变形测量1——变形监测

§1-1概述 一、变形观测的意义、内容和目的 大型工程建(构)筑物在建设和运营期间,其基础和内部结构均在发生着各种变化,对之实施不同类型的变形监测,不仅可以监测其变化情况,及时进行各种处理,保障其施工和运营的安全,同时对观测资料进行数理统计分析,还能进行变形预报及知道变化的成因,为类似工程提供设计和监测。 对山体地表、矿山地表、城市地表等进行变形监测,不仅能知道地表变化的情况及数理统计预报,还能有效的防止各种事故的发生及协调相关资源的利用,等等。 变形监测的内容非常广泛,但归纳起来主要有以下几点: 1.变形监测的技术设计,如观测精度和频率、基准点、观测点的设计,变形基准网和观测网(监测网)的结构、可靠性、灵敏度设计,观测方案的设计和特殊设备的设计,各种变形量的设计等。 2.变形监测的实施,如基准点、观测点的设立,仪器设备的检验和校正,具体观测的程序和方法,对技术设计部分内容的修改和订正等。 3.变形监测的数据处理与统计分析,如基准网、观测网(监测网)的数据处理,基准点稳定性的检验,各期观测同一性、综合性的检验,各种变形量的计算及变形图的绘制,单点及总体变形量显著性检验,重复测量周期性误差的检验等。 4.变形成因分析与预报,如变形回归分析,灰色系统理论与时序分析,动态响应分析,变形预报等。 5.变形监测技术报告及变形监测管理,按照任务书(或合同书)要求完成变形监测技术工作时,要对上面的2、3、4项内容进行技术性全面汇总与总结,对变更的技术设计应予说明及附属相应的理由和文件,对变形结论和预报要反复检查、分析、统计和核实。对变形监测资料要建立机助或纸介质管理系统,尤其对于长期的变形监测,目前更应建立计算机管理系统,以便实时的对各种变形予以监测和分析及判定变形体的安全性能等。 无论对于各类工程建筑物还是对各类地表所进行的各种变形监测,其最终目的有两个,即:一是要及时掌握变形监测目标物的变形特征,保证其安全,使之有效服务于社会;一是要研究、总结变形规律特征,为其他工程建设或合理利用资源提供技术参考。 二、变形观测的种类 变形监测的种类按监测的性质可分为垂直变形监测和水平变形监测这两大类;按变形的形式又可分为垂直变形监测或沉降监测、水平位移监测、倾斜监测、挠度监测、裂缝监测、风偏监测、日照监测等;按监测的时序又分为周期监测和实时监测等等。 §1-2变形观测技术 一、常规地面测量方法 常规地面测量方法主要是指用常规测量仪器(经纬仪、测距仪、水准仪)测量角度、边长和高程的变化来测定变形。它们是目前变形观测的主要手段。常规地面测量方法具有如下的优点: (1) 能够提供变形体整体的变形状态; (2) 观测量通过组成网的形式可以进行测量结果的校核和精度的评定; (3) 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。 但是,常规的地面测量方法也存在着一些缺点,主要是外业工作量大,作业时间长,不 易于实现连续监测和测量过程的自动化。 1.精密距离测量 测距仪的广泛应用改变了监测网的布网方式,传统的三角网已逐步被三边网和边角网所代替。目前,在国际市场上,测距仪有近百种,而且新的型号不断出现,用于变形观测,高精度的测距仪有瑞士生产的ME300O/ME5O00,测程分别为 2.5km和5km,精度为(0.2-0.3)mm+(0.2-1.O)×l0-6×D。英国com-Rad电子仪器公司的CR204/234,测程lOkm,精度为0.lmm+(0.l-1.O)×l0-6×D。上述两种仪器的比例误差在很大程度上取决于大气的条件, 1×l0-6是比较实际的。TellurometeFMA-200,精度为0.3mm+(1-2)×l0-6×D。此外,Terrameter 公司的双色激光测距仪LDM2(已不再生产了),它利用红光和蓝光所测距离的差值来计算大气折光的影响,并进行改正,从而减少测距的比例误差。仪器目前可测到2Okm,精度为0.l×l0-6。 2.电子经纬仪和全站型仪器 电子经纬仪的出现是地面测量技术的一项显著进步,它最重要的优点是使实现从野外测量到室内数据处理过程的自动化成为可能。目前己广泛用于采集三维变形信息。把由微处理机控制的跟踪设备加到全站仪后,就能对目标进行自动测量,这种系统有人称为测量机器人(Georobot),第一套系统是1983年Hannover大学研制的。为了准确地照准目标,又加CCD 相机用于代替十字丝,采用数字影像处理原理准确地确定目标中心。为了实现遥控和数据传输,加上无线电通讯装置,这就构成了一个完善的机器人,目前商品化的装置有E2-S2, HT300O,Geodimeter4000。 测量机器人已开始用于变形观测中,例如:Geodimeter-l4OSMS 监测系统由计算机控制,定时地对滑坡体上的目标点进行自动测量,数据传到计算机并显示变形的状态。 3.精密高程测量 精密水准测量是研究垂直方向变形的主要手段,其作业过程在过去的几十年中没有明显的变化。目前,一等水准测量的偶然误差约每公里0.5-0.7mm,系统误差约每公里0.06mm。但水准测量的作业过程劳动强度大、进度慢,特别是在山区。水准测量的另一个缺点是系统误差(特别是折光误差)累计严重。最近几年来,随着全站型仪器的广泛使用,用三角高程测量和测距仪高程导线进行精密高程传递,引起了测量工作者的高度重视,许多国家都进行了大量的实验,结果表明,每公里1mm 或更高的精度是可以达到的,进度比水准测量快得多。 水准测量方面的最新进展是采用数字水准仪,例如NA2000/3000。这种水准仪采用影像处理技术可以直接获得水准尺上的读数。 二、特殊的测量手段 特殊的测量手段包括应变测量、准直测量和倾斜测量。和常规的地面测量方法相比,它们具有如下的特点: (1) 测量过程简单; (2) 容易实现自动化观测和连续监测; (3) 提供的是局部的变形信息。 1.应变测量 应变计根据可分为两类。一类是通过测量两点间距离的变化来计算应变;另一类是直接用传感器测量应变。设两点间的距离为L ,第二周期测量时距离变化了△L,那么:ε=△L/L(1) ε为两点间的平均线应变。当距离L和变形体的尺寸相比很小时,由(l)式所得到的应变可看成是某一点处的。 精密测量距离的变化有机械法和激光干涉法。机械法用因瓦丝、石英棒等作为长度的,长度的变化用机械-电子传感器测量,精度一般为几十个微米。激光干涉法可以测到几 百米,甚至几千米,测量精度在l0-7以上,真空中可达4×l0-10。 应变传感器实质上是一个导体(金属条或很窄的箔条),埋设在变形体中,由于变形体中的应变使得导体伸长或缩短,从而改变了导体的电阻。导体电阻的变化用电桥测量,通过测量电阻值的变化就可以计算应变。 2.倾斜仪测量 地面域建筑物的倾斜可以用倾斜仪测量。目前倾斜仪的种类很多,大体可分为“短基线”倾斜仪和“长基线”倾斜仪。前者一般用垂直摆锤或水准气泡作为参考线;后者一般根据静力水准的原理做成。 静力水准可连成网状,固定设置在廊道中以测定各部分的倾斜。为了减弱温度的影响,有的采用两种液体(水银和水)。然而,静力水准的测点基本上要处于同一水平,测量范围受到限制。为了克服这一缺点,近年来有的采用压力传感器测量液体压力的变化,从而计算高差的变化。 不同的倾斜仪,测量精度差别很大。一般来讲,“短基线”倾斜仪精度范围是 0.5"- 1.O"。而“长基线”倾斜仪精度很高,用水作液体的倾斜仪,每1Om 距离的测量精度可达 0.Olmm 。用水银作为液体,测量精度可达0.001"。实际工作中根据需要选择倾斜仪。 倾斜仪列阵可用于测量地面的沉降,其原理如图1-1所示,第i 点的下沉量为: 3.准直测量 准直测量用于测定某一方向上点位的相对变化,可以是水平方向,也可以是垂直方向。准直测量方法很多,有导线法、测小角法、活动标牌法、激光准直法和引张线法。 激光准直根据其原理分为两类:一类是利用激光方向性强的特点,进行直接准直;另一类是利用激光单色性好的优点,进行衍射法准直。 在大气条件下,激光准直的精度为l0-5-l0-6,提高精度的主要障碍是大气折光的影响。在真空条件下,准直精度可达l0-7-l0-8。水平激光准直广泛用于大坝等线状工程的建筑物的变形观测。 在没有气流影响的地方,也采用钢丝或尼龙丝准直,由于它们不受折光影响,精度也能达到l0-6。 垂直激光准直(激光铅直仪),可用于测定高层建筑物的摆动。机械法垂直准直有正锤和倒锤,它们用于观测建筑物的挠度和倾斜。埋设在稳固基岩上的倒锤还可用作变形观测的基准点。 ) 2(11∑-==i j j j i S h α 目前,锤线观测多采用自动读数设备,遥测锤线坐标仪TELEPENDLUM分辨率为0.Olmm。还有“自动视觉系统”A VS(Automated Vision System),采用固态照像机,自动拍摄锤线影像,从而确定锤线位置的变化,分辨率为3μm,美国加州的几个大坝均有这样的观测系统。 “三维倒锤”用因瓦丝代替普通钢丝,除了用测定水平位移外还同时监测点的高程的变化。 三、摄影测量方法 地面摄影测量的方法越来越广泛地用于大型工程建筑物(例如混凝土大坝、挡工墙、高层建筑物等)的变形观测。空中摄影测量也有用于较大范围的地面变形测量,例如,测定由于地下采矿而引起的地表移动。采用摄影测量方法,其原因除了它本身的优点外,主要是近十多年来摄影测量点位测定精度的显著提高。精度提高的主要因素是硬件的改进(包括高质量的摄影机和精密的量测仪器),以及软件的发展。计算机的广泛应用,使得人们能够采用严密的数学处理方法来模拟摄影测量过程中的系统误差,包括摄影机镜头的畸变以及底片的变形。采用数理统计的方法评定观测值的质量和剔除粗差,从而保证成果的可靠性。目前,摄影测量点位测定精度已可达2-4um (像片坐标的精度),取决于摄影测量仪的焦距。地面摄影测量的精度可以达到摄影距离的十万分之一。在变形观测中,应用摄影测量方法具有如下优点: (1) 可以同时测定变形体上任意点的变形; (2) 提供完全和瞬时的三维空间信息; (3) 大量减少野外的测量工作量; (4) 可以不需要接触被测物体; (5) 有了摄影底片、可以观测到变形体以前的状态。 近年来发展起来的数字摄影测量和实时摄影测量为该技术在变形监测中的应用开拓了更加广泛的前景。 四、GPS测量技术 全球定位系统的应用是测量技术的一项革命性变革,它使建立三维网的监测变得简单,且不需要测站间的通视,可以免去建标、砍树之类的工作,并使监测网的一类设计有更多优化的余地。全球定位系统可以提供1×lO-6。的相对定位精度,可以预计,0.1×10-6。或更高的精度终将可以达到。它在精度上和经济上的优越性将使它取代很多传统的地面测量方法。过去几年中,GPS广泛用于各种变形监测。GPS连续自动监测系统已研究成功,并用于San Andreas断层地壳运动和大坝变形的实时监测。 图1-2是大坝连续监测方案,在远离大坝的稳定控制点和坝的两端点上安置能接收L1和L2信号的双频监测单元(双频监测器),为了经济起见,在大坝的监测点上安置单频监测单元(单频监测器),因为坝长度不大,相对大气延迟影响小。监测单元由天线和低成本的接受单元组成,它们组成一个整体。连续监测处理单元(CMPU)包括一台微机和一些附加硬件,监测单元采集的数据通过MODEM输入计算机处理,CMPU还对监测器进行遥控,监视它们的工作。 §1-3 变形监测方案 变形监测方案的制定是变形监测中非常重要的一项工作,它影响到观测的成本以及成果的精度和可靠性,因此应当认真、仔细的进行设计。然而,监测方案随变形体而异,不可能有一个统一的模式,因此本节只讨论在方案拟定中需要考虑的问题。 一、变形量测定的精度 和其它测量工作相比,变形观测要求的精度高,典型精度lmm 或相对精度为 10-6。确定合理的精度是很重要的,过高的要求使测量工作复杂,费用和时间增加;而精度定得太低又会增加变形分析的困难,使所估计的变形参数误差大,甚至会得出不正确的结论。制定变形观测的精度取决于变形的大小、速率、仪器和方法所能达到的实际精度,以及观测目的等。一般来说,如果变形观测是为了确保建筑物的安全,则其观测的误差应小于允许变形值的1/10-1/20;如果是为了研究变形的过程,则其误差应比上面这个数值小得多,甚至应采用目前测量手段和仪器所能达到的最高精度。 地壳变形测量用于预报地震、研究地震和地面变形的关系,以及地震发生的机理,测量精度要求比较高,一般在10-6以上。 不同类型的工程建筑物,变形观测的精度要求差别较大。对于同类工程建筑物,根据其结构、形状不同,要求的精度也有差异。即使同一建筑物,不同部位的精度要求也不同。普通的工业与民用建筑,变形观测的主要内容是基础沉陷和建筑物本身的倾斜。巳般来讲,对于有连续生产线的大型车间(钢结构,钢筋混凝土结构的建筑物),通常要求观测工作能反映出2mm 的沉陷量,因此,对于观测点高程的精度,应在±lmm 以内。特种工程设备(例如高能加速器。大型天线),要求变形观测的精度高达± 0.lmm 。拦河大坝是一类典型的工程建筑物,变形观测的精度要求概括在表1-1中。滑坡变形测定精度一般在几毫米到50毫米。 表1-1 大坝变形观测典型精度 二、监测系统设计 1.监测网 监测网一般分为参考网(也叫绝对网)和相对网。 参考网所有的点一般设置在变形体外,用于测量变形体上目标的“绝对”变形。参考网测量的目的是要验证参考网点本身的稳定性。图1-3是用于某大坝变形观测的参考网,坝上目标点的位移从参考点上用前方交会的方法测定。 相对网的所有点都在变形体上,通过测量网点之间的相对移动来确定变形体的几何变形状态。图1-4是一个监测地壳变形的相对网。 观 测 内 容 沉陷量/mm 水平位移/mm 岩基上的混凝土坝 压缩土上的混凝土坝 土坝: 施工期间 运营期间 1 2 10 5 1 2 10 5 有时,参考网和相对网混合在一起,图1-5所示的是一个用于监测油田地面沉降的一等水准网略图,参考点在油田的周围,尽可能设置在沉降区范围外。参考网通过相对网点联系在一起,单纯参考点本身并没有构成一个完整的网形。 用地面测量方法进行变形观测有时并不一定构成完整的图形,例如用于监测地壳沉降的水准测量,可能只分布在不同地方的一些单水准线路;监测地壳水平方向应变累积的监测方案可能只是一些辐射状的测距边,如图1-6所示。当然这种方案不能提倡,因为难于对它进行观测质量的控制。 以前,水平和高程监测网多是分开布设的,目前的发展趋势是建立三维的变形观测网。 2.变形观测点的位置和观测内容的确定 确定变形观测点的位置是很重要的,一般应选在变形体的关键部位和预计最大变形的地方。对于建筑物,测点除了设在建筑物上,还应在基础和地基周围布设点。 变形观测的主要内容是变形的几何量,包括水平和竖直位移(绝对或相对)、倾斜、应变等;有的还包括一些物理量,例如应力,大坝的渗水和扬压力等。为了解释变形的机理,还要观测变形的原因,如温度(气温,或建筑物内的温度),风力(高层建筑),水库中的水位(大坝)。 3.综合监测系统 §1-2中所介绍的变形观测方法和技术都各有优缺点。常规的地面测量方法精度高,能提供变形整体的变形信息,但野外工作量大,不容易实现连续监测。摄影测量方法野外工作量较少,但精度较低,有时满足不了要求。一些特殊的测量手段如:准直、倾斜、应变测量,它们的最大特点是容易实现连续、自动的监测,长距离遥控遥测,精度也高,但所提供的只 是局部的变形信息。当代的空间测量技术是很有前途的,能提供大范围甚至全球的变形资料,也不受测点间通视的限制。但是,用GPS进行连续监测目前成本还很高。因此,在设计一个变形观测方案时,要综合考虑和应用各种测量方法和技术,取长补短。下面通过几个实例来说明变形观测方法的综合应用。 在某矿区为了监测由于采煤所引起的地面变形,有关单位根据该地区的特点,综合采用了三种变形观测方法:常规地面测量,航空摄影测量,遥测倾斜仪连续监测。观测点的布置见图1-7。5个遥测倾斜仪列阵连续地矿区地面变形的信息,并通过无线电传输把结果送到中央控制室。地面测量采用测距仪、经纬仪极坐标法和三角高程测量,从变形区外的测站上观测变形区内测点的变形。航空摄影测量的摄影航高为700m,地面人工目标点和自然目标点的像点坐标用解析测图仪量测(图中只画出其中几个测点),控制点设置在变形区范围外。 图1-8是我国某地区地壳变形监测系统,包括高精度的三角三边网、跨越断层的准直、短基线、短水准和定点观测边。 图1-9是某混凝土大坝纵剖面图。为了测定大坝的水平位移既在坝顶、1号和3号廊道内设置了激光准直系统;也在1号和3号廊道中分别进行了“引张线法”和 “测小角法”准直,以便互相校核。在主坝段埋设了三条倒锤,用于测定大坝的挠度,并作为准直测量的基点。此外,在主坝的下游河谷地段,设计了一个变形观测参考网,参考网以一等三角测量精度观测(角度测量中误差士0.5″),从参考网点用前方交会法测定坝下游面上目标点的位移。为测定坝和基础的沉陷以及基础的倾斜,在坝顶和底层廊道中进行了精密水准测量,用底层廊道上下游方向上的水准测量成果,计算坝基础的倾斜。另外,还在底层廊道中设置了静力水准测量网,可以和几何水准测量成果互相校核。 三、重复观测的周期或频率 重复观测的周期与频率取决于变形的大小、速度以及观测的目的。在工程建筑物建成的初期,变形的速度比较快,因此观测频率也要大一些。经过一段时间后,建筑物趋于稳定,可以减少观测次数,但要坚持定期观测。例如,有一个拱坝在正常运营20年后,才出现异常,如果没有坚持定期观测,就无法发现,就会发生灾害。以大坝作为例子,变形观测的周期概括在表1-2中。 表1-2 大坝变形观测周期 变形种类 水库蓄水前 水库蓄水 水库蓄水后 2- 3年 正常运营 混凝土坝: 沉 陷 相对水平位移 绝对水平位移 土石坝: 沉陷、水平位移 1个月 半个月 0.5-1个月 1季度 1个月 1周 1季度 1个月 3一6月 半个月 1季度 1季度 半年 1个月 6-12个月 半年 对于地壳变形测量,根据目的不同,观测频率也不同。用于监测长期应变积累,一般每年观测一次,用于中、短期地震预报,观测频率从几星期一次到近于连续的观测。