一种断面式堤防水平位移监测变形量的转换方法

文档序号：1462867 发布日期：2020-02-21 浏览：24次 >En<

阅读说明：本技术 一种断面式堤防水平位移监测变形量的转换方法 (Conversion method for monitoring deformation of horizontal displacement of section type dike ) 是由石银涛赵钢王茂枚徐毅于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种断面式堤防水平位移监测变形量的转换方法,属于水利工程管理及变形监测领域,其主要用于解决在测定监测点的多期坐标后,如何将监测变形量转换为垂直/平行堤防轴线方向的变形量的问题；针对这种问题,本发明根据变形方向、断面方向、堤防轴线方向之间的关系,设计了一种断面式堤防水平位移监测变形量的转换方法,可以将监测变形量精确地转换为垂直/平行堤防轴线方向的变形量,并表明变形的方向。同时,本发明不仅适用于断面式堤防水平位移的变形监测工作,且可以应用于GPS变形监测系统、测量机器人监测系统等。(The invention provides a conversion method for horizontal displacement monitoring deformation of a section type dike, which belongs to the field of hydraulic engineering management and deformation monitoring and is mainly used for solving the problem of how to convert the monitoring deformation into the deformation in the direction vertical to/parallel to the axis of the dike after measuring the multi-phase coordinates of a monitoring point; aiming at the problems, the invention designs a conversion method for monitoring the deformation amount of the horizontal displacement of the section type dike according to the relation among the deformation direction, the section direction and the axis direction of the dike, can accurately convert the monitored deformation amount into the deformation amount in the vertical/parallel axis direction of the dike, and indicates the deformation direction. Meanwhile, the invention is not only suitable for the deformation monitoring work of the horizontal displacement of the section type embankment, but also can be applied to a GPS deformation monitoring system, a measuring robot monitoring system and the like.)

技术领域

本发明属于水利工程管理及变形监测领域，涉及一种断面式堤防水平位移监测变形量的转换方法。

背景技术

堤防工程的安全是保证河道防洪减灾的关键，如果堤防工程存在着安全隐患，或者运营管理人员不了解堤坝的安全状态，会使堤防的运行风险很高，也无法发挥其正常的效益。因此，加强对堤防工程的变形监测是非常重要的。

堤防在自重、水压力、扬压力、冰压力、泥沙淤积压力及温度等荷载作用下，会产生不同的变形。变形监测是对堤防最直接的监测，是了解堤防工作状态的重要内容，也是判断堤防是否安全最简单的方法。堤防变形监测主要包括表面变形、内部变形、裂缝及接缝、岸坡位移等多个方面，而堤防的水平位移变形是堤防变形的最直接反映，也是通常主要监测的变形指标。堤防的水平位移变形主要包括垂直堤防轴线方向的横向位移和平行堤防轴线方向的纵向位移两部分。

针对堤防的水平位移变形监测，可以借助视准线法、引张线法、垂线法、激光准直法等专业的测量方法获取其垂直/平行堤防轴线方向的变形量，但这些方法具有特定的适用条件，如多适用于直线型堤防，因此，在实际监测工作中，还多通过测定监测点的坐标，通过来一定的转换方法来分析其变形量。

目前，堤防地表水平位移变形监测工作，通常在堤防地表埋设一定的监测点，通过观测监测点的变化来分析堤防的水平位移变化。监测点坐标(N，E)主要借助经纬仪、全站仪、GNSS等测量设备获取，监测点的变形量(dN,dE)通过多期的(N，E)坐标差值来计算。这种方式计算出的变形量(dN,dE)指的是监测点在控制坐标系中的轴向变化量，而并非堤防安全管理中所关注的变化量，因为堤防安全评估关注的垂直/平行堤防轴线方向的变化量。

发明内容

本发明的目的在于解决如何将监测变形量转换为垂直/平行堤防轴线方向的变形量的问题；针对这种问题，本发明根据变形方向、断面方向、堤防轴线方向之间的关系，设计了一种断面式堤防水平位移监测变形量的转换方法，可以将监测变形量精确地转换为垂直/平行堤防轴线方向的变形量，并表明变形的方向。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种断面式堤防水平位移监测变形量的转换方法，其包括如下步骤：

步骤1，布设断面监测点及获取监测点坐标：在垂直堤防轴线方向布设监测断面，并在每个断面上布设监测点，同时获取各监测点的坐标(N_i，E_i)，i＝1，2，…，n，其中i为测点编号；

步骤2，利用最小二乘法拟合垂直于堤防轴线的监测断面方向线：y＝ax+b，其中x为监测点的E(东)方向坐标值，y为N(北)方向坐标值，并规定该直线方向由背水侧指向迎水侧；

步骤3，计算监测断面方向线由背水侧指向迎水侧的方位角A_std，并将其定义为标准方位角；

步骤4，计算各个监测点的本期变形量：设(N_本期，E_本期)为监测点的本期监测坐标值，(N_前期，E_前期)为监测点的前期监测坐标，(dN，dE)为监测点的本期变形量，那么dN＝N_本期-N_前期，dE＝E_本期-E_前期。

步骤5，利用变形量(dN，dE)计算本期变化量的方位角A_ne；

步骤6，计算河流上游指向下游的轴线方位角A_axis；

步骤7，计算标准方位角A_std与本期变化量方位角A_ne的夹角β；

步骤8，计算轴线方位角A_axis与本期变化量方位角A_ne的夹角γ；

步骤9，计算垂直/平行堤防轴线方向的绝对变形量：利用本期变化量(dN，dE)计算本期的变化总量dS，

利用标准方位角A_std与本期变化量方位角A_ne的夹角β将变化总量分解为垂直堤防轴线方向的变化量dv与平行堤防方向的变化量dh，

步骤10，根据步骤7计算的夹角β，计算调节系数v₀：该系数用于标记垂直堤防轴线方向的变形方向，并规定向迎水侧偏移为正，向背水侧偏移为负，如果β＞π/2，则v₀＝-1，否则，v₀＝1；

步骤11，根据步骤8计算的夹角γ，计算调节系数h₀：该系数用于标记平行堤防轴线方向的变形方向，并规定向下游偏移为正，向上游偏移为负，如果γ＞π/2，则h₀＝-1，否则，h₀＝1；

步骤12，计算垂直/平行堤防轴线方向的真实变化量(dV，dH)，计算方法如式(5)所示：

式中，dV为垂直堤防轴线方向的变形量，其值为正值和负值为别表示向迎水侧与背水侧偏移；dH为平行堤防轴线方向的变形量，其值为正值和负值为别表示向下游与上游偏移。

作为本方案的进一步优选，所述步骤1中，每个断面布设四个监测点，并利用经纬仪、全站仪或GNSS测量设备获取各个监测点坐标(N_i，E_i)，i＝1，2，…，n，其中i为测点编号。

作为本方案的进一步优选，所述步骤3中，标准方位角A_std由拟合公式y＝ax+b确定，其计算方法如式(1)所示：

作为本方案的进一步优选，所述步骤5中，本期变化量的方位角A_ne的计算方法如式(2)所示：

作为本方案的进一步优选，所述步骤6中，以标准方位角A_std为参照，如果河流流向A_std的左侧，则A_axis＝A_std-π/2；如果河流流向A_std的右侧，则A_axis＝A_std+π/2。如果A_axis小于0，则将其加2π作为真实值；如果A_axis大于2π，则将其减2π作为真实值。

作为本方案的进一步优选，所述步骤7中，设A_max＝max{A_std，A_ne}，A_min＝min{A_std，A_ne}，则β＝A_max-A_min。如果β＞π，则取β＝2π-A_max+A_min。

作为本方案的进一步优选，所述步骤8中，设A_max＝max{A_axis，A_ne}，A_min＝min{A_axis，A_ne}，则γ＝A_max-A_min，如果γ＞π，则取γ＝2π-A_max+A_min。

本发明的有益效果如下：

本发明解决了堤防水平位移变形监测量转为垂直/平行堤防轴线方向的变形量的问题，不仅可以实现变形量的自动转换，且解算精度较高。

同时，本发明不仅适用于断面式堤防水平位移的变形监测工作，且可以应用于GPS变形监测系统、测量机器人监测系统等。

附图说明

图1是本发明的工作流程图。

图2是监测断面的平面布置示意图。

图3是监测点的埋设位置示意图。

图4是变形量分解转换的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

请参阅图1-4，一种断面式堤防水平位移监测变形量的转换方法，具体实施步骤如下：

步骤1：断面监测点的布设及监测点坐标的获取。在垂直堤防轴线方向布设监测断面，每个断面一股布设四个监测点，并利用经纬仪、全站仪、GNSS等测量设备获取其坐标(N_i，E_i)，i＝1，2，…，n，其中i为测点编号。

步骤2：利用最小二乘法拟合垂直于堤防轴线的监测断面方向线y＝ax+b，其中x为监测点的E(东)方向坐标值，y为N(北)方向坐标值，并规定该直线方向由背水侧指向迎水侧。

步骤3：监测断面方向线由背水侧指向迎水侧的方位角A_std计算，并将其定义为标准方位角。标准方位角A_std主要由拟合公式y＝ax+b确定，其计算方法如式(1)所示。

步骤4：各个监测点的本期变形量计算。设(N_本期，E_本期)为监测点的本期监测坐标值，(N_前期，E_前期)为监测点的前期监测坐标，(dN，dE)为监测点的本期变形量，那么dN＝N_本期-N_前期，dE＝E_本期-E_前期。

步骤5：利用变形量(dN，dE)计算本期变化量的方位角A_ne，其计算方法如式(2)所示。

步骤6：河流上游指向下游的轴线方位角A_axis计算。以标准方位角A_std为参照，如果河流流向A_std的左侧，则A_axis＝A_std-π/2；如果河流流向A_std的右侧，则A_axis＝A_std+π/2。如果A_axis小于0，则将其加2π作为真实值；如果A_axis大于2π，则将其减2π作为真实值。

步骤7：标准方位角A_std与本期变化量方位角A_ne的夹角β计算。设A_max＝max{A_std，A_ne}，A_min＝min{A_std，A_ne}，则β＝A_max-A_min。如果β＞π，则取β＝2π-A_max+A_min。