2010-2011工程变形监测与数据处理--教案17-18

教   案

2010～2011 学年第 一 学期

课次序号：17-18

一、课　　题：

边坡工程监测概述；边坡监测内容与方法；边坡监测技术设计；边坡监测数据整理与分析；边坡监测实例。

二、课　　型：

专业选修课

三、目的要求：

      要求学生掌握边坡监测内容与方法；边坡监测技术设计；边坡监测数据整理与分析。

四、重点、难点：

重点：边坡监测内容与方法；边坡监测技术设计；边坡监测数据整理与分析。

难点：边坡监测数据整理与分析。

五、教学方法及手段：

讲述

六、参考资料：

[1] 黄声亨 等编，《变形监测数据处理》，武汉大学出版社，2003年第1版。

[2] 陈永奇 等编，《变形监测数据处理》，测绘出版社，1998

[3] 吴子安 等编，《工程建筑物变形监测数据处理》测绘出版社  19

[4] 李青岳，陈永奇，《工程测量学》，测绘出版社 1984

[5] 白迪谋，《工程建筑物变形观测和变形分析》，西南交通大学出版社，2002

七、作业：

1、边坡监测的主要目的是什么？

2、边坡监测的主要内容有哪些？分别采用哪些主要的监测方法？

3、边坡监测的监测点如何选埋？

八、授课记录：

通过听讲学生基本掌握边坡监测内容与方法；边坡监测技术设计；边坡监测数据整理与分析；通过工程案例学生对实际工程中边坡如何监测已有所了解，教学效果良好。

十、教学进程（教学内容、教学环节及时间分配等）

1、复习

2、导入课题

3、教学内容

4、课堂总结

5、布置作业

讲    稿

（边坡工程监测）

主要内容：

•概述

•监测内容与方法

•监测技术设计

•监测数据整理与分析

•边坡监测实例

一、概述

监测目的：

（1）掌握边坡变形的大小和状态，评价边坡工程的稳定性 ；

（2）为防治滑坡及可能的滑动和蠕动变形提供技术依据；

（3）为进行有关位移反分析及数值模拟计算提供各种假设和参数；

（4）不断积累工程经验，提高边坡工程设计和施工的水平。

二、监测内容与方法

监测对象：

•地表变形。包括边坡地表的二维或三维位移、危岩陡壁裂缝等；

•地下变形。包括边坡地下的二维或三维位移、危岩界面裂缝等；

•物理参数。包括应力应变和地声变化等；

•水文变化。包括河或库水位、地下水位、孔隙水压力、泉流量、水温等；

•环境因素。包括降雨量、地温、地震等。

边坡工程施工监测的内容

•我国目前的边坡监测方法，已由过去利用人工皮尺等简易工具的方法过渡到仪器仪表监测，并向自动化、高精度和远程监测发展。

•主要监测方法有：简易监测法、设站监测法 、仪表监测法 、远程监测法等。

简易监测法：

•采用简易工具和装置，监测和记录边坡地表的裂缝、鼓胀、沉降、坍塌以及地下水位、地温等变化情况，同时记录监测的时间和监测点的位置、变形形态等信息。

•在边坡体关键裂缝处埋设骑缝式简易监测桩；

•在房屋、挡土墙、浆砌块石沟等建（构）筑物的裂缝处设置玻璃条、水泥砂浆片、纸片等；

•在陡坎、陡壁软弱夹层出露处埋设简易监测桩，采用标尺等长度量具进行测量；

•在岩石、陡壁裂缝处刻槽进行监测。

设站监测法：

•在变形区外稳定的控制点上安置监测仪器，对边坡体上选埋的变形监测点进行定期监测，获得监测点的变形信息。

•为了保证变形监测成果的正确可靠，控制点作为监测基准，其稳定性应该首先得到保证，因为边坡的监测周期一般较长，因此应该定期地对控制网点进行观测，分析和评判其稳定状况。

•地表水平位移监测可以采用极坐标法、测角前方交会法、测边前方交会法、边角前方交会法、视准线法等 方法。

•近景摄影测量法在地表水平位移监测中也有较多的应用；

•GPS已经在许多重要工程的变形监测中得到应用  

仪表监测法：

•采用精密仪表监测边坡地表及深层的位移、沉降及倾斜、裂缝相对变化、地声、应力应变和环境因素等。

•按采用的仪表可分为机械式仪表监测法（简称机测法）和电子仪表监测法（简称电测法），两种方法都具有仪器便于携带、监测精度高、测程可调、监测成果直观等优点，适用于边坡变形的中、长期监测。

•电测法一般采用二次仪表监测，将电子元件制作的传感器埋设于边坡变形部位，通过电子仪表测读，并将电信号转换成测读数据。

•电测法技术先进，仪表灵敏度高，监测内容广，但受环境的影响较大，因此，在选用电测仪表时要结合具体的监测环境，保证监测仪表的长期稳定性和监测成果的可靠性。

•地表和地下位移监测的仪器仪表主要有：多点位移计、收敛计、测缝计、沉降仪等。

•地下倾斜监测仪器主要有钻孔倾斜仪（活动式和固定式）、倾斜计、T字形倾斜仪、杆式倾斜仪及倒垂线五种。 

•地下应力监测仪器主要有压应力计和锚索锚杆测力计等。 

•环境因素监测仪器主要有雨量计、地下水位自记仪、孔隙水应力计、温度记录仪等，还有用于施工期间振动测量的测振仪器，由于仪器种类较多，一般根据实际监测工程的需要自制或选用。  

（a）多点钢丝型 （b）岩石锚杆型

1-钻孔，2-砂浆，3-岩石锚杆，4-钢管，5-端盖，6-黄铜塞，7-接头，8-测微表

多点位移计示意图

倾斜计示意图

倒垂线结构示意图

水压计埋设示意图

远程监测法：

•利用电子仪表或GPS进行边坡的变形监测，能实现变形监测的全天候和连续化，实现变形监测数据的自动采集、存储、显示、打印，实现变形监测数据处理的自动化。

•远程监测也还存在一些问题需要研究和解决，如仪器仪表在野外恶劣环境下的稳定性和保护方法、传感器的质量、数据通讯和传输的方法及其可靠性、仪器仪表的费用投入等。

三、监测技术设计

技术设计前的准备工作：

（1）通过个人接触和会议等形式，与建设单位、设计单位、施工单位、监理单位进行沟通和协调，听取他们对边坡监测的意见和要求。

（2）收集与边坡工程有关的资料，如施工区地形图、工程地质勘察报告、边坡工程设计图、边坡变形控制指标、边坡工程施工组织设计等，并组织监测人员进行认真分析和研究。

（3）现场踏勘和调查，掌握监测区的地形和地质特征，分析危岩可能的崩滑位置和边坡可能的滑动方向，根据监测内容考虑监测点的布置和确定监测方法等系列问题。

监测内容和方法的确定：

•监测内容主要取决于工程的设计要求、地质条件、规模大小以及主管单位的要求等；

•通过对边坡地质背景与工况的深入了解，初步确定边坡变形的范围、方向和深度；

•本着少而精的原则，既要兼顾整体，更要突出重点，地表和地下监测相结合，几何量和有关物理参数监测相结合。

•在监测仪器的选择方面，从经济因素和监测成果的可靠度方面考虑，一般以光学、机械和电子设备为先后顺序，考虑光学、机械和电子设备相互结合。

•在确定具体的监测技术和精度要求时，应结合边坡工程的监测项目、设计要求、监测方法、监测部位等要素，参考现有的有关技术规范和规程。  

前方交会法进行滑坡、高边坡监测的技术要求

滑坡、高边坡变形监测的精度

•首先应确定边坡体变形监测的范围，在该范围中确定边坡体的主要滑动方向，按变形范围和主要滑动方向确定测线，再按测线选择测点的位置。

•测线可以采用十字形或放射形等。十字形主要适用于变形范围和主滑方向比较明确的边坡；放射形主要适用于变形范围和主滑方向不十分明确的边坡。

•滑坡监测点宜均匀地布设在滑动量较大、滑动速度较快的轴线方向和滑坡前沿区，滑坡范围内和范围外较为稳定的部位也应布设少量的监测点。

•高边坡稳定监测点宜呈断面形式均匀地布设在不同的高程面上。

•裂缝监测点应选择有一定代表性的位置，布设在裂缝的两侧。

（a）十字形布设 （b）放射形布设

○ 测站  × 照准点  ● 监测点

测线布设示意图

监测期限和频率：

•不同的边坡工程，由于边坡类型、规模、所处阶段以及边坡变形速率等不同，其监测期限和频率不尽相同。

•施工阶段的边坡监测贯穿边坡施工的全过程，即从边坡开挖或爆破前进行第一次监测，直到整个边坡结构施工和表面处理完成，还要视变形情况适当延长，边坡规模越大，施工时间越长，监测期限就越长。 

•监测频率受施工进度、滑坡的活跃程度及季节变化等多种因素影响；

•岩石边坡在施工初期及大规模爆破阶段，一般以监测爆破振动为主，该阶段的监测频率一般结合爆破工程而定。

•在爆破完成后，以地表和地下位移监测为主，初测时一般1天监测1次或2天监测1次；

•施工阶段3~7天监测1次；

•运营阶段，当变形及变形速率在控制的允许范围之内时，一般以每一个水文年为一周期，雨季可半个月或1个月监测1次，旱季可2个月左右监测1次；

•对于变形量增大和变形速率加快的边坡，或遇到暴雨、地震、解冻等情况时，应加大监测频率，必要时1天监测1次。

预警值和报警制度：

•预警值的确定原则上是参照现行规范和规程的规定值、设计预估值和经验类比值，从变形总量和变形速率两方面加以控制，但现行规范和规程的规定值很少。

•每次监测时，密切观察滑前出现的征兆，监测后应及时整理有关数据，绘制监测点的滑动曲线，当发现变形异常时，应结合其它监测资料进行综合分析，必要时及时报警。

•报警可以采用在监测报表上做报警记号、口头报警、书面报告报警相结合的形式。

四、监测数据整理与分析

监测数据整理：

•边坡工程监测内容较多，监测前应根据不同的监测内容，设计各种不同的外业记录表格；

•记录表格的设计以记录和数据处理的方便为原则；

•监测人员应在表格中记录监测中出现的或观察到的异常情况；

•为表明原始成果的真实性，记录表格中的原始数据不得随意更改，必须更改时，应加以说明。

•外业观测完成后，应及时分类整理和检查外业观测资料，进行观测值的平均值等有关计算。

•外业观测成果应尽快进行计算处理，求得未知数的最或是值及其变形量、变形速率等，编制监测日报表或当期的监测技术报告，并尽快提交有关部门。

•日报表中不但要体现当期的监测结果，还要体现当期与以往相关成果的关系，方便其他单位或人员更直观地理解和把握。 

边坡表层水平位移监测报表

首期观测时间：  .  .    上期观测时间：  .  .   本期观测时间：  .  .  

1. 本次位移=上期坐标-本期坐标；位移速率=本次位移/间隔天数；累积位移=首期坐标-本期坐标。

2. 位移X方向向下游为“+”，Y方向向临时船闸中心方向为“+”。

3. 位移速率预警值为  mm/d，累积位移为  mm，“红色”表示超过预警值。

地表位移矢量图

总结报告内容：

（1）工程概况；

（2）监测内容和控制指标；

（3）监测点布置与埋设方法；

（4）监测仪器仪表、监测方法；

（5）数据处理方法、监测精度；

（6）监测周期与频率；

（7）各项监测成果汇总表；

（8）结合各项监测结果和有关图件进行变形分析；

（9）结论与建议。 

监测结果分析 ：

•总结阶段性的累积位移、平均位移速率，指出超过累积位移和位移速率预警值的监测点点名、部位和时段；

•绘制位移矢量图和位移随时间、深度、水位等的变化曲线，根据位移矢量图描述累积位移的方向，根据变化曲线描述位移的变化过程和变化趋势；

•描述位移与影响因素之间的关系，总结出一定的特点和规律，得出一定的结论，提出一些对施工具有一定指导意义的建议和意见。

•结合监测资料进行有关反分析和对数值计算方法进行验证；

•建立回归分析模型或其它数学模型对变形进行超前预报。 

五、边坡监测实例 

工程概况：

•某大型水利枢纽工程由大坝、水电站和通航建筑物等组成，具有防洪、发电和航运等综合功能。

•大坝为混凝土重力坝，发电厂房安装有多台水轮发电机组，通航建筑主要为永久船闸、升船机及临时船闸。

•永久船闸为双线连续五级船闸，可通行万吨级船队，升船机及临时船闸为单线一级垂直升船机和船闸，可通行3000吨级轮船。 

•升船机及临时船闸两侧为人工开挖的高边坡，高边坡为花岗斑岩，在高边坡的临空面上有众多的楔形体，这些楔形体的稳定性取决于相应结构面的产状，不利结构面的组合所形成的楔形体是边坡局部失稳的一大隐患。

•升船机北侧最大开挖边坡高140m，临时船闸南侧最大开挖边坡高86m，其边坡规模是少见的。

•对于这种深开挖和大面积卸荷的人工岩石高边坡，其稳定性是所有相关工程技术人员关心的重点问题。

监测内容：

•表层岩体水平位移和垂直位移；

•深层水平位移和垂直位移；

•马道上出露的断层和裂缝；

•边坡裂缝浅水位和地下水位；

•锚杆应力；

•边坡松弛范围等。 

测点埋设：

•高边坡表层岩体水平位移监测的测量点分为基准点、工作基点、监测点。

•远离施工区埋设了10个稳定可靠的基准点；

•离边坡较近的相对稳定的地方埋设了28个工作基点 ；

•高边坡表层岩体垂直位移监测埋设了2个基准点和1个检核基准点，离边坡较近的相对稳定的地方埋设了17个工作基点；

•监测点按断面选埋。断面选择分3个层次，即关键部位、重点部位和一般部位。   

⊙水平位移监测点  垂直位移监测点

升船机及临时船闸高边坡表层岩体监测点布置图

监测方法：

•表层岩体水平位移监测采用边角前方交会法进行监测，要求构成较好的交会图形，监测点相对于工作基点的点位中误差小于等于±1.6mm。

•表层岩体垂直位移监测采用精密水准仪NA02和配套的铟钢水准标尺进行监测，要求监测点相对于工作基点的高程中误差小于等于±1.5mm。

•深层水平位移和垂直位移分别采用钻孔测斜仪和多点位移计监测；

•马道上出露的断层和裂缝采用钢丝位移计和错位计监测；

•边坡裂缝浅水位和地下水位采用渗压计和地下水位观测孔观测；

•锚杆应力采用锚杆应力计监测；

•边坡松弛范围采用钻孔声波法和地震法测试。

监测数据处理与分析：

水平位移监测坐标系统采用大坝坝轴坐标系，为直观地表示表层岩体水平位移情况，计算位移量时，将坝轴坐标系中的位移量转换为临时船闸中心线和垂直于中心线方向的位移量。