Технология геодезического контроля горизонтальных смещений сооружений
Для измерения смещения сооружения способом направлений необходимо установить не менее трех опорных пунктов I, II, III (рис. 4.3.17). При этом один из них, например III, желательно расположить так, чтобы направления с него на наблюдаемые точки (1, 2, 3, 4) были примерно перпендикулярны к направлению ожидаемого смещения сооружения, а угол засечки был не менее 30°.
В первом цикле на каждом из двух-трех опорных пунктов наблюдения измеряют способом круговых приемов горизонтальные углы между направлением, принятым за начальное, и направлениями на контрольные знаки (рис. 4.3.17). Постоянство значения угла между направлениями на ориентирные пункты служит контролем измерения горизонтальных углов.
Рис. 4.3.17. Способ отдельных направлений
Для определения величины и направления смещения по способу отдельных направлений сначала вычисляют значения частных поперечных смещений 
(рис. 4.3.18) контрольного знака. Величина частного поперечного смещения знака с каждого опорного пункта определяется по расстоянию и изменению ориентирного направления между циклами измерений по формулам:
, (4.3.42)
где 
,… – разности горизонтальных углов между направлениями на контрольные знаки в пунктах I, II,…;
,… – соответствующие горизонтальные расстояния от пунктов I, II
и т. д. до контрольного знака, которые достаточно определить с точностью порядка 1 : 1000.
По составляющим смещений вычисляют величину полного смещения знака между циклами из первой пары пунктов наблюдения:
(4.3.43)
где угол засечки
.
Аналогично определяют значение полного смещения 
из второй комбинации засечки (пункты II и III).
Из двух значений 
и 
находят среднее, принимаемое за окончательное значение величины смещения между циклами:
. (4.3.44)
Точность определения составляющих (частных) смещений из первой комбинации в каждом цикле оценивают по формулам:
, (4.3.45)
где 
– средняя квадратическая погрешность (СКП) измерения горизонтальных углов.
По таким же формулам определяют СКП частных поперечных смещений из второй комбинации. Точность определения полного смещения из каждой комбинации можно оценить по формулам:
(4.3.46)
Затем определяют СКП среднего значения полного смещения в i-м цикле:
. (4.3.47)
В каждом цикле измерений должна контролироваться устойчивость опорных знаков. Для этой цели используют обратные засечки, трилатерацию и т. д. Во всех циклах ориентирные направления должны быть одни и те же. Смещения сооружения определяются только с устойчивых пунктов. Если стабильность положения опорного пункта, расположенного на продолжении оси сооружения, не вызывает сомнения, то величина смещения может быть получена именно с этого пункта, два других будут служить для контроля. Основной недостаток способа – низкая точность измерений смещений при значительных расстояниях, что требует большого числа приемов измерения углов. При большом числе контролируемых знаков и расстояниях более 500 м способ направлений считается нерентабельным.
Способ угловых засечек [176, 188, 228 и др.] используется при контроле смещений сооружений гидроузлов в случаях «недоступных расстояний» при небольших линиях визирования. Прямую засечку применяют при определении смещений оползней, точек низовой грани плотины. Наилучшее применение она нашла при контроле вертикальных и горизонтальных смещений контрольных знаков тонкостенных арочных плотин небольшой и средней высоты. Обратная засечка используется при контроле земляных плотин.
Способ основан на измерении линий и углов, т. е. является разновидностью триангуляционного способа, и определении координат отдельных контрольных знаков на сооружении с ближайших опорных пунктов I, II, III (рис. 4.3.19),
а также привязки последних к более отдаленным неподвижным пунктам.
На рисунке все опорные пункты и контрольные знаки образуют специальную тригонометрическую сеть с малыми длинами сторон, в которой с большой точностью измеряются углы, решаются треугольники и вычисляются координаты пунктов. Горизонтальные смещения (величина и направление) определяются по разности координат двух циклов аналитическим путем. Предельные длины линий визирования должны находиться в зависимости от требуемой точности определения смещений и погрешности измерения направлений.
Способ створных засечек (малых углов) применяется для контроля смещений отдельных характерных контрольных знаков на гребне арочных плотин, а также для контроля смещений опорных пунктов створа при размещении их в зоне возможных деформаций грунта.
На ряде плотин прямолинейной формы определение смещений производят совместным методом триангуляции и створа. Триангуляцией определяют смещения опорных пунктов, створными методами – смещения контрольных пунктов относительно опорных. Триангуляционные измерения занимают много времени.
В работе [89] предлагается определять смещения опорных пунктов створа методом измерения малых углов с исходных пунктов, заложенных в створе
с опорным. При этом возникают два случая:
1. Опорный пункт створа А (рис. 4.3.20) расположен по одну сторону от исходных пунктов В, С, Е и Р.
2. Опорный пункт створа А расположен между исходными пунктами В, С, Е и Р (рис. 4.3.21).
В первом случае по измеренным малым углам первого цикла наблюдений 
(рис. 4.3.20) находят величины нестворностей пунктов E и F относительно створов АВ и АС по формулам:
 |
где 
– расстояния между соответствующими пунктами;
=
.
По измеренным малым углам второго цикла измерений 
находят аналогично величины нестворностей 
и 
.
 |
Рис. 4.3.20. Схема измерения смещения опорного пункта створа «А»
способом малых углов (расположение по одну сторону
от исходных пунктов)
Рис 4.3.21. Схема измерения смещений опорного пункта «A»
способом малых углов (расположение между
исходными пунктами)
 |
Составляющие 
величины смещения e определяют из подобных треугольников по формулам:
Во втором случае составляющие 
(рис. 4.3.21) величины смещения e определяют как разность нестворностей второго и первого циклов по формулам:
 |
где 
– расстояния между соответствующими пунктами;
– измеренные малые углы первого цикла;
– измеренные малые углы второго цикла.
При наблюдениях данным способом могут возникнуть три частных случая.
Первый частный случай. Малые углы 
измеряют только с опорного пункта на исходные пункты, расположенные по одну сторону от опорного (рис. 4.3.20) ВЕ >АЕ, FC >AF.
Составляющие определяют в этом случае из формул:
 |
Второй частный случай. Малые углы 
измеряют только с удаленных исходных пунктов АЕ >ВЕ, АF >FС (рис. 4.3.20). В этом случае определяют по формулам:
Третий частный случай. Малые углы измеряют с ближних исходных пунктов Е и F на опорный пункт створа, расположенный между исходными пунктами (рис. 4.3.21) АЕ >АВ, АF >АС.
Составляющие 
находят из формул:
 |
Определение величин смешений можно проводить также в иной комбинации в зависимости от расположения опорных и исходных пунктов [89].
Величину смешения e и угол 
, образованный этой величиной с осью X (рис. 4.3.22), а также величины смещения по осям координат Х и Y можно определить графически или аналитически. При графическом определении величин смещений на листе бумаги по измеренным углам 
прочерчивают направления с точки А, расположенной в начале координат, на исходные пункты В и С. Линейные величины 
и т. д., вычисленные в миллиметрах, изображают в виде векторов, откладываемых в натуральном или увеличенном масштабе. Величина е определяется по правилу перпендикуляров от векторов . Перпендикуляры либо пересекутся в одной точке А’, либо образуют фигуру погрешностей (при числе створов больше двух), в центре тяжести которой намечают точку А’. Вектор 
будет графически выражать полную величину и направление смещения. По е и находят смещения по осям координат X и Y.
Рис. 4.3.22. Схема определения величин смещений
При аналитическом методе по 
… и углам 
… величины 
определяют по формулам:
.
Средние квадратические погрешности определения величин смещения по осям координат находят по формулам:
Второй случай
.
Первый частный случай
Второй частный случай
Третий частный случай
; (4.3.60)
m – средняя квадратическая погрешность измерения малого угла.
Из формул (4.3.55) – (4.3.60) видно, что средние квадратические погрешности смещений зависят от углов 
и могут меняться в широких пределах. Наибольшая точность величин смещений получается при расположении створов по осям координат.
Экспериментальные и производственные работы по определению величин смещений опорных пунктов створа методом измерения малых углов, проведенные автором на Уч-Курганской ГЭС, показали, что при одинаковой точности определения величин смещений, сроки работ, по сравнению с методом триангуляции, предназначенной для этих же целей, сокращаются в 5 – 6 раз.
Наилучшие результаты метод измерения малых углов для определения смещений опорных пунктов створа дает в сочетании с методом триангуляции при работах по изучению деформаций плотин в зависимости от изменения гидростатической нагрузки. В этом случае метод малых углов позволяет проводить замеры с необходимой частотой и высокой точностью, а также получать величины смещений в короткие сроки. Определение смещений исходных створных пунктов осуществляется и методом триангуляции. Такие наблюдения проводятся через более длительные сроки.
Способ триангуляции. При возведении гидротехнических сооружений на сжимаемых основаниях практически не представляется возможным установить в натуре неподвижные опорные пункты створа. В этих случаях для контроля горизонтальных перемещений сооружений по первой схеме контроля (от наружных пунктов) применяется комбинированный способ, представляющий собой комбинирование способа створных измерений с гидротехнической триангуляцией, трилатерацией или линейно-угловыми сетями.
До широкого внедрения в практику геодезических работ обратных отвесов и точных светодальномерных измерений, триангуляция являлась практически единственным оптимальным способом определения смещений опорных пунктов створа, развала бортов водохранилищ и других исследований, о чем свидетельствуют многочисленные материалы международных конгрессов по большим плотинам и материалы наблюдений деформаций на большинстве советских гидроузлах, построенных в х годах. И, несмотря на свои недостатки (существенная зависимость точности от длин сторон и боковой рефракции), до сих пор используется на некоторых из них как в силу приспособленности геодезической аппаратуры и преемственности результатов предыдущих измерений, так и в силу экономических факторов. Необходимо заметить, что триангуляция, по сравнению с трилатерацией, по точности может конкурировать только при небольших линиях визирования, что встречается на гравитационных плотинах высотой до 50 м, построенных в пересеченной или горной местности, где воронка оседания грунта небольшая, а следовательно, удаление исходных пунктов для контроля смещений незначительное. До сих пор триангуляция в сочетании с угловыми засечками применяется при контроле смещений наружных знаков и на арочных плотинах.
Типовая схема триангуляции для контроля неподвижности опорных пунктов створа приведена на рис. 4.3.1. По этой схеме смещения опорных пунктов створа Т2 и Т28, расположенных на самих сооружениях, производятся от исходных пунктов, расположенных на коренных берегах.
Проект триангуляционной сети гидроузла составляют по карте крупного масштаба. При этом геометрическое построение сети должно удовлетворять требованиям триангуляции I класса (углы треугольников должны быть не менее 40°, в геодезических четырехугольниках и системах – не менее 30°). При проектировании следует стремиться к тому, чтобы избежать линий с большими углами наклона, что усложняет работы и может привести к снижению точности.
После составления проекта сети выполняют расчет, цель которого – определить необходимую точность измерения углов на пунктах. Точность измерения базиса в сети триангуляции предварительно не рассчитывают, так как она обусловлена применяемыми приборами или оборудованием (светодальномер, БП-2).
Расчет точности угловых измерений может быть выполнен двумя способами: по традиционным формулам предрасчета точности триангуляционных сетей (этот способ в настоящее время утратил свое значение) или с помощью современных программ уравнивания линейно-угловых сетей на компьютере.
Используя применяющиеся на практике программы уравнивания сетей на компьютере, можно также предварительно вычислить точность измерения углов в сети триангуляции. Так, при уравнивании параметрическим способом с помощью матрицы весовых коэффициентов определяют погрешности координат пунктов, а также длин сторон сети. Заложив в программу необходимые для предрасчета точности данные (с этой целью по карте или схеме надо определить примерные координаты пунктов) и приняв погрешность измерения угла на пункте, например 
, получают с помощью компьютера погрешности положения определяемых пунктов. Взяв из них наибольшую, вычисляют заданную погрешность измерения углов на пунктах сети по формуле
, (4.3.61)
где М – заданная погрешность смещения опорного пункта створа, назначенная с учетом погрешности определения смещения сооружения;
– погрешность смещения пункта, полученная из расчета на компьютере при 
.
Предрасчету точности с помощью компьютера следует отдать предпочтение, так как этот способ позволяет достаточно быстро определить не только необходимую точность измерений, но и оценить различные схемы построения сетей.
По выбирают оборудование для угловых измерений и находят число приемов измерения угла на пункте.
Производство высокоточных триангуляционных работ достаточно хорошо освещено в нормативной и технической литературе [123, 134, 131, 149, 176, 188, 224, 2и др.]. Следует однако учитывать и специфику триангуляционных работ на гидроузлах, а именно:
— сравнительно короткие по сравнению с государственными сетями длины сторон, что предъявляет особые требования к центрирующим устройствам приборов и приспособлений;
— значительные углы наклона линий, что вынуждает вводить поправки за наклон прибора;
— повышенное влияние внешних воздействий на процесс измерений (рефракции и конвекции воздуха на границах земляной и водной сред, вибрационное воздействие от работы оборудования и водных потоков, влияние изменений положения опорных знаков створа, расположенных на самих сооружениях вследствие действия на них силовых и температурных воздействий), что вынуждает тщательно подбирать время для измерений и проводить работы в сжатые сроки и в одно и то же время года;
— многократные циклы измерений по одной и той же схеме, что, с целью устранения ряда погрешностей измерений, заставляет использовать постоянно одни и те же приборы и приспособления.
Обработку измерений разных циклов рекомендуется проводить также по одинаковой методике, благодаря чему исключаются некоторые систематические погрешности измерений и уравнивания, повторяющиеся от цикла к циклу, и сокращается объём уравнительных вычислений (при постоянстве схемы сети) во втором и последующих циклах.
Гидротехнические триангуляции для измерения горизонтальных смещений обычно строятся в виде локальных сетей, состоящих из треугольников и четырехугольников; в них измеряются один или несколько базисов с высокой степенью точности (1 : 800 000 – 1 : 1 000 000). Измерение коротких базисов (100 – 200 м) с высокой точностью вынуждает располагать их на местности, пригодной для высокоточных базисных измерений, увеличивает число пунктов триангуляции, стоимость и сроки проведения работ. Местные условия не всегда позволяют найти место для измерения базиса большой длины, что сказывается на величине противолежащего ему угла, а в итоге ухудшается геометрическая связь фигур. Эти факторы существенно влияют на выбор этого способа измерений.
В связи с тем, что перемещения и деформации гидротехнических сооружений, а также опорных пунктов створа небольшие по величине по сравнению с линиями; в специальной триангуляции имеется возможность производить определения смещений опорных пунктов из триангуляции, в которой базис измеряется с точностью порядка 1 : 1 000 – 1 : 2 000 и принимается за постоянную величину для всех циклов измерений. Такая особенность триангуляционных построений, разработанная и использованная автором на Иркутской, Усть-Камено-горской и Уч-Курганской ГЭС [88, 91, 92, 93, 104], является специфической особенностью измерений деформаций. Действительно, исходя из рис. 4.3.23,
на котором:
А и В – неподвижные исходные пункты;
С – опорный пункт створа, изменяющий свое положение во времени;
– величина смещения пункта С;
– погрешность измерения базиса;
– погрешность смещения,
. (4.3.62)
Если принять
Источник
