Погрешности натурных наблюдений геодезическими методами (индивидуальный вопрос).

 

1. Цели, задачи, состав натурных наблюдений

 

Натурные наблюдения, выполняемые геодезическими методами, имеют целью:

1. Осуществление строительного контроля технологического процесса цементационных работ.

2. Осуществление эксплуатационного контроля надежности и устойчивости плотины, как в целом, так и отдельных ее частей. Наблюдения за осадками позволят выявить монотонность изменения свойств основания во времени и по всей площади основания гидросооружений, судить о монолитности тела плотины вдоль и поперек потока, судить о состоянии сооружения, сравнивая фактические величины осадок с критериальными и т.д. Наблюдения за горизонтальными смещениями, помимо названного, помогут определить прогибы арки и т.д.

3. Исследование и изучение отдельных специальных вопросов. Например, наблюдения за «воронкой оседания», т.е. определение ее границ в районе гидроузла, позволят правильно решить вопрос о размещении фундаментальных пунктов опорной сети, помогут решить вопрос о размерах зоны основания, которая должна включаться в работу при проведении крупномасштабных модельных исследований и проведении расчетов методом конечных элементов. Кроме того, «воронка оседания» позволяет решить вопрос о правильном учете веса водохранилища на напряженное состояние плотины и основания.

Наблюдения за осадками позволят определить величину разуплотнения основания после снятия скалы; величину активной зоны под сооружением; проверить достоверность показаний, полученных с помощью различной аппаратуры; проверить проектные предпосылки.

Натурные наблюдения делятся на:

1. Высотные наблюдения.

2. Плановые наблюдения.

3. Телеметрию.

Задачами высотных наблюдений являются:

а) определение осадок основания плотины, состоящих из разуплотнения дна котлована и сжатия скалы под воздействием внешних сил на различных этапах строительства и эксплуатации сооружений;

б) определение осадок тела плотины;

в) определение осадок бортов каньона для выявления границ «воронки оседания» в верхнем и нижнем бьефах, т.е. в районе гидроузла.

Задачами плановых наблюдений являются:

а) определение смещений плотины вследствие горизонтальных деформаций основания от гидростатического давления;

б) определение возможных смещений плотины по контактам «скала-бетон», «скала-скала»;

в) определение характера и величины горизонтальных деформаций тела плотины на различных горизонтах под воздействием внешних сил.

Задачами наблюдений за деформациями строительных межсекционных и межстолбчатых швов являются:

а) определение подвижек секций и столбов относительно друг друга;

б) определение раскрытия швов.

 

2. Контрольно-измерительная аппаратура в плотине и основании

Наблюдения за смещениями плотины Саяно-Шушенской ГЭС производятся с помощью геодезической контрольно-измерительной аппаратуры, закладываемой в тело плотины и ее основание.

Количество КИА и размещение ее в плотине запроектировано исходя из следующих соображений:

а) данные наблюдений должны с наибольшей полнотой характеризовать осадки, плановые смещения, наклоны сооружения и т.д.;

б) должна быть обеспечена возможность проведения регулярных

наблюдений в течение строительного и эксплуатационного периодов;

в) устанавливаемая контрольно-измерительная аппаратура должна быть легко доступна для замеров.

Для наблюдения за разуплотнением дна котлована в основание опытных секций станционной части плотины № 18 и 33 запроектированы глубинные марки (ГМ), по 4 марки на секцию. Марки равномерно размещаются вдоль секции, по одной в каждом столбе.

Для определения активной зоны основания в секциях № 18, 33, 45 закладываются кусты сдвигомеров горизонтальных смещений (СГС) с заглублением якорей на 1; 20; 40 и 60 м ниже подошвы сооружения. В этих секциях со стороны верховой и низовой граней плотины на ту же глубину устанавливаются кусты глубинных реперов (КГР). Оголовки СГС выводятся на уровень отметки галереи № 3 в специальные помещения, а КГР в специальные помещения на уровень отметки галереи № 2.

Наблюдения за осадкой скального основания ведутся по гидростатическому нивелиру (ГН), устанавливаемому в галерее №1. В галереях и штольнях марки (ГК) устанавливайся со стороны верховой грани на высоте 1,4 м от пола. Для определения абсолютных отметок марок ГН, на крайние марки передаются отметки от реперов опорной сети.

Наблюдения за горизонтальными смещениями плотины, ее основания и бортов намечено производить струнной системой по методу «вытянутых треугольников», створным методом, обратными отвесами типа СГС и по прямым отвесам. Струнная система «вытянутых треугольников», запроектирована в галерее № 3 на отм. 342,5, охватывающей 37 секций и переходящей в бортовые штольни. Концы системы закрепляются опорными пунктами, устанавливаемыми в забоях бортовых штолен и принятых за неподвижные, ввиду их значительной удаленности от врезок плотины. Контрольные знаки закладываются на верховой грани галереи. В опытных секциях 45, 39, 32, 25, 18 система «вытянутых треугольников» контролируется сдвигомерами СГС.

В галереях № 7 и 10 смещения плотины определяется тошно в опытных секциях по прямым отвесам № 1-14 и СГС-5 (секция 9), СГС-6 (секция 56).

Оголовки обратных отвесов с отсчетными устройствами выведены в специальные помещения, размещаемые для: СГС № 7-11 на отм. 342,5 дли СГС 5, 6 на отм. 419,0.

По гребню плотины оборудуется два створа для определения смещений плотины в секции 32 (ключевой) и в секциях 17 и 45 (четвертных).

В указанных секциях установлены плановые знаки. Створы закреплены опорными пунктами, установленными на берегах.

Смещения пят арок на измерительных горизонтах отм. 419,0 и 491,0 наблюдаются створным методом и методом линейных измерений.

В бортовых штольнях закладываются контрольные плановые марки и опорные пункты, закрепляющие концы створа. Контрольные марки в штольнях устанавливаются на расстоянии 24 м и 48 м от опорного пункта и, примерно, на расстоянии 1 м по обе стороны контакта «скала - бетон».

Для определения деформации скалы перпендикулярно потоку в бортовых штольнях закладываются настенные марки через 3 метра, между которыми выполняются линейные замеры с помощью специального жезла,

Наблюдения за наклоном плотины производятся по гидростатическим нивелирам и прямым отвесам. В радиальных галереях запроектированы гидростатические нивелиры, по которым определяется наклон плотины на разных горизонтах вдоль потока.

Марки гидростатического нивелира закладываются в стене галереи в 0,15 м по обе стороны межстолбчатого шва на высоте 1,4 м от пола.

В бортовых штольнях и примыкающих к ним секциях запроектированы гидростатические нивелиры для наблюдения за наклоном бортов плотины поперек потока.

Кроме того, наклоны плотины определяются по прямым отвесам № 1-14, устанавливаемым в опытных секциях. Прямые отвесы устанавливаются в два яруса. Первый ярус отвесов крепится на отм. 443,0, второй ярус - на гребне плотины.

Наблюдения за вертикальными перемещениями плотины и воронки оседания в нижнем бьефе выполняются способом геометрического нивелирования по методике гидротехнического нивелирования I разряда. Для измерений применяется нивелир NAK 2 (заводской номер №352038) и пара компарированных инварных реек. Перемещения определяются относительно наиболее удаленных (на расстоянии 3,5-4 км) скальных реперов Рп 6027 и Рп 6177. Всего в системе участвуют четыре куста фундаментальных реперов, 36 рабочих реперов и 24 поверхностных марок на гребне плотины. В связи с началом строительства берегового водосброса попали в зону строительства и были уничтожены семь скальных реперов (Рп6073, Рп6139, Рп6138, Рп6137, Рп6026, Рп6074, Рп6075) и один грунтовый (Рп6071). Таким образом, нивелирная тропа правого берега в нижнем бьефе на протяжении 2,5 км практически уничтожена и в настоящее время восстановлению не подлежит до окончания земельно-скальных работ. Нивелирование производится на действующей строительной площадке. Это крайне затрудняет производство работ и значительно увеличивает время выполнения нивелировки. В период интенсивного набора водохранилища идет интенсивный процесс осадок плотины и прилегающей территории. За промежуток времени с середины мая до конца июня наблюдаются осадки (4-5 мм). При увеличении длительности производства цикла нивелировки точность результатов существенно искажается из-за динамической ошибки, обусловленной ростом осадок. Поэтому для производства нивелирования необходимо выбирать время с наименьшей скоростью наполнения и возможностью совмещенных работ на строительной площадке. Ориентировочно это сентябрь-октябрь.

Наблюдения за вертикальными перемещениями секций плотины ведутся по четырем продольным гидронивелирам, связанным между собой в единую систему пятью элеваторами высот. В весенне-летний период двери продольных галерей на отметках 344 и 413 м используются как транспортные и остаются открытыми. Это создает сильные сквозняки, вызывающие перепады давления в продольных галереях, что снижает точность измерений. В целом состояние системы рабочее и стабильное.

Наблюдения за наклонами горизонтальных сечений плотины осуществляется по поперечным гидронивелирам, расположенным в поперечных галереях контрольных секций с отметки 310 по 413 м.

В наблюдениях за плановыми перемещениями гребня плотины и берегов используются 8 пунктов гидротехнической спецтриангуляции (каркасной сети) и 17 плановых знаков. После ремонта фундаментов пунктов каркасной сети, выполненного в 2005 году, их состояние оценивается как устойчивое и стабильное.

Для наблюдения за плановыми перемещениями плотины и берегов используются высокоточные тахеометр TC 2003 и дальномерная насадка DI 2002. Они проходят ежегодную метрологическую аттестацию на эталонированном базисев начале сезона измерений. О каких-либо изменениях, произошедших с масштабностью приборов и их точностных параметров мы сможем узнать только через год после прохождения очередной метрологической аттестации. Необходимо оборудовать рабочий базис вблизи п. Черемушки, где можно было бы выполнять оперативную проверку приборов в межповерочный интервал, что в свою очередь позволило бы решить от многие проблемы, связанные с точностью измерений.

Радиальные и тангенциальные перемещения различных горизонтов плотины получают из наблюдений по прямым и обратным отвесам механического типа. Всего в системе плотины участвуют 12 прямых отвесов и 3 куста обратных отвесов. Отклонения горизонтов плотины определяется путем измерения от геометрического центра столика координатомера до струны отвеса по направлению оси секции и поперек неё. Измерения выполняются оптическими координатомерами системы Ленгидропроекта (ОКЛ). В системе отвесов по секции 33, начиная с 1987 по 1990 год, была установлена, а в 2000 году принята в эксплуатацию автоматизированная система измерений, оснащенная датчиками индукционного типа "ПИДС" (преобразователь индукционный двухкоординатный струнный). Датчики не имеют приспособлений для однозначной фиксации на месте при повторной установке, что исключает возможность снятия их для метрологической аттестации. Проверка правильности работы системы производится путем сравнения с результатами ручных измерений, выполненных аттестованными оптическими координатомерами, которые выполняются раз в 7-14 дней. Данные, полученные по опросу автоматизированной системы, дают оперативную оценку состояния ГТС.

 

3. Контрольно-измерительная аппаратура, приспособления и

инструменты

 

Для выполнения намеченного комплекса натурных наблюдений за перемещениями плотины Саяно-Шушенской ГЭС геодезическими методами, в сооружениях и в основании закладывается соответствующая контрольно-измерительная аппаратура.

Ниже приводятся краткие сведения об основных типах КИА.

Куст глубинных реперов (КГР). Предназначается для определения величины послойной осадки скального основания. Куст состоит из 4-х глубинных скальных реперов, закладываемых на различные глубины в 4-е отдельные скважины, расположенные на окружности диаметром не более I м. Скважины изолируются обсадными трубами. Якори реперов закладываются ниже обсадных труб, а рабочие головки выводятся в специальные помещения, расположенные в теле плотины на измерительных горизонтах, доступные для геометрического нивелирования. Стержень репера на всем протяжении изолируется от обсадной и защитной труб.

Высотный элеватор (ВЭ) предназначается для высотной передачи отметок с одного горизонта на другой. ВЭ размещается в защитных трубах прямых отвесов, состоит из нескольких проволок с различными коэффициентами линейного расширения, находящихся под постоянным натяжением. На горизонтах наблюдений к проволокам крепятся специальные штриховые реечки с оцифровкой аналогичной инварным нивелирным рейкам. Верхний конец каждой проволоки крепится с помощью ниппеля к специальной поверхностной марке, доступной для геометрического нивелирования с помощью обычной инварной рейки.

Стационарный гидростатический нивелир (ГН) представляет собой систему труб диаметром 100-130 мм, заглушенную с обоих концов и горизонтально укрепленную на стене галереи (штольни). Трубы заполняются жидкостью до половины диаметра. Над трубами, в наблюдаемых местах, в бетон сооружения закладываются специальные боковые осадочные марки, имеющие отверстия для установки в них переносного микроизмерителя во время замеров.

Сдвигомер горизонтальных смещений (СГС). Основными частями СГС являются:

- колонна труб с заглушённым низшим торцом, устанавливаемая вертикально в защуренную скважину, с бетонированием затрубного пространства;

- проволока из нержавеющей стали;

- якорь;

- оголовок отвеса (ванна для жидкости; поплавок натягивающий проволоку, шток с приспособлением для крепления проволоки);

- кронштейн с фиксированными точками для установки на него отсчетного устройства или столик координатомера.

Куст СГС предназначен для наблюдения за послойными горизонтальными смещениями основания относительно наиболее заглубленного отвеса. Куст состоит из 4-х отдельных обратных отвесов типа СГС, установленных в одну скважину большого диаметра (D=1050-1200 мм) с якорями заложенными на различной глубине. Оголовки всех 4-х отвесов выводятся в одно помещение, где измерения производятся одним измерительным прибором, последовательно, по каждой ните отвеса.

Прямой отвес (ПО) предназначается для наблюдения за горизонтальными смещениями плотины вдоль и поперек потока.

Обратный отвес (ОО) предназначен для наблюдений за горизонтальными перемещения плотины относительно якоря, заложенного в глубине скального основания. В совокупности с другими обратными отвесами, расположенными в той же секции, но с якорями разной глубины, можно измерять послойный сдвиг скального основания.

Лазер-зенитный центрир (ОКГ) предназначается для наблюдения за наклоном плотины вдоль и поперек потока. Прибор работает на основе оптико-квантового генератора.

Измеритель горизонтальных смешений вытянутыми треугольниками (ИГС-ВТ) предназначен для измерения горизонтальных смещений точек плотины и скальных врезок в продольной галерее плотины и береговых штольнях относительно опорных точек в забоях береговых штолен.

Устройство состоит из двойной системы натянутых струн, помещенных в защитные трубы. Струны образуют сеть из взаимно пересекающихся вытянутых треугольников, в которой основаниями служат сами струны, а вершинами марки их крепящие. Длина струн, примерно 100 м, а расстояния между вершинами 50 м. Марки крепления струн располагаются на жестких балках заделанных в бетон на высоте 2 м от пола галереи и ориентированных по направлениям радиальных осей секций.

Кроме того, на балках монтируются гнезда для подвески штатива оптического прибора и приспособления для фиксаций измерительного жезла.

В комплект ИГС-ВТ входят так же стенные марки со сферическими головками, устанавливаемые на верховой грани галереи на высоте 1,2 м от пола и на расстоянии 3 м (+ 2 мм) друг от друга.

Опорный пункт (ОП) служит для закрепления опорных точек створа. Конструкция пункта трубчатая. Верхняя часть знака оформляется постоянным гнездовым центром для центрирования теодолита, алиниометра и визирной цели.

Опорные пункты, устанавливаемые на берегу защищены от влияния температуры бетонным коробом с теплоизоляционной прокладкой. Для защиты от повреждений они обносятся оградой. Опорные пункты в штольнях теплозащиты не имеют.

Плановый знак (ПЗ) служит контрольным пунктам створа. Его конструкция аналогична опорному пункту, несколько ниже по высоте (110 см) устанавливается на гребне плотины. В том случае, когда наблюдаемая точка створа попадает на проезжую часть автодороги, вместо трубчатых плановых знаков закладываются плановые знаки заподлицо - защищаются люками типа канализационных.

Щелемерная марка (ЩМ) служит для наблюдения за деформациями межстолбчатых швов и межсекционных. Она имеет сферическую головку с отверстием в центре (или с боку) и одновременно может заменить боковую высотную марку. Щелемерные марки устанавливаются по обе стороны шва с заделкой анкера марки в бетон.

Щелемер трехосный, настенный, универсальный (ЩТНУ-1) является пространственным щелемером, служит для определения деформации строительных швов по трем осям. ЩТНУ-I состоит из двух стержней, каждый стержень несет на себе две марки из нержавеющей стали, ЩТНУ-I устанавливается на боковую поверхность бетонных сооружений по обе стороны шва. Универсальность щелемеры заключается в том, что его можно использовать как боковую (настенную) осадочную марку.

Для производства замеров по устанавливаемой в сооружения и основание закладной КИА используются следующие геодезические инструменты.

При работе в галереях и штольнях используются самоустанавливающиеся подвесные штриховые рейки с инварной полосой длиной 0,45 м.

Для производства измерений по стационарному гидростатическому нивелиру в качестве измерителя попользуется микрометр типа мк-25-50 с ценой деления отсчетного устройства 0, 01 мм.

У микрометра предварительно отделяется подковообразная часть, измерительный стержень удлиняется, конец его затачивается под углом 30°. Микрометр оборудуется диэлектрической посадочной муфтой, контактным проводом, неоновой сигнальной лампочкой и батареями питания.

Оптический координатомер применяется в качестве отсчетного устройства замерах по прямым отвесам и СГС.

Оптический координатомер состоит из двух зрительных оптических труб, передаваемых по двум взаимно перпендикулярным направляющим, на которых нанесены измерительные шкалы.

 

4. Погрешности измерений

 

При практическом использовании тех или иных измерений важно оценить их точность. Термин «точность измерений», т. е. степень приближения результатов измерения к некоторому действительному значению, не имеет строгого определения и используется для качественного сравнения измерительных операций. Для количественной оценки используется понятие «погрешность измерений» (чем меньше погрешность, тем выше точность). Оценка погрешности измерений - одно из важных мероприятий по обеспечению единства измерений.

Количество факторов, влияющих на точность измерения, достаточно велико, и любая классификация погрешностей измерения в известной мере условна, так как различные погрешности в зависимости от условий измерительного процесса проявляются в различных группах. Поэтому для практических целей достаточно рассмотреть случайные и систематические составляющие общей погрешности.

По закономерностям проявления погрешности делятся на:

1. Случайные.

2. Систематические.

3. Грубые промахи.

Случайная погрешность - погрешность, для которой неизвестен характер её действия в каждом конкретном измерении одной и той же величины. Случайные погрешности подчиняются только статистическим закономерностям массовых случайных явлений.

Погрешность предельная — погрешность, которая с заданной вероятностью не должна превышать по абсолютной величине погрешность результата измерений.

Погрешность приведённая — погрешность геодезических измерений, выраженная отношением погрешности к условно принятому значению геодезической величины (например, погрешность нивелирования на 1 км хода и т. п.).

Погрешность средняя — среднее арифметическое из абсолютных величин истинных погрешностей равноточных измерений; является критерием оценки точности измерений.

Погрешность средняя квадратическая — характеристика точности результата измерения; является наиболее качественным критерием оценки точности, чутко реагирующим на большие по абсолютной величине погрешности измерений.

Систематическая погрешность - погрешность, происходящая от определённого источника и имеющая определённый знак и величину.

Различают:

1. Личная (субъективная) погрешность - одна из составляющих погрешности геодезических измерений, обусловленная индивидуальными особенностями наблюдателя (ОСТ 68-15-01).

2. Инструментальная погрешность - составляющая погрешности измерения, обусловленная несовершенством геодезических приборов и невозможностью их точной юстировки.

3. Погрешность за внешние условия - составляющая погрешности результата измерений, обусловленная внешними воздействующими факторами.

4. Погрешность метода измерений — составляющая погрешности геодезических измерений, обусловленная несовершенством метода измерения.

Грубая погрешность - погрешность, величина которой больше, чем можно ожидать при данных условиях измерений, а также все промахи и просчёты при измерениях. Для обнаружения грубых погрешностей производят избыточные (дополнительные) измерения.

Рассчитаем, для примера, среднюю квадратичную ошибку построения створа теодолитом:

где:

- СКО центрирования теодолита; для трубчатых знаков с гнездовыми центрами

- СКО редукции наблюдаемой марки, в нашем случае , так как шкаловые марки М1, М2 и т. д. установлены постоянно;

- СКО визирования по створу, при трехкратном наведении на марку при двух кругах теодолита

- СКО центрирования линзы, вызванная переменной фокусировки зрительной трубы,

Таким образом,

Возможная СКО определения положения марки М4:

где - ср. кв. ошибка по шкале марки, которая по опыту работ составляет 0,1 мм.

Тогда

 

 

СКО определения величины смещения между двумя равноточными циклами:

При этом предельная ошибка определения смещения составит

 

 

Список литературы

 

1. Сергеев А.Г., Латышев М.В., Терегея В.В.

Метрология, стандартизация, сертификация: Учеб. пособие.- Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Логос, 2005. – 560 с.

 

2. Попов В.Л., Д.М. Кокот, А.И. Кучаев, В.И. Задорожный и др.

Программа натурных наблюдений геодезическими методами.