變形監(jiān)測應(yīng)用技術(shù)

1、變形監(jiān)測應(yīng)用技術(shù)陳敦云(武漢大學(xué)測繪學(xué)院,武漢,430072;福建省地質(zhì)測繪院,福州,350011摘要論述變形監(jiān)測技術(shù)的意義、內(nèi)容、精度與各種應(yīng)用,及其在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防中的作用。關(guān)鍵詞變形監(jiān)測應(yīng)用地災(zāi)預(yù)防在我們生活的周邊,經(jīng)常發(fā)生著由于地殼運(yùn)動(dòng)與氣候因素引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)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(xué)手段的發(fā)展,帶動(dòng)了工程機(jī)械化,加快了工程項(xiàng)目建設(shè)的速度。人類對(duì)自然界的改造,導(dǎo)致了地質(zhì)災(zāi)害時(shí)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(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,給人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失,嚴(yán)重地?cái)_亂

2、了人們正常的生活秩序,這種危害的產(chǎn)生往往是在自然界的變形達(dá)到了極限的時(shí)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(yù)報(bào)和防治,從而保證人們生命財(cái)產(chǎn)的安全。這個(gè)預(yù)知的有效手段就是進(jìn)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(duì)變形體的變形現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)視觀測的工作,其任務(wù)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(shí)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(zhì)構(gòu)造的穩(wěn)定性,為安全性判斷提供必要信息,及時(shí)分析原因發(fā)現(xiàn)問題,以便采取適當(dāng)?shù)挠行Т胧＠?1998年長江流域洪災(zāi)中,隔河巖大壩外觀變形GPS 自動(dòng)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(zāi)難性的分洪。112驗(yàn)證設(shè)計(jì)測量工作者對(duì)變形資料提供幾何解釋,更好地理解變形的機(jī)理,以驗(yàn)證有關(guān)工程設(shè)計(jì)的理論。113災(zāi)害防治從變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析上預(yù)測,起到提前防范的作用,達(dá)到安全目的。例如:1985年6912第4期福建地質(zhì)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(xué)位。022福建地質(zhì)Geology of Fujian第25卷月12日長江三峽新灘滑坡的成功預(yù)報(bào),使得災(zāi)害損失減少到最低程度。2變形監(jiān)測內(nèi)容變形信息內(nèi)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(jìn)行沉陷、日照變形、傾斜及裂縫觀測等?；舆吰逻M(jìn)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(fēng)力、溫度等作用下建筑物頂部的傾斜、動(dòng)態(tài)變形(振幅與頻率。(3橋梁監(jiān)測,測定在動(dòng)荷載作用下的振動(dòng)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(shí)圍堰監(jiān)測、近壩區(qū)滑坡監(jiān)測;對(duì)水庫土壩進(jìn)行水平位移、垂直位移觀測、撓度、傾斜以及裂縫觀測;對(duì)混凝土重力壩進(jìn)行水平、垂直位移、應(yīng)力、應(yīng)變及伸縮縫等的觀測。(5監(jiān)測礦區(qū)巖層與地表移動(dòng),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(chǔ)上,確定移動(dòng)角和最大下沉角。(6古文物的保護(hù)監(jiān)測,采用近景

5、攝影測量方法進(jìn)行量測收藏復(fù)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(gòu)筑物的柱基、墩臺(tái)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(cè)墻撓曲、襯砌結(jié)構(gòu)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(yù)計(jì)的允許變形值的大小進(jìn)行觀測。國際測量工作者聯(lián)合會(huì)(FIG在第十三屆會(huì)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(yīng)小于允許變形值的1/10-1/20;如果觀測的目的是為了驗(yàn)證設(shè)計(jì),那精度要求就要比這個(gè)數(shù)據(jù)小得多。一般認(rèn)為,混凝土大壩、大型車間應(yīng)能反應(yīng)出±1mm;土建建筑物、不連續(xù)車間應(yīng)能反應(yīng)出±2m

6、m;以科研為目的,精度要求達(dá)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(zhì)條件、施工進(jìn)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(jìn)行緊急觀測,增加觀測次數(shù)。在運(yùn)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(fèi)用的制約。應(yīng)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(shè)備、路線應(yīng)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(bào)告,福建水口水利水電建設(shè)監(jiān)理中心,200016(4應(yīng)保證基準(zhǔn)點(diǎn)牢固穩(wěn)定,整個(gè)作業(yè)過程不被破壞,須檢驗(yàn)自身無發(fā)生變化。測站與鏡站盡量用強(qiáng)制對(duì)中,觀測標(biāo)志應(yīng)便于觀測且每次照準(zhǔn)位置一致。(5精密近景攝影測量在實(shí)際應(yīng)用中為提高測點(diǎn)精度,實(shí)現(xiàn)量測自動(dòng)化,使用回光反射標(biāo)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(zhǔn)測量;礦區(qū)地表沉陷采用三等水準(zhǔn)測量。4變形監(jiān)測幾種應(yīng)用技術(shù)411地面監(jiān)測方法(1前方交會(huì)(方向前方交會(huì)、距離前方交會(huì)、邊角前方交會(huì)、后方交會(huì)(測邊后方交會(huì)、三點(diǎn)極坐標(biāo)后方交會(huì)、極坐標(biāo)法應(yīng)用于大壩下游壩

8、面上的觀測點(diǎn)以及拱壩的觀測。傳統(tǒng)的極坐標(biāo)法、方向交會(huì)法等測得點(diǎn)位精度較高4,5。(2視準(zhǔn)線法(小角法、活動(dòng)覘牌法應(yīng)用于測定建筑物的水平位移。(3幾何水準(zhǔn)測量、三角高程測量應(yīng)用于垂直位移,沉降與回彈監(jiān)測。412測量機(jī)器人是一種在全站儀基礎(chǔ)上集成步進(jìn)馬達(dá)、CCD 影像傳感器構(gòu)成的視頻成像系統(tǒng),并配置智能化的控制及應(yīng)用軟件發(fā)展形成的,能自動(dòng)搜索、跟蹤、辨識(shí)和精確照準(zhǔn)目標(biāo)并獲取信息。此技術(shù)已應(yīng)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(diǎn)所在墩位7:009:00振動(dòng)值為2mm 8mm ,11:0015:00振動(dòng)值為1mm 15mm ,分析為這兩時(shí)段車流量較大,且受日照溫度升高影響的結(jié)果。

9、在動(dòng)荷載作用下大橋振動(dòng)值變化在較小范圍內(nèi)(±15mm ,具有較高的穩(wěn)定性 。圖1監(jiān)測點(diǎn)變化過程圖Fig 11Diagram showing the change events of monitoring points413地面攝影測量在攝站對(duì)變形體進(jìn)行攝影,然后通過內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理得到變形監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo),比較不同時(shí)刻目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)差異得到它們的位移。目前已發(fā)展到數(shù)字?jǐn)z影測量,利用數(shù)字影像處理技術(shù)和數(shù)字影像匹配技術(shù)獲得同名像點(diǎn)的坐標(biāo),再計(jì)算對(duì)應(yīng)物點(diǎn)的空間坐標(biāo)。地面攝影測量進(jìn)行變形觀測有兩種基本方式:固定攝站的時(shí)間基線法、地面立體攝影測量法。應(yīng)用于古文物保護(hù)監(jiān)測、護(hù)坡監(jiān)測、工業(yè)高溫高壓區(qū)結(jié)構(gòu)性測

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

11、大廈進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性監(jiān)測,該樓有43層,在樓頂布設(shè)一點(diǎn),地面布設(shè)兩點(diǎn)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(qiáng)噪聲干擾的原信號(hào)中提取弱信號(hào)。鑒測結(jié)果表明該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)值小于1mm,甚至更小的結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值的確定。415特殊測量手段(1波帶板激光準(zhǔn)直測量、引張線法:應(yīng)用于直線型混凝土重力壩壩體廊道內(nèi)布設(shè)的觀測點(diǎn)進(jìn)行水平位移觀測等。(2液體靜力水準(zhǔn)測量:廣泛應(yīng)用于各種工程建筑物進(jìn)行沉陷與傾斜觀測,適用于有輻黃聲享,高等應(yīng)用測量課程講義,2006。射危險(xiǎn)、帶電、爆炸危險(xiǎn)或高溫、塵埃等污染情況下監(jiān)視設(shè)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(shè)置的液體靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行大壩的傾斜測量。(

12、3應(yīng)變測量:混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力、溫度等引起變化內(nèi)部形變觀測。(4傾斜測量:地面布設(shè)兩測站,對(duì)應(yīng)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(diǎn)的夾角,然后用矢量相加辦法,可求得該建構(gòu)筑物的偏歪值。此法可應(yīng)用于測定煙囪或塔狀高聳物的傾斜。(5撓度觀測:就是建構(gòu)筑物的垂直面內(nèi)各不同高程點(diǎn)相對(duì)于底點(diǎn)的水平位移?？刹捎秒娮訙y斜儀觀測,也可采用光電觀測系統(tǒng),可應(yīng)用于高層建筑動(dòng)態(tài)變形觀測。5結(jié)語變形監(jiān)測技術(shù)發(fā)展迅速,其技術(shù)手段豐富多樣,相互影響存在,已在諸多領(lǐng)域應(yīng)用。隨著工程建設(shè)的發(fā)展而興起,并逐漸被人們重視,在地質(zhì)災(zāi)害防治監(jiān)測方面發(fā)揮重要作用,并作為重點(diǎn)工程建設(shè)必不可少的監(jiān)測控制手

13、段。涉及到測量、水文、結(jié)構(gòu)力學(xué)、地質(zhì)、地球物理、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科的知識(shí),是一項(xiàng)跨學(xué)科的研究,正向邊緣學(xué)科的方向發(fā)展,已成為測量工作者與其他學(xué)科合作研究的領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)1李青岳,陳永奇主編1工程測量學(xué)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(yīng)用測量1武漢測繪科技大學(xué)出版社,19963趙安明1方向觀測后方交會(huì)的點(diǎn)位精度1測繪信息與工程,1998(124劉成龍1極坐標(biāo)法測量精度評(píng)定方法的研究1鐵道學(xué)報(bào),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