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1、47.1 工程变形监测的基础知识1237.2 7.2 变形监测方案设计（重点）变形监测方案设计（重点） 7.3 变形监测方法和自动化（重点） 7.4 变形观测数据处理 第七章 工程的变形监测和数据处理7.5 变形监测资料整理、成果表达和解释（重点+难点）5教学重点教学重点 ： 1、变形监测网和变形监测方案设计， 2、变形观测数据处理，成果表达和解释77.2 变形监测方案设计 主要内容： 1、测量方法的选择； 2、监测网布设； 3、测量精度的确定； 4、观测周期的确定。7.2 变形监测方案设计1、 变形监测方案制定准则 （1）所需的测量精度 ，对于监测网，是确定目标点坐标、的允许精度或坐标差、
2、的允许精度 （2）观测周期数（施测的次数） （3）两周期之间的时间间隔t （4）一周期所允许的观测时间 7.2 变形监测方案设计一般“变形监测方案”制定的主要内容 （1）监测内容的确定 （2）监测方法、仪器和监测精度的确定 （3）监测部位和测点布置的确定 （4）监测周期(频率）的确定 方案设计的要求：方案设计的要求： a在确定监测方法方面，充分考虑地形、地质条件及监测环境，选择相适应的监测方法，人工直接监测和自动监测相结合。b在监测仪器选择方面，不要片面追求高、精、尖、多、全。监测仪器一般应满足精度、可靠度、牢固可靠三项要求，统筹考虑安排。c测点的布设不宜过多，但要保证观测质量。一般情况下，主
3、要测点的布设应能控制结构的最大应力（应变）和最大挠度（或位移）。d各个不同的监测方案，需要进行方案的比较和验证工作，使监测工作做到技术上有保证，经济上可行，实施时安全，数据上可靠，特别要强调的是应避免“唯武器论”，单方面追求高精度、自动化、多参数，脱离工程实际需要的监测方案。7.2 变形监测方案设计监 测 内 容监测内容的确定：主要根据监测工程的性质和要求，在收集和阅读工程地质勘察报告、施工组织计划的基础上，根据施工周围的环境确定变形监测的内容。如：建筑物的变形监测就可能包含建筑物的沉降监测、水平位移监测、倾斜监测、裂缝监测以及挠度监测等。 对于危岩滑坡的成灾条件，变形监测则主要包括：危岩、滑
4、坡地表及地下变形的二维（X、Y方向）或三维（X、Y、Z方向）位移、倾斜变化的监测；有关物理参数应力应变、地声变化的监测；环境因素地震、降雨量、气温、地表（下）水等的监测。 7.2 变形监测方案设计2、 典型变形的准则分析 重要概念： 测量精度 预计最大变形量y 变形监测分辨率y 变形速率 周期时间 一周期所允许的观测时间 7.2 变形监测方案设计2、 典型变形的准则分析 （1）非周期变形 7.2 变形监测方案设计2、 典型变形的准则分析 （1）非周期变形 7.2 变形监测方案设计2、 典型变形的准则分析 （1）非周期变形 7.2 变形监测方案设计2、 典型变形的准则分析 （1）非周期变形 7.
5、2 变形监测方案设计2、 典型变形的准则分析 （2）周期变形 有m=2，表示只对两个极值有兴趣且准确地知道所发生的时间，如在大坝的最高水位和最低水位时观测。m20 7.2 变形监测方案设计2、典型变形的准则分析 （2）周期变形 7.2 变形监测方案设计（3）、 运动典型变形的准则分析 3、测量方法选择所应考虑的问题 1 变形观测的精度 （1）建筑物变形观测的精度，视变形观测的目的及变形值的大小而异，很难有一个明确的规定，国内外对此有各种不同的看法。原则上，如果观测的目的是为了监视建筑物的安全，精度要求稍低，只要满足预警需要即可。 （2）1971年国际测量师联合会(FIG)第十三届会议上工程测量
6、组提出：“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1/101/20；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小得多，甚至应采用目前测量手段和仪器所能达到的最高精度。” （3）不同类型的工程建筑物，其精度要求差别较大； （4）同一建筑物，不同部位、不同时间对观测精度的要求也不相同。7.2 变形监测方案设计7.2.3 测量方法选择所应考虑的问题1、变形观测的精度 （1）对于监测网，要将坐标精度转化为观测值的精度。 （2）网的模拟优化设计：确定观测方案，确定观测元素(如方向、距离、高差、GPS基线边长等)及其精度。 （3
7、）测量精度选取：仪器的标称精度、外界影响，应有一定富余。 （4）按设计的测量方案和精度计算出各目标点坐标的精度，应完全满足要求。7.2.3 测量方法选择所应考虑的问题建筑物变形测量等级及精度要求 大坝变形观测典型精度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10510土坝的运营期间5352、观测周期数和一周期观测时间确定（1）观测周期数的确定 原则： 1.观测周期数取决于变形的大小、速度及观测的目的，且与工程规模、监测点数量、位置以及观测一次所需时间有关。 2.在工程建筑物建成初期，变形速度较快，观测周期应多一些，随着建筑物
8、趋向稳定，可减少观测次数；但仍应坚持观测，以便发现异常变化。 3.对于周期性的变形，在一个变形周期内至少应观测两次。一个周期所有的工作必须在所允许的时间间隔内完成，否则将歪曲目标点坐标值。 及时进行第一周期观测具有重要意义，推延初始测量及时进行第一周期观测具有重要意义，推延初始测量可能失去已经发生的变形，应特别重视第一周期观测可能失去已经发生的变形，应特别重视第一周期观测的质量，以后各周期的成果要与第一期比较。的质量，以后各周期的成果要与第一期比较。7.2.3 测量方法选择所应考虑的问题大坝变形观测周期选择表 7.2.3 测量方法选择所应考虑的问题2、观测周期数和一周期观测时间的确定 （1）观
9、测周期数的确定 观测频率的确定，随载荷的变化及变形速率而异。例如，高层建筑在施工过程中的变形观测，通常楼层加高1广2层即应观测一次；大坝的变形观测，则随着水位的高低，而确定观测周期。对于已经建成的建筑物，在建成初期，因为变形值大，观测的频率宜高。如果变形逐步趋于稳定，则周期逐渐加长，直至完全稳定后，即可停止观测。对于频临破坏的建筑物，或者是即将产生滑坡、崩塌的地面，其变形速率会逐渐加快，观测周期也要相应的逐渐缩短。观测的精度和频率两者是相关的，只有在一个周期内的变形值远大于观测误差，其所得结果才是可靠的。 （1）观测周期数的确定 对于周期性变形，在一个变形周期内至少应观测两次。如果观测周期的时
10、刻选择不当，将导致错误的结论。 图7-7：四种不同的一维变形过程，如果都用三个离散的时刻来获取，则会出现完全不同的结果： 正确，较正确，完全错。大坝水平位移与观测时刻选择 对不同变形模型的观测时刻选择 7.2.3 测量方法选择所应考虑的问题2、观测周期数和一周期观测时间的确定 （2）一周期内观测时间的确定 一周期内所有测量工作需在允许的时间间隔t内完成。否则，周期内的变形将歪曲目标点的坐标值。长周期变形：t可达几天甚至数周，可选用各种大地测量仪器和技术。日周期变形：t为数十分钟，可选用快速测量仪器和技术，如GPS、Georobot。短周期变形：t仅为数分甚至数秒，需要考虑采用摄影测量方法或自动
11、化测量方法。5、 变形监测网设计（一）变形监测网的布设（一）变形监测网的布设（1）平面控制网）平面控制网（2 2）沉降监测网）沉降监测网（1）平面控制网变形监测网：小型的、专用的、高精度。1.基准点。2.工作点：工作点与基准点构成变形监测的首首级网。3.变形监测点：变形监测点与工作点组成次级网。变形监测控制网的原则1.变形监测网应为独立控制网。2.变形监测控制点的埋设，应以现有工程地质条件为依据，因地制宜地进行。埋设的位置最好能选在沉降影响范围之外，又要考虑不能将基准点处于网的边缘。3.布网图形的选择，由于变形监测是查明变形体（建筑物等）位置随时间变化的微小量，因此布网的图形应与变形体的形状相
12、适应。4.要考虑哪些点位在特定方向上的精度要求要高一些，应有所侧重。5.由于边短，所以要尽可能减少测站和目标的对中误差。6.测站点应建造具有强制对中器的监测墩，用以安置测角仪器和测距仪。（2）沉降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。沉降监测水准点在布设原则1.根据监测精度的要求，应布成网形最合理、测站数最少的监测环路。2.水准
13、网应有四个埋设深度足够的基准点作为起算点。3.水准点应视现场情况，设置在较明显而且通视良好保证安全的地方，并且要求便于进行联测。4.观测点应布设在拟监测的建筑物之间，距离一般为20m到40m左右。5.监测单独建筑物时，至少布设三个水准点。6.水准点应埋设在冻土线以下半米处，墙上水准点应埋在永久性建筑物上，离开地面高度约半米左右。7.基准点与工作点应联结成网，网形可布设成闭合环、结点或附和水准路线等形式。（二） 变形监测网的特点1.布网的目的布网的目的2.布网的原则布网的原则3.变形网的多余观测多变形网的多余观测多4.变形网边短，精度高变形网边短，精度高5.变形网可以没有已知数据变形网可以没有已
14、知数据p工程控制网布网的目的是为了保证工程的各个部位能处在一定的相互关系当中。衡量控制网等级的一个重要指标就是网的最弱边。但变形网则不同，变形网布网的目的是为了测定网点的变形，而网点之间的相对精度则不是主要的。由于布网的目的不同，影响网的质量因素也就不同，强调观测条件相同。1.1.布网的目的布网的目的p工程控制网布网时，网点的选择一般是按这样的原则进行：p（1）网点的视野要开阔；p（2）网点之间构成的图形要规则，最好是等边三角形；p（3）三角形的角度一般要在30150之内。 p 而变形网则完全根据变形测量的需要来布设网点，主要强调点位稳定。2.2.布网的原则布网的原则3.3.变形网的多余观测多
15、变形网的多余观测多p变形网图形复杂，多余观测多。工程控制网平差时既可以按条件平差，也可以按间接平差。而变形网由于图形复杂，变形网一般采用间接平差进行平差。p变形测量网的边长一般在几百米，最多1km左右，即使是专用于地震监测的变形监测网边长也多在1km左右，但观测往往是按国家一、二等精度要求进行，或采用最先进的仪器。而高精度仪器主要集中在地震部门和水电部门，目前这些先进的仪器也主要用于变形监测。4.4.变形网边短，精度高变形网边短，精度高5.5.变形网可以没有已知数据变形网可以没有已知数据一、绝对网和相对网变形监测网一般可分为绝对网和相对网。 绝对网是指有部分点子位于变形体外的监测网；绝对网多用
16、于工程建筑物的变形监测。相对网是指网的全部点位于变形体上的监测网。当变形区域很大，或变形范围难以确定，监测网只有采用相对网的形式。6. 监测网的参考系二、监测网的参考系p在监测网平差中的起算数据，称为平差问题的基准。基准给出了控制网的位置、尺度和方位的定义，实际上是给出了控制网的参考系。所以往往将基准与参考系作为同一个内涵的概念来称谓。p（位置、尺度和方位是指什么？）p 平差基准：经典平差基准；秩亏自由网平差基准：拟稳平差基准。三三. . 参考系的选择对位移计算的影响参考系的选择对位移计算的影响p选用某种平差方法去计算网点的位移，实质上是选用某种变形模型去模拟实际变形。p当所选的数学模型与实际
17、变形不相符时，将使所计算的位移值伴随有误差，这一误差我们称它为参考系模型误差，简称为模型误差。平差模型的比较7.2.3 测量方法选择所应考虑的问题6、监测费用的确定 (1)建立监测系统的一次性花费。 包括踏勘、埋设标石、观测墩的费用，仪器设备费、数据处理的软硬件费用 (2) 每一个观测周期的花费。 人员费、仪器使用费、观测费、数据处理费、交通费等 (3) 维护和管理费。 标石标志的维护、仪器设备的折旧费、管理人员费用等 当变形监测项目所要求的观测周期较少时，采用常规大地测量方法较好； 若观测周期多且周期中测量持续时间较短，应采用特殊的测量方法，研制专用仪器，建立全自动化监测系统。7.2.3 测
18、量方法选择所应考虑的问题7、其它问题 (1) 在监测时，变形体不能被触及，更不准许人在上面行走，否则将影响其变形形态。这时，许多测量方法都不能采用。 (2) 只有在一定的时候才能到达变形体，在变形体上工作有特别的危险性，这种情况，许多测量方法也不能采用。 (3) 当变形达到一定量时，对变形体本身或环境将造成巨大危害，但这种危害可通过事先报警而避免或减小时，宜采用自动化的持续监测系统。7.2.3 测量方法选择所应考虑的问题4、其它问题 (4) 进行荷载作用变形试验时，荷载与变形的关系以及临界值确定都需要快速实时处理，采用全自动化或半自动化数据采集与处理的监测系统比较合适。 (5)变形监测项目实施时有极高的技术要求，可能造成其他工作停顿、停产，将造成经济损失，在选择测量方法时这一点可能起决定性的作用。 (6) 变形监测任务仅在于将变形体的原始状态保存下来，一旦监测对象发生变化，需通过测量来比较和证明其变化，这时宜采用摄影测量方法。优点：初始测量的费用少，在需要时可对丰富的摄影信息进行详细处理和分析。课后思考p1试分析比较各类监测方法，指出它们的优缺点。p2如何制定变形监测方案，其主要内容包括哪些?方案设计的原则是什么？p3变形监测网的特点是什么?p4.参考系的选择对位移有什么影响？
