1、2022-12-281变形监测与变形分析第三第三 章水平位移监测技术章水平位移监测技术2022-12-282主要内容主要内容第三章水平位移监测技术概述交会法观测精密导线测量视准线测量(活动觇牌法和小角度观测法）引张线测量垂线测量激光准直测量2022-12-2831 1概述概述第三章水平位移监测技术大型工程建筑物由于本身的自重、混凝土的收缩、土料的沉陷及温度的变化等原因，将使建筑物本身产生平面位置的相对移动。适时监测建筑物的水平位移量，能有效地监控建筑物的安全状况，并可根据实际情况采取适当的加固措施。2022-12-284测点布设（测点布设（1）第1节概述建筑物水平位移监测的测点宜按两个层次布设
2、，即由控制点组成首级网（控制网）、由观测点及所联测的控制点组成次级网（拓展网）；对于单个建筑物上部或构件的位移监测，可将控制点连同观测点按单一层次布设。2022-12-285测点布设（测点布设（2）第1节概述控制网可采用测角网、测边网、边角网和导线网等形式，扩展网和单一层次布网有角度交会、边长交会、边角交会、基准线和附合导线等形式。各种布网均应考虑网形强度，长短边不宜悬殊过大。为保证变形监测的准确可靠，每一测区的基准点不应少于2个，每一测区的工作基点亦不应少于2个。基准点、工作基点应根据实际情况构成一定的网形，并按规范规定的精度定期进行检测。2022-12-286控制点的型式及埋设要求控制点的
3、型式及埋设要求 第1节概述对特级、一级及有需要的二级、三级位移观测的控制点，应建造观测墩或埋设专门观测标石，并应根据使用仪器和照准标志的类型，顾及观测精度要求，配备强制对中装置。用于位移监测的基准点（控制点）应稳定可靠，能够长期保存，且建立在便于观测的稳妥的地方。位移监测点（观测点）应与变形体密切结合，且能代表该部位变形体的变形特征。2022-12-287第1节概述强制对中装置强制对中装置P1312022-12-288观测墩浇筑观测墩浇筑P130第1节概述2022-12-289观测墩形式观测墩形式第1节概述2022-12-2810第1节概述水平位移监测基准点水平位移监测基准点2022-12-2
4、811第1节概述照准觇牌照准觇牌2022-12-2812常用方法（常用方法（1）第1节概述大地测量法主要包括：三角网测量法、精密导线测量法、交会法等。该方法通常需人工观测，劳动强度高，速度慢，特别是交会法受图形强度、观测条件等影响明显，精度较低。基准线法该方法特别适用于直线形建筑物的水平位移监测，其类型主要包括：视准线法、引张线法、激光准直法和垂线法等。2022-12-2813控制网控制网第1节概述2022-12-2814常用方法（常用方法（2）第1节概述专用测量法即采用专门的仪器和方法测量两点之间的水平位移，如：多点位移计、光纤等。GPS测量法利用GPS自动化、全天候观测的特点，在工程的外部
5、布设监测点，可实现高精度、全自动的水平位移监测，该技术已经在我国的水利、桥梁等工程中得到应用。2022-12-28152 2交会法观测交会法观测 第三章水平位移监测技术交会法是利用2个或3个已知坐标的工作基点，测定位移标点的坐标变化，从而确定其变形情况的一种测量方法。该方法具有观测方便、测量费用低、不需要特殊仪器等优点，特别适用于人难以到达的变形体的监测工作，如：滑坡体、悬崖、坝坡、塔顶、烟囱等。该方法的主要缺点是测量的精度和可靠性较低，高精度的变形监测一般不采用此方法。该方法主要包括测角交会、测边交会和后方交会三种方法。2022-12-2816第2节交会法观测在进行交会法观测时，首先应设置工
6、作基点。工作基点应尽量选在地质条件良好的基岩上，并尽可能离开承压区，且不受人为的碰撞或震动。工作基点应定期与基准点联测，校核其是否发生变动。工作基点上应设强制对中装置，以减小仪器对中误差的影响。工作基点到位移监测点的边长不能相差太大，应大致相等，且与监测点大致同高，以免视线倾角过大，影响测量的精度。为减小大气折光的影响，交会边的视线应离地面或障碍物在1.2m以上，并应尽量避免视线贴近水面。在利用边长交会法时，还应避免周围强磁场的干扰影响。注意事项注意事项2022-12-2817测角交会法测角交会法 第2节交会法观测ctgctgyyctgxctgxxABBAPctgctgxxctgyctgyyA
7、BBAP采用测角交会法时，交会角最好接近90，若条件限制，也可设计在60120之间。工作基点到测点的距离，一般不宜大于300m，当采用三方向交会时，可适当放宽要求。222sinsin)(sinDmmp2022-12-2818测角交会误差椭圆测角交会误差椭圆第2节交会法观测P136-1372022-12-2819测边交会法测边交会法 APAPAPAPbyybxxsincos22sin1bapmmm第2节交会法观测在使用该法时应注意下列几点：角通常应保持在60至120之间；测距要仔细，以减小测边中误差ma和mb；交会边长度a和b应力求相等，且一般不宜大于600m2022-12-2820后方交会法后
8、方交会法 BPBPxxxBPBPxkyy)()()sin(2232112bsbsmsmp第2节交会法观测在实际测量过程中，还应注意工作基点和监测点不能在同一个圆周上（危险圆），应至少离开危险圆周半径的20%。2022-12-28213 3精密导线测量精密导线测量 第三章水平位移监测技术精密导线法是监测曲线形建筑物（如拱坝等）水平位移的重要方法。按照其观测原理的不同，又可分为精密边角导线法和精密弦矢导线法。弦矢导线法是根据导线边长变化和矢距变化的观测值来求得监测点的实际变形量。边角导线法则是根据导线边长变化和导线的转折角观测值来计算监测点的变形量。由于导线的两个端点之间不通视，无法进行方位角连测
9、，故一般需设计倒垂线控制和校核端点的位移。2022-12-2822第3节精密导线测量边角导线边角导线2022-12-2823第3节精密导线测量弦矢导线弦矢导线2022-12-28244 4全站仪空间交会全站仪空间交会 第三章水平位移监测技术原理：全站仪架设在已知点上，只要输入测站点、后视点的坐标，瞄准后视点定向，按下反算方位角键，则仪器自动将测站与后视的方位角设置在该方向上。然后，瞄准待测目标，按下测量键，仪器将很快地测量水平角、垂直角、距离，并利用这些数据计算待测点的三维坐标。2022-12-2825ZSHZSYZSXcossinsincossin2222222222222222222222
10、2222222222222/sincos/cossin/sincossinsin/sinsin/coscoscossinZSHZSYZSXmZSZmMmZSmZSZmMmZSmZSZmM坐标测量原理坐标测量原理第4节全站仪观测2022-12-2826第4节全站仪观测测量机器人变形监测系统测量机器人变形监测系统2022-12-28275 5视准线测量视准线测量 第三章水平位移监测技术视准线法是基准线法测量的方法之一，它是利用经纬仪或视准仪的视准轴构成基准线，通过该基准线的铅垂面作为基准面，并以此铅垂面为标准，测定其他观测点相对于该铅垂面的水平位移量的一种方法。为保证基准线的稳定，必须在视准线的两
11、端设置基准点或工作基点。视准线法所用设备普通，操作简便，费用少，是一种应用较广的观测方法。该方法同样受多种因素的影响，如：照准精度、大气折光等，操作不当时，误差不容易控制，精度会受到明显的影响。2022-12-2828第5节视准线测量视准线观测原理及观测点的布设视准线观测原理及观测点的布设2022-12-2829视准线的布置（视准线的布置（1 1）第5节视准线测量视准线一般分三级布点，即基准点、工作基点和观测点，当条件允许时，也可将基准点和工作基点合并布设。视准线的两个基点必须稳定可靠，即应选择在较稳定的区域，并具备有高一级的基准点经常检核的条件，且便于安置仪器和观测。各观测点基本位于视准基面
12、上，且与被检核的建筑部位牢固地成为一体。整条视准线离各种障碍物需有一定距离，以减弱旁折光的影响。2022-12-2830第5节视准线测量工作基点（端点）和观测点应浇筑混凝土观测墩，埋设强制对中底座。墩面离地表1.2m以上，以减弱近地面大气湍流的影响。为减弱观测仪竖轴倾斜对观测值的影响，各观测墩面力求基本位于同一高程面内。位移标点的标墩应与变形体连结，从表面以下0.30.4m处起浇筑。其顶部也应埋设强制对中设备，常常还在位移标点的基脚或顶部设铜质标志，兼作垂直位移的标点。视准线的长度一般不应超过300m，当视线超过300m时，应分段观测，即在中间设置工作基点，先观测工作基点的位移量，再分段观测各
13、观测点的位移量，最后将各位移量化算到统一的基准下。视准线的布置（视准线的布置（2 2）2022-12-2831第5节视准线测量观测使用的照准标牌图案应简单、清晰、有足够的反差、成中心对称，这对提高视准线观测精度有重要影响。觇标分为固定砚标和活动觇标。前者是安置在工作基点上，供经纬仪瞄准构成视准线用；后者是安置在位移标点上，供经纬仪瞄准以测定位移标点的偏离值用。视准线的布置（视准线的布置（3 3）2022-12-2832第5节视准线测量活动觇牌活动觇牌2022-12-2833 活动觇牌法观测时，在A点设置经纬仪，瞄准B点后固定照准部不动。在欲测点上放置活动觇牌，由A点观测人员指挥，B点操作员旋动
14、活动觇牌，使觇牌标志中心严格与视准线重合。读取活动觇牌的读数，并与觇牌的零位值相减，就获得待测点偏离AB基准线的偏移值。转动觇牌微动螺旋重新瞄准，再次读数，如此共进行24次，取其读数的平均值作为上半测回的成果 倒转望远镜，按上述方法测下半测回，取上下两半测回读数的平均值为一测回的成果。第5节视准线测量活动觇牌法测量活动觇牌法测量2022-12-2834活动觇牌法观测的步骤活动觇牌法观测的步骤 第5节视准线测量视准线端点架设好经纬仪，在另一端点安置固定觇牌，经纬仪严格照准固定觇牌中心，并固定仪器。观测点上架好活动觇牌，经纬仪盘左位置，由观测员指挥点上操作员，旋动觇牌中心线严格与视准线重合，读取测
15、微器读数。操作员反方向导入活动觇牌，使其中心线严格与视准线重合，读取测微器读数。以上是半测回工作。转动经纬仪到盘右位置，重新严格照准B点觇牌，再重复盘左操作步骤，完成一测回的观测工作。第二测回开始，仪器应重新整平。根据需要，每个观测点需测量24个测回。一般说来，当用DJ1型经纬仪观测，测距在300m以内时，可测23测回，其测回差不得大于3mm，否则应重测。2022-12-2835小角法测量小角法测量（1）AiiDl11BiiDl2112221()()iiiiAilDiDlDmmmDmmm忽略，第5节视准线测量2022-12-2836BiAiBiAiiDDDDl)180(0max2iAiBilA
16、iBiAiBiilimDDmDDmDDDmD当时，这种布置形式对提高测定偏离值的精度更为有利。第5节视准线测量若在待测点i上观测，则：小角法测量小角法测量（2）2022-12-28376 6引张线测量引张线测量 所谓引张线，就是在两个工作基点间拉紧一根不锈钢丝而建立的一条基准线。以此基准线对设置在建筑上的变形监测点进行偏离量的监测，从而可求得各测点水平位移。引张线法是精密基准线测量的主要方法之一，广泛应用于各种工程测量。前苏联较早将其应用于大坝水平位移观测，20世纪60年代该方法引入国内，并在我国大坝安全监测领域得到了广泛的应用。第三章水平位移监测技术2022-12-2838在直线形建筑物中用
17、引张线方法测量水平位移，因其设备简单，测量方便，速度快，精度高，成本低，在我国得到了广泛的应用，特别是在大坝安全监测中起着重要作用。在采用引张线自动观测设备后，可克服观测时间长、劳动强度大等不利因素，进一步发挥引张线在安全监测中的作用。早期安装在大坝上的引张线仪，由人工测读水平位移。随着自动化技术的发展，国内已有步进电机光电跟踪式引张线仪、电容感应式引张线仪、CCD式引张线仪，以及电磁感应式引张线仪等。第6节引张线测量引张线测量引张线测量2022-12-2839有浮托引张线有浮托引张线 主要包括端点装置、测点装置、测线及其保护管。端点装置可采用一端固定、一端加力的方式，也可采用两端加力的方式。
18、加力端装置包括定位卡、滑轮和重锤，固定端装置仅有定位卡和固定栓。定位卡的作用是保证测线在更换前后的位置保持不变，定位卡的“V”形槽槽底应水平，且方向与测线一致。滑轮的作用是使测线能平滑移动，在安装时，应使滑轮槽的方向及高度与定位卡的“V”形槽一致。重锤的大小应根据测线的长度确定，引张线长度在200m600m时，一般采用40kg80kg的重锤张拉。第6节引张线测量2022-12-28401滑轮；滑轮；2线锤连接装置；线锤连接装置；3重锤；重锤；4混凝土墩座；混凝土墩座；5测线；测线；6夹线装置；夹线装置；7钢筋支架；钢筋支架；8保护管保护管引张线加力端结构引张线加力端结构第6节引张线测量2022
19、-12-2841测点装置测点装置有浮脱引张线的测点装置包括水箱、浮船、读数尺、底盘和测点保护箱。浮船的体积通常为其承载重量与其自重之和的排水量的1.5倍。水箱的长、宽、高为浮船的1.52倍，水箱水面应有足够的调节余地，以便调整测线高度满足量测工作的需要，寒冷地区水箱中应采用防冻液。读数尺的长度应大于位移量的变幅，一般不小于50mm，同一条引张线的读数尺零方向必须一致，一般将零点安装在下游侧，尺面应保持水平，尺的分划线应平行于测线，尺的位置应根据尺的量程和位移量的变化范围而定。第6节引张线测量2022-12-2842测点装置示意图测点装置示意图第6节引张线测量2022-12-2843测线一般采用
20、0.81.2mm的不锈钢丝，要求表面光滑，粗细均匀，抗拉强度大。为了防风及保护测线，通常用把测线套在保护管内。保护管的管径应大于位移量的23倍，并在管中呈自由状态，以前主要用钢管，现在大多用PVC管。保护管安装时，宜使测线位于保护管中心，至少须保证测线在管内有足够的活动范围，保护管和测点保护箱应封闭防风。第6节引张线测量测线测线2022-12-2844引张线观测步骤引张线观测步骤检查整条引张线各处有无障碍，设备是否完好；在两端点处同时小心地悬挂重锤，张紧钢丝，利用夹线装置将钢丝夹紧，使引张线在端点处固定；对每个水箱加水，使钢丝离开不锈钢标尺面0.3mm0.5mm，同时检查各观测箱，不使水箱边缘
21、或读数标尺接触钢丝，浮船应处于自由浮动状态；采用读数显微镜观测时，先用目视读取标尺上的读数，然后用显微镜读取毫米以下的小数。由于钢丝有一定的宽度，不能直接读出钢丝中心线对应的数值，所以必须读取钢丝左右两边对应于不锈钢尺上的数值，然后取平均求得钢丝中心的读数；从引张线的一端观测到另一端为一测回，每次观测应进行三测回，三测回的互差应小于0.2mm，测回间应轻微拨动中部测点处的浮船，并待其静止后再观测下一测回。观测工作全部结束后，先松开夹线装置再下重锤。第6节引张线测量2022-12-28450LLi 设引张线第i个监测点的首次的读数为L0，本次观测的读数为L，若不考虑端点的位移，则观测点的位移值为
22、：第6节引张线测量原理原理2022-12-2846端点位移改正端点位移改正)(BAiBiDDiiLL0第6节引张线测量2022-12-2847无浮托引张线无浮托引张线随着大坝安全监测自动化程度的不断提高，引张线观测技术也由人工观测向自动化观测的方向发展。在实现引张线自动观测时，目前大多数情况是在浮托引张线法的基础上增加自动测读设备，形成引张线自动观测系统。第6节引张线测量2022-12-2848有浮托引张线存在的问题有浮托引张线存在的问题回避了引张线观测前的检查和调整工作，在自动观测时不能确定测线是否处于正常工作状态；忽略了测回间对测线进行拨动的程序要求，不能有效地检验和消除浮托装置所引起的测
23、线复位误差；浮液长期不进行更换，浮液被污染或变质，增加了对浮船的阻力，增大了测线的复位误差。第6节引张线测量2022-12-2849无浮托引张线无浮托引张线第6节引张线测量2022-12-2850观测设备观测设备无浮托引张线其观测原理与有浮托的基本相同，但它的设备较为简单。引张线的一端固定在端点上，另一端通过滑轮悬挂一重锤将引张线拉直，取消了各测点的水箱和浮船等装置，在各测点上只安装读数尺和安装引张线仪的底板，用以测定读数尺或引张线仪相对于引张线的读数变化，从而算出测点的位移值。第6节引张线测量2022-12-2851观测方法观测方法无浮托引张线的观测方法与有浮托的基本相同，既可用显微镜在各测
24、点的读数尺上读数，亦可在各测点上安装光电引张线仪进行遥测。由于它不需到现场调节各测点的水位，测点的障碍物也较少，不仅节约大量时间，且其稳定性和可靠性都高于有浮托的引张线，可以实现引张线观测的全自动化。第6节引张线测量2022-12-2852误差分析误差分析引张线测量系统的误差主要包括观测误差和外界条件的影响两个方面。观测误差与所用的观测仪器、作业方法、观测人员的熟练程度等因素有关。除测点观测误差外，还取决于它的复位误差。在引张线观测时，由于风的作用，可能会使测线产生明显的偏离，从而产生明显的观测误差。因此，在观测时，应关闭廊道及通风口门，观测点保护箱应盖严。第6节引张线测量2022-12-28
25、537 7 垂线测量垂线测量 垂线有两种形式：正垂线和倒垂线。正垂线一般用于建筑物各高程面处的水平位移监测、挠度观测和倾斜测量等。倒垂线大多用于岩层错动监测、挠度监测，或用作水平位移的基准点。第六章水平位移监测技术P16 图图2-10，2-112022-12-2854垂线系统结构垂线系统结构正垂由一根悬挂点处于上部的垂线和一个安装在建筑物上正垂由一根悬挂点处于上部的垂线和一个安装在建筑物上处于垂线下部的测读站组成。垂线下部悬挂一重锤使其处处于垂线下部的测读站组成。垂线下部悬挂一重锤使其处于拉紧状态，重锤置于阻尼箱内，以抑制垂线的摆动。于拉紧状态，重锤置于阻尼箱内，以抑制垂线的摆动。倒垂的固定端
26、灌注在整个垂线系统的下部，垂线由上面的倒垂的固定端灌注在整个垂线系统的下部，垂线由上面的浮筒拉紧。如果锚固安装在基础内的固定点上，测站的测浮筒拉紧。如果锚固安装在基础内的固定点上，测站的测量值是沿垂线测点的绝对位移量。量值是沿垂线测点的绝对位移量。正正(倒倒)垂线的测量可由一台固定的读数盘进行人工测读，垂线的测量可由一台固定的读数盘进行人工测读，也可用可移动的带遥测读数单元的坐标仪进行（遥测垂线也可用可移动的带遥测读数单元的坐标仪进行（遥测垂线坐标仪）遥测读数。采用何种读数方法取决于监测理、预坐标仪）遥测读数。采用何种读数方法取决于监测理、预期位移量以及测量精度要求。期位移量以及测量精度要求。
27、第7节垂线测量2022-12-2855正垂线及倒垂线正垂线及倒垂线第7节垂线测量2022-12-2856读数盘读数盘第7节垂线测量2022-12-2857垂线特垂线特 性性 高精度和高分辨率高精度和高分辨率 长期可靠性长期可靠性 高稳定性高稳定性 精度优于大地测量精度优于大地测量 有计划地监测，没有频繁的昂贵测试有计划地监测，没有频繁的昂贵测试 容易安装容易安装 可以装备成遥测和采用遥测坐标仪实现自可以装备成遥测和采用遥测坐标仪实现自动化数据采集动化数据采集 第7节垂线测量2022-12-2858在变形监测中，正垂线应设置保护管，其目的一方面可保护垂线不受损坏，另一方面可防止风力的影响，提高垂
28、线观测值的精度。在条件良好的环境中，也可不加保护管，例如，重力拱坝的垂线可设置在专门设计的竖井内。正垂线使用注意事项正垂线使用注意事项第7节垂线测量2022-12-2859测线测线测线应采用强度较高的不锈钢丝或不锈铟瓦丝；其直径的选择应保证极限拉力大于浮子浮力的3倍，通常选用直径1.0mm1.2mm的钢丝。要求表面光滑、抗拉强度高。第7节垂线测量2022-12-28608 8激光准直测量激光准直测量第六章水平位移监测技术激光准直测量按照其测量原理可分为直接测量和衍射法准直测量两种，按照其测量环境可分为大气激光准直和真空激光准直。在大气条件下，激光准直的精度一般为10-510-6，影响其精度的主
29、要原因是大气折光的影响。在真空条件下，激光准直的精度可达10-710-8，其精度较大气激光准直有明显的提高，但其工程的造价和系统的维护费用也相应的提高。目前，在水利工程的变形监测中，主要采用衍射法激光准直测量。2022-12-2861波带板大气激光准直系统波带板大气激光准直系统波带板大气激光准直系统主要由激光器点光源、波带板和接收靶三部分组成。第8节激光准直测量2022-12-2862激光器点光源激光器点光源由氦氖气激光管发出的激光束经聚光透镜聚焦在针孔光阑内，形成近似的点光源，照射至波带板，针孔光阑的中心即为固定工作基点的中心。2022-12-2863波带板波带板(a)(a)圆形波带板圆形波
30、带板(b)(b)方形波带板方形波带板波带板的形式有圆形和方形两种，其作用是把从激光器发出的一束单色相干光会聚成一个亮点（圆形波带板）或十字亮线（方形波带板），它相当于一个光学透镜。第8节激光准直测量2022-12-2864接收靶接收靶接收靶可采用普通活动觇牌按目视法接收，也可用光电接收靶进行自动跟踪接收。第8节激光准直测量2022-12-2865工作原理工作原理采用波带板激光准直法观测水平位移，是将激光器和接收靶分别安置在两端固定工作基点上，波带板安置在位移标点上，并要求点光源、波带板中心和接收靶中心三点基本上同在一高度上，这在埋设工作基点和位移标点时应考虑满足此条件。当激光器发出的激光束照准波带板后，在接收靶上形成一个亮点或“”字亮线，按照三点准直法，在接收靶上测定亮点或十字亮线的中心位置，即可决定位移标点的位置，从而求出其偏离值。第8节激光准直测量2022-12-2866工作原理图工作原理图第8节激光准直测量2022-12-2867iABAiiss波带板激光准直测量波带板激光准直测量第8节激光准直测量
