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变形观测的现代技术分析

2018-07-18 基坑变形监测

一般来说,工程建筑物的变形通常处于微小的量级,因此相关技术发展的目标和首要任务是不断地提高变形观测的精度。一则使得同样处于微小量级的测量误差不至于掩盖变形体的变形;二则可能更有效地发现变形体更细小的变形。

(1)精密水准测量是测定变形体垂直位移的主要方法,但消除或者改正大气折光误差对精密水准测量结果的影响是相当困难的。尽管中、美、俄等国家的科技专家在这方面进行了长期、大量的研究,但目前尚未能提出一种切实有效的方法。材料科学和测试技术的前进,促进标准长度的精度得以提高。新型超因瓦精密水准尺的线胀系数可达0.1×10-6/°C。用双频激光测长仪检定精密水准尺,其精度优于±5μm。对精密水准测量成果精度的潜在威胁来自地球磁场对自动安平水准仪本身的影响。大量的实验研究证明,该项影响可使观测成果包含1mm/km甚至更大的系统误差。目前,自动安平补偿器全部采用抗磁化材料制造,特别是更换了Nivarox合金吊丝的精密自动安平水准仪,其磁场误差已小于0.1mm/km。

(2)精密光学经纬仪所具有的简便易行、操作简单、观测精度高、成果可靠等诸多优点,曾经使得精密角度测量成为国家大地测量、城市和工程控制测量的主要方法。但是,最近几十年来,角度测量的精度未能获得突破性提高。究其原因,主要是受大气折光误差的制约。

20世纪80年代,电子经纬仪和激光经纬仪的相继问世,使测量工作者看到了希望的曙光。随着其关键技术的成熟和日益完善,一些国家正在试制双波长(波长分别为6328A的可见红光和4416A的可见蓝光)测角仪器,期望将角度观测的精度提高一个数量级。这样,角度测量的精度不仅可以与目前物理测距已经达到的精度相匹配,而且可使物理测距的光电三角高程测量代替精密水准测量成为可能。

(3)传统的直接测距和间接测距等距离测量方法存在着诸多缺点:劳动强度大、工作效率低下、精度难以提高、受地形条件和气候条件限制有时无法进行等。

20世纪50年代至今,随着物理测距技术的逐步成熟和日臻完善,物理测距仪器得以普及并获得广泛应用。

物理测距的主要误差来源仍然是大气折光。多波测距是减小大气折光误差、提高物理测距精度的有效技术措施。目前,采用最佳观测方案,单波(波长为0.76~0.92μm的近红外光)测距仪的测距精度已达1×10-6量级,双波(波长分别4580A的蓝色45激光和5140A的绿色激光)测距仪的测距精度可达0.5×10-6量级,而三波(波长为6328A的红色激光、波长为4416A的蓝色激光和频率为9600MHz的微波)测距仪的测距精度则可达0.5×10-7量级。

目前,在高精度的工程建筑物变形监测中,边角网几乎完全取代了传统的测角网和单纯的测边网,最大限度地增加了网中的多余观测,从而极大地提高了变形观测的精度。

(4)传统的大地测量方法,无法测得绝对量(例如点在投影面上的坐标x、y和高程H),而只能观测一些相对量(例如角度β、距离S、高差h等)。对于工程建筑物变形观测来说,据此所解算的变形总是相对于某个基准。而该基准则是由某些在整个观测期间一成不变的所谓不动点确定的。这样,就有可能歪曲变形结果。

GPS是一种以卫星为基础的全球无线电定位导航系统。在测量上,GPS则具有全球性、全天候、高精度、连续、快速、实时的三维定位能力。GPS定位具有覆盖范围广、数据内容丰富、信号可靠、准确度高、多用性强、操作简便、经济效益高等优点。GPS定位的观测结果,既可以表述为地心空间三维直角坐标(X、Y、Z)或地心大地坐标(B、L、H),亦可表示为参心空间三维直角坐标(X、Y、Z)T或参心大地坐标(B、L、H)T,并可据此分别按投影函数F1、F2转换为高斯—克吕格坐标系统的平面直角坐标(x、y)。

GPS定位测量的结果是以WGS-84(a=6378137m,b=6356752m,α=1:298.257223563,ω=7.292115×10-5rad·s-1,GM=398600.5km3·s-2)为基准的绝对量,避免了传统大地测量方法只能观测相对量和人为给定不动点的弊端。目前,GPS精密定位技术的精度已达0.1~1.0×10-6量级。

现在,GPS精密定位技术不仅广泛用于国家控制网、城市控制网、工程控制网各等级控制点的定位测量和航空摄影测量的外业控制测量,而且也广泛用于大地形变测量、地表沉降监测和工程建筑物的变形观测。例如水库大坝和船闸、核电站、海上石油勘探平台等大型工程建筑物,均已采用GPS精密定位技术进行施工和运营期间的变形观测。

GPS精密定位技术用于沉降监测,可以直接采用GPS定位测量所解算的大地高,无需进行高程系统的转换。这样不仅简化了计算工作,更重要的是对保证观测成果的精度不受损失具有一定的意义。

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