變形監(jiān)測技術(shù)與應用3章

1、,變形監(jiān)測與變形分析,第三 章　水平位移監(jiān)測,1,主要內(nèi)容,第三章　水平位移監(jiān)測技術(shù),概述交會法觀測精密導線測量全站儀觀測視準線測量引張線測量垂線測量激光準直測量,2,§1　概述,第三章　水平位移監(jiān)測技術(shù),大型工程建筑物由于本身的自重、混凝土的收縮、土料的沉陷及溫度的變化等原因，將使建筑物本身產(chǎn)生平面位置的相對移動。 適時監(jiān)測建筑物的水平位移量，能有效地監(jiān)控建筑物的安全狀況，并可根據(jù)實際情況采取適當?shù)募庸檀胧?/p>

2、,3,測點布設（1）,第1節(jié)　概述,建筑物水平位移監(jiān)測的測點宜按兩個層次布設，即由控制點組成首級網(wǎng)（控制網(wǎng)）、由觀測點及所聯(lián)測的控制點組成次級網(wǎng)（拓展網(wǎng)）；對于單個建筑物上部或構(gòu)件的位移監(jiān)測，可將控制點連同觀測點按單一層次布設。,4,測點布設（2）,第1節(jié)　概述,控制網(wǎng)可采用測角網(wǎng)、測邊網(wǎng)、邊角網(wǎng)和導線網(wǎng)等形式，擴展網(wǎng)和單一層次布網(wǎng)有角度交會、邊長交會、邊角交會、基準線和附合導線等形式。各種布網(wǎng)均應考慮網(wǎng)形強度，長短邊不宜懸殊過大。

3、為保證變形監(jiān)測的準確可靠，每一測區(qū)的基準點不應少于2個，每一測區(qū)的工作基點亦不應少于2個?；鶞庶c、工作基點應根據(jù)實際情況構(gòu)成一定的網(wǎng)形，并按規(guī)范規(guī)定的精度定期進行檢測。,5,控制點的型式及埋設要求,第1節(jié)　概述,對特級、一級及有需要的二級、三級位移觀測的控制點，應建造觀測墩或埋設專門觀測標石，并應根據(jù)使用儀器和照準標志的類型，顧及觀測精度要求，配備強制對中裝置。 用于位移監(jiān)測的基準點（控制點）應穩(wěn)定可靠，能夠長期保存，且建立在便于

4、觀測的穩(wěn)妥的地方。 位移監(jiān)測點（觀測點）應與變形體密切結(jié)合，且能代表該部位變形體的變形特征。,6,第1節(jié)　概述,強制對中裝置P131,7,觀測墩澆筑P130,第1節(jié)　概述,8,觀測墩形式,第1節(jié)　概述,9,第1節(jié)　概述,水平位移監(jiān)測基準點,10,第1節(jié)　概述,照準覘牌,11,常用方法（1）,第1節(jié)　概述,大地測量法　　主要包括：三角網(wǎng)測量法、精密導線測量法、交會法等。該方法通常需人工觀測，勞動強度高，速度慢，特別是交會法受圖形強度、

5、觀測條件等影響明顯，精度較低?；鶞示€法　　該方法特別適用于直線形建筑物的水平位移監(jiān)測，其類型主要包括：視準線法、引張線法、激光準直法和垂線法等。,12,控制網(wǎng),第1節(jié)　概述,13,常用方法（2）,第1節(jié)　概述,專用測量法　　即采用專門的儀器和方法測量兩點之間的水平位移，如：多點位移計、光纖等。GPS測量法　　利用GPS自動化、全天候觀測的特點，在工程的外部布設監(jiān)測點，可實現(xiàn)高精度、全自動的水平位移監(jiān)測，該技術(shù)已經(jīng)在我國的水

6、利、橋梁等工程中得到應用。,14,§2　交會法觀測,第三章　水平位移監(jiān)測技術(shù),交會法是利用2個或3個已知坐標的工作基點，測定位移標點的坐標變化，從而確定其變形情況的一種測量方法。該方法具有觀測方便、測量費用低、不需要特殊儀器等優(yōu)點，特別適用于人難以到達的變形體的監(jiān)測工作，如：滑坡體、懸崖、壩坡、塔頂、煙囪等。該方法的主要缺點是測量的精度和可靠性較低，高精度的變形監(jiān)測一般不采用此方法。該方法主要包括測角交會、測邊交會和后方

7、交會三種方法。,15,第2節(jié)　交會法觀測,在進行交會法觀測時，首先應設置工作基點。工作基點應盡量選在地質(zhì)條件良好的基巖上，并盡可能離開承壓區(qū)，且不受人為的碰撞或震動。工作基點應定期與基準點聯(lián)測，校核其是否發(fā)生變動。工作基點上應設強制對中裝置，以減小儀器對中誤差的影響。工作基點到位移監(jiān)測點的邊長不能相差太大，應大致相等，且與監(jiān)測點大致同高，以免視線傾角過大，影響測量的精度。為減小大氣折光的影響，交會邊的視線應離地面或障礙物在1.2m

8、以上，并應盡量避免視線貼近水面。在利用邊長交會法時，還應避免周圍強磁場的干擾影響。,注意事項,16,測角交會法,第2節(jié)　交會法觀測,采用測角交會法時，交會角最好接近90°，若條件限制，也可設計在60°~120°之間。工作基點到測點的距離，一般不宜大于300m，當采用三方向交會時，可適當放寬要求。,17,測角交會誤差橢圓,第2節(jié)　交會法觀測,P136-137,18,測邊交會法,,,第2節(jié)　交會法觀測,在使

9、用該法時應注意下列幾點：γ角通常應保持在60°至120°之間；測距要仔細，以減小測邊中誤差ma和mb；交會邊長度a和b應力求相等，且一般不宜大于600m,19,后方交會法,,,第2節(jié)　交會法觀測,在實際測量過程中，還應注意工作基點和監(jiān)測點不能在同一個圓周上（危險圓），應至少離開危險圓周半徑的20%。,20,§3　精密導線測量,第三章　水平位移監(jiān)測技術(shù),精密導線法是監(jiān)測曲線形建筑物（如拱壩等）水平位移的

10、重要方法。按照其觀測原理的不同，又可分為精密邊角導線法和精密弦矢導線法。弦矢導線法是根據(jù)導線邊長變化和矢距變化的觀測值來求得監(jiān)測點的實際變形量。邊角導線法則是根據(jù)導線邊長變化和導線的轉(zhuǎn)折角觀測值來計算監(jiān)測點的變形量。由于導線的兩個端點之間不通視，無法進行方位角連測，故一般需設計倒垂線控制和校核端點的位移。,21,第3節(jié)　精密導線測量,邊角導線,22,第3節(jié)　精密導線測量,弦矢導線,23,§4　全站儀空間交會,第三章　水

11、平位移監(jiān)測技術(shù),原理：全站儀架設在已知點上，只要輸入測站點、后視點的坐標，瞄準后視點定向，按下反算方位角鍵，則儀器自動將測站與后視的方位角設置在該方向上。然后，瞄準待測目標，按下測量鍵，儀器將很快地測量水平角、垂直角、距離，并利用這些數(shù)據(jù)計算待測點的三維坐標。,24,,,坐標測量原理,第4節(jié)　全站儀觀測,25,,第4節(jié)　全站儀觀測,測量機器人變形監(jiān)測系統(tǒng),26,§5　視準線測量,第三章　水平位移監(jiān)測技術(shù),視準線法是基準線法測量

12、的方法之一，它是利用經(jīng)緯儀或視準儀的視準軸構(gòu)成基準線，通過該基準線的鉛垂面作為基準面，并以此鉛垂面為標準，測定其他觀測點相對于該鉛垂面的水平位移量的一種方法。為保證基準線的穩(wěn)定，必須在視準線的兩端設置基準點或工作基點。視準線法所用設備普通，操作簡便，費用少，是一種應用較廣的觀測方法。該方法同樣受多種因素的影響，如：照準精度、大氣折光等，操作不當時，誤差不容易控制，精度會受到明顯的影響。,27,第5節(jié)　視準線測量,視準線觀測原理及觀

13、測點的布設,28,視準線的布置（1）,第5節(jié)　視準線測量,視準線一般分三級布點，即基準點、工作基點和觀測點，當條件允許時，也可將基準點和工作基點合并布設。視準線的兩個基點必須穩(wěn)定可靠，即應選擇在較穩(wěn)定的區(qū)域，并具備有高一級的基準點經(jīng)常檢核的條件，且便于安置儀器和觀測。各觀測點基本位于視準基面上，且與被檢核的建筑部位牢固地成為一體。整條視準線離各種障礙物需有一定距離，以減弱旁折光的影響。,29,第5節(jié)　視準線測量,工作基點（端點）和

14、觀測點應澆筑混凝土觀測墩，埋設強制對中底座。墩面離地表1.2m以上，以減弱近地面大氣湍流的影響。為減弱觀測儀豎軸傾斜對觀測值的影響，各觀測墩面力求基本位于同一高程面內(nèi)。位移標點的標墩應與變形體連結(jié)，從表面以下0.3～0.4m處起澆筑。其頂部也應埋設強制對中設備，常常還在位移標點的基腳或頂部設銅質(zhì)標志，兼作垂直位移的標點。視準線的長度一般不應超過300m，當視線超過300m時，應分段觀測，即在中間設置工作基點，先觀測工作基點的位移量，

15、再分段觀測各觀測點的位移量，最后將各位移量化算到統(tǒng)一的基準下。,視準線的布置（2）,30,第5節(jié)　視準線測量,觀測使用的照準標牌圖案應簡單、清晰、有足夠的反差、成中心對稱，這對提高視準線觀測精度有重要影響。覘標分為固定硯標和活動覘標。前者是安置在工作基點上，供經(jīng)緯儀瞄準構(gòu)成視準線用；后者是安置在位移標點上，供經(jīng)緯儀瞄準以測定位移標點的偏離值用。,視準線的布置（3）,31,第5節(jié)　視準線測量,活動覘牌,32,活動覘牌法觀測時，在A點設置

16、經(jīng)緯儀，瞄準B點后固定照準部不動。 在欲測點上放置活動覘牌，由A點觀測人員指揮，B點操作員旋動活動覘牌，使覘牌標志中心嚴格與視準線重合。 讀取活動覘牌的讀數(shù)，并與覘牌的零位值相減，就獲得待測點偏離AB基準線的偏移值。 轉(zhuǎn)動覘牌微動螺旋重新瞄準，再次讀數(shù)，如此共進行2～4次，取其讀數(shù)的平均值作為上半測回的成果 倒轉(zhuǎn)望遠鏡，按上述方法測下半測回，取上下兩半測回讀數(shù)的平均值為一測回的成果。,第5節(jié)　視準線測量,活動覘牌法測量,33,活

17、動覘牌法觀測的步驟,第5節(jié)　視準線測量,視準線端點架設好經(jīng)緯儀，在另一端點安置固定覘牌，經(jīng)緯儀嚴格照準固定覘牌中心，并固定儀器。觀測點上架好活動覘牌，經(jīng)緯儀盤左位置，由觀測員指揮點上操作員，旋動覘牌中心線嚴格與視準線重合，讀取測微器讀數(shù)。操作員反方向?qū)牖顒右椗?，使其中心線嚴格與視準線重合，讀取測微器讀數(shù)。以上是半測回工作。轉(zhuǎn)動經(jīng)緯儀到盤右位置，重新嚴格照準B點覘牌，再重復盤左操作步驟，完成一測回的觀測工作。第二測回開始，儀器應重新

18、整平。根據(jù)需要，每個觀測點需測量2～4個測回。一般說來，當用DJ1型經(jīng)緯儀觀測，測距在300m以內(nèi)時，可測2～3測回，其測回差不得大于3mm，否則應重測。,34,小角法測量 （1）,,,,第5節(jié)　視準線測量,35,,,這種布置形式對提高測定偏離值的精度更為有利。,第5節(jié)　視準線測量,若在待測點i上觀測，則：,小角法測量 （2）,36,§6　引張線測量,所謂引張線，就是在兩個工作基點間拉緊一根不銹鋼絲而建立的一條基準線。以此基

19、準線對設置在建筑上的變形監(jiān)測點進行偏離量的監(jiān)測，從而可求得各測點水平位移。引張線法是精密基準線測量的主要方法之一，廣泛應用于各種工程測量。前蘇聯(lián)較早將其應用于大壩水平位移觀測，20世紀60年代該方法引入國內(nèi)，并在我國大壩安全監(jiān)測領域得到了廣泛的應用。,第三章　水平位移監(jiān)測技術(shù),37,在直線形建筑物中用引張線方法測量水平位移，因其設備簡單，測量方便，速度快，精度高，成本低，在我國得到了廣泛的應用，特別是在大壩安全監(jiān)測中起著重要作用。

20、在采用引張線自動觀測設備后，可克服觀測時間長、勞動強度大等不利因素，進一步發(fā)揮引張線在安全監(jiān)測中的作用。早期安裝在大壩上的引張線儀，由人工測讀水平位移。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)已有步進電機光電跟蹤式引張線儀、電容感應式引張線儀、CCD式引張線儀，以及電磁感應式引張線儀等。,第6節(jié)　引張線測量,引張線測量,38,有浮托引張線,主要包括端點裝置、測點裝置、測線及其保護管。端點裝置可采用一端固定、一端加力的方式，也可采用兩端加力的方式。

21、加力端裝置包括定位卡、滑輪和重錘，固定端裝置僅有定位卡和固定栓。定位卡的作用是保證測線在更換前后的位置保持不變，定位卡的“V”形槽槽底應水平，且方向與測線一致。滑輪的作用是使測線能平滑移動，在安裝時，應使滑輪槽的方向及高度與定位卡的“V”形槽一致。重錘的大小應根據(jù)測線的長度確定，引張線長度在200m~600m時，一般采用40kg~80kg的重錘張拉。,第6節(jié)　引張線測量,39,1——滑輪；2——線錘連接裝置；3——重錘；4

22、——混凝土墩座；5——測線；6——夾線裝置；7——鋼筋支架；8——保護管,引張線加力端結(jié)構(gòu),第6節(jié)　引張線測量,40,測點裝置,有浮脫引張線的測點裝置包括水箱、浮船、讀數(shù)尺、底盤和測點保護箱。浮船的體積通常為其承載重量與其自重之和的排水量的1.5倍。水箱的長、寬、高為浮船的1.5~2倍，水箱水面應有足夠的調(diào)節(jié)余地，以便調(diào)整測線高度滿足量測工作的需要，寒冷地區(qū)水箱中應采用防凍液。讀數(shù)尺的長度應大于位移量的變幅，一般不小于50

23、mm，同一條引張線的讀數(shù)尺零方向必須一致，一般將零點安裝在下游側(cè)，尺面應保持水平，尺的分劃線應平行于測線，尺的位置應根據(jù)尺的量程和位移量的變化范圍而定。,第6節(jié)　引張線測量,41,測點裝置示意圖,第6節(jié)　引張線測量,42,測線一般采用0.8～1.2mm的不銹鋼絲，要求表面光滑，粗細均勻，抗拉強度大。為了防風及保護測線，通常用把測線套在保護管內(nèi)。保護管的管徑應大于位移量的2~3倍，并在管中呈自由狀態(tài)，以前主要用鋼管，現(xiàn)在大多用PVC管。

24、保護管安裝時，宜使測線位于保護管中心，至少須保證測線在管內(nèi)有足夠的活動范圍，保護管和測點保護箱應封閉防風。,第6節(jié)　引張線測量,測線,43,引張線觀測步驟,檢查整條引張線各處有無障礙，設備是否完好；在兩端點處同時小心地懸掛重錘，張緊鋼絲，利用夾線裝置將鋼絲夾緊，使引張線在端點處固定；對每個水箱加水，使鋼絲離開不銹鋼標尺面0.3mm～0.5mm，同時檢查各觀測箱，不使水箱邊緣或讀數(shù)標尺接觸鋼絲，浮船應處于自由浮動狀態(tài)；采用讀數(shù)顯微

25、鏡觀測時，先用目視讀取標尺上的讀數(shù)，然后用顯微鏡讀取毫米以下的小數(shù)。由于鋼絲有一定的寬度，不能直接讀出鋼絲中心線對應的數(shù)值，所以必須讀取鋼絲左右兩邊對應于不銹鋼尺上的數(shù)值，然后取平均求得鋼絲中心的讀數(shù)；從引張線的一端觀測到另一端為一測回，每次觀測應進行三測回，三測回的互差應小于0.2mm，測回間應輕微撥動中部測點處的浮船，并待其靜止后再觀測下一測回。觀測工作全部結(jié)束后，先松開夾線裝置再下重錘。,第6節(jié)　引張線測量,44,設引張線第i個

26、監(jiān)測點的首次的讀數(shù)為L0，本次觀測的讀數(shù)為L，若不考慮端點的位移，則觀測點的位移值為：,,第6節(jié)　引張線測量,原理,45,端點位移改正,,,第6節(jié)　引張線測量,46,無浮托引張線,隨著大壩安全監(jiān)測自動化程度的不斷提高，引張線觀測技術(shù)也由人工觀測向自動化觀測的方向發(fā)展。在實現(xiàn)引張線自動觀測時，目前大多數(shù)情況是在浮托引張線法的基礎上增加自動測讀設備，形成引張線自動觀測系統(tǒng)。,第6節(jié)　引張線測量,47,有浮托引張線存在的問題,回避了引張線觀

27、測前的檢查和調(diào)整工作，在自動觀測時不能確定測線是否處于正常工作狀態(tài)；忽略了測回間對測線進行撥動的程序要求，不能有效地檢驗和消除浮托裝置所引起的測線復位誤差；浮液長期不進行更換，浮液被污染或變質(zhì)，增加了對浮船的阻力，增大了測線的復位誤差。,第6節(jié)　引張線測量,48,無浮托引張線,第6節(jié)　引張線測量,49,觀測設備,無浮托引張線其觀測原理與有浮托的基本相同，但它的設備較為簡單。引張線的一端固定在端點上，另一端通過滑輪懸掛一重錘將引張

28、線拉直，取消了各測點的水箱和浮船等裝置，在各測點上只安裝讀數(shù)尺和安裝引張線儀的底板，用以測定讀數(shù)尺或引張線儀相對于引張線的讀數(shù)變化，從而算出測點的位移值。,第6節(jié)　引張線測量,50,觀測方法,無浮托引張線的觀測方法與有浮托的基本相同，既可用顯微鏡在各測點的讀數(shù)尺上讀數(shù)，亦可在各測點上安裝光電引張線儀進行遙測。由于它不需到現(xiàn)場調(diào)節(jié)各測點的水位，測點的障礙物也較少，不僅節(jié)約大量時間，且其穩(wěn)定性和可靠性都高于有浮托的引張線，可以實現(xiàn)引張線

29、觀測的全自動化。,第6節(jié)　引張線測量,51,誤差分析,引張線測量系統(tǒng)的誤差主要包括觀測誤差和外界條件的影響兩個方面。觀測誤差與所用的觀測儀器、作業(yè)方法、觀測人員的熟練程度等因素有關(guān)。除測點觀測誤差外，還取決于它的復位誤差。在引張線觀測時，由于風的作用，可能會使測線產(chǎn)生明顯的偏離，從而產(chǎn)生明顯的觀測誤差。因此，在觀測時，應關(guān)閉廊道及通風口門，觀測點保護箱應蓋嚴。,第6節(jié)　引張線測量,52,§7 垂線測量,垂線有兩種形式：正

30、垂線和倒垂線。正垂線一般用于建筑物各高程面處的水平位移監(jiān)測、撓度觀測和傾斜測量等。倒垂線大多用于巖層錯動監(jiān)測、撓度監(jiān)測，或用作水平位移的基準點。,第六章　水平位移監(jiān)測技術(shù),53,垂線系統(tǒng)結(jié)構(gòu),正垂由一根懸掛點處于上部的垂線和一個安裝在建筑物上處于垂線下部的測讀站組成。垂線下部懸掛一重錘使其處于拉緊狀態(tài)，重錘置于阻尼箱內(nèi)，以抑制垂線的擺動。倒垂的固定端灌注在整個垂線系統(tǒng)的下部，垂線由上面的浮筒拉緊。如果錨固安裝在基礎內(nèi)的固定點上，

31、測站的測量值是沿垂線測點的絕對位移量。正(倒)垂線的測量可由一臺固定的讀數(shù)盤進行人工測讀，也可用可移動的帶遙測讀數(shù)單元的坐標儀進行（遙測垂線坐標儀）遙測讀數(shù)。采用何種讀數(shù)方法取決于監(jiān)測理、預期位移量以及測量精度要求。,第7節(jié)　垂線測量,54,正垂線及倒垂線,第7節(jié)　垂線測量,55,讀數(shù)盤,第7節(jié)　垂線測量,56,垂線特 性,● 高精度和高分辨率● 長期可靠性● 高穩(wěn)定性● 精度優(yōu)于大地測量● 有計劃地監(jiān)測，沒有頻繁

32、的昂貴測試● 容易安裝● 可以裝備成遙測和采用遙測坐標儀實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集,第7節(jié)　垂線測量,57,在變形監(jiān)測中，正垂線應設置保護管，其目的一方面可保護垂線不受損壞，另一方面可防止風力的影響，提高垂線觀測值的精度。在條件良好的環(huán)境中，也可不加保護管，例如，重力拱壩的垂線可設置在專門設計的豎井內(nèi)。,正垂線使用注意事項,第7節(jié)　垂線測量,58,測線,測線應采用強度較高的不銹鋼絲或不銹銦瓦絲；其直徑的選擇應保證極限拉力大于浮子浮力

33、的3倍，通常選用直徑1.0mm～1.2mm的鋼絲。要求表面光滑、抗拉強度高。,第7節(jié)　垂線測量,59,§8　激光準直測量,第六章　水平位移監(jiān)測技術(shù),激光準直測量按照其測量原理可分為直接測量和衍射法準直測量兩種，按照其測量環(huán)境可分為大氣激光準直和真空激光準直。在大氣條件下，激光準直的精度一般為　　10-5~10-6，影響其精度的主要原因是大氣折光的影響。在真空條件下，激光準直的精度可達10-7~10-8 ，其精度較大氣激光準

34、直有明顯的提高，但其工程的造價和系統(tǒng)的維護費用也相應的提高。目前，在水利工程的變形監(jiān)測中，主要采用衍射法激光準直測量。,60,波帶板大氣激光準直系統(tǒng),波帶板大氣激光準直系統(tǒng)主要由激光器點光源、波帶板和接收靶三部分組成。,第8節(jié)　激光準直測量,61,激光器點光源,由氦氖氣激光管發(fā)出的激光束經(jīng)聚光透鏡聚焦在針孔光闌內(nèi)，形成近似的點光源，照射至波帶板，針孔光闌的中心即為固定工作基點的中心。,62,波帶板,(a) 圓形波帶板,(b) 方形波帶

35、板,波帶板的形式有圓形和方形兩種，其作用是把從激光器發(fā)出的一束單色相干光會聚成一個亮點（圓形波帶板）或十字亮線（方形波帶板），它相當于一個光學透鏡。,第8節(jié)　激光準直測量,63,接收靶,接收靶可采用普通活動覘牌按目視法接收，也可用光電接收靶進行自動跟蹤接收。,第8節(jié)　激光準直測量,64,工作原理,采用波帶板激光準直法觀測水平位移，是將激光器和接收靶分別安置在兩端固定工作基點上，波帶板安置在位移標點上，并要求點光源、波帶板中心和接收靶中心