矿山变形监测论文

矿山变形监测论文（精选11篇）

矿山变形监测论文 第1篇

1 地表移动观测站设计

1.1 资料收集

设计观测站要准备大量的已有资料:一是1∶1 000或者1∶2 000的井上下对照图和开采计划图, 根据这张图至少可以确定观测地区井上下的对应关系。二是设站区的地质和水文资料。三是井下开采工作面的设计资料, 基本的有巷道布置、顶板管理方法以及开采厚度、周围开采情况等。四是控制点的高程测量数据, 现有的平面位置。五是本地矿山开采已有的移动相关系数。一般而言, 设计参数都是根据已有资料来确定的, 而有些矿区是新矿, 此时设计参数应参照同一地区其他矿上的资料或者找土质、地质条件相近的矿的参数资料。

1.2 观测站类型的选择

观测站可分为下面3类:一是按设站地点分为地表移动、岩移、专门观测站。二是从时间上分为普通观测站、短期观测站。三是按照布站的形式分为网状观测站、剖面线观测站。一般由两条平面垂直的走向观测线和倾向观测线组成。通过大量的观测求出它们在井下开采过程中随时间和条件的改变的规律, 为了获得高精度, 可设置多个观测站[10,11]。

1.3 观测站设计依据

设计方法根据设站的目的、精度等要求来确定, 基本概括为:点位必须位于盆地外侧, 底部一定要位于冻土线下半米;矿井的采区往往不止一个, 相近的采区经常会有影响, 测站设置必须隔离其他采区, 务必做到不受影响;一般而言观测线应该设置在主断面上;有时测线较长, 有时测线较短, 但测点间的密度基本上是一定的;观测线的范围要大于地表移动的范围, 这样才能控制整个变形区域。观测站设计有2个部分, 一是编写设计说明书, 二是绘制设计图。

2 地表移动变形监测内容

2.1 连接测量

根据理论及经验, 连接测量应分两次独立进行, 也就是通常我们所说的高程和平面连接测量。在此之前, 所有观测点必须准备就绪, 点位必须符合要求, 进行观测的目的是确定工作面开采之前各测点与采区的位置关系。平面连接测量是观测将要进行采挖区域的已知控制点, 按照一定的精度, 测量出控制点的平面位置坐标。控制点的位置应该采用D级GPS进行控制。GPS连接测量平面图, 见图1。

高程连接测量就是在采挖区一直到地表移动观测站附近的点间进行的水准测量, 根据观测数据, 求出控制点的高程。高程连接测量的精度要求适中, 不低于三等精度。外业数据采集必须进行水准网加密, 内业处理必须采用严密平差。连接水准测量网图, 见图2。

2.2 观测方法

观测的精度要求及方法:一是高程测量:相对比较平坦的地区大多都采用三等水准, 而地形起伏相对比较大、比较复杂的地区采用精度不低于6″的全站仪, 观测时应该进行两测回的竖角以及斜距测量来计算高程。二是平面测量:方法相较于高程测量比较多, 有边、角交会导线测量等方法。现在一般多选择GPS测量方法或者是导线测量。导线测量应该根据边上已知点的个数来确定是使用附合导线还是闭合导线。日常观测工作表示第一次和最后一次全面观测之间进行的水准测量工作, 这些测量工作是根据要求添设的。地表移动观测站的各项观测, 包括时间及内容等, 无特殊的情形下都按照下表来执行。为了保证观测的精度, 测量应尽量在最短时间内完成。表1所示是时间安排。

地表裂隙调查:调查记录产生裂缝的日期以及其他重要变化过程, 还要拍摄一定数量的图片。

3 监测新技术

3.1 光纤监测技术

科学技术的越来越发达, 使得光纤在电力、通信等方面的发展越来越快, 可以说是最主要的新型基础材料, 因光纤而生的技术更加令人称赞、更加神奇。传统的光纤技术有信号发送端、接收端和光纤传输带3个部分。从发展情况看, 光纤技术发展的已经相对比较完善, 从最初的温度监测, 发展到现在的渗流监测、位移监测等多个方面, 例如:动应变及结构振动监测、裂缝监测、混凝土应力应变监测、岩石锚固监测、渗漏定位监测、钢筋混凝土薄体结构物受力监测、钢筋锈蚀监测、温度与渗流的耦合监测、混凝土固化监测等[12]。

3.2 GPS伪卫星组合定位技术

伪卫星, 是一种发射器, 在地面上发射类似于GPS的信号。这种GPS伪卫星是仿照真正的GPS设计的。伪卫星不止一种, 也有一部分伪卫星的信号是模拟伽利略或者北斗系统的, 还有部分伪卫星采用的是独特的定位信号格式。根据所掌握知识及实践经历知道, GPS水平方向上虽然定位非常准确, 但竖直方向上其精度远远不如水平方向, 无法满足大坝、高建的要求, 对于这些因素, 最近这些年发展起来的GPS伪卫星定位是一个比较理想的方法[4]。伪卫星很多方面都与GPS一致, 两者载波相位观测方程的建立方法是一致的, 都包含多路径效应、大气层差等影响, 所有这几个方面, 多路径效应在信号传输过程中的影响最大, 往往造成偏差。正因为如此, 测量人员需要一些特殊的方法才能去掉或者减弱多路径效应对精度的影响。最理想的是伪卫星和GPS的组合定位, 这种组合方法可以改善卫星的几何布局, 对提高定位精度很有帮助。通过多年的实验总结, 在多种恶劣的条件下使用GPS伪卫星组合定位技术, 其精度也是非常高的, 甚至在1mm以内[8]。

3.3 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术, 是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法, 具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据, 因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。

传统测量概念里, 所测的的数据最终输出的都是二维结果 (如CAD出图) , 在逐步数字化的今天, 三维已经逐渐的代替二维, 因为其直观是二维无法表示的, 三维激光扫描仪每次测量的数据不仅仅包含X, Y, Z点的信息, 还包括R, G, B颜色信息, 同时还有物体反色率的信息, 这样全面的信息能给人一种物体在电脑里真实再现的感觉, 是一般测量手段无法做到的[13]。快速扫描是扫描仪诞生产生的概念, 在常规测量手段里, 每一点的测量费时都在2~5 s不等, 这样的测量速度已经不能满足测量的需求, 三维激光扫描仪的诞生改变了这一现状, 最初1 000点/s的测量速度已经让测量界大为惊叹, 而现在脉冲扫描仪 (scanstation2) 最大速度已经达到50 000点/s, 相位式三维激光扫描仪最高速度已经达到120万点/s, 这是三维激光扫描仪对物体详细描述的基本保证, 古文体、工厂管道、隧道、地形等复杂领域的无法测量已经成为过去式。

最近几年, 三维激光扫描技术不断发展并日渐成熟, 三维扫描设备也逐渐商业化, 三维激光扫描仪的巨大优势在于可以快速扫描被测物体, 不需反射棱镜即可直接获得高精度的扫描点云数据。因此可以高效地对真实世界进行三维建模和虚拟重现。在测绘方面主要用于大坝和电站基础地形测量、公路测绘, 铁路测绘, 河道测绘, 桥梁、建筑物地基等测绘、隧道的检测及变形监测、大坝的变形监测、隧道地下工程结构、测量矿山及体积计算[13]。

4 结论

综上所述, 可得以下结论:一是合理的设计观测站可以有效地获得数据, 总结规律, 为以后的开采奠定了基础。二是传统的测量方法与测量新方法的综合使用, 不仅能提高测量的速度, 还提高测量的精度。

摘要：文中主要介绍观测站的设计、传统的测量方法 (水准测量和平面测量) 以及光纤监测技术、GPS伪卫星组合定位技术、三维激光扫描技术三种监测新方法, 达到获取沉降规律的目的。合理地使用这些技术, 获取了可靠的沉降规律。

变形监测读书报告 第2篇

在地表形变监测中的应用探讨

摘 要:利用InSAR技术监测地表形变,是目前国际上遥感领域发展较前沿的研究课题,而PS InSAR技术是InSAR技术的改进和提高。分析了制约InSAR技术监测地表形变的因素,介绍了PS InSAR的基本原理和数据处理的关键技术,结合国内外PS InSAR的应用现状展望了发展前景。关键词:PS InSAR;地表形变;监测 1 引 言

利用星载雷达进行差分干涉测量(InSAR)来监测地面地表形变,是目前国际上遥感领域发展较前沿的研究课题。它可以监测地球表面厘米级甚至毫米级的形变[1],如地震形变、地面沉降、火山运动、冰川漂移以及山体滑坡等。但雷达干涉测量技术受到多种条件的制约,例如基线几何去相关导致很多图像不能用于干涉测量、大气折射使得很多干涉图受到影响,有时,这些误差会严重污染形变信息,使得形变监测变得困难和不准确。意大利人Ferretti在研究同一地区的多幅干涉图时发现,在城市和岩石裸露的干燥地区存在大量稳定且亮度很高的反射 点,称为永久散射体(Permanent Scatterers,PS),由于这些反射点(一般而言小于一个像元)保持着良好的相位信息和幅度信息,可以通过监测这些离散点相位的变化来获取形变信息,这种方法很好地克服了时间去相干和大气信号对地表形变提取的影响[2]。本文分析了InSAR技术监测地表形变存在的问题,介绍了PS方法的基本原理和数据处理的关键技术,通过对国内外试验研究分析,证明即使周围地区的相关性不好,甚至生成单个干涉图时没有明显条纹,在PS上也能得到可靠的的数字高程模型,并监测毫米级的地表形变。2 InSAR技术监测地表形变存在的问题

InSAR技术的核心是利用相位观测值获取目标的几何特征及变化信息。干涉纹图中任一像元的相位表示的是雷达与该像元间距离的变化和该目标的散射相位变化之和。若两次观测期间散射相位保持稳定,则干涉相位反映的是两次观测期间目标与雷达间距离的变化,其中包含地形信息,地表形变以及大气活动引起的相位延迟。因此,可以根据各分量对干涉相位“贡献”的大小,分别解算出地形信息、两次观测期间目标沿雷达视线方向的变化量以及大气延迟量等[3]。由于干

涉相位对微小形变极其敏感,毫米级的形变在干涉相位中都会有所反映。因而,利用重复轨道观测获取的干涉相位,通过差分处理去除两次观测相位中的共有量(平地效应、地形相位和大气延迟等),可以得到形变相位,进而反算形变量。这就是差分干涉测量(D-InSAR)监测地表形变的基本原理[4]。制约InSAR技术监测地表形变的因素主要来自两个方面。2.1失相干

InSAR测量是根据干涉相位进行的,即由相位差求解变化量。对于干涉处理而言,一个重要的前提是存在相干性,即两景影像信号的相似性或相关性。准确获取干涉相位需满足相干条件失相干条件下难以获取真实的干涉相位。失相干可以分为3类[5],即:(1)空间失相干;(2)时间失相干;(3)目标的非相干移动。雷达两次观测同一目标时空间基线过长,则雷达观测视线张角增大,引起雷达回波信号数据谱和目标谱的偏移,当偏移量达到一定程度时,则完全失相干,这时的空间基线称为临界基线。受临界基线的限制,只有部分垂直基线小于临界基线的干涉像对才可以进行干涉处理。与空间失相干相比,时间失相干主要是由于重复观测期间目标散射特性变化,使得两次观测获取同一区域内信号不相干,如同一观测区域内地物类型的变化,植被生长因素影响等。雷达目标的非相干移动是指由于目标变化强度过大而空间范围较小,产生的相位梯度过大,超过了干涉相位的临界梯度。2.2大气延迟

受两次观测时刻大气波动影响,特别是对流层湿度和温度的变化,产生不同的相位延迟,在相位图上表现出延迟量的非均一性。对于大尺度微小形变监测而言,这种非均一的相位延迟量作为误差引入到形变相位中,影响了InSAR测量的精度。大气的成份随时间和空间的变化而变化,其变化特征在时间域呈高频,在空间域则相对较低。

分析上述两个问题可知:准确获取形变相位需要解决两个主要问题,即:(1)低相干性条件下相位解缠;(2)差分相位中形变相位与大气延迟相位的分离。前者在于利用少量相干目标的干涉相位来恢复真实相位,需要解决的是离散目标的相位解缠,以此反演地表变化,而后者则是研究从干涉相位或者差分相位中抑制或者分离出大气延迟相位,以提高待解算量。PS InSAR技术的基本原理

PS技术的核心思想是对永久散射体干涉相位进行时间序列分析,根据各相位分量的时空特征,估算大气波动,数字高程模型(Digital Elevation Mod-el,简称DEM)误差以及噪声等[6],将其从差分干涉相位中逐个分离,最终获取每个PS的线性和非线性形变速率、大气延迟(Atmosphere PhaseScreen)以及DEM误差。经PS方法处理,获取的年度形变率的精度可以达到毫米级[7]。该方法是基于大量的合成孔径雷达(SAR)数据(一般大于20甚至30景),从中筛选出具有稳定散射特性的相干点目标,构成离散点观测网络(较之常规的变形监测网密度更高),通过分析PS点目标相位变化获取地表形变状况。由于将永久散射体作为观测对象,降低了空间基线对相干性的影响,即使在临界基线的条件下,仍然可以通过分析PS差分干涉相位的变化反演形变信息。但该方法往往需要反映地表形变特征的先验模型,如线性形变速率模型。另外,为了提高散射体高程的估算精度,并进行大气校正,需要大量的SAR数据进行统计分析。

PS技术一般采用的线性形变模型提取点目标对应的形变量,如测量长时间下保持稳定移动速率的地表移动的现象。该方法的优点是能一次性地获取中尺度(约2000km2)范围内的地表形变信息。由于非线性形变可以用线性形变模型来模拟,因而一些非线性形变也可以通过线性形变测量得到。若观测对象表现出明显的非线性特征,并且形变量变化大,则在PS点目标覆盖的范围内出现了不连续的区域,产生不连续(空间和时间上的)的原因是由于形变本身超出了所采用的模型的边界条件。这种情况下,若利用基于线性模型估算的形变速率来反演一定时间内的形变量,则必将与实际情况相差较大。可以通过两种方法来弥补线性模型模拟非线性形变的不足,一种是采用非线性形变模型,另外一种是将长时间间隔分解为数个短时间段,利用函数模型模拟各个时间段内的形变量,进而求解非线性量[8]。非线性模拟的处理过程相当复杂,而且非常耗时,限制了其用于大面积的形变测量,但随着处理技术的进步,处理时间将逐步缩小,处理的范围也可以进一步扩大。PS InSAR数据处理的关键技术 4.1 影像配准

影像配准就是计算参考影像到待配准影像的影像坐标映射关系,再利用这个

关系对待配准影像实行坐标变换、影像插值和重采样,影像配准的精度要求达到子像元级[9],通常分粗配准和精配准两个阶段进行配准。如果在SAR图像中均匀地布设了一些角反射器,那么我们就可以用角反射器的精确位置来进行图像的配准和重采样。4.2 生成干涉图

给定要进行PS处理的N+1幅SAR图像,选择其中一个作为主图像,其余的作为从图像。主图像的选择主要考虑到空间基线、时间间隔、季节以及图象质量等因素;如果分析的结果表明主图像的相位受大气影响很大,则应该选取其他图像作为主图像。选定了一幅主图像和其他N幅从图像,就可以生成N幅干涉图,同时获得相干图以及重采样后的从图像等。在生成干涉图的同时,还应该去掉平地效应引起的相位。4.3 PS点的选取

PS点的选择对于地壳形变计算至关重要,一方面,PS点应该具有很高的稳定性,另一方面,探测PS点的概率应当尽可能的高,以至于大部分PS点可以有效地挑选出来。通常用设定相关阈值来判断PS点,如果某一目标的相关值始终大于某一给定的阈值,我们就认为它是一个P点。但是由于干涉图的基线偏差以及DEM误差,使得有的相关图无法判断PS点。如果DEM引起的相位变化以及目标运动引起的相位变化没有得到消除的话,相关值大小往往会被低估,因此有必要采用200~300m范围内的基线作为PS方法选取干涉影像的标准。4.4 地形相位去除

在生成干涉图的同时,我们已经去除了平地相位。为了分离出形变相位,还要通过外部DEM或者干涉生成的DEM来去除地形相位。4.5 获取形变信息

在去掉平地相位和地形相位之后,剩余的相位成份包括形变相位、大气相位(APS)、由DEM误差引起的地形误差相位、噪声相位等。有N幅干涉图,对每一个PS点也就有N个等式,假定一个相位变化模型(比如,线性模型)和大气模型,对这些等式进行联立运算,得到最优的形变速率、DEM误差和大气相位项APS。对经过APS修正的干涉图再次进行运算,就可以得到大气校正后的形变值。5 PS InSAR技术在地表形变监测中的应用实例

2001年,Ferretti等人首次将PS InSAR技术应用于监测意大利著名的Ancona大滑坡[9],该地区受到时间去相关的严重影响,用传统的InSAR技术效果甚微。这个城市收集到的所有34幅欧洲遥感卫星(ERS)雷达图像全部被利用,时间跨越超过5年,最大垂直基线超过1600m。结果表明,在PS点被确认的地方, DEM精度大大提高了,达到0.5m,而且,地表形变速度场也与地面真实情况相符[10]。

接着在Pomona沉降的研究中,Ferretti将PS技术与传统InSAR进行比较[11],表明PS技术在监测形变中有明显的优势,而且即使是最好的差分干涉情况(比如,很小的垂直基线),应用PS技术也能极大提高成果质量。之后,Colesanti等人又将PS方法与GPS、几何水准测量方法进行了比较[12],证明PS的结果是可信的,尤其适合大面积低成本的监测,协调使用这三种技术能更好地改善地面形变测量的质量和可靠度。

国内许多应用研究部门对此表现出浓厚兴趣。由中国科技部、欧空局等单位合作的“龙计划”,在三峡库区安装了角反射器,用于监测三峡地区泥石流、滑坡等地质灾害[13];中国地震局地壳应力研究所张景发、英国伦敦大学学院Peter等研究人员在西藏当雄活动断裂带区域安装了角反射器,用于监测地壳运动形变。虽然一时还无法得到最终结果,但该方法已显示出强大的生命力[14]。6 结论与展望

PS InSAR技术是雷达遥感发展的又一个新阶段,它充分发挥InSAR测量的优势,并对其所存在的失相关、大气影响、基线估计等问题进行了很好的解决,利用那些经历长时间间隔仍保持高相干性的单个像元的相位信息,将研究区所有可能得到的SAR影像充分利用起来,避免数据在时间上存在空隙,不仅可以监测毫米级地形形变,而且达到对整个区域面的连续监测,为精确研究地表形变提供了强有力的工具。但PS方法是基于统计学原理,其应用建立在海量SAR数据(大于20)之上,并且对数据的要求较高,这使得该方法的应用面和实时性有所局限。但是随着SAR数据的不断增加和更多的SAR卫星上天,数据资源越来越丰富,空间分辨率和重访周期也不断提高,PS InSAR的应用有望更加实用化。特别是人工角反射器的安装和利用,既可作为影像配准的控制点,又能提供高度可靠的相位信息,将会进一步提高PS InSAR技术的可行性和可靠性。

参考文献

矿山变形监测论文 第3篇

关键字：变形监测技术；桥梁检测；应用

引言

我们的祖国作为发展中的国家，近年来发展的迅猛程度令人惊叹。同时作为人口众多的国家，在发展的同时也伴随着人口压力和交通压力，立交桥的建设为缓解交通压力贡献了应有的力量。桥梁建设事业应运而生，并处于不断发展的阶段。结构复杂的桥梁层出不穷，规模也在不断扩大，这都预示着桥梁施工的发展方向是逐步实现超大化。此时，对桥梁进行的变形监测就是必不可少的。

从概念上来说，变形监测就是测量，用以精确定位被检测的对象或者物体的空间位置，或者研究其内部形态随时间所发生的变化特征，对于建筑物和工程建设施工有相当重要的意义。它是实现对建筑物安全状态的分析和评价、对设计参数进行分析和评价、对设计和现场施工质量的反馈、對变形规律的掌握和做出预报变形的重要方法。桥梁变形监测的主要工作是监测桥梁的整体性能，充分利用工程测量知识、掌握先进的测量技术、使用科学、精度相对较高的测量仪器，定期或不定期对桥梁的垂直和水平两个方向的位移变形进行监测。对于要求较高的桥梁，要利用现场测量所得实时数据，并做出影响线或者影响面，更直观观察桥梁各部位位移的变形状态，分析规律，指导施工，制定科学的桥梁维修措施，不断完善其养护办法。

这片文章以对广深高速公路桥梁监测所得实际的有效数据为例，介绍变形监测技术在桥梁监测中的应用。有效结合变形监测数据和工程实际，合理处理数据，总结变形规律，为现场施工的安全性提供理论保障和技术支持。

一、桥梁变形监测的理论分析

为确定现场作业方法，要对桥梁进行变形监测，这样可以提高对建筑物或构筑物的实际变形过程或变形趋势分析的精确度，也是检验桥梁设计和施工质量的重要方法。桥梁变形监测不仅包括桥梁沉降监测，还包括对承台水平位移的监测。在工程建设中，地面的沉降是常见的一种地质现象，同时也是不可避免的，它是一种环境地质变化，区域特性较为显著，因此，沉降监测是桥梁监测的重要内容之一。在建设桥梁时，要求技术人员把握桥梁的变形监测以及变形的程度，所以监测在水平方向上承台的位移也是很重要的。

不同的桥梁建筑物或者工程对测量的要求和规范也可能是不同的，这就要求技术人员能够根据工程个体的差异性特点，严格按照规范确定桥梁变形测量的等级和满足要求的精度，确保现场规范和安全作业。

（一）桥面沉降

桥面沉降也就是桥梁垂直方向上位移的变形。桥梁沉降观测的原则包括以下五条，⑴稳定点位基准点、工作基点和观测点；⑵仪器和设备要能平稳固定；⑶同一测量过程尽量稳定测量人员，避免更大的误差；⑷确保观测和环境条件前后一致；（5）对工程中各组成部分进行观测时，要求选择相同的观测路线，固定同一镜位，并运用相同的程序和方法。

桥面沉降监测包括布设沉降观测点，测量网，对跨河桥的沉降监测等多方面的内容。现场施工，大多采用闭合水准路线或附合水准路线的方法，运用高精度水准仪对沉降观测网进行确定。对于桥墩在河中央的跨河桥，就只能采用闭合水准测量这一种方法。测量时，把仪器架设在桥台上，把前后相邻的两个桥台作为测点进行观测，往测结束后进行返测，测量往测时没有测量的点。再通过往测已经侧过的点观测中间联测的部分，作跨河水准测量路线如下图。

图一跨河水准测量路线图

（二）承台水平监测

桥梁水平监测的主要内容是桥梁承台的水平位移监测，是通过观测水平位移基准网和测量水平位移观测点来实现的。在实际监测过程中，对控制网进行的布设和校核需要放在首要位置，它根据基准线条数的不同，在监测时分为两种不同的情况。对于简单的只布设一条基准线的大桥，在建立校核基准线稳定性要求的校核点的基础上，只需要对基准点的距离进行测量。但是如果大桥有多条基准线，除了以上监测过程，还要测量两个相邻基准点之间的距离和角度。利用多次现场操作的经验分析，得出测角误差和测距误差是影响观测精度的主要因素。

二、实施桥梁变形监测的方法分析

（一）工程概况

广深高速公路途径经济发达地区，是国家众多主干道中占有重要地位的一条，它全长约123Km。沿广深高速全线，共有99座桥梁，全长达45.35Km，其中立交桥占约?，长约12.8Km，上跨桥9座，总长1.1Km。可以作为代表性研究对象。

（二）桥梁工程项目监测

对广深高速公路的监测主要是沿着公路方向设置水准控制网和一些必要的水准控制点，对主线上的桥梁实行变形监测，这样做的目的是为了掌握桥梁结构在使用过程中的变形情况，为今后的养路工作打下基础。

（三）观察并测量桥面沉降

1.布设并测量沉降观测点和观测网

对所有需要监测的桥梁布设监测点，对于由于时间的推移或施工操作不当造成的破坏，要根据现场地址条件，适当在桥墩底部增设控制点。一般来说，三等水准采用闭合水准路线或者附合水准路线，按规范精度要求四等。

2.对沉降的监测

在对本工程进行监测测量时采用精度较高的DINI12高精度数字水准仪（±0.3mm/km），仪器必须要使用检定合格的产品，并且在施工使用前要进行严格具体的校正。工程采用闭合或附合水准线，布设时要根据监测点的分布情况埋设工作基点，保证技术人员前后可看到的距离，注意对路线的固定。

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检查至少三个以上的工作基点是每期观测沉降必不可少的前期工作，检查过程中，发现任何不合格的情况，都要继续检查更多的基点。从而判别本工程基点的合格度，从而制定相关的施工措施。利用测量所得到的高程数据，观察周围的各个沉降点，采用闭合或附合水准路线。要通过对基准点的检测，分析判断，以保证工作基点的可靠性，从而确保观测成果的可靠，并把所有检测资料存档上交。

3.跨河桥监测方法

为了研究变形监测技术在跨河桥桥梁监测中应用，对四座具有代表性的跨河桥进行水平位移基准网观测和水平位移观测点测量等等，这些大桥分别是东洲河大桥、川搓大桥、赤窑大桥、道窑大桥。下图是川搓大桥的监测点位置分布图。

图二川搓大桥监测点位置布置图

（三）承台水平监测

对跨河桥进行承台水平位移观测时，采用满足精度要求的TCA2003全站仪，测距精度为1mm+1ppm，测角精度要精确到秒。墩的埋设要求平面位移观测的精度为二等，但是我们原来布设的控制网并没有采取强制队中装置，所以要墩的埋设进行单独观测。本工程在测量各个观测点和基线之间的夹角时采用方向观测方法，同样采用此方法去观测基准点相对观测点之间的斜距。利用测量得到的数据计算监测点的坐标，再同之前的数据进行比较，选用比较精准的那组数据。采用具有自动瞄准功能的TCA2003进行观察，通过在监测点上安装棱镜的方法，可以在测量开始后实现自动锁定棱镜中心，不间断得进行观测，很有效得消除了人为因素和车辆通行时引起桥梁震动所造成的誤差，保证测量数据的精确性。

（四）监测数据处理

1.对监测数据进行的检核

影响变形监测内部及外部因素有很多，监测所得数据必然存在一定程度的误差，包括：粗略测量引起的误差（这类误差需要尽力避免），系统误差（可通过使用精度更高的仪器或优化观测程序和方法减小误差，但此类误差不可避免），偶然误差。为了提高测量的精确度，要尽可能得消除较为明显的误差，尽可能提高监测精度，只有这样才能将观测误差对变形分析造成的影响降到最低。在对监测数据进行检核时，可以根据场地种类的不同分别采用野外监测和室内监测。由于场地因素的随时间在不断变化，要求当天就对当日测得的数据进行整理。

2.分析监测所得数据

在对桥梁变形进行监测和分析时，最主要的两方面内容是对于桥梁空间特性的掌握，并研究分析其动态变化。选定目标桥梁的代表性桥墩或承台特征点，对他们按时进行定期的反复检查，对监测所得数据进行分析总结，得出被监测点群的沉降、水平位移等在随时间变化时的变化特点，通过多次实验多的众多数据中，选择以组代表性数据，该组数据要能很好反应数据的变化规律，为对下一组数据的预测提供依据，用于对目标建筑物或结构安全状况的评估，评判施工方法的合理性，为工程制定出更加完善的措施，缩小工期，节约成本。

通过以上例子的分析和研究，得出在我国桥梁建设中，大部分桥梁墩柱的稳定性相对良好，其沉降量相对并不明显，不影响桥梁和安全性，也不会缩短桥梁的使用年限，但仍然有个别桥墩发生了一定程度的下沉，但经过多次监测，这些下沉的桥墩并没有出现破坏现象。并且在采取措施进行加固后，并没有再发现沉降。经监测合格。

结语

桥梁监测变形是桥梁运行、管理和后期维护的重要手段，对保证公共交通出行安全具有很重要的意义，保证监测变形的精确度就很重要。虽然监测理论已经基本走向成熟，但对于不同工程出现的突发问题还是应该引起足够的重视，需要技术人员不断努力优化方案，为桥梁安全做出应有的贡献。

参考文献

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矿山变形监测论文 第4篇

1“3S”监测技术

3S监测技术主要是遥感技术 (RS技术) , 地理信息系统技术 (地理信息系统技术 (GIS技术) 与全球定位系统技术 (GPS技术) 的集成技术。它是信息技术领域中的关键3项核心技术, 目前3S技术在监测生态环境, 自然灾害动态监测以及各种资源调查开放等研究中起着越来越重要的角色, 随着信息技术的发展, 它与数据库技术及决策支持系统等集成是未来信息技术领域发展的趋势。

1.1 遥感技术

遥感技术是一个综合性的系统技术, 从20世纪60年代发展起来, 广泛应用于航天, 信息科学等领域, 它是利用探测仪, 记录远处目标的电磁波特性, 然后加以必要的分析, 从而发现目标的性质与变化。遥感作为遥感技术的核心, 具有一些特殊的特点。第一, 可以在比较大的范围获得可观的数据信息, 这是传统手段所不及的, 所以这一技术在环境监测分析中很关键;第二, 时效性, 遥感技术获取信息的特点是速度非常快, 能够在最短的时间内获得第一手资料, 相比传统调查手段提高了时效性, 能够对矿区地质灾害和矿区环境保护能够实时监测;第三, 所获取信息的可比性, 遥感不仅24小时探测地球各种环境状况, 人们也可以根据对探测的波段, 成像时间进行比较, 从而发现规律, 提高了数据的客观性。第四:经济性, 传统的地面调查不仅费时费力, 而且需要投入大量的资金, 所以遥感技术所获得的数据具有较高的经济与社会效益[2]。

1.2 地理信息系统技术

地理信息系统是以计算机化的技术系统为基础, 由各个相互关联的子系统组成, 以空间数据为操作对象, 空间数据中的每一个数据按统一的地理坐标进行编码, 实现定量和定性的描述。地理信息系统技术有一个明显的优势是其综合, 模拟及分析数据的能力, 可获得其他方式难以获得的重要信息, 做最终模拟与预测地理空间过程的演化, 目前已经应用于城市交通, 地产选址及规划等各个领域。随着技术的进一步成熟, 未来地理信息系统的发展方向主要有一些显著的特征。第一, 空间数据将会趋向图形以及面向对象;第二, 表达数据将趋向动态多维以及实时三维将可视化。

1.3 全球定位系统技术

全球定位系统是通过利用多颗导航卫星的无线电信号, 对地球表面上的目标所进行的定位, 或者说是对地球表面移动的目标所进行的导航, 例如现在应用于汽车上的导航仪, 就是通过卫星导航来实现的。它的主要组成部分包括地面控制与空间部分以及用户装置部分。它不仅性能好, 精确性高, 应用广泛, 同时也是一种全天候无线导航定位系统, 美国在世界上第一个采用全球卫星导航系统, 而且目前使用也是最广泛的, 从根本来说, 全球定位系统是一种定位手段, 可以利用静态与动态定位方法, 来获得三维空间位置信息, 全球定位系统在3S技术中发挥中至关重要的作用, 主要表现为, 第一, 准确的定位能力, 能够对地球表面上的物体进行准确有效的定位, 这次美国突击队突然空降拉登住所, 在拉登毫无防备的情况下将其击毙, 从某种程度上来说利用了全球定位系统的精确定位能力;第二, 全球定位系统不仅具有精确的空间定位能力, 同时也具有精确的定时能力, 能够对地表上运动的目标进行测速, 因这一技术未来将广泛地应用于各个领域。

2 应用于矿山环境监测中的3S技术

总的来说, 我国矿产开发存在很多问题, 例如:管理粗放, 技术装备落后, 劳动生产率低, 科学技术的应用水平与发达国家相比存在较大的差距, 随着3S为核心的空间信息技术的不断完善与发展, 它将把整个矿区的生态环境系统作为一个整体, 赴会信息流在其中的调节作用, 对矿区环境进行全面, 动态及综合监测, 然后加以分析评价, 最终为矿区生态环境的保护与治理提供有效的理论及技术依据, 3S技术在矿区生态环境保护与治理中, 将发挥传统地面调查所不及的优势, 主要表现为:第一, 遥感技术是以航天平台为基础, 地面条件对其没有限制, 所以能够对矿区生态环境进行24小时的探测, 和其他的探测技术相比较而言, 它能够以宽广的视角为生态环境的监测, 提供同步观测的信息, 可以字短时间内反复监测统一静态或者动态的目标, 能够监测到生态环境中细小的变化, 因此能够及时发现不利于生态环境的现象预防的作用非常显著;第二, 地理信息系统技术主要的特色是具有很强的空间分析功能, 可以对矿区进行空间折叠分析, 空间网络分析及空间统计分析, 还可以进行二维三维分析, 甚至时间的四维分析, 二维分析可以反映地面生态环境的变化, 三维分析可以反映同一矿区地理位置随高度变化所引起的变化, 四维分析可以动态地反映矿区整体及局部生态环境的变化;第三, 全球定位系统具有遥感信息定位不够准确的优点, 它可以很快捕捉生态系统的地理位置和遥感技术一起结合使用可以反映地面生态现状, 利用其提供的信息借助计算机分析描绘出电子地图[3]。

3 结语

总的来说, 3S技术是遥感技术, 全球定位技术及地理信息技术的集成技术, 对地理环境的监测能够在全天候进行精确定位, 反映生态环境的动态变化, 特别是对矿区生态环境的预防有着实质性的作用, 具有传统地面调查所没有的优势, 从而做到省时省力。

摘要：3S监测技术是指将遥感技术, 地理信息系统技术及全球定位技术所集成的技术, 并将其应用到地面目标的动态和静态监测, 反映其真实情况与发展变化, 由于3S技术具有快速, 精确及经济性等优点, 因此在矿山环境的实时监测中受到极大的青睐, 它不仅可以监测矿山环境细小的状况, 而且可以监测到矿山生态环境的微妙变化, 因此对预防矿山生态环境具有积极的作用。

关键词：3S监测技术,矿山,环境监测,应用

参考文献

[1]周春兰“.3S”技术在矿山生态环境监测中的应用研究[J].成都理工大学, 2009 (1) :11～18.

[2]王永生.我国矿山环境治理的现状、问题与对策[J].西部资源, 2006 (5) :32～3 3.

《变形监测》考题大纲 第5篇

1、什么是变形观测？变形监测是对变形体上的监测点进行测量，亦称变形观测或形变测量。

2、变形监测的对象包括哪些？全球性、区域性、工程和局部变形监测

3、全球性变形监测包括哪些？a.地极移动监测b.地球板块运动监测c.地球旋转速率变化监测

4、变形监测网根据变形监测范围一般分两级布网，哪两级？首级网、次级网

5、变形监测网根据变形监测范围一般由哪几类点构成？基准点、工作基点、变心监测点

6、变形监测网的基准点、工作基点、监测点的布设要求？基准点通常埋设在比较稳固的岩石上或变形影响之外，尽可能长期保存；工作基点应选在靠近观测目标且便于观测监测点位置；变心监测点在变形体上布设。

7、建筑物沉降观测，如果最后两个观测周期的平均沉降速率小于 0.02 mm/日,可以认为整体趋于稳定，如果各点的沉降速率均小于 0.02mm/日，即可终止观测；否则，应继续每 3个月观测一次，直至建筑物稳定为止。

8、工程建筑物变形观测的内容主要包括哪些？沉降监测、水平位移监测、倾斜监测、裂缝和挠度监测。

（9）变形观测值的必要精度主要应根据哪些确定？变形的大小、速率、仪器和方法能达到的实际精度

10、我国建筑设计部门提出研究高层建筑物的倾斜时，把倾斜值允许值的多少作为观测精度的指标？1/20

11、沉降是否进入稳定阶段，应由什么判断?由沉降量与时间关系曲线。

12、建筑主体倾斜观测应测定建筑顶部观测点相对于底部固定点或上层相对于下层观测点的哪些内容？清晰度、倾斜方向、倾斜速率

13、沉降观测标志一般分为哪些？墙（柱）标志、基础标志、隐蔽式标志

14、每个工程变形监测应至少有多少个基准点？3（15）监测基准网应多久测一次？3个月

16、控制网的精度矩阵的精度矩阵是什么？未知参数的方差阵Dxx或Qxx

17、控制网（测角、测边、边角）以及水准网、GPS控制网秩亏数的计算？（18）网的平均可靠性计算？28-33

19、名词解释：基准点、工作基点、监测点、参考网、相对网、秩亏自由网、拟稳平差?基准点：是用来定期检校工作基点的参考点。工作基点：是直接用来测定各监测点的参考点。监测点：是在变形体上布设的，能充分反映变形状态的点。参考网：指所有参考点被设置在变形体外，用于测量变形体上目标的“绝对”变形。相对网：是指网的全部点位于变形体上的监测网。

20.全球性变形监测技术包括哪些？a.甚长基线干涉测量；b.卫星激光测距；c.卫星重力探测技术

21、区域性变形监测技术包括哪些？a.高精度GPS形变测量；b.合成孔径雷达干

涉测量。

22、我国已经建立的高精度GPS网主要包括哪些？全国GPS一、二级网；国家GPS A、B级网；中国地壳运动观测网

23、工程和局部变形监测之外部监测的主要手段有哪些？a.常规地面测量方法；b.摄影测量方法；c.特殊监测方法；d.GPS监测法

24、简述引起变形观测的原因（包括客观原因和主观原因）？a.外部原因主要有：建筑物的自重、使用中的动荷载、振动或风力等因素引起的附加荷载、地下水位的升降、建筑物附近新工程施工对地基的扰动等。b.内部原因主要有：地质勘察不充分、设计错误、施工质量差、施工方法不当等。

25、简述变形观测所具有的特点？a.周期性重复观测；b.精度要求高；c.多种观测技术综合应用

26、简述固定基点、工作基点、观测点的布设要求及布设方法？固定基点：通常埋设在比较稳固的基岩上或变形影响之外，尽可能长期保存。使用时，应作稳定性检查或检验，并应以稳定或相对稳定的点作为测定变形的参考点。工作基点：应选在靠近观测目标且便于观测监测点位置。精度要求高，复测间隔时间长。变形监测点：变形监测点与工作基点组成次级网，复测间隔时间宜短一些。

27、监测方案的主要内容有哪些？变形监测的内容，包括基准点、工作基点和变形监测点的布设、监测网的设计和监测方法的选择。

28、监测网秩亏的原因是什么？误差方程系数阵和法方程系数阵产生秩亏的原因有形亏和数亏，前者是由于缺少必要的观测而引起的，后者是缺少必要的已知数据。

29、限差检验法进行参考点稳定性检验的缺点是什么？进行检验时两个基准点必需没变动，任何一个点发生变化都会发生较大的变动影响，这种方法只能用于已知两个基准点没有变动的情况。

30、回归分析与时间序列分析间的根本区别是什么？答：与回归分析方法不同的是，回归分析中的回归模型所描述的是因变量与不同于它的其他自变量之间的统计依赖关系，用回归分析分析模型预测就是从自变量中挖掘收集关于因变量未来时刻的信息，它是一个可用来解释某变形体系统内部运动的原因和各个因素之间的定量关系的因果模型。而时间序列分析则是讨论自回归模型所描述的因变量自身变化的统计规律，并不涉及与其他变量之间的关系，用这种模型进行预测仅仅是利用因变量自身的历史资料来挖掘信息。

31、灰色系统分析方法的优点是什么？答：灰色系统分析方法通常只有4个以上数据即可进行灰色建模，建模所需信息较少；不用知道原始数据分布的先验特征，通过有限次的生成便可将无规则序列或服从任何分布的任意光滑离散的原始序列转化为有规则序列；所建模型是常系数性质的，其参数分布是灰“色”的，因此可保持原系统的特征，能较好地反映系统的实际情况，建模精度较高。

32、工程建筑物变形监测的内容有哪些？答：a.建筑物沉降监测b.建筑物水平位移监测c.建筑物倾斜监测d.建筑物裂缝监测e.建筑物挠度监测

33、简述平均间歇法进行参考点稳定性分析的原理？答：假设两观测周期期间，网中所有控制点均没有变动，则可以把两周期的观测看成是对同一网进行的两次观测，由于这两次观测数据所求得的两组点位坐标或高程可以看成是一组双观测

2值。利用双观测值之差可计算观测值的单位权方差估值，从另一角度根据两周期观测成果计算联合单位权方差，比较和就可以检验所有的“两个观

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测周期之间点位没有变动”的假设。

34、变形监测中的“五定原则”是指什么？答：锁依据的基准点、工作基点和被观测物上的变形观测点位要稳定；所用仪器、设备要稳定；观测人员要稳定；观测时的环境条件基本稳定；观测路线、镜位、程序和方法要固定。

35、简述时间序列分析建模的基本步骤？答：①用观测、调查、统计、抽样等方法取得被观测系统时间序列动态数据。②根据动态数据作相关图，进行相关分析，求自相关函数。相关图能显示出变化的趋势和周期，并能发现跳点和拐点。跳点是指与其他数据不一致的观测值。如果跳点是正确的观测值,在建模时应考虑进去,如果是反常现象，则应把跳点调整到期望值。拐点则是指时间序列从上升趋势突然变为下降趋势的点。如果存在拐点，则在建模时必须用不同的模型去分段拟合该时间序列，例如采用门限回归模型。③辨识合适的随机模型,进行曲线拟合,即用通用随机模型去拟合时间序列的观测数据。对于短的或简单的时间序列，可用趋势模型和季节模型加上误差来进行拟合。对于平稳时间序列，可用通用ARMA模型（自回归滑动平均模型）及其特殊情况的自回归模型、滑动平均模型或组合-ARMA模型等来进行拟合。当观测值多于50个时一般都采用ARMA模型。对于非平稳时间序列则要先将观测到的时间序列进行差分运算，化为平稳时间序列，再用适当模型去拟合这个差分序列。

36、简述灰色系统建模的基本步骤？答：a.累加生成 b.建模 c.求解参数，应用最小二乘法原理d.建立预测公式e.检验模型：①求出原始数据平均值和残差平均值（x和e）②求出原始数据方差与残差方差的均方差比值和小误差概率③进行极比偏差值检验。

37、灰色系统建模进行累加的目的是什么？答：灰色系统建模过程中将许多的历史数据作累加处理，主要目的是为了获得数据间明显的指数规律，以便跟好的建立模型。

（38）根据允许变形值计算高程观测中误差？（39）变形分析的一般过程有哪些？4点

基坑围护结构变形监测的分析 第6篇

【关键词】坑外土体；基坑围护；变形规律

【Abstract】This paper takes a square under a fan room end well and tunnel foundation pit for example， the use of the foundation pit during the construction monitoring of retaining structures outside the pit soil and foundation pit surrounding environment of the whole process， analyze and discuss the distribution regularity of the deformation monitoring of foundation pit retaining structure， through the analysis of the monitoring results， safety to guide the excavation during construction， provides the reference for the follow-up project construction process， process arrangement， in order to take timely and effective measures to prevent the accident.

【Key words】Pit soil；Bracing of foundation pit；Deformation law

1. 工程概况

本场地土划分为13个工程地质层，60.0m深度以内均为第四系堆积物，在垂直向上具有明显沉积韵律，水平方向上岩相较稳定，局部亚层多呈透镜体分布，据钻孔内水位观测，拟建工程区地下水水位埋深为39.9～41.6m。

2. 基坑围护结构变形的监测

2.1 在围护结构桩体、基坑外侧土体水平位移监测点布置。

沿基坑周边墙体内布设观测孔，根据设计图纸要求，本工程共布设围护结构桩体水平位移监测点6个，编号为ZTS01、ZTS02、……、ZTS06；布设基坑外侧土体水平位移监测点17个，编号为TTS01、TTS02、……、TTS17。

2.2 桩体、基坑外侧土体水平位移监测点埋设及技术要求。

2.2.1 埋设方法。

围护结构桩体、基坑外侧土体水平位移均采用测斜仪进行监测，其测点埋设方法分别如下：

（1）围护结构桩体测斜管埋设拟采用绑扎埋设。测斜管通过直接绑扎固定在围护结构桩钢筋笼上，钢筋笼入槽（孔）后，浇筑混凝土。埋设示意图见图1，效果图见图2。

（2）基坑外侧土体测斜管埋设拟采用地质钻机成孔，将底端密封好的测斜管下到孔底，在测斜管与孔壁间用干净细砂填实。

2.2.2 埋设技术要求。

（1） 管底宜与钢筋笼底部持平或略高于钢筋笼底部，顶部达到地面（或导墙顶）。

（2） 测斜管与支护结构的钢筋笼绑扎埋设，绑扎间距不宜大于1.5m。

（3） 测斜管的上下管间应对接良好，无缝隙，接头处牢固固定、密封。

（4） 管绑扎时应调正方向，使管内的一对测槽垂直于测量面（即平行于位移方向）。

（5）封好底部和顶部，保持测斜管的干净、通畅和平直。

（6）做好清晰的标示和可靠的保护措施。

2.3 基坑围护结构监测方法。

2.3.1 观测方法：（1） 用模拟测头检查测斜管导槽；（2） 使测斜仪测读器处于工作状态，将测头导轮插入测斜管导槽内，缓慢地下放至管底，然后由管底自下而上沿导槽全长每隔0.5m读一次数据，记录测点深度和读数。测读完毕后，将测头旋转180°插入同一对导槽内，以上述方法再测一次，深点深度同第一次相同；

（3） 每一深度的正反两读数的绝对值宜相同，当读数有异常时应及时补测（监测仪器采用XB338-2型测斜仪见图3）。

2.3.2 观测注意事项：（1） 初始值测定：测斜管应在测试前5天装设完毕，在3～5天内用测斜仪对同一测斜管作3次重复测量，判明处于稳定状态后，以3次测量的算术平均值作为侧向位移计算的基准值；（2） 观测技术要求：测斜探头放入测斜管底在恒温10～15分钟后开始读数，观测时应注意仪器探头和电缆线的密封性，以防探头数据传输部分进水。测斜观测时每0.5m标记要卡在相同位置，每次读数一定要等候电压值稳定才能读数，确保读数准确性。

2.4 基坑围护结构监测的规律。

（1）首先必须设定好监测基础点，围护体变形观测的监测基础点一般设在测斜管的底部。当被测围护体产生变形时，测斜管轴线产生挠曲，用测斜仪确定测斜管轴线各段的倾角，结合测斜探头0.5m的固定长度，便可计算出围护体的水平位移。设监测基础点为O点，坐标为（X0，Y0），于是测斜管轴线各测点的平面坐标由下列两式确定：

3. 基坑围护结构变形数据的分析

3.1 观测点稳定性分析原则如下：（1）观测点的稳定性分析基于稳定的监测基础点作为监测基础点而进行的平差计算成果；（2）相邻两期观测点的变动分析通过比较相邻两期的最大变形量与最大测量误差（取两倍中误差）來进行，当变形量小于最大误差时，可认为该观测点在这两个周期内没有变动或变动不显著；（3）对多期变形观测成果，当相邻周期变形量小，但多期呈现出明显的变化趋势时，应视为有变动。

3.2 监测点报警判断分析原则如下：（1）将阶段变形速率及累计变形量与控制标准进行比较，如阶段变形速率或累计变形值小于报警值，则为正常状态，如阶段变形速率或累计变形值大于报警值则为报警状态。（2）分析确认有异常情况时，应及时通知有关各方采取措施。

3.3 监测数据成果规律分析原则：（1）通过绘制时程曲线图、监测横断面图、监测纵断面图，对监测数据的变化规律、影响范围进行分析；（2）通过比对监测数据的变化与施工工序、工法的关系，并综合地层条件、外界影响等因素；（3）结合类似工程经验判断，如出现异常现象，及时提出补测（探）措施；（4）结合其它测项数据，相互印证，综合分析（地面沉降测点标志埋设形式图见图5）。

3.4 地面沉降监测点埋设的分析。

（1）开挖直径约80mm，深度大于1m孔洞，夯实底部，清除渣土，向孔洞内部注入适量清水养护；

（2）在底部灌注标号不低于C20，厚度为25cm左右的混凝土；在孔中心置入长度不小于80cm的中心标志，振捣密实；

（3）上部用砂土填实至地表5cm左右，钢筋标志应露出砂土面约1～2cm；上部加装钢制保护盖。

4. 结论

（1）在土建施工过程中对周边环境和工程自身关键部位实施监测，及时掌握基坑施工过程中坑外土体、周边地表及建筑、围护结构体系和围岩的动态变化，明确各施工阶段对坑外土体、基坑周边环境、围护结构体系和围岩的影响；

（2）验证支护结构设计，指导基坑开挖和支护结构的施工。由于设计所采用的土层参数与现场实测值相比较有一定的差异，因此在施工过程中迫切的需要知道现场实际的应力和变形情况，与设计时采用值进行比较，必要时对设计方案或施工过程进行修正，从而实现动态设计及信息化技术施工；

矿山环境问题分类与监测建议 第7篇

1 环境层次的划分

环境科学的“环境”定义为“人类生存的周围世界,作用于人类这一客体的所有外界因素的总和。”我国环境保护法又从法律意义上对法律所及的“环境”作了明确规定:“本法所称环境,是指影响人类生存和发展的各种天然和经过人工改造的自然因素的总体,包括大气、水、海洋、土地、矿藏、森林、草原、野生生物、自然遗迹、人文遗迹、自然保护区、风景名胜区、城市和乡村等”。由此可见,环境是相对于人类而存在,具有物质的属性和多层次的结构。

环境层次的划分,首先是根据其属性分为自然环境和社会环境两大系统,自然环境系统又可以根据各构成部分的空间位置和物质特性划分为如下层次:

1.1 宇宙环境:

包括日、月、小行星在内的近地外层空间,其中太阳为地球提供了能量的基本来源。太阳辐射、宇宙射线、陨石、太阳风暴等宇宙环境因素直接影响农业、通讯和人体健康。

1.2 地质环境:

由岩石圈构成,包括岩石组成、地质构造、地壳运动、矿产资源、地形地貌等环境因素,它是矿业活动的主要场所,也是各类建设工程的基础。发生于岩石圈中的地震、火山、崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等地质灾害是最为严重的环境问题之一。

1.3 大气环境:

大气的成分和品质,也指大气运动而形成的气候环境。大气污染、天气灾害、臭氧层等是全球关注的环境问题。

1.4 水环境:

包括所有的地表水和地下水,海洋、河、湖、湿地、冰川、积雪及各种形式的地下水。河海污染、江河断流、湖泊湿地萎缩、冰川后退、地下水污染和水位下降等是水环境变化的主要表现形式。

1.5 土地环境:

地球表面覆盖着一层由岩石圈演化而来的土壤圈,包括基岩以上所有松散土状物。耕地缩小、土地沙漠化、水土流失、土壤污染等环境问题均发生在土壤圈内。

1.6 生态环境:

即生物圈环境。生物圈的范围大约是地面以上和地面以下10公里左右,它包含了所有的生命物质和生态系统,因此也称为生态圈。生态环境不可能脱离生物圈,因为在生物圈以外无生态可言。同时,生态环境又不仅仅指生物体和生物群落本身,它应包括生物圈范围内与生命形态特征密切相关的那部分气圈、水圈、土壤圈,它们之间在空间上相互交融,在物质和能量上循环交流。作为生态环境科学理论基础的生态学,则主要研究生物及其环境的相互关系,包括生命形式和群落,自然循环,生物之间的关系,生物地理及人口的变化等。尽管生态环境与地质环境和宇宙环境是相关联的,但毕竟可以划归为不同的环境层次。

随着旅游业的发展,景观已成为一种越来越受重视的资源。某一区域景观的总和构成了景观环境。景观环境的自然要素有:地质遗迹、山岳、峡谷、江河、湖泊、溪潭、瀑布、泉流、森林、草原、动物以及日出、彩霞、云海、佛光、极光、海市蜃楼等;人文要素有:古建筑、古园林、摩崖石刻、石窟、古墓、古代工程、古战场、历史遗址及现代工程、造型艺术作品等。可见,景观环境不同于其他环境层次,可另列为特殊的一类,它不局限于某一空间层圈,凡目力所及的事物都包括在内。同时,它将景观的美学和科学观赏价值作为环境评价的首要准则,因此具有感染力、稀有性、脆弱性等属性。

2 矿山环境问题分类

由矿业活动引起的环境问题,根据其触及的环境层次和发生原因可分为三大类:生态环境问题、地质环境问题和景观环境问题。表1中列出了各类矿山地质环境问题的主要特征。

矿山地质环境,是指采矿活动所影响到的岩石圈、水圈、生物圈相互作用的客观地质体。矿山地质环境问题,是指受采矿活动影响而产生的地质环境变异或破坏的事件。主要包括因矿产资源勘查开采等活动造成矿区地面塌陷、地裂缝、崩塌、滑坡,含水层破坏,地形地貌景观破坏等。因矿产资源勘查开采等活动涉及很多矿山环境问题,包括“三废”、土地复垦、尾矿库等,本条既界定了矿山地质环境适用范围,又和其他相关规定进行了衔接。现将矿山环境分为以下几类:

崩塌:指在矿产资源勘查开采活动中造成矿区陡峭斜坡上的岩体或者土体在重力作用下,突然脱离母体,发生崩落、滚动的现象。

滑坡:指在矿产资源勘查开采活动中造成矿区斜坡上的土体或者岩体,受人工切坡、河流冲刷、地下水活动、地震及等因素影响,在重力作用下,沿着一定的软弱或者软弱带,整体地或者分散地顺坡向下滑动地自然现象。

泥石流:产生在山区沟谷或山坡上,挟带大量固体物质的特殊洪流称泥石流。采矿堆积的大量废石为泥石流提供物质来源能加剧泥石流的发生和来势。

地裂缝:其发生机制与崩塌相似,只不过受损山体尚未脱离母体而成为危岩。

地面塌陷:指在矿产资源勘查开采活动中造成矿区地表岩体或者土体受自然作用或者人为活动影响向下陷落,并在地面形成塌陷坑洞而造成灾害的现象或者过程。

含水层破坏:指矿山建设与采矿活动导致的地下含水层结构改变、地下水位下降、水量减少或疏干、地下含水层储存能力降低、水质恶化等现象。

地形地貌景观破坏:指矿山建设与采矿活动改变了原有的地形条件与地貌特征,直接造成山体破损、岩石裸露、破坏植被、农作物及野生动物栖息地,导致绿地面积缩减。

废水污染环境:矿山废水包括矿坑水、选矿废水、冶炼废水和废渣淋滤水,水中含有重金属离子、酸、碱、氰化物、有机药剂残留物、细菌、病毒等。矿山污水超标排放,会污染农田、河流、湖泊、地下水,使农作物减产、鱼虾死亡。凡口铅锌矿过去采用氰化物作为选矿药剂,使废水中氰浓度超标,造成农田污染、牲畜中毒事故。

废气污染环境:矿山冶炼废气、粉尘、烟尘排空,降低空气质量,造成空气污染。矿山废气主要有害成分有二氧化硫、氟化物及固体悬浮物等,会使植物叶片退绿、生斑、脱落,农作物生长减缓,抗病虫害能力降低。冶炼厂排放的烟尘使周围泡桐树叶枯黄飘落,春季犹如秋季。

景观环境破坏:采矿破坏景观的问题普遍存在,这里主要是指在国家公园、风景名胜区、地质遗迹保护区进行采矿活动而引发的景观环境问题。常见表现形式有:剥土挖树损伤自然风景,采石烧灰破坏地质遗迹,运输爆破干扰名胜观光等。这些活动的作用范围可能很小,对植被和山体的破坏也是局部的,但对景观的伤害可能是致命的,轻则“大煞风景”,重则使奇特景观或珍贵地质遗产不复存在。

3 结语

矿山环境问题主要可分为三大类:生态环境问题、地质环境问题和景观环境问题。具体表现为崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝、地面塌陷、含水层破坏、地形地貌景观破坏、废水污染环境、废气污染环境和景观环境破坏等10个方面。

4 矿山环境监测建议

矿山环境分类监测矿山环境监测应针对矿山环境问题发生的原因和方式,分类分项进行。现对各类环境监测项目建议如下:

4.1 地质环境的监测

新建矿山应提交矿山建设用地地质灾害危险性评估报告,并经过有关部门审批通过。对不符合建设条件和易引起环境地质问题又无条件采取措施予以避免的准入申请,实行“环保一票否决制”。现已在地质灾害危险区内的矿山应立即迁出。

矿山建设和生产,特别是采矿设计必须由具有相应资质的设计单位进行设计,并经严格审批。

矿山开拓掘进对地形地貌改变的范围和程度,对山体稳定性的影响。采矿工程应严格按设计进行。

矿区内时刻监测崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝、地面塌陷、地下水的变化等情况,严防各类地质灾害发生。

4.2 生态环境的监测

建矿开矿破坏植被、耕地的面积,植被种类、破坏程度。应复垦面积和已复垦面积、复垦率。因植被破坏引起水土流失的危害等应详细监测。

监测采矿对地表水(流向、流速、流量、水质)及地下水(水位、水量、水质、泉、井)的影响。地下水补径排状况,水平衡系统的变化。

采选冶作业对空气质量的影响,矿区空气质量监测。

监测矿山排放废石、尾矿等固体废弃物堆放位置,占地面积、稳定性。是否侵占耕地、河谷、河床。是否建有尾矿坝,尾矿坝高度和坚固性。

监测矿山排放废水中汞、镉、铬、镍、铅等重金属,氰化物、硫化物、磷酸盐等化合物,苯胺、硝基苯等有机化合物含量。

监测矿山排放废气中二氧化硫、氮氧化物、氯化氢、氟化物、硫酸雾、颗粒物的含量。

4.3 景观环境的监测

在国家划定的自然保护区,国家重点保护的不能移动的历史文物和名胜古迹所在地勘查矿产资源的,在市县级以上自然保护区、重要地质遗迹保护区、风景名胜所在地1公里内和可视范围内禁止采矿活动。

参考文献

[1]高伟生,等.环境地学[M]北京:中国科学技术出版社,1992

[2]王如松,等.现代生态学的热点问题研究[M]北京:中国科学技术出版社,1996

滑坡监测与变形预报分析 第8篇

1 滑坡灾害形成机理及预测理论

滑坡是指斜坡 (人工边坡) 岩土体依附于其内在或潜在软弱结构面 (带) 在重力等综合因素作用下, 失去原有平衡条件而产生的以水平位移为主的滑动现象。

滑坡灾害是指地质作用和人类活动造成的恶化地质环境, 降低环境质量, 直接或间接地危害人类安全和生态环境平衡, 并给社会和经济建设造成一定损失的斜坡变形破坏乃至整体移动事件。

滑坡按动力成因可分为天然动力与人为动力两大类。前者分为地震型、降雨型、汇水型等。按滑动面深度分为浅层滑坡 (<6 m) 、中层滑坡 (6 m～20 m) 、厚层滑坡 (20 m～50 m) 、巨厚层滑坡 (>75 m) 。

大气降水是滑坡致灾的最主要外因。水对滑坡的作用是一个动态过程, 大气降水注入滑体, 增加岩土的含水量、增大岩土体容重、软化岩土、降低岩土的抗剪强度。降水渗入到风化岩土体之下的基岩面或断水层面变成润滑剂, 降低了接触面的抗滑性能, 从而导致滑坡的发生。

统计结果表明, 滑坡活跃期与当地降水丰年或特大暴雨季节相对应。位移—降水量关系统计模型表明, 一般强度的降水对蠕动性滑坡的运动有加速作用, 且其位移量随降水量的增大而呈线性增长。

滑坡灾害的孕灾背景主要有如下7种因子:1) 时日降水量;2) 多年平均降水量;3) 地质体坡度;4) 松散堆积物的厚度及分布;5) 地质构造发育程度 (控制岩石破碎程度和稳定性) ;6) 岩土体结构;7) 人类工程活动程度。

滑坡灾害的发生是缓慢蠕动的地质体从量变到质变的过程。一般情况下地质体的蠕动速率是小而且稳定的, 当突然增大时, 预示着灾害即将到来。

2 滑坡研究现状

国内外滑坡灾害监测预警研究大体分为两种类型:一类是以滑坡灾害位移监测数据为基础, 结合室内模型实验开展的模型预报研究;另一类是基于大气降水的观测, 研究降水量、降水强度和降水过程与滑坡灾害的空间分布在时间上的对应关系, 建立滑坡灾害时空分布与降水过程的统计关系, 以达到预报预警之目的。两种研究途径各有侧重, 前者强调滑坡灾害位移机理研究, 后者强调滑坡灾害受外界触发因素影响的统计学研究。

刘传正 (2004年) 根据致灾地质环境条件和气候因素, 将中国分为7个大区, 28个预警区。通过对历史上发生的地质灾害和灾害发生前15天的实际降水量及降水过程的统计分析, 创建了地质灾害气象预警判据模式图, 制作了预报预警判据图。在收到中国气象中心全国降水0.5 h内, 对所预报的次日降水量过程是否诱发地质灾害和诱发灾害的空间范围、灾害强度进行预警。

李先华提出了滑坡启动的机制。通过降水—滑体含水率—滑体容重、滑动土体内摩擦角、内聚力以及它们与滑坡稳定系数的定量关系及时间效应, 建立滑坡启动速度、推力、方向和时间的预测预报模型。对土水特征曲线数学模型进行了研究, 推导出具有统一表达式的土水特征曲线 , 分析得出土水特征曲线主要受土粒的矿物成分、孔隙的分布大小、孔隙结构、土体的收缩性、土的应力历时和温度等因素影响。

3 滑体位移的监测

3.1 钢管竹条位移计的观测原理

滑坡体在剧滑前会产生一系列裂缝。根据受力状况, 其裂缝可分为拉张裂缝、鼓胀裂缝、扇形张裂缝、剪切裂缝, 监测滑坡体后缘的拉张裂缝从滑坡体蠕变开始到剧滑前期的裂变情况至关重要。钢管竹条计就是通过对后缘拉张裂缝的观测来监测滑体的变化的。

当滑坡体滑动时, 钢管会随着滑坡体一起滑动, 而竹条刻度尺因固定在滑体外稳定的后壁上方而保持不动, 一段时间内钢管指针在刻度尺上的数据变化即为该滑坡体在滑动方向上的滑动距离。

3.2 观测资料整理所用的计算公式

其中, ΔL为位移增量, mm;Li为第i次观测读数, mm;Li-1为第i-1次观测读数, mm;ΔH为垂直位移增量, mm;α为埋设位移计的该段滑坡体的坡度, (°) ;ΔM为水平位移增量, mm;e为平均滑动变速率, mm/d (或mm/h) ;Δt为前后两次观测的时间差, d (或h) 。

4 滑坡体数据的整理与分析

1) 滑体稳定点的分析可采用统计检验方法。先作整体检验, 在判别有动点后再作局部检验, 找出变动点予以剔除, 最后确定出稳定点组。亦可采用单点高程、坐标变差和观测量变差的U, T, X2, F检验法, 或采用按两期平差值之差与测量限差之比的组合排列检验法来判定。

2) 滑体非稳定点的检验应在稳定点或相对稳定点定义的参考系条件下进行。可采用比较法, 当点两期的高程或坐标平差值之变差Δ符合下列条件时, 可判断点位稳定。

其中, μ0为单位权中误差, mm;Q为检验点高程或坐标的权倒数。μ0值可按下式计算:

其中, μi为各期观测的单位权中误差, mm;fi为各期网形的多余观测数。

当多余观测很少时, μi值可取经验数值。

3) 观测点的变位检验, 应在以稳定点或相对稳定点定义的参考系条件下进行。观测点的相邻两周期平差值之差与最大测量误差 (取中误差的2倍) 相比较进行。如平差值之差小于最大误差, 则可认为观测点在这一周期内没有变动或变动不显著。在每期观测后, 还要作综合分析, 当相邻周期平差值之差虽很小, 但呈现一定趋势时, 也应视为有变位。

当累计位移与时间变化曲线出现明显的突变值时, 可利用位移对数和时间关系判断拐点, 注意滑体表面征兆, 并结合工程地质、水文地质、地震和气象等方面资料, 全面分析, 作出滑坡预报, 及时报警以采取应急措施。

5结语

山西地处我国中部地区, 绝大部分地区是山区、坡地, 地下矿产资源丰富, 近年来人口的不断增长, 导致了对资源需求的不断增加。人类活动空间和规模的迅速增大, 对资源的过量开采与开采后环境的治理相对滞后, 导致了一系列环境问题, 产生了一系列自然灾害。滑坡灾害已成为一个不容忽视的环境问题, 滑坡监测变形分析预报预警将作为政府救灾和提供防灾建议的基础。

摘要：探讨了滑坡灾害的形成机理及预测理论, 分析了滑坡研究现状, 通过使用位移计监测滑体的变形情况, 得到了滑体位移与速率, 画出了其位移曲线和变化率曲线, 经过分析判断后, 其结论可作为滑坡灾害救灾、防灾的一个依据。

关键词：滑坡灾害,降水量,监测,位移

参考文献

[1]郑孝玉.滑坡预报研究方法综述[J].世界地质, 2000, 19 (4) :370.

[2]李嫒.中国地质灾害类型及其特征调查成果分析[J].中国地质灾害与防治学报, 2004, 15 (2) :29-31.

[3]刘传正.地质灾害勘查[M].北京:地质出版社, 2000.

西南某边坡变形监测分析 第9篇

云贵高原某边坡, 位于贵州省境内。地势南东高, 北西低。最低点为北西侧小溪内, 高程约412.0 m, 最高点在斜坡顶部, 高程约458.1 m, 区内最大高差46.1 m, 边坡倾向273°∠30°。由于工程建设需要, 在场区南东侧斜坡形成一高约7 m~10 m的直立边坡, 长度约180 m。

工程场区气候属于亚热带河谷气候特征, 雨水充沛, 多年平均降水量1 036.4 mm, 每年5月~9月为雨季, 占全年降雨量的80%左右。该斜坡为侵蚀沟谷斜坡地貌, 岩性以侏罗系下统自流井群綦江段 (J1-2zl1) , 灰绿色中厚层强风化~中风化石英砂岩为主, 并夹有紫红色薄层泥岩, 厚度约10 cm。薄层泥岩位于卸荷拉伸区, 以及雨水入渗, 成为该边坡不稳定的控制性边界条件。

由于卸荷以及雨水入渗, 加之边坡开挖, 薄层泥岩以上易形成不稳定滑坡体。一旦出现险情, 其后果不堪设想。需对边坡采取多种方法进行监测, 对监测结果进行分析, 有助于判断坡体的的稳定性, 及支护效果的评价[1]。

2 基本地质条件

场地地质构造属于扬子准地台遵义断拱毕节东向构造变形区, 出露地层为侏罗系下统自流井群綦江段 (J1-2zl1) , 灰绿色中厚层状石英砂岩夹薄层紫红色薄层状泥岩。岩层产状:323°∠24°, 主要发育两组节理:72°∠85°, 163°∠81°。与岩层层面相交, 将岩层切割成楔形体。主要地层有:

1) 第四系松散层 (Qdl) :分布于边坡表层, 为褐黄色粉质粘土, 厚0 m~1.0 m, 可塑状态, 夹少量碎石, 含量约10%, 粒径多为2 m~8 cm, 结构松散。2) 侏罗系下统自流井群綦江段 (J1-2zl1) :灰绿色中厚层状石英砂岩夹紫色薄层状泥岩, 强风化~中风化, 节理裂隙发育。该场地纵向剖面图见图1。

3 监测分析

该边坡采用地表位移监测与深部位移监测相结合的监测方案地表位移使用观测墩进行监测, 每个高程一般采用3个~5个点;深部位移采用钻孔测斜仪进行监测, 测量深度为25 m~30 m。

3.1 地表位移监测

根据现场实际条件共设置13个监测点 (见图2) 。纵坡面选择3个观测点:TP3, TP8, TP12开挖及加固阶段, 每组数据206个, 横剖面选取3个观测点:TP2, TP3, TP4开挖及加固阶段, 每组206个, 对统计数据进行相关性分析 (见表1, 表2) 。

根据统计结果:纵横剖面的数据相关性均较好, 尤其是横剖面变形一致性更好, 相关性高, 表明横剖面坡体呈现整体运动趋势比纵剖面明显。纵坡面上不同高程坡体变形具有相对独立性。

数据进行分析, 选择相关的监测点进行对比, 具有很好的相关性。

边坡观测点TP3与TP8在X方向变形最为显著, TP3累计位移于2012年6月15日发生了较大的变化, 5 d位移达15.76 mm, Y方向的位移变化较小, 变形指向坡脚, 此后坡顶高程450 m处出现局部裂缝。2011年6月15日开挖深度6 m~8 m时, 坡顶处出现地裂缝, 裂缝横向延伸约11 m。施工单位立即停止开挖, 反压处理, 立即变更支护设计, 召开专家咨询讨论会议, 对该边坡滑动体采用大截面抗滑桩, 锚索加固等措施, 2011年11月份雨季过后, 抗滑桩施工, 2012年5月施工完毕, 再次开挖, 桩锚逐渐发挥作用, 边坡变形趋于稳定[2], 表明支护措施效果明显 (见图3) 。

3.2 深部位移

在边坡不同高程上共布置4个测斜管, 由钻孔测斜监控曲线表明:深部位移曲线位移特征为“D”型[3], 可发现明显的剪切带。其中剪切带分别位于443.5 m高程, 与软弱夹层高程位置一致, A, B向剪切位移相差较大, A向位移大于B向位移。可见坡体有沿软弱夹层向坡脚滑动的趋势 (见图4) 。

根据监控资料, 测斜管的剪切位移坡体变形由下向上传递, 符合牵引式变形的基本特征。根据后期变形的监控, 加固支护后边坡变形趋于收敛。

4 结语

1) 通过不同的监测手段, 表明对边坡的同一变形, 不同的监测仪器具有相同的响应, 为边坡的信息化施工提供了可靠的数据, 对边坡的设计具有指导性的意义。2) 边坡变形, 由低高程向高高程逐渐减小, 为牵引式破坏。3) 边坡出现两次变形, 根据变性特征, 两次变形存在不同的成因。4) 支护设计的变更以及支护工作的逐步实施, 有效的控制了边坡的变形, 现今边坡处于稳定状态。

参考文献

[1]黄秋香, 汪家林, 邓建辉.基于多点位移计监测成果的坡体变形特征分析[J].岩石力学与工程学报, 2009, 28 (zl) :2667-2673.

[2]张敏, 黄润秋.小湾水电站进水口高边坡变形机理分析及工程意义[J].工程地质学报, 2009, 17 (1) :62-69.

[3]靳晓光, 李晓红, 王兰生, 等.滑坡深部位移曲线特征及稳定性判识[J].山地学报, 2000, 18 (5) :440-444.

大坝变形监测的预报方法 第10篇

(一) 回归分析法

取变形 (称效应量, 如各种位移值) 为因变量, 环境量 (称影响因子, 如水压、温度等) 为自变量, 根据数理统计理论建立多元线性回归模型, 用逐步回归法可得到效应量与环境量之间的函数模型, 用这种方法可作为变形的物理解释和变形预报。吴子安在《大坝变形监测数据回归分析中的因子选择》中, 对我国大坝变形资料分折中常用的逐步回归分析进行了探讨, 指出这种方法通常所选的因子数偏少, 其原因来自自变量之间的复共线性的影响。为了克服复共线性对因子筛选的影响, 提出若干有益的建议。在回归分析法中, 当环境量之间相关性较大, 可采用差值逐步回归分析法;如果考虑测点上有多个效应量, 如三向垂线坐标仪、双向引张线仪, 二向、三向测缝计的观测值序列, 则可采用有偏回归模型, 该模型具有多元线性回归分析、相关分析和主成份分析的功能, 在某些情况下优于一般的逐步线性回归模型。

回归分析法是一种统计分析方法, 但要延伸环境量超越统计范围时, 其预报效果较差, 甚至会发生错误, 因此需要效应量和环境量具有较长且一致性较好的观测值序列。

(二) 有限元法

有限元法是一种采用确定函数模型直接求解变形的具有先验性质的方法, 属于确定函数法。将混凝土大坝按一定规则划分为很多计算单元, 根据材料的物理力学参数 (如弹性模量、泊松比、内摩擦角、内聚力以及容重等) , 建立荷载与变形之间的函数关系, 在边界条件下, 通过解算有限元微分方程, 可得到有限元结点上的变形。计算的变形值与单元划分、函数模型和物理力学参数选取有关, 假设性较大, 同时, 未考虑外界因子的随机影响, 因此, 计算的变形值与实测值有一定的差异, 往往需要与实测值进行拟合, 对参数进行修改。吴中如院士在《混凝土坝安全监控的确定性模型和混合模型》中提出了以有限元为核心的确定性模型和混合模型, 确定性模型是结合大坝和地基的实际工作性态, 用有限元方法计算荷载 (如水压和温度变化等) 作用下的大坝和地基的效应场 (如位移场, 应力场或渗流场) , 然后与实测值进行优化拟合, 以求得调整参数, 从而建立确定性模型。混合模型是水压分量用有限元计算值, 其他分量仍用回归分析法, 然后与实测值进行优化拟合建立模型。文献将水压分量、温度分量采用线弹性有限元计算, 时效分量用粘弹性有限元计算。从场理论出发, 提出了三峡临时船闸3#坝段位移场确定性模型, 该模型可以监测坝段在任何时刻所对应荷载下的位移场。利用新安江大坝40多年的监测资料和有限元计算成果, 用小概率法和结构分析法为典型坝段的坝顶水平位移拟定了监控指标, 进行监测。

(三) 时间序列分析法

大坝变形观测中, 在测点上的许多效应量如用垂线坐标仪、引张线仪、真空激光准直系统、液体静力水准测量所获取的观测量都组成一个离散的随机时间序列, 因此, 可以采用时间序列分析理论与方法, 建立p阶自回归q阶滑动平均模型ARMA (p, q) 。一般认为采用动态数据系统 (Dynamic Data System) 法或趋势函数模型与ARMA模型的组合建模法较好, 前者把建模作为寻求随机动态系统表达式的过程来处理, 而后者是将非平稳相关时序转化为平稳时序, 模型参数聚集了系统输出的特征和状态, 可对变形进行解释和预报。若顾及粗差的影响, 可引入稳健时间序列分析法建模。对于小数据量的时间序列, 可采用灰色系统理论建模, 通过对原始数列采用累加生成法变成生成数列, 可以减弱随机性, 增强规律性。在组合建模中, 也可以通过建立灰微分方程提取变形的趋势项。《混凝土坝变形的灰色回归一时序模型》应用灰色系统理论、逐步回归分析理论及时间序列分析理论等多种理论和分析方法, 提出了混凝土坝变形的灰色回归-时序模型, 该模型充分提取了对混凝土坝变形产生影响的有用信息。在时序分析中, 一般是针对单测点, 若顾及各测点间的相关性进行多点的关联变形分析, 则可能取得更好的效果。详细地讨论了灰色预测模型GM (1, 1) 和动态灰色预测模型的基本内容及建模过程, 并成功地将等维新信息和等维灰数递补两种动态灰色预测模型应用于大坝变形的预测预报。

对于具有周期性变化的变形时间序列 (大坝的水平位移一般都具有周期性) , 可采用傅立叶 (Fourier) 变换将时域信息转到频域进行分析, 通过计算各谐波频率的振幅, 找出最大振幅所对应的主频, 可揭示变形的变化周期。若将测点的变形作为输出, 与测点有关的环境量作为输入, 通过对相干函数、频率响应函数和响应谱函数进行估计, 可以分析输入输出之间的相关性, 进行变形的物理解释, 确定输入的贡献和影响变形的主要因子。

(四) 卡尔曼滤波法

将变形体视为一个动态系统, 系统的状态可用卡尔曼滤波模型即状态方程和观测方程描述, 状态方程中若含监测点的位置、速率和加速率等状态向量参数, 则为典型的运动模型。这种模型特别适合滑坡监测数据的动态处理, 也可用于静态点场、似静态点场 (如变形监测网) 在各周期观测中显著性变形点的检验识别。该法的优点是有严密的递推算法, 不需要保留使用过的观测值序列, 而且可把模型的参数估计和预报结合在一起。该法是一种变形的动态几何分析方法。应用时需注意初始状态向量及其协方差阵以及动态噪声向量协方差阵的确定, 采用自适应卡尔曼滤波可较好地解决后一问题。

《卡尔曼滤波在大坝动态变形监测数据处理中的应用》详细地讨论了离散线性系统的卡尔曼滤波模型的建立及相应的精度评定公式, 通过对大坝动态变形监测数据的卡尔曼滤波处理和结果分析, 发现卡尔曼滤波值、预报值与原始观测值数据曲线的变化趋势非常接近, 说明所建立的卡尔曼滤波模型是合理的、可靠的, 可以较好地模拟动态目标系统的变化规律。同时, 卡尔曼滤波模型能够实时、快速地处理大量动态变形数据, 并能有效地改善动态变形监测数据的精度。

(五) 人工神经网络法

大坝变形与影响因子之间是一种非线性、非确定性的复杂关系, 模糊人工神经网络法将生物特征用到工程中, 用计算机解决大数据量情况下的学习、识别、控制和预报等问题, 是新近发展起来的一种行之有效的方法, 对于具有大量监测资料的大坝安全分析与预报尤其适合。以影响因子作为神经网络的输入层, 以变形量作为输出层, 中间为隐含层的三层反传 (Back Propagation) 模型 (称BP网络模型) 最为成熟, 网络拓扑结构 (每层特别是隐含层的节点数确定) 、反传训练算法、初始权选取和权值调整、步长和动量系数选择、训练样本质量、训练收敛标准等是重要的研究内容。

《BP模型在大坝安全监测预报中的应用》提出采用神经网络中的BP算法模型, 来实现大坝安全监测中的建模及预报功能。神经网络最大的优点就是避免知识表示的具体形式, 不必像统计模型那样要求有前提假设以及事先的因子确定, 而且在理论上可以实现任意函数的逼近。BP网络所反映的函数关系不必用显式的函数表达式表示, 而是通过调整网络本身的权值和阈值来适应, 可避免因为因子选择不当而造成误差。《基于模糊神经网络及遗传算法的大坝安全监测模型》应用模糊神经网络和遗传算法等人工智能技术, 依据专家的经验确定隶属函数, 从而建立模糊神经网络预报模型, 根据专家对实际情况的正确分析, 对预报结果进行修正, 达到进一步提高预报精度的目的。

小波理论作为多学科交叉的结晶在科研和工程中被广为研讨和应用。小波变换被誉为“数学显微镜”, 它能从时频域的局部信号中有效地提取信息。利用离散小波变换对变形观测数据进行分解和重构, 可有效地分离误差, 能更好地反映局部变形特征和整体变形趋势。与傅立叶变换相似, 小波变换能探测周期性的变形。将小波用于动态变形分析, 可构造基于小波多分辨卡尔曼滤波模型。将小波的多分辨分析和人工神经网络的学习逼近能力相结合, 建立小波神经网络组合预报模型, 可用于线性和非线性系统的变形预报。《小波分析在大坝安全监测数据处理中的应用研究》针对误差反向传递 (BP) 网络模型收敛速度慢和易陷入局部最小的不足, 提出将小波网络用于大坝变形监测的拟合和预报。综合了神经网络与小波分解在函数逼近上的优点。比普通神经网络有更强的识别分辨率和更快的训练速度。但小波网络模型在变形分解、物理解释方面存在着明显不足。《基于小波和神经网络拱坝变形预测的组合模型研究》将大坝安全监测的数据系列视为由不同频率成分组成的数字信号序列, 结合小波分析理论, 对监测数据进行分析处理, 包括野值诊断、降噪处理和时效分量提取等。

将小波分析与人工神经网络相结合的小波神经网络组合预报方法, 将人工神经网络与专家系统相结合建立大坝变形、预报的神经网络专家系统也极具应用前景。

(六) 系统论方法

变形体是一个复杂的系统, 是一个多维、多层的灰箱或黑箱结构, 具有非线性、耗散性、随机性、外界干扰不确定性、对初始状态敏感性和长期行为混沌性等特点。系统论方法包括两种建模方法, 一种是输入输出模型法, 前述的回归分析法、时间序列分析法、卡尔曼滤波法和人工神经网络法都属于输入输出模型法。另一种是动力学方程法, 该法与有限元法中的确定函数法相似, 根据系统运动的物理规律建立确定的微分方程来描述系统的运动。但对动力学方程不是通过有限元法求解, 而是在对系统受力和变形认识的基础上, 用低阶、简化的在数学上可求解和可分析的模型来模拟变形过程, 例如用弹簧滑块模型模拟边坡粘滑过程, 用单滑块模型模拟大坝变形过程, 用尖点突变模型解释大坝失稳机理等;也可根据监测资料反演变形体的非线性动力学方程。对动力学方程的解的研究是系统论方法的核心, 为此引入了许多与动力系统和与变形分析、预报密切相关的基本概念:状态空间或相空间 (称解空间) 、相点、相轨线、吸引子、相体积、Lyapunov指数和柯尔莫哥洛夫熵等。相点代表状态向量在某一时刻的解;相轨线代表相点运动的迹线;吸引子代表系统的一种稳定运动状态, 它可以是一个稳定的相点位、环或环面, 也可以是相空间的一个有限区域, 对于局部不稳定的非线性系统, 将出现奇怪吸引子, 表示系统为混沌状态;Lyapunov指数描述系统对于初始条件的敏感特征, 根据其符号可以判断吸引子的类型以及相轨线是发散的还是收敛的;柯尔莫哥洛夫熵则是系统不确定性的量度, 由它可导出系统变形平均可预报的时间尺度。对变形观测的时间序列进行相空间重构, 并按一定的算法计算吸引子的关联维数、柯尔莫哥洛夫熵和Lyapunov指数等, 可在整体上定性地认识变形的规律。

《大坝观测数据序列中的混沌现象》探讨大坝观测数据中的混沌现象。文中对坝体径向位移的实测值与残差的数据序列, 分别进行相空间重构, 将若干固定时间延迟点上的测量作为新维处理, 形成相点, 按照关联维数方法求算吸引维数。计算中对数据进行规格化处理, 不同测点上的测值与不同起始时刻的计算结果比较接近与稳定, 表明观测数据中存在有奇异吸引子。

《基于Lyapunov指数的观测数据短期预测》介绍大坝观测数据的Lyapunov指数预报分析方法。应用混沌方法对大坝时间观测序列数据进行处理。并将混沌特性应用于大坝变形预测, 根据大坝变形的时间观测数据及计算所得的Lyapunov指数规律, 计算得到较好的预测结果;并对混沌时间序列相宅间重构中的延迟时间间隔和嵌入维数的选取方法进行了讨论;结合实例对Lyapunov指数预测方法进行计算验证。

《变形数据的混沌特性和预报方法分析》依据确定性混沌原理, 采用自适应神经模糊推理系统模型。完成观测数据的长期预报, 对混沌系统时间序列重构的延迟时间间隔和最佳嵌入维数的确定进行了探讨, 并将模型应用于大坝变形预报。

《混沌时间序列的伏尔托拉滤波器在大坝监测分析中的应用》基于混沌动力系统相空间的重构, 对大坝变形回归模型的残差序列采用二阶伏尔托拉 (Volterra) 滤波器建立模型, 将回归模型与Volterra滤波器模型相结合, 进行大坝变形观测数据的拟合与预报。应用实例表明, 应用二阶Vo Item滤波器对具有混沌成分的回归模型残差时序列进行分析, 可以有效地提高拟合精度和预报精度。

《分形学在大坝监测数据处理中的应用》借助于变维分形的概念, 将数据进行一系列变换, 使变换后的数据能近似地与一条直线相吻合, 从而可以用一般的常维分形来处理, 只需考虑一、二十个数据值就能较好地进行分段维数预测计算, 预测效果较好, 具有强大的生命力, 为具有高度复杂性时间序列的建模和预测提供了有力的工具。

系统论方法还涉及变形体运动稳定性研究, 这种稳定性在数学上可转化为微分方程稳定性的研究, 主要采用李亚普诺夫提出的判别方法。

变形受确定性和随机性两部分的联合作用, 演化过程可用一个随机扩展过程如伊藤随机过程来描述, 利用随机过程的平均首通时间来进行变形的随机预报较仅依赖确定性模型进行稳定性分析和变形预报更为合理。

(七) 结语

纵上所述, 大坝变形监测的预报方法很多, 近年来由于人工神经网络模型、非线性分析模型、模糊数学方法和灰色系统模型等的引进, 以及监测数据获取能力和计算能力的发展, 各种方法的组合在大坝变形预报中受到了广泛的关注。

摘要：大坝变形受诸多外界因素的影响, 各种因素间相互关系复杂, 变形监测预测的准确性对大坝安全评估起着重要作用。文章介绍了大坝变形监测的预报方法:回归分析法、有限元法、时间序列分析法、卡尔曼滤波法、人工神经网络法、系统论方法, 并进行了简单评述。随着监测数据获取能力和计算能力的发展, 上述各种方法的组合在预报中受到了广泛的关注。

关键词：大坝,变形监测,预报方法

参考文献

[1]吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用[M].北京:高等教育出版社, 2003.

[2]张正禄, 张松林, 等.大坝安全监测、分析与预报的发展综述[J].大坝与安全, 2002 (5) .

[3]吴子安.大坝变形监测数据回归分析中的因子选择[J].武汉测绘科技大学学报, 1993, 18 (1) .

[4]李旦江, 顾宁.差值逐步回归法及其应用[J].大坝观测与土工测试, 1988 (2) .

GPS大坝变形监测系统 第11篇

1 随着科学技术的发展和人民生活水平的提高, 人们对生产安全、生产效率的要求也越来越高。传统的形变监测是使用常规的光学和电子测量仪器, 选择网中高等级点建立统一基准, 将监控网点高精度地与各部位的独立基准点联测, 形成整体的监测网络系统。监测网的精度和可靠性要求比较高, 观测周期多, 所需费用高, 而且需要大量的人力物力。

GPS精密定位技术已在大地测量、地壳形变监测、精密工程测量等诸多领域得到了广泛的应用和普及。GPS监测具有全天候、全球性、高精度、高速度、实时三维定位、误差不随定位时间而积累等优点。监测系统可以直观显示变形状况, 提供预警指示, 这对于自然灾害的防范起到了重要作用。

2 系统概述

GPS形变监测系统是利用高精度卫星定位技术、计算机通讯技术等监测大坝等构造物实时或近实时的系统。系统是在一定区域内建立起一个或者两个基准站、多个GPS监测站, 通过GPS监测站的精确坐标计算, 实现对该区域的地形监测。

系统主要包括四个部分:a.基准站和监测站。基准站是整个监测系统的基准参考, 需建在稳定的基础上。监测站建在需要监测的变形体的重点部位, 利用监测站的变形情况反映变形体的形变。b.数据处理中心。数据处理中心负责连接各个基准站和监测站, 获取其监测数据, 按照一定处理算法对数据进行处理, 获取形变信息。数据处理中心建在观测房, 便于各种数据传输。c.远程监控中心。通过网络获取数据处理中心的各种处理结果, 提取形变量, 分析形变的性质、大小, 并做出一定的结论, 为相关部门提供决策参考。d.通讯网络。连接基准站和监测站到数据处理中心, 以及数据处理中心到远程监控中心的通讯网络。本次工程, 连接基准站和监测站到数据处理中心为光纤, 数据处理中心到远程监控中心为ADSL互联网络。

3 软件系统

软件系统总体可以分为三个部分:即数据处理模块、数据传输与储存模块、数据分析模块。此三个部分是整个GPS自动化监测系统的核心组成部分, 所有操作完全是人工提前设定后由软件自动完成。

这三个模块具体配合流程为固定布置的传感器将监测数据调制成可传输的信号, 根据传输的远近、所处的位置选择无线或有线的通讯方式, 在数据采集工作站完成数据的自检和本地存储。并通过控制信号对参数配置和采样控制完成操作。在数据进入处理服务器后, 数据处理软件完成自动解算、平差等工作, 数据分析和显示功能实现监测变形统计, 并对数据进行评估和预警。数据处理完成的同时将原始数据和解算结果存储到数据库, 数据分析得到的预警信息、以及时间信息、健康状态等存储到数据库, 数据库也为分析模块提供历史监测数据等信息供调用。

3.1 质量检验

质量检验是数据处理最后一个环节, 也是非常重要的一个环境, 它的具体功能是通过数理统计的一些方法判断解算结果的精度及是否有粗差, 如果有系统则会自动剔除, 具体检验方法为x2检验和τ检验。

X2检验

X2检验就是对整个网的单位权方差σ02进行检验, 即判断平差后单位权方差的估值XsÂÁ是否与平差前先验的单位权方差σ02一致。

则认为两者是一致的。

软件检验网平差是否通过了x2检验。若网平差不能通过x2检验, 则对基线进行重新处理, 或者剔除较差的观测值等方法使之通过x2检验。

τ检验

根据基线向量改正数的大小, 可以判断出基线向量中是否含有粗差。体判断依据是:

其中:vi为第i个观测值的残差;为单位权方差;qi为第i个观测值的协因素;t1-a/2为在显著性水平下的分布的区间。

则认为第i个观测值中不含有粗差;反之, 则含有粗差。

而软件实际提供的τ值为检验值与τ值的比值, 如果该值小于1.0, 则说明该观测值不应排除, 如它大于1.0则意味着应排除。

3.2 数据分析功能

数据分析主要是对监测解算数据以图形化的方式统计分析, 数据传输部分在存储数据到数据库的同时, 也将解算结果传输给数据分析部分, 以实现实时分析。分析的主要方式是将监测数据在点面的各方向以时间为横轴生成的频谱曲线。对各监测方向设置预警限值, 当监测数据达到限值时便启动报警功能, 并且根据不同条件设置不同的报警级别。为了提供给上级专家和领导直观的分析结果, 将监测数据生成日常报表。报表可设置周期一天、一周或一月。

3.2.1 变形分析

数据分析是通过GPS监测值的表面位移分析, 以及辅助监测手段的深度位移分析。数据分析可以分为实时分析和历史分析, 单点分析和面状分析。

表面位移分析可以分为X、Y、Z三个方向, 随着时间的延续, 各个方向向量值可以生成与时间相关的线性函数。为了得到变形在历史某段时间的变形趋势, 还可以通过调用数据库的历史存储数据, 生成变形曲线。通过对比两段时间的变形特征, 还可以统计出两段时间的变形速率, 并进行比较, 分析变形情况。

3.2.2 预警预报

根据稳定性分析以及前n期的监测成果模拟监测点的变形曲线, 并结合相关资料预报今后的变化趋势。由于影响变形体的因素错综复杂, 考虑到系统的通用性, 系统提供了回归分析、灰色系统、kalman滤波等传统的模型供选择。根据系统给出的限值进行预警, 提供相关工程图纸及地质、水文气象资料, 便于变形情况的进一步分析。

报警级别

报警按问题严重情况可以分3个级别:一级报警。设备故障或是偶然变形峰值出现, 可以上报给值班人员或一般主管。方便工作人员及时查明原因。二级报警。变形趋势明显, 超过了设定限值, 这时报警给安全管理部门领导, 以及时作出项目分析和安排。三级报警。当严重变形超限, 长时间变形峰值出现, 这时说明问题很严重, 得迅速上报给各级领导和相关专家, 及时做出反映, 保障人民群众的生命和财产安全。

报警内容

报警内容以一定的格式, 简洁明了的说明事发状况。例如:某监测点的报警格式设置为:某时间, 某监测点, 几级报警, X/Y/H变形值。

某监测区域报警格式为:某时间, 某区域, 几级报警, 表面位移及深度位移情况。

报警设置

报警级别。可以默认设置为3个级别, 当相关领导专家对报表分析数据作出认为判断认为应该提升或降低报警级别, 也可以认为修改。

报警人员。当相关安全责任人及领导有变的情况下, 报警接收人员可以通过系统管理员登录后对其进行添加或删除。

报警方式。监控现场可以装备警报器, 当达到报警级别后启用警报器作出响应。

远程通讯报警, 可采用短信息、电话方式或email报警。

4 结语

崩塌、滑坡会造成重大损失, 对大坝、滑坡的安全监测非常重要。GPS大坝监测系统能够实时将GPS信号传输到控制中心, 实现数据自动化传输、管理和分析处理, 它可以实现高度自动化, 大大减轻外业强度, 同时又能够迅速得到高效可靠的三维点位监测数据, 对变形监测工作意义重大

参考文献

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