變形監(jiān)測應用技術

1、變形監(jiān)測應用技術陳敦云(武漢大學測繪學院,武漢,430072;福建省地質測繪院,福州,350011摘要論述變形監(jiān)測技術的意義、內容、精度與各種應用,及其在地質災害預防中的作用。關鍵詞變形監(jiān)測應用地災預防在我們生活的周邊,經(jīng)常發(fā)生著由于地殼運動與氣候因素引發(fā)的地質災害現(xiàn)象:如地震、滑坡、泥石流、地裂縫、橋梁與建筑物的倒塌。隨著科學手段的發(fā)展,帶動了工程機械化,加快了工程項目建設的速度。人類對自然界的改造,導致了地質災害時有發(fā)生,例如城市地下水過量抽取造成地面下陷,建筑物的形變;礦區(qū)地下大量開采造成沉陷、透水、冒落;水庫大壩超荷載的潰壩等。這些地質災害的發(fā)生,給人民生命財產造成巨大損失,嚴重地擾亂

2、了人們正常的生活秩序,這種危害的產生往往是在自然界的變形達到了極限的時候。如果我們能有效測量物體變形之大小和速度,就可以提出預報和防治,從而保證人們生命財產的安全。這個預知的有效手段就是進行變形監(jiān)測。變形監(jiān)測就是利用測量方法與專用儀器對變形體的變形現(xiàn)象進行監(jiān)視觀測的工作,其任務是確定在各種荷載和外力的作用下,掌握變形體的形狀、大小及位置變化的空間狀態(tài)和時間特征。1變形監(jiān)測的意義111確保安全通過變形監(jiān)測分析掌握各種建筑物和地質構造的穩(wěn)定性,為安全性判斷提供必要信息,及時分析原因發(fā)現(xiàn)問題,以便采取適當?shù)挠行Т胧?。例?1998年長江流域洪災中,隔河巖大壩外觀變形GPS 自動化監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮了巨大的

3、作用,確保了安全渡訊,避免了荊江大堤災難性的分洪。112驗證設計測量工作者對變形資料提供幾何解釋,更好地理解變形的機理,以驗證有關工程設計的理論。113災害防治從變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析上預測,起到提前防范的作用,達到安全目的。例如:1985年6912第4期福建地質Geology of Fujian 收稿日期:2006209219作者簡介:陳敦云(19732,男,測繪工程師,在讀測繪工程碩士學位。022福建地質Geology of Fujian第25卷月12日長江三峽新灘滑坡的成功預報,使得災害損失減少到最低程度。2變形監(jiān)測內容變形信息內容及獲取方法的選擇取決于變形體的特征、目的。(1工業(yè)與民用建筑監(jiān)

4、測,主要進行沉陷、日照變形、傾斜及裂縫觀測等?；舆吰逻M行垂直位移、水平位移、基坑回彈監(jiān)測。(2高層建筑監(jiān)測,測定在風力、溫度等作用下建筑物頂部的傾斜、動態(tài)變形(振幅與頻率。(3橋梁監(jiān)測,測定在動荷載作用下的振動大小;橋墩垂直位移,橋面水平、垂直位移。(4水工建筑物變形監(jiān)測,施工期臨時圍堰監(jiān)測、近壩區(qū)滑坡監(jiān)測;對水庫土壩進行水平位移、垂直位移觀測、撓度、傾斜以及裂縫觀測;對混凝土重力壩進行水平、垂直位移、應力、應變及伸縮縫等的觀測。(5監(jiān)測礦區(qū)巖層與地表移動,通過處理礦區(qū)的觀測資料,在斷面圖的上方繪制觀測的各種曲線圖。在各種曲線圖的基礎上,確定移動角和最大下沉角。(6古文物的保護監(jiān)測,采用近景

5、攝影測量方法進行量測收藏復制,定期監(jiān)測以防止毀壞。(7地下工程變形監(jiān)測,地下建構筑物的柱基、墩臺的垂直位移、水平位移、傾斜;地下隧道拱頂下沉、底板垂直位移、側墻撓曲、襯砌結構變形。3變形監(jiān)測的精度保證(1精度要求主要取決于該工程建筑物預計的允許變形值的大小進行觀測。國際測量工作者聯(lián)合會(FIG在第十三屆會議提出:如果觀測的目的是為了使變形值不超過某一允許值而確保建筑的安全,則其觀測的中誤差應小于允許變形值的1/10-1/20;如果觀測的目的是為了驗證設計,那精度要求就要比這個數(shù)據(jù)小得多。一般認為,混凝土大壩、大型車間應能反應出±1mm;土建建筑物、不連續(xù)車間應能反應出±2m

6、m;以科研為目的,精度要求達到±011mm1。(2觀測的頻率決定于變形值的大小和變形速度、工程地質條件、施工進程、以及觀測的目的。土石壩觀測頻次為施工期每月3次,初蓄期每月4次;高層建筑物竣工后第一年每月1次,第二年每兩月1次,第三年半年測一次,第四年后每年測一次,直至穩(wěn)定。按國家工程測量規(guī)范和合同約定操作。在特殊情況下進行緊急觀測,增加觀測次數(shù)。在運營期間根據(jù)變化快慢而定,每月、每季度、每半年或每年觀測一次,直至穩(wěn)定。(3觀測所需的儀器精度保證和觀測費用的制約。應選用測距精度不低于1+1pp m和測角精度不大于015的全站儀;觀測人員、設備、路線應固定。陳金水,羅水芳,馮錫昌,福建

7、省穆陽溪芹山水電站蓄水安全鑒定自檢報告,福建水口水利水電建設監(jiān)理中心,200016(4應保證基準點牢固穩(wěn)定,整個作業(yè)過程不被破壞,須檢驗自身無發(fā)生變化。測站與鏡站盡量用強制對中,觀測標志應便于觀測且每次照準位置一致。(5精密近景攝影測量在實際應用中為提高測點精度,實現(xiàn)量測自動化,使用回光反射標志為提高精度和可靠性,一般采用多站和多片立體攝影2。(6城市地面沉降、高層建筑物、大壩垂直位移采用二等水準測量;礦區(qū)地表沉陷采用三等水準測量。4變形監(jiān)測幾種應用技術411地面監(jiān)測方法(1前方交會(方向前方交會、距離前方交會、邊角前方交會、后方交會(測邊后方交會、三點極坐標后方交會、極坐標法應用于大壩下游壩

8、面上的觀測點以及拱壩的觀測。傳統(tǒng)的極坐標法、方向交會法等測得點位精度較高4,5。(2視準線法(小角法、活動覘牌法應用于測定建筑物的水平位移。(3幾何水準測量、三角高程測量應用于垂直位移,沉降與回彈監(jiān)測。412測量機器人是一種在全站儀基礎上集成步進馬達、CCD 影像傳感器構成的視頻成像系統(tǒng),并配置智能化的控制及應用軟件發(fā)展形成的,能自動搜索、跟蹤、辨識和精確照準目標并獲取信息。此技術已應用于地鐵、隧道、橋梁變形監(jiān)測(圖1、表1。圖1顯示大橋Q1點所在墩位7:009:00振動值為2mm 8mm ,11:0015:00振動值為1mm 15mm ,分析為這兩時段車流量較大,且受日照溫度升高影響的結果。

9、在動荷載作用下大橋振動值變化在較小范圍內(±15mm ,具有較高的穩(wěn)定性 。圖1監(jiān)測點變化過程圖Fig 11Diagram showing the change events of monitoring points413地面攝影測量在攝站對變形體進行攝影,然后通過內業(yè)數(shù)據(jù)處理得到變形監(jiān)測點的坐標,比較不同時刻目標點的坐標差異得到它們的位移。目前已發(fā)展到數(shù)字攝影測量,利用數(shù)字影像處理技術和數(shù)字影像匹配技術獲得同名像點的坐標,再計算對應物點的空間坐標。地面攝影測量進行變形觀測有兩種基本方式:固定攝站的時間基線法、地面立體攝影測量法。應用于古文物保護監(jiān)測、護坡監(jiān)測、工業(yè)高溫高壓區(qū)結構性測

10、量。德國使用此法對熱電廠162m 的冷卻塔122第4期陳敦云:變形監(jiān)測應用技術222福建地質Geology of Fujian第25卷進行變形觀測,計算出三維坐標各分量平均誤差均為215mm。地面攝影測量已逐漸形成獨立的分支學科。表1Q1點第二期計算成果(X0=200015512,Y0=100136001H=8018418 T able1Second phase of calculated results for Q1monitoring pointsX坐標Y坐標H坐標與首期X差與首期Y差與首期Z差觀測時間414GPS變形監(jiān)測自動化系統(tǒng)2000年10月武漢大學測繪學院應用該系統(tǒng)對廈門建行超高層

11、大廈進行動態(tài)特性監(jiān)測,該樓有43層,在樓頂布設一點,地面布設兩點組成GPS監(jiān)測網(wǎng),獲得數(shù)據(jù)采用小波分析,有效地從受強噪聲干擾的原信號中提取弱信號。鑒測結果表明該技術可以實現(xiàn)數(shù)值小于1mm,甚至更小的結構振動幅值的確定。415特殊測量手段(1波帶板激光準直測量、引張線法:應用于直線型混凝土重力壩壩體廊道內布設的觀測點進行水平位移觀測等。(2液體靜力水準測量:廣泛應用于各種工程建筑物進行沉陷與傾斜觀測,適用于有輻黃聲享,高等應用測量課程講義,2006。射危險、帶電、爆炸危險或高溫、塵埃等污染情況下監(jiān)視設備的穩(wěn)定性。我國丹江口水利樞紐重力壩的橫向廊道采用固定設置的液體靜力水準儀進行大壩的傾斜測量。(

12、3應變測量:混凝土應力、鋼筋應力、溫度等引起變化內部形變觀測。(4傾斜測量:地面布設兩測站,對應觀測物基本成正交位置,各測站用水平角測量的方法測定頂端和地板上中心點的夾角,然后用矢量相加辦法,可求得該建構筑物的偏歪值。此法可應用于測定煙囪或塔狀高聳物的傾斜。(5撓度觀測:就是建構筑物的垂直面內各不同高程點相對于底點的水平位移。可采用電子測斜儀觀測,也可采用光電觀測系統(tǒng),可應用于高層建筑動態(tài)變形觀測。5結語變形監(jiān)測技術發(fā)展迅速,其技術手段豐富多樣,相互影響存在,已在諸多領域應用。隨著工程建設的發(fā)展而興起,并逐漸被人們重視,在地質災害防治監(jiān)測方面發(fā)揮重要作用,并作為重點工程建設必不可少的監(jiān)測控制手

13、段。涉及到測量、水文、結構力學、地質、地球物理、數(shù)學、計算機等諸多學科的知識,是一項跨學科的研究,正向邊緣學科的方向發(fā)展,已成為測量工作者與其他學科合作研究的領域。參考文獻1李青岳,陳永奇主編1工程測量學1北京:測繪出版社,19952陳永奇,張正祿,吳子安等編著1高等應用測量1武漢測繪科技大學出版社,19963趙安明1方向觀測后方交會的點位精度1測繪信息與工程,1998(124劉成龍1極坐標法測量精度評定方法的研究1鐵道學報,1996(6Applied technique of deformation monitoringChen Dunyun(Fuj i an I nstit ute of Geological S urvey an d D raw i ng ,Fuz hou ,350011;S urvey and M a p pi ng I nstit ute of W uhan U ni versit y ,W uhan ,430072AbstractThe paper focuses on t he discussion of significance ,substance ,precision and some ap 2plications of t he deformation monitoring technique.It also has a