《变形监测》电子教案.doc
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《变形监测》课程电子教案
东华理工大学高等职业技术学院
2013年01月
《变形监测》电子教案
（除说明外，根据学习情境以2学时为单位安排授课单元）
系（部）
测绘工程系
教研室（实验室）
工程测量
课程名称
变形监测
授课班级
10316291-3
主讲教师
邹自力
职称
教授
使用教材
《变形监测技术》
教学时数
总学时50，含实训8学时
东华理工大学高等职业技术学院
2013年8月
目录
情境1变形控制网建立（12学时）
一、总体设计 1
二、教学说明 2
2.1概述 2
2.2预备知识 2
三、教学内容 3
3.1子情境1变形监测网的布设与观测（共4学时） 3
变形控制网布设的基础知识（2学时） 3
变形观测系统的布设及观测（2学时） 5
3.2子情境2变形控制制网平差及精度分析（共8学时） 9
变形控制网经典平差（2学时） 9
测边网、测角网及边角网间接平差（2学时） 9
拟稳平差与自由网平差（2学时） 9
变形控制网平差与精度分析上机操作练习（2学时） 10
情境2变形点监测（12学时）
一、总体设计 13
二、教学说明 14
2.1概述 14
2.2预备知识 14
三、教学内容 15
3.1子情境1监测点布设（共2学时） 15
变形监测点布设（2学时） 15
3.2子情境2垂直位移观测（共4个学时） 17
垂直位移观测（2学时） 17
垂直位移观测课间实习（2学时） 18
3.3子情境3水平位移观测（共4学时） 19
水平位移观测（2学时） 19
水平位移观测案例分析（2学时） 21
3.4倾斜观测（共2学时） 22
情境3特殊建筑物变形监测（12学时）
一、总体设计 24
二、教学说明 25
2.1概述 25
2.2预备知识 25
三、教学内容（按子情境为单元组织） 25
3.1子情境1大型钢结构变形监测（2学时） 26
3.2子情境2大型桥梁变形监测（共4学时） 27
3.3子情境3地下工程变形监测（共2学时） 29
3.4子情境4边坡变形监测（共4学时） 31
情境4变形监测数据处理（14学时）
一、总体设计 33
二、教学说明 34
2.1概述 34
2.2预备知识 34
三、教学内容 34
3.1子情境1变形监测资料的整理（共2学时） 34
3.2子情境2变形监测数据处理与分析（共8学时） 36
变形监测网的稳定性分析（2学时） 37
单点、总体位移显著性检验（2学时） 38
一元线性回归分析（2学时） 41
多元及非线性回归分析（2学时） 43
3.3子情境3变形监测报告编写（共2学时） 46
3.4子情境4应用实例（共2学时） 48
《变形监测》课程情境1电子教案
一、总体设计
学习情境
情境1：
变形控制网建立
学时：
12
项目载体
东华理工大学科技楼垂直位移监测；模拟观测数据的平差处理
教学目标
知识目标
技能目标
职业素养
①变形监测系统的构成；
②变形观测的基本内容；
③变形观测的基本方法；
④确定变形观测精度的原则与方法；
⑤变形监测网的布设；
⑥变形控制网三种平差方法及精度分析
①在理解变形监测系统构成原理的基础上，能结合典型工程案例，理解并掌握变形监测系统的布设；
②能结合变形监测系统的布设情况，选用不同的平差方法进行监测数据的处理与精度分析。
①不断培养基本的专业素养；
②严谨的学习、工作态度；
③培养和谐的团队协作精神。
能力训练
及案例分析
1.能力训练：
①在理解变形监测系统构成基础上，理解变形监测系统的布设原理、方法；
②在理解变形监测数据处理模型选择原则基础上，能分别应用模拟观测数据，借助相关软件进行经典平差、拟稳平差与自由网平差计算。
2.案例分析与实践：
①结合东华理工大学科技楼垂直位移监测系统布设，理解变形监测系统在工程实践中的运用；
②在校内机房，借助安装好的平差软件进行经典平差、拟稳平差与自由网平差实例计算。
教学重点
教学难点
1．教学重点：
变形监测培养学生了解工程变形监测目的、理论和方法的实用性课程，让学生根据学过的知识掌握工程实体变形监测的具体内容。
教学重点包括：
①变形监测的目的、工程变形的原因；
②变形监测系统的布设；典型工程变形监测的内容与方法；
③变形监测数据处理与精度分析。
2．教学难点：
①测量平差的理论基础；
②自由网平差理论。
教学手段
采用案例教学法用多媒体加板书授课
教学形式
以班级为单位教室授课，以小组为单位进行技能训练
教学保障
教师：
测绘工程专业毕业，具有丰富的本专业实践经验
学生：
已修过《地形测量》、《数字化测图》、《控制测量》、《测量平差》
软、硬件要求：
计算机房、多媒体教室、相关的教学软件
作业
完成《单元习题》中情境一中的练习题
备注
根据评价表指标体系，对学生学习效果做出客观的综合评价
二、教学说明
2.1概述
本学习情境包括两方面的内容，即1）变形监测网的布设与观测；2）变形控制网平差与精度分析。
前者主要学习工程变形监测的手段与外业实施过程；后者主要学习变形监测数据平差处理时的模型选择方法、利用相关软件进行平差计算及对平差结果进行质量评定。
2.2预备知识
《控制测量》、《工程测量》课程中关于不同精度要求下的平面控制点、高程点的埋设要求及形式；《测量平差》课程中经典平差特别是间接平差的基本理论、计算过程及精度分析的内容。
三、教学内容
3.1子情境1变形监测网的布设与观测（共4学时）
3.1.1变形控制网布设的基础知识（2学时）
一、变形监测的概念及基本原理
变形监测是指定期对变形体的几何量进行测量，并从测量结果中整理、分析出变形规律的过程。
变形监测的基本原理：
在变形体上选择一定数量的有代表性的点，通过对这些点的重复观测来求出几何量的变化。
二、变形观测系统的构成
变形监测系统由基准点、工作基点及观测点组成。
1．基本概念
基准点：
由一定数量的位置固定或变化甚小的点构成，由它们构成变形观测的基准。
也称为基点。
工作点：
又称为工作基点。
由于在实际工作中，直接利用基点观测线路较远时误差容易积累等原因，利用一些介于观测点和基点之间的过渡点。
观测点：
位于变形体上的具有代表性的点。
2.变形监测系统布设要求
按变形监测系统各组成部分的作用，对各部分布设时要求：
基准点是监测变形体变形的依据，故要求保证基准点稳定，因而监测网的基准点宜选择布设在稳定的基岩或远离变形影响区域外。
工作基点一般埋设在被观测对象附近，要求在观测期间保持稳定；
为了定期进行测量、分析，工作基点与测量基准点间也必须进行测量，以得到工作基点的坐标值，同时根据坐标值的差异，可以判断工作基点的稳定性。
布设测量基准点，是为了保证测量的基准统一；布设工作基点是为了便于测量工作，并减小测量误差。
观测点直接布置在变形体上，能通过观测点的变形反映工程建筑物本身的变形。
三、变形观测方案设计的基本内容
变形观测方案设计的主要内容包括：
（1）测量方法和设备的选择；
（2）监测网的布设；
（3）测量精度和观测周期的确定。
四、工程建筑物变形观测的基本内容
（1）垂直位移观测；
（2）水平位移观测；
（3）倾斜观测；
（4）挠度观测；
（5）裂缝观测。
五、变形观测的基本方法
1．常规大地测量方法
如：
几何水准测量、三角高程测量、三角（边）测量、导线测量、交会测量。
特点：
精度高，应用灵活，适用于不同变形体和不同的工作环境，但野外工作量大。
2．专门测量技术和手段
如：
液体静力水准、准直测量、应变测量、倾斜测量等。
特点：
容易实现连续自动监测，相对精度高，但测量范围不大，提供的是局部变形的信息。
3．空间测量技术
如：
GPS技术、InSAR技术。
特点：
可以提供大范围变形信息，是研究地壳形变及地表下沉等全球性变形的主要手段。
4．摄影测量与激光扫描技术
特点：
可以同时测量许多观测点，尤其适用于动态式的变形体观测，外业简单，但精度一般不太高。
六、案例分析：
某大坝变形监测系统布置示意图
3.1.2变形观测系统的布设及观测（2学时）
一、确定变形观测的必要精度
确定原则：
根据变形观测的目的、允许变形值的大小、变形的速度及工程的性质确定。
了解工程建筑物的允许限差：
具体可参见参考教材P10表2-2（这里摘要部分），要求让学生对不同类别的工程建筑变形限差有整体的认识。
二、确定变形观测必要精度实例分析：
1.根据允许变形值确定观测精度
FIG第八个五年计划6届会议认为：
为实用目的，观测的中误差应不超过允许变形值的1／10～1／20或1—2mm；为科研的目的，观测的中误差应不超过允许变形值的1／20～1／100或0.02mm。
例1：
某核电厂边坡的允许变形（滑坡）值为△容=20mm，可根据上述原则即可确定变形观测的必要精度为M=±1mm。
例2：
某综合勘察院在观测一幢H=30米的大楼的变形时，根据设计人员提出的允许倾斜度α=4‰求得顶点的允许偏移值为△容=α·H=120mm，进一步求得观测中误差M=±6mm。
2.根据变形观测实测数据的统计分析确定观测精度
从实际经验出发并顾及当前的测量技术水平而定的。
由于不同类型工程建筑物，变形观测的精度要求差别较大而难以定出统一规格。
根据对各类工程多年变形观测数据统计分析，确定出该类工程的预期最大变形值，再定出变形观测精度，如：
（1）特殊精密工程，例如，高能粒子加速器、大型抛物面天线、特种军事工程等，其平面位移的测量中误差要求在±0．1～±0．5mm。
沉降观测的精度±0．05～±0．2mm。
（2）对于为了科学研究目的而进行的变形观测，往往要求达±0.1mm的精度。
三、变形观测频率的确定
1.概述
变形观测的特点之一是重复观测，要求设计变形监测方案时要确定重复观测的间隔，即变形观测的周期或频率。
2.一般原则
变形观测的频率应根据变形观测的目的、变形值的大小、变形的速度和工程性质来确定。
变形的速度越大，观测间隔要求越短。
对于同一工程建筑物，在不同的时期，观测间隔要求也不一样。
在观测初期，由于对变形规律没有了解，为保险起见，此时要求间隔要短；而在观测后期，在对变形规律有了一定的了解之后，则可适当地拉长观测间隔。
然而，这些原则不是绝对的，出现紧急情况时（例如，水坝变形观测中的洪水对大坝的影响），应作紧急观测。
对于旨在详细研究变形过程的变形观测，间隔要求很短，有时甚至要求连续观测（例如，风振或动荷载引起大桥的振动过程）。
3.观测周期、观测精度与变形速度之间的关系
设沉陷观测量的中误差（沉陷观测量中误差一般为沉陷点高程中误差的倍）为，沉陷速度为，沉陷量与测量误差之比的允许值为，则应有：
又设观测周期为，则：
于是，观测周期可由下式确定:
：
在已知观测周期的情况下，也可由上式解出观测精度，公式为:
对于水平位移，也可作类似的推导。
关于值，一般建议用10。
四、变形观测点的布设
1.变形观测点的布设原则：
（1）有足够的点数；
（2）应考虑特征点，即能控制整个建筑物变化的点和关键部位上的点；
（3）应与变形体紧密结合在一起。
以上述原则为基础，结合不同建筑物的具体情况进行具体分析，并与工程设计人员密切配合，即可设计出合理的布点方案。
2.典型工程变形观测点的布设
（1）工业与民用建筑；
（2）混凝土大坝；
五、变形监测网的设计内容
1.设计内容包括：
（1）观测项目和测点布置；
观测仪器的选定，如系特殊仪器，还须给出该仪器及附件的设计加工图，观测布置图和施工详图；
（2）设计说明书；
（3）观测规程。
2.设计说明书的内容一般包括以下几个方面：
（1）完成测量工作的依据；
（2）有关建筑物、自然条件和工艺生产过程的概述；
（3）控制点和变形点的布置方案；
（4）计算和说明各观测阶段的必要精度；
（5）测量的仪器、方法和要求；
（6）对观测成果的整理方法和工程实施的建议；
（7）观测进度计划表；
（8）观测人员的编制和预算。
3.2子情境2变形控制制网平差及精度分析（共8学时）
3.2.1变形控制网经典平差（2学时）
一、概述
变形监测数据平差处理是变形监测数据处理与分析的前提和基础，介绍变形监测中常用的平差模型时，为了让学生逐步了解选择平差模型的原则，有必要在学习了《测量平差》课程的基础上，继续复习间接平差的原理及解算过程。
二、间接平差的特点
对几种经典平差模型特点进行比较，从而突出间接平差的优点及在生产中获得广泛应用的原因。
三、水准测量间接平差的完整讲述
通过参考教材P55例4-1实例，详细讲述下面内容包括：
待定参数的选择；待定点坐标初值的确定；观测方程的列立；改正数方程的建立；法方程的组成及求解；待定参数的解算；待定参数及其函数精度评定的方法。
3.2.2测边网、测角网及边角网间接平差（2学时）
在3.2.1讲授内容基础上，结合导线网实例，进一步讲授：
待定点参数的选择方法；
待定参数近似值的确定方法；
方向观测值、角度观测值及边长观测值的误差方程列法；
法方程的组成及求解；
参数平差值的解算；
参数及参数函数的精度评定与分析。
3.2.3拟稳平差与自由网平差（2学时）
在前两节的基础上，分析经典平差的起算数据及其要求（固定不动点），从而引出变形监测实际工作中，当没有固定基准点时，将出现法方程系统阵秩亏的情况，并结合参考教材P57例4-2进行具体说明。
考虑到高职学生数学基础较差，仅对学生讲述拟稳平差、自由网平差的特点及适用范围，拟稳平差及自由网平差解算的基本原理（重点讲述水准网中构造G阵的具体方法，从而消除矩阵求逆中的秩亏现象）。
3.2.4变形控制网平差与精度分析上机操作练习（2学时）
利用计算机房预先装好的平差软件（要求平差软件能进行经典平差、自由网平差与拟稳平差），结合模拟数据进行上机操作，通过平差软件的使用，掌握测绘数据处理的一般过程。
模拟数据如下：
1.经典平差模拟数据
A
D
2
3
1
B
C
图1-2水准网示意图
如图1-2所示的水准网，A、B、C、D为基准点，1、2、3为工作基点，基准点的已知高程、各测段水准路线的长度及高差观测值列于表1-1、表1-2中，试计算三个工作基点的高程平差值及其精度。
表1-1基准点高程表（单位：
m）
点号
A
B
C
D
高程
41.431
38.744
58.732
62.160
表1-2高差观测值表
水准路线
路线长度（Km）
观测高差（m）
B-1
2.04
13.019
2-1
1.88
3.092
1-3
2.30
2.175
C-1
1.95
-6.949
A-2
1.61
7.251
2-3
2.32
5.255
D-3
1.71
-8.238
2.秩亏平差模拟数据
如图1-3所示的水准网，各测段高差观测值及其权列于表1-3中，各点的高程未知数及其近似值列于表1-4中，求各点高程的平差值。
表1-3水准网高差观测值及其权
编号
观测高差h（m）
权P
A-B
0.023
2
B-D
1.114
2
A-D
1.142
2
A-C
0.079
1
C-B
0.099
1
C-D
1.217
1
A
D
B
C
图1-3水准网示意图
表1-4高程近似值
编号
近似值（m）
A
29.078
B
29.099
C
29.000
D
30.216
3.拟稳平差模拟数据
B
A
C
图1-4水准网示意图
如图1-4所示的水准网，各测段观测高差见表1-5，各点高程近似值列于表1-6。
设各测段长度相等，并设B、C二点的高程为稳定未知数，计算各点高程平差值。
表1-5高差观测值（m）
水准路线
A-B
B-C
C-A
观测高差h
12.345
3.478
-15.817
表1-6高程近似值表（m）
点号
A
B
C
高程近似值
9.000
21.345
24.823
4.实习操作要领
（1）平差软件使用时的数据输入格式方件；
（2）平差软件使用步骤；
（3）平差成果识别与分析。
5.实习组织
（1）首先由教师在计算机房演示平差软件各模型下的平差软件使用方法。
（2）现场教学：
教师组织学生分组，先由学生一人一机进行模拟数据的计算；然后以组为单位进行平差过程及平差成果的比较与交流，中间与指导老师进行互动，再在课后根据自己的上机体验完成模拟数据的完整实训小结。
《变形监测》课程情境2电子教案
一、总体设计
学习情境
情境2：
变形点监测
学时：
12
项目载体
①垂直位移：
东华理工大学抚州校区科技楼垂直位移变形监测；
②南昌新八一大桥水平位移监测案例
教学目标
知识目标
技能目标
职业素养
①结合典型工程实例，熟悉变形观测点的布设原则；
②掌握几何水准方法观测垂直位移；了解液体静力水准测量原理；
③理解基准线法、导线法进行水平位移观测的原理；掌握前方交会法的实施方法；
④掌握投影法及水平角观测法（含角度前方交会法）进行倾斜观测的原理及操作方法。
①理解变形监测点布设的原理及方法；
②能进行垂直位移观测；
③能进行水平位移观测；
④能进行倾斜观测。
④不断培养基本的专业素养；
⑤严谨的学习、工作态度；
⑥培养和谐的团队协作精神。
能力训练
及案例分析
1.能力训练：
①结合典型工程实例，理解变形监测点的布设原理、方法；
②结合课间实习及工程案例学习，掌握垂直位移观测、水平位移观测、倾斜观测方法。
2.案例分析与实践：
结合课间实习及工程案例学习，分析垂直位移、水平位移观测观测的实施方法。
教学重点
教学难点
1．教学重点：
变形监测培养学生了解工程变形监测目的、理论，掌握工程变形监测的实际操作方法，强调学生动手能力的培养，具有极强的实用性，要求学生较好掌握变形监测基本内容的原理、过程及方法。
教学重点包括：
①变形监测点的布设原理与方法；
②垂直位移、水平位移、倾斜观测方法。
2．教学难点：
①双金属标高程计算；
②引张线观测装置。
教学手段
采用案例教学法，板书为主，多媒体展示必要的图片为辅。
教学形式
以班级为单位教室理论授课，以小组为单位进行技能训练。
教学保障
教师：
要求测绘工程专业毕业，具有丰富的本专业实践经验
学生：
已修过《地形测量》、《控制测量》、《测量平差》、《工程测量》
软、硬件要求：
多媒体教室、收集好的相关教学素材
作业
完成《单元习题》中情境二中的练习题
备注
根据评价表指标体系，对学生学习效果做出客观的综合评价
二、教学说明
2.1概述
变形体的变形是通过对预先设置的变形观测点定期进行观测，通过测点位置的变化反映出变形体变形的情况，即变形观测点位置的变化被看作是变形体形变的反映；在变形分析过程中，也是通过测点的变化归纳出变形体整体形变的规律。
2.2预备知识
复习工程测量课程中的平面控制点、高程控制点的作用、埋设要求及表现形式；回顾变形监测的目的、实现方法，与控制测量测量相关知识进行比较，通过变形监测系统的构成引入变形观测点布设的内容与工程建筑物变形观测的内容及实现等初步思想。
三、教学内容
3.1子情境1监测点布设（共2学时）
3.1.1变形监测点布设（2学时）
一、概述
变形观测点是直接布设在变形体上，用以测定变形体变形值的点。
变形观测点位置的变化被看作是变形体形变的反映。
在变形分析过程中，通过测点的变化归纳出变形体整体形变的规律。
变形点与变形的关系如同样本和母体的关系，对测点的观测，相当于对变形体变形的一次抽样。
二、变形观测点的布设原则
1.足够的点数；
2.能反应工程建筑变形情况；
3.与变形体紧密结合。
三、典型工程变形监测点的布设
1.工业与民用建筑物变形观测点的布设
示例1：
某展览馆沉降观测点布置图（见参考教材P15）
示例2：
某工业车间沉降观测点布置图（见参考教材P16）
2.水工建筑变形观测点的布设
示例3某大坝变形监测点布置示意图（见参考教材P17）
四、变形观测点典型埋设形式
1.平面位移监测——强制对中设备及点位埋设形式
2.垂直位移监测装置及埋设形式
3.2子情境2垂直位移观测（共4个学时）
3.2.1垂直位移观测（2学时）
一、概述
垂直位移是指工程建筑物及其基础在垂直方向的变形，又称深陷或沉降，其表现形式为不同时期高程（H）的变化。
当工程建筑垂直位移不均匀时，则会发生倾斜或扭曲，或造成地面塌陷，给建筑使用和安全造成不利影响；
结合高层建筑发展现状及趋势，讲述基坑回弹现象及回弹观测的重要性。
二、观测系统的布设
1.基点布设与检测
水准基点要求点的位置稳定，其布设一般采用深埋法。
几种典型的埋设方法（图形展示参见教材P23-P25）：
①地表岩石标；
②深埋钢管标；
③双金属标；
④平峒岩石标
2.工作基点布设与检测
水准基点一般采用地表岩石标；当覆盖土层较厚时，也可以采用混凝土水准标石。
3.测点标志与埋设
根据变形体的构造特点及变形特征，设计不同的测点布置与标志形式。
（1）工业与民用建筑物观测标志一般包括：
①设备基础上的标志；
②墙、柱上的标志；
③隐藏式标志；
④综合标志。
（2）大坝观测点标志
①综合标志；
②混凝土嵌心标志；
③墙上标志。
三、垂直位移观测
沉降观测中用得最多的是几何水准方法。
对中、小型厂房和土工建筑物的沉降观测，一般可以采用普通水准测量的方法；而对于大型厂房、混凝土坝等重要建筑物，则一般采用精密水准测量方法。
沉降观测中应该注意如下事项：
（1）水准路线应尽量构成闭合环的形式，以便为每期观测提供必要的检核，并通过平差提高精度；
（2）应采用“三固定”的方法来提高沉降观测的精度。
所谓“三固定”，就是各期观测中固定观测员、固定仪器、固定观测线路。
采用“三固定”的方法之所以能提高精度，是因为它在整个变形观测过程中把偶然误差加以系统化，使其在各期观测的差值中自动消除的缘故。
（3）在固定线路上的固定测站、转点位置上设置临时标志和尺桩，以加快观测速度。
（4）施工阶段的沉降观测，应利用建筑物平面图分段记录观测时的施工进度，以便绘制沉降量与荷载的关系曲线图。
3.2.2垂直位移观测课间实习（2学时）
一、实习目的
结合东华理工大学抚州校区科技楼沉降监测实例全面掌握垂直位移观测方法
二、实习目标
1.领会变形监测系统的构成与布设；
2.掌握沉降监测的基本内容和基本方法；
3.掌握变形监测网的布设原则；
4.熟悉典型工程建筑变形监测网的布设方法；
5.进一步掌握
升级会员 