Введение к работе
Актуальность темы. Объекты, которые принято называть экологически-опасными - широко известны из публикаций в периодической печати, из средств массовой информации. К ним относятся и дамбы, и высотные плотины, и химические предприятия, и АЭС, и захоронения высокоактивных отходов и т.д. Причиной процессов, могущих привести в конечном итоге к катастрофической ситуации на том или ином объекте, могут быть тектонические процессы в земной коре, проявляющиеся в подвижках по активным разломам, карстовые явления, оползневые эффекты и техногенная деятельность. Увеличение нагрузок на грунт, значительные вибрационные воздействия, нарушение гидрогеологического режима и т.п. могут существенно ускорить перечисленные выше естественные природные процессы. Вероятность такого события мала, но отлична от нуля, и для каждого конкретного типа объектов естественно существуют свои методы анализа мер безопасности, необходимых для сведения к минимуму отрицательных последствий подобных ситуаций.
Вариации метеопараметров (атмосферного давления, температуры, величины осадков и т.д.) могут являться "спусковым крючком" начала ощутимых деформаций в сооружениях, а также неким зондирующим сигналом, отклик на который позволяет выявить наиболее уязвимые, ослабленные, потенциально опасные зоны в земной коре и сооружениях, ненаблюдаемые визуально. В случае активизации деформационных процессов именно по этим зонам и могут начаться разрушительные явления, и именно в районе этих зон и необходимо устанавливать геофизическую аппаратуру для постоянного наблюдения - мониторинга деформационных процессов.
Трудности изучения деформационных процессов (наклонов, линейных и
объемных деформаций, относительных превышений и т.д.) связаны с двумя
основными причинами. Первая - высокий уровень локальных шумов в месте
установки прибора. Поэтому для повышения представительности наблюдений
необходимо использовать групповые синхронные измерения с параллельной
регистрацией метеопараметров и длиннобазисные измерительные системы.
Вторая - низкочастотный, вплоть до квазистатического, диапазон, в котором
лежит полезный сигнал - предъявляет высокие требования к долговременной
стабильности датчиков. При этом необходимо, чтобы чувствительность
аппаратуры была достаточной для измерения геофизических процессов на
уровне приливных деформаций земной коры, обладала широким динамическим
диапазоном и цифровой формой выходного сигнала. Именно эти свойства
аппаратуры позволяют качественно изменить методику традиционных
измерений и выявлять тенденцию развития деформационных процессов на
самой ранней стадии их проявления. Важность выявления начальных
признаков событий, за которыми могут последовать разрушения элементов -ч
і і
сооружений или значительные подвижки, приводящие к выходу из строя механизмов и устройств, установленных на фундаментах, - очевидна.
Научно-исследовательские и конструкторские работы, проводившиеся в нашей стране, были ориентированы в основном на создание систем, не учитывающих специфику контроля за состоянием целостности инженерных сооружений, основные особенности которых - это долговременность контроля, трудности прогнозирования развития естественных и природно-техногенных процессов на длительные периоды, разнообразие сценариев развития возможных катастроф и масштаба их последствий. Это ставит новые технические требования к системе геофизического мониторинга, разработке комплекса фундаментальных и прикладных проблем, модификации существующих аппаратных средств. Поэтому данная работа была посвящена двум основным задачам: разработке концепции геофизического мониторинга и предложению состава аппаратурного комплекса для проведения долговременных наблюдений.
Объектом исследования диссертационной работы является изучение динамики деформационных процессов в земной коре, строительных и инженерных сооружениях с помощью информационной системы, состоящей из комплекса датчиков первичной геофизической информации, параметров метеоусловий и системы регистрации на базе персонального компьютера.
Предметом исследования являются средства и методы выявления и мониторинга потенциально опасных зон на инженерных сооружениях.
Целью работы является предложение методов и состава комплекса аппаратных средств для выявления потенциально опасных зон на инженерных сооружениях для решения задачи своевременного вьивления тенденций развития деформационных процессов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Предложен метод проведения анализа целостности и выявления ослабленных зон в инженерных сооружениях, основанный на измерении деформаций одновременно на нескольких линейных базах при параллельной регистрации вариаций температуры и атмосферного давления.
-
Обоснованы требования к информационной измерительной системе и предложен состав аппаратуры для решения задачи выявления потенциально опасных зон в инженерных сооружениях.
-
Предложена и реализована методика учета нелинейности емкостных частотных преобразователей, позволившая существенно повысить достоверность получаемой информации о деформационных процессах
-
Предложена методика совместной обработки многомерных длительных рядов наблюдений, включающих как информацию о состоянии деформационных процессов в анализируемых элементах объектов исследований, так и информацию о вариациях
метеопараметров для получения формализованных критериев определения начальной стадии развития аномальных деформационных процессов, которые могут привести к разрушениям. Научная новизна исследований заключается в следующем:
-
Предложен состав измерительного комплекса, включающего датчики первичной геофизической информации и регистрирующей аппаратуры.
-
Разработан метод учета нелинейности характеристики преобразователя механических перемещений в электрический сигнал для получения достоверной информации о величинах параметров измеряемых деформационных процессов.
-
Предложена и применена на ряде объектов методика выявления потенциально опасных, ослабленных зон элементов конструкции инженерных сооружений, основанная на использовании информации о вариациях температуры и атмосферного давления в качестве зондирующих сигналов.
-
Реализована процедура совместной математической обработки результатов долговременных многостанционных деформационных измерений с параллельным измерением вариаций метеопараметров.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
Предложен комплекс- аппаратных средств, включающий датчики первичной геофизической информации, датчики вариаций метеопараметров и систему регистрации, позволяющий провести долговременные наблюдения за развитием деформационных процессов в элементах конструкций инженерных сооружений.
-
Предложенная методика выявления потенциально опасных зон позволяет выявить наиболее уязвимые, ослабленные, потенциально опасные зоны в земной коре и сооружениях, не наблюдаемые визуально. Появляется возможность своевременно сделать выводы либо об активизации деформационных процессов и принять соответствующие организационные и инженерные мероприятия для предотвращения их развития, либо о возможности дальнейшей эксплуатации сооружения. В случае активизации деформационных процессов именно по этим зонам и могут начаться разрушительные явления и именно в районе этих зон необходимо устанавливать геофизическую аппаратуру для постоянного наблюдения - мониторинга деформационных процессов. Реализация результатов работы. Предложенные в работе методы
использованы для выявления потенциально опасных зон в зданиях Тульской гравиинерциальной обсерватории Института физики Земли и кузнечного цеха ОАО «Туламашзавод», научно-экспедиционной базы РАН в п. Долгое Ледово Щелковского района. Совместная обработка результатов мониторинга на этих объектах подтвердила наличие активного разлома, проходящего через эти здания.
Аппробация работы. Основные положения диссертации докладывались на 4-й Всероссийской конференции «Управление и информационные технологии» в Санкт-Петербурге в 2006 г., международном симпозиуме «Наземная, морская и авиагравиметрия» в Санкт-Петербурге в 2007 году, заседании объединенного научного семинара лабораторий и Научно-технического совета ИФЗ РАН в 2008 году.
Публикации. Основные результаты, полученные в диссертации опубликованы в 7 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы. Объем диссертационной работы составляет 108 страниц, 29 рисунков, 2 таблицы, список литературы включает 72 наименования.