第五章外部变形监测

1、第五章 外部变形监测第一节第一节 外部变形监测工作的内容外部变形监测工作的内容 枢纽安全监测按其特点不同一般分为内部变形观测、外部变形观测、其他观测项目三大类。内部变形观测一般指在施工过程中将观测仪器埋没在建筑物内部,通过专用测读设备对仪器进行测读,从而了解埋没仪器部位的渗压力情况、应力应变情况、位移变化情况等等。常用的仪器有用于渗流和渗压力观测的渗压计、测压管、量水堰等,用于变形监测的多点位移计、测缝计、测压管、界面变位计、倾角计、收敛计等等,用于应力应变观测的应变计、应力计、钢筋计、无应力计、锚索测力计、锚杆测力计、土压力计等等,用于水力学观测的脉动压力计、水听器、流速仪等,用于环境量和地

2、震观测的强震仪、温度仪、水位仪等等。 第五章 外部变形监测第五章 外部变形监测 外部变形观测一般指利用测量仪器与专用仪器和大地测量方法对枢纽建筑物表面的变形现象进行监测工作。这是本章内容重点,将在后面做详细介绍。 其他观测项目一般指环境量监测（包括上下游水位、库水位、气温、降雨、坝前淤积、下游冲刷等项目）,地震监测等等。 第五章 外部变形监测一、外部变形监测工作的重要性一、外部变形监测工作的重要性通过监测确定在各种负载和外力作用下,水工建筑物表面的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征。1.了解建筑物的位移变化规律,可以为水利水电工程枢纽安全运行提供最基本的信息资料。2.为枢纽安全鉴定提供依

3、据；3.通过对监测资料的分析,可以与设计理论计算结果进行对比,以实际情况来检验设计理论的可靠性；4.通过对监测成果的整编与分析,可以对被监测的建筑物建立位移变化的数字模型,对各种工况下的位移变化特点进行分析,找出影响枢纽安全的最不利工作条件,在运行过程中采取措施,尽量避免不利工作条件的产生。5.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,为判断其安全提供必要的信息。第五章 外部变形监测第五章 外部变形监测 外部变形监测工作有两方面的作用外部变形监测工作有两方面的作用1.一是实际运用上的作用：掌握建筑物位移变化规律,为安全评估提供必要的信息,以便发现问题并及时采取工程措施,防止事故发

4、生。2. 二是科学研究上的作用：可以更好地了解建筑物的变形机理,验证工程设计理论,以利于进行反馈设计和建立有效的变形预报模型。第五章 外部变形监测二二. 外部变形监测工作的主要内容外部变形监测工作的主要内容 对于不同的水利水电工程项目,变形监测的工作内容和监测重点是有不同的。 对于砼坝,它的位移变化主要受水压力、外界温度变化、坝体自重等因素作用,所以砼坝的主要观测项目为垂直位移、水平位移、伸缩缝位移、混凝土应力、钢筋应力等。对于土石坝,它的位移变化受坝体自重渗压力水压力等因素作用,所以土石坝主要观测项目为渗流观测（包括渗流量、渗压力）、垂直位移、水平位移、土压力等。而对于大型地下洞室开挖则边墙

5、收敛监测又作为主要监测内容之一。第五章 外部变形监测1.水平位移监测：对水工建筑物的顺水流方向或顺轴线方向的水平位移变化进行监测常用观测方法分两大类。一类是基准线法,基准线法是通过一条固定的基准线来测定监测点的位移,常见的有视准线法、引张线法、激光准直法、垂线法。另一类是大地测量方法,大地测量方法主要是以外部变形监测控制网点为基准,以大地测量方法测定被监测点的大地坐标,进而计算被监测点的水平位移,常见的有交会法、精密导线法、三角测量法、GPS观测法等。第五章 外部变形监测2.垂直位移观测：对水工建筑物垂直方向的位移变化进行监测,用以了解水工建筑各种监测部位的垂直位移变化,从各监测点垂直位移变化

6、情况了解有无不均匀垂直位移变化出现。常用的方法有几何水准测量方法、三角高程测量法、液体静力水准法等。3.挠度观测：本项目一般用于砼坝,以坝体内置的铅垂线（正锤线和倒锤线）为基准,测量坝体不同高度相对于铅垂线的位置变化,以测定各点的水平位移,从而确定坝体的挠曲变化。第五章 外部变形监测4.裂缝观测：对建筑物产生的裂缝或库岸边坡裂缝进行位置、长度、宽、深度错距等进行监测,以了解裂缝的变化情况。一般采用丈量方式,可采用检定过的钢尺、铟钢尺等进行精密量距。5.滑坡及崩岸观测：滑坡体崩岸区应进行定期监测,以及时进行预警,减少突发事件发生时的损失。一般采用布设水平和垂直位移观测标点进行定期监测。第五章 外

7、部变形监测三、外部变形监测工作的一些特点三、外部变形监测工作的一些特点1. 外部变形监测工作在不同时段的监测目的不同。 施工期外部变形观测主要目的是为了及时了解施工期一些关键部位的位移变化情况,以便对设计方案或施工方案进行调整,为施工过程中的安全护航。 竣工后的永久监测是为了监测工程建筑物的位移变化,并了解其在空间与时间的变化规律,从而判定建筑物的运行工况及稳定安全性。第五章 外部变形监测2. 外部变形观测项目的可恢复性3. 外部变形观测项目的人为影响性4. 外部变形观测项目的周期性要求5. 外部变形观测项目与内部变形观测项目的关联性第五章 外部变形监测四四.外部变形监测技术的发展外部变形监测

8、技术的发展l1.常规地面测量方法进一步改善与发展全站型仪器的广泛使用全自动跟踪全站仪（也称测量机器人、Georbot）l2.现代空间定位技术GPS的运用GPS技术从静态扩展到动态，从单点定位扩展到局部与广域差分，绝对和相对精度大大提高。第五章 外部变形监测l3. 数字摄影测量、实时摄影测量等新技术应用l4.光机电技术的发展为实现监测自动化创造了条件光机电技术的发展和综合运用，使一些常规的人工读数设备变为自动测读设备，并采用光纤通信、无线电通信等手段完成信号传输工作，利用计算机技术进行在线分布式监测，形成了监测自动化系统。多种新技术的使用，将使外部变形监测工作向实时、连续、高效、自动化、动态方向

9、发展。第五章 外部变形监测第二节第二节 变形监测控制网的布设变形监测控制网的布设变形监测控制网属于工程测量控制网范畴内的专业控制网，它的用途就是作为枢纽工程外部变形监测的测量基准。一、一、监测精度的确定监测精度的确定 对水利水电工程中常见的拦河坝是一种典型建筑物，对大坝的变形观测、混凝土坝的水平和沉陷观测精度为12，土石坝为35，库岸滑坡体监测精度一般在1050。第五章 外部变形监测在混凝土坝安全技术规范（DL/T 5178-2003）中规定了混凝土坝的变形监测精度。第五章 外部变形监测二、变形监测控制网的优化设计二、变形监测控制网的优化设计 控制网的优化设计是测量领域一个重要的研究课题。优化

10、设计包含两个方面的内容，一是在已有人力、物力和财力条件下，使控制网具有最高的精度、灵敏度和可靠性；二是控制网在满足精度、灵敏度和可靠性要求的前提下，使控制网建立的成本最低。第五章 外部变形监测三、变形监测控制网的布设三、变形监测控制网的布设1.变形监测平面控制（1）平面控制网布设原则 a.分级布网、逐级控制 b.要有足够的精度 c.要有足够的密度（2）平面控制网的布设： a.变形监测控制点使用的周期远远长于施工期 。 b.变形监测点使用时间长，在使用期要不间断进行复测 。第五章 外部变形监测2.变形监测高程控制网的布设（1）高程控制网布设原则： a.分级布网，逐级控制 b. 要有足够的精度第五

11、章 外部变形监测第五章 外部变形监测（2）高程控制网的布设 高程控制网布设是在布设方案确定后，根据确定的原则进行现场选点，确定水准点位置后按国家水准测量等级的要求进行水准点造埋，在水准点造埋稳定后，按已批准的观测方案进行水准作业，对外业检查合格的水准测量成果进行平差计算。 变形监测控制网布设在方案确定后与工程测量控制网相同。 第五章 外部变形监测第三节第三节 外部变形监测方案的制定外部变形监测方案的制定 外部变形监测方案的制定,必须考虑地质条件、工程建筑物设计、施工设计、周边环境状况,以增强监测方案的可靠性和可行性。一、变形监测方案的制定 1.监测内容l监测内容主要根据时监测工作的目的和要求,

12、并充分考虑工程地质情况进行确定 。l内容：变形监测、沉降监测、水平位移监测、倾斜监测、裂缝监测、倾斜监测、收敛监测等等；建筑物物理参数监测包括应力监测、应变监测、压力监测、渗流监测等；环境因素监测地震监测、气温监测、降雨监测、水位监测等。第五章 外部变形监测 应根据水工建筑物在负荷作用下的变形特点和作用来确定监测内容。如对混凝土坝来说需要进行挠度监测,而沉降监测以基础沉降为主；而对于土石坝来说一般不需要进行挠度监测,沉降监测则要同时考虑基础沉陷、又要考虑坝体的沉降变化。第五章 外部变形监测2. 监测精度 监测精度设计要考虑工程的类别、等级、工程不同部位的变形特点、工作实施的相关条件等等。精度主

13、要取决于变形的大小、速率、设备条件、观测手段等,设计时可根据监测的目的和监测项目，在相应的规范中查取设计容许值。监测精度对不同的工程要求是不同的,对工程的不同部位也是不同的。 外部变形监测的精度要高于施工放样工作 第五章 外部变形监测表5.2大坝变形典型精度监测内容沉陷量（）水平位移量（）岩基上的混凝土坝11压缩土上的混凝土坝22土石坝施工期10510土石坝运行期535第五章 外部变形监测3. 监测部位和测点布置监测部位和测点的布置,应满足监测总方案的技术思想；点位必须安全、可靠；总的布局合理，又能突出重点；有利于监测工作进行，又便于长期观测。4. 监测频率外部变形监测的频率取决于变形的大小、

14、速度及目的。变形监测频率的大小应能够反映出被监测建筑物的变形规律,一般随单位时间内变形量的大小来确定。 第五章 外部变形监测第五章 外部变形监测二二. 监测技术方案的制定监测技术方案的制定 内容：1.任务概况 2.作业依据 3.观测方案和技术要求4.作业方法及限差技术要求5.成果分析与资料上交 外部变形监测工作监测方案和监测技术方案的制定对外部变形监测工作来讲是至关重要的，应组织专业技术人员在充分了解设计意图和现场情况的条件下认真编制,在编制过程中应进行充分研究与讨论,使制定的方案能达到监测的目的，又切实可行。 第五章 外部变形监测第四节 外部变形监测中的水平位移监测 水平位移观测主要是测定建

15、筑物在沿建筑物轴线方向（纵向）和垂直于轴线方向（横向）上的变形。 水平位移监测的正负规定为： 顺轴线方向：向左岸位移为正, 向右岸位移为负（以面向下游分左。右岸）； 垂直于轴线方向（顺水流方向）：向下游位移为正，向上游位移为负。 第五章 外部变形监测一、正垂与倒垂一、正垂与倒垂 倒垂、正垂一般配合使用，目的是减少倒垂垂线的长度 。第五章 外部变形监测 正垂装置与倒垂装置都紧邻设置。当通过垂线坐标仪测得倒垂所在位置的位移变化后,认为紧挨着的正垂所在位置的位移变化是一样的,把对于基准锚固点的位移变化量传递到正垂观测墩上,再根据安装在正垂观测墩上的垂线坐标仪测读数据的变化,通过叠加手段,确定正垂悬挂

16、点对于基准锚固点的位移变化。 第五章 外部变形监测正倒垂观测实例：小浪底水利枢纽工程进水塔正倒垂（三组）位移变化过程线图。 第五章 外部变形监测第五章 外部变形监测二、引张线二、引张线引张线一般用于直线型混凝土建筑物,主要用于测定混凝土建筑物垂直于轴线方向的（顺水流方向）水平位移。引张线一般分浮托型和悬挂型两类。第五章 外部变形监测提高引张线观测的精度应注意以下几点： a.设计恰当的钢丝直径和引张力（悬挂重垂重量）； b.设计合理的浮托装置,保持合适的张引力； c.设计合理的防护装置,防止风对引张线产生影响,同时起防止损坏作用。第五章 外部变形监测三、视准线三、视准线 视准线是指设立一条基准视

17、线,通过仪器测定各监测点位置相对该基准线的位移。 工作基点用大地测量方法测定，也可通过正倒垂装置来控制,也有通过埋设在附近的多点位移计等内部变形观测设施来控制。 视准线不易过长，单位长度应控制在200m范围内。规范规定：重力坝控制在300m范围内、滑坡坝控制在800m范围内、拱坝控制在500m范围内。 第五章 外部变形监测第五章 外部变形监测1.活动覘牌法视准线测量 活动覘牌是机械结构的,容易发生隙动差,在每次观测时应测定覘牌的零位差 。 活动覘牌的读数量程有限（一般有效量程在100mm左右）,不适宜用在顺水流方向位移变化量大的观测项目。第五章 外部变形监测2. 小角法视准线测量ssin(i)

18、 第五章 外部变形监测 将实测的对视准线的偏离量与两端点的位移变化量结合起来计算，可以求得各监测点的实际水平位移量。这里需注意视准线两个端点的位移变化量往往是不同的，他们的位移对各监测点的影响应根据距离进行内插计算。 第五章 外部变形监测四、独立水平位移监测点布设四、独立水平位移监测点布设 在水平位移监测中对一些无法设置一条基准线项目，而需要进行水平位移监测的区域，一般单独设立水平位移监测点，分区域布设，监测点大多为安装有强制对中盘的砼标墩。采用的监测方法有极坐标法、多站边角交会法、精密导线法等等。第五章 外部变形监测第五章 外部变形监测极坐标法 测定一个夹角、一条边长来确定被监测点的平面坐标

19、（原理与极坐标法放点一样）。但极坐标法测量缺少多余校核条件，为提高监测精度采用了多个后视点后视、差分改正计算来提高观测精度。 第五章 外部变形监测APAPAPAPAPAPABABABAPsyysxxxxyyarclansincos第五章 外部变形监测边角交会法 双站边角交会，总体平差 。由A、B两点分别计算P点所得的坐标值。由于AB两站观测是等精度的，在无粗差情况下，可以以两个坐标值中的中值作为P点的坐标。 2精密导线法 精密导线一般布设成附合导线、闭合导线两种形式，其形式参见图。 第五章 外部变形监测大地测量进行水平位移监测位移量的计算 使用大地测量方法对监测点进行水平位移监测，监测的结果都

20、是每一个监测点在监测时的平面坐标（一般是大地坐标）。要计算位移变化，一般需将每次监测成果转换成施工坐标（对大坝一般转化成以坝轴线为坐标轴的坐标系，其坐标轴为坝轴线方向、垂直于坝轴线方向往往代表水流方向）。 第五章 外部变形监测累计位移变化量：期内位移变化量： 累计位移变化量和期内位移变化量还应符合：“本次累计位移变化量上次累计位移变化量+本次期内变化量”的关系。初始值本次初始本次、yyxxyx上次本次上次本次、yyxxyx第五章 外部变形监测第五章 外部变形监测第五章 外部变形监测第五章 外部变形监测根据各个监测点在某一个时段来的累计位移变化量，可以绘制其位移变化分布图。可以了解监测点沿坝轴线

21、方向或垂直于坝轴线方向的位移变化分布情况。 第五章 外部变形监测五、收敛监测五、收敛监测 收敛监测是测定两个位移标点间的距离变化 收敛计测读法 专用锢钢尺丈量法 全站仪直接测距法 第五章 外部变形监测第五章 外部变形监测六、六、GPS测量测量GPS进行水平位移监测应用GPS全球卫星定位技术 GPS进行变形监测有以下特点： 1测站间无需通视 2可同时提供测点三维位移信息 3可以全天候监测 4 操作简便 第五章 外部变形监测第五章 外部变形监测第五节 外部变形监测中的垂直位移监测 垂直位移监测主要是测定建筑物及其基准在垂直方向（高程）上的变形。 监测规范规定：垂直位移监测的正负号规定为：下沉为正，

22、上抬为负。第五章 外部变形监测 垂直位移监测设施包括：水准基点、工作基点、监测点（均为按水准测量要求埋设的水准点）。监测方法有水准测量、三角高程测量、静力水准测量等。 使用的主要设备为精密水准仪如：N3水准仪、Ni002水准仪、DNA03数字水准仪等以及高精度全站仪等以及静力水准器具。 第五章 外部变形监测一、水准测量一、水准测量一般土石坝工程监测时按三等水准要求进行，混凝土坝段按二等水准要求进行。 第五章 外部变形监测二、三角高程测量二、三角高程测量 三角高程测量往往在一些进行水准测量比较困难，监测精度相对较低的外部变形监测项目中使用。 精确量取棱镜高、测站一起高 。控制最大视线长度 。气象

23、条件观测 。必须进行地球曲率和大气折光差改正。 第五章 外部变形监测第五章 外部变形监测三、静力水准测量三、静力水准测量第五章 外部变形监测电感式液体静力水准仪示意图第五章 外部变形监测四、垂直位移监测的计算四、垂直位移监测的计算测定点与点间的高差，根据起测点的高程逐个推算每个监测点的高程。每个监测点监测高程和初始高程计算该点的高程变化量。同样可以根据每个监测点监测高程和以前某一次监测高程计算该点在该时段内的期内变化量。 第五章 外部变形监测）（）（累计变化量：）（：223期内变内变0011iiiiiiiiHHHHHHHHHh 式中Hi为本次高程、Hi-1为上次高程、 Hi-0为初始高程。 这

24、里应注意垂直位移位移量计算与水平位移位移量计算是符号相反的，这与垂直位移监测的符号规定有关（以下沉为正、上抬为负）。第五章 外部变形监测第六节 滑坡体及崩岸的变形监测 一、滑坡体监测一、滑坡体监测1.滑坡对水利枢纽和库区安全的影响滑坡体对枢纽和库区安全有重要影响。2.滑坡体监测范围的确定选择滑坡体方量大、滑移可能大、对枢纽或居民生活、生产区影响大的滑坡体进行监测。 监测点应分高程布设或分断面布设，易于了解滑移变化的规律，监测点应选择在滑移敏感区域。 第五章 外部变形监测滑坡体监测与枢纽建筑物外部变形监测一样，主要有以下特点： 设立独立的平面和高程控制网。 滑坡体监测的控制点必须选在滑坡体影响区

25、外的稳固区域。 进行定期巡查 。 监测人员应根据监测结果和位移变化规律，判断位移变化速率是否接近警戒值，在接近警戒值时应及时发出预警，要求运行单位做好预防准备，对生产或生活区附近的滑坡体应通过地方政府做好预警工作，防止意外发生。 第五章 外部变形监测二、库区崩岸的监测二、库区崩岸的监测1.库区崩岸监测的内容经过巡查选择崩岸范围较大，对库区周边人民生活生产有较大影响的区域作为监测区。第五章 外部变形监测2库区崩岸监测2.1 崩岸区边线的变化不同测次测得的边线绘成平面图可以了解崩岸区边线的变化。 2.2崩岸区的地形变化 较大的崩岸会将原是陆地的部分塌入水内，对水库的库容曲线造成影响，所以有必要对有

26、变化的崩岸区进行测量（包括水下测量） 。第五章 外部变形监测第七节 外部变形监测资料的整编分析水电水利工程施工测量规范（DLT 5173-2003）、土石坝安全监测技术规范（SL 60-94）、土石坝安全监测资料整编规程（SL 169-96）、混凝土坝安全监测技术规范（DLT 5178-2003）。 第五章 外部变形监测一、监测资料的整编一、监测资料的整编变形监测资料包括自动采集或人工采集的各种原始观测数据、各类计算资料、以及相关的专项报告等技术资料。对上述资料进行汇集、审核、整理、编排，使资料集中、系统化、规范化和图表化，并刊印成册称为监测资料整编。第五章 外部变形监测1监测资料的平时整理工

27、作监测资料的平时整理工作包括以下内容： 收集各种资料 对收集到的资料进行适时检查 对监测成果进行数据输入 按一定的顺序对各类资料进行分组编排。2监测资料的定期整编工作监测资料需进行定期整编。在施工期和水库初蓄期资料整编周期一般不长于一年，在运行期，视工程规模以15年为宜。第五章 外部变形监测整编工作主要包括以下内容： 汇集工程基本情况（含各种运行状态的控制指标）、监测系统布置和相关考证资料，各次巡查记录资料、有关的报告和文件。 根据工程监测资料，在平时整理的基础上，对整编时段内的监测成果按时序进行列表统计和校对。如平时建有数据库，可由数据管理程序列表输出。对一些监测中的特殊情况，应附加说明。第五章 外部变形监测 根据监测结果统计资料绘制各监测点各向位移在时间和空间上的分布特征图（包括过程线图、分布图、等值线图等），并绘制与水位、温度等影响因素有关的相关图。 分析各观测物理量（即监测点各向位移变化量）的变化规律与影响因素，提出对工程安全影响的评价，并对影响工程安全的问题提出运行和处理意见。第五章 外部变形监测3监测资料的整编后的刊