工程变形监测：资料整编与分析方法

9.3.1 变形监测资料整编的方法

1. 监测数据表的制作方法

(1)沉降监测数据表。表9.2为沉降监测各期的数据表，表9.3为沉降监测成果汇总表，也可将各点沉降值统计于表9.4中，表9.5为沉降监测基准点检查表。

表9.2 建筑物沉降监测记录表

表9.3 建筑物沉降监测成果汇总表

表9.4 建筑物沉降值统计表

表9.5 建筑物沉降监测基准点检查表

(2)水平位移监测数据表。表9.6为水平位移监测各期数据表，表9.7为水平位移监测成果汇总表，也可将各点位移值统计于表9.8中，表9.9为沉降监测基准点检查数据表。

表9.6 建筑物水平位移监测记录表

表9.7 建筑物水平位移监测成果汇总表

表9.8 建筑物水平位移值统计表

表9.9 建筑物水平位移监测基准点检查表

水平位移观测表中，上期观测值和本期观测值因水平位移观测方法不同而不同，例如，使用测小角法时，观测值为角度; 使用GPS法时，观测值为坐标; 使用活动站牌法时，观测值为游标卡尺读数。表9.10为经纬仪测小角法水平位移观测数据记录表。

表9.10 经纬仪测小角法水平位移观测记录表

2. 变形曲线的绘制方法

(1)使用Excel绘制变形曲线。

表9.11 ××高层楼盘沉降监测数据表 (单位: mm)

①将沉降数据录入表9.11所示的Excel表中。在Excel中选择“插入”→“图表”菜单，进入“图表向导”对话框。在“标准类型”中选择“折线图”，点击“下一步”。

②在“数据区域”选项卡中点击“系列产生在列”，在“数据区域”中选择7个观测点对应的10期数据(即B2到H11所在范围)，向导中显示“=Sheet1! $ B$2:$ H$11”。

③在“系列”选项卡中将各系列名称改为“1号点”、“2号点”等，在“分类(X)轴标志(T)”中选择累计时间列(即A2到A11的范围)，向导中显示“=Sheet1! $ A$ 2:$ A$11”。

④在“标题”选项卡中的“分类(X)轴(C)”中输入“沉降量(mm)”，在“数值(Y)轴(V)”中输入“时间(天)”，再根据需要在“坐标轴”、“网格线”、“图例”、“数据标志”、“数据表”选项卡中进行必要的编辑。同理，可完成荷载量和时间的曲线，即可得到图9.1所示的曲线图。

(2)使用MATLAB绘制变形曲线。

①绘制变形过程曲线图。MATLAB中的绘图命令plot(X，Y，S)可以方便地绘制出各种形状的变形过程曲线图。以沉降监测为例，下列代码可以绘制出某监测点的沉降过程曲线图，如图9.2所示:

Plot(t，p，'-o')

%t为监测时间，p为累计沉降序列

Legend('累计沉降量'，1)

Title('沉降过程曲线图')

xlabel('时间序列')

ylabel('累计沉降值')

②绘制等值线图。MATLAB中使用函数contour(x，y，z)可以绘制等值线图，如图9.3所示。使用函数contour3(x，y，z)可以生成立体等值线图，如图9.4所示。

图9.1 ××高层楼盘1#楼荷载-沉降量-时间(P-T-S)曲线图

图9.2 使用MATLAB绘制的沉降过程曲线图

图9.3 使用MATLAB绘制的等沉降曲线图

③变形值3D可视化。对所观测的区域性变形数据，绘制出不同时期的三维等值线图，就可直观地了解这个区域的整体变形趋势，如图9.5所示。MATLAB函数可以对不规则数字高程模型DEM采样数据点(x，y，z)的数据进行等距化构造格网DEM数据，采样x=linspace(xmin，xmax，n)函数沿x方向在最小值xmin和最大值xmax之间均匀设点n个，同理，可在y方向均匀设点m个。函数［X，Y］=meshgrid(x，y，z，X，Y，method)函数确定规则格网点上的高程值; Clabel(C，h)对各条等值线标注。主要代码及说明如下:

%h为某区域(xmin，ymin，xmax，ymax)内离散采样高程值序列;

xs=linspace(xmin，xmax，n)%按间距n生产坐标矩阵

ys=linspace(ymin，ymax，n)

［xi，yi］=meshgrid(xs，ys)%生成格网

hi=interp2(x，y，h，xi，yi)%对离散高程值插值

surfc(xi，yi，hi)%显示立体模型

图9.4 使用MATLAB绘制的等沉降立体曲线图

图9.5 区域变形数据3D可视化图

(3)使用CASS软件绘制变形曲线。利用CASS软件中的断面图绘制功能可绘制变形曲线，下面以某高层楼盘沉降监测为例，说明沉降量随时间变化曲线图，绘制方法和步骤如下:

①数据文件的编辑。使用TXT文本编辑器编辑扩展名为“*.hdm”的文件，其数据格式如图9.6所示，begin和next之间为一条下沉曲线对应的数据，可以连续绘制多条下沉曲线。每一行逗号之前为各期观测累计时间值(可以用天、月、季度等作为累计单位)或观测日期(即年—月—日)，逗号之后为各期对应的累计沉降量。

图9.6hdm数据文件格式

图9.7 横断面图绘制对话框

②变形曲线的绘制。选择CASS软件中的“工程应用”→“绘断面图”→“根据里程文件”菜单，即可弹出图9.7所示的对话框。以沉降观测累计时间为横坐标，以累计沉降量为纵坐标; 在距离标注选项中选择数字标注，将里程标注位数选为0; 按需要将高程标注位数选为1或2; 再依据图纸尺寸需要选择横向和纵向的比例尺，即可绘制出沉降曲线。

③变形曲线的修饰。使用CASS软件的断面图功能绘制的沉降监测曲线，需要经过一定的修饰才能更为合理。将纵坐标标示为沉降量，横坐标标示为观测日期或累计天数。将各条沉降监测线用不同的颜色表示。修饰之后的沉降变形曲线如图9.8所示。

图9.8 用CASS软件绘制的沉降曲线图

(4)使用VB编程绘制变形曲线。使用Visual Basic编程语言也可以绘制各种变形过程曲线，图9.9所示为使用VB绘制的某地采矿区地表移动曲线图，对应的数据如图9.10所示。

图9.9 使用VB绘制的某采矿区地表移动曲线

图9.10 某采矿区地表移动数据

9.3.2 变形监测资料分析的方法

监测资料分析是变形监测工作的主要环节，可分为定性分析、定量分析、定期分析、不定期分析和综合性分析。监测资料分析工作必须以准确可靠的实测资料为基础，在分析计算前，必须对实测资料进行校核检验，这样才能得到合理的分析成果。观测资料分析成果可指导施工和运行，同时也是进行科学研究、验证和提高设计理论和施工技术的重要资料。

1. 比较分析法

比较分析法是指将实际监测值与技术警戒值相比较、监测物理量相互比较、监测值与理论设计值或模型试验值相比较等方法并相互验证，寻找异常原因，探讨改进运行和设计、施工方法的途径。由于变形监测实际工作条件的复杂性，必须用其他分析方法处理观测资料，分离各种因素的影响，才能对比分析。比较分析法可从以下三个角度去分析:

(1)将监测值与相应指标技术警戒值相比较。以水利工程监测为例，技术警戒值是大坝在一定工作条件下的变形量、渗漏量及扬压力等设计值，或有足够的监测资料时经分析求得的允许值(允许范围)，在蓄水初期可用设计值作为技术警戒值，根据技术警戒值可判定监测物理量是否异常。

(2)将同类监测物理量的变化规律和趋势相互比较。监测物理量的相互对比是将相同部位(或相同条件)的监测量做相互对比，以查明各自的变化量的大小、变化规律和趋势是否具有一致性和合理性。

例如，图9.11(a)是某大坝在灌浆廊道内各测点的垂直位移分布图，图9.11(b)是该大坝在灌浆廊道内测得的坝基垂直位移过程线，三条过程线相应的测点分别位于25、30、33坝段。这些过程线表明在1978年上半年前，30坝段与25及33坝段的观测值变化速率是不一致的。经检查，30号坝段处在基岩破碎带范围内，于是对该坝段基岩部位进行了灌浆处理。从1978年下半年开始，30号坝段的垂直位移增长速率与其他两坝段的垂直位移增长速率基本上就一致了。

图9.11 坝基垂直位移观测结果

(3)将监测值与理论计算值或模型试验值相比较。监测成果与理论的或试验的成果相对照比较，看其规律是否具有一致性和合理性。

例如，图9.12是某大坝坝踵混凝土应力δy与上游水深之间的相关图。从这张相关图可以看出，第32号坝段实测坝踵部位混凝土应力δy曲线与上游水位的升高无关，且与有限单元计算的曲线及39、26号坝段坝踵部位实测应力的变化规律也不一致。经研究，第32号坝段坝踵接缝已经裂开，因而产生这种现象。

9.12 坝踵混凝土应力δy与上游水位之间关系图

水位; 1—第39号电站坝段; 2—第26号非溢流坝段;号电站坝段; 4—按有限单元法计算的δy=f(h)

2. 作图分析法

将监测资料绘制成各种曲线，常用的是将观测资料按时间顺序绘制成过程线。通过观测物理量的过程线，分析其变化规律，并将其与其他过程线对比，研究相互影响关系。也可绘制不同观测物理量的相关曲线，研究其相互关系。这种方法简便直观，适用于初步分析阶段。

根据分析的要求，画出相应的过程线图、相关图、分布图以及综合过程线图等。由图可直观地了解和分析观测值的变化大小和其规律，影响观测值的荷载因素和其对观测值的影响程度，观测值有无异常。

(1)过程曲线图。过程曲线图是物理量与时间的关系图，通常以观测时间为横坐标，以所考查的观测值(如沉降、位移、倾斜、裂缝、挠度)为纵坐标绘制的曲线。它可直观地反映出观测值随时间而变化的过程，可反映出变形体的变形趋势、变形规律和变形幅度，对于初步判读建筑物的运营状况非常有用。

由过程线可以看出观测值变化有无周期性，最大值最小值是多少，一年或多年变幅有多大，各时期变化梯度(快慢)如何，有无反常的升降等。图上还可同时绘出有关因素，如水位、气温等的过程线，来了解观测值和这些因素的变化是否相适应，周期是否相同，滞后多长时间，两者变化幅度大致比例等。图上也可同时绘出不同测点或不同项目的曲线，来比较它们之间的联系和差异。

图9.13所示是某坝坝基发生漏水事故中13号垛水平位移过程线。由过程线可知， 1962年11月6日该垛位移值突然增大，向下游达19.56mm，向右达14.53mm，位移的上下游向和左右向的变化率亦与以前的速率有着显著差异，这是该事故在水平位移观测值中的异常反映。

图9.13 某坝1962年13号垛水平位移过程线图

1—库水位; 2—左右向; 3—上下向

图9.14所示为某大坝坝顶激光垂直位移和水平位移监测和气温变化的关系曲线。坝体上下游混凝土温度变化不同，通常在夏季，坝下游面混凝土受烈日暴晒温度高于气温，坝上游面混凝土浸在水面以下，其温度低于气温; 而在冬季情况正好相反，所以使得坝体产生季节性摆动。坝体温度变化引起混凝土的膨胀与收缩是坝体沉陷的主要原因。可以看出，随着每年气温的升降变化，坝顶的垂直位移和水平位移呈现出年周期性变化，年变形趋势基本一致，出现重复性，表面该大坝运行状况良好。

图9.15为某大坝坝顶激光水平位移监测和上游水位的关系曲线。通常，水库在夏秋季节水位较高，而冬春季节水位较低，水库水位造成的大坝变形也呈年周期性变化。由图可以看出每年随着水位的升降变化，坝顶水平位移出现有规律的正负变化，从枯水期到丰水期随着水位上升坝顶位移向下游增大; 反之，下降大坝位移向上游增大，且每年的变形走势基本相同。

(2)分布曲线图。分布曲线图是变形监测物理量沿某一特定方向或特征面分布的图形。和过程曲线图不同，分布曲线图的横坐标通常是建筑物的某条轴线或某个方向，而过程曲线图的横坐标通常是累计观测时间。以横坐标表示测点的位置、纵坐标表示观测值所绘制的折线图或曲线图叫分布图，它反映了观测值的空间分布情况，由图可看出观测值分布有无规律，最大、最小数值在什么位置，各点间特别是相邻点间的差异大小等; 图上还可绘出有关因素如坝高等的分布值，来了解观测值的分布是否和它们相适应; 图上也可同时绘出同一项目不同期次和不同项目同一期次的数值分布，来比较其间的联系和差异。

图9.14 某大坝坝顶激光垂直位移和水平位移监测和气温变化过程线图

图9.15 某大坝坝顶激光水平位移监测和上游水位的关系曲线图

图9.16为某大坝轴线上不同坝段处坝顶激光垂直位移分布曲线图。由图可以看出，左侧坝段的总体沉降要大于右侧坝段，特别是6#～21#坝段的沉降值更大，表明该坝段基础承载力较其他坝段较弱，所以沉降量相对较大。

图9.16 某大坝不同坝段处坝顶激光垂直位移分布曲线图

当测点分布不便用一个坐标来反映时，可用纵横坐标共同表示测点位置，把观测值记在测点位置旁边，然后绘制观测值的等值线图来进行考察。

图9.17为水库大坝不同高程处测点的水平位移值分布曲线图，可以看出随着大坝高度越高，在静水压力作用下坝体不同高度处受不同的水平推力作用，使坝体产生了挠曲变形。

图9.18为某高层建筑物基础面等沉降值分布曲线图，由图可以看出，在建筑物中心位置的核心筒处沉降量较大。

图9.17 大坝不同高程处测点的水平位移值分布图

图9.18 某高层建筑物基础面等沉降值分布曲线图

(3)相关图。相关图分为散点相关图和相关线图两种，相关图中一般以两个有关的物理量为纵横坐标。图9.19为扬压力与水库水位关系散点相关图。

图9.19 扬压力与水库水位关系散点相关图

3. 统计分析法

统计分析法是用数理统计理论分析计算各种物理量的变化规律和特征，分析观测物理量的周期性、相关性和发展趋势。这种方法具有定量的概念，使得分析成果更具有实用性。

统计分析法具体是指对各项观测值历年变化量的最大值和最小值(含出现时间)、变幅、周期、年平均值及年变化率，考察各监测量在数量变化方面是否具有一致性、合理性以及它们的重现性和稳定性。

4. 模型分析法

采用系统识别方法处理观测资料，建立数学模型，用以分离影响因素，研究观测物理量变化规律，进行实测值预报和实现安全控制。常用数学模型法建立效应量(如位移、扬压力等)与原因量(如库水位、气温等)之间的关系。时效分量的变化形态是评价效应量正常与否的重要依据。