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1、教学目的：使学生了解和掌握变形观测 方法及变形观测方案的设计. 教学重点：1.变形观测方法 2.变形观测方案的设计. 教学方法：讲授,2 变形监测技术,变形监测：是对被监视的对象（变形体）进行测量以确定其 空间位置随时间的变化特征。 为变形分析和预报提供基础数据。 变形体：工程建筑物、技术设备以及其他自然或人工对象。 如：古塔与电视塔、桥梁与隧道、船闸与大坝、 大型天线、车船与飞机、油罐与贮矿仓、 崩塌体与泥石流、采空区与高边坡、 城市与灌溉沉降区. 变形监测意义： 对于工程建筑物：为改善建筑物理参数、地基强度参数提供依据，防止工程破坏事故，提高抗灾能力。 机械技术设备：保证设备安全、可靠、高
2、效地运行，为改善产品质量和新产品设计提供技术依据. 滑坡：通过监测其随时间变化过程，可进一步研究引起滑坡的成因，预报大的滑坡灾害。 矿山：可采用控制开挖量和加固等方法，避免危险性变形的发生，同事可改进变形预报模型。 地壳构造运动监测。,2.1 变形监测方法 2.2 变形监测方案设计 2.3 变形监测控制网的设计 2.4 变形监测自动化,2 变形监测技术,2.1.1 常规的大地测量方法 2.1.2 特殊的大地测量方法 2.1.3 地面摄影测量方法,2.1 变形监测方法,指用常规的经典或现代的大地测量仪器测量方向、角度、边长和高差等量所采用的方法的总称。 仪器：光学经纬仪、水准仪、电子经纬仪、水准
3、仪、测距仪、全站仪、 GPS等. 特点：1.能提供变形体整体的变形状态； 2.观测量通过组网可进行测量成果的校核和精度的评定； 3.灵活性大，能适用于不同精度要求、不同形式的变形和外界条件. 缺点：外业工作量大，作业时间长，不易实现连续监测和测量过程自动化. 观测内容： 沉降：几何水准测量（H） 位移：一维水平位移（X或Y） 二维水平位移（X Y） 三维位移（ X Y H） 倾斜：i 挠度:挠度曲线,2.1.1 常规大地测量方法,2.1.1.1 沉降（垂直位移） 主要采用几何水准测量方法 二等水准测量的主要技术要求： 1）观测前必须对水准仪（i15）和水准尺进行全面检验 2）观测顺序：,数字水
4、准仪测站观测程序 往返奇数站照准标尺顺序：后前前后 往返偶数站照准标尺顺序：前后后前 光学水准仪测站观测程序 往测奇数测站照准标尺顺序：后尺基本分划前尺基本分 划前尺辅助分划后尺辅助分划； 往测偶数测站照准标尺顺序：前尺基本分划后尺基本分划后尺辅助分划前尺辅助分划。 返测时，奇、偶数测站照准标尺的顺序分别与往测偶、奇数测站相同。 不应进行观测的情况 日出后与日落前30min内； 太阳中天前后各约2h内； 标尺分划线的影像跳动剧烈时； 气温突变时； 风力过大而使标尺与仪器不能稳定时。,2.1.1.1 沉降（垂直位移） 主要采用几何水准测量方法 二等水准测量的主要技术要求： 1）观测前必须对水准仪
5、（i15）和水准尺进行全面检验 2）观测顺序 3）外业观测技术规定,2.1.1.2 一维水平位移 1）测小角法 （1）原理： （2）测小角法观测程序的设计： 由 根据 测回数 n,2.1.1.2 一维水平位移 1）测小角法 例题：设某观测点到端点（置镜点）距离为400m，若要求测定偏离值的精度为0.7mm，试问： （1）用小角法观测时，小角度的限差应为多少？ （2）若设 ，当采用J1型仪器（40望远镜）时，小角度应观 测测回数n？ 解（1） （2）小角度观测1测回的中误差为： 要使小角度达到0.35的精度，则小角度观测的测回数n应满足： 即：,2.1.1.2 一维水平位移 2）活动觇牌法 当采
6、用对观测点照准相同次数时，此法与测小角法具有相同 的精度估算式。 3）控制线法,2.1.1.2 一维水平位移 4）激光经纬仪准直 活动觇牌 光电探测器 5）波带板激光准直法 A激光点光源、C波带板装置、B光电探测器,C,2.1.1.2 一维水平位移 5）引张线法 在坝体廊道内，利用一根拉紧的不锈钢丝所建立的基准面来测定观测点偏离值的方法。 装置：包括：端点、观测点、测线（不锈钢丝）、测线保护管等 端 点：墩座、夹线装置、滑轮、重锤连接装置及重锤等 观测点：浮托装置、标尺、保护箱 测 线：直径为0.61.2mm的不锈钢丝 保护管：直径大于10cm的塑料管 优点：可不受旁折光的影响 观测：从靠近端
7、点的第一个观测点读数，依次至测线另一端点，为一个测回 每次观测三个测回。三测回平均值中误差0.3mm,2.1.1.3 二维水平位移,1）极坐标法 2）导线法 3）前方交会法 4）单三角形 5）GPS ： 10-6,2.1.1.3 二维水平位移,5）GPS ： 10-6,GPS自动监测系统网络结构,隔河岩大坝GPS监测点位分布图,2.1.1.4 三维位移,1）全站仪坐标测量 测量机器人：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、三维坐标以及影像等信息的智能型电子全站仪。 测量机器人与能够定制测量计划、控制测量过程、进行测量数据处理和分析的软件系统相结合，完全可以代替人完成许
8、多测量任务。 分为：固定式全自动持续监测，包括：基站、参考点、目标点、控制中心;移动式半自动变形监测，有人工干预 应用：三峡库区巴东滑坡监测、武汉长江二桥高塔柱变形监测,2.1.1.4 三维位移,2） 三维激光扫描测量 三维激光扫描技术是上世纪七十年代中期开始出现的一项高新技术，它通过高速激光扫描测量的方法，快速、大量的采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，将任何复杂的现场环境及空间进行扫描操作，并直接将三维数据完整的采集到电脑中，进而快速重构出目标的三维模型。,三维激光扫描测量的应用,2.1.1.5 倾斜观测,1,2,3
9、,4,8,7,6,5,挠度：在建筑物的垂直面 内各不同高程点相 对于底点的水平位 移称为挠度。 多点夹线法 多点设站法 美国纽约帝国大厦高102层，在风荷载作用下，最大摆动达7.6cm.可由观测不同高度处的倾斜换算而得。,2.1.1.6 挠度观测,2.1.1 常规的大地测量方法 2.1.2 特殊的大地测量方法 2.1.3 地面摄影测量方法,2.1 变形监测方法,特点：测量过程简单 容易实现自动化观测和连续观测 提供的是局部的变形信息 具体从 以下几个方面来讲述: 1）沉降测量 2）倾斜测量 3）应变测量 4）准直测量 5）垂线测量,2.1.2 特殊的大地测量方法,1）沉降测量：液体静力水准测量
10、法,2.1.2 特殊的大地测量方法,电感传感器测定液面高度变化： 当液面高度发生变化时，浮子带着铁心升降，由于铁心相对于电感线圈的上下移动，使线圈上的电感发生变化，用导线连接到离观测点一定距离的观测室内，再用专门的电桥将电感量的变化电压变化，遥测仪器通过量测电压的变化，便知铁心的升降量，亦即为容器液面高低的变化量。 光电传感器测定液面高度变化：原理略 精度可达0.01mm,2）倾斜测量:,2.1.2 特殊的大地测量方法,（1）摆式倾斜仪 利用可变电感的原理制成 具有：灵敏度高 读数方便 调整范围宽 （2）气泡式倾斜仪（微距水准仪） 如应用于设备基础平台的倾斜观测。,倾斜仪,（3）差动电容式电子
11、水准器 工作原理：当玻璃管水准器倾斜时，气泡向旁边偏离，使C1C2中介质的介电常数发生变化，引起桥路两臂的电抗发生变化，因而桥路失去平衡，可用测量装置将其记录下来。这种电子水准器可固定地安置在建筑物或设备的适当位置，就能自动地进行倾斜观测。适用于作动态观测，,应变测量：设两点间距离为 ,第二周期测量时距离变化了 那么 为两点间平均线应变.当 与变形 体尺寸比很小时，则 看成为点应变.,测l 有机械法：用因瓦丝、石英棒等作为长度的标准. 长度的变化用机械电子传感器测量； 精度：几十个um 干涉法：激光干涉法可测到几百米，甚至几千米. 精度：10-7 应变传感器实质为导体（金属条或很窄的箔条） 做
12、法：埋设在变形体中，由于变形体中的应 变使得导体伸长或缩短，从而改变了 导体的电阻.电阻变化用电桥测量，通 过测量电阻的变化就可以计算应变.,测距离变化求应变,应变传感器,3）应变测量,2.1.2 特殊的大地测量方法,4) 准直测量：激光在大气中精度：10-510-6 在真空中精度：10-710-8 （1）激光经纬仪准直：方向性强，直接准直 （2）波带板激光准直：激光准直单色性好，衍射准直 （3）尼龙丝准直：尼龙丝直径0.3mm，施加1.5kg拉力 系统包括：尼龙丝拉紧装置和一个对中的读数显微镜 原理如下：在三个相邻点上用对中读数显微镜照准尼龙丝读取相对偏离值V1、V2、V3，即可计算折角,如
13、果逐次观测三个点的偏离值，每次推进一个点，两个点重叠起连接作用，这样可按连接支导线计算导线各中间点相对于闭合边的偏离值。,2.1.2 特殊的大地测量方法,尼龙绳准直测量的精度分析 连接支导线中点（最弱点）的准直精度可用下式估算： 尼龙绳准直的精度受：观测仪器误差读数误差影响气流的影响,5）垂准观测 （1）光学垂准仪 （2）激光铅直仪：可用于测定高层建筑物的摆动. （3）机械法垂直准直:正垂线和倒垂线 正垂线：将钢丝上端固定在建筑物上，下端挂有重锤浸在油箱内保持重锤稳定。可利用正垂线法测定挠度 倒垂线：通过钻孔将钢丝下端固定在基础岩石中，上端和油桶中的浮子相连，在浮力的作用下被拉紧。倒垂线可作为
14、变形观测的基准点 垂线的观测是在垂线的不同高程上设置测点，采用垂线坐标仪测出各测点与垂线之间的相对位移值，以确定建筑物的倾斜和挠曲变形。 利用倒垂线还可以测定建筑物相对于基岩的移动，倒垂线可以将深处基岩的点引至地面，作为可靠、稳定的基准点。,2.1.2 特殊的大地测量方法,小结: 1）沉降测量：液体静力水准测量 2）倾斜测量：各种电子测斜仪、机械测斜仪 3）应变测量：机械电子传感器测量、激光干涉测量、应变传感器 4）准直测量：激光经纬仪准直、波带板激光准直、尼龙丝准直 5）垂线测量：光学垂准仪、激光铅直仪、正垂线、倒垂线,2.1.2 特殊的大地测量方法,2.1.1 常规的大地测量方法 2.1.
15、2 特殊的大地测量方法 2.1.3 地面摄影测量方法,2.1 变形监测方法,2.1.3.1.应用： 越来越广泛用于大型工程建筑物及滑坡灾害的变形观测。 大型的工程建筑物：混凝土大坝、档土墙、高层建筑物等。 空中摄影测量也有用于较大范围的地面变形测量。 如：测定由于地下采矿而引起的地表移动. 由于火山喷发而致的环境变化 2.1.3.2优点： 可同时测定变形体的任何变形 提供完全和瞬时的三维空间信息 大量减少野外的测量工作量 可以不需要接触被测物体 可以观测到变形体以前的状态。,2.1.3 地面摄影测量方法,用地面摄影测量进行变形观测的两种基本方式,固定摄站的时间基线法 时间基线法是把两个不同时刻
16、所拍的像片作为立体像对，量测同一目标像点的左右和上下视差，这些视差乘上像片比例尺即为目标点的位移。（仅测二维位移） 立体摄影测量方法 在两个或两个以上测站对变形体进行摄影，构成立体像对，然后通过内业处理得到目标点的三维坐标。 涉及到使用非量测相机的标定问题,2.1.3.3 固定摄站的时间基线法,选定一固定摄影站，摄影时使像平面平行于变形体的变形平面，在相同的内外方位元素情况下，以一定的时间间隔相继拍摄一组像片。当目标点位移时，所得的像点坐标也发生变化。,2.1.3.3 固定摄站得时间基线法,上述原理适用前提：内外方位元素不变 解决的办法是：在物方平面上设置几个参考点或控制点 设内外方位元素不变，第2次测量时像点坐标为x，z； 而实际内外方位元素变化，第2次测量时像点坐标测得为x*，z*,设,可解
