1、1变形监测与数据处理第三章水平位移监测技术第三章水平位移监测技术2主要内容主要内容第五章水平位移监测技术概述交会法观测精密导线测量全站仪观测视准线测量引张线测量垂线测量激光准直测量331.11.1水平位移观测的内容水平位移观测的内容第一节概述建筑物水平位移观测包括位于特殊性土地区的建筑物地基基础水平位移观测、受高层建筑基础施工影响的建筑物及工程设施水平位移观测以及挡土墙、大面积堆载等工程中所需的地基土深层侧向位移观测等，应测定在规定平面位置上随时间变化的位移量和位移速度。441.21.2水平位移产生的原因水平位移产生的原因第一节概述产生水平位移的原因主要是建筑物及其基础受到水平应力的影响而产生
2、的地基的水平移动。551.31.3水平位移观测的意义水平位移观测的意义第一节概述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。61.4 1.4 水平位移观测水平位移观测基本原理基本原理 第1节概述00YYXXkykxtvmn均 设建筑物某个点在第k次观测周期所得相应坐标为Xk、Yk，该点的原始坐标为X0、Y0，则该点的水平位移为：某一时间段（t）内变形值的变化用平均变形速度来表示。例如，在第n和第m观测周期相隔时间内，观测点的平均变形速度等于：若t时间段以月份或年份数表示时，则v均为月平均变化速度或年平均变化速度。71.5 1.5 测点布设（测点
3、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，即由控制点组成控制网、由观测点及所联测的控制点组成扩展网；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。81.5 1.5 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。91.6 1.6
4、 控制点的型式及埋设要求控制点的型式及埋设要求 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。10第1节概述强制对中装置强制对中装置11观测墩浇筑观测墩浇筑第1节概述12观测墩形式观测墩形式第1节概述13第1节概述水平位移监测基准点水平位移监测基准点14第1节概述固定式照准牌固定式照准牌151.7 1.7 常用方法常用方法第
5、1节概述水平位移观测方法的选用水平位移观测方法的选用序号序号具体情况或要求具体情况或要求 方法选用方法选用1测量地面观测点在特定方测量地面观测点在特定方向的位移向的位移基准线法（包括视准线法、激光准直基准线法（包括视准线法、激光准直法、引张线法等）法、引张线法等）2测量观测点任意方向位移测量观测点任意方向位移可视观测点的分布情况，采用前方交可视观测点的分布情况，采用前方交会法或方向差交会法、精密导线测量会法或方向差交会法、精密导线测量法或近景摄影测量等方法法或近景摄影测量等方法3对于观测内容较多的大测对于观测内容较多的大测区或观测点远离稳定地区区或观测点远离稳定地区的测区的测区宜采用三角、三边
6、、边角测量与基准宜采用三角、三边、边角测量与基准线法相结合的综合测量方法线法相结合的综合测量方法4测量土体内部侧向位移测量土体内部侧向位移可采用测斜仪观测方法可采用测斜仪观测方法16控制网控制网第1节概述171.8 1.8 观测周期观测周期第1节概述 水平位移观测的周期，对于不良地基土水平位移观测的周期，对于不良地基土地区的观测，可与一并进行的沉降观测协调地区的观测，可与一并进行的沉降观测协调考虑确定；对于受基础施工影响的位移观测，考虑确定；对于受基础施工影响的位移观测，应按施工进度的需要确定，可逐日或隔数日应按施工进度的需要确定，可逐日或隔数日观测一次，直至施工结束；对于土体内部侧观测一次，
7、直至施工结束；对于土体内部侧向位移观测，应视变形情况和工程进展而定。向位移观测，应视变形情况和工程进展而定。181.9 1.9 提交成果提交成果 第1节概述（1）水平位移观测点位布置图；（2）观测成果表；（3）水平位移曲线图；（4）地基土深层侧向位移图（视需要提交）；（5）当基础的水平位移与沉降同时观测时，可选 择典型剖面，绘制两者的关系曲线；（6）观测成果分析资料。19 192.12.1交会法观测概述交会法观测概述 第二节交会法观测原理: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。优点:该方法具有观测方便、测量费用低、不需要特殊仪器等优
8、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。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。主要包括:测角交会、测边交会和后方交会三种方法。20 20第二节交会法观测21第2节交会法观测在进行交会法观测时，首先应设置工作基点。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。2.2 注意事项注意事项22第2节交会法观测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
9、，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。2.2 注意事项注意事项(续续)23测角交会法测角交会法 第2节交会法观测ctgctgyyctgxctgxxABBAPctgctgxxctgyctgyyABBAP222sinbammp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。2.3 测角交会法24测角交会误差椭圆测角交会误差椭圆第2节交会法观测252.4 测边交会法测边交会
10、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600m262.5 后方交会法后方交会法 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%。2728 283 3精密导线测量精密导线测量 第六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
11、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，故一般需设计倒垂线控制和校核端点的位移。29边角导线（边角导线（1）第3节精密导线测量边角导线的转折角测量是通过高精度经纬仪观测的，而边长大多采用特制铟钢尺进行丈量，也可利用高精度的光电测距仪进行测距。观测前，应按规范的有关规定检查仪器，在洞室和廊道中观测时，应封闭通风口以保持空气平稳，观测的照明设备应采用冷光照明，以减少折光误差。观测时，需分别观
12、测导线点标志的左右侧角各一个测回，并独立进行两次观测，取两次读数中值为该方向观测值。边角导线的系长一般不宜大于320m，边数不宜多于20条，同时要求相邻两导线边的长度不宜相差过大。30第3节精密导线测量边角导线（边角导线（2）31弦矢导线（弦矢导线（1 1）第3节精密导线测量弦矢导线法是根据重复进行K次导线边长变化值和矢距变化值的观测来求得变形体的实际变形量。弦矢导线法矢距测量系统是以弦线在矢距尺上的投影为基准,用测微仪测量出零点差和变化值。首测矢距时需测定两组数值：读取弦线在矢距因瓦尺上的垂直投影读数Vi(i=1,2,n),以及微型标志中点(即导线点)与矢距尺零点之差值。复测矢距时仅需读取弦
13、线在矢距因瓦尺上的垂直投影读数。32第3节精密导线测量弦矢导线（弦矢导线（2 2）弦矢导线的全长不宜大于400m，边数不宜大于25条；若矢距量测精度不能保证转折角的中误差小于1时，导线长应适当缩短，边数应适当减少；若矢距量测精度较高，边长也可适当放长。此法的关键是提高三角形（矢高）的观测精度，一般需采用铟钢杆尺、读数显微镜和调平装置等设备。33第3节精密导线测量弦矢导线（弦矢导线（3）34第3节精密导线测量弦矢导线（弦矢导线（4）35 354 4全站仪观测全站仪观测 第六章水平位移监测技术全站仪又称全站型电子速测仪，是一种兼有电子测距、电子测角、计算和数据自动记录及传输功能的自动化、数字化的三
14、维坐标测量与定位系统。全站仪由电子测角、电子测距等系统组成，测量结果能自动显示、计算和存储，并能与外围设备自动交换信息的多功能测量仪器。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。36ZSHZSYZSXcossinsincossin22222222222222222222222222222222222/sincos/cossin/sincossinsin/sinsin/coscoscossinZSHZS
15、YZSXmZSZmMmZSmZSZmMmZSmZSZmM坐标测量原理坐标测量原理第4节全站仪观测37TCA2003TCA2003自动监测系统（自动监测系统（1 1）第4节全站仪观测TCA2003自动监测系统主要由测量机器人、基点、参考点、目标点组成，可实现全天候的无人值守。监测前首先依据目标点及参考点的分布情况，合理安置TCA2003测量机器人。要求具有良好的通视条件，一般应选择在稳定处，使所有目标点与全站仪的距离均在设置的观测范围内，且避免同一方向上由两个监测点，给全站仪的目标识别带来困难。为了仪器的防护、保温等需要，并保证通视良好，应专门设计、建造监测站房。38第4节全站仪观测TCA200
16、3TCA2003自动监测系统（自动监测系统（2 2）参考点（三维坐标已知）应位于变形区以外，选择适当的稳定的基准点，用以在监测变形点之前检测基点位置的变化，以保证监测结果的有效性，点上放置正对基站的单棱镜。参考点要求覆盖整个变形区域。参考系除了为极坐标系统提供方位外，更重要的是为系统数据处理时的距离及高差差分计算提供基准。根据需要，在变形体上选择若干变形监测点，这些监测点均匀分布在变形体上，到基点的距离应大致相等，且互不阻挡。每个监测点上安置有对准监测站的反射单棱镜。39第4节全站仪观测LeicaLeica TCA2003 TCA2003 全站仪全站仪40第4节全站仪观测测量机器人变形监测系统
17、测量机器人变形监测系统41数据处理数据处理第4节全站仪观测自动全站仪监测系统测量中，为进一步提高精度，减弱误差的影响，应用差分处理是一种有效的方法。自动极坐标差分处理的基本原理是：每一个测量周期均按极坐标的方法测量工作基点和变形测点的斜距、水平角和垂直角，将监测站点至具有气象条件代表性参照的工作基点测量值与其初始值相比，求得差值。由于变形观测采用同样的仪器和作业方法，并且工作基点均埋设在基岩上，可以认为工作基点是稳定的，故将这一差值看作是受大气压力、温度及仪器等各种因素影响的结果。42距离的差分改正距离的差分改正 jjjdddd0pppdddd 由于监测站和工作基点建立在基岩上，可以认为它们之
18、间的距离是稳定不变的。两者间的差异可以认为是因气象条件变化引起的，按下式可求出气象改正比例系数：经气象差分改正后的真实斜距为：为了保证距离气象改正比例系数的可靠性和准确性，实际测量工作中，应取2个以上基准点测定的距离气象改正比例系数的中数，用于变形点距离测量的差分气象改正。第4节全站仪观测43球气差的改正球气差的改正 某一时刻测得监测站与工作基点间的三角高差为：vidhjjsin根据下式可求出球气差改正系数c：220cosjjdhhc变形点与监测站之间经球气差改正的三角高差：vidcdhppp22cossin第4节全站仪观测44方位角的差分改正方位角的差分改正 0zjzjzHHH在变形点每周期
19、的方位角测量值中，实时加入由同期基准点求得的改正值，可准确求得变形点的方位角 zzpzpHHH第4节全站仪观测在长期的变形监测过程中，难以保证仪器的绝对稳定，因水平度盘零方向的变化，对水平方位角的影响不可忽略。所求的变形量均是相对第一周期而言的，故可把工作基点第一次测量的方位角作为基准方位角，其它周期对工作基点测量的方位角与基准方位角相比，有一差异：45 455 5 视准线测量视准线测量 第六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
20、基准线的稳定，必须在视准线的两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。46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47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上，且与被
21、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。48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，再分段观测各观测点的位移量，最后将各位移量
22、化算到统一的基准下。视准线的布置（视准线的布置（2 2）49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）50小角法测量小角法测量（1）AiiDl11BiiDl2112221()()iiiiAilDiDlDmmmDmmm忽略，第5节视准线测量51BiAiBiAiiDDDDl)180(0max2iAiBilAiBiAiBiilimDDmDDmDDDmD当时，
23、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）52第5节视准线测量活动觇牌活动觇牌53 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
24、量54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
25、则应重测。55 556 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。第六章水平位移监测技术56在直线形建筑物中用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
26、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57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。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
27、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581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59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
28、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60测点装置示意图测点装置示意图第6节引张线测量61测线一般采用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
29、测点保护箱应封闭防风。第6节引张线测量测线测线62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
30、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630LLi 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：第6节引张线测量原理原理64端点位移改正端点位移改正)(BAiBiDDiiLL0第6节引张线测量65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
31、引张线测量66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67无浮托引张线无浮托引张线第6节引张线测量68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
32、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69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70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
33、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71 717 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72正垂线测量挠度正垂线测量挠度倒垂线测量挠度倒垂线测量挠度第7节垂线测量挠度测量挠度测量73正垂线系统结构正垂线系统结构正垂线装置的主要部件包括：悬线设备、固定线夹、活动线夹、观测墩、垂线、重锤及油箱等。正垂线是将钢丝上端悬挂于建筑物的顶部,通过竖井至建筑物的底
34、部，在下端悬挂重锤，并放置在油桶之中，便于垂线的稳定，以此来测定建筑物顶部至底部的相对位移。第7节垂线测量74正垂线装置（正垂线装置（1）第7节垂线测量75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。正垂线装置（正垂线装置（2）第7节垂线测量76正垂线观测方法（正垂线观测方法（1）正垂线的观测方法有多点观测法和多点夹线法两种。多点观测法是利用同一垂线，在不同高程位置上安置垂线观测仪，以坐标仪或遥测装置测定各观测点与此垂线的相对位移值。多点夹线法
35、是将垂线坐标仪设置在垂线底部的观测墩上，而在各测点处埋设活动线夹，测量时，可自上而下依次在各测点上用活动线夹夹住垂线，同时在观测墩上用垂线坐标仪读取各测点对应的垂线读数。多点夹线法适用于各观测点位移变化范围不大的情况。第7节垂线测量77在大坝变形监测中，采用多点夹线法观测时，一般须观测两个测回，每测回中应两次照准垂线读数，其限差为0.3mm，两测回间的互差不得大于0.3mm。多点夹线法仅需一台坐标仪且不必搬动仪器，但由于观测点上均需多次夹住垂线，易使垂线受损，并且活动线夹质量较差时，会增加观测的误差，同时，多点夹线法每次需人工进行夹线操作，工作效率较低，不利于监测的自动化。多点观测法可在每个测
36、点上设置坐标仪，有利于监测的自动化，但相应的系统造价也提高了。正垂线观测方法（正垂线观测方法（2）第7节垂线测量78正垂线误差分析正垂线误差分析正垂线观测中的误差主要有夹线误差、照准误差、读数误差、对中误差、垂线仪的零位漂移和螺杆与滑块间的隙动误差等。要十分精确地定量分析这些误差是十分困难的。研究人员根据大量的观测数据，按误差传播定律，进行正垂线测量精度的统计分析。坐标仪的零位漂移误差是垂线测量中的一项重要误差，其变化比较复杂，且变化量也比较大，因此，在每次测量前后，都应该对垂线坐标仪的零位进行检测。第7节垂线测量79倒垂线系统构造倒垂线系统构造倒垂线装置的主要部件包括孔底锚块、不锈钢丝、浮托
37、设备、孔壁衬管和观测墩等。倒垂线是将钢丝的一端与锚块固定，而另一端与浮托设备相连，在浮力的作用下，钢丝被张紧，只要锚块稳定不动，钢丝将始终位于同一铅垂位置上，从而为变形监测提供一条稳定的基准线。第7节垂线测量80倒垂线浮托装置倒垂线浮托装置第7节垂线测量81倒垂线钻孔的保护管（孔壁衬管）一般采用壁厚5mm7mm的无缝钢管，其内径不宜小于100mm。由于倒垂的孔壁衬管为钢管，因此各段钢管间应该用管接头紧密相连，以防止孔壁上的泥石等物落入井孔中，有效地阻止钻孔渗水对倒垂线的损害。孔壁衬管在放入钻孔前必须检查它的直线度，以保证倒垂线发挥最大的效用。衬管正式下管前，要将钻孔中的水抽净，并灌入0.5m深
38、的水泥沙浆。衬管与钻孔之间的空隙也应该用水泥沙浆填满。钻孔及保护管钻孔及保护管第7节垂线测量82浮托装置浮托装置浮托装置是用来拉紧固定在孔底锚块上的钢丝并使钢丝位于铅垂线上的设备。浮体组一般采用恒定浮力式，浮子的浮力应根据倒垂线的测线的长度确定。浮体安装前必须进行调整实验，以保证浮体产生的拉力在钢丝允许的拉应力范围内。浮体不能产生偏心，合力点要稳定，承载浮体的油箱要有足够大小的尺寸。第7节垂线测量83孔底锚块孔底锚块孔底锚块需埋设于基岩的一定深度处。目前对于倒垂锚块设置的深度尚无统一标准，有些设置于基岩下20m30m深，也有些设置于50m80m深处。在大坝变形监测中，倒垂锚块设置的一般原则是，
39、把锚块埋设于理论计算的坝体压应力影响线和库水的水力作用线范围以外的稳固基岩中。第7节垂线测量84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85倒垂观测墩倒垂观测墩倒垂观测墩面应埋设有强制对中底盘，供安置垂线观测仪。为了利于多种变形监测系统的联系，倒垂最好能设置于工作基点观测墩上。如果因条件有限，两者不能设置在一起，那么必须很好地考虑它们测量工作之间的联系，以便把不同观测系统所得的结果纳入统一的基准中，利于资料的分析和处理。第7节垂线测量86倒垂线的观测倒垂线的观
40、测倒垂线观测前，应首先检查钢丝是否有足够的张力，浮体有无与浮桶壁相接触。若浮体与浮桶相接触，应把浮桶稍微移动直到两者脱离接触为止。待钢丝静止后，用坐标仪进行观测。在大坝变形监测中，倒垂线一般要求精确观测三测回，每测回中，应使仪器从正、反两个方向导入而照准钢丝，两次读数差不得大于0.3mm，各测回间的互差不得大于0.3mm，并取三测回平均值作为结果。第7节垂线测量87误差分析误差分析倒垂线测量的误差主要来源于浮体产生的误差、垂线观测仪产生的误差、外界条件变化产生的误差。从倒垂设备本身的误差而言，主要有垂线摆动后的复位误差、浮力变化产生的误差、浮体合力点变动而带来的误差。倒垂测量中，还会因仪器的对
41、中、调平、读数和零位漂移等因素使测量结果产生误差。通常认为，倒垂线测量的精度可以达到0.1mm0.3mm。第7节垂线测量88 888 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。89波带板大气激光准直系统波带板
42、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90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。91波带板波带板(a)(a)圆形波带板圆形波带板(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92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
43、量93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94工作原理图工作原理图第8节激光准直测量95iABAiiss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96真空管激光准直真空管激光准直真空管激光准直系统分为激光准直系
44、统和真空管道系统两部分。第8节激光准直测量971激光光源；激光光源；2平晶密封段；平晶密封段；3软连接段；软连接段；4测点箱；测点箱；5真空泵；真空泵；6接收靶；接收靶；7基点基点真空管激光准直系统示意图真空管激光准直系统示意图第8节激光准直测量98激光准直系统激光准直系统包括：激光点光源、波带板及其支架和激光探测仪组成。激光点光源包括定位扩束小孔光栏、激光器和激光电源。小孔光栏的直径应使激光束在第一块波带板处的光斑直径大于波带板有效直径的1.52倍。测点应建立观测墩，并将波带板支架固定在观测墩上，采用微电机带动波带板起落，由接收端操作控制。激光探测仪有手动（目测）和自动探测两种，有条件时，应
45、尽量采用自动探测，激光探测仪的量程和精度必须满足位移观测的要求。激光器、针孔光栏和接收靶分别安置于建筑物的两端，处于真空管之外，其底座与基岩相连或与倒垂线连接。第8节激光准直测量99真空管道系统（真空管道系统（1）包括：真空管道、测点箱、软连接段、两端平晶密封段、真空泵及其配件。真空管道一般采用无缝钢管，其内径应大于波带板最大通光孔径的1.5倍，或大于测点最大位移量引起象点位移量的1.5倍，且不宜小于150mm。测点箱必须与建筑物牢固结合，使之代表建筑物的位移，测点箱两侧应开孔，以便激光通过，同时应焊接带法兰的短管，与两侧的软连接段连接。每一测点箱和两侧管道间必须设软连接段，软连接段一般采用金
46、属波纹管，其内径和管道内径一致。第8节激光准直测量100真空管道系统（真空管道系统（2）平晶用光学玻璃研磨制成，用以密封真空管道的进出口，并令激光束进出真空管道而不产生折射。两端平晶密封段必须具有足够的刚度，其长度应略大于高度，并应和端点观测墩牢固结合，保证在长期受力的情况下，其变形对测值的影响可忽略不计。真空泵应配有电磁阀门和真空仪表等附件。管道系统所有的接头部位均应设计密封法兰，法兰上应有橡胶密封槽，用真空橡胶密封。第8节激光准直测量101观测方法观测方法（1）抽真空。观测前启动真空泵，将无缝钢管内的空气抽出，使管内达到一定的真空度，一般应令真空度在15pa以下，当真空度达到要求时，关闭真空泵，待真空度基本稳定后开始施测。（2）打开激光发射器。观察激光束中心是否从针孔光阑中心通过，否则应校正激光管的位置，使其达到要求为止，一般应令激光管预热半小时以上才开始观测。（3）启动波带板遥控装置进行观测。当施测1点时按动波带板翻转遥控装置，令1点的波带板竖起，其余各波带板倒下，当接收靶收到1点的观测值后，再令2点的波带板竖起，其余各波带板倒下，依次测至最后n测点，是为半测回，再从n点返测至1点，是为一测回。（4）观测完毕关闭激光发射器。第8节激光准直测量
