二、某水電站大壩安全監測實例
某水電站攔河壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程294m、最大壩高157m、底寬35m、頂寬7m。壩頂中心弧長438m、中心角82°，內半徑302.3m，壩體共分為29個壩塊。壩區地震基本烈度為6°，大壩地震設防烈度為8°。水庫正常蓄水位為285.00m，水庫總庫容為95.65×10-8m3。水電站樞紐屬一等工程，主要建築物有：攔河壩、引水道、壩後式廠房、兩岸滑雪式溢洪道、一級放空兼泄洪洞和二級放空洞等。壩址區位於東江峽穀的上段，兩岸山高大於500m，峽穀呈“V”形，兩岸對稱，河穀寬高比為2∶1，岸坡45°～50°。大壩地基主要為侵入岩，地質構造屬新華夏構造係，壩址區有不同程度的斷層和節理裂隙分布。
（一）監測係統概況
該水電站大壩安全監測項目包含變形監測、滲流監測、內部觀測三大類，詳見表18-1，這裏隻介紹大壩變形監測項目。
（二）垂直位移監測
1.壩區一等水準網
為了監測壩區岩體垂直位移，在壩頂及下遊布置了包括水準基點組（J1-1、J1-2、J1-3和J1-4）、工作基點、岩體垂直位移觀測點等點在內的一等水準網，共計29個測點，如圖18-7所示。測量使用Ni002精密水準儀配合3m銦鋼尺，按照國家一等水準精度要求，每年定期觀測1次。
2.壩體垂直位移監測
壩體垂直位移測點布設在291、250、205、175、145五層觀測廊道中。垂直位移監測先以R4為工作基點，RJ為其校核點，觀測路線從右岸R4開始，將高程引測至各廊道中的工作基點AZ0、BZ1、CZ1、DZ13、EZ4上，最後附合到左岸的L7點，構成附合水準路線。然後再通過這幾個工作基點監測各廊道沉陷測點與傾斜測點。垂直位移監測按二等水準精度要求，每月觀測1次。以291廊道為例，廊道內共布設29個沉降測點和3對傾斜測點，由工作基點AZ0引測，沉降測點每個壩塊布設一個，編號為AZ0~AZ28；傾斜測點編號為AL3、AL5、AL7。
（三）水平位移監測
大壩水平位移監測包括壩區平麵控製網，前方交會，正、倒垂線等監測設施。
1.壩區平麵控製網監測
壩區平麵控製網用於監測壩區兩側岩體的水平位移，同時為大壩水平位移提供基準點。控製網由3個四邊形、8個控製網點組成。右岸從上遊至下遊4個控製點編號為TS7、TS5、TS2、TS3，左岸從上遊至下遊4個控製網點編號為TS8、TS6、TS1、TS4，總共觀測18條邊組成測邊網，如圖18-8所示，其中TSI、TS2、TS5、TS6這4個點分別位於S1、S2、S5、S6垂線觀測房中。觀測采用ME5000精密測距儀（標稱精度0.2mm+0.2×10-6×D），邊長觀測每邊測量4測回，均對向觀測。
由於壩區兩岸岩體位移方向理論上是朝向迎水麵，也就是兩岸岩體是相對運動的，因此，控製網觀測采用對全網觀測及跨河邊長觀測兩種監測方式進行。跨河邊長觀測是利用控製網測點對跨河邊長進行觀測，分為TSl—TS2、TS3—TS4、TS5—TS6、TS7—TS8四組對向觀測邊。控製網全網觀測頻率為每兩年1次；跨河邊長觀測頻率為每兩月1次。在4條跨河邊長中，TS7—TS8邊最長，約為567m，測量中誤差為ms=0.31mm，當岩體有微小水平位移時，完全可以通過跨河邊長監測發現。
壩區平麵控製網采用獨立坐標係，以294m高程拱冠上遊壩麵中點為原點。
2.前方交會監測
大壩前方交會監測設施用於監測壩體的水平位移，采用測邊交會法，使用ME5000高精度測距儀測量。前方交會監測設施共布設37點，見圖18-9所示，其中l（TSI）、2（TS2）、3（TS3）是前方交會工作基點，為壩區平麵控製網點；4～37為壩體位移監測點。34個位移監測點中，有18個點位於29lm高程的壩後橋，7個點位於250m高程的壩後橋，滑雪道左右各3個點，電梯井3點。除21號點由工作基點2、3交會外，其餘各點均由工作基點1、2交會，每兩個月測量1次。
3.正、倒垂線監測設施
大壩有正垂9條、倒垂11條，共計20條，其中有5組壩體正倒垂線、6個壩區垂線（組）和1條電梯井正垂線。垂線布設詳見圖18-10。20條垂線共有32個測點，分列如下：
壩區10個測點：S1垂線組位於左岸距水工樓300m左右公路邊的亭子內，有正倒垂線各1根，分別設1個測點，布置在286m高程麵上；S2垂線組位於右岸，與Sl亭子相對，有正倒垂線各1根，在287m高程麵每條垂線上各設1個測點；S5隻有1根倒垂線，位於右岸壩肩亭子內，共有3個測點，分別布設在294m、291m、274m高程麵上；S6垂線組位於左岸壩肩亭子內，有正、倒垂線各1根，在294m高程麵上各有1個測點；L12和L15各有倒垂線1根，分別位於廠房左岸交通洞中和廠房右岸的觀測房內，在162m高程麵上各設1個測點。
壩體17個測點：壩體共有Ll、L3、L5、L7、L9五組垂線，各有正、倒垂線1根，其中L1、L9分別位於5、20壩塊；L3、L7位於壩體1/3～2/3拱圈處，與壩中軸線對稱；L5垂線為壩體拱冠中軸線。17個測點分布在3個高程麵上，其中，250m高程麵上有7個測點，分別布置在L1、L9正倒垂線組上各1個，L3、L5、L7正垂線上各1個；205m高程麵上有L3、L5、L7共3個正垂測點；175m高程麵上有L3、L5、L7共6個正倒垂測點；145m高程麵上隻有L5共1個倒垂測點。
電梯井5個測點：在162m、185m、217m、250m、281m高程麵上各有1個測點。
第四節 橋梁施工和運營期間的變形監測
一、橋梁變形監測的內容和方法
根據我國頒布的《公路技術養護規範》中的有關規定，以及大跨度橋梁塔柱高、跨度大和主跨梁段為柔性梁的特點，橋梁工程變形監測的主要內容包括：（1）橋梁墩台沉陷觀測、橋麵線形與撓度觀測、主梁橫向水平位移觀測、高塔柱擺動觀測。（2）為上述各測量項目所建立的水平位移基準網和沉陷基準網觀測。
橋梁變形觀測的方法需根據橋梁變形的特點、變形量的大小、變形的速度等因素合理選擇，目前橋梁變形觀測的方法主要有四種：一是大地控製測量方法，又稱常規地麵測量方法，它是變形觀測的主要手段，其主要優點是，能夠以網的形式進行測量並對測量結果進行精度評定，提供橋墩台和跨越結構的變形情況。二是特殊測量方法，包括傾斜測量和激光準直測量。三是地麵立體攝影測量方法。四是GPS監測方法。後三種測量方法與前者相比，具有外業工作量少，容易實現連續監測和自動化等優點。
橋梁墩台的空間位置變化和橋跨結構的撓度變化情況，可以通過對變形觀測網的觀測來實現。觀測點布設在橋梁墩台選定的位置上，根據觀測點在垂直方向和水平方向的位移值即可得出橋梁的變形情況。基準點位於橋梁承壓範圍之外的穩定位置，工作基點位於承壓區之內，用以直接測定觀測點的變形。橋梁變形觀測的頻率通常要求既能反映出變化的過程，又不遺漏變化的時刻。一般在建造初期，變形速度比較快，觀測頻率要大一些；經過一段時間後，變形逐步穩定，觀測次數可逐步減少；在掌握了一定的規律或變形穩定後，可固定其觀測周期；在橋梁遇到特殊情況時，如遇洪水、船隻碰撞時，應及時觀測。
從對變形觀測的分析中可歸納出橋梁變形的過程、變形的規律和幅度，分析變形的原因，判斷變形是否異常。如屬異常，應采取措施，防止事故發生。其次，可以驗證地基與基礎的計算方法，橋梁結構的設計方法，對不同的地基與工程結構規定合理的允許變形值，為橋梁設計、施工、管理和科學研究工作提供資料。
（一）橋梁垂直位移觀測
1.垂直位移監測網
在布設橋梁垂直位移基準網時，為了使選定的基準點穩定牢固，應盡量選在橋梁承壓區之外，但又不宜離橋梁墩台太遠，以免加大實測工作量及增大測量的累積誤差，一般來說，以不遠於橋梁墩台1~2km為宜。工作基點一般選在橋台上，以便於觀測布設在橋墩上的觀測點，測定各橋墩相對於橋台的變形，而工作基點的垂直變形可由基準點測定。
觀測點的布設應遵循既要均勻又要有重點的原則。均勻布設是指在每個墩台上都要布設觀測點，以便全麵判斷橋梁的穩定性；重點布設是指對那些受力不均勻、地基基礎不良或結構重要的部分，應加密觀測點，主橋橋墩尤應如此。主橋墩台上的觀測點，應在墩台的上、下遊兩端的適宜位置處各埋設一個，以便研究沉降與非均勻沉陷。
2.垂直位移觀測
基準點觀測應每年定期進行一次或兩次，各次觀測的條件應盡可能相同，以減少外界條件對成果的影響。基準點測量的等級依據變形觀測的精度要求而定，一般大型橋梁應按一等水準測量施測，它能滿足變形觀測精度1mm的要求。
觀測點觀測包括陸上墩台沉降觀測和水中橋墩沉降觀測，陸上墩台沉降觀測可按等級水準測量方法進行。這裏主要說明水中橋墩沉降觀測方法，對水中觀測點的觀測如果采用跨河水準測量，其工作量較大，而且施測難度大。故常用跨墩水準測量，即把儀器設站於一墩上，觀測後、前視兩個相鄰的橋墩，形成跨墩水準測量。考慮到測量時照準誤差、大氣折光誤差等急劇增加，因而必須對跨墩水準測量的作業采取一定的措施來提高觀測精度。這些措施有：（1）選用i角變化小的儀器，這樣在前、後視等距時可抵消其影響。（2）觀測時注意保持儀器和標尺的穩定。（3）增加觀測測回數，測回間變動儀器高，測回間互差嚴於跨河水準測量的規定。跨墩水準測量的方法無規範可循，它是實際經驗的總結。經驗表明，在長視距測量中，以前、後視等距的跨墩水準測量代替跨河水準測量是可行的。
在主橋墩麵上，由於其使用空間有限，變形觀測點應遵循一點多用的原則，既是沉降觀測點，也是橫向、縱向位移及傾斜觀測點。觀測點可采用觀測墩及強製歸心裝置。
（二）、橋梁水平位移觀測
1.工作基點的測定
水平位移監測的工作基點一般處於橋台上或附近不遠處，很難保證穩定不動，所以要定期測定工作基點的位移，以改正觀測的結果。在兩岸穩定區域建立基準點，與工作基點組成適宜的網形，采用邊角網、後方邊角交會法、GPS測量等方式，測定工作基點的位移。有時也可采用檢核基準線法，即在墩台麵上所布設的基準線的延長線上，選擇地基穩定處設置觀測墩，以形成檢核方向線，用此方向線來檢核基準線端點在垂直於基準線方向的位移。
2.水平位移觀測
水平位移觀測的方法常常與橋梁的形狀有關。對於直線形橋梁，一般采用基準線法、測小角法等測定橋墩台的橫向位移，而縱向位移可用高精度測距儀直接測定；對於曲線形橋梁，一般采用極坐標法、前方交會法、導線測量法等，將觀測點不同周期測定的坐標之差投影到橋梁縱、橫方向線上，即可獲得縱、橫向位移量。
（三）、橋梁撓度觀測
橋梁建成後，由於承受外界荷載作用，必然會產生撓曲變形。橋梁撓度觀測分為靜荷載撓度觀測和動荷載撓度觀測。前者指測定橋梁自重和構件安裝誤差引起的橋梁的下垂量；後者指測定在車輛通過時的重量和衝量作用下橋梁產生的撓曲變形。
撓度觀測通常是在橋麵上布設一係列觀測點，利用基準點觀測各測點在加載前和加載後的高程差，或定期對各測點進行高程測量以求得其高程變化，進而計算撓度變化。目前，撓度觀測的常用方法有精密水準法、全站儀觀測法、GPS觀測法、液體靜力水準觀測法、專用撓度儀觀測法等。不同的儀器和方法其觀測的精度和速度有一定的差異，應根據觀測要求選擇適當的方法和儀器。全站儀觀測法的實質是光電測距三角高程測量，在測量中大氣折光是一項非常重要的誤差來源，但橋梁撓度觀測一般在夜裏，這時的大氣狀態較穩定，該項誤差相對較小。GPS觀測法主要有三種模式：靜態、準動態和動態，在通常情況下，靜態測量的精度最高，一般可達毫米級的精度，但其觀測時間一般要l小時以上；準動態和動態測量所用觀測時間短但精度一般較低，大量的實測資料表明，在觀測條件較好的情況下，其觀測精度為厘米級，在大撓度的橋梁中還是可以考慮的。液體靜力水準觀測法的測程一般在20cm以內，其精度可達±0.1mm以上。在專用撓度儀觀測法中，以激光撓度儀最為常見，該儀器的主要原理為：在被檢測點上設置一個光學標誌點，在遠離橋梁的適當位置安置檢測儀器，當橋上有荷載通過時，靶標隨梁體振動的信息通過紅外線傳回檢測頭的成像麵上，通過分析將其位移分量記錄下來。該方法的主要優點是可以全天候工作，受外界條件的影響較小。
二、某大型斜拉橋變形監測實例
某跨江大型斜拉橋，全長21.337km，由南、北汊大橋和南岸、八卦洲及北岸引線組成。其中，南汊大橋為鋼箱梁斜拉橋，橋長2938m，主跨628m；北汊大橋為鋼筋混凝土預應力連續箱梁橋，橋長2172m，主跨為3×165m。全線還設有4座互通立交橋、4座特大橋、6座大橋。該橋設計標準為雙向六車道高速公路，橋麵寬32m（不含斜拉索錨固區）。
（一）監測內容和方法
1.索塔及基礎的變形監測
對索塔主要監測塔基礎位移（三維）和塔頂水平變化（二維）。對於南汊大橋，塔基礎位移監測點布置在約9m高程麵的塔柱上，塔頂水平變化監測點布置在塔頂柱體上，上、下遊塔柱和塔柱南北側各布置一測點，如圖18-12所示。南北塔共計布置17個監測點，其中北塔為9個點。對於北汊大橋，基礎位移監測點設在江中22#、23#、24#、25#4個橋墩的墩柱上，每個橋墩的上、下遊墩柱各布1個點，共計8個點，點位也設在約9m高程麵上。
索塔及基礎變形測量使用Leica TC2003全站儀，以三維前方交會法進行角度觀測4測回，觀測方法如圖18-11，每3個月觀測1期。南、北汊大橋皆以竣工時恢複的首級控製網為基準，經平差計算獲得三維坐標，為便於塔柱變形方向分析，平差計算采用橋軸坐標係。
2.橋麵線形觀測
橋麵線形（撓度）包括橋麵標高及橋中線，橋麵標高監測點沿全橋布設，每隔40m設1個點，主橋段（鋼箱梁）點位布在橋梁中央分隔帶護欄上，共設28個點；引橋為上、下遊幅結構，每隔40m上、下遊幅各設1個點，點位設在大橋防撞護欄一側路麵上。南引橋共布42個點，北引橋共布46個點。
橋麵標高每3個月觀測1期，采用精密幾何水準測量方法，以國家二等水準精度和要求測量。水準基點設在兩岸橋下墩台上。
（二）精度分析
1.全站儀測量的精度分析
全站儀測量空間點三維坐標，平麵點位中誤差和高程中誤差分別為：
，
式中：MP、MH分別為觀測點P的平麵點位中誤差和高程中誤差，MS為測距中誤差，V代表豎直角觀測值，S為斜距觀測值，M為角度觀測中誤差，MV為豎直角觀測中誤差，R為地球曲率半徑，MK為大氣折光係數代表性誤差。
由於每次觀測時都采用同一測站和後視方向，因此，控製點本身誤差不影響觀測點精度，同時在固定觀測墩上使用強製對中器，對中誤差可控製在±0.1mm之內，故該項誤差可忽略不計。又因監測點棱鏡用強製對中器固定在橋塔頂部，故棱鏡對點中誤差、棱鏡高量測中誤差、儀器高量測中誤差均可忽略不計。取最大距離為500m，豎直角最大為20°，采用測角精度±1〞、測距精度±（1+1×10-6×S）的全站儀觀測1測回，按上式計算，可以得出MP=±3.71mm，MH=±3.83mm。在實際工程中，由於受各種條件的影響，全站儀實際觀測精度一般要比標稱精度低，通常通過增加觀測測回數或縮短觀測距離來提高精度。
2.沉降變形觀測的精度分析
由於各周期觀測時，采用固定儀器、固定測量人員、固定線路，在外界環境大致相同的條件下進行觀測，故可認為各點在各周期觀測所得的高程中誤差相同，設其值為MH，則測點J利用第i和i-1周期觀測結果計算得的沉降值中誤差為MH，於是，J點和另一測點K的不均勻沉降量的中誤差為2MH。
大橋塔基礎承台上的監測點距最遠基準點不超過600m，采用每千米觀測高差中誤差為±0.5mm的精密水準儀進行觀測，則所得測點高程中誤差MH=0.39mm，於是測點間不均勻沉降量的中誤差MΔH=0.78mm。故采用每千米觀測高差中誤差為±0.5mm的精密水準測量，能夠監測出大於±1.0mm的不均勻沉降量。
第五節 地鐵隧道結構變形監測
地鐵隧道常常建造在地質複雜、道路狹窄、地下管線密集、交通繁忙的鬧市中心，其安全問題不容忽視。同時，地鐵隧道結構體狹長、埋深淺，當結構受力失衡後，極易發生局部變形，影響施工和運營的安全。因此，對地鐵隧道結構進行變形監測意義重大。
一、地鐵隧道變形監測的內容和方法
地鐵隧道變形監測內容需根據地鐵隧道結構設計、國家相關規範和類似工程的變形監測以及當前地鐵所處階段來確定。地鐵隧道變形監測內容主要包括水平位移監測、垂直位移監測、隧道橫斷麵收斂變形監測三個方麵，其中水平位移監測又包括隧道水平位移監測和隧道與地下車站結構間的相對水平位移監測兩部分，垂直位移監測又包括隧道沉降監測和隧道與地下車站結構間的沉降差異監測兩部分。
對於不同的地鐵隧道變形監測項目，所用監測方法和儀器也不相同。通常，對於隧道垂直位移和水平位移監測，需通過大地測量或者自動化測量的方法利用精密水準儀、精密全站儀或智能全站儀進行；而對於隧道斷麵收斂變形監測，則要利用收斂儀（計）通過物理測量的方法進行。
二、變形監測網（點）的布設與施測
由於地鐵隧道變形監測具有涉及範圍大、要求精度高和監測時間長等特點。因此，必須根據地鐵隧道結構設計、國家相關規範和地鐵隧道結構實際狀況，從地鐵隧道結構整體來考慮，擬定統一要求的變形監測網（點）布設和實施方案。
（一）變形監測基準網（點）的布設
基準網（點）是變形監測的基礎，既要求其穩定可靠，又要靠近觀測點方便測量。地鐵車站所處的地質條件一般較好，遇到不良地質，都進行地基處理，所以通常將車站看作一個大的穩定的剛體，發生變形的可能極小，即便個別車站發生變形，也可從相鄰車站的位置關係反映出來，不至於對監測基準網（點）體係造成影響。因此，可以把變形監測基準網（點）建立在車站上，如選擇車站的鋪軌控製基標或埋設的特殊點作為變形監測的基準網（點）。
對於水平位移監測，在車站左右線按要求各埋設一條邊作為基準邊，基準點間距離應在120m以上，車站之間成附合導線，左右線（或稱上、下行線）間成閉合導線。
對於垂直位移監測，監測基準網主要由水準基點和工作基點構成。水準基點一般布設於地鐵外部（國家或地區高程控製點最佳），工作基點布設在地鐵車站內，可與水平位移監測基準點共用。監測基準網宜布設成附合水準路線或沿上、下行線隧道敷設水準路線後，在車站位置成結點，構成水準網形式。根據地質條件和車站結構的穩定狀況確定監測的周期，采用國家一等水準技術要求施測，但觀測限差則應按嚴格的變形監測指標控製，否則平差後的工作基點高程中誤差太大，難以檢驗出工作基點發生的沉降值。
（二）變形監測點的布設
1.水平位移監測點布設
水平位移監測點的布設，依據地鐵線路所處的地質情況，地質條件好的地段，50～70m設一水平位移監測點；地質條件不良的地段，40～60m設一水平位移監測點。
2.垂直位移監測點布設
（1）區間隧道沉降監測點的布設，通常與水平位移監測點共用，地質條件不良的地段，可根據實際情況適當加密。
（2）隧道與地下車站沉降差異監測點的布設，一般隻需在隧道與車站交接縫兩側約1m處的道床上布設1對沉降監測點，每期直接監測兩點間高差即可，如圖18-14所示。
3.隧道橫斷麵收斂變形監測點
隧道斷麵收斂變形監測點的布設，一般根據隧道所處地質條件、所用收斂計以及隧道斷麵形狀等實際情況而定。圖18-15所示為在圓形斷麵隧道內布設監測點的方法，隻要定期用收斂計測量AC和BD的長度變化，即可得知隧道橫斷麵收斂變形大小。
（三）測點標誌與埋設
地鐵隧道內水平位移及垂直位移的基準點標誌應進行統一設計和埋設，可位於車站道床中間的水溝中，高出水溝底部約10mm，采用混凝土標石中央嵌入銅心標誌，並加保護罩。水平和垂直位移監測點布設於道床中央，可分別埋設直徑16mm或8mm，長約60mm的圓頭實心銅質或不鏽鋼標誌。
（四）變形監測的實施
監測時遵循“以基準點為基礎，先控製，後加密”的原則。每次監測應采用固定的儀器、設備、觀測人員及觀測程序。監測作業嚴格按照《工程測量規範》和《國家一、二等水準測量規範》以及《地下鐵道、輕軌交通工程測量規範》的要求進行，做好過程控製。變形監測一般以每一區間為一監測單元，即從一個車站附合至另一車站。
三、監測數據處理與分析