变形监测新方法及其应用

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1、第一章绪论1.1变形监测内容和目的意义在测量工程的实践和科学研究活动中，变形监测占有重要的地位。工程建筑物的兴建，从施工开始到竣工，以及建成后整个运营期间都要不断地监测，以便掌握变形的情况，即使发现问题，保证工程建筑的安全。人类开发自然资源的活动（如抽取地下水、采油、采矿等）会破坏地壳上部的平衡，造成地面变形。这种变形需要长期监测，以便采取措施控制起发展，保证人类正常的生产和生活。例如，在人口密集的地区大量抽取地下水造成地面沉陷，地面不均匀的沉陷会引起建筑物和工业设施的损坏。地下采矿引起矿体上方岩层的移动，严重的会造成地面滑坡和塌方，危机人民生命财产的安全，需要监测。近年来

2、，人们开始在城市下面、工业设施和交通干线下面、水体（河流、湖泊、海洋等）下面采矿（称为三下采矿）。这些对变形监测都提出了更高的要求。地壳中的应力长期积累造成地震，严重危及人类的生存，监测地壳的变形是预报地震的重要手段。变形监测有实用上和科学上两方面的意义。实用上的意义主要是检查各种工程建筑物和地质构造的稳定性，及时发现问题，以便采取措施。科学上的意义包括更好地理解变形的机理，验证有关工程设计的理论和地壳运动的假说，以及建立正确的预报变形的理论和方法。变形监测按其研究的范围可分为三类：全球性的、区域性的和局部性的。全球性的变形监测主要是研究地极移动，地球旋转速度的变化以及地壳

3、板块的运动。由于地球内部物质分布的变化，导致了转动惯性矩的变化，进而改变了地球自转的速度和地极的位置。区域性的变形监测，用以研究地壳板块范围内的变形状态和板块交界处地壳的相对运动。前者一般由定期复测国家控制网的资料获得，后者要建立专用监测网，监测板块相对运动在其交界处造成的地壳变形。随着GNSS/GPS技术的发展，近年来，很多国家和地区都建立了GPS连续监测网，用于研究区域性变形。局部性的变形监测主要是研究工程建筑物的沉陷、水平位移、挠度和倾斜，滑坡体的滑动以及采矿、采油和抽地下水等人为因素造成的局部地壳变形。变形从其时间特性来分，有运动式变形和动态式变形两种。运动式变形包

4、括应变的积累、地质构造断层量边的相对错动、建筑物或地表下沉等，这种形式的变形总趋势是朝一个方向的。动态式变形是指高层建筑物的摆动、桥梁在动荷载作用下的振动等，这种形式的变形呈周期性，监测的目的是要求获得变形的幅度和周期的信息。总的说来，变形监测的目的是要获得变形体（大到整个地球，小到一个工程建筑物）变形的空间状态和时间特性，同时还要解释变形的原因。对于前一个目的，相应的变形监测数据处理任务成为了变形的几何分析；对于后一个目的，相应的任务成为了变形的物理解释。1.2变形监测的特点1.2.1精度要求高和其他测量工作相比，变形监测要求的精度高，典型精度是1mm或相对精度为10-6

5、.确定合理的测量精度是很重要的，过高的精度要求使测量工作复杂，费用和时间增加，而精度定得太低又会增加变形分析的困难，使所估计的变形量误差大，甚至会得出不正确的结论。制定变形监测的精度取决于变形的大小、速率，仪器和方法所能达到的实际精度，以及监测的目的等。一般来说，如果变形监测是为了研究变形值是否超过某一允许的数值，以确保建筑物的安全，则其监测的误差应小于允许变形值的1/10—1/20；但如果是为了研究变形的过程，则其误差应比上面这个数值低得多，甚至应采用目前测量手段和仪器所能达到的最高精度。1.2.2重复观测重复观测的频率取决于变形的大小、速度以及观测的目的。在工程建筑物建

6、成初期，变形的速度比较快，因此观测频率也要大一些。经过一段时间后，建筑物趋于稳定，可以减少观测次数，但要坚持定期段策。对于地壳形变的测量，根据目的不同，观测频率也不同。用于检测长期应变积累，一般每年观测一次；用于中、短期地震预报，观测频率从几星期一次到近于连续的观测。1.2.3综合应用各种监测方法变形监测方法一般分为四类：①地面测量方法，包括集合水准测量，三角高程测量，方向和角度测量，距离测量等；②空间测量技术，如甚长基线干涉法测量（VLBI），卫星激光测距（SLR），全球定位系统（GPS），合成孔径雷达干涉（InSAR）；③摄影侧利郎方法；④专门测量手段，这里主要是指各种

7、准直测量，倾斜仪监测，应变计测量等。各种测量方法都有其优缺点。地面测量方法精度高，应用灵活，适用于各种不同的变形体和不同的监测环境，但野外工作量大，目前也采用遥测系统。空间测量技术可提供大范围的变形信息，但成本较高。与前两种方法相比，摄影测量外业工作量少，可以提供变形体表面上任意点的变形，但精度较低。专门测量手段容易实现连续、自动监测以及遥测遥控，而且相对精度较高，但他们提供的是局部的变形信息。设计监测方案时，一般都应综合考虑各种方案的应用，取长补短。变形监测网基本上分为两类：参考网（也称绝对网）和相对网。参考网是