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变形监测初稿论文毕业论文

技术设计

1.工程概述

清江水布垭枢纽工程位于省巴东县,是清江梯级开发的龙头枢纽.水库总库容为4.58×109m3,系多年调节水库,正常蓄水位400m,相应库容4.312×109m3,装机容量1600MW,是以发电、防洪为主,兼顾其他的水利枢纽,为一等大

（1）型水利水电工程,主要建筑物级别为一级,次要建筑物级别为2级.主要建筑物有:

混凝土面板堆石坝,左岸河岸式溢洪道,右岸地下室式电站以与放空洞.

混凝土面板堆石坝高233m,为目前世界上最高的面板堆石坝.坝顶高程409m,坝轴线长660m,大坝填筑方量约为1.5637×107m3.

河岸式溢洪道布置在左岸,由引水渠、控制段、泄漕段和下游防冲段组成,开挖方量约为9.476×106m3.

导流洞出口高边坡开挖，正面边坡有9个开挖马道,马道高程从365米到229.5米，开挖高度为160多米，侧面边坡有8个开挖马道，马道高程从350米到229.5米，开挖高度为150多米.导流洞出口下游方向，侧面边坡上方是1#公路，3#公路，5#公路和7#公路,各自延长段分别通往导流洞出口.

2.坐标系统

依据收集到的现有资料与技术设计的要求，平面控制网的起算数据为SBY02，SBY05，SBY09，垂直位移监测的起算数据为SBY01，SBY05.因此变形监测利用的基准和系统为：

（1）.1954年平面坐标系

（2）.高斯－克吕格投影3°带

（3）.中央子午线111°

（4）.1956年吴淞高程系

3建筑物变形观测与动态位移监测

3.1变形概述

建筑物在工程建设和使用过程中，由于基础的地质结构不均匀，土壤的物理性质不同，土基的塑性变形，地下水位的变化，大气温度的变化，建筑物本身的荷重（如风力，震动等）的作用，会导致工程建筑物随时间的推移发生沉降，位移，扰曲，倾斜与裂缝等现象。

这些现象统称为变形。

工程建筑物的变形，按其类型可以分为：

静态变形和动态变形.静态变形通常是指变形观测的结果只表示在某一时期的变形值，也就是说，它只是时间的函数；动态变形是指在外力影响下而产生的变形，故它是以外力为函数来表示的动态系统对于时间的变化，其观测结果是表示建筑物在某一时刻的瞬时变形.变形按时间长短可分为：

长周期变形（建筑物自重引起的沉降和变形），短周期变形（温度变化引起的变形）。

按研究的围可以分为：

全局性变形，区域性变形，局域性变形。

按成因可以分为：

人工干预变形，自然原因变形，综合原因变形。

3.2变形观测概述

3.2.1.变形观测

所谓变形观测，是用测量仪器或者专用仪器测定建筑物与地基建筑物在荷载和外力作用下随时间变形的工作.通过变形观测，可以检查、各种工程建筑物和地质构造的稳定性，与时发现问题，确保质量和使用安全；更好的了解变形的机理，验证有关工程设计的理论和地壳运动的假说，建立正确的预报变形的理论和方法；以与对某种新结构，新材料，新工艺的性能做出科学的客观的评价。

变形观测属于安全监测。

变形观测有部观测和外部观测两方面。

部观测容由建（构）筑物的部应力，温度变化的测量，动力特征与其速度的测定等，一般不由测量工作者完成。

部观测与外部观测之间有着密切的联系，应同时进行，以便互相验证和补充。

外部观测的容主要有沉降观测，位移观测，倾斜观测，裂缝观测和扰度观测等.

沉降观测

它是指建筑物与其基础在垂直方向上的变形（也称垂直位移）.沉降观测就是测定建筑物上所设观测点（沉降点）与基准点（水准点）之间随时间的变化的高差变化量.通常采用精密水准测量或液体静力水准测量的方法进行.

水平位移观测

它是指建筑物在水平面的变形,其表现形式为在不同时期平面坐标或距离的变化.建筑物水平位移观测是测定建筑物在平面位置上随时间变化的移动量.测定水平位移的方法很多,有常规的地面控制测量方法,如导线,前方交会法等;也有各专用方法,如基准线法,正、倒垂线法等

倾斜位移观测

它是指建筑物因为地基的不均匀沉降或其他原因造成的.建筑物倾斜位移分为两类:

一类表现为以不均匀的水平位移为主;另一类则表现为以不均匀的沉降为主.倾斜观测是用经纬仪,水准仪或其他专用仪器测量建筑物的倾斜随时间变化的工作.对于上述两种倾斜一般采用不同的观测方法,前者可采用先测出水平位移然后计算倾斜的方法,即所谓的“直接法”;后者可通过测量建筑物基础相对沉降的方法进行测定,即先测出沉降后计算倾斜的方法,也就是所谓的“间接法”.

裂缝观测

它是指建筑物基础的不均匀沉降，温度的变化和外界各种荷载的作用，使得建筑物部的应力大大超过了允许的限度，使得建筑物的结构产生裂缝。

测定建筑物裂缝发展情况的观测工作即为裂缝观测。

扰度观测

在建筑物垂直面上，各个不同高程点相对于底点不同的水平位移，称为扰度。

所进行的观测称为扰度观测。

变形观测的任务是周期性地对观测点进行重复观测，求得其在两个观测周期间的变化量，而为了求得瞬时变形，则应采用各种自动记录仪器记录其瞬时位置.

变形观测的容，应根据建筑物的性质与地基情况来决定.要求有明确的针对性，既要作全面的考虑，以便能正确反映出建筑物的变化情况，达到监视建筑物的安全运营，了解其变形规律之目的.

3.2.2.变形观测的特点

与一般的测量工作相比，变形观测具有以下几个特点：

（1）观测的精度要求高

由于变形观测的结果直接关系到建筑物的安全，影响对变形原因的分析和变形规律的正确分析，和其他测量工作相比较，变形观测必须具有很高的精度。

典型的变形观测精度要1mm或者相对精度1×10-6。

因此，根据变形观测的目的不同，确定合理的观测精度和观测方法，优化观测方案，选择测量仪器是实施变形观测的前提。

（2）需要重复观测

建筑物由于各种原因产生的变形都有时间效应，计算其变形最简单，最基本的方法是计算建筑物上同一点在不同时间的坐标差和高程差。

这就要求变形观测必须依一定的时间周期重复观测，时间跨度较大。

重复观测的周期取决于变形观测的目的，预计的变形量的大小和速度。

（3）要求采用严密的数据处理方法

建筑物的变形一般都比较小，有时甚至与观测精度处在同一个数量级；同时，大量重复观测使原始数据增多。

要求从不同时期的大量数据中，精确确定变形信息，必须采用严密的数据处理方法

3.2.3.变形观测的基本方法

变形观测方法可以分为四类.

第一类:

常规测量方法,包括几何水准测量,三角高程测量,三角（边）测量,导线测量,交会法等.这类方法的测量精度高,应用灵活,适用于不同变形体和不同的工作环境,但野外工作量大,不易实现自动和连续监测.

第二类:

摄影测量方法:

包括近景摄影测量.它可以同时测量许多点子,作大面积的复测,尤其适用于动态式的变形观测,外业简单且精度较底.

第三类:

专门测量方法,或称物理仪器法,包括各种准直测量（激光准直系统具有代表性）,倾斜仪观测,流体静力水准测量系统与应变计测量.用专门测量手段的最大特点是容易实现连续自动监测与遥测,且相对精度高,但测量围不大,提供的是局部变形的信息.

第四类:

空间测量技术:

包括甚长基线干涉测量（VLBI）,卫星激光测距,全球定位系统（GPS）等.空间测量技术先进,可以提供大围的变形信息,是研究地壳变形与地表下沉等全球性变形的主要手段.

工程建筑物变形观测的基本方法,要根据建筑物的变形性质,使用情况,观测精度,周围的环境以与对观测的要求来选定.在实际变形观测方案时应综合考虑各种测量方法的应用,互相取长补短.

3.2.4.变形观测系统

建筑物变形观测的实质是定期的对建筑物的有关几何量进行测量,并从中

整理分析出变形规律.其基本原理是:

在建筑物上选择一定数量的有代表性的点,通过对这些点的重复观测求出几何量的变化.

变形观测的测量点可分为基准点,工作点和观测点三类.

基准点:

由于测点的位置是变化的,为了求出这种变化,从理论上讲,必须有一定数量的位置固定或者变化甚小的点称为基准点.以作为分析比较变形量的依据.基准点通常埋设在比较稳固的基岩上或变形围以外,尽可能稳固并便于长期保存.

工作点:

直接利用基准点是比较困难的或是不合理的.这时,就要利用一些介于观测点和基准点之间的过渡点,称为工作点.它一般埋设在被观测对象附近,要求在观测期间保持不动.

观测点:

位于建筑物上的能够反映建筑物变形,并作为照准标志的点,称为观测点.

一般的,由基准点,工作点,观测点组成的观测系统叫做变形观测系统.

4.建筑物变形观测的精度和频率

4.1变形观测的精度

变形观测的精度要求，取决于该工程建筑物预计的允许变形值的大小和进行观测的目的.如果观测的目的是为了使变形值不超过某一允许的数值而确保建筑物的安全，则其观测的中午差应该小于允许值的1/10～1/20；如果观测的目的是为了研究其变形的过程，则其中误差应该比这个数值小的多，实际上由于工程建设项目种类很多，工程复杂程度不同，观测周期不一样，所以对变形观测的精度要求顶出同意规格是很困难的.

（一）.按允许变形值求的观测中误差

建筑物的允许值大多是由设计单位提供的，一般可直接应用.设允许误差为△容，观测中误差m=△容/10～△容/20的原则.

例如：

假定某建筑物高为H=30m，允许倾斜角а=4‰.当为了监视建筑物安全时,则顶部容许偏移位移量可按下式计算:

△容=а×H=4/1000×30=120mm.

倾斜中误差m倾=△容×1/20×1/3=±2mm（根据使用仪器和观测目的）相对位移来说,由于倾斜是沉降和平移共同影响的结果:

m移=m倾/1.414=±1.43mm

（二）.建筑物沉降观测的精度指标

实践经验证明,沉降量观测的最大误差,应该为差异沉降最大容许值的1/10,而差异沉降最大容许值可按下式计算:

б最大=2L/1000（L为两个相邻沉降点的间距）沉降量的中误差,一般掌握在=±1mm左右.

（三）.沉降观测点高程中误差mH的确定

如图所示，L为观测点的距离，б1和б2分别为倾斜的两端观测点的沉降量.则相对倾斜k为：

k=（б1-б2）/L，

化为中误差形式为：

（ml）2=[（mб2）2+（mб1）2]/L2

当其观测精度相等时，

mб=±Lmk/1.414

又因为系同一观测点相邻两次观测的高程之差：

б=H2-H1所以：

mH=±mб/1.414则有:

mH=±LmK/2

4.2观测的频率

观测的频率决定于变形值的大小和变形速度，以与观测的目的.通常需要观测的次数既能反映出变化的过程，又不遗漏变化的时刻.工程建筑物在施工过程中，频率应该大一些，一般有一个月，两个月，三个月，半年与一年等不同的周期.在施工期间也可能按荷载增加的过程中进行观测，即从观测点埋设稳定后进行第一次观测，当荷载增加到25﹪时观测一次，以后每增加15﹪观测一次.竣工后，一般第一年观测四次，第二年观测两次，以后每年观测一次.在掌握了一定规律之后，可以减少观测次数.出现特殊情况的前后要进行紧急观测.

5.变形观测平面控制网的建立

1.大型工程建筑物由于本身的自重，混凝土的收缩，土料的沉陷与温度变换等原因，将使得建筑物本身产生平面位置的相对位移；如果工程建筑物建造在地基处于滑坡地带，或受地震影响，当基础受到水平方向的应力作用时，将产生建筑物的整体移动，即：

绝对移动。

相对位移观测的目的是为了监视建筑物的安全，绝对位移观测的目的，不仅是监视建筑物的安全而且更重要的是为了研究整体变形的过程和原因，这都对水平面控制网有严格的要求.

进行变形观测的平面控制网，大都是小型，专用的，高精度的变形观测控制网.这种网通常由三种点，两种等级的网组成：

（1）.基准点——通常埋设在比较稳定的基岩上或变形影响围之外尽可能长期保存，稳定不动.

（2）.工作点——是基准工作点和变形观测点之间的联系点.工作点与基点构成变形观测的首级网，用来测量工作点相对于基准点的变形量，由于这种变形量较小，所以要求观测的精度高，复测间隔时间长.

（3）.变形观测点——即变形点或者观测点，它埋在建筑物上和建筑物构成一个整体一起移动.变形观测点与工作点组成二级网，次级网用来测量观测点相对于工作点的变形量，由于这种变形量相对前种变形量较大，所以次级网复测的间隔时间短.经常检查观测点的坐标变化来反映建筑物空间位移的变化.

2.建立平面控制网的原则

由于变形观测控制网是围小，精度高的专用控制网，所以在进行设计，布网和观测时，应该考虑以下几个原则：

（1）.测网应该为独立控制网.在测量控制网的分级布网与逐级控制中，高级控制点要作为次级控制望的起事数据，一般认为起事数据误差相对于本级网的测量误差来说是比较小的，例如在工程测量技术规中规定三、四等三角测量的起事边相对误差与测量相对误差的比率取1：

1.414。

但是对于要求精度较高的变形观测控制网来说，含有这样大的起事数据误差，即使观测精度在高，采取的平差方法再严密，也是不能达到预期的精度要求的.因此，变形观测网应该是独立控制网.

（2）.变形观测控制点的埋设，应该以工程和地质条件为依据，因地制宜地进行.埋设的位置最好能选在沉降影响围之外，且要深埋.尤其是基准点一定要这样做。

对于变形观测的工作点，也应该设法予以检测，以监视其位置的变动.

（3）.网图形的选择，由于变形观测是检查建筑物随时间变化的微小量，因此布网的图形应该与工程建筑物的形状相识应.同时，由于变形观测网的测定精度要求都为毫米级，所以要考虑哪些点位在特定方向上的精度要求要高一些，应该有所侧重.实践证明，对于由等边三角形所组成的规则网形，当边长在200米左右时，测角网具有较高的点位精度；对于不同的网形与不同的边长，可采用三边网或者边角网，但是为了提高精度，在网中可适当增加测量一些对角线方向，使得具有较大的观测密度，以有利于精度的改善.

3.具体实施阶段

此次平面控制网按照Ⅲ等布设,网布置见变形监测平面控制网布置图,各项技术要求按照SL52-93《水利水电工程施工测量规》执行.平面工作基点布施四点:

TN01,TN02,TN03,TN04.

四边形（SBY02,TN04,SBY05,TN01）由于TN01与SBY02和SBY05不通视,故决定采用GPS卫星定位仪进行测量。

1GPS观测和平差

GPS观测选用美国天宝生产的Trimble4800和4700双频GPS接收机，其标称精度为5mm+1ppm×D，D为测站间的距离（km）.此次GPS的作业模式采用静态相对定位模式。

具体作业方法如下：

将两台或者两台以上的GPS接收机分别安置在几个点上，同步观测1～2h。

当测站间的距离超过20km时，适当延长时间，当测站间的距离不超过5km时，观测时间可以缩短到45min左右。

此次GPS观测严格按照《全球定位系统测量规》对C级网的规定作业。

具体作法如下：

一.选择采用GPS观测的控制点，此次观测选用SBY02，SBY05，SBY09，TN01，TN04.在选择GPS点点位的过程中应该遵守以下几个原则：

（1）.点位周围应便于安置天线和接收机，视野开阔，视场周围障碍物的高度角一般应小于15°.

（2）.点位应选离大功率无线电发射源.（如：

电视台，微波站与微波通道等，高压线，以避免周围磁场对信号的干扰.

（3）.点位周围不应该有对电磁波反射（或吸收）强的物体，以减弱多路径效应.

（4）.点位应该选在交通方便的地方，以提高作业效率.

（5）.选点位应考虑便于用其他测量手段联测和扩展.

（6）.点位应选在地面基础坚固的地方，以便于保存.

此外，有时还需要考虑点位附近的通讯设施，电力供应情况，以便于各点间的联络和设备用电.

在利用旧点时，应检查标石的完整性和稳定性.

点位选定后不论是新点位还是旧点位，均应按规定绘制点之记。

选点工作结束后还应编写选点工作总结.

为了较长期的保存点位，GPS控制点一般应设置具有中心标志的标石，精确标志点位.点的标石和标志必须坚固稳定。

对于研究三维形变的监测网的位，更应该建造便于长期保存的标志，为提高GPS的测量精度，可以建造带有强制归心标志的观测墩.

二.观测前进行预报，选择有利的时段观测，同步卫星要求均超过6颗，PDOP均小于5.

三.GPS外业观测工作

（1）.天线安置是实现观测精密定位的前提之一，因为，观测误差与天线的安置精度密切相关，即天线对中误差，天线整平误差以与量取天线高的误差。

还有，在GPS测量中，其伪距和相位观测值都是测量卫星到接收机天线的相位中心间的距离，而天线对中都是以几何中心为准。

所以，要求天线中心与其几何中心保持一致。

但是，天线相位中心的瞬时位置会随信号输入强度和方向不同而发生变化，所以在观测时相位中心的瞬时位置（称为视相位中心）与理论上的相位中心不一致。

天线视相位中心与几何相位中心之差称为天线相位中心的偏差，这个偏差会导致定位误差。

所以，在天线设计时，应该尽量减少这一误差，并且要求天线盘上指定指北方向。

这样，在野外观测时，天线要严格对中，整平，同时还要将天线盘上方向标指北（偏差在3°～5°之）.

天线安置应该符合以下要求：

1．一般情况下，天线应尽量利用三角架安置在标志中心的垂线方向上，直接对中。

在特殊情况下，才可进行偏心观测，其归心元素应以解析法精密测定.

2．需在站标的基板上安置天线时，为防止对信号的干扰，应将站标顶司光台拆除，并将标志中心投影到基板上，依投影点安置天线.

3．当点上建有寻常标，但测站间的距离不超过10km，可在站标下安置天线，但应适当延长时间.

4．天线定向标志线应指向正北，并顾与当地磁偏角的影响，定向误差不应大于±5°.

5．天线底版上的圆水准气泡必须居中.

6．雷雨天气安置天线时，应注意将其底盘接地，以防止雷击.在雷雨过境时应暂时关机停测，卸下天线.

天线安置后，应在各观测时段的前后各量取天线高一次。

两次量高之差不应该大于3mm，取平均值作为最后的天线高。

如互差超限，应该查明原因，提出处理意见，记入观测记录.

天线高，是指观测时天线平均相位中心止测站中心标志面的高度，分为上下两段：

上段是相位中心到天线底面的高度，这是个常数；下段是从天线底面到测站中心标志面的高度.

（2）.观测作业的主要任务是捕获信号对其进行跟踪，接收和处理，以获取所需的定位数据和观测数据。

作业过程中注意了以下几个方面：

1．各接收机的观测员应按照观测计划规定的时间作业，确保同步观测同一组卫星.

2．在确认外接电源电缆与天线等各项联结无误后，才可接通电源，在接收机预置状态正确时，才可以启动接收机.

3．接收机开始记入数据后，观测员应使用功能键和选择菜单，注意查看测站的信息，接受卫星数量，卫星号，各通道信噪比，相位测量残差，实时定位的结果与其变化和存储介质记录等情况.

4．在一个观测段中，接收机不得关闭并从新启动；不准改变卫星高度角的限值和天线高；观测员应注意防止接受设备震动，更不得移动；不得碰动天线或者阻挡信号.

5．在进行长距离高等级测量时，还需按规定测定气象元素.

（3）观测记录与测量手簿

记录存储在介质上，其容有：

载波相位观测值，伪距观测值，相应的GPS时间，GPS卫星星历与卫星钟差参数，测站初始信息，包括：

测站点名和点号，时段号，近似坐标，天线高等。

测量手簿是在观测过程中有观测人员填写，不得测后补记。

根据此次观测的资料分析来看，GPS异步环闭合差和重复基线结构的较差两项控制的较好，闭合环和重复基线的相对误差小，对于少数指标大的基线通过仔细分析，经过剔星，选时段等特殊处理，整个网经平差后，TN01，TN04的点位误差为1.6mm，1.1mm,最弱边为SBY05—TN04（边长为360多米）的相对中误差为1:

155000,达到Ⅲ等控制网的要求.

②.LeicaDI2002测距仪

四边形（SBY05,TN01,TN02,TN04）为测边网,采用LeicaDI2002测距仪测边,对向观测.

四边形（SBY05,TN02,TN03,TN04）为边角网,由于TN02至TN03不通视,所以加测三角形（SBY05,TN03,TN04）3个角,用2〞级仪器观测水平角6测回.LeicaDI2002测距仪的标称精度为：

1mm+1ppm×D，依据《国家三角测量规》和《中、短程光电测量规》规定，用LeicaDI2002测距仪测边时，采用对向观测各两测回，完全能满足设计要求的三等控制.

LeicaDI2002具体作业方法如下:

将测距仪和反射镜分别安置在测线的两端,仔细地对中.接通测距仪的电源,然后照准反射镜,检查经反射镜返回的光强信号.合乎要求后即可以开始测距.为防止出现粗差,可一次照准读两次读数.然后,重复测距三次,.每次读两次距离读数.采用四次照准的目的是为了减小照准误差的影响;使其由系统性变为偶然性.将读数值记录到手簿中.接着采用单丝法（中丝法）读取竖盘读数,记录到相应部分.每次测距时都应该用温度计读取大气温度值,由气压计读取气压值.观测完毕可按测线的竖角值进行倾斜改正,按气温和气压进行气象改正,最后求得测线的水平距离.

测量过程中，用钢板尺量取仪器高和棱镜高时，其误差不大于1mm，并控制一测回读数较差限值为2mm，测回间读数较差限值为3mm.在变形监测平面控制网中，受地形条件限制不能用GPS观测的工作基点还存在不通视的情况，即TN02和TN03，因此在四边形SBY05，TN02，TN03，TN04中加测部分角度，并控制半测回归零差小于6秒，一测回2c较差小于9秒，三角形最大闭和差为3.5秒.

通过平差后比较边角网平差的结果和测边网的结果差，经过分析其一，控制网的图形强度较差，其二是因为TN02和TN03不通视，关键的角度测不到，因此平差采用测边网.TN02，TN03的点位误差为0.6mm，1.6mm，最弱边TN03-TN04的相对边长中误差为1:

900000，符合规要求.

在平面控制网平差时，观测的边需改平和投影，因此利用TN01，TN04旁的二等水准高程工作基点BM01，BM04，将水准点的高程引测到TN01，TN04上，在由TN01，TN04布设一条光电测距三角高程导线，即TN01-TN02-SBY05-TN03-TN04，见图监测点平面控制网布施图.依据《水利水电工程施工规》的规定，按四等水准的精度要求观测.竖角采用2〞级仪器中丝法观测3测回,距离用标称精度为±（1mm+1ppm×D）的测距仪各测2测回,测站和镜站同时测定气象元素量取仪器高和棱镜高,且精度误差不大于1mm..

测定监测点水平位移的方法很多,有常规的地面控制测量方法,如导线,前方交会法等;也有各专用方法,如基准线法,正、倒垂线法等.

此次实习采用测边前方交会法,见监测点平面位移测边前方交会布置图.

这次每个监测点均采用三个方向测边交会（即三边交会）.具体作业方法如下:

本来为了求出监测点的坐标,测量两条边长就可以了,但是为了校核,同时又为了提高监测点的精度,我们这次采用了三边前方交会法.其中两条边是求监测点坐标的,另外一条边作为检较.计算时按照下式进行计算:

xp=xA+L（xB-xA）+H（yB-yA）A

yP=yA+L（yB-yA）+H（xA-xB）

其中：

P

L=l/sAB=（sb2+sAB2-sa2）/

2sAB2BC

H=h/sAB=（sb2/sa2-L2）1/2P

G=g/sAB=（sa2+sAB2-sb2）/2sAB2

精度估算：

h

（SC算）2=（xP-xC）2+（yP-yc）2AlgB

△SC算=SC算-SC≤2×0.1M（mm）

监测点首次值应独立观测2次,以保证首次基准周期为每月一次,每月报送监测点的平面位移量（△X,△Y）成果表.水平位移量成果规定：

累计位移量=本次观测值－首次观测值

本次位移量=本次观测值－上次观测值

△X符号：

向右岸为“－”，向左岸为“＋”

△Y符号：

向上游为“－”，向下游为“＋”

6.高程控制网和垂直位移监测

6.1此次垂直位移监测,主要是进行沉陷检测,不涉与到倾斜监测，裂缝监测等其他方面的