Інженерно-геодезичний моніторинг деформаційних процесів на екологонебезпечних територіях та iнжeнерних спорудах

Публікації. Результати дисертації опубліковано у 9 статтях (у виданнях, затверджених переліком ВАК України) та 1 монографії.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатку. Повний обсяг дисертації становить 206 сторінок. Вона включає 40 ілюстрацій, які займають 24 сторінки, таблиць (33 сторінки), додатків (22 сторінки), список використаних джерел із 149 найменувань (9 сторінок).

В першому розділі "Основні принципи і підходи до створення геодинамічного і будівельного моніторингу з використанням інженерно-геодезичних даних" дається загальна характеристика проблеми вивчення деформаційних процесів геологічного середовища та інженерних споруд. Описано складові комплексного моніторингу, зроблено короткий аналітичний огляд стану геодезичної техніки, технології, нормативної бази. Рекомендується диференційований підхід до визначення горизонтальних і вертикальних зміщень із врахуванням кута нахилу зсувного масиву до горизонту. В основу розрахунку допустимих похибок виміру горизонтальних , вертикальних зміщень взято співвідношення

, , (1)

де , , - просторовий вектор зміщення, його швидкість і час. При умові та встановлені вимоги:

; . (2)

Показано, що із врахуванням кута нахилу ложа зсуву до горизонту, похибки

, (3)

де , - параметри нахилу зсуву.

В межах середні значення і дорівнюють відповідно 1.07 і 2.12. Тому для практики рекомендовано і .

Вимоги до точності визначення координат точки вектора і горизонтального зміщення та його дирекційного кута:

; . (4)

На основі цих досліджень складено таблицю 1, яка свідчить, що найвища точність вимірів, яка межує з можливостями сучасної інженерно-геодезичної техніки, характерна для горизонтальних зміщень, які менші 20 мм. Похибка дирекційного кута зміщення становить 4° незалежно від величини зміщення.

Таблиця 1 Величини допустимих середніх квадратичних похибок інженерно-геодезичних вимірювань на зсувах ()

При організації геодезичних вимірів важливе місце посідає визначення періодичності між циклами спостережень в залежності від типу кривої деформаційного процесу. В науково-технічній літературі це питання вирішено фрагментарно, найкраще рішення для експоненціальної залежності дано М.Г. Відуєвим і В.С. Старовєровим, яке нами удосконалено і теоретично розширено на інші математичні функції.

Для експоненціальної функції часовий інтервал між циклами спостережень

, (5)

де - коефіцієнт інтенсивності осідання, - осідання контрольного пункту в період , - кінцеве осідання в стадїї стабілізації процесу, яке береться за даними розрахунку, - похибка визначення осідання в точці розрахунку (в %).

Для опису зсувного процесу взято експоненту

, (6)

де , - прогнозоване критичне (максимальне) зміщення зсуву і час його реалізації. Інтервал між циклами спостережень

. (7)

де - похибка визначення осідання в %.

Якщо і - невідомі, то їх можна визначити за даними початкових натурних вимірів із нормальних рівнянь при позначенні

звідки знаходять , а потім

=.

При заданому коефіцієнт

. (9)

Виходячи із заданої точності визначення деформаційних зміщень, встановлено вимоги до точності побудови GPS-мереж, високоточного нівелювання, методів визначення планового і висотного положення контрольних пунктів. Розглядається дво- і триступеневі побудови геодезичних мереж. Показано, що при цьому похибки положення пунктів мереж не повинні перевищувати відповідно величин:

; (10)

і ; ; , (11)

де - задана середня квадратична похибка визначення вектора горизонтального (вертикального) зміщення.

У другому розділі "Дослідження методів і точності побудови інженерно-геодезичної основи для спостережень за деформаційними процесами" розглядаються основи обгрунтування і розрахунку точності геодезичної мережі для вивчення деформаційних процесів з використанням комп'ютерної техніки.

Значне місце відведено дослідженню реальної точності вимірювань за допомогою GPS-технологій. Зроблена спроба обгрунтування тривалості GPS-спостережень. Описано результати порівняння виміру векторів на виробничих об'єктах, еталонному базисі, паралельному вимірюванню методом GPS-спостережень і електронним тахеометром. Показано, що абсолютна похибка виміру вектора в межах 100 - 500 м становить від 1 до 2,5 мм. Статистична оцінка точності зроблена за результатами вимірів на геодинамічному полігоні (ГДП) ЧАЕС (всього 220 векторів), виконаних впродовж 3 годин кожний. Для загальної характеристики похибок виміру довжини векторів і перевищень за методом найменших квадратів визначено рівняння регресії відповідно до і після врівноваження мережі:

; (12)

; , (13)

де - довжина сторони (вектора) мережі в км.

Виведено експоненціальне рівняння регресії для похибок дирекційного кута.

, (14)

яке підкреслює (з кореляційним відношенням 0.76) залежність точності визначення азимута від довжини вектора. Крім того, встановлено повну еквівалентність між і для даного вектора, тобто для поздовжньої і поперечної похибки вектора. Ці дані підтверджують також результати аналізу GPS-мережі об'єкта "Укриття".

Відсутність будь-яких рекомендацій щодо розрахунку точності GPS-мереж при їх проектуванні спричинила розробку нами методу, в основу якого покладено визначення ваг пунктів мережі

; , (15)

формування матриці нормальних рівнянь, визначення вагових коефіцієнтів і оцінки точності положення кожного пункту мережі. Метод використано в проектах побудови GPS-мережі на об'єкті "Укриття" ЧАЕС та геодинамічної мережі м. Києва.

Встановлено, що у врівноваженому ході, який опирається на опорну сторону на одному кінці ходу, похибка дирекційного кута зростає в міру віддалення від опорної сторони і приймає максимальне значення в кінцевій стороні ходу, тобто в пункті з координатною прив'язкою. Порівняно з ходом, що опирається на дві опорні сторони, похибка дирекційного кута кінцевої сторони зростає у 2 рази в ході із 8 сторін і у 2.7 рази - в ході із 15 сторін.

Похибка положення пунктів ходу залежить від способу прив'язки: при повній кутовій або координатній прив'язках найслабшим пунктом є середина ходу, а при односторонній азимутальній - середина другої половини ходу, що примикає до пункту з координатною прив'язкою. Експериментальними дослідженнями методом статистичного моделювання з використанням комп'ютерних програм "Топоград" та "Інвент-ГРАД" підтверджено теоретичні засади. При моделюванні порівнювалися результати опрацювання вимірів в окремих ходах та їх системах при повній і неповній азимутальних та координатній прив'язках.

Моделювання виконано на: 1) витягнутих і ламаних ходах; 2) системах 3-х ходів з одним і 4-х ходів з двома вузловими пунктами; 3) системи ходів, які опираються на 3 опорних пункти, формують 6 полігонів і 12 вузлових пунктів.

За результатами опрацювання і аналізу даних моделювання зроблені такі висновки і рекомендації:

а) В окремих витягнутих і ламаних ходах:

Підтверджено відоме положення про те, що найслабшою точкою врівноваженого ходу є його середина. Максимальна похибка пункту

, (21)

В ході з азимутальною прив'язкою в одному пункті порівняно з прив'язками у двох пунктах похибка положення пунктів може зростати від 20 до 45%. Найбільша похибка характерна для точки, розташованої на віддаленні від пункту з координатною прив'язкою.

Відсутність азимутальної прив'язки на одному із кінців ходу в найгіршому випадку не перевищує похибки ходу з координатними прив'язками на обох його кінцях.

б) В системах ходів з одним і двома вузловими пунктами:

Зменшення кількості потенціально можливих орієнтирних напрямків в системі (порівняно з базовою) на 50% (наприклад, замість чотирьох орієнтирних сторін використовується тільки дві) призводить до зниження точності положення пунктів мережі в 1.5 рази, а на 75-100% - в два рази.

Для забезпечення надійної прив'язки одну із орієнтирних сторін бажано розташовувати в центрі ваги мережі, а при координатній - використовувати найбільш віддалені один від одного опорні пункти (ефект довгої бази).

в) В системі полігонів з трьома твердими пунктами і орієнтирними сторонами:

В системах полігонів похибки дирекційних кутів вузлових сторін знаходяться в межах , а найслабшої сторони не перевищує .

Максимальна похибка дирекційного кута при мінімальній кількості прив'язувальних елементів не перевищує величини:

, (22)

де - сумарна кількість пунктів мережі, - кількість пунктів в ході між опорним пунктом і вузловою точкою, - сумарна кількість прив'язувальних елементів в мережі (координатних і азимутальних).

При прив'язуванні мережі до трьох опорних пунктів з одною орієнтирною стороною точність визначення положення пунктів зростає, коли прив'язку зроблено до довгої бази або коли орієнтирна сторона розташована ближче до центра ваги мережі. Скорочення бази опорних пунктів вдвоє, або розташування орієнтирної сторони на краю мережі призводить до збільшення похибки вдвічі і наближає її до похибки при координатній прив'язці.

Для забезпечення математичної обробки мереж типу тріангуляції, трилатерації та тріангулатерації з виключно координатною прив'язкою необхідна розробка відповідних програмних продуктів.

Високі вимоги до вивчення геодинамічних процесів вимагають нових підходів до організації GPS-, геометричного і тригонометричного нівелювання. На основі експериментально-виробничих досліджень розроблено метод приведення геодезичних висот до нормальних із врахуванням непаралельності поверхонь референц-еліпсоїда і квазігеоїда.

Середня квадратична похибка виміру перевищення на станції цифровим нівеліром DINI 010T, визначена за різницями 45 сумарних перевищень (730 станцій), виміряних при двох горизонтах нівеліра, характеризується кореляційним рівнянням ()

(23)

де - відстань від нівеліра до рейки в метрах.

У тригонометричному нівелюванні інженерна практика висунула необхідність перегляду тих положень, які стосувалися виконання точного нівелювання в рівнинній місцевості, оскільки малі кути нахилу не вимагали точного врахування характеру впливу коефіцієнта рефракції на малих відстанях, точного виміру висоти тахеометра і візирної марки тощо.

Автором розроблена методика обгрунтування точності вимірів в залежності від нормативних вимог до деформаційних спостережень та методика врівноваження ходів прецизійного тригонометричного нівелювання в просторових геодезичних мережах.

У третьому розділі "Розробка і впровадження новітніх інженерно-геодезичних методів в практику спостережень за деформаційними процесами геологічного середовища та інженерних споруд" розглядаються результати експериментальних досліджень і впровадження нових технологій в практику визначення деформаційних характеристик геологічного середовища (зсувів) та інженерних споруд. Серед них велика увага приділена геодезичним спостереженням за осіданнями і деформаціями будівлі та конструкцій об'єкта "Укриття" ЧАЕС. Основна мета спостережень - вивчення характеру протікання деформацій, їх локалізація і перетворення об'єкта "Укриття" в екологічно безпечну систему. Систематичні спостереження за об'єктом розпочато в 1987 році. Тоді було закладено 13 контрольних марок, розташованих на фундаментах і різних ярусах споруди, його даху та інших відповідальних конструкціях. Зараз ця кількість сягає 53 марок.

З 1996 року систематичні спостереження за деформаціями веде ДНВП "Укрінжгеодезія" з безпосередньою участю автора. Реконструкція планової геодезичної основи зроблена GPS-методом в комбінації з вимірюваннями електронним тахеометром при похибках: ; ; ; середня відносна похибка 1:1 270 000, максимальна 1:787 000. Враховуючи практичну недоступність контрольних марок верхніх ярусів, їх просторове положення контролюється методом прямої кутової засічки. За даними 12 циклів спостережень похибка вимірювання напрямів засічки з 4-5 пунктів, віддалених від об'єкта до 400 м, становить 0.7 - 0.9", зенітного кута 0.9-1.9", при чому максимальні похибки характерні для літа - періоду нестабільної атмосфери. Похибки планового положення становлять: стінних марок - 1.3 мм; дахових - 3.1 мм, а висотного - відповідно 1.2 і 1.8 мм.

Апробацію новітніх методів дослідження деформаційних процесів з використанням CPS-технології та електронного тахеометра здійснено на зсуві Деміївського житлового масиву з п'ятьма 16-поверховими та іншими 9-поверховими будинками в м. Києві. Терасна забудова схилу масиву і його озеленення викликали необхідність виконання таких робіт:

побудова планової GPS-мережі із чотирьох пунктів, розташованих поза можливою зоною деформації території масиву (відстань 300-500 м);

визначення GPS-методом планового положення пари робочих пунктів, розташованих на даху кожного будинку (всього 10 пунктів);

координування методом тріангулатерації і лінійно-кутових засічок двох стінних реперів, закладених в цоколі кожного будинку, із дахових робочих пунктів GPS сусідніх будинків, а із комбінації тріангулатерації та полігонометрії - 13 грунтових реперів, закладених в характерних місцях можливого деформаційного поля масиву;

геометричне нівелювання ІІ класу для визначення нормальних висот контрольних стінних та грунтових реперів.

На основі виконаних досліджень вперше показано реальну можливість і перспективу використання GPS-методу для спостережень за динамічними процесами на висотних спорудах (реактори АЕС, пілони мостів, башти і т.п.). Для визначення моменту затухання або активізації деформаційного процесу доцільно використовувати кореляційну функцію.

Висновки

Для вивчення і прогнозування деформаційних процесів необхідна система комплексного моніторингу, куди як складова частина входить геодезичний моніторинг - система визначення компонентів деформаційного поля геодезичних мереж, побудова карт рухів земної поверхні та розташованих на ній об'єктів, їх динаміки з використанням цифрових карт, як бази формування спеціальних блоків моніторингу. Показано, що вертикальні зміщення необхідно вимірювати в 2 рази точніше, ніж горизонтальні, а на зсувах враховувати кут нахилу основи зсуву до горизонту. Запропоновано і обгрунтовано ефективнй метод визначення циклічності спостережень.

На основі експериментальних досліджень одночастотних приймачів 4600 LS фірми "Trimble" на еталонному базисі та виробничих об'єктах встановлено точність вимірювання горизонтальних векторів, їх азимутів та висот, які представлено рівняннями регресії, визначено співвідношення 1:2.5 між похибками виміру в плані та по висоті, показано, що після врівноваження мереж похибки векторів зменшуються в 1.3 і перевищень - в 1.6 рази.

Розроблено і досліджено методи приведення геодезичних висот до нормальних, в основу яких покладено визначення кута непаралельності поверхонь еліпсоїда WGS-84 і квазігеоїда. Експериментально встановлено, що середня квадратична похибка GPS-нівелювання в рівнинній місцевості становить 2 мм/км ходу, а в горбистій та гірській місцевостях 5-10 мм/км, що можна пояснити місцевими ондуляціями геоїда.

Розроблено аналітичний метод розрахунку точності планових GPS-мереж, в основу якого покладено визначення ваг векторів згідно з прийнятим в проекті рівнянням регресії для точності даного приладу.

Встановлено, що в полігонометрії необхідно надавати перевагу кутовим прив'язкам на обох кінцях ходу. В системах ходів і полігонів найвища точність орієнтування сторін забезпечується при азимутальних прив'язках на найвіддаленіших пунктах мережі. При орієнтуванні системи ходів з координатною прив'язкою в декількох пунктах орієнтирну сторону краще розташовувати ближче до центра ваги мережі, а опорні пункти без орієнтирних сторін - на периферії (ефект довгої бази). Зменшення вдвоє цієї бази, або розташування орієнтирної сторони на краю мережі призводить до такого ж збільшення похибок положення пунктів, які можуть наближатися до похибок з повною координатною прив'язкою. Похибки останньої, порівняно із варіантом повних кутових прив'язок, зростають у 3.5 рази і максимально проявляються в середині окремих ходів.

Для аналізу результатів циклічних спостережень за деформаційними процесами на об'єктах типу "Укриття" розроблено деформаційну модель, яка дозволяє визначати просторові характеристики деформаційного поля споруди: паралельні зміщення, ротацію і дилатацію об'єкта відносно трьох координатних осей.

З метою визначення двокоординатних деформаційних зміщень споруди на створах розроблено і досліджено модифікований метод прямокутних координат, який дозволяє ефективно використовувати можливості електронного тахеометра.

З метою вимірювання горизонтальних зміщень (кренів) висотних будівель в умовах обмеженої видимості з похибкою 2-3 мм вперше в Україні запропоновано, досліджено і впроваджено в практику метод GPS-спостережень. Для перманентних спостережень за відхиленнями будинків та споруд від вертикалі автором в ДНВП "Укрінжгеодезія" разом з НВП "Пошук" розроблено і впроваджено стаціонарний електронний датчик маятникового типу, який дозволяє вимірювати кути відхилення у двох координатних площинах з похибкою 2-3.

Для вимірювання крену багатогранних веж в умовах обмеженої видимості розроблено метод спостережень з позаосьових станцій і досліджено його точність.

Показано, що для аналізу перебігу деформаційного процесу і дослідження його стаціонарності ефективна кореляційна функція, параметри якої можна визначити згідно з розробленим нами методом її розкладу в ряд Тейлора.

Список праць, опублікованих за темою дисертації

Баран П.І., Соловйов Ф.Ф., Чорнокінь В.Я. Тригонометричне нівелювання в інженерно-геодезичних роботах. - К.: Укргеодезкартографія. - 1997. - 130 с.

Баран П.І., Бондар А.Л., Романишин П.О., Сушко В.Г., Черемшинський М.Д., Чорнокінь В.Я. Перший досвід і проблеми використання GPS-методу в інженерно-геодезичній практиці в Україні // Вісник геодезії та картографії. - 1998. - № 2. - С. 29-36.

Баран П.І., Сушко В.Г., Чорнокінь В.Я. Диференціація векторів просторових зміщень інженерних споруд // Вісник геодезії та картографії. - К.: 1998. - № 4. - С. 20-26.

Баран П.І., Чорнокінь В.Я. До визначення крену веж, щогл та інших просторових споруд з позаосьових станцій спостережень // Інженерна геодезія. - Київ: Віпол. - 1998. - Вип. 39. - С. 11-16.

Баран П.І., Сушко В.Г., Холодюк О.В., Чорнокінь В.Я. Геодезичні спостереження за деформаціями об'єкта "Укриття" на Чорнобильській АЕС // Вісник геодезії та картографії. - 1999. - № 1. - С. 18-23.

Баран П.І., Сушко В.Г., Чорнокінь В.Я. Досвід інженерно-геодезичних спостережень за зсувами території міського житлового масиву з висотними будинками // Сучасні досягнення геодезичної науки і виробництва. - Львів: Ліга-Прес. - 2000. - С. 132-139.

Чорнокінь В.Я. Модифікований спосіб прямокутних координат для визначення горизонтальних зміщень колонного каркаса інженерних споруд // Інженерна геодезія. - Київ: Віпол. - 2000. - Вип. 42. - С. 241-247

Баран П.І., Сушко В.Г., Чорнокінь В.Я. Обгрунтування точності інженерно-геодезичних вимірювань на зсувах // Сучасні досягнення геодезичної науки і виробництва. - Львів: Ліга-Прес. 2000. - С. 128-132.

Баран П.І., Сушко В.Г., Чорнокінь В.Я. та інші. Датчик вертикалі ДВ-1 // Інженерна геодезія. - Київ: Віпол. - 2000. - Вип. 44. - С. 98-100.

Баран П.И., Черноконь В.Я. К расчету точности и построения GPS-сетей // Metody geodezji, fotogrammetrii i teledetekcji dla inzynierii srodowiska i budownictwa. - Warszawa: - SGGW. - 2000. - S. 18-22.

Размещено на Allbest.ru