变形测量与数据处理--水平位移观测课件.ppt

变形测量与数据处理-水平位移观测水平位移：是指建筑物的整体平面移动。产生水平位移的原因主要是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。水平位移观测的目的是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。水平位移观测一、水平位移观测的影响特点施工点距离原建、构筑物较近，观测环境复杂。观测场地一般较狭小，场地附着较多。观测受施工影响较大。水平位移观测一、水平位移观测的影响特点水平位移观测一、水平位移观测的影响特点水平位移观测二、水平位移观测的测点布设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。水平位移观测测点布设示意图控制点观测点水平位移观测三、控制点的型式及埋设要求1.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。2.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。3.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。强制对中装置垂球对中法 （1）观测的视觉误差；（2）对中机构本身的误差；（3）风力的影响；（4）观测过程中脚架的扭转等。垂球对中误差可达13mm，不言而喻，各种建筑物的变形测量无法接受这样大的对中误差。为了将误差限制在1mm范围以内的目的，首先要把对中误差限制在最小范围内。对中杆的对中精度取决于圆水准器的灵敏度。圆水准器的灵敏度一般为（8“6）/2mm，设对中杆圆水准器的误差为3，若对中杆的高度为1.2m，由此而引起的对中误差所以，对中杆的对中误差虽比锤球线法小一些，但因气泡制造工艺比较粗糙，无法克服脚架扭曲误差影响等，也不能满足变形测量的需要。对中杆对中法强制对中法 该对中器的对中误差取决于底板中心螺旋孔的工艺精度，精密者误差为（0.10.2）mm，粗糙者可达1.0mm。支承托架露出部分不宜过高，否则易变形，影响精度。强制对中法 在制造观测墩时，将铜头埋于墩的顶部，墩顶端平面平滑，点中心露出的螺杆长度适宜。观测时，只需将经纬仪基座拧在露出的点中心上即可。实践证明旋进式强制对中器的误差很小，可忽略不计。观测墩规格（基准点）水平位移观测照准觇牌要求：反差大；无相位差；图案对称；有适当的参考面积；便于安置。水平位移观测四、水平位移观测的常用方法1.基准线法2.精密导线法3.前方交会法4.正、倒垂线法5.极坐标法6.GPS法7.摄影测量法水平位移观测基准线法原理：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。水平位移观测基准线法的分类1)光学法（视准线法）：基准线（面）的提供通过经纬仪照准来实现，用于测量直线型建（构）筑物（水库大坝使用较多）的水平位移，对于非直线型建（构）筑物，可采用分段视准线的方法施测。按照所使用的工具和作业方法的不同，又分为“测小角法”和“活动觇牌法”。2)引张线法：该法采用一条不锈钢钢丝(直径0.61.2mm)，在两端点处施加张力，使其在水平面的投影为直线，从而测出被测点相对于该直线的偏距。同视准线法相比，该法的基准线是一条物理的直线。3)激光准直法：该法利用激光的单色性好和方向性强的特点，建立起一条物理的视准线作为测量基准，根据测量原理的不同可分为直接准直和衍射法准直，后者精度高于前者。水平位移观测基准线法的分类水平位移观测适用条件：观测水平位移观测点在某一方向上的水平位移时一般用基准线法或测小角法。要求：为保证基准线的稳定，必须在视准线的两端设置基准点或工作基点。优点：基准线观测方法因其原理简单、方法实用、实施简便、投资较少的特点,在水平位移观测中得到了广泛应用，并且派生出了多种多样的观测方法。视准线法的特点水平位移观测不足：对较长的基准线而言,由于视线长,使照准误差增大,甚至可能造成照准困难。当基准线太长时，目标模糊，照准精度太差且后视点与测点距离相差太远，望远镜调焦误差较大，无疑对观测成果有较大影响。精度低，不易实现自动观测，受外界条件影响较大，而且变形值（位移标点的位移量）不能超出该系统的最大偏距值，否则无法进行观测。视准线法的特点水平位移观测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。视准线的布置活动觇牌法观测时，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。水平位移观测视准线法第二测回开始，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。水平位移观测视准线法活动觇牌法水平位移观测视准线法精度分析：由小角法的观测原理可知，距离D和水平角是两个相互独立的观测值，所以由上式根据误差传播定律可得水平位移的观测误差：测小角法水平位移观测视准线法精度分析：水平位移观测中误差的公式，表明：距离观测误差对水平位移观测误差影响甚微，一般情况下此部分误差可以忽略不计，采用钢尺等一般方法量取即可满足要求；影响水平位移观测精度的主要因素是水平角观测精度，应尽量使用高精度仪器或适当增加测回数来提高观测度；经纬仪的选用应根据建筑物的观测精度等级确定，在满足观测精度要求的前提下，可以使用精度较低的仪器，以降低观测成本。测小角法水平位移观测视准线法特点：优点：此方法简单易行，便于实地操作，精度较高。不足：须场地较为开阔，基准点应该离开监测区域一定的距离之外，设在不受施工影响的地方。测小角法水平位移观测视准线法 引张线法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。引张线法水平位移观测视准线法引张线法 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。水平位移观测视准线法引张线法之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200m-600m时，一般采用40kg-80kg的重锤张拉。水平位移观测视准线法引张线法之有浮托引张线原理 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：水平位移观测视准线法引张线法之有浮托引张线原理水平位移观测视准线法：有浮托引张线加力端结构1滑轮；2线锤连接装置；3重锤；4混凝土墩座；5测线；6夹线装置；7钢筋支架；8保护管 水平位移观测视准线法：有浮托引张线测点装置 有浮托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1.5-2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。水平位移观测视准线法：有浮托引张线测点装置水平位移观测视准线法：有浮托引张线测线 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2-3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。水平位移观测视准线法：有浮托引张线观测步骤 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。水平位移观测视准线法：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。水平位移观测视准线法：无浮托引张线 有浮托引张线测线的不足：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。水平位移观测视准线法：无浮托引张线无浮托引张线示意图水平位移观测视准线法：无浮托引张线 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。水平位移观测视准线法：无浮托引张线 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。水平位移观测视准线法：激光准直法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 ，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 ，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。水平位移观测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。视准线法：激光准直法水平位移观测视准线法：激光准直法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。激光器点光源组成水平位移观测视准线法：激光准直法激光器波带板组成 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。(a)(a)圆形波带板圆形波带板(b)方形波带板(a)圆形波带板水平位移观测视准线法：激光准直法接收靶(a)(a)圆形波带板圆形波带板 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。水平位移观测视准线法：激光准直法波带板激光准直法工作原理(a)(a)圆形波带板圆形波带板 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。水平位移观测视准线法：激光准直法波带板激光准直法工作原理(a)(a)圆形波带板圆形波带板水平位移观测视准线法：激光准直法波带板激光准直法工作原理(a)(a)圆形波带板圆形波带板水平位移观测例题1：某大坝变形观测问题，大坝在垂直于坝轴线方向的最大允许水平位移为20mm，l点离端点的距离为200m，试确定小角法观测时，角度观测时的必要精度。ABP水平位移观测例题2：设某观测点到端点的距离为100m，若要求测定偏离值的精度为正负0.3mm，试问用测小角法观测时，测量小角度的精度要求应为多少。水平位移观测交会法水平位移监测对于曲线型建筑物或构筑物，或者是监测点不易到达，可以采用交会法监测水平位移。交会法水平位移观测是工程测量中测定建筑物水平位移的常用方法，其中基准点的布置、精度以及监测点的观测方法是影响观测成果的重要因素。水平位移观测交会法水平位移监测原理B为观测点E、F为工作基点C、D、G检核基准点要求：基准点上建立永久性的观测墩，利用强制对中标志和专用照准觇牌。交会角不得小于30，不得大于150水平位移观测前方交会的方法有三种：测角前方交会，测边前方交会，边角前方交会。水平位移观测-角度交会BP为观测点A、B为工作基点前方交会-角度交会水平位移观测-角度交会观测点坐标计算观测点位移计算观测点位移方向水平位移观测-测边交会水平位移观测-边角交会P为观测点A、B为工作基点观测边长和角度水平位移观测例题1：如图，已知A点坐标为：x=2417.2145m，y=6324.2871m；B点坐标：x=2229.2866m，y=6509.9063m，AB的距离为304.9321m，例题2：水平位移观测-精密导线法对于非直线型建筑物，如重力拱坝、曲线型桥梁以及一些高层建筑物的位移观测，采用精密导线法测定其水平位移也是常用的方法。水平位移观测-精密导线法AB 为减少方位角的传算误差，提高测角效率，采用隔点设站的办法，减少导线点数。水平位移观测-精密导线法总结：精密导线法监测水平位移的基本思想就是通过导线观测，计算出监测点的坐标，通过周期性的多次观测，对比其坐标，从而得出其水平位移的变化。水平位移观测-全站仪1.二维极坐标法ABPP为变形点A、B为基准点，坐标已知点位中误差的估算公式为：水平位移观测-全站仪2.三维极坐标法