第三章 变形观测方法及变形观测网设计

第三章变形观测方法及变形观测网设计

为什么要进行变形观测：

利用测量仪器与专用仪器和方法对变形体进行测量以得到变形大小、范围、时空分布规律，研究变形发生的原因、变形特征及其随空间与时间的变化规律，以便预测、预报，以避免或尽可能减少损失

变形观测的周期：

变形观测的周期取决于变形量的大小、变形特征、观测精度要求、变形速度，而且与工程的规模、监测点数量、位置以及观测一次所需时间的长短有关，通常情况下以能反应出变形体变形规律、特征，又减少工作量和费用为原则。

变形观测的精度：

变形观测的精度要求，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。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

变形观测根据测量仪器和方法的不同，可以分为以下四类：

①常规大地测量方法

用常规的大地测量仪器测量方向、角度、边长和高差等量所采用方法的总称。

主要优点：

能够提供变形体的整体变形状态；

观测量通过组成网的形式，便于进行测量结果的校核和精度的评定；

灵活性大，能适用于不同的精度要求、不同形式的变形体和不同的外界条件。

主要缺点：

外业工作量大、作业时间长

不易实现连续监测和测量过程的自动化

（与空间测量比）监测的范围相对小。

②空间测量方法

包括甚长基线干涉测量、卫星激光测距等

③特殊测量方法

包括准直测量、倾斜仪、伸长仪、应变应力测量、静力水准测量

④摄影及遥感方法

包括航空、地面摄影测量和InSAR技术

变形观测基准网：平面监测网和沉降监测网

一、平面监测网

平面监测基准网，可采用三角形网、导线网、GPS网和视准轴线等形式。当采用视准轴线时，轴线上或轴线两端应设立检核点。

变形监测网通常由三类点（基准点、工作点、变形监测点）、两种等级（首级、次级）的网组成。

变形监测网设计原则：

（1）变形观测网应为独立控制网，以避免起始数据误差的影响

（2）变形观测控制点应埋设在沉降范围外，同时又不能将基准点布设在网的边缘

（3）布网图形的选择

变形监测网采用独立网：由于在变形监测网分级布设中，首级网的起始数据误差将引入次级网中，对于高精度变形监测网来说，含有起始数据误差的变形监测网，即使监测精度再高、采取额平差方法再严密，由于起始误差的影响，也不能达到预期的精度要求，因此变形监测网应是独立的控制网

二、沉降监测网

沉降监测网一般布设为附合网或闭合水准网，并按精密水准测量的方法进行重复观测

布设原则：

（1）布置成网状，以便检核；

（2）至少有四个深埋的水准基点作为起算点，应布设在沉降影响范围之外；

（3）水准点应设置在通视、安全的地方，便于进行联测；

（4）水准点距离建筑物一般为20m～40m；

（5）观测单独建筑物时，至少应布置3个水准点，对占地面积大于5000m2或者高层建筑物，应适当增加水准点的个数；

（6）当设置水准点处有基岩出露，可用水泥砂浆直接将水准点浇灌在岩层中。一般水准点应埋设在冻土线以下0.5m，并不受工程影响的地区，墙上水准点应埋在永久性建筑物上，离开地面高度0.5m左右；

（7）基准点与工作点应联结成网。

变形监测点布设位置：

（1）埋设在变形大的位置；（2）地基变化处；（3）新老建筑物交界处；（4）在振动中心基础上布设观测点；（5）观测点一般设在室外地坪0.5m高处

变形监测网的目的：

①不仅是求静态的几何参数（点位，方向和距离），更重要的是求解监测对象的动态参数（位移，速度等）；

②变形在时空尺度上大都是微变量（毫米级或厘米级），其量级往往接近与现有大地测量观测技术所能达到的最高精度量级

变形监测网的特点：

①精度高、速度快

②监测网的数学模型不仅包含网的静态几何模型，还包含动态变形模型

③需要有足够的灵敏度与可区分性。要求对所要求定的动态参数或发生的位移形变应有足够灵敏的反映，同时又能有效的将点的物理变形和观测误差加以区分

④以一定的周期重复观测，外业工作量大

⑤经济性和高质量

优化设计四类分类法：

①零类优化设计（或称基准设计）

基准包括大地坐标系统和其数据

②一类优化设计（构形问题）

实际上是网形设计

③二类优化设计（观测权分配问题）

观测方法和观测精度设计

④三类优化设计（网的改进和加密问题）

网的进一步优化

目前对监测网的质量评价主要从网的精度、可靠性、灵敏度和费用四个方面考虑

大坝变形观测网设计

（1）平面控制网

大坝平面基准控制网一般采用三角网，布设精度要求高

布设原则：

①具有较好的图形强度，从而有较好的设计矩阵

②对平面控制基准网采用边角同测，使其具有充分的多余观测数，能较好地反应观测粗差，以保证平面控制基准网的准确性

③为确保监测点的位移精度，平面控制基准网必须具备优于1mm的精度

④平面控制基准网的点位除选择十分稳定的基岩外，尚可考虑对近坝区岩体变形的监测，故在大坝的上、下游各布设一对点

⑤平面网点应全部建造混凝土观测墩，并预埋强制对中归心装置

⑥诸如大气温度梯度所引起的旁折光对测角的影响，以及超高压电线形成的磁场对测距的影响，都应予以考虑

（2高程控制网

一般采用水准网和三角高程网，布设成闭合水准或附和水准，以便检核

[例1] 设某建筑物高H=30m，基础宽12m，设计时允许倾斜度α=4‰，试确定观测建筑物安全时，沉降观测的精度要求。

[解] 顶部允许偏移量：Δ容=α×H=4/1000×30×103=120mm

容许误差取容许偏移量的1/20，则：fΔ=120×1/20=6mm

取3倍中误差为容许误差时，则监测中误差：mΔ=±1/3×6=2mm

当利用测定基础两端的不均匀沉降量来计算倾斜度时，则相对监测沉降中误差：

m沉=D/H×mΔ=±12/30×2=±1mm

[例2]某饭店为12层楼房，两沉降点之间距离为L=8m，设差异沉降最大容许值δ最大=2L/1000，试计算沉降观测中误差。

[解] 由题意知，δ最大=2/1000×8000=16mm

取1/10δ最大为差异沉降监测容许误差，则：

fh=1/10×δ最大=±2mm

由于差异沉降可直接由两点间的高差来求得，故取两倍中误差为容许误差，则差异沉降观测中误差：

m沉=1/2×fh=±1mm