第七章 工程的变形监测和数据处理主要内容主要内容什么是变形监测？什么是变形监测？为什么要进行变形监测为什么要进行变形监测?变形监测有哪些内容和特点变形监测有哪些内容和特点 ?重点重点变形监测网和变形监测方案设计变形监测网和变形监测方案设计变形观测数据处理变形观测数据处理 成果表达和解释成果表达和解释 7.1 工程变形监测的基础知识工程变形监测的基础知识一、变形监测的定义、作用和内容变形监测的定义、作用和内容 变形监测的定义变形监测的定义变形监测的作用变形监测的作用 变形监测的内容变形监测的内容 实用上的作用 科学上的作用水平位移、垂直位移、偏距、倾斜、扰度、弯曲、扭转、震动、裂缝等对监视对象或物体(简称变形体)进行测量以确定其空间位置随时间的变化特征 7.1 工程变形监测的基础知识工程变形监测的基础知识一、变形监测的定义、作用和内容变形监测的定义、作用和内容 变形监测的特点变形监测的特点 变形监测的最大特点是要进行周期观测 对扭转、震动等变形的监测需作动态观测对于急剧变化期（如大坝洪水期、滑坡等）应作持续动态监测对许变形监测项目如偏距、倾斜、扰度等几何量和与变形有关的物理量的监测采用传感器技术持续地进行对于不同的任务，变形监测所要求的精度不同7.1 工程变形监测的基础知识工程变形监测的基础知识二、变形模型变形模型变形影响因子变形影响因子即引起变形的原因，如地壳运动、基础形变、地下开采、地下水位变化、工程建筑物的各种荷载作用、机械设备安装偏离设计值等；其时间特征又表现为近似线性变化、周期变化、急剧变化以及随机变化等多种情况7.1 工程变形监测的基础知识工程变形监测的基础知识二、变形模型变形模型典型动态变形模型典型动态变形模型对于变形影响因子呈跳跃变化(突变)、线性变化（(渐变)和周期变化(周变)所引起的变形体的典型变形可用下图的(a)、(b)、(c)来分别表示。（a）突变模型对应的动态变形模型为 图中 为始末时刻变形因子的值， 为始末时刻的变形量， 为传递常数和时间常数， 为变化周期， 为时间延迟。 7.1 工程变形监测的基础知识工程变形监测的基础知识二、变形模型变形模型典型动态变形模型典型动态变形模型（b）渐变模型对应的动态变形模型为 7.1 工程变形监测的基础知识工程变形监测的基础知识二、变形模型变形模型典型动态变形模型典型动态变形模型（c）周期变形变形影响因子随时间的变化x(t)以及相应 的响应(变形)y(x)可表示为：式中，为变形影响因子的振幅和初相；为变形的振幅和初相，为周期。 7.1 工程变形监测的基础知识工程变形监测的基础知识二、变形模型变形模型运动模型运动模型 7.2 变形监测方案设计变形监测方案设计一、变形监测方案制定准则变形监测方案制定准则 描述或确定变形状态所需要的测量精度，对于监测网而言，则是确定目标点坐标或坐标差允许的精度所要施测的次数(观测周期数)两周期之间的时间间隔 一周期所允许的观测时间 7.2 变形监测方案设计变形监测方案设计二、测量方法选择所应考虑的问题测量方法选择所应考虑的问题p测量精度的确定测量精度的确定p观测周期数和一周期内观测时间的确定观测周期数和一周期内观测时间的确定 p监测费用的确定监测费用的确定p其他考虑其他考虑 7.3 变形监测方法和自动化变形监测方法和自动化一、常规的大地测量方法常规的大地测量方法 常规的大地测量方法指用常规的大地测量仪器测量方向、角度、边长和高差等量所采用方法的总称，包括布设成网形来确定一、二、三维坐标的网平差法、各种交会法、极坐标法、卫星定位法以及几何水准法、三角高程法等。 7.3 变形监测方法和自动化变形监测方法和自动化二、摄影测量方法摄影测量方法 与其他方法相比，摄影测量方法有下述显著特点：不需要接触被监测的变形体。 外业工作量小，观测时间短，可获取快速变形过程，可同时确定变形体上任意点的变形。 摄影影像的信息量大，利用率高，利用种类多，可以对变形前后的信息做各种后处理，通过底片可观测到变形体任一时刻的状态。 摄影的仪器费用较高，数据处理对软硬件的要求也比较高。7.3 变形监测方法和自动化变形监测方法和自动化三、特殊的大地测量方法三、特殊的大地测量方法短距离和距离变化测量方法短距离和距离变化测量方法 根据实际条件可采用机械法。用伸缩测微仪监测岩体移动7.3 变形监测方法和自动化变形监测方法和自动化三、特殊的大地测量方法三、特殊的大地测量方法偏离水平基准线的微距离测量偏离水平基准线的微距离测量准直法准直法光学法光电法用一般的光学经纬仪或电子经纬仪的视准线构成基准线（观测中都要求采用带强制对中装置的观测墩），故又称视准线法光电法是通过光电转换原理测量偏距，分激光经纬仪准直和波带板激光准直 7.3 变形监测方法和自动化变形监测方法和自动化三、特殊的大地测量方法三、特殊的大地测量方法偏离水平基准线的微距离测量偏离水平基准线的微距离测量准直法准直法机械法机械法是在已知基准点上吊挂钢丝或尼龙丝构成基准线，用测尺游标、投影仪或传感器测量中间的目标点相对于基准线的偏距。引张线法是一种典型的机械法，它实质也是一种偏距测量。机械法准直原理也可用于直伸三角形测高 。7.3 变形监测方法和自动化变形监测方法和自动化三、特殊的大地测量方法三、特殊的大地测量方法偏离垂直基准线的微距离测量偏离垂直基准线的微距离测量铅直法铅直法 以过基准点的铅垂线为垂直基准线，沿铅垂基准线的目标点相对于铅垂线的水平距离(亦称偏距)可通过垂线坐标仪、测尺或传感器得到。与与准直法一样，铅垂线可以用光学法、光电法或机械法产生。最常用的机械法是正、倒垂线法。 正锤装置倒锤装置垂线坐标仪7.3 变形监测方法和自动化变形监测方法和自动化三、特殊的大地测量方法三、特殊的大地测量方法液体静力水准测量法液体静力水准测量法 该方法是基于贝努利方程，即对于连通管中处于静止状态的液体压力，满足P+gh=常数，按此原理制成的液体静力水准测量仪或系统可以测两点或多点之间的高差。若其中的一个观测头安置在基准点上，其他观测头安置在目标点上，进行多期观测，则可得各目标点的垂直位移。这种方法特别适合建筑物内部(如大坝)的沉降观测，尤其是用常规的光学水准法观测较困难且高差又不太大的情况。7.3 变形监测方法和自动化变形监测方法和自动化三、特殊的大地测量方法三、特殊的大地测量方法挠度曲线和倾斜测量挠度曲线和倾斜测量 p挠度曲线为相对于水平线或铅垂线(称基准线)的弯曲线，曲线上某点到基准线的距离称为挠度。 建筑物的挠度可由观测不同高度处的倾斜来换算求得。大坝的挠度可采用正垂线法测得。p两点之间的倾斜也可用测量高差或水平位移，通过两点间距离进行计算间接获得。7.3 变形监测方法和自动化变形监测方法和自动化三、特殊的大地测量方法三、特殊的大地测量方法三维激光扫瞄测量三维激光扫瞄测量 三维激光扫瞄仪如Cyrax HDS4500, 本质上也是一种距离测量仪器，可对被测对象在不同位置扫瞄，通过距离交会原理快速地获取物体在给定坐标系下的三维坐标三维激光扫瞄仪HDS4500 7.4 变形观测数据处理变形观测数据处理一、变形监测网的数据处理一、变形监测网的数据处理 平均间隙法加最大间隙法平均间隙法加最大间隙法 卡尔曼滤波法卡尔曼滤波法 7.4 变形观测数据处理变形观测数据处理二、变形监测点的数据处理二、变形监测点的数据处理 回归分析法回归分析法 回归分析是处理变量之间相关关系的一种数理统计方法。将各目标点上所获取的变形值(亦称效应量，如位移、沉陷、挠度、倾斜等)作为系统的输出，将影响变形体的各种因子（亦称环境量，如库水位、气温、气压、坝体混凝土温度、渗流、渗压以及时间等）作为系统的输入，将输入称自变量，输出称因变量，对它们均进行长期大量的观测，则可以用回归分析方法近似地估计出因变量与自变量，即变形与变形影响因子之间的函数关系。7.4 变形观测数据处理变形观测数据处理二、变形监测点的数据处理二、变形监测点的数据处理 其他方法其他方法 时间序列分析法时间序列分析法频谱分析法频谱分析法模糊人工神经网络法模糊人工神经网络法小波分析法小波分析法7. 5 变形监测资料整理、成果表达和变形监测资料整理、成果表达和解释解释一、资料整理一、资料整理 资料整理的主要内容包括收集资料收集资料审核资料审核资料填表和绘图填表和绘图编写整理成果说明编写整理成果说明资料分析的常用方法有 作图分析 统计分析对比分析 建模分析 二、成果表达二、成果表达 变形监测的成果表达主要包括用文字、表格和图形等形式进行表达，也可采用现代科技如多媒体技术、仿真技术、虚拟现实技术进行表达。 7. 5 变形监测资料整理、成果表达和变形监测资料整理、成果表达和解释解释三、成果解释三、成果解释 对变形的解释与变形体的性质和监测目的有关，需要解答以下的问题：是变形体及其环境的状态安全监测还是交通安全监测或运行安全监测 需在不同荷载情况下，对变形体的变形模型做检验验证 根据岩土力学性质建立物理力学模型 工程整治的效果怎样 对地球物理或物理假设进行验证 对工程建筑物进行监测和检验 采取建筑措施后做建筑物的安全证明7. 5 变形监测资料整理、成果表达和变形监测资料整理、成果表达和解释解释第七章 工程的变形监测和数据处理主要内容主要内容什么是变形监测？什么是变形监测？为什么要进行变形监测为什么要进行变形监测?变形监测有哪些内容和特点变形监测有哪些内容和特点 ?重点重点变形监测网和变形监测方案设计变形监测网和变形监测方案设计变形观测数据处理变形观测数据处理 成果表达和解释成果表达和解释 思 考 题p以典型工程为例，说明变形监测的内容和特点？p工程变形监测有哪些方法？发展趋势如何？