（大地测量学与测量工程专业论文）土石坝变形监测及其数据处理方法的研究与应用.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第l 页 摘要 随着科技的进步和国民经济的发展，水利水电工程的建设规模和速度都在快速增 长，随之而来的各种工程事故也层出不穷，所以，大坝的变形监测工作就显得尤为重 要。我国相关规范规定，大坝变形是安全监测中重要的必测项目，已受到水利水电工 程界的广泛重视。本文结合成都市十陵景区青龙湖土石坝的变形监测项目，侧重实践， 结合理论分析，系统地研究了土石坝变形监测工作的内容、方法、特点和规律。 本文主要研究内容包括：阐述了变形监测的意义，主要通过对典型事故的介绍， 突出了变形监测的重要性；总结了变形监测及其数据处理的研究现状，并介绍了变形 监测的几种新方法；介绍了土石坝变形监测的内容、监测方案的设计、变形监测及分 析的常用方法等内容，概括了土石坝变形监测的全过程；详细论述了十陵景区青龙湖 土石坝的变形监测工作，包括监测方案的设计、基准网施测的过程、水平位移和垂直 位移监测的施测过程及监测数据的计算整理等；最后，对所获取的变形监测数据进行 了变形分析，包括对变形监测点的稳定性进行了分析，利用统计分析软件s p s s1 3 , 0 建立了大坝变形预测的数学模型等。 通过以上论述，得出如下结论：1 、青龙湖土石坝变形监测过程中，所设计的监测 方案及施测的过程是合理的，保证了监测成果的可靠性；2 、提出先采用平均间隙法分 析监测网的稳定性，再对平均间隙法检验出的动点，采用显著性分析法判断动点变形 的显著性情况，可以较好地进行各种数量级变形量的监测点稳定性分析；3 、利用统计 分析软件一s p s s 进行变形预测数学模型的建立是可行的，能够满足大坝变形预测的要 求。总之，本文对土石坝变形监测理论的研究，以及在实际工程项目中所采用的方案、 获得的数据、数据分析方法等内容，可为以后类似工作提供参考。 关键词：土石坝变形监测变形分析监测点稳定性预测预报 西南交通大学硕士研究生学位论文 第li 页 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c e m e n to ft e c h n o l o g ya n dn a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，b o t ht h es c a l ea n d t h es p e e do fw a t e rr e s o u r c e sa n dh y d r o p o w e re n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o na r ei nf a s tg r o w t h a l o n g w i t ht h a t p r o j e c ta c c i d e n t so c c u rm o r ea n dm o r ef r e q u e n t l y s ot h ed a md e f o r m a t i o n m o n i t o r i n gi sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t a c c o r d i n gt ot h er e l e v a n ts p e c i f i c a t i o ni nc h i n a ，d a m s a f e t yd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gi sa ni m p o r t a n tp r o j e c tt h a tm u s tb em e a s u r e da n dh a sb e e n p a i de x t e n s i v ea t t e n t i o ni nw a t e rr e s o u r c e sa n dh y d r o p o w e re n g i n e e r i n g i nt h i st h e s i s ，t h e a u t h o rt a k e st h ed e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gp r o j e c to ft h es h i l i n gs c e n i ca r e ao fc h e n g d u q i n g l o n g h ue a r t h - r o c kd a ma sa ne x a m p l e ，f o c u s e so nb o t ht h ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dg i v e sas y s t e m a t i cs t u d yo ft h ec o n t e n t ，m e t h o d s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n d l a w si nt h e e a r t h - r o c kd a md e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g t h i st h e s i si n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a r t s ：f i r s to fa l l ，t h ea u t h o re x p l a i n st h es i g n i f i c a n c eo f d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n ga n dm a i n l yh i g h l i g h t st h ei m p o r t a n c eo fd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g t h r o u g ht h ei n t r o d u c t i o no ft y p i c a la c c i d e n t s a tt h es a m et i m e ，t h et h e s i sa l s os l i m su pt h e d a t ap r o c e s s i n gr e s e a r c ho ft h ed e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g i ta l s oi n t r o d u c e sn e wm e t h o d si n t h ed e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ；s e c o n d l y , i ta l s og i v e sac l o s ea n a l y s i st ot h ec o n t e n t so f e a r t h - r o c kd a md e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ，m o n i t o r i n gp r o g r a md e s i g n ，t h ec o m m o n l yu s e d m e t h o d si nd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ，a n l y s i sa n da no v e r v i e wo ft h ew h o l ep r o c e s so fd a m d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ；t h e nt h et h e i sd i s c u s s e si nd e t a i lt h ed a md e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g p r o j e c ti nd a md e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gw h i c hi n c l u d i n g ：t h ed e s i g no ft h em o n i t o r i n gp r o j e c t ， t h eb a s i cp r o c e s si nt h es u r v e yp r o c e s sb e n c h m a r kn e t w o r k ，t h ep r o c e s si nt h eh o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n tm o n i t o r i n g ，t h ep r o c e s si nt h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n tm o n i t o r i n ga n dt h e a n a l y s i so ft h em o n i t o r i n gd a t ae t c ；f i n a l l y , t h et h e s i sg i v e sad e f o r m a t i o na n a l y s i st ot h e d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gd a t aw h i c hi n c l u d i n g ：t h e s t a b i l i t ya n a l y s i s ，e s t a b l i s h i n g a m a t h e m a t i c a lm o d e lu s i n gt h es t a t i s t i c a ls o f t w a r es p s s13 0f o rd a md e f o r m a t i o n t h r o u g ht h ea b o v ed i s c u s s i o n , t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r ed r a w n ：1 ，t h ed e f o r m a t i o n m o n i t o r i n gp r o c e s sd e s i g n e di nq i n g l o n g h ue a r t h r o c kd a mi ss c i e n t i f i ca n dw o r k a b l ea n d t h em o n i t o r i n gr e s u l t sa r er e l i a b l e ；2 ，t h et h e s i sp r o p o s e st h eu s eo ft h em e t h o do fm e a ng a p t oa n a l y z et h es t a b i l i t yo ft h em o n i t o r i n gn e t w o r ka n du s e st h es i g n i f i c a n tf i x e dp o i n t d e f o r m a t i o na n a l y s i sm e t h o dt oj u d g et h es i g n i f i c a n c eo ft h es i t u a t i o n ，s oa st op r o v i d e s t a b i l i t ya n a l y s i so fv a r i o u so r d e r so fm a g n i t u d e ；3 ，t h ee s t a b l i s h m e n to fam a t h e m a t i c a l m o d e lf o rd e f o r m a t i o np r e d i c t i o n ，u s i n gs t a t i s t i c a la n a l y s i ss o f t w a r e s p s s ，i sf e a s i b l ea n di t 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 li 页 c a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fd a md e f o r m a t i o np r e d i c t i o n i ns u m m a r y , t h i sr e s e a r c ho nt h e t h e o r i e so fe a r t h - r o c kd a md e f o r m a t i o nm o n i t o r i n ga n dt h ec o l l e c t i o no fd a t a , d a t aa n a l y s i s m e t h o d s ，i t sc o m e ma n ds p e c i f i cm e a s u r e su s e di nt h ep r o g r a mc a np r o v i d ear e f e r e n c ef o r f u t u r es i m i l a rw o r k k e yw o r d s ：e a r t h r o c kd a m s ；d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ；d e f o r m a t i o na n a l y s i s ；m o n i t o r i n g p o i n t ；s t a b i l i t y ；p r e d i c t i o n 西南交通大学曲甯父通大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“寸) 矽做乒 日凯州夕多乡 日期：卯，。 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 系统地归纳和总结了土石坝变形监测及数据处理工作的内容和方法； 2 详细地论述了十陵景区青龙湖土石坝的变形监测及数据处理工作。包括：监测 方案的设计、基准网施测的过程、水平位移和垂直位移监测的施测过程及监测数据的 计算处理等； 3 对青龙湖土石坝所获取的变形监测数据进行了变形分析。包括：对变形监测点 的稳定性进行了分析，利用统计分析软件s p s s1 3 0 建立了大坝变形预测的数学模型 等； 4 提出先采用平均间隙法分析监测网的稳定性，再对平均间隙法检验出的动点， 采用显著性分析法判断动点变形的显著性情况，可以较好地进行各种数量级变形量的 监测点稳定性分析： 5 提出利用知名的统计分析软件一s p s s 进行变形预测数学模型的建立是可行 的，能够满足大坝变形预测的要求。同时，将统计分析软件应用到工程领域，也是全 新的和成功的尝试，也为变形的预测、预报提供了有效的计算和分析工具。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名 日期： 多、乒 f 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 变形监测的意义 第1 章绪论 随着人类社会的进步和国民经济的发展，各种大型且复杂的工程建筑物日益增多， 同时，对工程建筑物的标准、造型和结构也提出了更高的要求，由于工程建筑物在国 民经济中的重要地位，其安全问题受到高度重视，这样，变形监测工作的意义更加重 要。众所周知，受各种因素的影响，工程建筑物在施工和运营期间会产生变形，如果 变形超出了规定的限度，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， 给人类社会带来巨大的损失。尽管在设计工程建筑物时，采用了一定的安全系数，使 其能承受所考虑到的多种外荷载影响，但是由于设计中不可能对工程各方面做出完全 准确的估计，施工质量也不可能完美无缺，工程在运营过程中还可能发生一些不利的 变化，因此，仍有大量工程出现事故。以大坝为例，1 9 5 9 年，法国6 7 m 高的马尔巴塞 拱坝垮坝；1 9 6 3 年，意大利2 6 2 m 高的瓦依昂拱坝因库岸大滑坡导致涌浪翻坝且水库 淤满失效；1 9 7 5 年，我国板桥和石漫滩两座土坝洪水漫坝失事；1 9 7 6 年，美国9 3 m 高 的提堂土坝溃决等【l 】。可见，掌握工程建筑物的实际性状，对其安全信息进行判断，即 对工程建筑物进行变形监测，是十分重要且很现实的问题。随着水利水电工程的迅猛 发展，大坝的变形监测显得尤为重要，我国现行的土石坝安全监测技术规范s l 6 0 9 4 规定，土石坝变形是安全监测中重要的必测项目，受到水利水电工程界的广泛重视。 1 2 变形监测及其数据处理的研究现状 在过去的几十年里，国内外学者对变形监测及其数据处理工作做了大量的研究， 也取得了一些成果，但也出现了许多新的问题。随着科学技术的高速进步，测量仪器 的自动化程度、精度不断提高，对变形监测的要求也越来越高，原来没有考虑到的问 题，如非线性误差方程的线性化引起精度损失、变形监测网平差时基准的合理确定、 变形监测网的质量标准的合理确定问题、平面网和高程网分开解算引起的精度问题、 变形监测的自动化实现等，在变形监测及其数据处理的研究中显得越来越突出。自八 十年代以来，对变形监测的研究都是围绕监测方法及其数据处理两个方面进行的。这 些研究主要是通过改善旧方法，引入新方法、新的监测手段来提高准确性。这些研究 主要集中在如下几方面：g p s 在变形监测中的应用、变形监测网的灵敏度和可区分度 研究、变形监测网的质量标准、对于变形监测网的非线性化计算研究、关于变形监测 网中粗差与系统误差的研究、变形监测网两期观测变形量大小的计算与后期预测、变 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 形监测点的稳定性判断、变形体的反演研究等【2 】。 1 3 变形监测的若干新方法 随着现代科学技术的飞速发展，应用于变形监测的技术和仪器也日益先进，所以， 除了传统的监测方法外，变形监测还有若干新方法，如摄影测量方法、液体静力水准 测量、g p s 技术等。 1 摄影测量方法在变形监测中的应用 利用摄影测量技术对工程建筑物进行变形监测的基本原理是：在建筑物的变形监 测点上安放具有较强反射率的元器件，定期对建筑物进行摄影，并通过像片量测、数 据处理得到各监测点的二维或三维坐标，比较不同时刻监测点的坐标，便可以得到各 监测点的位移量。与其它变形监测方法相比，用摄影测量方法进行变形监测具有如下 特点： ( 1 ) 像片信息量丰富，可以同时获得变形体上大批目标点的三维变形信息； ( 2 ) 摄影相片完整地记录了变形体在不同时间的状态，便于日后对成果的查核、比 较和分析； ( 3 ) 外业工作量小，劳动强度低； ( 4 ) 合理地选择摄影仪器、摄影方式、控制点的布设，可满足不同精度等级的监测 任务要求； ( 5 ) 可用于监测不同形式的变形，可以监测人不易到达的地方，观测时不需要接触 被摄物体。 但是，使用该方法需要配备专门的仪器设备，如摄影机和坐标量测仪等，有些单 位可能不具备条件，而且在有些场合，精度也不能达到要求，所以在采用此方法时应 从效率、经济及精度几方面加以分析比较。 2 液体静力水准测量方法在变形监测中的应用 液体静力水准测量也称为连通管测量，它是利用静止的液面传递高程的一种方法， 基本原理是用匀制液面构成等高面( 水准面) 取代水准测量中的水平视线来进行高程 测量。世界上首次液体静力水准测量的试验是在丹麦首都哥本哈根进行的，这次试验 获得了较好的效果，每2 0 公里高差中误差为士1 o m m 。目前，这种方法已用于工程建筑 物的变形监测领域，其测定高差的精度最高可达士0 o l m m 左右。它的优点是不要求两 点间通视，所以不会由于障碍物的阻挡而造成影响。 3 g p s 在变形监测中的应用 由于g p s 能提供高精度的三维信息，而且能够方便地测量变形体相对于变形区域 外稳定点的变形，因而它在变形监测中有着广阔的应用前景，特点如下： ( 1 ) 进行g p s 测量时，各点之间无通视要求，这就为点的布设提供了极大的方便， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 同时免去了常规测量方法中的造标砍树等费用。 ( 2 ) g p s 测量采用相对定位方法，即若干台接收机进行同步观测确定各点之间的相 对位置。 ( 3 ) g p s 测量是全天候的，不管是白天黑夜或刮风下雨，均能正常工作。 ( 4 ) g p s 观测时间短、数据处理速度快、成果精度高。通常情况下，用载波相位观 测量做相对定位，同步观测1 2 小时便可得到l - - 2 p p m ( 长距离) 或几厘米( 短距离) 的测量精度。 1 4 本文主要研究内容 本文依托成都市勘察测绘研究院的实施项目成都市十陵景区青龙湖土石坝的 变形监测，侧重实践，结合理论分析，系统地研究土石坝变形监测工作的内容、方法、 特点和规律。论文就土石坝变形监测的各种方法进行了讨论，对实测数据的处理和分 析等问题进行了探讨，力争得出一些有益的结论。 本文研究的主要内容包括： 1 系统地归纳和总结了土石坝变形监测及数据处理工作的内容和方法； 2 详细地论述了十陵景区青龙湖土石坝的变形监测及数据处理工作。包括：监测 方案的设计、基准网施测的过程、水平位移和垂直位移监测的施测过程及监测数据的 计算处理等； 3 对青龙湖土石坝所获取的变形监测数据进行了变形分析。包括：对变形监测点 的稳定性进行了分析，利用统计分析软件s p s s1 3 0 建立了大坝变形预测的数学模型 等。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 第2 章土石坝变形监测与数据处理的内容与方法 土石坝的变形监测是指定期对大坝的相关几何量进行测量，并从测量结果中整理、 分析变形规律的过程。土石坝变形监测的基本原理是：在坝体上布设一定数量的有代 表性的监测点，通过对这些点的重复周期性观测，来求出相关几何量的变化值。本章 将介绍土石坝变形监测的内容、监测方案的设计、变形监测及稳定性分析、变形预测 预报的常用方法等内容，全面概括土石坝变形监测的全过程。 2 1 土石坝变形监测方案的设计 对土石坝进行变形监测，是保证大坝安全运营的必备措施，以便发现异常情况， 及时分析处理，防止重大事故和灾害的发生。为了对土石坝进行周期性持续有效的变 形监测，在实施监测之前，应该设计一个合理科学的监测方案。在方案设计的过程中， 应遵循针对性、完整性、先进性、可靠性、经济性的原则，土石坝变形监测的方案应 主要包括以下几方面的内容【3 】： 1 土石坝变形监测的内容。对于土石坝而言，监测内容一般包括：水平位移、垂 直位移、渗流、裂缝的监测等。 2 监测工作的目的、要求等的总体说明。 3 有关土石坝的自然条件和工程概况的描述。主要说明各部分监测的重要性和对 可能出现的现象的解释。 4 技术依据、测量所遵照的规范和相应规定等。 5 基准点和监测点的布设方案设计。 6 监测方法及使用仪器的确定。 7 监测精度的设计。对主要监测方法的精度进行论证，以及监测过程中的注意事 项等。 8 监测数据的整理及其变形分析方法的确定。 9 监测进度计划表。主要说明监测所需要的时间和监测频率等。 1 0 监测人员的编制及预算等。 下面将对土石坝变形监测方案中比较重要的几项内容进行详细的介绍。 2 1 1 土石坝变形监测的内容 工程建筑物变形监测的内容应根据建筑物的性质及地基情况来确定，要有明确的 针对性，既要有重点，又要作全方位的掌握，以求能正确反应建筑物的变形情况，达 到监视建筑物的安全运营、掌握变形规律的目的【4 1 。对于土石坝而言，大坝基础、坝体 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 和大坝上游蓄水的重力会引起大坝的均匀或不均匀沉降变形；基础与坝体的转动以及 由蓄水对大坝的水平方向韵压力、外界温度的变化等因素，会引起大坝坝体的水平位 移与扭曲变形。这些变形有可能造成大坝溃堤的后果，严重影响大坝的稳定性和安全 性。针对以上可能产生的变形，土石坝变形监测的内容一般包括：水平位移监测、垂 直位移监测、渗流和裂缝的监测等。通过对土石坝以上几方面内容进行监测，可以监 视大坝在施工和运营期间上述变形的大小和规律，并根据变形量预测和预报大坝的变 形趋势，从而确保大坝施工、运营期间的质量和安全。 2 1 2 土石坝变形监测点的布设 对于土石坝而言，垂直位移和水平位移的监测标志通常设在同一监测点上，也就 是说，垂直位移监测点一般也是水平位移监测点。其监测点的布设原则为：应该具有 代表性，且能反映坝体的主要变形情况。在国外，土石坝在建设过程中，坝体内设置 有观测廊道，此时，可在廊道内布设相应的监测点；在我国，为了施工的方便，土石 坝一般不设观测廊道，所以监测点均布设在大坝表面上，如：最大坝高处、合龙段、 泄水底孔处、闸门处，坝基地质不良以及坝底地形变化较大的坝段。同时，为了了解 整个大坝变形的全貌，在其它坝段也应布设监测点。布点时可沿坝轴线方向以河床中 心最大坝高处为起点呈断面状向两端布设，横断面间距一般为2 0 m 4 0 m ，对于横断面 形状基本相同而基础又没有多大变化的长坝，间距可以适当加大。但监测横断面的数 量不能太少，以免造成变形分析的困难。在土石坝的横断面上，一般可平行于坝轴线 方向布设4 - - 5 条监测断面，如：在迎水坡面正常高水位以上、心墙顶部或坝顶、背水 坡面上等地方布设监测点。为了便于用视准线法监测水平位移，各断面上的监测点应 该在平行于坝轴线的同一直线上1 5 】。水闸上的变形监测点可垂直于水流方向，在闸墩上 布设一排监测点( 一般每个闸墩上应埋设一个监测点) ，如果闸身较长，可在每个伸缩 缝两侧各布设一个监测点。 2 1 3 土石坝变形监测基准点和工作基点的布设 1 基准点的布设 变形监测基准点的布设可选择以下两种方法：一是远设，即将基准点设在远离变 形体的地方；二是深埋，即将基准点深埋至基岩。 然而在实际的监测工作中，上述两种方法都是难以实现的，或者说是不尽合理的。 因为如果采用远设的方法，会使得监测路线增长或监测网的规模扩大，这样至少有两 方面的不利影响：一是加大了每期监测的工作量；二是扩大了误差的累积效应。这两 个方面的不利影响对于变形监测来说都是非常严重的，因为变形监测的基本特点是重 复观测和精度要求高，所以，不考虑具体的工作情况，片面的追求远设是不现实鲥4 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 而把基准点深埋至基岩，在有些地区费用很高，埋点难度很大。 在土石坝的变形监测过程中，一般情况下，应采用远设的方法布置基准点，再在 监测点和基准点之间，增加工作基点作为一种过渡来解决上述问题。 2 工作基点的布设 对于工作基点的布设要求是：工作基点应布设在变形速度小，且与监测点之间的 距离较近的地方。实际工作中，可以用工作基点作为过渡点来测定监测点相对于工作 基点的位移，这个工作通常称为“测点观测”；再利用基准点来测定工作基点相对于基 准点的位移，这个工作称为“基点观测”【4 】。在计算时，利用基点观测的成果对测点观测 的成果加以改正，最终求出监测点相对于基准点的位移。 如前面所说，布设工作基点应遵循的基本原则是变形速度小且离监测点近，然而， 还应顾及便于观测以及与基准点的联测，即选点时应该顾及工作基点的承上启下作用。 在土石坝的垂直位移监测中，工作基点一般布设在坝体两端的不同高程处。布设 时应选择地质条件较好的地方，并在下游较远处的稳定地段布设基准点。土石坝水平 位移监测的工作基点，一般为独立图形的己知点，其布设方法随监测方法不同略有不 同。 采用增设工作基点的方法可以克服远设和深埋带来的不利影响，原因为：一方面 由于它的变形速度小，所以，基点观测的间隔可以适当延长，从而减少了工作量，因 此可以对基点观测施以较高精度；另一方面，由于它离监测点距离近，测点观测的工 作量和误差累积都不会太大。 2 1 4 土石坝变形监测必要精度的确定 变形监测的必要精度是制定变形监测方案时首先要考虑的问题，和其它工程建筑 物相同，土石坝变形监测的必要精度和允许变形值的大小、变形的速率、观测的目的 有着密切联系。1 9 7 1 年，国际测量工作者联合会( f i g ) 第十三届会议上，工程测量 委员会变形观测及其自动化小组提出：“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 1 0 1 2 0 ；如 果观测的目的是为了研究变形的过程，则其观测的中误差应比这个数值小得多”【4 】。显 然，不同的观测目的，所要求的精度是不同的。因此，应该结合多方面因素综合考虑 来确定土石坝变形监测的必要精度，以不掩盖变形并能有效地发现变形为原则，盲目 地追求高精度和不讲精度的变形监测都是不可取的。般情况下，可以按允许变形值 或对变形监测实测数据的统计分析，来确定土石坝变形监测的必要精度。相关文献中， 对土石坝多年变形监测数据的统计分析结果表明：土石坝垂直位移监测和水平位移监 测的精度一般为士5 士1 0 i i 蚰【4 j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 2 1 5 土石坝变形监测频率的确定 变形监测的特点之一是重复观测，因此在设计监测方案时要确定重复观测的时间 间隔，即变形监测的频率。 通常，土石坝变形监测的频率应根据工程性质、监测点位置的重要性、监测目的、 变形值大小、变形的速度等因素来确定，以能系统反映所测变形的变化过程且不遗漏 其变化时刻为原则。变形的速度越大，监测间隔要求越短。对于同一座大坝，在不同 的时期，监测间隔要求也不一样。在监测初期，由于对变形规律没有了解，为保险起 见，此时要求间隔要短；而在监测后期，对变形规律有了一定了解之后，则可适当延 长监测间隔。在出现紧急情况或遇突发事件时，如2 0 0 8 年的5 1 2 特大地震后，则应进 行紧急监测，旨在了解突发事件对大坝是否造成重大影响，以便采取相应措施给予补 救。 另外，还可以导出监测周期与监测精度和变形速率之间的关系式。下面就以垂直 位移监测为例，说明垂直位移监测周期的设计方法。 设垂直位移变化量的中误差为蚝，变形速度为矿，垂直位移变化量幽与其测定 误差之比的允许值为k ，则应有： 幽k x 蚝 ( 2 一1 ) 又设监测周期为丁，则： a 办= v x t ( 2 2 ) 于是，监测周期可由下式确定： 丁k x m 出,( 2 ：3 j v 在已知监测周期的情况下，也可由式( 2 3 ) 求出监测精度，公式为： 蚝半( 2 - 4 ) a 关于k 值，建议用1 0 ，即变形值与其中误差相差一个数量级。 2 2 土石坝变形监测的常用方法 水平位移监测和垂直位移监测在土石坝变形监测的内容中尤为重要，本节主要讨 论土石坝垂直位移和水平位移的监测方法。 2 2 1 土石坝垂直位移监测的常用方法 对于工程建筑物的垂直位移监测来说，所谓垂直位移，就是工程建筑物及其基础 在垂直方向的变形，表现形式为不同时期高程的变化。垂直位移会造成地面的塌陷， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 会给建筑物的使用和安全带来威胁，当建筑物或基础各部位垂直位移不均匀时，则建 筑物会发生倾斜或扭曲，严重的不均匀垂直位移会毁坏建筑物，所以垂直位移监测是 工程建筑物变形监测中的重要内容。正是由于垂直位移监测的重要性，因此对土石坝 这样的水利工程更是不能马虎。目前，土石坝垂直位移监测的常用方法主要有精密水 准测量方法和精密三角高程测量方法。 1 精密水准测量方法 对于土石坝这种水利工程，由于要求反映的变形量较小，精度较高，因此对其垂 直位移进行监测，一般采用精密水准测量方法。 首先，需要在远离土石坝变形区的稳固地段设置水准基点，以此作为测定变形区 监测点垂直位移的基准。水准基点至少有三个，以便与监测点进行联测，并且相互之 间能进行稳定性的检验；山区土石坝水准基点应尽可能深埋于基岩上，以求稳固和便 于长久保存。若土石坝坝体较大，可以在坝体两端的不同高程处设置垂直位移监测的 工作基点，以便于高效、精确地对变形区进行监测。 基准点之间或者基准点到工作基点的水准联测，应采用闭合水准路线的形式，且 原则上按一等水准测量的要求施测，满足每公里水准测量高差中数的偶然中误差小于 等于士0 5 m m 的要求，此项工作一般每个月进行一次，且应尽可能固定日期进行。监测 点之间的水准观测，也应采用闭合水准路线的形式，并至少应构成两个以上闭合环， 应按照二等水准测量要求施测，满足每公里水准测量高差中数的偶然中误差小于等于 + i m m 的要求。 基准点与监测点之间或者工作基点与监测点间的水准联测，应采用往返附合水准 路线的形式，之所以设计这样的水准观测路线，是因为闭合环或附合水准路线都具有 多余观测，有利于检测外业观测中的粗差和错误，提高外业观测数据采集的质量和可 靠性，同时还有利于数据的严密平差和提高观测成果的精度。 2 精密三角高程测量方法 伴随着精密测角和精密测距技术的发展，利用智能型全站仪进行三角高程测量的 精度也大大提高，使得三角高程测量代替国家二等水准测量成为现实，因此，用三角 高程测量的方法监测建筑物的垂直位移，将极大地降低劳动强度，提高工作效率。 三角高程测量通常有三种方法：单向观测、中间法以及对向观测。考虑到测量精 度和实际情况，土石坝垂直位移监测采用中间法三角高程测量较为合适，也即采用不 量仪器高和棱镜高的中间设站三角高程测量方法，如图2 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 图2 - 1 中j 司设站法三角焉程测量原理不恿图 图2 1 中，将全站仪安置于彳、b 两点的中间，处，仪器高为f ，观测a 和b 的觇 标得斜距和& ，竖直角口。和，觇标高为固定长度v ，则彳、b 两点的高程巩和 分别为： 月_ = 马+ 吃+ f v ( 2 5 ) h b = 日+ + f 一1 ， ( 2 6 ) 式中：吃= 疋s i n a 。，为前视垂距；= 咒s i n a 6 ，为后视垂距。由( 2 5 ) 和( 2 6 ) 得 彳、b 两点的高差玩。为： h a b = 一h a = 一吃 ( 2 - 7 ) 通过此方法不仅能方便地监测各基准点之间的高差变化，也能将基准点的高程方 便地引入到各垂直位移监测点上，从而达到垂直位移变形监测的目的。当然，该方法 对监测点位置的选择有一定要求。 2 2 2 土石坝水平位移监测的常用方法 水平位移监测指的是对工程建筑物在水平面内变形的监测，产生水平位移的原因 是由于建筑物及其基础受到水平应力的影响，其主要的表现形式便是不同时期各监测 点平面坐标或点间距离的变化。水平位移监测是土石坝变形监测的重要内容，其监测 方法也较多，如极坐标法等，还有一些专用方法，如视准线法等。 1 极坐标法水平位移监测 利用极坐标法进行水平位移的监测，是通过至少2 个工作基点来测定水平位移监 测点的坐标变化，从而确定其变形情况。如图2 2 所示，么、b 为两个工作基点，其坐 标分别为( x , 4 ，y 4 ) 、( x b ，y b ) 。当测出角度a 及距离s 以后，即可根据坐标正算公 式【6 j 求出尸点的坐标( x 。，y p ) ，见式( 2 8 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 图2 2 极坐标法水平位移监测原理示意图 弗2 吒+ s c o s o t 舻2 _ + s c o s ( a 彻口( 2 - 8 ) 【炸= y , 4 + s s i n a a e = y a + s s i n ( a a n 一口) 监测点尸的点位中误差可按下式估算： 哗= 丽= ( 2 9 ) 式中：聊。为测距精度；为测角精度；p = 2 0 6 2 6 5 。 监测点尸的水平位移就是不同周期监测所得到的该点坐标的变化量。一般地， 利用极坐标法进行水平位移监测，要求至少在两个测站上对监测点进行水平位移 监测，以提高水平位移监测的精度和可靠性。 2 视准线法水平位移监测 除了上述常规方法外，土石坝的水平位移监测通常还采用视准线法来监测其变形， 其测量原理如图2 3 所示。图2 3 中，视准线的两个端点彳、b 为工作基点，监测点只、 只、只布设在a b 的连线上，其与a b 的偏差不宜超过2 c m 。监测点相对于视准线a b 偏离值，的变化值，即是土石坝在垂直于视准线方向上的水平位移。 图2 3视准线法水平位移监测原理不意图 视准线法按其所使用的工具和作业方法的不同，又可分为“测小角法”和“活动觇牌 法”。 测小角法是利用高精度全站仪，精确地测出基准线方向与置镜点到监测点p 的视 线方向之间所夹的小角口，从而按式( 2 - 1 0 ) 计算监测点相对于基准线的偏离值： = - - 7 s ( 2 1 0 ) p 式中：墨为置镜点到监测点的水平距离；j d = 2 0 6 2 6 5 。 由误差传播定律，可得偏离值的中误差所，为： 啊= ( ) 2 + ( 导) 2 ( 2 - 1 1 ) 式中：m a 为测角精度；m s 为测距精度。, 活动觇牌法观测时，在彳点设置全站仪，瞄准b 点后保持视线方向固定。在欲测 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 点p 上放置觇牌，由彳点操作人员指挥，p 点操作人员旋动活动觇牌，使觇牌标志中 心严格与视准线重合，读取活动觇牌读数，并与觇牌的初始值相减，便能得到p 点偏 离基准线a b 的偏移值，j 。不同周期监测的同一个监测点的偏离值的变化量，即为该点 的水平位移变形值。 2 3 土石坝变形分析的常用方法 和其他工程建筑物的变形分析一样，土石坝变形分析的研究内容主要包括：变形 数据处理与分析、变形物理解释和变形预测、预报等方面，通常可以将其分为变形的 几何分析和变形的物理解释两部分。变形的几何分析是对变形体的变形大小作几何描 述，其主要任务是描述变形体变形的空间状态和时间特性。变形物理解释的主要任务 是确定变形体的变形和变形原因之间的关系，即解释变形的原斟7 1 。本节中，侧重的是 土石坝变形的几何分析，至于土石坝变形的物理解释，变形可能与各种作用力作用、 土料性质、地理地质状况、雨季、蓄水等原因有关，由于牵涉的专业因素和客观原因 较多，应该由各专业协作进行研究，本节将不涉及这方面的内容，而变形的预测预报 方法，将在下一节进行研究。 2 3 1 土石坝变形监测点稳定性分析的方法 1 显著性分析法 阻垂直位移监测为例，相邻两周期某个垂直位移监测点是否为显著性的变形，应 该进行监测点的稳定性分析。垂直位移监测点的稳定性分析，可按以下方法进行。 各监测点在第，周期观测和平差计算后，可得到该监测点本周期的观测高程日，及 其高程中误差m h ；同理，各监测点在第j + l 周期观测和平差计算后，可得到该监测点 本周期的观测高程h j + 。及其高程中误差川，这样相邻两周期该监测点的高程变化量 埘可按式( 2 1 2 ) 计算： a h = h j h j + 1 ( 2 - 1 2 ) 该监测点的高程变化量是否为显著性变形，应该按以下方法进行稳定性分析。根 据该监测点相邻两周期平差计算后的高程中误差m 日i 和m ，可由( 2 1 2 ) 式运用误 差传播定律得到该点高程变化量的中误差坍： 厂_ = 一 m a h = 、加刍f + 聊 ( 2 1 3 ) 当胡3 m 时，可认为该监测点在相邻两周期有“较大沉降 ；当 2 ，胡3 时，可认为该监测点在相邻两周期有“显著沉降”；当m - i s2 聊埘 时，可认为该监测点在相邻两周期有“沉降趋势”；否则可认为该监测点相邻两周期“未 见沉降发生”，即该监测点相邻两周期的高程变化量不是变形引起的，而是两周期的观 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 测误差影响所致。 2 平均间隙法 土石坝变形监测的稳定性分析，通常还可采用平均间隙法进行。用平均间隙法对 变形监测网进行点位稳定性分析是一种常用的方法，特别在垂直位移监测网的稳定性 分析中，其应用较为普遍；对平面监测网，由于其网点的点位是用二维坐标来表示， 因此对平面监测网的稳定性分析，可分别从x 、y 两个方向进行【2 1 。 平均间隙法的基本思想是：先进行两期图形一致性检验，即整体检验，如果检验 通过，则确认所有参考点是稳定的，否则，就要找出不稳定的点。寻找不稳定点的方 法是尝试法，也称为间隙分块法，即依次去掉每一点，计算图形不一致性减少的程度， 使得图形不一致性减少最大的点是不稳定点。排除不稳定点后再重复以上过程，直到 图形一致性通过检验为止【1 1 。以下将介绍如何用平均间隙法进行点位的稳定性分析。 ( 1 ) 整体检验 现对某两期监测成果进行稳定性检验，设这两期分别为第八，期。用平均间隙法 对两期监测网点位的稳定性进行判断，首先进行监测网中有无动点的总体检验。 对每一期监测的成果，按秩亏自由网平差的方法进行平差，由平差改正数v 可计 算单位权方差的估值m 、，见式( 2 1 4 ) 、( 2 - 1 5 ) ： 砰：( v _ r p v ) i ( 2 1 4 ) ) t 2 ，：( v _ r p v ) j ( 2 - 1 5 ) 。 jj 式中：v 为平差改正数；p 为观测值的权矩阵；z 、，分别为第f 、，期监测网的多余 观测数。 。 一般情况下，两个不同周期监测的精度是相同的，对于两期的变形观测是否属于 同精度，可以进行方差检验判断，即对彳和弘；的同一性作f 检验。假设两期单位权方 差相同，将序和；中数值较大者作为分子( 假设廓 2 ，) ，计算统计量： ，1 2 磊= 一( 2 - ) p - - 5 j - 1 6 由显著性水平口、第一自由度z 和第二自由度从f 分布表中查得分位值五以办， 若r 3 0 m