变形监测的理论与方法(黄声享)

变形监测的理论与方法武汉大学测绘学院2009年12月·武汉黄声享[e-mail]变形监测的理论与方法变形监测变形监测任务书任务书监测方案监测方案监测资料的预处理监测资料的预处理监测基准与稳定性分析监测基准与稳定性分析变形分析方法变形分析方法数数理理统统计计知知识识确定性模型确定性模型统计统计模型模型变形变形监测数据获取监测数据获取自动化观测自动化观测人工观测人工观测变形监测的理论与方法1变形监测工作及其意义2变形监测技术3变形监测资料的预处理4监测基准与稳定性5变形分析与建模主要内容1变形监测工作及其意义¾变形监测就是利用测量与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。其任务是确定在各种荷载和外力作用下，变形体的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征。1变形监测工作及其意义¾变形体的范畴可以大到整个地球，小到一个工程建（构）筑物的块体，它包括自然的和人工的构筑物。变形体的研究范围分类：‰全球性变形‰区域性变形‰工程和局部性变形1变形监测工作及其意义¾代表性的工程和局部变形体‰大坝‰桥梁‰矿区‰高层（耸）建筑物‰高速轨道交通‰防护堤‰边坡‰隧道‰城市地铁‰地表沉降1变形监测工作及其意义¾变形监测的意义‡确保安全（实用上的意义）主要是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信息，及时发现问题，以便采取措施。‡验证设计（科学上的意义）包括解释变形的机理，验证变形的假说，检验设计的合理性，为修改设计、制定规范提供参考。变形监测与分析方法及其应用1变形监测工作及其意义2变形监测技术3变形监测资料的预处理4监测基准与稳定性5变形分析与建模主要内容2变形监测技术¾变形监测的内容‡获取变形几何量水平位移、垂直位移以及偏距、倾斜、扰度、弯曲、扭转、震动、裂缝等。‡获取与变形有关的影响因子(物理量)应力、应变、温度、气压、水位（库水位、地下水位）、渗流、渗压、扬压力等。2变形监测技术¾变形信息获取的方法选择取决于变形体的特征、变形监测的目的、变形大小和变形速度等因素。2变形监测技术¾全球性变形监测：空间大地测量是最基本最适用的技术。主要包括：‰卫星导航定位系统（GNSS）‰甚长基线射电干涉测量（VLBI）‰卫星激光测距（SLR）‰激光测月技术（LLR）‰卫星重力探测技术（卫星测高、卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量）2变形监测技术¾区域性变形监测‰GNSS已成为主要的技术手段‰空间对地观测遥感新技术——合成孔径雷达干涉测量（InSAR），在监测地震变形、火山地表移动、冰川漂移、地面沉降、山体滑坡等方面的试验精度已可达厘米或毫米级，表现出很强的技术优势‰精密水准测量依然是高精度高程信息获取的方法2变形监测技术¾工程和局部性变形监测‰地面常规测量技术‰地面影像测量技术‰特殊和专用的测量手段‰卫星定位技术2变形监测技术¾地面常规监测方法主要是指通过高精度的地面测量仪器及其设备测量角度、长度和高程的变化来确定变形。主要方法有：前方交会法（角度、边长交会）后方交会法（自由设站法）极坐标法视准线法、小角法、测距法几何水准测量、三角高程测量2变形监测技术¾变形监测的特点‡要进行周期观测，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尽可能一致‡动态、持续监测‡要求精度高，对于重要工程，一般要求“以当时能达到的最高精度为标准进行变形观测设计”项目位移中误差限值重力坝±1.0mm径向±2.0mm切向±1.0mm重力坝±0.3mm径向±1.0mm切向±0.5mm坝顶±1.0mm坝基±0.3mm坝体、坝基挠度±0.3mm坝体±5.0″坝基±1.0″坝体表面接缝与裂缝±0.2mm水平位移±2.0mm垂直位移±2.0mm水平位移±3.0(岩质边坡)±5.0(土质边坡)垂直位移±3.0mm裂缝±1.0mm滑坡体和高边坡近坝区岩体倾斜坝体、坝基垂直位移拱坝坝基拱坝坝体水平位移变形监测的精度举例¾变形体的几何模型：认识与理解2变形监测技术‡定义(参见图)：参考点、目标点及其它们之间的连接称为变形体的几何模型。‡概念：‹变形体空间上的离散化：监测点（目标点）‹时间上的离散化：周期性监测、持续性监测‹相对定位、绝对定位‹参考点、目标点‹不变量、可变量变形体的几何模型¾¾变形监测方案变形监测方案2变形监测技术变形监测方案的制定：变形监测方案的制定：¾¾监测内容监测内容的的确定确定¾¾监测仪器、方法和监测精度的确定监测仪器、方法和监测精度的确定¾¾监测部位和测点布置的确定监测部位和测点布置的确定¾¾监测周期的确定监测周期的确定¾变形监测内容的确定2变形监测技术应根据变形体的性质、监测要求和环境等因素来确定变形监测工作的内容，例如：‰沉降或垂直位移监测‰水平位移监测‰倾斜监测、裂缝监测、挠度监测‰应力应变监测——物理参数‰气温、水位、地下水、降雨量、地震等环境因素的监测¾变形监测仪器和方法的选择2变形监测技术取决于工程地质条件以及工程周围的环境条件，根据监测内容的不同可以选择不同的方法和仪器。¾变形监测的精度要求2变形监测技术对于工程建筑物来说，变形监测的精度要求，取决于该工程建筑物预计的允许变形值的大小和进行观测的目的。国际测量师联合会(FIG，1971)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1/10～1/20；如果观测的目的是为了研究其变形的过程，则其中误差应比这个数值小得多”。¾监测部位和测点布置的确定2变形监测技术‰监测点：布设在变形体的特征部位，重点突出‰工作基点：为方便观测，应相对稳定‰基准点：应布设在稳定位置¾变形监测频率的确定取决于变形的大小、速度以及观测的目的。变形监测技术的应用实例(1)清江隔河岩大坝GPS自动监测系统清江隔河岩大坝(1)清江隔河岩大坝GPS自动监测系统隔河岩大坝GPS监测点位分布图大坝安全监测向实时、连续、自动化方向发展，GPS已成为一种重要监测技术手段。由原武汉测绘科技大学承担了该大坝外观变形GPS自动监测系统的建立工作。(1)清江隔河岩大坝GPS自动监测系统(1)清江隔河岩大坝GPS自动监测系统(1)清江隔河岩大坝GPS自动监测系统系统设计要求：¾实时性：在监控中心，实时反映各监测点三维方向的位移¾自动化：整个系统监测过程的全自动，不要人工值守，变形分析过程全自动化¾连续性：观测数据连续性，数据处理按每间隔6h或2h提供一次解算结果，数据处理结果在整个时间序列中具有连续性，变形分析对应为连续性¾智能化：实时性和自动化的需求，整个变形分析系统所采用的分析工具（方法）要求成熟的专家知识，实现人工智能和计算智能¾可靠性：变形监测成果是供大坝安全性作决策的，因此，变形分析结果必须准确、可靠¾另外，系统还应具有较好的延伸功能，包括软件系统的可扩展性、安全性、可维护性和个性化需求(1)清江隔河岩大坝GPS自动监测系统实际应用情况(1)清江隔河岩大坝GPS自动监测系统实际应用情况(1)清江隔河岩大坝GPS自动监测系统实际应用情况(1)清江隔河岩大坝GPS自动监测系统实际应用情况(1)清江隔河岩大坝GPS自动监测系统实际应用情况(1)清江隔河岩大坝GPS自动监测系统实际应用情况¾在1998年抗洪错峰中所发挥的作用系统于1998年3月开始试运行。在试运行期间，正逢有史记载以来的特大洪水，该系统经受了考验，在整个汛期运行正常，精度与人工观测结果符合得很好。尤其是给防汛指挥部提供的每2小时一次高精度、可靠的大坝位移数值，为隔河岩水库高水位贮水提供了的科学依据。为长江洪峰通过荆州时，确保了安全渡汛，避免了灾难性的分洪。它充分体现了当代高新技术在关键时刻所发挥的关键作用。变形监测技术的应用实例(2)GPSGPS在高层建筑测量中的应用在高层建筑测量中的应用厦门的高层建筑厦门的高层建筑(2)GPSGPS在高层建筑测量中的应用在高层建筑测量中的应用问题的提出高层建筑施工中的测量基准传递和轴线、垂直度、高程控制是建筑物施工质量控制的重点之一。其测量速度、精度和可靠性直接影响着整体工程的施工进度和质量。随着高层建筑的发展，传统测量技术的弊端表现在：¾仪器系统误差较大，难以克服¾传递误差存在积累，越到高层，测量基准传递误差越大¾平面与高程分开，分别进行¾受外界气候影响(2)GPSGPS在高层建筑测量中的应用在高层建筑测量中的应用问题的提出目前，高层和高耸构筑物（如桥梁、高塔、高层建筑等）不仅越来越多，而且造型日趋复杂，并向超高度发展，其安全性检测已成为工程界和学术界的热门课题。检测的目的在于确定结构振动特性，其中包括结构本身的振动和受外荷载（如风力、日照、地震等）所引起的振动和形变。过去，常采用加速度计等设备测定结构物的振动特性，但是，随着建筑物高度的增高，以及连续、实时和自动监测程度要求的加强，常规测量技术已越来越受到局限。GPS作为一种新方法，由于其硬件和软件的发展与完善，特别是高采样率（有的已高达20Hz）GPS接收机的出现，在大型结构物动态特性监测方面已表现出其独特的优越性。(2)GPSGPS在高层建筑测量中的应用在高层建筑测量中的应用工程概况厦门建设银行大厦的主楼在地面以上有43层，地上总高度为172.6m。建设中的建设中的厦门建银大厦厦门建银大厦(2)GPSGPS在高层建筑测量中的应用在高层建筑测量中的应用测量基准传递—参照点处的参照点处的GPSGPS观测观测(2)GPSGPS在高层建筑测量中的应用在高层建筑测量中的应用测量基准传递—施工层处的施工层处的GPSGPS测定测定(2)GPSGPS在高层建筑测量中的应用在高层建筑测量中的应用测量基准传递—关键技术关键技术利用GPS技术进行超高层建筑测量基准传递的关键技术，主要体现在：¾GPS观测方案设计¾数据通讯、数据处理和坐标转换¾大地高的应用(2)GPSGPS在高层建筑测量中的应用在高层建筑测量中的应用测量基准传递—GPS测量的流程(2)GPSGPS在高层建筑测量中的应用在高层建筑测量中的应用GPS动态监测—监测方案(2)GPSGPS在高层建筑测量中的应用在高层建筑测量中的应用GPS动态监测—监测结果-20-1001020025651276810241280153617922048监测点变化量/mm-20-1001020025651276810241280153617922048参考点变化量/mm参考点与监测点在参考点与监测点在xx方向的时程曲线对比方向的时程曲线对比(2)GPSGPS在高层建筑测量中的应用在高层建筑测量中的应用GPS动态监测—监测结果-20-1001020025651276810241280153617922048监测点变化量/mm-20-1001020025651276810241280153617922048参考点变化量/mm参考点与监测点在参考点与监测点在yy方向的时程曲线对比方向的时程曲线对比(2)GPSGPS在高层建筑测量中的应用在高层建筑测量中的应用GPS动态监测—监测结果-40-2002040025651276810241280153617922048监测点变化量/mm-40-2002040025651276810241280153617922048参考点变化量/mm参考点与监测点在参考点与监测点在HH方向的时程曲线对比方向的时程曲线对比(2)GPSGPS在高层建筑测量中的应用在高层建筑测量中的应用GPS动态监测—频谱分析应用频谱分析法，对上述的三维数据序列分别进行处理，可以计算出相应的频谱特征。为了直观起见，将整个数据序列的频谱图人为地分为低、中、高三个频段，所对应的频率范围分别为0～0.25Hz、0.25～0.50Hz、0.5～1Hz，右图为中频段的频谱图。根据高层建筑结构的固有频率分析可知，设计频段为0.30～0.35Hz，监测结果得到了体现。(2)GPSGPS在高层建筑测量中的应用在高层建筑测量中的应用GPS动态监测—小波分析小波包三层分解的示意图小波包三层分解的示意图（分解过程及频段划分）（分解过程及频段划分）¾小波分析及结果结构振