工程测量之变形监测

§1.1.变形监测的基本概念:1）变形：指变形体在各种荷载作用下，其形状、大小及位置在时间域和空间域中的变化。2）变形监测：指利用测量仪器与其他专用仪器和方法对变形体的变形现象进行监视、观测的工作。3）分类：根据变形体的不同来划分。变形监测的分类：根据变形体的研究范围，可将变形监测研究对象划分为以下三类：（1）全球性变形研究：如监测全球板块运动、地极移动、地球自转速率变化、地潮等。（2）区域性变形研究：如地壳形变监测、城市地面沉降监测等。（3）工程和局部性变形研究：如监测工程建筑物的三维变形、滑坡体的滑动、地下开采引起的地表移动和下沉等。变形监测任务和内容：1）任务：长期地对变形体的移动监测点进行重复观测，捕捉变形敏感部位和各观测周期间的变形观测点的变形信息，并对变形信息进行分析、解释并作出变形预报。2）内容：视变形体的类型和性质以及设站观测的目的的不同而异。应以能正确地反映出变形体的变化情况，达到监视变形体的安全、了解其变形规律为目的。几种不同变形体的监测内容：a、大地形变监测：目的是了解地壳动态，所以观测内容是观测监测点的点位位移、移动方向、速度和高程变化等。b、工业与民用建筑物变形监测：主要观测其基础的下沉和纵横向的长度变化，用以计算建筑物的倾斜、弯曲、拉伸与压缩变形及下沉速度，并绘制沉降分布图；对建筑物的主体部分主要观测倾斜和裂缝。c、水工建筑物稳定性监测：对土坝而言，主要观测水平位移、垂直位移、渗透、裂缝观测等；对混凝土重力坝而言，主要有垂直位移、水平位移、伸缩缝及应力观测等。d、地表沉降观测：掌握其沉降与回升的规律，以便采取防护措施。在江河下游和冲积表土层大面积覆盖的平原地区，导致地表沉降的原因主要有两个：变形监测的目的和意义：目的：掌握变形体的实际形状，为判断其安全提供必要的信息。意义：重点表现在两个方面实用上的意义：掌握各种建筑物和地质构造的稳定性，为安全性诊断提供必要的信息，以便及时发现问题并采取措施；科学上的意义：更好地理解变形的机理，验证有关工程设计的理论和地壳运动的假说，进行反馈设计以及建立有效的变形预报模型。形监测技术及其发展全球变形监测方面：空间大地测量技术GPS、VLBI、SLR、LLR等。区域性变形监测方面：GPS、InSAR等。工程和局部性变形监测方面：地面常规测量技术、地面摄影测量技术、特殊和专用的测量手段以及以GPS为主的空间定位技术。干涉雷达测量原理:射电天文是20世纪才发展起来的新兴的学科，在该领域的研究结果已获得了3项Nobel奖。甚长基线测量（VLBI）是射电天文的创新，它利用了干涉的原理，使用了独立的时间标准和磁带记录，将相距几千公里的射电望远镜连接起来，构成射电望远镜网，以获取极高的空间分辨率（相当于几千公里口径的望远镜）。中国在上海和乌鲁木齐有两台VLBI站，是欧洲VLBI网和国际测地学和天体测量VLBI服务的成员，在国际VLBI研究领域发挥了重要的作用。VLBI广泛用于天文学，测地学的研究和对航天器的轨道测量。目前，VLBI正在经历新的一次创新――e-VLBI，即用网络传输数据取代传统的磁带记录。这将大大降低磁带记录的成本，并大大提供VLBI观测的实时性。e-VLBI将使科学家能够快速的得到天文的观测结果，同时将更广泛地应用到对航天器的轨道确定。是以同一地区的两张或多张合成孔径雷达(SAR)图像为基本处理数据,通过求取这些SAR图像的相位差,获取干涉图像,然后从干涉条纹中得出地形高程数据的空间对地观测新技术.其处理过程为:对两干涉相位图像进行配准,两干涉相位图求差,同时进行利用已知的DEM,根据成像关系合成一幅干涉图,在此基础上进行地形相位改正,用此干涉图减去原来的干涉图,去除地形的影响,生成差分干涉图,通过相位解缠,得到解缠相位图,然后进行相位到位移的变化,得到位移图.二.变形破坏机理概述1.综合变形破坏：1）地壳板块运动引起的变形破坏：使建筑物上升、下沉、剪断等。2）地震引起的变形破坏：波兰上西里西亚地区20年的观测结果表明：5级地震可使地表下沉0.15m，水平变形达0.6mm/m。3）地质构造引起的建筑物变形破坏：有断层的地区。4）滑坡引起的变形破坏：重力型滑坡，沿层面滑坡。5）地下水过量抽采引起的建筑物破坏。6）自然条件变化引起的变形破坏：天气温度、降雨量……2.建筑物采动破坏机理：1）地表下沉对建筑物的破坏：2）地表倾斜对建筑物的破坏；3）地表曲率的变形破坏：上凸、下凹（正、负曲率）。4）水平变形对建筑物的破坏：建筑物在外力作用下沿轴向发生的长度变形---水平变形----拉伸（或压缩）。三.变形监测的精度要求与频率1.精度要求：（最弱点点位相对于变形监测控制点的三维绝对误差）原则：以满足设计要求为标准，具体情况具体对待。1）采动变形观测：水准测量的的联测精度不低于三等水准测量的精度要求；平面控制点的联测视变形监测网的大小而定，至少采用四等以上的导线或三角测量方法。2）工业与民用建筑物的变形监测：观测误差应小于允许变形值的1/10~1/20，一般情况下m=±2mm，一些特殊的生产设施（如连续生产的大型车间的天车、吊车轨道、钢筋结构、钢筋混凝土建筑物等）一般要求能反映出1mm的沉降变化。3）水工建筑物的变形监测：混凝土大坝：不低于±1mm；土工建筑物：不低于±2mm；2.观测频率的确定：原则：实用，即能正确地反映出变形监测工作点的变化过程和变形规律，又不得漏掉变形速度和变化时刻，还要做到观测工作量最少。四.变形监测工作的实施1.变形监测系统的设计(变形检测方案的设计).1)内容:a.确定观测项目:水平位移、下沉、倾斜等。b.选择观测方法。c.变形监测点的布设。d.观测精度和频率的确定。2）.应准备的资料：（1）变形观测涉及地区的地形图、地质图等。（2）观测系统及建筑工程布置总图。（3）观测系统结构设计图。（4）施工测量控制网平面图。每一变形监测系统的建立，都取决于观测系统的规模和它的重要性。大地与地震变形观测按国家有关规定执行；工业与民用建筑物的变形项目多由建筑物设计时提出；水工建筑物的观测项目按水电部出版的《水工建筑物观测工作手册》有关规定实施；采动建筑物变形观测项目，按煤炭部出版的《矿山测量规程》和《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的有关规定确定。2.设备、设施的选择，监测点的安装和埋设。注意：变形监测控制点和工作点的点位选择是整个观测工作的关键，因此必须按设计要求埋设。3.现场观测4.观测资料的整理计算下沉、水平位移、倾斜、曲率、水平形变…5.定期进行资料整编分析着重了解地表和建筑物是否出现异常，找出规律性的变化。根据变形值的大小和变化趋势，预计下一步的发展结果、提出破坏影响程度的预计值，制定出检查维修保护措施，维护建筑物的安全运营。一.变形监测控制网的布设变形监测网的特点是网的规模小，精度要求高，主要服务于变形观测。变形工作的特点是观测速度要求快，尽量能全面地捕捉到变形信息，观测精度要求高。因此，在设计布网方案时，并不拘泥于某些观测方法，凡是可达到精度要求、又有一定速度的方案均可采纳。同时由于条件的限制，建筑物变形监测网不宜采用同一的布网模式。变形监测网的布设原则：1）变形监测控制网的起算点或终点要有稳定的点位，应布设在牢靠的非变形区，为了减少观测点误差的积累，距观测区又不能过远。2）为了便于迅速获得观测成果，变形监测控制网的图形结构应尽可能的简单。3）在确保变形监测控制网具有足够精度的条件下，控制网应尽量布设一次全面网；在特殊条件下，才允许分层控制。4）实测原则：测量仪器、设备和测量方法的选择，要量力而行，不能超越现有的经济、技术条件，不能提出过高的要求。5）控制网设计时，应尽量采用先进技术，尽可能多地获取建筑物变形数据，特别是绝对位移数据和时间信息。控制点便于长期保存。6）变形监测控制网应与建筑施工采用相同的坐标系统。1.采动变形监测控制网点位的选择G点为按下沉10mm求得的盆地边界点；将矿床开采边界点A与地面的G点相连，连线与水平线夹角即为边界角。H为矿床埋藏深度，R为开采影响半径，则在有了边界角后，有：2.山地、丘陵区变形监测控制点的选位：山地、丘陵地区的地表岩层裸露，各类地质构造看的分明，控制点的点位最好应避开断层，以免遭受断层错动影响；滑坡区或有滑坡潜在危险的地区不能布设变形监测控制点。3.冲积层覆盖的平原区的控制点点位选定：首先考虑建筑物地基荷载区压力扩散影响，将控制点布设在压力扩散区以外。1）地下水河流补给区：地下水一般都同河水相通，受河水的补给，河水的涨落产生的渗流严重地影响着地表高程的变化；因此在布设变形监测控制点时应尽量避开河水渗流区。有文献指出，洪水期水位升高的渗流影响可波及两岸宽达数公里的表土层。应充分考虑到！2）地下水抽采区：超量的地下水抽采将使地表水位下降，水位下降的后果在地表形成沉降漏斗区。设R为地表沉降漏斗的影响半径，h为抽水点地下水位最大下降值，K为地下水渗透系数，则有：当水位降落漏斗深度h=10m时，在流沙层中降落漏斗的影响半径R可达1000m，因此，变形监测控制点不应布设在以抽水点为圆心、以R为半径的影响面积内。3）表土下有石灰岩溶洞分布的地区：石灰岩的特征是富有大量的喀斯特溶洞，大量的事实证明，在石灰岩露头区的表土厚度不很大时，地表的稳定程度很差。因此，在岩溶发达区的地表不宜布设变形监测控制点。必要时需要通过钻探验证，确认地下无溶洞存在时方可布设控制点。二.垂直变形监测控制点与工作点的布设1.水准点的布设水准基点点位的确定是工程地质及测量误差的复杂函数.1)即要考虑点的稳定性,又要考虑误差积累.2)尽量埋设在基岩上或深埋于冻土内或深埋于原状土内，决不允许埋设在人工土内。2.沉降观测工作点的布设1）沉降监测工作点应布设在最有代表性的部位，还要考虑到建筑物基础的地质条件，建筑物特征，建筑物内部应力分布状况等。2）工作点应与建筑物连接牢固，使工作点的高程变化能真正反映建筑物的沉降变化情况。3）工作点的点位应便于观测。水平变形监测控制网的特点：是测定观测系统水平位移和水平变形的控制基础，边长较短，控制范围较小，精度要求高，图形结构应力求简单，内外业工作量力求少而精。所以应严格按照国家现行规程进行布点、埋石、观测。几种最常用的布网形式:1.导线控制法:是一种万能的变形监测控制形式，无论是工矿区、城镇区的建筑物变形观测，还是水利水电工程的大坝、电厂变形观测和大地形变观测都可采用导线网作为基础控制。优点：点位分布均匀，重要的变形部位便于加密控制，施测方法简便。注意：为了提高观测精度，除应尽量加大视线长度外，还要注意旁折光影响，视线离开建筑物的距离应大于0.4m。2.视准线法变形观测控制网：视准线法变形观测控制网一般在规整的建筑区和直线型短坝变形观测时使用。优点：布网工程量和野外观测工作量均较小，建立远方照准觇标可加强对测站及后视点稳定性的检验。1.控制点稳定性检查：所谓的控制点指的是：三角网基线两端点，视准线的控制端点和远方照准点，交会法的交会基线点，导线的起闭点。1）控制点产生位移的原因：a.控制点施工后，未过稳定期就进行观测。b.控制点距建筑物过近，或者建筑物压力扩散区测的不准，使控制点产生位移。C.控制点设计结构和埋设问题导致控制点产生位移。如：观测墩的地面及地下基础部分未加钢筋；强制对中器埋设不稳定、结构变形或埋设深度不够等。d.埋设于软弱夹石层中的岩石控制点，可能因岩石层的不稳定而产生位移。e.日晒可能引起点位产生周期性变化。这种移动主要发生在水坝变形的观测墩上，其影响可达1.0mm，因此重要的观测站应建立观测亭。f.由于保护不当，受外力破坏影响等。2.控制点水平位移的检测出于安全的需要，规定应定期对控制点进行稳定性检验，一般规定1~2年检测一次。注意：由于控制点的水平位移量一般都很小，所以检测时应具有较高的精度，否则，将达不到预期的目的，反而会造成假象。常用的检测方法有：（1）视准线法：是视准线观测系统常用的稳定性检验方法。其要点是在视准线控制点的延长线上，选定适当的点位，分布在控制点的两端，然后埋设检验基线点，由两侧的检验基线点用视准线法可随时测定控制点的位移。有时，可根据实际需要建立互相垂直的检验基线，用视准线法测定控制点的纵横向位移量。（2）.精密丈量法量距的绝对误差要求：重要的混凝土建筑物应小于1.0mm，对一般的土木建筑物应小于2.0mm。当GA边较短时，一般在100m以内，按一、二等基线丈量方法，用检定过的铟钢基线尺进行检测。当GA边较大时，以500~800m为宜，采用中小测程的精密光电测距仪进行控制点稳定性检验较为方便。3）方向变化法：如图所示：A、B两点为视准线两端的控制点，为了用方向变化法测定B点的位移，在AB方向线的一侧，选择稳定性好的若干照准方向，1、2、3、4。A点到各方向的距离应尽量等于AB的长度。观测时，在A点设站，联测各方向目标到B点的方向，每次观测后即可求得AB边的方向变化值（几个值应几乎相等）：AB为X轴，与AB垂直的方向为Y轴，S为AB的边长，为方向变化的平均值，则可用下式求得B点在Y轴方向的位移：4）三角网法：是大面积变形观测区域控制点稳定性检验的常用方法。检验三角形的基线点必须远离变形区域，传递三角形个数应尽量少。（5）GPS检测法：3.变形分析参考基准：变形分析参考基准是确定地壳表面测点稳定与形变的依据，如果变形分析参考基准选择的不当，就会缩小以至于歪曲地表形变的真实性。几种常用的的变形分析参考基准：1）ITRF（InternationalTerrestrialReferenceFrame）：即国际地球参考框架。它是由国际地球自转服务局（IERS）按一定要求建立地面观测台站进行空间大地测量，并根据协议地球参考系的定义，采用一组国际推荐的模型和常数系统对观测数据进行处理，解算出各观测台站在某一历元的坐标和速度场，由此建立的一个协议地球参考框架。它是协议地球参考系的具体实现。2）WGS-84坐标系：这是一种高精度的空间定位参考基准，原点位于地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极(ConventionalTerrestrialPole-CTP)方向,X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点,Y轴与Z轴,X轴构成右手坐标系。我国的华北GPS地形变监测网就是采用的这种基准。这是一种高精度的空间定位参考基准，原点位于地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极(ConventionalTerrestrialPole-CTP)方向,X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点,Y轴与Z轴,X轴构成右手坐标系。我国的华北GPS地形变监测网就是采用的这种基准。3）平均高程基准：平均高程基准就是假定全区升降运动是均衡的，所有水准点垂直运动速率的平均值为零，并将其作为起算基准。我国东南地区十二个省市的一、二等水准网就是按这种基准平差计算的。4）相对稳定高程基准：相对稳定高程基准就是把高程起算点布设在地震、地质不活跃的相对稳定区的一种高程参考基准。这是当前建筑物变形和滑坡形变分析经常采用的参考基准。5）重心参考基准：重心参考基准就是把各点近似高程的平均值看作是水准网的重心，假设平差前后的重心不变，重心点等价于固定的起算高程点。与平均高程基准类似。一.大地形变测量概述：大地形变测量是指利用大地测量的手段和方法测定、分析和研究地壳形变及地壳运动的工作。大地形变测量学是一门边缘学科，是测量学和地球科学相结合的产物，它需要同地球科学尤其是地震地质、地球物理、构造物理以及第四纪地质、水文地质、地理、地貌、遥感等学科结合。1.现今地壳活动的基本特征和研究目的：地球在不停地转动，这种转动产生地球应力场，并引起地壳内部物质不均匀流动和密度变化，从而造成地壳上产生各种构造现象，它基本上分为以下几种：1）区域垂直形变：通过大量的观测资料分析，地壳垂直变形的主要形式是升高和沉降，而垂直形变具有明显的分带现象。如：河北西部的太行山区为隆起山区，以上升为主，上升值约为10mm，而冀中平原以下沉为主。2.我国地壳形变研究概况我国的地壳形变研究始于1962年3月19日新丰水库6.1级地震以后，按照李四光教授的意见，建立了我国第一个地壳变形监测网。自92年以来，先后建立了完全以GPS技术支持的“中国地壳运动监测网络”和目前的“中国地壳运动观测网络”，参与建设该网络的单位主要有中国地震局、国家测绘局、总参测绘局、中国科学院等。该网主要由25个连续观测的基准站组成的基准网、56个定期复测的基本站组成的基本网、1000个不定期复测的区域站组成的区域网组成。中国大陆位于亚洲东南部，处于欧亚板块、印度板块、太平洋板块与菲律海板块的夹持之中，在这4个板块的相互作用下，中国大陆经历了长期的构造运动与变形，特别是被晚第四纪大型构造活动分剖成大小不同的块体。根据GPS测量的结果，中国大陆可划分为东北、华北、华南、新疆、甘青藏和西藏6个块体。这6个块体具有不同的运动速率和应变速率（年应变率）。二.滑坡变形监测概述滑坡变形指的是地表斜坡上的岩土层在重力作用下，以一个较大整体，沿着某一滑动面向下滑动的现象。1.滑坡变形的力学机理产生滑坡变形的必备条件：1）下滑力：由岩体自身重力而产生。2）滑动条件：指各种促使岩体滑动的外部因素。只有上述两个基本条件都具备时才能产生滑坡变形。只有了解斜坡产生滑动的原因，才能采取合理的防护措施。为了从力学角度分析滑坡变形的力学机理，作两个基本假设先：1）假设滑坡变形是理想条件下的平面问题；2）假设岩层的抗剪力仅与土石的凝聚力（抗剪阻力）的数值相当。如图所示：设滑坡轨迹为ABEC圆柱面，圆柱面的圆心O，半径R，相对下滑力有一剪切力。OE线为铅锤半径，它把滑动岩体ABECDG分为ABEDG和DEC两部分。ABEDG体受重力作用使斜坡下滑，为滑坡主动体。当斜坡处于临界平衡状态时，其力矩方程式为：式中：P—以O1为重心点的ABEDG岩体的重量；a—重量P对O点的力臂；Q—以O2为重心点的DEG岩体的重量；b—重力Q对O点的力臂；--滑坡面上的抗剪阻力之和。2.滑坡变形的影响因素分析：外界条件的变化随时随地都可以改变斜坡的应力平衡状态，也就是说斜坡稳定性的影响因素不是单一的，而是一系列自然因素、人为条件的综合函数，主要包括如下主要因素：1）斜坡表土土石性质因素斜坡表土土石性质因素是指表土土石的矿物成分、结构、构造、物理力学性质以及粘土类土的胶体化学性质。这些性质及变化对斜坡的稳定性起着直接的影响作用。a.粘土和石灰岩的风化物含有大量的遇水后膨胀物。当粘土浸水膨胀后，大大地降低了颗粒间的凝聚力，从而使抗剪阻力降低，斜坡的稳定性受到破坏。因此，保持斜坡稳定的条件是：则斜坡稳定性评价的数学式为：K=Z/H≥1.0K=1.0时，斜坡处于临界稳定状态；K＞1.0时，抗滑动阻力大于下滑力，斜坡稳定；K＜1.0时，抗滑动阻力小于下滑力，斜坡处于不稳定状态。一般认为只有当K≥2.0时才有较好的稳定性。2.滑坡变形的影响因素分析：外界条件的变化随时随地都可以改变斜坡的应力平衡状态，也就是说斜坡稳定性的影响因素不是单一的，而是一系列自然因素、人为条件的综合函数，主要包括如下主要因素：1）斜坡表土土石性质因素斜坡表土土石性质因素是指表土土石的矿物成分、结构、构造、物理力学性质以及粘土类土的胶体化学性质。这些性质及变化对斜坡的稳定性起着直接的影响作用。a.粘土和石灰岩的风化物含有大量的遇水后膨胀物。当粘土浸水膨胀后，大大地降低了颗粒间的凝聚力，从而使抗剪阻力降低，斜坡的稳定性受到破坏。b.风化作用使岩石的强度降低。风化作用使斜坡的岩石强度降低的同时，使岩体内的可溶性矿物析出，加大岩体的裂隙，使岩体的抗剪力大大降低，从而产生滑坡。2）地质构造条件因素。在研究变形观测问题时，应首先考虑地质构造条件对边坡稳定性的直接影响。如岩层的倾向和倾角、岩层的裂隙和断层等对滑坡的稳定性影响都很大。3）水的影响作用。水是影响边坡稳定性的重要因素。斜坡土石往往是在水的作用下发生质的变化，形成滑坡变形造成地表破坏。b.地下水的影响作用：地下水位升高，可使斜坡上的土石浸湿，甚至达到饱和状态，使土石的抗剪强度大大降低。从而导致滑坡。地下水浸湿岩石，使土的溶重增加，从而加大下滑力。地下水可溶解土石中的盐类，使胶结力减弱，从而降低土石的强度。。4）人为因素的影响。如修建山区公路、铁路、采矿活动等都可能破坏斜坡的原始稳定状态。引起滑坡，此外，修建地表排灌沟渠也可能影响边坡的稳定。5）其他影响因素。如地壳的运动、地震等都伴随着较大范围的滑坡变形。综上所述，影响斜坡稳定性的因素是众多的，因此，在进行变形观测设计时，应全面考虑当地的历史条件、地质条件、地形地貌条件、水力条件和采矿状况等，在布设斜坡观测网以及变形分析时，应全面考虑其综合影响。3.滑坡变形的类型根据滑坡构造特征和滑动面与斜坡岩层的相对位置不同，可将滑坡分为以下几种：1）均匀滑坡：是指发生在非层状的均质岩层中的滑坡。如图所示，其滑动面近似于圆柱面。此种滑坡多发生在粘土或黄土中，有时也发生在均质的石灰岩和花岗岩的风化带中。2）顺层滑坡：是指沿着两个岩层的交界面或裂隙（断裂）面的滑坡。如图所示，也包括沿冲积层与基岩交界面的滑坡。3）切层滑坡：是指滑动面与岩层层面斜交的滑坡，如图所示。产生这种滑坡的原因是岩体的抗剪强度低于上覆岩体的重力及剪切力。这种滑坡望望是先出现剪切面，沿剪切面下滑。4.滑坡监测方法对滑坡、崩塌进行长期观测（即监测）包括位移动态观测和水动态观测两个方面。具体内容如下：1)、地表位移动态观测：为了掌握滑坡表面各部分的动态变化，需要进行位移观测。既观测平面位移量，又观测垂直方向（即高程）的位移量。观测方法很多，主要有以下几种：a.借用观测网用全站仪测量各观测点的平面位移和用精密水准仪测量其高程变化。b.用全球定位系统（GPS）监测滑坡用GPS监测变形的方法是：以坐标、距离或角度为基础，新值与初始坐标之差反映目标的运动。其优点是同样精度下，GPS作用范围大、效率高，可全天候观测，且两测站间不要求通视。c.GPS一机多天线方法采用GPS一机多天线技术，通过GPS多天线控制器，仅用一部GPS接收机互不干扰地接收到多个GPS天线传输来的信号，实现用一个天线代替一台高精度GPS接收机，这样监测系统的成本可大幅度下降。实现这一思路的关键是开发GPS一机多天线控制器，需要解决的技术问题是确保多天线控制器微波开关中各通道的高隔离度和最大限度地减少GPS信号衰减。另一个关键问题是GPS天线信号的传输。由于监测的范围比较广，各监测点之间的距离可能很远，天线信号传输至控制器时将不可避免地产生GPS信号衰减过大的问题。根据测定，当电缆传输距离超过30米时，信号的损失已经相当大。要解决这个问题，一方面应提高传输介质的性能，如采用低损耗电缆或者光纤传输；另一方面也可进行适当的信号增强，为此可采用GPS信号低噪声放大器，可取得良好的效果。GPS一机多天线监测系统与常规GPS监测方法精度相当，误差在1－3mm。d.用核磁共振监测滑坡滑坡产生的重要因素之一就是水和地下水的活动。核磁共振技术应用核磁感应系统，通过由小到大地改变激发电流脉冲的幅值和持续时间，不仅能确定地下是否存在地下水，而且可以确定含水层的位置，以及每一含水层的含水量和平均孔隙度。基于这一原理，中国地质大学（武汉）李振宇博士等首次将核磁共振技术应用于三峡库区的滑坡监测。从2001年至2003年，李振宇博士等人连续三年对巴东赵树岭滑坡进行了监测，结果表明，该滑坡在目前的状态下比较稳定。从而使我国成为世界上第一个将核磁共振技术应用于滑坡监测的国家。2)、深部位移动态观测：为了全面地掌握滑坡体各个部位的位移动态情况，除了地表位移观测外，还需进行深部位移观测。其方法主要有以下几种：（1）测斜仪法。用钻孔打穿滑动面直到稳定地层，下入套管。然后，在不同时间将测斜仪放入钻孔，测定不同深度上钻孔壁斜度的变化，换算成不同深度的位移。（2）放射性同位素法。将方射性同位素（一般用钴60）放在不同深度的地层中，然后在地表接收它的位移情况，借以测定深部地层的位移量。3）电阻丝片法。在钻孔中放入贴有很多电阻丝片的灵敏度较高的薄金属管或塑料管，在地面上用应变仪测定其电阻值变化，即可反映不同深度的位移量。（4）金属球法。在钻孔中投入金属球，对球体通电后，量测电场强度，即可确定金属球移动位置。3、水文地质观测：即每隔一定时间测一次钻孔或井中的水位、水温，并取水样进行化验，查看异常变化。4、地表水文观测：对于处在河流、湖泊（水库）和海洋附近的斜坡，需要进行水位、波浪、冲刷作用等观测。以上是较常使用、行之有效的方法。还有其他一些方法，不再一一介绍。5.滑坡预测预报方法随着人们对滑坡机理的进一步认识以及现代数理力学理论和计算机技术的迅速发展,各种预测预报方法不断涌现,且取得较好的预测结果。滑坡预测预报主要包括空间和时间两个方面,缺一不可。滑坡的空间预测为时间预报提供对象；滑坡时间预报的选点必须首先以滑坡空间预测成果为依据,从而避免盲目设点造成错漏的弊端。1)滑坡空间预测预报空间预测是指对滑坡发生的地点、规模等的预测,目前使用较多的方法有以下几种:(1)、传统的稳定系数预测法稳定系数预测法是最早的滑坡空间预测的方法。该法通过计算滑坡体的安全系数Fs来预测某一具体边坡的稳定性。Fs=F抗滑力/F下滑力当Fs<1.0边坡处于不稳定状态当Fs=0.0边坡处于临界状态当Fs>1.0边坡处于稳定状态这种方法多适用于单体滑坡的预测,在工程中应用非常广泛,且为设计人员熟悉。(2)、神经网络法神经网络能通过对已知样本的学习,掌握输入与输出间复杂的非线性映射关系,并对这种关系进行存储记忆,直接为预测提供知识库,同时,还具有高速的运行处理能力、自组织学习能力、高速的容错性、灵活性和适应性等优点。神经网络对斜坡稳定性空间预测是用研究程度较高的斜坡地段作为已知样本对网络进行训练,直到网络掌握数据间的非线性映射关系为止,然后用该地区其它稳定性未知的地段作为预测样本,输入已经学习好的网络,通过网络的联想记忆功能直接预测稳定性。在用神经网络进行预测预报中,可以把各种可能对边坡稳定性有影响的因素作为网络的输入,而提高预测的精度。许强等运用此方法预测了黄河某水电站库区和三峡某些典型斜坡地段的稳定性,预测精度达到90%。(3)、信息模型法信息模型法把各种滑坡因素在滑坡作用过程中所起作用的大小程度用信息量表达。殷坤龙认为滑坡现象受多种因素的影响,且各种因素的作用性质不相同,对某一具体滑坡而言,总会存在“最佳因素组合”,基于此理论,信息模型主要研究“滑坡因素组合”,而不是停留在单个因素上,所以预测精度较高。中国地质大学教授殷坤龙等用此方法成功地对重庆市的斜坡稳定性进行了预测。(4)、灾变模型预测法计算边坡的稳定系数需要涉及到岩土的计算参数,由于岩土性质的不确定性和离散性,使得同一边坡采用不同的计算参数得出差别较大结果,甚至得出相反的结论。采用灾变理论避开了这些不确定性的参数的影响,它假定系统在任何时刻的状态都可完全由给定的几个状态内部量(x1,x2⋯⋯,xn)的值来确定,同时系统还受到m个独立的控制量(u1,u2⋯⋯um)的控制,通过数学方法,研究系统状态的稳定与否与各量值的关系。该方法综合考虑了各种边坡要素对边坡稳定性的不同程度的影响,能较真实地描绘边坡系统的状态。吴文德等运用尖点灾变模型对某一中型露天矿山的稳定性进行了预测,得出了与现场实际相吻合的结果。(5)、模糊综合评判法边坡的稳定性受诸多因素的影响,很难用一个确定的结论来表述其稳定还是不稳定,往往用模糊概念来表述,如把边坡的稳定等级分为“危险区”、“不稳定区”、“较不稳定”、“稳定区”等。模糊综合评判方法就是对边坡稳定性等级进行分类,并通过专家评分或构造隶属函数确定对同一等级各因素以及某一因素在不同等级中对边坡稳定性的影响程度(隶属度),建立模糊评判矩阵,确定边坡的稳定性对各等级的隶属程度,最后按择优原则预测边坡的稳定性。该方法的最终结果是否可靠,受单因素的选择和隶属度的确定影响较大。1)滑坡时间预测预报时间预报是指对滑坡发生的具体时间的预报,即对已获取的监测数据,通过数学模型来预测未来某一时刻坡体的状态。目前常用的方法有:(1)、斋滕法斋滕法是国内外系统研究滑坡预测预报的初始理论。该方法以土体的蠕变理论为基础。土体的蠕变分为三个阶段(图1),第Ⅰ阶段是减速蠕变阶段(AB段),第Ⅱ阶段是稳定蠕变阶段(BC段),第Ⅲ阶段是加速蠕变阶段(CE)。1965年,斋滕迪孝根据室内实验和仪器监测的结果,提出以第Ⅱ蠕变阶段和第Ⅲ蠕变阶段的应变速率为基本参数的预测预报经验公式,认为在稳定蠕变阶段,各时刻的应变速率与该时刻距破坏时刻的时间的对数成反比,相应计算公式为:lgtr=2.33-0.916×lgε±0.59在加速蠕变阶段,取期间变形量相等的t1、t2、t3三个时间来计算最后破坏时间,相应计算公式为:其中a,b为与滑坡位移原始监测数据有关的参数。灰色系统理论是我国著名学者邓聚龙教授1982年创立的一门新兴学科，它以“部分信息已知,部分信息未知”的“小样本”、“贫信息”不确定性系统为研究对象，主要通过对“部分”已知信息的生成、开发，提取有价值的信息，实现对系统运行行为的正确认识和有效控制。（3）、非线性动力学模型预测非线性动力学模型是按照非线性动力学的观点并运用耗散结构理论和协同学的宏观研究方法从时间序列数据中建立的边坡系统动力学模型。非线性动力学系统是一个动力系统，若其基本力学量的运动有非线性方程描述，则称为非线性动力学系统。耗散结构（dissipativestructure）：“耗散结构”的理论是物理学中非平衡统计的一个重要新分支，是由比利时科学家伊里亚·普里戈津(I．Prigogine)于20世纪70年代提出的，由于这一成就，普里戈津获1977年诺贝尔化学奖。差不多是同一时间，西德物理学家赫尔曼·哈肯(H．Haken)提出了从研究对象到方法都与耗散结构相似的“协同学”(Syneraetics)，哈肯于1981年获美国富兰克林研究院迈克尔逊奖。现在耗散结构理论和协同学通常被并称为自组织理论4）、多参数预报法选取多种参数,预测滑坡发生时间。美国学者B.Voight于1989年提出多参数预报经验公式:式中:Ω——任意参数,位移,剪应力,地面倾角等。Ωx——初始值,Ωf——预报值,α,A——经验常数。5）、神经网络预报法和神经网络用于空间预测预报中一样,时间预报是用监测到的原始位移建立网络模型,属于一种非参数预报方法。该预报方法无须事先假设边坡的破坏模型,避免事先假设模型所带来的误差。存在的问题：由于工程地质条件的复杂、自然条件的变化以及人类工程活动等因素的随机性和不可控制性,现阶段对滑坡作出准确可靠的预报还是十分困难的。从过去已经发生的滑坡地质灾害来看,当前绝大多数的滑坡都很难做到提前预报,究其原因,主要在于:一方面是滑坡成灾机理的影响因素复杂,不确定性因素较多,边坡破坏方式、变形过程和变形机制复杂多变,大大增加了预报的难度;另一方面是人们对滑坡危害性的认识不足和受到资金的限制,现在只有极少数的重大滑坡实施了长期监测,而大多数的滑坡未采取任何的工程措施,以致很多滑坡都是在没有任何监控的条件下突然发生的;还有人认为滑坡空间预测较为容易,而时间预测较为困难,因而大力发展时间预测却忽略空间预测。这些均是我国目前滑坡治理中存在的问题。由于边坡系统是复杂的动态系统,仅仅用一种或两种方法是很难达到预期的精度和效果。因此,在进行预测预报时应该综合多种有效的方法进行对比研究,把模型实验与理论模型相结合,并选择最适合的模型来预测某一具体的边坡。6.滑坡变形的预防措施滑坡变形观测的目的是研究滑坡变形规律，为防治滑坡提供依据。按滑坡产生的原因，可把防治措施大致分为三种，此三种措施只适用小面积内的小型滑坡防治。对于大面积的滑坡变形，则需要采用滑坡变形观测措施长期监视斜坡的稳定性。及时提出保护措施。1）正平斜坡的边坡角，使斜坡倾角变缓。此种方法的目的是为了减低有下滑危险岩体的重力，以减少岩体下滑的可能性。2）在斜坡的破脚处修筑挡土墙，或在露天矿留设防滑坡、保安矿柱。3）打抗滑桩。方法包括打桩法和钻孔注浆法。4）改变岩石物理性质的防滑措施改变岩石的物理力学性质的主要因素是地表水和地下水。因此，此类防滑措施的主要内容是修建地表和地下排水沟，以此降低水的作用，达到防滑坡变形的目的。其具体办法有：a.用截水沟改变水的流向，排除自斜坡上部露头部分流经的水流，截断滑动面自上而下的水源补给，在必要时可采用人工防露河床。b.修筑排水明沟和地下排水暗沟，降低斜坡岩土的含水量。c.消除或减弱滑坡产生的措施消除或减弱滑坡产生的措施主要是指保护坡脚免受地表水流的冲刷，禁止人为破坏坡脚，以及修筑导流提、防护提等。一.建筑物变形监测工作点的布设沉降变形观测工作点应有足够的数量和适当的点位。布设的点位应满足以下三个要求：1.便于测出建筑物基础的沉降、倾斜、曲率和绘出下沉曲线。2、便于观测。3、便于保存并不受到损坏。（一）、工业与民用土木工程建筑物：对于民用建筑物：1.通常在它的四个角点、中点、转角处布设工作测点。2.沿建筑物的周边每隔10~20m布设一个工作测点。3.设置有沉降缝的建筑物，或者在新建筑物与原有建筑物的连接处，在缝的两测或伸缩缝的任一侧要布置工作测点。4.对于宽度大于15m的建筑物，在其内部有承重墙或支柱时，应在此部位布设工作测点。5.为了查明建筑物基础的纵向与横向的曲率（破坏）变形状态，在其纵轴、横轴线上也应布设工作测点。对于一般的工业建筑物来说，除了在柱子的基础上布设测点外，在主要设备基础的四周，以及在动荷载四周和地质条件不良之处也应布设工作测点。建筑物沉降变形测量工作点的布设（二）超高建筑物：超高建筑物的特点：建筑物高大，重心点高，荷重大，层数多，基础深。因此，在对超高建筑物进行变形观测工作时，除了进行基础的沉降观测外，还应进行建筑物上部倾斜与风振观测。为了观测基坑开挖过程中地基的回弹现象，在施工之前还应布设地基回弹观测工作点。一般是在建筑物纵横轴线上布置工作测点，测出基础纵横断面的回弹量。（三）水利工程建筑物：大坝的垂直位移包括基础沉陷和坝体在自身重力作用下的变形，但主要是基础的沉陷。一般根据大坝基础的地质条件、坝体结构、内部应力分布情况，以及便于观测等因素布设工作测点。1.混凝土重力坝：原则是在坝顶和坝趾上平行轴线在各段设一排工作测点。对于重要坝段，不仅纵向设点，而且横向也应设点。另外根据需要在电厂、消力池和溢洪道等建筑物上也应布设若干工作测点。2.土石坝：石坝垂直形变工作测点布设原则：在坝体的主要变形部位，如最大高度处，合拢段，坝内有泻水底孔部位，坝基地形和地质变化较大地段，沿横向布设的工作测点要适当增多，测点纵向间距50m左右，横向点数一般不少于4个，水库坝体的上游坝坡正常水位以上至少要有一个测点；下游坝肩处布设一点，下游每个马道上各布设一点。3.拱坝：一般沿坝顶每隔40~50m布设一个点，至少在拱冠，四分之一拱环及两岸接头处应各埋设一点，在连拱坝上应选择有代表性的拱环。二.沉降观测所谓沉降观测，就是定期地测量变形观测工作点的高程变化情况，根据各工作点的高差变化确定建筑物（或地表）的沉降量Wi，倾斜i，曲率K，求取沉降变形对建筑物破坏的影响程度，为采取必要的建筑物保护措施提供数据资料。现行规范规定，高层建筑物、高耸构筑物、重要古建筑物及连续生产设施基础、动力设备基础、滑坡监测等均要进行沉降观测。特别在高层建筑物施工过程中必须应用沉降观测加强过程监控，指导合理的施工工序，预防在施工过程中出现不均匀沉降，及时反馈信息为勘察设计施工部门提供详尽的一手资料，避免因沉降原因造成建筑物主体结构的破坏或产生影响结构使用功能的裂缝，进而造成巨大的经济损失。建筑物正常的沉降，是循着：从缓慢——活跃——缓慢——稳定的过程。我们通常最关心的是建筑物最大沉降量，有关要求是H（建筑物总高）×0.02％。但这是对一个建筑物完工后一定时期的概略标准，却不是建筑物从施工至使用后1——2年里的各个时期的最大沉降量的要求。而各时期的最大沉降量的要求是及时和非常重要的，而且因各地的地质构造情况不同和各个时期时间性不同，所以的设计系数也不同。（一）、沉降观测的基本要求

1、仪器设备的要求

根据沉降观测精度要求高的特点，为能精确地反映出建（构）筑物在不断加荷下的沉降情况，一般规定测量的误差应小于变形值的1/10—1/20，为此要求沉降观测应使用精密水准仪(S1或S05级)，水准尺也应使用受环境及温差变化影响小的高精度铟合金水准尺。在不具备铟合金水准尺的情况下，使用一般塔尺尽量使用第一段标尺。

2、观测时间的要求

建（构）筑物的沉降观测对时间有严格的限制条件，特别是首次观测必须按时进行，其他各阶段的复测，根据工程进展情况必须定时进行，不得漏测或补测。只有这样，才能得到准确的沉降情况或规律。相邻的两次时间间隔称为一个观测周期，一般高层建筑物的沉降观测按一定的时间段为一观测周期(如：30天/次)或按建筑物的加荷情况每升高一层(或数层)为一观测周期，沉降观测周期的确定，根据多年的实践经验，高层建筑物的施工出了地面后，即到了零高度后，每增长两层要观测一次，直至封顶。封顶后的第一年每季度要观测一次，第二年没二季度观测一次，第三年开始每年观测一次，直至沉降停止。如果，发生沉降异常，应酌情增加观测次数。无论采取何种方式都必须按施测方案中规定的观测周期准时进行。3、观测点的要求

为了能够反映出建（构）筑物的准确沉降情况，沉降观测点要埋设在最能反映沉降特征且便于观测的位置。一般要求建筑物上设置的沉降观测点纵横向要对称，且相邻点之间间距以15-30米为宜，均匀地分布在建筑物的周围。通常情况下，建筑物设计图纸上有专门的沉降观测点布置图。此外，埋设的沉降观测点要符合各施工阶段的观测要求，特别要考虑到装修装饰阶段，是否会因墙或柱饰面施工而破坏或掩盖住观测点，不能连续观测而失去观测意义4、沉降观测自始至终要遵循“五定”原则

“五定”即沉降观测依据的基准点、工作基点和被观测物的沉降观测点，点位要稳定；所用仪器、设备要稳定；观测人员要稳定；观测时的环境条件基本一致；观测路线、镜位、程序和方法要固定。以上措施在客观上尽量减少观测误差的不定性，使所测的结果具有统一的趋向性，保证各次复测结果与首次观测的结果可比性更一致，使所观测的沉降量更真实。5、施测要求

仪器、设备的操作方法与观测程序要熟悉、正确。在首次观测前要对所用仪器的各项指标进行检测校正，必要时经计量单位予以鉴定。连续使用3-6个月后重新对所用仪器、设备进行检校。

在观测过程中，操作人员要相互配合，工作协调一致，认真仔细，做到步步有校核。6、沉降观测精度的要求

根据建筑物的特性和建设、设计单位的要求选择沉降观测精度的等级。在无特殊要求情况下，一般高层建（构）筑物采用二等水准测量的观测方法就能满足沉降观测的要求。7、沉降观测成果整理及计算要求

原始数据要真实可靠，记录计算要符合施工测量规范的要求，按照依据正确、严谨有序、步步校核、结果有效的原则进行成果整理及计算。（二）、具体施测程序及步骤1、建立水准控制网

根据工程的特点布局、现场的环境条件制订测量施测方案，由建设单位提供的水准控制点(或城市精密导线点)根据工程的测量施测方案和布网原则的要求建立水准控制网。要求：(1)一般高层建筑物周围要布置3个以上水准点，其间距不大于100米；(2)在场区内任何地方架设仪器至少后视到2个水准点，并且场区内各水准点构成闭合图形，以便闭合检校；(3)各水准点要设在建筑物开挖、地面沉降和震动区范围之外，水准点的埋深要符合二等水准测量的要求(大于1.5米)，根据工程特点，建立合理的水准控制网，与基准点联测，平差计算出各水准点的高程。2、建立固定的观测路线

由场区水准控制网，依据沉降观测点的埋设要求或图纸设计的沉降观测点布点图，确定沉降观测点的位置。在控制点与沉降观测点之间建立固定的观测路线，并在架设仪器站点与转点处作好标记桩，保证各次观测均沿统一路线。3、沉降观测

根据编制的工程施测方案及确定的观测周期，首次观测应在观测点设置稳固后及时进行。一般高层建筑物有一或数层地下结构，首次观测应自基础开始，在基础的纵横轴线上(基础局边)按设计好的位置埋设沉降观测点(临时的)，待临时观测点稳固好，进行首次观测。

首次观测的沉降观测点高程值是以后各次观测用以比较的基础，其精度要求非常高，施测时一般用N2或N3级精密水准仪。并且要求每个观测点首次高程应在同期观测两次后决定。4、将各次观测记录整理检查无误后，进行平差计算，求出各次每个观测点的高程值，从而确定出沉降量。

5、统计表汇总

(1)根据各观测周期平差计算的沉降量，列统计表，进行汇总。

(2)绘制各观测点的下沉曲线。首先建立下沉曲线坐标，横坐标为时间坐标，纵坐标上半部为荷载值，下半部为各沉降观测周期的沉降量。

将统计表中各观测点对应的观测周期所测得沉降量画于坐标中，并将相应的荷载值也画于坐标中，连线，就得到对应于荷载值的沉降曲线。(3)根