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。