Разработка методики анализа результатов геодезических измерений при наблюдении за осадками и смещениями крупных инженерных сооружений спутниковыми методами

Разработка эффективных методов выявления и прогнозирования деформаций инженерных сооружений является актуальной, поскольку ее успешное решение и последующее развитие вносят важный вклад в обеспечение надежности, долговечности и безопасности эксплуатации ответственных сооружений. Решение этой задачи создает условия для повышения эффективности использования капитальных вложений в строительство, помогает рационально планировать различные регламентные работы, в том числе геодезические наблюдения за деформациями сооружений, а также приносит определенный социальный эффект.

Строительство больших технических структурных сооружений типа плотин, мостов и высотных зданий является существенным для развития любой нации. Значительные деформации инженерных сооружений, близких к критическим, потенциально может вызывать гибель большого количества людей и сильные разрушения. Сохранность и долговечность сооруженийважнейшая народнохозяйственная задача, и она зависит не только от научно-обоснованной конструкции этих сооружений, но также во многом и от полноты исследования грунтов, на которых возводятся сооружения, от учета влияния на сооружения внешней среды и, особенно, от своевременной постановки и правильного выполнения систематических наблюдений за состоянием сооружений. Следовательно, безопасность этих работ, особенно в случаях с плотинами, требует периодического контроля и всестороннего анализа их структурного состояния, основанного на большом наборе переменных, которые вносят свой вклад в эти деформации. Фактически, само понятие деформаций и формирует тему для мониторинга. Деформацию данных структур определяют несколько факторов. Самые важные из них — это результаты переменных усилий и напряжений, развитых в структуре из-за эффектов местных движений земной коры. Движения земной коры вызывают изменения в относительном местоположении пунктов, расположенных на самой плотине или около нее. Другие определяющие факторы включают в себя: тип материалов строительства, силу ветра, изменение температур, усадку почв и колебания из-за движения транспорта. Ни одно из современных крупных строительств не обходится без проведения систематических наблюдений за осадками и смещениями сооружений геодезическими методами. Результаты наблюдений за осадками и смещениями инженерных сооружений геодезическими методами должны удовлетворять предъявляемым требованиям в отношении их полноты, своевременности и точности.

С момента появления ГЛОНАСС и GPS, а также на основе непрерывного процесса совершенствования технологии спутниковых измерений проблемы прогнозирования деформаций инженерных сооружений стали решаться на качественно новой основе. При использовании спутниковых методов точность координатных определений в сочетании с оперативностью получения конечных результатов определяются степенью необходимой детальности исследований, а также экономическими возможностями организации данного вида работ. Развитие высокоэффективных спутниковых методов координатных определений на основе применения глобальных навигационных систем ГЛОНАСС и GPS принципиальным образом изменяют технологию и точность определения геодезических координат и принципы построения геодезических сетей, являющихся фактической реализацией систем координат. По результатам спутниковых измерений одновременно определяются точные значения координат как в плане, так и по высоте. Поэтому современные спутниковые методы координатных определений на основе применения глобальных навигационных систем GPS и ГЛОНАСС создают условия для создания плановой и высотной основы в виде единой совокупности геодезических пунктов. Сложность решения этой проблемы состоит в том, что по спутниковым измерениям непосредственно определяется геодезическая (эллипсоидальная) высота, т. е. высота точки земной поверхности над отсчетным эллипсоидом. При использовании спутниковых методов геодезические высоты определяются непосредственно по результатам измерений. Обработка спутниковых данных не требует редукции на поверхность эллипсоида.

Задачей данной диссертационной работы является разработка методики анализа результатов наблюдений за осадками и смещениями крупных электроэнергетических объектов, расположенных в Мексике, с применением спутниковых методов измерений, научное обоснование методики и определение путей их практической реализации.

В диссертационной работе рассматриваются основные этапы решения данной проблемы применительно к гидроэлектростанции Саналона (Мексика), на которой предусмотрено создание геодезической сети спутниковыми методами. Для решения поставленной задачи в настоящей работе предложено использование топоцентрических прямоугольных координат, а также выполнена разработка и обосновано применение методов обработки результатов спутниковых измерений, характерных для решения и изучения деформационного процесса. Настоящая работа посвящена разработке рациональной и экономичной спутниковой методики построения геодезических сетей для изучения деформаций и осадки гидротехнических сооружений с учетом особенностей развития штата Синалоа, Мексика. Гидроэлектростанция Саналона, расположенная примерно на 32 км восточнее г. Кульякана, Мексика, по специфике работы и месту расположения представляет несомненный интерес для изучения на ее примере возникающих и развивающихся деформационных процессов.

Таким образом, для решения проблемы эффективного применения современных спутниковых технологий в проблемы прогнозирования деформаций инженерных сооружений должен быть решен следующий круг задач:

— разработка алгоритмов и технологий обработки результатов спутниковых измерений;

— обоснование эффективности применения прямоугольных топоцентрических координат для определения осадок и смещений гидротехнических сооружений с учетом особенностей развития штата Синалоа, Мексика- - анализ точности определения прямоугольных топоцентрических координат по современным спутниковым данным для определения осадок и смещений гидротехнических сооружений и выявление возможностей дальнейшего повышения точности.

Решение сформулированных выше задач и обоснование необходимых методов их реализации в диссертационной работе изложены в следующей последовательности.

В главе 1 даны сведения о деформациях крупных инженерных сооружений, причинах их возникновения, а также выполнен анализ геодезических методов наблюдений с точки зрения применимости их к таким сооружениям, как гидротехнические сооружения.

В главе 2 изложены основные характеристики систем GPS и ГЛОНАСС, методы измерений и определения положения спутниковыми методами, источники ошибок, свойственные спутниковым методам измерений, и методы ослабления их влияния.

В главе 3 излагаются основные рекомендации по наблюдениям за осадками и деформациями крупных инженерных сооружений спутниковым методам, математические обоснования, применение системы прямоугольных топоцентрических координат для решения проблемы мониторинга на примере гидроэлектростанции Саналона (Мексика).

В главе 4 показана возможность практической реализации разработанной в диссертации методики на результатах экспериментальных работ.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, представляемые к защите.

вывод:

1. Средние квадратические погрешности определения смещений и осадок рабочих пунктов составили соответственно по осям т^ъАмм, тц&- 4 мм, т^ «6 мм, а предельные А^ «7 мм, Ал"7 мм, А^ «12 мм.

2. Измеренные смещения и осадки рабочих пунктов находятся в пределах до 10 мм по всем осям, что меньше предельной погрешности измерений этих смещений и осадок всех наблюдаемых пунктов.

3. Из этого можно заключить, что деформаций плотины, превосходящие точность измерений, не обнаружены.

Сравнение превышений между пунктами, показало, что их изменение за последние 1.5 год находится в пределах точности измерений (менее 5 мм). Лишь по гребне плотины, измерения продолжаются из-за отчетливо влияния температурного фактора (амплитуда вертикальных сезонных перемещений гребня между весной и осенью достигает 5 мм).

Характерная особенность применения топоцентрических прямоугольных координат при изучении осадок и горизонтальных смещений инженерных сооружений состоит в том, что в отличие от остальных систем координат преобразование осуществляется сравнительно простотак как формулы позволяют получить изменение координат рабочих пунктов относительно исходной точки, условная поверхность отсчета высоты проходит через исходную точку, исключается необходимость редуцирования результатов измерений на референц-эллипсоид, а потом на плоскость, точность вычисления координат после перехода от геоцентрических к топоцентрическим прямоугольным не снижает точности геоцентрических координат после уравнивания.

Представленные в четвертой главе результаты опытно-производственных работ по геодезической спутниковой сети подтверждают эффективность применения спутниковых измерений на основе разработанной в диссертации методики.

Заключение

.

На основе исследований, проведенных в настоящей диссертационной работе представляется возможным сделать обобщенный вывод о том, что представленный материал охватывает комплекс вопросов, относящихся к разработке методов исследования деформационных процессов применительно к крупным инженерным сооружениям. В основу разработанного метода положены современные возможности определения осадок и смещений на основе применения топоцентрических прямоугольных координат с применением глобальных спутниковых навигационных систем. При этом в процессе реализации упомянутого комплекса решены следующие задачи:

1. Разработана методика обработки результатов спутниковых измерений с целью выявления деформаций крупных инженерных сооружений, используя топоцентрическую систему координат.

2. Точностные исследования разработанной методики обработки результатов спутниковых измерений показали, что средние квадрати-ческие ошибки деформационных характеристик наблюдаемых объектов зависят только от точности определения приращений координат и не зависят от точности определения абсолютных координат и от точности знания аномалий высот в районе выполняемых работ.

3. Предложенный метод спутниковых измерений при мониторинге крупных инженерных сооружений позволит существенно сократить время поиска признаков деформаций в условиях Мексики.

4. Разработана концепция применения спутниковых методов измерений построения локальных высокоточных сетей, технология создания опорной геодезической сети и ее взаимосвязь с контрольными пунктами по смещениям, которыми изучаются искомые деформации.

5. Усовершенствован процесс проведения на геодезических сетях полевых спутниковых измерений и процедур последующей обработки результатов измерений с тем, чтобы на их основе получать надежные значения изучаемых деформаций.

6. Реализованы разработанные методы при организации мониторинга по выявлению и прогнозированию опасных деформаций электроэнергетических объектов в разных районах Мексики с учетом ее геодезических особенностей.

7. Выявлены математические зависимости изменения точности топо-центрических декартовых координат, при анализе деформаций крупных инженерных сооружений.

Новые принципы установления и дальнейшего развития системы топо-центрических прямоугольных координат при изучении деформационных процессов электроэнергетических объектов в Мексике на основе современных спутниковых технологий обуславливают необходимость изменения структуры геодезического обеспечения.

Разработанные в диссертации принципы применения топоцентриче-ских прямоугольных координат с использованием современных спутниковых технологий ориентированы на реализацию в работах по изучению и выявлению деформационных процессов крупных инженерных сооружений в условиях Мексики, а также для создания высокоэффективной системы геодезического обеспечения.

Представленные в диссертации результаты построения геодезических сетей, а также результаты экспериментальных производственных работ по спутниковым измерениям, подтверждают высокую эффективность применения ОРБ-методов в развитии системы топоцентрических прямоугольных координат на основе разработанных математических принципов.