的观测点C上安置波带板。当激光管点燃后，激光器点光源就会发射出一束激光，照满波带板，通过波带板上不同透光孔的绕射光波之间的相互干涉，就会在光源和波带板连线的延伸方向线上的某一位置形成一个亮点（采用圆形波带板）或十字线（采用方形波带板）。根据观测点的具体位置，对每一观测点可以设计专用的波带板，使所成的象正好落在接收端点B的位置上。利用安置在B点的探测器，可以测出AC连线在B点处相对于基准面的偏离值,则C点对基准面的偏离值为：偏离值计算波带板激光准直系统中，在激光器点光源的小孔光栏后面安置一个机械斩波器，使激光束成为交流调制光，这样即可大大削弱太阳光的干涉，可以在白天成功地进行观测。尽管一些试验表明，激光经纬仪准直法，在照准精度上可以比直接用经纬仪时提高5倍，但对于很长的基准线观测，外界影响（旁折光影响）已经成为精度提高的障碍，因而有的研究者建议将激光束包在真空管中以克服大气折光的影响。小关子水电站闸坝大气激光准直系统LN2080真空（大气）激光准直系统