Содержание к диссертации
Введение
1 Деформации инженерных сооружений и современные аппаратно - программные средства геодезического деформационного мониторинга 13
1.1 Общая характеристика деформаций природного и техногенного характера 13
1.2 Аппаратно-программные системы и технологии измерений (АПСТИ) -основа автоматизированного геодезического деформационного мониторинга – АСГДМ .17
1.2.1 Электронные тахеометры, Smart системы, лазерные сканеры, радары 22
1.2.2 Цифровая инклинометрия 29
1.3 Специальное программное обеспечение (СПО) 39
1.4 Некоторые особенности математической обработки результатов повторных геодезических измерений деформаций .41
1.5 Разработка алгоритма создания АСГДМ .48
1.4.1 Требования к информации о результатах деформационного мониторинга 48
1.4.2 Разработка алгоритма проектирования реализации АСГДМ 51
2 Разработка и исследование высокоточной электронной тахеометрии для мониторинга 53
2.1 Принцип действия и конструктивные особенности современных роботизированных электронных тахеометров 54
2.2 Основные технические параметры и функциональные возможности роботизированных электронных тахеометров (РЭТ) 58
2.3 Назначение и использование электронной тахеометрии для автоматизированного мониторинга деформаций 63
2.4. Результаты натурных испытаний высокоточной электронной тахеометрии в составе АСГДМ гидротехнических сооружений в России .64
3 Высокоточная инклинометрия 74
3.1 Принцип действий и конструктивные особенности современных высокоточных цифровых инклинометров 74
3.1.1 Цифровой инклинометр жидкостного типа NIVEL200 фирмы Leica Geosystems и его технические параметры 75
3.1.2 Инклинометр конденсаторного типа ZEROMATIC фирмы Wyler AG и его технические параметры .81
3.2 Исследование высокоточных инклинометров 85
3.2.1 Разработка эксперимента и исследование технических и метрологических характеристик высокоточных инклинометров 85
3.2.2 Результаты исследований инклинометров фирмы Leica Geosystems 86
3.2.3 Результаты исследований инклинометров фирмы Wyler AG 89
3.3. Анализ применения цифровых инклинометров при строительстве и эксплуатации сооружений повышенного уровня ответственности 92
3.3.1 Применение высокоточных инклинометров в целях определения наклона (крена) зданий и сооружений 95
3.3.2 Высокоточная инклинометрия для контроля устойчивости опор крупнейших мостовых переходов 99
3.3.3 Результаты использования высокоточных цифровых инклинометров при эксплуатации плотин ГЭС в России 102
4 Разработка проекта и результаты геодезического мониторинга деформаций судоходных шлюзовых сооружений 115
4.1 АПСТИ автоматизированной системы деформационного мониторинга шлюзов судоходных гидротехнических сооружений 116
4.2 Задачи и проект мониторинга деформаций шлюзовых камер Волжского гидроузла 119
4.3 Контроль стабильности положения роботизированного тахеометра на базовом пункте 122
4.4 Определение планово-высотных смещений шлюзовых камер в периоды шлюзований роботизированным тахеометром и цифровыми инклинометрами 123
4.5 Анализ результатов поставленных натурных исследований АСГДМ на Волжском гидроузле .131
5 Общенная структура предложенной КАСГДМ с использованием электронной тахеометрии, цифровой инклинометрии и других современных средств сбора информации 133
Заключение .135
Список литературы. 138
- Цифровая инклинометрия
- Основные технические параметры и функциональные возможности роботизированных электронных тахеометров (РЭТ)
- Применение высокоточных инклинометров в целях определения наклона (крена) зданий и сооружений
- Определение планово-высотных смещений шлюзовых камер в периоды шлюзований роботизированным тахеометром и цифровыми инклинометрами
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
При строительстве и эксплуатации таких уникальных сооружений, как крупнейшие плотины ГЭС, гигантские мостовые переходы, высотные здания-небоскребы и т.п., резко возрастают требования к обеспечению их устойчивости.
Однако имеющаяся на сегодня нормативно-техническая база по деформационному мониторингу и автоматизации процесса получения и анализа информационно-измерительных данных во многом устарела и не учитывает возможности современной геодезической и геотехнической контрольно-измерительной аппаратуры, коммуникационных и компьютерных технологий.
Актуальной являетсязадача внедрения автоматизированных систем геодезического деформационного мониторинга (АСГДМ) на базе таких инновационных геодезических аппаратно-программных систем и технологий измерений (АПСТИ), как спутниковые системы ГНСС, электронная тахеометрия, высокоточная цифровая инклинометрия и т.п.
Степень разработанности темы. В течение многих десятилетий, особенно начиная с 50-х годов прошлого столетия, разработаны различные, ставшие уже традиционными, геодезические методы и технологии наблюдений за деформациями крупных инженерных сооружений: микротриангуляция, трилатерация, гидронивелирование, высокоточные створные измерения, лучевые и интерференционные лазерные системы и т.д. Все эти методы и средства измерения деформаций хорошо изучены и изложены в научных трудах, учебниках, монографиях и изучаются в вузах будущими специалистами по прикладной геодезии.
Эти методы и средства позволили практически до настоящего времени осуществлять контроль планово-высотных деформаций крупнейших плотин ГЭС, ускорителей, высотных сооружений и т.п. Этому способствовали разработки и исследования таких крупных ученых, как Брайт П.И., Муравьев И.С., Левчук Г.П., Лебедев Н.Н., Глотов Г.Ф., Михелев Д.М., Марфенко С.В., Горелов В.А., Новак В.Е., Рязан-цев Г.Е., Уставич Г.А., Жуков Б.Н., Васютинский И.Ю., Рунов И.В., Ямбаев Х.К. и многих других. В настоящее время только в Интернет-ресурсах можно найти несколько тысяч соответствующих публикаций.
Но традиционные методы деформационного мониторинга являются трудоемкими и не оперативными. Кроме того, эти метолы дискретны, может возникнуть ситуация появления критических для данного объекта деформаций, но очередной цикл повторных геодезических наблюдений запланирован через одну-две неделю или даже месяц.
Цели и задачи исследований
В диссертации поставлена и решена задача повышения эффективности и надежности эксплуатации уникальных инженерных сооружений путем разработки и реализации системы автоматизированного деформационного мониторинга в реальном масштабе времени на основе научной гипотезы комплексирования в одной разработанной системе двух принципиально разных по своей сутисовременных геодезических средств измерений (ГСИ): наклономерных – высокоточные цифровые инклинометры (ВЦИ) и координатного позиционирования – роботизированные электронные тахеометры (РЭТ) в сочетании со специальным управляющим программным обеспечением (СПО).
В рамках постановки общей цели исследований были определены следующие задачи:
провести анализ современных АПСТИ: РЭТ, ВЦИ, специального программного обеспечения (СПО);
обосновать экспериментально возможность и целесообразность совместного включения РЭТ и ВЦИ в комплекс АСГДМ;
разработать методику и выполнить натурные исследования точности использования РЭТ и ВЦИ на существующих ГТС – Красноярской, Саяно-Шушенской, Бурейской ГЭС и шлюзах Волгоградского гидроузла;
разработать оптимальную структуру АСГДМ на основе предложенных технических решений, натурных испытаний и поставленных экспериментов.
Объект и предмет исследований. Объектом исследований является организация деформационного мониторинга уникальных инженерных сооружений, критичных к воздействию опасных явлений природного и техногенного характера.
Предмет исследований – автоматизированная система геодезического деформационного мониторинга (АСГДМ) с оптимальным комплексом аппаратно-программного обеспечения.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
- Доказано, что разработанная структура АСГДМ на основе комплексирования
двух принципиально разных по своей сути методов геодезического
деформационного мониторинга: наклономерных измерений – (ВЦИ) и
координатного позиционирования – (РЭТ) позволяют получить новый параметр,
характеризующий устойчивость несущих конструкций и сооружения в целом:
обнаружены ли опасные неравномерные деформации или имеют место наклоны
(крены) сооружения в пределах расчетных безопасных допусков. Этим и
определяется достигнутый синергический эффект применения результатов
разработки и исследования диссертации.
- Результаты впервые постановленных в инженерно-геодезической практике
экспериментальных и натурных исследований двух высокоточных инклинометров
- NIVEL200 жидкостного типа и маятникового Zeromatic показали
целесообразность включения таких ВЦИ в АСГДМ для высокоточных
непрерывных наклономерных измерений с точностью, характеризуемой первыми
секундами углов наклона.
- Разработанные технологические решения, экспериментальные и натурные
исследования роботизированных тахеометров (РЭТ) на трех сибирских ГЭС
доказывают достаточную точность и оперативность их использования в АСГДМ
для деформационного мониторинга положения дискретно расположенных
контрольных точек с субмиллиметровой точностью.
- Показана целесообразность использования специального программного
обеспечения (СПО) «GeoMos» совместно с разработанной диссертантом
компьютерной программой Sentris для управления работой АСГДМ – сбором,
обработкой и интерпретацией результатов геодезического деформационного
мониторинга.
- Результаты выполненных сравнительных исследований двух разных по принципу действия ГСИ (РЭТ и ВЦИ) с СПО GeoMoS и Sentris позволили создать-
6 АСГДМ, работающую в «онлайн» режиме с СКП (средней квадратической погрешностью) не хуже (1-2) мм и получить важный синергический эффект - новый качественный параметр устойчивости несущих конструкций объектов.
Теоретическая значимость работы заключается в обосновании оптимального алгоритма разработки структуры, содержания и процесса реализации автоматизированной системы геодезического деформационного мониторинга уникальных инженерных сооружений.
Практическая значимость работы. Результаты выполненных исследований позволяют оптимизировать перечень аппаратно-программного обеспечения АСГДМ для организации наблюдений за деформациями и устойчивостью сооружений в реальном масштабе времени с учетом конструктивных особенностей конкретного сооружения.
Предложенные технические решения успешно прошли натурные испытания на ГТС Саяно-Шушенской ГЭС, мостовых сооружениях Красноярской ГЭС, плотине Бурейской ГЭС и на уникальном мостовом переходе через бухту Золотой Рог (г. Владивосток), на шлюзовых камерах Волгоградского гидроузла.
Результаты исследований используются в учебном процессе МИИГАиК и СГУГиТ.
Методология диссертационного исследования состоит:
в оптимизации необходимых и достаточных аппаратно-программных средств измерений для реализации АСГДМ конкретного исследуемого объекта;
в обоснованных методиках проведения экспериментальных и натурных испытаний разработанной системы геодезического мониторинга.
Положения, выносимые на защиту:
структурная схема (модель) АСГДМ на базе РЭТ и ВЦИ;
методика и результаты натурных испытаний разработанной АСГДМ; Результаты натурных исследований деформаций шлюзовых камер Волгоградского гидроузла и на ряде ГТС трех строящихся и эксплуатируемых ГЭС Сибири;
методика и результаты метрологических исследований ВЦИ;
реализованные технические решения по составу и размещению геодезического оборудования АСГДМ на объектах.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Основные положения диссертации соответствуют следующим пунктам научной специальности 25.00.32-Геодезия:
П.8 «Геодезический мониторинг напряженно-деформированного состояния земной коры и ее поверхности, зданий и сооружений, вызванного природными и техногенными факторами, с целью контроля их устойчивости, снижения риска и последствий природных и техногенных катастроф, в том числе землетрясений».
П.11 в части «… Автоматизированные технологии создания цифровых моделей технологических объектов и явлений по геодезическим данным».
Степень достоверности результатов разработок и исследованийопределяется:
корректностью поставленных задач, предлагаемых методов их решения и проверенными десятилетиями методами математической обработки результатов измерений;
использованием для управления АСГДМ надёжного программного обеспечения, в том числе от ведущих мировых производителей;
роботизированные тахеометры и цифровые инклинометры в составе испытаний АСГДМ прошли метрологическую аттестацию.
Апробация результатов исследования. Результаты разработок и исследований диссертанта докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Научно-практическая конференция «Обеспечение безопасности и надежности судоходных гидротехнических сооружений», г. Волгоград, 30 сентября – 2 октября 2015 г.; 71-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК, г. Москва, 5 – 6 апреля 2016 г.; XII Международная конференция «Интерэкспо Гео-Сибирь», г. Новосибирск, 18 – 22 апреля 2016 г.; Международная конференция «Геопространственные данные», г. Киев, 27 – 29 октября 2016 г.; Международная научно-практическая конференция «Геострой», г. Новосибирск, 16 – 17 марта 2017 г.
Публикации по теме диссертации. Основные положения, результаты разработок и исследований представлены в девяти научных статьях, в том числе пять статей в изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соиска-
ние ученой степени кандидата технических наук по специальности 25.00.32 – Геоде-
зия.
Структура диссертации. Общий объем диссертации составляет 144 страницы машинописного текста. Диссертация состоит из введения, шести разделов и заключения, содержит 13 таблиц и 79 рисунковСписок литературы включает 83 наименования.
Цифровая инклинометрия
Ранее и практически до сих пор понятие «Инклинометрия» чаще всего использовалось в связи с контролем пространственного положения стволов скважин при наклонном бурении. «Инклинометрия» - метод определения пространственных координат скважины, позволяющий установить правильность бурения в заданном направлении… Таким образом, под задачей инклинометрии будем понимался контроль за положением в пространстве оси ствола наклонно направленной скважины». [22]. Такие инклинометры, как правило, основывались на гироскопическом принципе работы. Точность определения зенитных углов составляет десятки минут, а азимута несколько градусов.
На самом деле понятие «Инклинометрия» имеет более широкое значение и применение. Инклинометрия – это метод определения угла наклона (отклонения) объекта, конструкции, конструктивных элементов от заданной (проектной, нулевой, исходной) поверхности или направления. Инклинометр - это прибор, с помощью которого измеряют вертикальный угол отклонения от отвесного направления (incline – наклон).
Классификация инклинометров
Основываясь на анализе различных источников технической литературы, можно составить следующую классификацию инклинометров:
- По методам измерений инклинометры подразделяют на две основные группы: Инклинометры непосредственного измерения с датчиками гравитационного поля Земли, геомагнитного поля, гироскопического эффекта, телезондирования.
- По числу осей различают три основные группы: одноосевые (ось X), двухосевые (оси X и Y), трёхосевые (оси X,Y и Z).
- По статичности объекта: Инклинометр для измерения наклонов на объектах, находящихся в статическом или динамическом (подвижном) состоянии.
- В зависимости от величин скоростей контролируемого объекта и конкретных целей контроля, инклинометры могут иметь различные динамические характеристики. Так, например, существуют инклинометры одноразового действия.
- По способам регистрации результатов измерений: механические, фоторегистрационные, электрометрические, химические.
Регистрация данных измерений может проводиться как в инклинометре непосредственно, так и дистанционно. В последнее время более широкое применение находит способ дистанционной регистрации данных.
К общепринятой классификации можно добавить еще две критерии:
- По типу выходных сигналов: аналоговые, цифровые.
- По точности определения углов наклона: технические, точные, высокоточные.
Назначение и использование инклинометрии в геотехнике (геофизика, геология) и промышленности
Инклинометрия (инклинометрические измерения) входит в комплекс геофизических исследований скважин и является одним из самых сложных и ответственных видов геодезических работ.
Инклинометрические измерения предназначены для получения основных параметров, характеризующих степень искривления различных буровых скважин. Такими параметрами являются зенитный угол и азимут искривления скважины, которые замеряются скважинными инклинометрами. Таким образом, инклинометрия используются для определения пространственных координат скважин с целью установления правильности бурения в заданном направлении и при необходимости выполнения корректировки в процесс бурения. Инклинометры также предназначены для решения маркшейдерских задач. Сегодня на многих месторождениях выполняют повторное бурения с уплотненной сеткой скважин. При кустовом бурении очень важно не допустить встречи новых стволов и ранее пробуренных скважин, опасность которой повышается с увеличением скважин в кусте. Отсюда и повышение требований к точности контроля положения оси ствола скважины и соответственно к точности применяемых инклинометров.
При разведочном бурении предъявляются дополнительные требования к точности определения интервала залегания продуктивного пласта с целью его геологической привязки, а также оценки эффективности эксплуатации пласта. Положение скважин в пространстве определяется с целью получения действительной картины расположения пересекаемых ею горных пород: их глубины, падения и простирания.
Примером скважинного инклинометра являются инклинометры серии ИОН (разработчик: ЗАО "Энергонефтемаш", г. Омск).
Определение зенитного угла, азимута, угла поворота ствола буровой скважины с помощью ИОН-3 выполняется с СКП в десятки минут или градусов, что не соответствует задачам мониторинга деформаций сооружений.
В настоящее время выпускаются инклинометры скважинные более высокой точности для решения следующих задач:
Определения направления, величины, а также скорости смещений в грунтовых массивах конструкций при краткосрочном и долгосрочном мониторинге состояния сооружения, например, для:
- определения устойчивости подпорных стен путем измерения изгиба и кручения;
- мониторинга грунтового массива в зоне проведения строительных работ (строительство тоннелей, зданий и т.д.);
- определения устойчивости дамб и насыпей;
- проверки соответствия фактических прогибов расчетным величинам;
- определения деформации свай, шпунтового ограждения и стен в грунте;
- мониторинга естественных и искусственных склонов, в том числе оползневых;
- определения смещения опор мостов.
Представителем таких типов инклинометров является цифровой вертикальный скважинный инклинометр фирмы Soil Instruments (Великобритания) (Рисунок 7). Основные паспортные технические характеристики указаны в Таблице 3.
Основные технические параметры и функциональные возможности роботизированных электронных тахеометров (РЭТ)
Современные электронные роботизированные тахеометры отличаются следующими функциональными возможностями:
Они являются программируемыми позволяют исполнителю составлять индивидуальные программы автоматического выполнения измерений и разработки собственных прикладных программ с помощью специального набора инструментов программирования, например, Geo C++ для автоматизированных тахеометров фирмы Leica Geosystems. В индивидуальных программах выполнения работ могут быть заложены такие параметры, как начало и конец измерений, цикличность, очередность визирования на контролируемые точки, частота измерений в одном цикле, выполнение измерений при двух положениях вертикального круга, предельно допустимые значения данных измерений, автоматическое оповещение об ошибках или сбоях в работе тахеометра и др.
Автоматическое выполнение многократных измерений повышает точность и достоверность их результатов. Благодаря избыточным измерениям выполняется качественная обработка результатов измерений по мониторингу деформаций и оценка устойчивости сооружения.
Режим автоматического наведения на цель позволяет научить тахеометр самостоятельно найти измеряемые точки. Эта функция автоматизирует и облегчает процесс циклических (часто повторяемых) измерений, например, при организации автоматизированных наблюдений за деформациями зданий и инженерных сооружений. Данный режим позволяет тахеометр установить отсутствие (исчезновение) визирной цели и сообщить об этом исполнителю. При исчезновении цели тахеометр автоматически переходит к следующей цели, не прерывая процесс измерений. В случае невозможности восстановления визирной цели тахеометр автоматически исключает данную точку из программы измерений.
Автоматический поиск, захвата и слежения за отражателем дает возможность найти потерянных отражателей и выполнить измерения за движущимися целями в автоматическом режиме.
Работа роботизированным электронным тахеометром полностью может дистанционно управляться с помощью модуля управления – контроллера Таким образом, работа в определенных случаях может производиться одним исполнителем. Встроенная цифровая камера обеспечивает выполнение работ в условиях недостаточной видимости или в темноте без потери точности. При наличии неблагоприятных условий для выполнения измерений и получения надежных результатов электронный тахеометр «откажется от работы».
Современные роботизированные электронные тахеометры обладают большой дальностью работы дальномера: на одну призму от 3,5 до 10 км (MS60), в безотражательном режиме в диапазон от 1,0 до 2,0 км. Данный параметр имеет важное значение для организации измерений по мониторингу деформаций в условиях, когда не представляется возможным установить инструмент вблизи наблюдаемого объекта (например, при необходимости выполнить измерения на плотине с противоположенного берега реки) или закрепить визирные цели (отражатели, марки) на объекте наблюдения.
Современные автоматизированные электронные тахеометры могут решать широкий спектр геодезических задач непосредственно в поле, используя интегрированные прикладные программы таких, как модуль «Сканирование» - позволяет производить автоматическое измерение точек объекта выбранной прямоугольной области с заданным шагом (указанному расстоянию между точками); модуль «Мониторинг» - производится автоматическое измерение ранее указанных (измеренных) визирных целей с определенной заданной периодичностью и записью данных в память прибора; модуль «Траектория» - позволяет производить автоматическую запись данных во внутреннюю память прибора через указанный период времени; работа с проектами (создание, удаление, настройка); импорт, экспорт данных различных форматов (.txt; .dxf; .dwg; .xyh; .pnt; .dgn; .shp; .xml; .mgn; .csv; и т.д.); определение координат непосредственно в поле; решение задач обратной угловой и линейно-угловой засечки; измерение недоступного расстояния, превышения; измерения со смещениями; вынос в натуру (точки, линии, точки относительно базовой линии, пересечения, кривой, спирали, цифровая модель рельефа (ЦМР), точки в направление, трассы и т.д.);
Расчетный модуль COGO (интерактивная координатная геометрия) включает в себе такие функции, как: обратная геодезическая задача, точка в направление, пересечение, инженерный калькулятор, расчет угла между тремя точками; расчет координат точек хода при вводе данных вручную, преобразование координат методом разворота относительно базовой точки, преобразование координат по масштабу относительно базовой точки, плановые преобразования системы координат по соответствующим точкам и др.
В современных электронных тахеометрах имеется возможность подключения спутниковых приемников и работы в режиме геодезической станции SmartStation (раздел 1.2.1).
В 2015 году фирма Leica Geosystems, а в 2016 году фирмы Trimble выпустили высокоточные электронные тахеометры с полноценным встроенным сканером (Рисунки 21 и 22). Разработка электронных тахеометров со встроенным сканером являются новым шагом в направлении автоматизации геодезических измерений, в частности, наблюдений за деформациями зданий и инженерных сооружений.
Некоторые отличительные особенности тахеометров-сканеров: SX10 Объединение процессов выполнения геодезической съемки, съемки изображений и высокоскоростного 3D сканирования в одном приборе, применяя революционное решение Технология Trimble Lightning 3DM для высокоточных тахеометрических измерений и высокоскоростного 3D сканирования. Скорость сканирования составляет до 26 600 точек в секунду в диапазоне до 600 м. Размер пучка лазерных лучей равен всего 14 мм на 100 м. Была усовершенствована технология Trimble VISION (Ведение съемки возможно прямо поверх видеоизображения на экране контроллера. Благодаря встроенной камере данные измерений можно наложить на реальное изображение местности, что позволит проверить качество и полноту выполненной съемки, не покидая объект), позволяющая быстро и легко получать снимки объекта с высоким разрешением. Реализована полная интеграция с технологическими процессами программного обеспечения Trimble Access и Trimble Business Center.
MS60 Благодаря новой оптико-электронной системе измерения расстояний на основе WFD-технологии (Wave Form Digitizer – объединяет в себе фазовый и импульсный методы измерений путем дискретизации сигналов), быстрым и высокоточным пьезоприводам инструмента и высокопроизводительному процессору (1 GHz) Leica MS60 совмещает в себе функционал роботизированного тахеометра с возможностью 3D сканирования объектов со скоростью до 1000 точек в секунду. Преимущества WFD - технологии это более быстрое измерение расстояний, малый размер лазерного пятна и высокая точность измерений на больших расстояниях. Полученное в процессе сканирования облако точек может быть объединено с традиционными геодезическими данными, фотографиями и 3D моделями. Расширенный функционал полевого программного обеспечения Leica Captivate позволяет специалисту работать с геопространственными данными непосредственно в поле на борту тахеометра.
Применение высокоточных инклинометров в целях определения наклона (крена) зданий и сооружений
Крен один из важнейших видов деформаций сооружения, определяющий его устойчивость и эксплуатационную надежность, особенно для высоких башенных сооружений (высотные здания, промышленные дымовые трубы, ректификационные колонны, водонапорные башни, градирни, телевизионные башни, опоры ЛЭП и др.). Крен - это отклонение фактического положения сооружения от проектного вертикального. Причинами крена могут являться неравномерные осадки основания (фундамента) сооружения, а также изгибы и наклоны в верхней части сооружения вследствие неравномерного солнечного нагрева и ветровой нагрузки.
Термин «крен» означает поворот объекта относительно продольной оси. Так как ось объекта может быть горизонтальна, вертикальна или наклонна, то и понятие крена ограничивается не только понятием вертикальности. Для высотных зданий и сооружений продольная ось должна совпадать с вертикалью, поэтому крен означает отклонение от вертикали. Крен сооружения может быть выражен в линейной, угловой и относительной мере.
Под линейной величиной абсолютного крена объекта понимается отрезок между проекциями центра подошвы фундамента и положения центра верхнего сечения сооружения на координатную (горизонтальную) плоскость.
Абсолютный крен в угловой мере определяется острым углом между отвесной линией в центре подошвы фундамента и положением оси сооружения.
Относительным креном называют отношение абсолютного крена сооружения к высоте сооружения.
Средняя квадратическая относительная погрешность определения крена m = тд/Н, где тд- средняя квадратическая погрешность определения крена в линейной мере, Н - высота сооружения.
Средняя квадратическая погрешность (СКП) определения крена в линейной мере тд вычисляется по формуле тд=тх + Шу, где т х - СКП определения кроена вдоль оси х, m у - СКП определения крена вдоль оси у в принятой на объекте системе прямоугольных координат.
СКП определения крена в угловой мере ту вычисляется по формуле: ту= (тд/Н) ф, где ф - число секунд в одном радиане (206265"). Например, для высотных зданий высоты 150 м my= 0.001Н ф [65].
Таким образом, ту= ф/1000 = 206,3" = 3,4 .
Основным требованием к геометрии конструкции высотных и башенных сооружений является обеспечение вертикальности, как параметра, определяющего прочностные свойства сооружения. Основная геометрическая характеристика — отклонение оси от вертикали или крен устанавливается нормативными документами [2 – 4] в виде предельных допустимых величин: а) для стен сооружений, возводимых в скользящей опалубке 100 мм; б) для стен при наличии промежуточных перекрытий 50 мм. Полагая, что средняя квадратическая погрешность m связана с величиной крена соотношением m = 0,2, получим для варианта а) m = 20 мм, и для варианта б) m = 10 мм. Таким образом, в угловой мере контроль вертикальности оси высотного сооружения высотой 400 м следует вести со средней квадратической погрешностью для варианта а) m = 10,4" и для варианта б) m = 5,2" [65].
В разделе 3.3.3. и главе 4 ниже исследуется возможность автоматизированного контроля стабильности вертикального положения сооружений и конструкций с использованием высокоточных роботизированных электронных тахеометров и высокоточных цифровых инклинометров.
Существующие традиционные методы и средства геодезических работ при возведении и контроле геометрических параметров высотных сооружений широко известны и обобщены в технической литературе [6, 46].
Особое значение имеет задача мониторинга наклона высотных зданий и сооружений. Средняя квадратическая относительная погрешность определения кренов высотных зданий и сооружений не должна превышать при высоте зданий: до 150 м (включительно) - 1/500; свыше 150 м - 1/1000 [38].
Несколько инклинометров, объеденных в измерительную сеть, дополненную другим оборудованием, устанавливаются на плиту фундамента и элементы конструкции в районе ядра жесткости. Инклинометры, установленные на фундамент, регистрируют любые, самые незначительные деформации фундаментной плиты, а инклинометры ядра жесткости — наклоны основной оси здания как во время строительства, так и в период эксплуатации.
Программное обеспечение для мониторинга, осуществляющее опрос инклинометров, геодезического и геотехнического оборудования, обеспечивает непрерывность наблюдений, а также сбор, анализ и сравнение значений измеренных величин с расчетными (проектными). Различия в величинах наклона элементов конструкции свидетельствуют о развитии локальных процессов деформации высотного здания.
Наглядным примером успешного применения высокоточных цифровых инклинометров является строительство самого высокого здания в мире – Бурж Халифа (г. Дубай, ОАЭ).
Бурдж-Халифа — небоскрёб высотой 828 метров, самое высокое сооружение в мире. Форма здания напоминает сталагмит. С целью контроля пространственного положения конструкций здания были смонтированы 8 двухосевых цифровых инклинометров NIVEL220 на высотах -15 м, +72 м, + 152 м, + 261 м, + 385 м и т. д. (Рисунок 51) железобетонной конструкции башни на кронштейнах, прикрепленных на стенах ядра жесткости центральной части башни (Рисунок 52). Инклинометры были объединены проводной сетью, управляемой компьютером, и выдавали данные наклона в реальном режиме времени через последовательный порт с частотой 1 Гц. Специализированное программное обеспечение избирательно опрашивало датчики по заданной программе. Зная высоты установки датчиков и измеряя наклон, определилось среднее отклонение верха здания от вертикали в каждый период времени. Пример показаний двух инклинометров Nivel (ID1 и ID2) в течение двух минут показан на Рисунке 53. На ординате Y отображен углы наклона инклинометров по оси Y в мрад.
Инклинометры NIVEL220 позволяют измерять наклон по двум взаимно перпендикуля р ны м на пр авления м с точ но стью до 1" (0,5 мм на 100 м) и могут передавать информацию о величине наклона в цифровом виде через последовательный порт (RS232 или RS245) в режиме реального времени с частотой 1 Гц (одно измерение в секунду). Инклинометры были объединены в единую локальную измерительную сеть с помощью кабеля, которая подключилась к управляющему компьютеру. Программа Leica GNSS QC, установленная на компьютере в офисе, избирательно опрашивала каждый инклинометр, сохраняла и конфигурировала данные от всех инклинометров в часовые файлы с секундным интервалом. Это позволяло по известной высоте установки инклинометров и измеренным значениям их наклона вычислять среднее отклонения башни от вертикали в каждый период времени. В любой момент времени можно было определить плановое положение верха конструкции с точностью до 10 мм. Такая точность измерений с применением цифровых инклинометров да этого не знала аналогов и была достигнута благодаря тщательной калибровки каждого инклинометра.
На основе данных, полученных от инклинометров, и измеренных с помощью спутникового оборудования координат проводилась коррекция положения каждого элемента опалубки в соответствии с проектными значениями на краткосрочный период. Другими словами, определялись координаты положения конструкций, которые будут соответствовать положению башни после прекращения внешних воздействий. Предполагалось, что конструкция вернется в такое положение после изменения воздействия внешних факторов и примет нормаль, в котором она находилась с начала проведения строительных работ, т.е. практически, на «нулевом уровне», когда еще не проявились релевантные смещения или колебания конструкции. Данное предположение было проверено традиционным геодезическим методом — измерения методом обратной геодезической засечки на контрольную точку. Полученные при проверке положительные результаты стали важным этапом, поскольку они не только подтвердили качественно новый метод геодезического контроля возведения столь сложного сооружения, но, главное, вселили уверенность в правильности разработанной технологии [69].
Метод пространственного контроля возведения высотного здания Бурдж Халифа высотой 828 м с использованием инклинометров Leica серии NIVEL 200, спутниковых геодезических ГЛОНАСС/GPS приемников Leica GX1230 с антеннами AX1202 и электронных тахеометров подробно описан в одной из статей журнала «Геопрофи» [9].
Определение планово-высотных смещений шлюзовых камер в периоды шлюзований роботизированным тахеометром и цифровыми инклинометрами
Плановое положение стенок шлюзов друг относительно друга, как за длительный период, так и в периоды шлюзований определялось путем непосредственных измерений восьми горизонтальных проложений между парными точками на противоположных стенках секций, а также их вычислениями по определенным тахеометром координатам контрольных точек.
Для сравнения горизонтальные перемещения контрольных точек в направлении, перпендикулярном оси шлюза, определялись по данным высокоточных датчиков -инклинометров NIVEL. Два датчика-инклинометра были установлены на шлюзе №30 на противоположных стенках секции № 8.
Управление датчиками-инклинометрами выполнялось СПО GeoMoS. Вычисление горизонтальных смещений осуществляется путём пересчета угла наклона в линейную величину; по конструкции шлюзовой камеры высота стенки шлюза составляет 20 м: tg=х/20м, где - измеренный наклон в угловой мере, х – наклон в линейной мере, отсюда х = tg х 20м, принимая стенки шлюза за монолитные плиты. Вычисления смещения выполнялись каждую минуту.
В данном эксперименте были использованы два датчика-инклинометра, технические данные которых приведены в Таблице 8, с. 76). Инклинометры были закреплены на противоположных стенках секции № 8, шлюза № 30. Для получения общего изменения длины линии между двумя противоположными стенками результаты, полученные для каждого инклинометра, складывались и визуализировались СПО GeoMoS в виде графика и рассматривались как отдельный виртуальный сенсор.
Преимущества инклинометра типа NIVEL220 – полностью автоматическая работа после установки и наладки, высокая чувствительность инклинометров, прямое измерение наклонов стенок шлюза в двух плоскостях, а также низкие затраты по времени на обслуживание. Ограничение – достаточно высокая стоимость при необходимости использования большого количества инклинометров.
На графике (Рисунок 74 а-в) отражены данные по трем шлюзованиям в период 07.08.2015 с 11ч. 30 мин. до 14 ч. 20 мин. Среднее расстояние для данных контрольных точек от тахеометра составляло 46,7 метра. Возвратные деформации в плане по точке 30-81 в среднем составляли от 0.4 до 0.5 мм, по точке 30-82 в среднем от 4,2 до 4.5мм в направлении, перпендикулярном оси шлюза, в направлении вдоль оси – в среднем от 0.3 до 0.5 мм для обеих точек. По высоте видны четко зафиксированные упругие деформации величиной 2мм для обеих точек. Для наглядности на графиках показаны изменения относительно первого измерения во взятом временном интервале от 11:30 до 14:30 часов 08.07.2015 г. (Рисунок 74 а в).
На графиках (Рисунок 75а-б) показаны результаты измерений, полученные на длительный период с 8 июля по 3 августа 2015 года.
Измерения выполнялись только в рабочее время с 8 часов утра до 17 часов вечера, поэтому результаты измерений на рисунке 75а отображаются в виде групп измерений.
Выбросы данных вверх по каждой группе показывают смещения, фиксированные в момент шлюзования. На данных графиках показаны смещения относительного нулевого цикла наблюдений: белый цвет – смещение перпендикулярны оси шлюза, голубой цвет – смещения вдоль оси шлюза.
Из представленных графиков видно, что, например, величина смещений в точке 30-82 за весь период наблюдений находится в диапазоне ± 2 мм, а возвратные деформации после шлюзования не превышают 5 мм. Необходимо отметить, что наблюдения проводились днем при средней температуре воздуха +350С.
Контроль стабильности положения тахеометра на базовом пункте Во время проведения работ использовались два способа контроля стабильности положения тахеометра: 1 – периодическое переопределение координат методом обратной линейно-угловой засечки и 2 методом линейной засечки. Во время эксперимента засечка выполнялась автоматическом режиме с периодом от 40 мин до 15 минут. Координаты станции, по которым рассчитывались координаты искомых контрольных точек, принимались по результатам измерений, выполненных вручную в начале каждого рабочего дня, результаты автоматических повторных измерений использовались только для оценки работы системы (Рисунки 76 и 78).
На этих графиках: сплошная полоса – координаты станции, определенные вручную, отдельные точки – определенные в автоматическом режиме. Так же на графиках показана кривая отсчетов по датчикам-инклинометрам, позволяющая считать, что в период шлюзования можно не учитывать изменение координат тахеометра, поскольку, как выяснилось, пилон с тахеометром перемещался вместе с сооружением.
Двумерные смещения контрольных инклинометрами типа NIVEL200.
Результаты выполненных натурных испытаний полностью подтвердили целесообразность и рентабельность измерений горизонтальных смещений стенок секций шлюзов системой высокоточных датчиков наклонов - высокоточных инклинометров типа NIVEL200 (Рисунок 78)
- направление и величина кренов в продольном и поперечном направлениях в периоды шлюзования, а также вычисленные значения горизонтальных поперечных смешений по инклинометрам совпадают с данными измерений, полученных роботизированными тахеометрами в (см. Рисунок 75 и Рисунок 78) пределах ±1,0 мм, что подтверждает синергический эффект – измерения тахеометром дискретные и вычисленные по измеренным наклонам характеризуют стенки камеры как монолитные, без разломов – эта их важнейшая характеристика;
- при суточных наблюдениях влияние температуры становится существенным, поэтому при долгосрочном мониторинге следует устанавливать инклинометры в местах, защищенных от солнечного нагрева;
- датчики-инклинометры работают полностью в автоматическом режиме, имеют высокую чувствительность, могут непрерывно выдавать информацию в течение 24 часов в сутки.