第七章 工程的变形监测与数据处理

第七章工程变形监测与数据处理思考题：1．什么叫工程变形监测？它的作用、目的、意义何在？2．工程变形监测有哪些内容和特点？3．工程变形监测有哪些方法？发展趋势如何？4．什么叫变形观测的数据处理？5．什么叫变形的几何分析和物理解释？6．工程变形的监测、分析和预报有什么关系？7．变形观测资料整理的内容和方法包括哪些？1.工程变形监测基础知识•什么是变形？•什么是变形监测？•产生变形的原因；•变形监测的分类；•为什么要进行变形监测？•变形监测的内容；•变形监测的特点；•建筑物变形观测的精度和频率；•变形观测的方案设计。1.1什么是变形或形变定义：变形体在各种荷载作用下，其形状、大小及位置在时间域和空间域中的变化。变形：变形体自身的形变__伸缩、错动、弯曲和扭转;变形体的刚体位移__整体平移、转动、升降和倾斜;正常的?---变形体的变形在允许的范围内异常的?---超出允许值，则可能引发灾害。1.2产生变形的原因是什么?•地下水的大量开采•潮汐现象•板块构造现象•工程建筑物变形•人工破坏1.3什么是变形监测?•所谓变形监测，就是利用测量与专用仪器和方法对变形体在运动中的空间和时间域内进行周期性的重复观测。•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。1.4变形监测的分类•全球性形变--测定地极移动，地球旋转速度的变化以及地壳板块运动。空间大地测量是最基本最适用的技术。它包括全球定位系统（GPS），卫星激光测距（SLR），射电源甚长基线干涉测量（VLBI），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。•区域性形变--测定地壳板块内变形状态和板块交界处地壳相对速度GPS已成为主要的技术手段。近10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(InSAR),在监测地震、火山地表移动、冰川漂移、地面沉降、山体滑坡等方面，其试验成果的精度可达cm或mm级，表现出了很强的技术优势。•工程和局部形变--测定工程建筑物的沉陷、水平位移、挠度和倾斜，滑坡体的滑动，以及采矿、采油和抽取地下水等人为因素造成的沉陷。1.5变形监测的目的和意义实用意义：保障工程安全。科学意义：解释变形的机理，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。1.6变形监测的内容•获取变形几何量：水平位移、垂直位移以及偏距、倾斜、扰度、弯曲、扭转、震动、裂缝等。•获取与变形有关的影响因子（物理量）：应力、应变、温度、气压、水位（库水位、地下水位）、渗流、渗压、扬压力等。*（局部）变形体变形原因和变形观测内容1.7变形监测的特点变形观测关心的是位置的变化，而非某个位置。1、重复观测频率多高？L+v=Ax；ΔL+v=AΔx；ΔL=L1-L22、两周期观测中相同系统误差的影响可以抵消因此，规定变形观测要求相同的观测条件，外界条件，定人，定仪器，定路线。3、变形观测精度要求高精度多高？4、多学科的配合（边缘学科）。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”。1.8建筑物变形观测的精度和频率一、观测精度的确定（有待进一步的研究）1、从保证建筑物的安全角度，提出取建筑物允许变形值的1/10—1/20。如：•允许倾斜:4‰;•允许变形值:30×4‰=120mm;•测量精度:f0=(1/20)×120mm=6mm,观测中误差;•提高精度:m=f0×(1/3)=2mm,标准中误差。一般建筑物的倾斜是用沉降反映的，就可用A,B两点的沉降反映，则水准测量的精度就可以用相似三角形原理得：fh=（D/H）*f0=(12/30)*6=2.4mm标准中误差：mh=（1/2）*fh=1.2mm2、从科学研究角度出发，精度尽可能高，±1mm，但受经济因素与技术力量所能达到的影响。总之，对于水工建筑物，根据其结构，形状的不同，观测内容和精度也有差异，即使对于同一建筑物的不同部位，其观测精度也不相同，变形大的部位（如拱冠）的观测精度可稍微低于变形小的部位（如拱座）。二、观测频率（周期）变形观测的特点是重复观测，隔多长时间观测一次不是千篇一律的。原则：1、反映变形规律：如按春、夏、秋、冬或二个月一次，一个月测一次等。大坝：d=d(T,h,t)T—温度，h—坝高，t—时间2、考虑变形观测精度的可能性观测精度低，变形观测的把握性就不大，不能保证，一年变形10mm.一月最多1mm,如观测精度达不到1mm时，就延长观测周期，如2—3月观测一次，原因是观测精度反映不了变形大小。1.9变形观测的方案设计一、变形观测的方法1、大地测量方法三维方向：•GPS网——同时观测•分开观测：•水平位移（交会观测，三角测量，导线测量，准直测量）;•垂直位移（几何水准，三角高程测量，液体静力水准测量）。特点：•所测量的量为绝对位移，监测范围广，监测精度高，能反映变形体的外观变形。•不能连续观测，野外工作量大，不适用于困难地区。2、摄影测量：•单张相片测量两个方向的变化。•立体摄影测量三个方向的变化。特点：测量数据具有永久性，适应困难地区，精度较低。3、非大地测量：•倾斜仪——测量倾斜位移•应变仪——测量长度的变化•应力仪——测量应力的变化特点：能连续观测，监测岩体内部的变形，但测量范围小，代表性较差，远距离控制和观测。4、三维激光扫描测量法：HDS、Faro二、设计目标点和基准点的一般原则•变形观测点：•基准点：在变形体外，来测定目标点的“绝对”变形•自由点：在变形体上，来代表变形的几何特征（状态）•变形观测网：•参考网：检查本身自己的稳定性（基准点构成）•相对网：相对点位变化布设的网（目标点构成）•基准点的选择原则：•远离变形体（矛盾：观测误差积累与稳定性间）•深埋基准点（矛盾：深埋与费用矛盾）•目标点的选择原则：a)能反映整个变形体的情况（每个坡段至少一个观测点）；b)变形变化大的地方多埋；c)工程的重点地段，地质条件差的地段；d)其他原因专门提出；e)有利的观测条件。三、垂直位移基准点的布置为解决基准点选择的矛盾，对于水准基准点一般采用一级或两级水准点方式布置。•水准基点：远处稳定的水准点，对工作基点进行定期观测，以求得工作基点的垂直位移值。•工作基点：离变形体较近的点，定期对各观测点进行精密水准测量，以求得各点在某一时间段内的相对垂直位移值。•观测点：变形体上的点，反映了变形体的变化情况。（葛洲坝坝面503个观测点，廊道270个点。）水准基点本身将采用成组埋设（如图3点），进行稳定性检验。水准点的埋设：•要求：保证稳定不变和长久保存。•几种方式：•平峒岩石标：可避免温度变化的影响分内外两扇门。内外标点工作时：a.先关外门，打开内门，等内门与过渡室温度一致时，将内标点高程传递至外标点。b.关闭内门，打开外门，等过渡室温与外界温度一致后，将高程传递到洞外。•深埋双金属标：避免温度变化对标志高程的影响。a.组成：由膨胀系数不同的两根金属管（钢和铝）组成，在两根管顶部装有读数设备。b.工作时，在读数设备上，可以得出由于温度变化引起的两根管长度变化差数Δ，由Δ值可算出金属管本身长度的变化。c.原理：原长为L0，受热为L，L钢=L0+L0α钢t=L0+ΔL钢L铝=L0+L0α铝t=L0+ΔL铝其中,t为标志各层高程处温度改变之平均值，其值未知，Δ=L钢-L铝=L0t（α钢-α铝）Δ/ΔL钢=（α钢-α铝）/α钢Δ/ΔL铝=（α钢-α铝）/α铝移项后，有：ΔL钢=Δ(α钢/（α钢-α铝）)ΔL铝=Δ(α铝/（α钢-α铝）)已知钢的线膨胀系数为0.000012/℃，铝的膨胀系数为0.000024/℃。则有：ΔL钢=-Δ;ΔL铝=-2Δ由此，可知各管受温度变化而引起的长度变化。四、水平位移基准点的选择视准线法和激光准直法：三角测量法、前方交会法(仪器架在已知点上)、后方交会法（仪器架在未知点上），检核视准线法；引张线法：倒立垂；前方交会：见图，两级布网。五、监测网优化设计的灵敏度•变形监测网设计的目的：通过多期观测来发现监测网点的变形。•灵敏度——把监测网发现网点变形的能力称作监测网的灵敏度。分为：总体灵敏度、局部灵敏度与单点灵敏度。例：葛洲坝水平位移监测方案实例介绍：a.基点检验网布置：由翠谷山，疗家苞，下鹅石子沟，综合点为固定点，基左，基右为待定点，组成边角网，以检验基左基右两倒锤点的稳定性。b.直伸边角网：布置：基左，基右，葛1，葛2，葛3，葛46点组成，以基左基右两倒立锤点为固定点，检验深埋倒锤的稳定性。c.连续引张线法；d.正锤，倒锤；e.引张线；f.视准线。2.工程变形监测技术•变形观测模式•地面监测方法与测量机器人•地面摄影测量方法•GPS变形监测及自动化系统•振动观测•三维激光扫瞄测量•特殊的测量手段•工程变形与灾害监测技术发展趋势2.1变形监测模式对变形体在运动中的空间和时间域内进行周期性的重复观测，就称为变形监测。如何实施？在变形体上布置变形观测点，在变形区影响范围之外的稳定地点设置固定观测站，用高精度测量仪器定期监测变形区内点的三维(X,Y，Z)方向变化。主要手段？高精度地面监测技术、摄影测量方法及GPS监测系统等手段。观测模式？离散型和连续型2.2地面监测方法与测量机器人一地面监测方法主要是指用高精度测量仪器(如经纬仪、测距仪、水准仪、全站仪等)测量角度、边长和高程的变化来测定变形，它们是目前变形监测的主要手段。地面监测方法的优点(1)能够提供变形体的变形状态，监控面积大，可以有效地监测确定变形体的变形范围和绝对位移量；(2)观测量通过组成网的形式可以进行测量结果的校核和精度评定；(3)灵活性大，能适用于不同的精度要求、不同形式的变形体和不同的外界条件。常用的方法1水平位移观测2垂直位移观测1水平位移观测什么是水平位移？方法极坐标法精密导线测量11前方交会法11前方交会测定建筑物的位移观测特点：a、对b的丈量精度要求不高；b、对端点稳定性的要求高；c、后视点不主张相互用两端点作后视，而以另外远离建筑区，远离点作后视（向下游方向找），后视点的坐标不要求测定。2垂直位移观测什么是垂直位移？方法21精密水准测量23液体静态水准测量22三角高程测量21精密水准测量1、观测点观测由工作基点来测定，大多数设成两工作基点之间的附和路线,一般要求沉陷观测中误差不超过1.0mm。徕卡新一代中文数字水准仪——DNA03流线型外观设计，以降低风阻影响，可用于精密水准测量工作，其1km往返差的精度采用铟钢尺为±0.3mm，采用标准水准尺为±1.0mm。说明：工作基点本身逐年也会有些下沉，但各次观测点高程仍以工作基点得首次高程作为起算高程，而将工作基点各年的下沉量视为一常数，在分析资料时一并考虑。a、附和路线观测点高程计算：Hi=Hi’–(fh/m)*i注：fh——附和路线的高差闭合差;m——附和路线上总的测站数;Hi’——分配前i点的观测高程，其值为：Hi’=H0+∑HiH0——（首次）起算工作基点的高程。H0i则，各观测点的垂直位移为：ΔHi=Hi⑴+Hi⑵规定：下沉ΔHi+上升ΔHi–b、附和水准路线上一测站高差中数的中误差为:μ站=√([pdd]/4n)⇐观测成果的精度评定而pi=1/(Ni)(i=1,2,…,n)式中：n为水准环线的测段数；Ni为i测段的测站数（i测段）；di为i测段往返测高差的较差(mm)，其权为pi/2。最弱点相对于工作基点的高程中误差为：m弱=μ弱√k，k=k1*k2/(k1+k2)式中：k1,k2为由两工作基点分别测到最弱点的测站数。最弱点沉陷量的测定中误差:m沉=m弱√2=±1mm2、基准点观测由工作基点与水准基点间布设成水准环线。一般要求每公里水准测量高差中数的中误差不大于0.5mm•作业方式：一等水准