第十三章变形观测

测量学（第五版）第十三章变形监测长安大学公路学院第十三章变形监测本章主要介绍变形监测的概念、目的、内容、特点以及桥梁变形监测、滑坡变形监测和地面沉降变形监测等内容。§13-1概述一、变形监测的基本概念变形监测（或变形观测）是指用测量仪器或专用仪器定期测定变形体在自身荷载或外力作用下随时间而变形的工作。包括全球性的变形监测、区域性的变形监测和工程的变形监测。变形监测按时间特性可分为静态变形监测和动态变形监测，静态变形监测通过周期测量得到，动态变形监测须通过持续监测得到。§13-1概述二、变形监测的目的及意义总的来说，变形监测的目的是要获得变形体（大到整个地球，小至一个工程建筑物）变形的空间状态和时间特性(即变形的几何分析)，同时还要解释变形的原因(即变形的物理解释)。变形监测具有实际应用和科学研究两方面的意义。§13-1概述三、变形监测的内容和特点１．变形监测的内容变形监测的内容主要包括水平位移和垂直位移监测，以及对偏距、挠度、弯曲、扭转、震动、裂缝等用于描述变形体自身形变和刚体位移的几何量的监测。水平位移是监测点在平面上的变动；偏距和挠度可以视为某一特定方向的位移；倾斜可以换算成水平或竖直方向上的位移，也可以通过水平或垂直位移测量和距离测量得到。§13-1概述２．变形监测的特点变形监测的最大特点是要进行周期观测，所谓周期观测就是多次的重复观测，第一次称初始周期或零周期，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）都要一致。变形监测需要确定合理的测量精度。要求采用严密的数据处理方法是变形监测的另一重要特点。变形监测还需要有多学科知识的配合。§13-1概述四、变形监测的方法１．常规大地测量法：是指用常规的大地测量仪器测量方向、角度、边长和高差等所采用办法的总称，目前，智能型的高精度测量机器人，可用于变形监测的许多领域。（１）精密高程测量（２）精密距离测量（３）角度测量常规大地测量法的优点是：可以提供变形体整体的变形状态，监控面积大，可有效测定变形体的变形范围和绝对位移；观测量可以通过组网的形式进行结果的校核和精度评定，可靠性较高；灵活性大，能适用于不同的精度要求，适应于不同形式和不同的外界条件。但常规大地测量法也存在一些缺点，主要是外业工作量大、作业时间长、效率较低，而且需要测量人员到现场观测，难以实现连续监测和测量过程的自动化或无人值守监测。§13-1概述２．空间测量技术和方法（１）ＧＰＳ测量法，具有以下优点：①观测点之间无须通视，选点方便；②观测不受天气条件的限制，可以进行全天候的监测；③观测点的三维坐标可以同时测定，对于运动的观测点还能精确地测出它的速度；④在观测点之间距离较长时，其相对定位的精度较高，优于精密光电测距仪和全站仪的测量精度；⑤作业简单方便，自动化程度高，可实现在无人值守的情况下通过计算机网络远程控制，实现对变形体的连续自动监测，即自动按规定时刻下载数据、自动解算和分析。§13-1概述（２）ＩｎＳＡＲ测量法：ＩｎＳＡＲ测量技术，即合成孔径雷达干涉测量技术（ＩｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃＳｙｎｔｈｅｔｉｃＡｐｅｒｔｕｒｅＲａｄａｒ，ＩｎＳＡＲ），是利用合成孔径雷达（ＳＡＲ）影像进行干涉来提取相位信息从而获取地表高程及其变化信息的一种新型遥感技术。具有以下优点：①覆盖范围大，方便迅速；②成本低，不需要建立监测网；③空间分辨率高，可以获得某一地区连续的地表形变信息；④可以监测或识别出潜在或未知的地面形变信息；⑤全天候，不受云层及昼夜影响。§13-1概述３．摄影测量和激光扫描技术（１）摄影测量法：有以下述显著特点：①不需要接触被监测的变形体；②外业工作量少，观测时间短，可获取快速变形过程，可同时确定变形体上任意点的变形；③摄影影像的信息量大、种类多、利用率高，可对变形体产生变形前后的信息做各种后处理，通过底片可观测到变形体在任意时刻的状态；④摄影测量的仪器费用较高，数据处理对软硬件的要求也比较高。§13-1概述（２）三维激光扫描测量法：三维激光扫描仪是一种集成多种高新技术的新型测绘仪器，采用非接触式高速激光测量方式，以点云形式获取地形及复杂物体三维表面的阵列式几何图形数据，通过后处理软件可获取物体在给定坐标系下的三维坐标。具有如下优点：①全天候工作；②数据量大，精度较高；③获取数据速度快、实时性强；④全数字特征，信息传输、加工和表达容易。三维激光扫描测量技术可应用于建筑物特征的提取、监测滑坡、度量岩石等的裂缝，还可以记录和监测古建筑物的变化情况。第一节概述４．专门测量方法（１）偏离水平基准线的微距离测量———准直法（２）偏离垂直基准线的微距离测量———铅直法（３）液体静力水准测量法（４）挠度测量方法（５）裂缝的观测方法§13-1概述五、变形监测的精度和周期监测目的不同时，其所要求的精度也不同。一般为积累资料而进行的变形监测，其精度可以低一些；如果变形监测是为了确保建筑物的安全，则监测精度应小于允许变形值的１／２０～１／１０；如果是为了研究变形的过程，则监测精度还应更高。目前，对于重要工程，一般要求“以当时所能达到的最高精度为标准进行变形观测”。§13-1概述六、变形监测数据处理变形监测数据可分为两种：一种是监测网的周期观测数据，根据这些数据，计算网点的坐标，进行参考点稳定性检验和周期间的叠合分析，从而得到目标点的位移；另一种是各监测点上的某一种特定的形成时间序列的监测数据，如该点的沉降值、某一方向上的位移值以及其他与变形监测有关的量，如气温、体温、水温、水位、渗流、应力、应变等，对他们进行回归分析、相关分析、时序分析和统计检验，确定变形过程及趋势。§13-1概述变形分析又可分为变形的几何分析和物理解释。几何分析在于确定变形量的大小、方向及其变化，即变形体形态的动态变化；物理解释在于确定引起变形的原因（例如是由某种荷载为主引起的周期性变形）和确定变形的模式（属于弹性变形还是塑性变形，是自身内部变形还是整体变形等）。总的来说，变形监测是基础，变形分析是手段，变形预报是目的，变形观测数据处理过程就是进行变形分析和预报的过程。§13-1桥梁变形监测桥梁变形监测的对象主要包括：桥梁的墩台、塔柱和桥面等。一、桥梁变形监测的目的１．保证桥梁安全运营２．验证设计参数３．检验工程施工质量４．为科学研究和健康诊断提供基础数据

二、桥梁变形监测的内容桥梁变形按其类型可分为静态变形和动态变形，静态变形是指变形观测的结果只表现在某一期间内的变形值，它是时间的函数。动态变形是指在外力影响下而产生的变形，它是表示桥梁在某个时刻的瞬间变形，是以外力为函数来表示的对于时间的变化。桥梁墩台的变形一般来说是静态变形，而桥梁结构的挠度变形则是动态变形。§13-2桥梁变形监测１．桥梁墩台变形观测（１）各墩台的垂直位移观测。主要包括墩台特征位置的垂直位移和沿桥轴线方向（或垂直于桥轴线方向）的倾斜观测。（２）各墩台的水平位移观测。其中各墩台在上、下游的水平位移观测称为横向位移观测；各墩台沿桥轴线方向的水平位移观测称为纵向位移观测。§13-2桥梁变形监测２．塔柱变形观测塔柱变形观测主要包括：（１）塔柱顶部水平位移监测；（２）塔柱整体倾斜观测；（３）塔柱周日变形观测；（４）塔柱体挠度观测；（５）塔柱体伸缩量观测。３．桥面水平位移观测桥面水平位移主要是指垂直于桥轴线方向的水平位移。４．桥面挠度观测桥面挠度是指桥面沿轴线的垂直位移情况。§13-2桥梁变形监测三、桥梁变形监测方法１．垂直位移监测：常采用精密水准测量、三角高程测量、液体静力水准测量（又称连通管测量）、压力测量法、ＧＰＳ测量等方法２．水平位移监测：测定水平位移的方法与桥梁的形状有关，对于直线形桥梁，一般采用基准线法、测小角法等；对于曲线形桥梁，一般采用三角测量法、交会法、导线测量法等。３．挠度观测主要有悬锤法、水准仪（经纬仪）直接测量法、水准仪逐点测量法、静力水准观测法、测斜仪观测法、全站仪观测法、ＧＰＳ观测法和摄影测量方法等四、桥梁变形监测实例———虎门大桥ＧＰＳ实时位移监测§13-2桥梁变形监测§13-3滑坡变形监测一般而言，滑坡在发生失稳破坏时都有明显的前兆现象，滑坡变形就是最突出、最直接、最容易捕捉到的滑坡特征，所以滑坡变形监测是进行滑坡预报的最可靠办法之一。一、滑坡概述滑坡是指斜坡上的土体或岩体，受河流冲刷、地下水活动、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影响，在重力作用下，沿着一定的软弱面（带），而发生的整体地或分散地顺坡向下滑动的地质灾害现象，俗称“走山”“垮山”“地滑”“土溜”等。滑坡通常有双重含义，可指一种重力地质作用的过程，也可指一种重力地质作用的结果。二、滑坡监测的内容滑坡监测的内容包括滑坡变形监测、滑坡变形破坏的相关因素监测及滑坡诱发因素监测等。三、滑坡监测方法从滑坡的监测内容来看，滑坡监测应该是由多种监测方法相结合的。它既要监测地面、地下变形，同时也要监测诱发因素和相关因素。对于不同的监测目的、不同的滑坡发育阶段及不同的滑坡类型所选择的滑坡监测方法也不同。四、滑坡监测点的布设原则首先应确定监测的主要范围，在该范围内按监测方案的要求确定主要滑动方向，按主要滑动方向及滑动面确定测线，然后选取典型断面，布设测线，再按测线布设相应观测点。§13-3滑坡变形监测

五、滑坡监测精度滑坡监测精度的确定，应当参考国内外同类型滑坡的监测精度要求，并结合实地的勘察结果、滑坡的形成机理、变形的趋势和监测仪器的精度指标来综合分析，按照误差理论（观测误差一般为变形量的１／５～１／１０）来确定适当的监测精度。六、滑坡监测的周期和频率对于不同类型、不同阶段的滑坡，根据其所处的阶段和规模，以及滑坡变形的速率等因素，滑坡变形监测的周期及频率有所不同，应视具体情况而定。七、滑坡监测资料的处理与分析对于不同的滑坡监测方法，其监测资料的处理分析也不尽相同。但从整体上来讲，基本都是通过计算监测量的变化值来分析滑坡变形特征，掌握滑坡变形规律和机理，预测其变形趋势。八、滑坡监测实例§13-3滑坡变形监测§13-4地面沉降变形监测一、地面沉降概述地面沉降又称为地面下沉或地面沉陷，是在自然因素和人为因素的共同作用下，由于地壳表层土体压缩而导致区域性地面高程降低的一种环境地质现象，是一种不可补偿的永久性环境和资源损失，是地质环境系统破坏所导致的结果。二、地面沉降监测方法１．水准测量方法按照传统观念，地面沉降被定义为正常高的变化量，习惯上是通过重复精密水准测量测定。水准测量是一项大地测量的传统技术，利用高精度的重复水准测量可分辨毫米级地面高程的变化，因此直到现在它仍广泛地用于地面沉降监测。２．ＧＰＳ和ＩｎＳＡＲ测量方法２０世纪８０年代以来，空间对地观测技术进入实用阶段，全球定位系统（ＧＰＳ）、合成孔径雷达干涉测量（ＩｎＳＡＲ）等现代科技为大跨度、大面积、实时、高精度、自动化的地面沉降监测提供了新的手