|
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ
ЧOPHOKIHЬ ВАСИЛЬ ЯКОВИЧ
УДК 528.48: 551.24
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОДЕЗИЧНИЙ MOHITOPИHГ
ДЕФОРМАЦІЙНИХ ПРОЦЕСІВ НА
ЕКОЛОГОНЕБЕЗПЕЧНИХ ТЕРИТОРІЯХ
ТА IНЖEHEPHИX СПОРУДАХ
05.24.01 – Геодезія
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ - 2002
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Київському національному університеті будівництва і архітектури, Міністерство освіти і науки України.
Науковий керівник:
доктор технічних наук, професор Баран Петро Іванович,
Київський національний університет будівництва і архітектури, професор кафедри інженерної геодезії.
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Черняга Петро Гервазійович,
Рівненський державний технічний університет, завідувач кафедри геодезії та кадастру;
кандидат технічних наук, професор Старовєров Володимир Сергійович, Київський національний університет будівництва і архітектури,
професор кафедри інженерної геодезії.
Провідна установа:
Національний університет ”Львівська політехніка“, кафедра інженерної геодезії та кадастру, Міністерство освіти і науки України, м.Львів.
Захист відбудеться ”22”березня 2002 р. о 13 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.09 в Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03037, Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31, ауд. 466 .
З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.
Автореферат розісланий ”4”лютого 2002 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради
кандидат технічних наук, доцент О.П.Ісаєв
#ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Будівництво і експлуатація населених пунктів та їх інженерної інфраструктури, культурно-історичного середовища, промислових підприємств, об’єктів енергетики, особливо АЕС і ГЕС, транспорту і т.п. вимагає використання територій з надійною геологічною структурою. Але близько 70% територій України, зокрема степової та лісостепової зони займають просадкові лесові грунти, а 4 % перебуває в зоні зсувів та інших нестійких геологічних утворень, що вимагає надійної і постійно оновлюваної інформації про зміни стану земної поверхні та інженерних споруд, особливо про зміни в їх просторовому положенні, які визначають рівень деформаційних процесів.
В комплексі геологічних, гідрогеологічних, геофізичних, геоморфологічних, метеорологічних та інших досліджень важливе місце займають інженерно-геодезичні вимірювання, які дозволяють визначати величину і напрями деформаційних зміщень (горизонтальних і вертикальних), їх швидкість та інші характеристики, забезпечують прогнозування розвитку деформаційних процесів і розробку запобіжних заходів.
Сучасна практика інженерно-геодезичних спостережень за деформаційними процесами вимагає виявлення мінімальних абсолютних зміщень, що підвищує вимоги до точності вимірів, а практична реалізація точних режимних спостережень - застосування новітньої автоматизованої інженерно-геодезичної техніки (супутникові навігаційні системи, електронні тахеометри і нівеліри) та комп’ютерних технологій для оперативного опрацювання результатів вимірювань, моніторингу, підготовки інформаційних та інженерно-технічних рішень. Саме ці питання, пов’язані з дослідженням і впровадженням в практику передових технологій, стали предметом досліджень у дисертаційній роботі.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вирішення проблем, пов’язаних з геодинамічними процесами в геологічному середовищі та інженерних спорудах, особливо на екологічно небезпечних об’єктах, - один з найважливіших факторів забезпечення надійного функціонування населених пунктів, промислових підприємств, об’єктів енергетики, транспорту та інше. Робота виконана в рамках державних, галузевих і науково-дослідних програм на підставі таких документів:
- Постанови Кабінету Міністрів України від 16 жовтня 1998 р. № 1641 ”Про організацію системи оперативного контролю за зсувонебезпечними ділянками з використанням новітніх технологій“.
- Постанови Кабінету Міністрів України від 22 серпня 2000 р. № 1313 ”Програма запобігання та реагування на надзвичайні ситуації техногенного і природного характеру на 2000-2005 роки“.
- Планів науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт Департаменту геодезії, картографії та кадастру Мінекоресурсів України по темах:
а) Дослідження приймачів геодезичних супутникових систем (1998 р.);
б) Дослідження і врівноваження міських геодезичних мереж (1998 р.);
в) Розробка Основних положень з побудови міських геодинамічних мереж (2000 р.).
г) ”Моніторингові дослідження геодинамічних та техногенних процесів території Донецького регіону, пов’язаних з підземними виробками, шляхом проведення повторних лінійно-кутових вимірів та високоточного нівелювання“ (2001 р.).
Мета і задачі дослідження. Робота виконана з метою розробки і дослідження точності методів визначення горизонтальних і вертикальних зміщень деформаційного поля об’єктів геологічного середовища і будівництва.
Задачі досліджень:
- дослідження методів визначення деформаційних характеристик об’єктів, встановлення вимог до точності та циклічності виконання інженерно-геодезичних вимірів;
- дослідження точності сучасних методів і засобів інженерно-геодезичних вимірів (GPS-прилади, електронні тахеометри, цифрові нівеліри);
- розробка нових методів розрахунку точності інженерно-геодезичних мереж (GPS, полігонометрії), прецизійного тригонометричного нівелювання;
- розробка нових і ефективних методів визначення планового і просторового положення контрольних пунктів деформаційного поля з використанням новітньої техніки і комп’ютерних технологій.
Наукова новизна одержаних результатів:
- дано теоретичне обгрунтування циклічності спостережень в залежності від динаміки деформаційного процесу;
- виконано експериментальні дослідження точності вимірювань за допомогою одночастотних GPS-приймачів 4600 LS фірми ”Trimble“, електронного тахеометра ТС 1800 фірми ”Leica“, цифрового нівеліра DINI-010Т фірми ”Zeiss“;
- розроблено метод розрахунку точності побудови GPS-мереж;
- теоретично і експериментально досліджено точність спеціальних полігонометричних ходів і мереж в залежності від способу їх прив’язки до опорних пунктів;
- розроблено модифікований метод прямокутних координат для визначення горизонтальних деформаційних зміщень і досліджено його точність;
- розроблено деформаційну модель просторового об’єкта за змінами координат його репрезентативних точок.
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що результати виконаних в дисертації досліджень, які базуються на фактичному виробничому матеріалі, використовуються для вивчення деформаційних процесів на зсувах, при спостереженнях за деформаціями інженерних споруд, що підвищує їх екологічну і технологічну безпеку, зокрема при вивченні деформацій об’єкта ”Укриття“ ЧАЕС, територій та споруд Деміївського житлового масиву в м.Києві, Українського музею історії Великої Вітчизняної війни 1941-1945 р.р., при спостереженнях за зсувами Правобережних схилів Дніпра в районі Маріїнського палацу, Першотравневого парку, Аскольдової могили в м.Києві, в Закарпатті, в м.Краматорську Донецької області, спостереженнях за тектонічними і техногенними процесами на геодинамічних полігонах Чорнобильської та Хмельницької АЕС, території Стебниківського калійного родовища. Частину розробок включено в ”Програму інженерно-геодезичних спостережень за деформаціями і осіданнями об’єкта ”Укриття“ ЧАЕС на 1998-2000 р.р. (1-е видання) і 2000-2005 р.р. (2-е видання)“.
Обсяг використання розробок підтверджено актами впровадження і довідками підприємств.
Особистий внесок здобувача. Авторові належать:
- дослідження методів обгрунтування циклічності спостережень за деформаціями інженерних споруд і геологічних структур;
- дослідження точнісних характеристик сучасних електронних приладів (GPS-приймача 4600 LS фірми ”Trіmble“, тахеометра ТС 1800 фірми ”Leica“ і нівеліра DINІ-010 фірми ”Zeiss“);
- розробка методу розрахунку точності GPS-мереж;
- теоретичні і експериментальні дослідження точності методів прив’язки полігонометричних ходів та мереж до опорних пунктів;
- розробка і дослідження точності модифікованого методу прямокутних координат для визначення деформаційних зміщень протяжних об’єктів;
- розробка моделі дослідження деформаційних зміщень просторових конструкцій (на прикладі об’єкта ”Укриття“ ЧАЕС);
- метод визначеня крену багатогранних вежових конструкцій з позаосьових спостережних станцій.
Розробки автора, які винесено на захист, дозволяють підвищити організаційний рівень інженерно-геодезичного забезпечення спостережень за деформаційними процесами інженерних споруд і геологічного середовища, їх екологічну і технологічну безпеку.
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідалися автором, були обговорені та схвалені на науково-технічних конференціях в Київському національному університеті будівництва і архітектури (1999, 2000, 2001 р.р.), міжнародній науково-практичній конференції ”Сучасні досягнення геодезичної науки і виробництва“ (Львів, 2000 р.), першій міжнародній науково-практичній конференції ”Проблеми та перспективи розвитку геодезичного забезпечення будівництва“ (Київ, 2000 р.), міжнародній науково-технічній конференції ”Методи геодезії, фотограмметрії і дистанційного зондування для інженерії середовища і будівництва“ (Варшава, 2000 р.), на семінарі ”Сучасний стан будівельних конструкцій об’єкта ”Укриття“ ЧАЕС (Київ, 2001 р.)“.
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).
ЗМІСТ РОБОТИ
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 (рис.1) за методом найменших квадратів визначено рівняння регресії відповідно до і після врівноваження мережі:
 ;  (12)
 ;  , (13)
де  - довжина сторони (вектора) мережі в км.
Рис. 1. Розподіл похибок  вимірювання сторін GPS-методом
до і після врівноваження мережі ГДП ЧАЕС
Виведено експоненціальне рівняння регресії для похибок дирекційного кута (рис.2)
 , (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“.
Рис. 2. Розподіл похибок  орієнтування сторін GPS після
врівноваження мережі вимірів на ГДП ЧАЕС
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.
| 
