变形监测方法

7.5.6　变形监测方法

1.常规的大地测量方法

常规的大地测量方法是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维、二维、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。这些方法除用于变形监测外，还广泛用于国家大地测量、不动产测量以及各种工程测量。常规的大地测量仪器主要有光学经纬仪、光学水准仪、电磁波测距仪、电子经纬仪、电子水准仪、电子全站仪以及GPS接收机等。这里，我们把GPS接收机也纳入常规的大地测量仪器，是因为它与电子全站仪一样，已经广泛使用于各个领域。带马达的电子全站仪已发展成为智能型测地机器人，可用于变形监测的许多领域。常规大地测量方法主要用于变形监测网的布设和周期观测。对于平面监测网，究竟采用GPS网还是边角网，要根据具体情况权衡设计，但单纯的测角网已不可取了;对于高程监测网，究竟采用几何水准法还是电磁波测距三角高程法，也要根据具体情况而定。测量方法的选择，涉及测量误差的来源、产生、传播以及改正消除方法等方面的知识，要进行精心设计和论证。

2.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，可在某些变形监测中应用。

(1)不需要接触被监测的变形体。

(2)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。

(3)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。

(4)摄影的仪器费用较高，数据处理对软硬件的要求也比较高。

摄影测量方法的精度主要取决于像点坐标的量测精度和摄影测量的几何强度。前者与摄影机和量测仪的质量有关，后者与摄影站和变形体之间的关系以及变形体上控制点的数量和分布有关。在数据处理中采用严密的光束法平差，将外方位元素、控制点的坐标以及摄影测量中的系统误差如底片变形、镜头畸变作为观测值或估计参数一起进行平差，亦可以进一步提高变形体上被测目标点的精度。目前，摄影测量的硬件和软件的发展很快，像片坐标精度可达2～4μm，目标点精度可达摄影距离的十万分之一。近年来发展起来的数字摄影测量和实时摄影测量为该技术在变形监测中的应用开拓了更好的前景。

3.特殊的大地测量方法

作为对常规大地测量方法的补充或部分的代替，这些特殊测量方法特别适合于变形监测。这些方法的特点是:或者操作特别方便简单，或者精度特别高，许多时候是精确地获取一个被测量的变化，而被测量本身的精度不要求很高。下面就众多方法中选择几种典型方法予以说明。

(1)偏离水平基准线的微距离测量——准直法。水平基准线通常平行于被监测物体，如大坝、机器设备的轴线。偏离基准线垂直距离或到基准线所构成的垂直基准面的偏离值称为偏距(或垂距)，测量偏距的过程称准直测量。基准线(或基准面)可用光学法、光电法和机械法产生。

(2)偏离垂直基准线的微距离测量——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、测尺或传感器测得。与准直法一样，铅垂线可以用光学法、光电法或机械法产生。

(3)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+ρgh=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。这种方法特别适合于建筑物内部的沉降观测，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。目前，液体静力水准测量系统采用自动读数装置，可实现持续监测，监测点可达上百个。同时也发展了移动式系统，观测的高差可达数米，因此也用于桥梁的沉降变形监测。

(4)挠度曲线和倾斜测量法。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。可以通过正、倒垂线法或倾斜测量方法获得挠度曲线及其随时间的变化。对于高层建筑物，由于它们相当高，故在较小的面积上有很大的集中荷载，从而导致基础与建筑物的沉陷，其中不均匀的沉陷将导致建筑物倾斜，局部构件产生完全而引起裂缝。对于房屋类的高层建筑物，这种倾斜和弯曲将导致建筑物的挠曲。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，即在坝体竖井中从坝顶附近挂下一根铅垂线而直通到坝底。在铅垂线的不同高程上设置测点，以坐标仪测出各点与铅垂线之间的相对位移值。

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。

挠度曲线的各测点构成“导线”，在端点与周围的监测点联测，通过周期观测，可获取挠度线的变化。测斜仪包括摆式测斜仪、伺服加速度计式测斜仪以及电子水准器等。采用电子测斜仪可进行动态观测。

(5)裂缝观测法。工程建筑物的裂缝观测内容包括对裂缝编号，观测裂缝的位置、走向、长度、宽度等。对于重要的裂缝，要埋设专门的观测标志，用游标卡尺定期地观测两个标志头之间距离的变化，确定裂缝的发展情况。混凝土大坝和土坝的裂缝观测十分重要，观测次数与裂缝的部位、长度、宽度、形状和发展变化情况有关，应与温度、水位和其他监测项目相结合。对于建筑预留缝和岩石裂缝这种更小距离的测量，一般通过预埋内部测微计和外部测微计进行。测微计通常由金属丝或铟瓦丝与测表构成，其精度可优于0.01mm。

(6)振动观测法。对于塔式建筑物，在温度和风力荷载作用下，其挠曲会来回摆动，这就需要对建筑物进行动态观测——振动(摆动)观测。有的桥梁也需要进行振动观测，对于特高的房屋建筑，也存在振动现象，例如美国的帝国大厦，高102层，观测结果表明，风荷载下，最大摆动达7.6cm。为了观测建筑物的振动，可采用专门的光电观测系统，其原理与激光铅直相似。采用全球定位系统(GPS)技术可作持续动态的振动观测。

(7)三维激光扫描测量法。采用三维激光扫描仪对被测对象在不同位置进行快速扫描，得到“点云”，通过后处理软件，可得到物体在给定坐标系下的三维坐标;激光扫描仪LR200，也称为调频相干激光雷达，还可提供水平角、垂直角和距离三个观测值，经过坐标转换和建模，可输出被测对象的各种图形和数字模型，还能直接转换到CAD成图。车载、机载激光扫描仪将成为21世纪地面数据采集的主要手段。它们已被应用在工程建筑和变形监测方面，并将成为一种重要的变形监测方法得到广泛应用。