变形观测第1章.ppt

变形监测与数据处理测绘科学与工程学院,课程介绍,变形监测与数据分析是研究地表及物体的变形观测方法，分析变形成因，预报其发展趋势的一门科学。课程分为变形监测与数据处理分析预报两大部分，侧重于变形观测方法和变形分析技术的论述。,课程介绍,石油、天然气、煤炭、地下水等资源的开发，引起了土地的塌陷，道路和建筑的破坏；现代大型建(构)筑物(如大坝等)的施工与运营，会产生变形。当变形超过一定限度时，会危及建筑物的安全；沿海城市地表下沉，海水面的上升危及沿海城市的生存；道路、房屋等建筑施工，可造成周围环境的破坏，引起滑坡、崩塌等地质灾害的产生，同时，泥石流及地震的频繁发生，给社会和人民生命财产带来了巨大的损失。实现灾害预报和防治的基础工作是开展变形观测和变形分析。,课程介绍,课程介绍,课程介绍,变形监测的主要内容,1、变形观测 变形观测的基本方法和桥梁、大坝、建筑物及矿山地表变形观测技术。变形监测网的布设方法，垂直位移与水平位移的监测方法，GPS、测地机器人等变形观测方法。根据实际情况介绍基坑变形测量的设计与方法，建筑物下沉原理与观测方法，城市地下水下降的原理与观测方法，滑坡的变形观测与治理等。,变形监测的主要内容,1、变形观测,变形监测的主要内容,1、变形观测,2、数据分析变形预报 主要内容包括：利用观测数据建立变形的预测模型，介绍一元预测模型(包括线性的和非线性的)，多元预测模型，灰色预测模型等，另外根据实际情况还要介绍数据处理的常规方法：间接测量平差，秩亏网平差。,变形监测的主要内容,第一章 绪论第一节 灾害的表现形式,一、灾害的表现形式(一)城市地表塌陷概况1、天津市的地面沉降产生沉降主要原因是大量开采地下水。目前，沉降范围还在逐年扩大。市区最大下沉2.83米，塘沽区3.11米，年最大100mm/a,目前10-15mm/a，部分地区低于海水面，-0.81米，影响面积8000km2.变形土层深度达到1000米，基岩观测标1080米。2、上海：最大下沉2.81米，年最大110mm/a，目标控制年下沉10mm/a，长江三角洲和河口滨海相沉积，40米左右为淤泥，50米的粉砂、粘土和砾砂层，300米有岩石。人民公园标高2米，一次潮高5米。3、北京、最大累计0.7米，软土层300400米，粉砂、粘粉,4、超过2米的还有：太原、西安，属汾河，渭水冲集平原区，最大累计0.7米。大雁塔倾斜度：1000mm。苏锡常地区下沉1米。5、山东变形较严重地区济宁、德州、滨州、荷泽最大累计下沉：0.21米，地下水下降，粘粉土层比较厚的关系。6、云贵地区：第四纪表土层较薄，红粘土为主，主要岩溶地貌，抽取岩溶地下水。引起地面塌陷。7、泰安地区。第四纪表土层1020米，一般分四层：上层粉土，第二层中粗砂土，第三层含泥卵砾石，底层含粘土的碎块石。基岩为岩溶发育的灰岩层。地下水下降30米，形成地下水降落漏斗，面积50km2。出现不连续塌陷坑。,地面塌陷坑形成原理,土层,石灰岩,石灰岩,(溶洞）地下水,处理方法：块石填塞，水泥砂浆灌堵，砼凝土梁夸盖等,地下潜水位1,地下潜水位2,CaCO3+H2O+CO2=Ca(HCO3)2,地下水下降致地面塌陷原理,土层2,处理方法：减少地下水用量、回灌,土层1,土层3,土层4,地下潜水位1,地下潜水位2,第一章 绪论第一节 灾害的表现形式,(二)大坝损害实例国内外大坝损害实例有很多，如：法国67m高的马尔巴塞(Malpasset)拱坝1959年垮坝；意大利262m高的瓦依昂(Vajont)拱坝1963年因库岸大滑坡，导致涌浪翻坝且水库淤满失效；美国93m高的提堂(Teton)土坝1976年溃决。我国有河南淮河支流板桥和石漫滩两座土坝因1975年洪水漫坝失事等。可见，保证工程建筑物安全是一个十分重要且很现实的问题。重要的需长期监测的坝：三峡大坝坝高120米，库容390亿，轴线全长2300；葛洲坝：坝高50米；三门峡水库大坝：坝高106米，库容360亿；小浪底库容126.5亿，坝高154米,尾矿坝损害：山西省襄汾县新塔矿业公司尾矿库发生特大溃坝事故，波及下游500米左右的矿区办公楼、集贸市场和部分民宅，造成建筑毁坏，276人死亡。主要原因：坝基不稳，尾矿含水量大。预防措施：加强勘察设计，压实尾矿物，导水排水；监测预报。,第一章 绪论第一节 灾害的表现形式,(三)煤炭开采损害在我国，以煤炭开采引起的地质灾害非常严重。开采导致的地表移动和塌陷造成矿区各项设施破坏严重，整体功能运转失灵，对国民经济和人民生活产生重大影响，使建筑和基础设施以及农田均受到严重破坏，区域内居民环境安全受到威胁。我国采空塌陷目前可以划分为6个区，包括东北、华北、华东、中南、西北和西南采空塌陷区。煤碳调出区：晋陕蒙宁。仅在山西省各类矿山采空区已达20000km2，以全省15.6104km2的土地面积计算，山西有近1/7的地面已经成为“悬空区”，总面积15.67万km2，含煤面积6.2万km2，占国土面积的40.4%（宜采），含煤地层50%，采煤使大面积土地塌陷，因此土地压力非常大，受到农业耕地、煤炭产业及城市发展的多重压力。,土地变形,(四)滑坡损害坡体在一定的内外条件下可能产生滑坡，一般可分为土体滑坡和岩体滑坡。土体滑坡形成圆弧滑动面；岩体滑坡一般是顺层滑坡。山西娄烦县“8.1”铁矿山体滑坡，41人死亡；汶川的道路遭遇山体滑坡阻塞交通。,土体滑坡,道路1,岩体滑坡,道路1,(五)建筑及道桥损害：1、广东茂名，跨度50米，即将峻工时倒塌，施工质量；湖南凤凰县塌桥，37人；江苏常州大桥运行10年，超重引起；船碰桥墩广东佛山九江大桥倒塌，6个月的过桥费2558万元，可能原因：九江大桥建成后非法采沙严重，部分河段20年挖空百年沉积量，导致九江大桥水域河床下切严重，桥梁浅基，“重效益，轻安全”，应保持日常监测变形；北京西直门桥出现开裂，经裂缝观测确定拆除，免除更大损失。天津中环路立交桥运行十年后拆除。2、建筑方面：河南郑州7层未封要顶倒塌，2个死亡，地基与房屋质量；北京马连道23层墙体裂缝，经观测裂缝未有发展趋势，论证后可使用；福州4 栋住宅，外围下降40cm；重庆南岸农贸公司，2层加1层，地基承载力不够倒塌。,裂缝的表现1、表面裂缝。将裂缝表面的砂浆层弄开，看是否是主体造成损伤,很多建筑仅仅是表面砂浆层出现裂缝，并无大碍。2、对于多层建筑，如果裂缝贯穿整个墙体，那么有安全隐患，如果是小的裂缝，30公分左右影响不大。3、如果是高层，填充墙损坏，出现裂缝，没有影响，修补即可，如果是混凝土剪力墙结构出现裂缝，需要引起重视。变形监测研究在国内外受到了广泛的重视，推动着变形监测理论和技术的迅速发展。目前，变形监测正向多门学科交叉联合的边缘学科方向发展，成为相关学科的研究人员合作研究的领域。已有的研究工作涉及到地壳、山体、大坝、桥梁、隧道、高层建筑及结构工程变形等。,二、产生变形的原因1地下水影响地下水升降可对地表升降产生影响。对于深层土层如上海、苏州等城市使用的地下水得不到充分补充而导致地表下沉，主要是因为土层应力发生了变化；对于薄表层的岩溶地基，因为地下水定向流动可产生塌帮，形成陷坑。地下水对建筑物基础的钢筋或混凝土有侵蚀性，长期侵蚀导致基础毁坏。2地下开采影响地下开采形成采空区，地表失去支撑而产生塌陷，地面上的建筑物轻则倾斜裂缝，重则倒塌。3地震影响地震可导致地球表面大面积升降和平移（表现为沉降，水平变形，地裂缝，并伴随滑坡，泥石流）。这在我国的邢台、海城、唐山、汶川等地震中得到证实。,4建筑物的荷重建筑物的荷重大，对地基的压力也大。当建筑物建造在具有一定压缩性的地基上时，从施工开始，随建筑物荷重增加，而地基逐渐被压缩以至于下沉，从而引起建筑物沉降。5其他作用的影响机械振动(如锻压车间锻锤的工作)会引起建筑物局部下沉。建筑物附近增加新建筑物时，由于新建筑物修建对建筑物基础的扰动可引起原建筑物地基产生新的不均匀沉降；打桩可使附近地面隆起引起上面建筑物变形；高耸建筑物由于风震可产生摆动；日照及气温昼夜及季节变化将使单柱形建筑物产生扭转等变形；江河中水流大小变化会使拦江(河)大坝坝基压力发生变化，可引起坝体向下游方向位移、滚动等变形；水利枢纽修建，拦江大坝截流后上游水位升高，浸泡大坝上游两岸，会使堤岸滑坡；露天矿遇连续降雨会使不稳定的露天坑帮向坑下滑坡导致停产等。,第二节 变形观测的基本内容,一、变形观测的基本概念1、变形：是自然界中普遍存在的现象，是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、变形观测：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。变形观测的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。变形观测工作是人们通过变形现象获得科学认识、检验理论和假设的必要手段。变形超过一定限度会产生危害，就必须通过变形观测方法了解变形，在变形影响范围以外区域设置稳定的测量基准点，在变形体上设置被观测的测量标志(称为变形观测点，可简称为观测点)，从基准点出发，定期地测量观测点相对于基准点的变化量，从历次观测结果比较中了解变形随时间发展的情况。这个过程就是所谓的变形观测。,3、变形体：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，包括自然和人工的构筑物。根据变形体的研究范围，可将变形观测研究对象划分为3类：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。区域性变形研究，如地壳形变监测、城市地面沉降等。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。在精密工程测量中，最具有代表性的变形体有大坝、桥梁、矿区、高层(耸)建筑物（基坑）、防护堤、边坡、隧道、地铁、地表沉降等。,二、变形观测的目的与内容（一）变形观测目的一个重要目的在于实际应用即检查各种工程建筑物和地质构造的稳定性，对变形进行几何分析，掌握规律，预测、预报变形，达到安全运营之目的。据有关资料介绍，长江三峡地区曾进行了大面积的变形观测。1984年，根据观测结果，对可能发生的滑坡做了正确的预报，使滑体上万余居民在滑体滑坡发生前一周撤离，避免了一场灾难的发生。,另一个重要目的是科学研究对变形进行物理解释，验证工程建筑物的设计理论以及地壳运动的假说，改进工程建筑物设计，建立正确的预报变形的理论和方法。像地震的监测既要在断层附近建立监测网，测定长期应变累积形式和速率，以及地震前两个星期至半年的变化。关于这方面研究，我国已积累了许多经验。又如矿山采空区地表移动观测工作，可以根据开采范围、开采深度、开采方法以及地质构造，预测地表沉陷范围、深度、时间和对建筑物的破坏程度，以便在沉陷发生前采取相应措施，避免和减少损失。矿山开采地表沉陷的研究取得的许多成果，在矿山生产方面起到了积极的作用。,根据变形观测的目的，变形观测的具体工作可概括为三部分：一是根据不同观测对象、目的设置基准点及观测点（变形监测网的设计或技术报告）；二是进行多周期的重复观测(平面或高程，或是三维观测)三是进行数据整理、统计分析及预报。,不同的观测对象和变形观测目的，变形观测方法也不同。当观测目的是为了知道地表下沉、建筑物基础下沉或倾斜，多采用高程测量方法，也称为垂直位移观测。想知道被观测体水平位移情况，可采用观测点的平面位置坐标的方法，或建立稳定不动的基准线，观测被测目标相对于基准线的位移量，可称为水平位移观测。对裂缝大小的测量可称为裂缝观测；想了解建筑物(或构件)弯曲程度的测量，称为挠度观测；对于滑体的观测，也称为滑坡观测，常采用三维观测，既观测其平面位移，也测定垂直位移。随着现代化建筑和科学的发展，变形观测的工作愈来愈重要。我国的变形观测工作虽然较经济发达国家起步晚，但也积累了许多成功的经验并研究出实用的理论。像上海地表沉陷监测与治理、葛洲坝水利枢纽变形监测等变形监测都为安全生产和科研提供了宝贵的资料。,第二节 变形观测的基本内容,（二）变形观测的内容变形监测的内容，应根据变形体的性质与地基情况来定。要求有明确的针对性，既要有重点，又要作全面考虑，以便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、了解其变形规律的目的。例如：1.工业与民用建筑物主要包括基础的沉陷观测与建筑物本身的变形观测。就其基础而言，主要观测内容是建筑物的均匀沉陷与不均匀沉陷。对于建筑物本身来说，则主要是观测倾斜与裂缝。对于高层和高耸建筑物，还应对其动态变形(主要为振动的幅值、频率和扭转)进行观测。对于工业企业、科学试验设施与军事设施中的各种工艺设备、导轨等，其主要观测内容是水平位移和垂直位移。,2.水工建筑物对于土坝，其观测项目主要为水平位移、垂直位移、渗透以及裂缝观测；对于混凝土坝，以混凝土重力坝为例，由于水压力、外界温度变化、坝体自重等因素的作用，其观测项目主要为垂直位移、水平位移以及伸缩缝的观测，这些内容通常称为外部变形观测。此外，为了了解混凝土坝结构内部的情况，还应对混凝土应力、钢筋应力、温度等进行观测，这些内容通常称为内部观测。虽然内部观测一般不由测量人员进行，但在进行变形监测数据处理时，特别是对变形原因作物理解释时，必须将内、外部观测的资料结合起来进行分析。3.地下水开采引起的地表沉降对于建立在江河下游冲积层上的城市，由于开采地下水，而影响地下土层的结构，将使地面发生沉降现象。在这种沉降现象严重的城市和地区，暴雨以后将发生大面积的积水，影响仓库的使用与居民的生活。有时甚至造成地下管线的破坏，危及建筑物的安全。因此，必须定期进行观测，掌握其沉降与回升的规律，以便采取防护措施。对于这些地区主要应进行地表沉降观测。,第二节 变形观测的基本内容,4.矿山开采沉陷工程采矿工程，由于其具有规模大、深度大、地质条件复杂等特点，采矿工程大面积开采引起的岩土体位形的变化(产生位移和变形)，不仅可能对矿山工程本身造成影响和危害，还可能对其他岩土工程及含水层和地面的工程和耕地造成影响及危害。矿山开采沉陷工程。其研究和服务的对象较广，包括建(构)筑物下采矿与保护，水体下和近水体采矿与水体保护，铁路、公路下采矿与保护（三下采煤技术），另外：巷道附近采矿及井巷保护，采矿区山体崩塌和滑坡的原因分析与防治，开采沉陷区新建建(构)筑物的可行性分析，矿山各类、各级受护物的安全矿柱设计，矿体的最佳开采顺序，矿山开采沉陷与土地保护、利用与治理等。,矿山开采沉陷工程学的研究内容主要有：采矿引起岩土体位移与变形的机理和规律，减小岩土体位移与变形的采矿技术，采动区建(构)筑物变形的机理与规律及其保护加固措施，受采动影响的岩土体及建(构)筑物变形的监测与预计技术，受护建(构)筑物保护矿柱设计技术，矿区与开采沉陷有关的环境影响评价与保护技术以及矿区建设规划等。,第二节 变形观测的基本内容,5.油气开采引起的地表沉降石油、天然气的大面积开采，不仅引起地表沉降，如是沿海地区还会引起海平面的变化，严重危及沿海城市的安全。（大庆油田，胜利油田，辽河油田，克拉玛依油田，四川油田，华北油田，大港油田，中原油田，塔里木油田，中国海洋石油南海东海）,背斜构造,砂岩或在孔隙岩土层,泥岩,第二节 变形观测的基本内容,三、变形观测的特点1精度要求高与其他测量工作相比，变形观测要求的精度高。用于实用目的，一般要求达到1mm的精度。这对于垂直变形还是比较容易达到，对于水平位移变形，有点偏高。用于科研目的可能还要高些。这个精度比地形测图以及一般工程放样都要高。2重复观测众所周知，一般城市测量控制网，改造或补充一些点时，一般不再重复观测。而用于变形监测的网则必须相隔一定时间进行重复观测。只有重复观测，才能从坐标或高程值的变经中发现变形。,3严密地进行数据处理一些变形体的变形大都较小，有的与测量误差有相同的数量级，故要采取一些方法从含有观测误差的观测值中分离出变形信息。4多学科的配合变形测量工作不仅需要测绘学，尚需要土木工程和土力学及岩石力学等方面的知识。5责任重大变形观测责任重大，它需要一丝不苟地认真工作。由于变形量都是微观变化，更应从带有观测误差的观测值中，找出变形规律的蛛丝马迹，及时正确预报危害变形，使人们避免灾害，减少损失。,第三节 变形观测的基本方法,一、变形观测的主要技术方法变形观测的方法与变形对象、特征，变形的大小、变形的速度以及观测精度有关。变形观测包含对变形监测网及变形观测点的平面或高程的观测。可概括为如下几种方法。1.常规地面测量方法常规地面测量方法是指通过测定高程、角度和边长或坐标来测定变形的方法。常规地面测量方法也叫大地测量方法，一直是变形观测的主要方法，仪器工具比较普及，各种精度级别的仪器工具都有，直观性好，容易选择到合适的观测精度和相应的仪器工具。,(1)精密高程测量：国家三等以上的高程测量都看作是精密高程测量，主要用精密水准仪进行观测。精密水准测量也一直是垂直位移观测的主要方法，具有精度高，稳定可靠，技术成熟等优点，但劳动强度大，速度慢，山区系统误差大。由于光电测距仪的发展，国内外测量工作者大量实验光电测距三角高程，以求代替精密水准，提高速度和减轻测量工作者的劳动强度。一些实验表明，每公里偶然中误差可达到1mm的精度，这是很理想的结果。但它附有一些条件，具有不稳定性。所以尚不能推广，仍在研究试验中，所以一般情况下，还不能单独将光电测距三角高程应用于需精密测量的垂直变形观测中。从目前情况来看，用于四等及以下的高程测量较容易实现。,(2)角度测量：角度测量的主要工具是经纬仪，主要用于水平位移观测，如三角网形式的水平变形监测或三角测量方法测定变形体变形。例如混凝土坝水平位移等用测小角法，用活动觇牌法时需用J1级以上经纬仪测角。不容易到达的地点(如烟筒中心线垂直度观测)的平面位置观测，常利用经纬仪，采用测角前方交会法观测等。全站仪测量，监测网观测可用边角网方法。全站仪使记录和计算及数据处理变得简单，容易实现变形观测自动化。(3)精密距离测量：早期精密测距工具为因瓦基线尺.，目前精密光电测距仪使精密量距变得极为便利。如Mekometer ME3000，测程2.5km，标称精度为0.3mm10-6D；改进型的ME5000，测程5km，标称精度为0.2mm(0.21)10-6D;双色激光测距仪，测程20km，标称精度为0.1mm0.110-6D。这三种仪器完全可代替因瓦基线尺作高精度测距，常被用于精密边角网的测距工作中。普通的光电测距仪用于一般精度的测距极为方便。像矿区地表沉陷观测，用普通光电测距导线即能满足精度要求。,第三节 变形观测的基本方法,2.全球定位系统的应用变形监测网要多次重复观测，像城市地表沉陷观测面积大，用常规方法一次观测时间长，但又希望一次观测时间越短越好，以减小时间差给沉陷成果带来的不利影响。GPS作为一种全新的现代空间定位技术，已逐渐在越来越多的领域取代了常规光学和电子测量仪器。用GPS同时测定三维坐标的方法可实现大范围内无稳定基准点的测量，从静态扩展到动态，相对精度扩展到米级、厘米级乃至亚毫米级，从而大大拓宽了它的应用范围和在各行各业中的作用。地学工作者已将GPS应用于地表变形观测的多个试验中，取得了丰富的理论研究成果，并逐步走向了实用阶段。数据通讯技术、计算机技术和以GPS为代表的空间定位技术的日益发展和完善，使得GPS方法由原来的周期性观测走向高精度、实时、连续、自动观测成为可能。,GPS全球定位系统的应用分析GPS实现短周期性观测，走向高精度、实时、连续、自动观测成为可能。GPS一机多天线动态监测技术 滑坡监测主要是研究在雨水作用下的变形趋势，实地观测的条件差，采用常规方法进行监测是十分困难的，不仅观测时的气候、白昼条件限制，导致观测精度较低，使得常规的监测方法在雨季这样监测的重要时期不具备时效性。利用全球定位系统(GPS)对高边坡进行监测，可以克服常规方法在条件差的地区无法进行有效监测的缺点，发挥GPS监测速度快、精度高、全天候的优势，实现系统的全自动化的效果。,GPS一机多天线原理(快速静态定位),监测方法原理图,目前所开发的一机多天线系统有多种型号规格，可以外接的GPS天线数各不相同，有4、6、8、10、12、16天线等多种，可以根据需要进行选用，根据滑坡的范围和观测周期选用一台GPS接收机连接8个天线，可以监测8个点的变形，大大降低了设备投入。高精度测量型差分GPS接收机，事后处理水平精度优于2rnrn,高程精度优于3mm。,滑坡损害坡体在一定的内外条件下可能产生滑坡，一般可分为土体滑坡和岩体滑坡。土体滑坡形成圆弧滑动面；岩体滑坡一般是顺层滑坡。内因有：较陡的边坡，顺坡岩层，土层的内摩擦角较小，岩层的软弱夹层或软层的内摩擦角较小；外因地震力扰，雨水作用减小了内摩擦角。滑坡的观测可能是比较危险的工作。,土体滑坡,道路1,岩体滑坡,道路1,粘聚力与内摩擦角（C，）值(砂土的粘聚力很小，粘土有一定的粘聚力，土层越密实内摩擦角越大，越稳定),N,F,FNf,下滑力=Nsim 摩擦力=Ncos fF=tan,滑坡变形观测点们布置图,滑坡主要组成：滑坡体，滑坡床(未移动的岩体)；滑坡面(土体圆弧，岩体直线)，滑坡周界；滑坡舌(前缘)，滑坡壁(最后区域)；滑坡台阶观测点布置：根据监测范围确定主要滑动方向，选取典型断面，断面间距根据不同特点一般不大于20米，十字形布置。观测网布置：变形区外选择基准点。观测频率：安规范执行。,8个接收天线，接收天线通过电缆与一机多天线控制开关连接。两种数据数据传输方式，基准站1因距离较远，布线困难采用微波电台传送，基准站2及多天线系统采用天津609电缆公司生产的电缆，并配合GPS专用低噪声信号放大器，利用多极放大器，GPS信号可以实现1000m的有效传输。,GPS接收线路布置如图,第三节 变形观测的基本方法,3.InSAR技术应用于地表变形观测合成孔径雷达干涉测量InSAR(Interferormetric Synthetic Aperture Radar)技术在国外已开始应用于地表沉降监测，Wegmuller(1999)利用1992年8月至1996年5月间的欧洲航天局雷达卫星数据监测意大利Bologna城的沉降情况，取得了与常规测量一致的效果；同时，日本的Nakagwa等(2000)利用JERSIL波段的合成孔径雷达SAR研究Kanto北部平原的地面沉降，发现L波段比C波段的SAR数据更适合平原地区的地面沉降研究；中国科学院遥感研究所选取处于沉降区的苏州市，利用InSAR技术进行了城市地表沉降监测，与常规水准测量相比，两者相关度达0.943。这些都说明InSAR测量值与水准测量保持很高的一致性，进一步统计分析表明，样本对的差异均值为4.47mm，差均值为0.17mm。,第三节 变形观测的基本方法,4.GPS-InSAR集成技术5.三维激光扫描技术应用于变形观测6.机载三维激光扫描与成像技术(LIDAR)应用于变形观测,第三节 变形观测的基本方法,7.摄影测量方法摄影测量方法包括航空摄影、遥感和地面摄影测量法三种。局部变形观测采用地面摄影测量法，简便易行。地面摄影变形观测的主要工具为地面摄影机和坐标量测仪，这样的设备不为大多数测绘单位所具备，应用不普及，并且还需根据不同设备认真研究其达到的精度。虽然如此，该方法对某些特殊的观测对象进行变形观测具有独特优越性和特点：像片信息量丰富，可同时获得变形体上大批目标的三维变形信息，完整记录了变形体在不同时间的状态，便于对成果的比较与分析。外业工作量小，劳动强度低。观测时不需接触被摄物体，可观测人不易达到的地方。用地面摄影测量进行变形观测有两种基本方法：(1)固定摄影站的时间基线法：(2)数字摄影测量,(1)固定摄影站的时间基线法：固定摄影站的时间基线法(或称伪视差法)，是把两个不同时刻所摄的像片作为立体像对，量测同一像点的左右和上下视差，这些视差乘上像片比例尺即为目标点的位移。由该法基本原理可知，这种方法仅能测定变形体的二维变形，而不能得到像点沿摄影机主光轴方向的位移。所以，该法只适用二维变形的变形观测。(2)数字摄影测量：数字摄影测量，一方面继承传统的摄影测量学，另一方面又借鉴影像处理与计算机视觉中的概念和方法，正成为有特色的新兴学科。近年来，各种数字摄影测量工作站(DPW)不断面世，推动了数字摄影测量的发展，数字摄影测量是GIS数据更新的重要手段。其中，研究变化影像信息的确定与提取，变化的新影像与已有地图(图像)的准确套合，控制点、控制线的利用等理论和方法正成为研究的重点。,像片主距f,第三节 变形观测的基本方法,8.特殊测量手段(1)准直测量是观测某一方向上点位相对该方向变化。激光准直、引张线技术均较多地用于大坝等线状工程建筑物的变形观测，激光铅直仪多用于高层建筑物的摆动观测。正垂线和倒垂线的机械法垂直准直，多将它们用于建筑物的挠度和倾斜观测。埋设在基岩上的倒锤用做变形观测的基准点。(2)倾斜测量特殊技术倾斜仪和静力水准测量是倾斜测量的特殊技术方法，其特点是测量过程简单，连续监测，较容易实现自动化。在岩层中埋设由特殊金属制成的传感器可量测岩层的移动、变形，同时配合全站仪测量和GPS测量成果，可进行倾斜与位移的关系及其变换分析。(3)物理测量物理测量是变形体的变形量转换成电感应量(电压、电流或电阻)变化的信息，从而测定被测物体变化量的大小，常被称作应变测量。物理测量的主要技术途径是传感器技术。传感器实质是一个导体(如金属丝)埋设在变形体中，由于变形体的变形改变了导体内电感应量，并将其传递出来进行记录。由于这个信息可自动传递由数字显示或记录，故传感器测量常用作自动化变形观测。,变形监测技术的发展展望变形监测技术的未来方向有以下几个方面：1.多种传感器、数字近景摄影、全自动跟踪全站仪和GPS的应用，将向实时、连续、高效率、自动化、动态监测系统的方向发展，比如，某大坝变形监测系统是由测量机器人、GPS和特殊测量仪器所构成的最有观测方案；2.变形监测的时空采样率会得到大大提高，变形监测自动化为变形分析提供了极为丰富的数据信息；3.高度可靠、实用、先进的监测仪器和自动化系统，要求在恶劣环境下长期稳定可靠地运行；4.实现远程在线实时监控，在大坝、桥梁、边坡体等工程中将发挥巨大作用，网络监控是推进重大工程安全监控管理的必由之路。,第三节 变形观测的基本方法,二、变形观测工程的研究方法前面介绍了变形观测工程的现场实测研究方法，除了现场监测方法外，还有如下研究方法。1.地质研究方法根据变形体的组成成分、结构和赋存条件控制，特别是受岩体结构面和岩体结构特征控制，因此可利用地质研究方法确定开采工程岩体的以下地质特征：岩石、岩相和岩层特征，最重要的是软弱成分和薄弱环节，如黏土成分、可溶盐类、含水蚀变矿物，软的、弱的、不抗风化成分及原生结构与构造等。岩体结构，主要是岩体的结构面，包括软弱结构面、软弱结构面充填物和起伏程度等。地质环境因素，主要是地应力、地下水的分布等。2.室内岩块的物理力学性质测试岩块是岩体的组成成分，根据其物理力学性质并结合岩体结构面的力学效应，即可确定工程岩体的物理力学性质，并预测变形体上产生的位移和变形。岩块的物理性质，主要包括岩块的湿度、密度和孔隙度、碎胀性和碎胀系数等。岩块的力学性质，主要包括岩块的强度、应力应变关系，岩块的时间效应和流变性质等。弱面的力学性质，主要包括弱面的强度性质、变形关系等。,3.力学分析力学分析可分为两个阶段：变形岩体结构分析和数学力学分析。结构分析主要是从地质信息中抽象出力学模型，数学力学分析是通过数学力学计算给出岩土体中的应力、位移和变形等。4.物理模拟分析法相似材料模型试验：主要用于定性或半定量分析，通过相似材料模型试验，了解给定地质条件下变形体的移动变形规律。光弹应力分析：利用光弹性应力分析，观测变形情况。电模拟分析：利用电子模拟方法，观测变形情况。,第四节 变形分析的发展与应用,变形分析的研究内容涉及到变形数据处理与分析、变形物理解释和变形预报的各个方面，通常可将其分为变形的几何分析和变形的物理解释两部分。变形的几何分析是对变形体的形状和大小的变形作几何描述，其任务在于描述变形体变形的空间状态和时间特性。变形物理解释的任务是确定变形体的变形和变形原因之间的关系，解释变形的原因。一、变形分析的发展（一）几何分析法：包括参考点的稳定性分析、观测值的平差处理和质量评定以及变形模型参数估计等内容；（二）GPS变形监测技术：一般认为平面位置可达cm，高程可达四等；（三）数据挖掘分析方法：数据挖掘技术应用到变形监测数据方面，主要体现在对观测数据的拟合、预测及可视化；（四）预测技术:回归分析；时间序列分析；概率积分法；周期分析；灰色分析；指数平滑分析；随机分析法；小波分析；及各种组分析。（五）频谱分析技术,二、变形观测与相邻学科的关系 1.工程地质学和水文地质学的关系地质学是研究地球(特别是地壳)的组成、演变和发展的一门科学，而工程地质学和水文地质学均是地质科学的一个分支。工程地质学是研究与工程规划、设计、施工和运用有关的地质问题的科学。水文地质学是研究地下水的形成、运动和分布规律的科学。变形的成因是由于岩体运动而形成的，因此，岩体的岩石和矿物成分、形成环境、岩体的结构面特性、岩体的水文地质和工程地质特征等必将对岩土体的移动和变形产生影响，因此，需要应用地质学、工程地质学、水文地质学的有关理论和方法分析岩石、岩相和岩层的特征，分析岩体的结构，了解地质环境因素。,第四节 变形分析的发展与应用,二、变形观测与相邻学科的关系 2.与工程测量学的关系：是工程测量的一部分3.与环境保护学的关系（地质灾害问题）；与建筑工程学的关系（重要建筑变形问题）；与采矿工程学的关系（三下采煤与地表移动监测）；与岩石力学的关系（地震部门）,三、变形观测指导工程建设实例 1.上海人民广场地下车库，地下两层，平面尺寸为176m145m，是目前我国建成的最大的地下停车场。基坑开挖深度10.65m，局部12m，采用地下连续墙作为围护结构和地下室永久性外墙。挖到-11m标高，相距地下连续墙外缘2m处的地表沉降增大到32mm，沉降速率为1.7mmd。基坑实际开挖深度达到12.65m，这时，地表沉降突然加快，至9月4日，沉降速率达到17mmd。出现成组与墙体轴线平行的裂缝。墙体因开挖深度过大而产生的失稳事故迫在眉睫。警报迅速发至工程有关各方，施工总包单位瞬即召集现场紧急会议，决定停止开挖，并当即采取以下四项应急措施：迅速撤除和搬迁堆放在车道相邻地面的50t钢筋，以减小地面超载；紧急调拨黄砂300t，对坑底已开挖的水池予以回填；加快混凝土垫层的施筑，并抓紧底板扎筋和混凝土浇筑；待垫层和底板混凝土基本结硬之后才开挖水池深坑内的回填黄砂。,坑底,地面下沉,地表观测点沉降和沉降速率随时间变化的现场观测曲线,变形观测指导工程建设实例.2.苏州虎丘塔地基加固苏州市虎丘塔，塔底直径13.66m，高47.5m，荷重63 000kN，全部塔重支撑在内外12个砖墩上。该塔因破损较大于19561957年进行了上部结构的修缮，但塔体荷重增加了约2 000kN，同时加速了塔体的不均匀沉降。塔顶位移由1957年的1.7m发展到1978年的2.3m。下卧压缩层厚度不等以及砖砌体受到偏心受压是造成塔身倾斜恶化的主要原因。,整治方案，首先采用挖孔桩方法沿塔身四周建造排桩式地下连续墙，然后在塔身内外地基内进行钻孔灌注水泥浆加固。为了避免施工过程中对建筑物地基的过大扰动，为此组织了施工期的变形监测，监测人员所承担的责任是及时发现不正常的变形并及时报警。建筑物沉降观测的精度和水平位移观测精度分别取为0.1mm（一等变形网，高于一等水准测量）和0.3mm，这样，就为施工阶段的监测预警预报提供了科学的参照依据。施工至两个月时，发现连续3d内，南北两个沉降观测点的高差读数扩大了0.3mm，平均沉降速率达到0.1mmd，远远超出结构物正常的沉降速率。经与其他观测数据验证和周密分析之后，监测人员迅速发出沉降速率过大的警报。,报警的决定是在慎重和科学地分析了变形速率发展状况后作出的。在进行加固施工的前一年里，虎丘塔南北沉降观测点高差每个月才增加约0.1mm，一年的沉降增量为lmm左右。现在测得的每天沉降增量竟达0.1mm，沉降量绝对值不大，但变形速率增大了近30倍，而且连续3d持续增加，说明监测所得的0.3mm并非观测误差所致，而确系变形加速的反映。从中可以看到，变形速率和初始读数，即所谓的参照系，是现场预警预报监测中至关重要的两个方面。3.长江三峡新滩大滑坡的成功预报1985年6月12日，我们成功地预报了新滩大滑坡，从而确保灾害损失减少到了最低限度。它不仅使滑坡区内457户1 371人在滑坡前夕全部安全撤离，无一人伤亡，而且使正在险区长江上、下游航行的11艘客货轮及时避险，免遭灾难。为国家减少直接经济损失8 700万元，被誉为我国滑坡预报研究史上的奇迹。科学、准确、及时地分析和预报工程及工程建筑物的变形状况，对工程建筑物的施工和运营管理极为重要。,