变形监测数据处理

欢迎各位同学！授课教师:黄声享教授[e-mail]武汉大学测绘学院2009年4月课程：变形监测数据处理变形监测数据处理主要参考书:1.陈永奇,吴子安,吴中如.变形监测分析与预报.北京:测绘出版社,19982.吴子安.工程建筑物变形观测数据处理.北京:测绘出版社,19893.陈永奇.变形观测数据处理.北京:测绘出版社,19884.吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用.北京:高等教育出版社,2003变形监测数据处理主要参考书:5.吴中如,顾冲时.大坝原型反分析及其应用.南京:江苏科学技术出版社,20006.夏才初,潘国荣.土木工程监测技术.北京:中国建筑工业出版社,20017.王尚庆.长江三峡滑坡监测预报.北京:地质出版社,19998.李珍照.大坝安全监测.北京:中国电力出版社,1997变形监测数据处理9.岳建平等.变形监测技术与应用.国防工业出版社200710.何秀凤.变形监测新方法及其应用.科学出版社200711.伊晓东等.变形监测技术及应用.黄河水利出版社200712.白迪谋.工程建筑物变形观测和变形分析.西南交通大学出版社200213.朱建军等.变形测量的理论与方法.中南大学出版社200414.唐孟雄等.深基坑工程变形控制.中国建筑工业出版社200615.黄声享等.小浪底水利枢纽外部变形规律研究.测绘出版社,2008.12变形监测数据处理规范:1.中华人民共和国行业标准.建筑变形测量规范（JGJ8-2007）.北京:中国建筑工业出版社,2008•中华人民共和国水利行业标准.混凝土大坝安全监测技术规范（DL/T5178-2003）.北京：中国水利水电出版社,20041.本课程学习的重要性2.本课程涉及到的主要问题变形监测技术变形数据整编变形分析与预报变形监测数据处理如何学好该课程？变形监测任务书监测方案监测资料的预处理监测基准与稳定性分析变形分析方法数理统计知识确定性模型统计模型变形监测数据获取自动化观测人工观测第一章引论主要内容变形监测的内容、目的与意义变形监测技术及其发展变形分析的的内涵及其研究进展关于本课程的学习本节要求了解并掌握三方面的内容：•变形监测的基本概念•变形监测的内容•变形监测的目的和意义1.1变形监测的内容、目的与意义1.1.1变形监测的基本概念•变形的概念•变形监测的概念•变形体的范畴1.1变形监测的内容、目的与意义1.1.1变形监测的基本概念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。1.1变形监测的内容、目的与意义1.1.1变形监测的基本概念•变形的概念•变形监测的概念•变形体的范畴1.1变形监测的内容、目的与意义1.1.1变形监测的基本概念所谓变形监测，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。1.1变形监测的内容、目的与意义1.1.1变形监测的基本概念•变形的概念•变形监测的概念•变形体的范畴1.1变形监测的内容、目的与意义1.1.1变形监测的基本概念变形体的范畴可以大到整个地球，小到一个工程建（构）筑物的块体，它包括自然的和人工的构筑物。根据变形体的研究范围，可将变形监测研究对象划分为这样三类：•全球性变形研究，如监测全球板块运动、地极移动、地球自转速率变化、地潮等；•区域性变形研究，如地壳形变监测、城市地面沉降等；•工程和局部性变形研究，如监测工程建筑物的三维变形、滑坡体的滑动、地下开采使引起的地表移动和下沉等。1.1变形监测的内容、目的与意义1.1变形监测的内容、目的与意义1.1.1变形监测的基本概念在精密工程测量中，研究的最具有代表性的变形体有：大坝桥梁高层（耸）建筑物矿区防护堤边坡隧道地铁地表沉降高速铁路核电站大型科学实验装置等1.1.1变形监测的基本概念•变形的概念•变形监测的概念•变形体的范畴1.1变形监测的内容、目的与意义本节要求了解并掌握三方面的内容：•变形监测的基本概念•变形监测的内容•变形监测的目的和意义1.1变形监测的内容、目的与意义1.1.2变形监测的内容变形监测的内容，应根据变形体的性质与地基情况来定。要求有明确的针对性，既要有重点，又要作全面考虑，以便能正确反映出变形体的变化情况，达到监视变形体的安全、了解其变形规律之目的。1.1变形监测的内容、目的与意义1.1.2变形监测的内容1）工业与民用建筑物：主要包括基础的沉陷观测与建筑物本身的变形观测。就其基础而言，主要观测内容是建筑物的均匀沉陷与不均匀沉陷。对于建筑物本身来说，则主要是观测倾斜与裂缝。对于高层和高耸建筑物，还应对其动态变形（主要为振动的幅值、频率和扭转）进行观测。对于工业企业、科学试验设施与军事设施中的各种工艺设备、导轨等，其主要观测内容是水平位移和垂直位移。1.1变形监测的内容、目的与意义1.1.2变形监测的内容2）水工建筑物：对于土坝，其观测项目主要为水平位移、垂直位移、渗透以及裂缝观测。对于混凝土坝，以混凝土重力坝为例，由于水压力、外界温度变化、坝体自重等因素的作用，其主要观测项目主要为垂直位移（从而可以求得基础与坝体的转动）、水平位移（从而可以求得坝体的扭曲）以及伸缩缝的观测，这些内容通常称为外部变形观测。此外，为了了解混凝土坝结构内部的情况，还应对混凝土应力、钢筋应力、温度等进行观测，这些内容通常称为内部观测。1.1变形监测的内容、目的与意义1.1.2变形监测的内容3）地面沉降：对于建立在江河下游冲积层上的城市，由于工业用水需要大量地吸取地下水，而影响地下土层的结构，将使地面发生沉降现象。对于地下采矿地区，由于在地下大量的采掘，也会使地表发生沉降现象。这种沉降现象严重的城市地区，暴雨以后将发生大面积的积水，影响仓库的使用与居民的生活。有时甚至造成地下管线的破坏，危及建筑物的安全。因此，必须定期地进行观测，掌握其沉降与回升的规律，以便采取防护措施。对于这些地区主要应进行地表沉降观测。1.1变形监测的内容、目的与意义本节要求了解并掌握三方面的内容：•变形监测的基本概念•变形监测的内容•变形监测的目的和意义1.1变形监测的内容、目的与意义1.1.3变形监测的目的和意义人类社会的进步，国民经济的发展，加快了工程建设的进程，并且对现代工程建筑物的规模、造型、难度提出了更高的要求。与此同时，变形监测工作的意义更加重要。众所周知，工程建筑物在施工和运营期间，由于受多种主客观因素的影响，会产生变形，变形如果超出了规定的限度，就会影响建筑物的正常使用，严重时还会危及建筑物的安全，给人民生命财产带来巨大损失。尽管工程建筑物在设计时采用了一定的安全系数，使其能安全承受所考虑的多种外荷载影响，但是由于设计中不可能对工程的工作条件及承载能力做出完全准确的估计，施工质量也不可能完美无缺，工程在运行过程中还可能发生某些不利的变化因素，因此，国内外仍有一些工程出现事故。1.1变形监测的内容、目的与意义1.1.3变形监测的目的和意义以大坝为例:法国67m高的马尔巴塞（Malpasset）拱坝1959年垮坝；意大利262m高的瓦依昂（Vajont）拱坝1963年因库岸大滑坡导致涌浪翻坝且水库淤满失效；美国93m高的提堂（Teton）土坝1976年溃决；我国板桥和石漫滩两座土坝1975年洪水漫坝失事等，都是一些典型的事例。可见，保证工程建筑物安全是一个十分重要的、很实际的问题。1.1变形监测的内容、目的与意义1.1.3变形监测的目的和意义塔可马大桥(TacomaNarrows)事件:1940年完工，主跨853m,只使用了三个月，便在19m/s的风速下造成了塌桥事故。1.1变形监测的内容、目的与意义扭曲运动之一扭曲运动之二1.1.3变形监测的目的和意义塔可马大桥(TacomaNarrows)事件:1.1变形监测的内容、目的与意义边跨下垂1.1.3变形监测的目的和意义塔可马大桥(TacomaNarrows)事件:1.1变形监测的内容、目的与意义主跨破坏1.1.3变形监测的目的和意义塔可马大桥(TacomaNarrows)事件:1.1变形监测的内容、目的与意义破坏惨状1.1.3变形监测的目的和意义塔可马大桥(TacomaNarrows)事件:1.1变形监测的内容、目的与意义新TACOMA桥1.1.3变形监测的目的和意义目前，灾害的监测与防治已越来越受到全社会、全人类的普遍关注，各级政府及主管部门对此问题十分重视，诸多国际学术组织，如国际大地测量协会（IAG）、国际测量师联合会（FIG）、国际岩石力学协会（ISRM）、国际大坝委员会（ICOLD）、国际矿山测量协会（ISM）等，非常活跃地定期召开专业会议进行学术交流和研究对策。经过广大测量科技工作者和工程技术人员近三十年的共同努力，在变形监测领域，取得了丰硕的理论研究成果，并发挥了实用效益。1.1变形监测的内容、目的与意义1.1.3变形监测的目的和意义例如:利用地球物理大地测量反演理论，于1993年准确预测了1996年发生的丽江大地震；1985年6月12日长江三峡新滩滑坡的成功预报，使得灾害损失减少到最低程度，被誉为我国滑坡预报研究史上罕见的奇迹；隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统在1998年长江流域抗洪错峰中所发挥的巨大作用，确保了安全渡汛，避免了荆江大堤灾难性的分洪。1.1变形监测的内容、目的与意义1.1.3变形监测的目的和意义科学、准确、及时地分析和预报工程及工程建筑物的变形状况，对工程建筑物的施工和运营管理极为重要，这一工作属于变形监测的范畴。由于变形监测涉及到测量、工程地质、水文、结构力学、地球物理、计算机科学等诸多学科的知识，是一项跨学科的研究，正向边缘学科的方向发展，已成为测量工作者与其它学科专家合作研究的领域。1.1变形监测的内容、目的与意义1.1.3变形监测的目的和意义变形监测所研究的理论和方法主要涉及到这样三个方面：变形信息的获取；变形信息的分析与解释；以及变形预报。其研究成果对预防自然灾害及了解变形机理是极为重要的。对于工程建筑物，变形监测除了作为判断其安全的耳目之外，还是检验设计和施工的重要手段。1.1变形监测的内容、目的与意义1.1.3变形监测的目的和意义对于工程建筑物，变形监测的意义重点表现在：确保安全验证设计灾害防治具有实用上的意义，主要是掌握各种建筑物和地质构造的稳定性，为安全性诊断提供必要信息，及时发现问题，以便采取措施；具有科学上的意义，包括更好地理解变形的机理，验证有关工程设计的理论和地壳运动的假说，进行反馈设计，以及建立有效的变形预报模型。1.1变形监测的内容、目的与意义本节要求了解并掌握三方面的内容：•变形监测的基本概念•变形监测的内容•变形监测的目的和意义1.1变形监测的内容、目的与意义第一章引论主要内容变形监测的内容、目的与意义变形监测技术及其发展变形分析的的内涵及其研究进展关于本课程的学习1.2变形监测技术及其发展本节重点为：变形信息获取的手段变形监测方案设计问题地表变形监测方法GPS周期性和连续性变形监测问题GPS动态监测变形监测技术的未来1.2变形监测技术及其发展变形信息获取方法的选择取决于变形体的特征、变形监测的目的、变形大小和变形速度等因素。在全球性变形监测方面，空间大地测量是最基本最适用的技术，它主要包括全球定位系统（GPS）、甚长基线射电干涉测量（VLBI）、卫星激光测距（SLR）、激光测月技术（LLR）以及卫星重力探测技术（卫星测高、卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量）等技术手段；1.2变形监测技术及其发展在区域性变形监测方面，GPS已成为主要的技术手段。近十年发展起来的空间对地观测遥感新技术——合成孔径雷达干涉测量（In