大壩外部變形監測

——測量新技術及方法介紹

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一、外部變形監測內容簡介

二、外部變形監測技術發展

三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用

四、GNSS北斗系統介紹及對未來大壩測量的意義

一、外部變形監測內容簡介

二、外部變形監測技術發展

三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用

四、GNSS北斗系統介紹及對未來大壩測量的意義外部變形監測工作的內容

樞紐安全監測按其特點不同一般分為內部變形觀測、外部變形觀測、其他觀測項目三大類。

外部變形觀測一般指利用測量儀器與專用儀器和大地測量方法對樞紐建筑物表面的變形現象進行監測工作。 其他觀測項目一般指環境量監測（包括上下游水位、庫水位、氣溫、降雨、壩前淤積、下游沖刷等項目）,地震監測等。

一、外部變形監測內容簡介

一、外部變形監測內容簡介外部變形監測工作有兩方面的作用

一是實際運用上的作用：掌握建筑物位移變化規律,為安全評估提供必要的信息,以便發現問題并及時采取工程措施,防止事故發生。

二是科學研究上的作用：可以更好地了解建筑物的變形機理,驗證工程設計理論,以利于進行反饋設計和建立有效的變形預報模型。

一、外部變形監測內容簡介

對于不同的水利水電工程項目,變形監測的工作內容和監測重點是有不同的。 對于砼壩，它的位移變化主要受水壓力、外界溫度變化、壩體自重等因素作用,所以砼壩的主要觀測項目為垂直位移、水平位移、伸縮縫位移、混凝土應力、鋼筋應力等。對于土石壩,它的位移變化受壩體自重滲壓力水壓力等因素作用，所以土石壩主要觀測項目為滲流觀測（包括滲流量、滲壓力）、垂直位移、水平位移、土壓力等。而對于大型地下洞室開挖則邊墻收斂監測又作為主要監測內容之一。

一、外部變形監測內容簡介

水平位移監測：對水工建筑物的順水流方向或順軸線方向的水平

位移變化進行監測常用觀測方法分兩大類。一類是基準線法,基準線法是通過一條固定的基準線來測定監測點的位移,常見的有視準線法、引張線法、激光準直法、垂線法。另一類是大地測量方法,大地測量方法主要是以外部變形監測控制網點為基準,以大地測量方法測定被監測點的大地坐標,進而計算被監測點的水平位移,常見的有交會法、精密導線法、三角測量法、GPS觀測法等。

一、外部變形監測內容簡介2.垂直位移觀測：重點了解水工建筑有無不均勻垂直位移變化出現。常用的方法有幾何水準測量方法、三角高程測量法、液體靜力水準法等。3.撓度觀測：本項目一般用于砼壩,以壩體內置的鉛垂線（正錘線和倒錘線）為基準,測量壩體不同高度相對于鉛垂線的位置變化,以測定各點的水平位移,從而確定壩體的撓曲變化。

一、外部變形監測內容簡介4.裂縫觀測：對建筑物產生的裂縫或庫岸邊坡裂縫進行位置、長度、寬、深度錯距等進行監測,以了解裂縫的變化情況。一般采用丈量方式,可采用檢定過的鋼尺、銦鋼尺等進行精密量距。5.滑坡及崩岸觀測：滑坡體崩岸區應進行定期監測,以及時進行預警,減少突發事件發生時的損失。一般采用布設水平和垂直位移觀測標點進行定期監測。

一、外部變形監測內容簡介

一、外部變形監測內容簡介

二、外部變形監測技術發展

三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用

四、GNSS北斗系統介紹及對未來大壩測量的意義光機電技術的發展為實現監測自動化創造了條件光機電技術的發展和綜合運用，使一些常規的人工讀數設備變為自動測讀設備，并采用光纖通信、無線電通信等手段完成信號傳輸工作，利用計算機技術進行在線分布式監測，形成了監測自動化系統。多種新技術的使用，將使外部變形監測工作向實時、連續、高效、自動化、動態方向發展。

二、外部變形監測技術發展常規大地測量方法進一步改善與發展全自動跟蹤全站儀（也稱測量機器人、Georbot）GNSS北斗對未來測量意義重大北斗系統的啟用對長期依賴GPS及GLONASS的GNSS定位技術是重大改變，精度和實用性大大提升。數字攝影測量、實時攝影測量等新技術應用

二、外部變形監測技術發展

一、外部變形監測內容簡介

二、外部變形監測技術發展

三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用

四、GNSS北斗系統介紹及對未來大壩測量的意義測量機器人的使用可以大大減輕勞動強度，提高準確度及工作效率。三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用測量機器人1、平面測量大壩的平面測量工作分為兩大部分：A.水平位移監測點測量B.基準控制網的建立與復測三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用測量機器人在平面及高程測量中的應用A.水平位移監測點如何實現自動測量邊角交會法雙站邊角交會，總體平差。

由A、B兩點分別計算P點所得的坐標值。由于AB兩站觀測是等精度的，在無粗差情況下，可以以兩個坐標值中的中值作為P點的坐標。三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用測量機器人實現自動化水平位移監測點測量，采用極坐標的計算原理實現。測定一個夾角、一條邊長來確定被監測點的平面坐標（原理與極坐標法放點一樣）。但極坐標法測量缺少多余校核條件，為提高監測精度采用了多個后視點后視、差分改正計算來提高觀測精度。三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用按照自動型全站儀的標稱精度，單純采用極坐標測量顯然達不到亞毫米級，必須采用先進的數據處理方法來進行修正測量值。極坐標差分法的基本思路是：由于測量實現了自動化，使得觀測時間縮短，在短時間內，大氣環境可視為相對不變，故利用基準點的觀測信息，在無需測量氣象元素的條件下實現大氣折射、大氣折光的實時差分改正，測試結果顯示，在150m的距離上，距離測量精度為±0.2mm，水平方向測量精度為±0.24″，坐標測量精度達±0.2mm，說明在近距離上達到了比較高的精度。這種方法已經在水電大壩、地鐵、橋梁、高邊坡等自動化監測中廣泛采用。三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用配置：（1）數據綜合處理平臺（接收、處理、存儲）（2）測量機器人；（3）測量目標：基準點、測量監測點（4）數據鏈及供電系統三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用系統特點：高精度：平面優于0.2mm,高程優于0.5mm（150米）。穩定性好：系統節點少，維護簡便。低成本：棱鏡成本低，增加點容易。全天24h無人值守，超限自動報警（聲音、電郵、短信）。方式靈活，可全自動可半自動。平面及高程成果同時測出，可一定程度上替代水準測量。三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用福建水口電站、街面電站安全在線監測系統三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用B.基準控制網的建立與復測中自動測量的應用大壩基準控制網是大壩監測的控制基礎、首級控制網，用于對監測工作基點的點位校核。一般在大壩建設時期建立，初期作為施工控制網使用，大壩運營后成為基準控制網。一般一年左右需要復測一次，以檢核基準網自身的穩定性。三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用大壩基準控制網的測量，測角九測回，測邊6測回。10個點的控制網，到少需要精確照準目標600次以上，工作量大，測站數據處理工作多，對觀測人員要求極高，費時很長。三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用以13個控制點的基準網為例三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用對測量人員要求低，測量效率數倍于常規人工測量；符合國家測量規范，自動控制數據質量，如歸零差、2C互差、同一方向測回互差、指標差i互差、測距互差等；自動控制儀器進行觀測，觀測數據自動進入數據庫；可以對水準網、三角高程網、高程導線網、三角網、三邊網、邊角同測網、導線網進行平差處理，使自動全站儀最大效率地發揮了作用。三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用基準控制網測量實現自動化，質量和精度不再依賴于測量人員的經驗和計算能力，使以前只能由專業測量院做的復測工作，也能由小型的觀測隊伍來完成。三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用2、高程測量觀測方法有水準測量、三角高程測量、靜力水準測量等。一般認為，三角高程測量只能做到三等水準的精度。事實上，運用測量機器人，配合專用軟件及專用棱鏡等設施，三角高程已經可以做到二等高程的精度。這在高鐵測量中已經成功運用。三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用測量機器人在平面及高程測量中的應用三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用精密三角高程測量的可能自動照準的高精度全站儀的儀器精度可以滿足三角高程測量代替二等水準測量的要求。實現兩臺儀器同時對向觀測，有利于削減大氣垂直折光影響。在一個測段上對向觀測的邊為偶數條邊，避免量取儀器高和覘標高。限制觀測邊的長度和高度角，以減少大氣垂直折光和相對垂線偏差的影響。三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用三角高程測量實施精密三角高程測量按三角高程測量基本原理，采用自動照準的高精度全站儀同時對向觀測，以基本消除或大大消弱大氣垂直折光的影響。對向觀測時照準棱鏡固定在另一全站儀的把手上，在一個測段上對向觀測的邊為偶數條邊，同時在測段的起末水準點上立高度不變的同一棱鏡，這樣可完全避免量取儀器高和覘標高。限制觀測邊的長度和高度角，以減少相對垂線偏差的影響。三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用儀器改裝三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用起、末水準點觀測方法在測段水準點附近（一般在20米以內，并要求起、末點大致相等）架設全站儀，在水準點上架設棱鏡桿（起、末點為同一根桿，長度不變），進行距離和高度角觀測。低棱鏡兩測回，高棱鏡兩測回。觀測時各站上要在觀測前測定溫度和氣壓，在全站儀上設置，以便對邊長進行改正。三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用觀測三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用對向觀測方法按儀器前進方向，先進行后測站觀測，再進行前測站觀測。每個測段進行單棱鏡往返測或高低雙棱鏡觀測，高低雙棱鏡觀測順序為：后低，前低，前高，后高。支線測段進行單棱鏡往返測。一條邊觀測結束后，進行下條邊觀測，這時特別要注意，前站儀器不動，為下條邊的后站，原后儀器遷至前面，為下條邊的前站，在一個測段上對向觀測的邊為偶數條邊。三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用觀測三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用觀測測回數（二等）對邊觀測邊長一般在200～500米，丘陵地區、山地最長為1000米。豎角一般不超過10度。儀器架設要選擇堅實的地面，并踩穩腳架。觀測邊長在100米以內測2測回，100～500米測4測回，500～800米測6測回，800～1000米測8測回。三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用觀測測回數（三等）對邊觀測邊長一般在200～500米，丘陵地區、山地最長為1000米。豎角一般不超過10度。觀測邊長在200米以內測2測回，200～700米測4測回，700～1000米測6測回。三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用觀測限差各測回垂直角和指標差不超過5秒，距離不超過3毫米。測段往返測高差不符值不超出

毫米，雙棱鏡觀測時按高低棱鏡觀測值分別計算高差，不符值不超出

毫米，并在測站上要檢核高低棱鏡觀測高差之差。三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用觀測經驗在有太陽的中午前、后一段時間，望遠鏡成象受大氣湍流影響而跳動，嚴重影響觀測高度角的精度。最好不要觀測或者是縮短觀測邊長。精密三角高程測量，觀測時間的選擇取決于成像是否穩定。但在日出、日落時，大氣垂

直折光系數變化較大，不宜進行長邊觀測。三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用線路長約64公里，經過三個山口，兩個低谷，起伏總高差超過2000米。線路附合于兩個一等水準點上，閉合差為11.9mm。三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用大瑤山精密三角高程測量利用攝影測量學原理實現的高精度、非接觸、實時性、全自動的測量儀器可用來測量視距范圍內任何目標在二微平面內的微小移動測量過程不需要人工干預測量結果會自動發送到遠處的數據后臺儀器可以即時架設測量也可以固定安裝長期監測數據后臺可同時支持多臺儀器聯網測量3.攝影測量在平面及高程自動測量中的應用三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用基本技術指標測量分辨率可達到0.4秒（相當于2ppm）測量范圍為±15分（相當于±400毫米/百米）工作距離可達到500米動態測量可達到每秒10次以上工作功耗小于15瓦，待機功耗小于2毫瓦使用溫度范圍-45攝氏度~+55攝氏度防塵防水等級IPX65三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用適用領域所有需要監測微小形變的目標測量壩體的絕對位移測量路軌的微小沉降測量高層建筑或結構頂部的平面擺動測量山體、邊坡的微小移動測量大跨度絎架結構的變形測量任何目標的微小移動三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用測量系統的組成測量標靶測量/監測儀數據后臺待測工程目標1目標2目標3目標4站點1站點2站點3站點4后臺主機三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用與靜力水準儀比較三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用4、隧道收斂儀在收斂自動監測中的應用收斂監測是大型地下洞室開挖邊墻的主要監測內容之一。收斂監測是測定兩個位移標點間的距離變化收斂計測讀法專用錮鋼尺丈量法全站儀直接測距法三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用

隧道收斂儀主要著眼于取代鋼尺量距等人工測量方式而設計開發的激光自動測量設備。可用于大壩的大型地下洞室、地鐵及公路隧道圍巖收斂監測工作。收斂儀簡單易用，精度高，可達到毫米級別，測量更精確，測程長達200米，設備安裝簡便，輕便小巧軟件應實現數據通訊、質量檢查、回歸分析等功能。三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用隧道收斂儀通訊方式采用有線與無線兩種形式通訊，方便施工期、運營期的通訊使用，設備軟件無線通訊與有線通訊均可支持三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用

一、外部變形監測內容簡介

二、外部變形監測技術發展

三、平面及高程自動測量方法在大壩外部變形監測中的應用

四、GNSS北斗系統介紹及對未來大壩測量的意義空間部分包括5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星MEO：中高度圓軌道衛星GEO：地球靜止軌道衛星IGSO：傾斜地球同步軌道衛星地面段包括主控站、注入站和監測站等若干個地面站用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛星導航系統兼容的終端。北斗衛星導航系統由空間、地面和用戶三部分組成。四、GNSS北斗系統介紹及對未來大壩測量的意義51北斗衛星導航系統三步計劃:第一步：2000年建成了北斗衛星導航試驗系統。第二步：2012年覆蓋亞太大部分地區的服務能力。第三步：2020年左右，全球覆蓋能力。四、GNSS北斗系統介紹及對未來大壩測量的意義中國區域的局部增強“北斗”特有的GEO+IGSO衛星設計對中國區域進行局部增強，衛星信號更優。BDS運行示意圖GPS+GLONASS運行示意圖四、GNSS北斗系統介紹及對未來大壩測量的意義時間可用性和空間可用性更強可視衛星多，跟蹤時間長，基于北斗的高精度定位產品能夠長時間的以低PDOP