При геодезическом сопровождении и строительстве уникальных зданий и сооружений (УЗиС) используются передовые технологии, связанные с использованием лазерных сканеров, спутниковых высокоточных многочастотных приемников, беспилотной аппаратуры для рекогносцировки и получения картографического материала, а также высокоточные нивелиры и тахеометры. Для получения гравиметрической информации на площадке используются абсолютные и относительные гравиметры.
Интересен с научной точки зрения вопрос влияния неприливных явлений на силу тяжести, насколько это влияние сильно на небольшом участке строительства УЗиС. Ответы на эти вопросы постараются дать составители данной статьи.
Целью исследования является подтверждение влияния уровня грунтовых вод на результаты измерения силы тяжести на строительной площадке УЗиС, расположенных в непосредственной близости от водоемов, получение аномалий силы тяжести и уклонений отвесных линий, их влияние на высокоточное нивелирование, отработка методик гравиметрических наблюдений, прогнозирование и оценка полученных результатов.
Материалы и методы исследования
Материал исследований был получен по результатам абсолютных гравиметрических наблюдений, данных от пьезометрических скважин и гидрологических постов, а также геологических и геофизических изысканий на площадке строительства УЗиС. В качестве гравиметра для определения абсолютных значений силы тяжести использовался абсолютный гравиметр ГБЛ-М.
Математическая обработка результатов производилась с применением следующих формул.
Среднее весовое значение силы тяжести в серии (gp) определялось по формуле
(1)
где gi – измеренные значения в каждой серии;
pi – вес измеренной величины.
Вес измеренных значений силы тяжести вычислялся по известной формуле
. (2)
Средняя квадратическая ошибка (стандартное отклонение) среднего весового вычисляется по формуле
, (3)
Всего в исследовании участвовало три гравиметрических пункта. На каждом гравиметрическом пункте выполнялось не менее трех последовательных приемов наблюдений. Количество приемов регулировалось в зависимости от уровня микросейсмического шума. Измерения принимались в работу, если их отклонение не превышало двойной точности прибора согласно ГБЛ. Для ГБЛ технические характеристики прописаны в [1].
Фиксация изменения уровня грунтовых вод с 2019 по 2021 г. представлена на рис. 1.
По результатам гравиметрических наблюдений были получены итоговые значения абсолютных значений силы тяжести с учетом поправки за вертикальный градиент (редукция в свободном воздухе). Далее было выполнено сравнение результатов абсолютных измерений силы тяжести разных циклов наблюдений (таблица). Графическая иллюстрация представлена на рис. 2.
Результаты исследования и их обсуждение
Наиболее сильные отличия наблюдаются между циклами наблюдений, выполненных в марте и сентябре 2020 г. Сопоставляя полученные результаты с рис. 1, наблюдаем прямую зависимость с перепадами уровня грунтовых вод и изменением силы тяжести. По полученным данным изменение уровня воды на 8 м изменило силу тяжести на пятом гравиметрическом пункте на 50 мкГал, что соответствует изменению 6 мкГал на 1 м грунтовых вод.
Сравнение результатов абсолютных измерений силы тяжести между I и VI циклами наблюдений
|
Номер цикла |
Разность силы тяжести на главных гравиметрических пунктах, мкГал |
||
|
05 |
06 |
07 |
|
|
2–1 (октябрь 2019 – ноябрь 2019) |
22 |
2 |
4 |
|
3–2 (март 2020 – ноябрь 2019) |
-6 |
-19 |
-4 |
|
4–3 (март 2020 – сентябрь 2020) |
-4 |
0 |
0 |
|
5–4 (сентябрь 2020 – апрель 2021) |
-50 |
-5 |
-7 |
|
6–5 (апрель 2021 – сентябрь 2021) |
30 |
19 |
15 |
Рис. 1. Изменение уровня грунтовых вод в пьезометрических скважинах с 2016 по 2021 г. на площадке строительства УЗиС вблизи крупной реки
Рис. 2. Результаты сравнения абсолютных значений силы тяжести на главных гравиметрических пунктах в разные циклы наблюдений
Самым очевидным способом учета этих колебаний является детализация формулы поправки за топографические массы (редукция Буге):
ΔgБ = 2πGδΔHtсм (5)
где ΔgБ – поправка за влияние топографических масс (аномалия Буге);
G = 6,673 10−8 см3/(г·с2) – постоянная тяготения;
δ – плотность промежуточного слоя (обычно г/см3);
ΔHtсм – толщина бесконечного плоскопараллельного слоя, см.
С учетом того, что грунт может сменяться водоносным слоем и наоборот, а также вычислив постоянные коэффициенты, общая формула может выглядеть так:
, (6)
где ΔgБ – поправка за влияние топографических масс (аномалия Буге);
δп – плотность преобладающего грунта (обычно г/см3);
δв – плотность водоносного слоя. Для чистой воды плотность 1,00 г/см3, морской воды 1,03 г/см3;
НВ – общая толщина водоносного слоя, см;
НП – общая толщина грунта над поверхностью точки наблюдения, см.
Стоит отметить, что пункты расположены в непосредственной близости к реке и удалены от каких-либо дорог, что исключает вероятность внесения в результаты погрешностей.
Впоследствии по полученным данным возможно вычислить аномалии высот и уклонения отвесных линий для внесения конкретных поправок в результаты высокоточного нивелирования. Один из способов приведен в [2, с. 25–26, 89, 107]. Также существуют варианты использования не бесконечнопараллельного слоя, а сферического сегмента (рис. 3, формула (7)) [3, c. 25–28].
Рис. 3. Визуализация сферического и плоскопараллельного слоя
Формула Г.Г. Ремпеля:
, (7)
где 
– поправка за влияние топографических масс при сферическом сегменте (вариация редукции Буге);
– угол сферического сегмента
;
;
;
;
Заключение
Многие авторы в своих трудах приводили влияние непараллельности уровенных поверхностей и учета этих поправок в измеренные превышения [4, с. 36]. В работах Юзефовича [5, с. 139, 140] также дана характеристика влияния уровня грунтовых вод на силу тяжести. Согласно его данным, изменение плотности грунта толщиной в 1 м на 0,2 г/см3 приведет к изменению силы тяжести на 8 мкГал, а подьем грунтовой воды на 1 м в слое песка с плотностью 0,4 г/см3 на 17 мкГал.
В результате проведенного исследования были получены численные подтверждения влияния изменения уровня грунтовых вод на гравитационное поле на строительной площадке вблизи крупных водоемов. Перемещение массы воды влияет на гравитационное поле, изменяет наклон уровенной поверхности и создает упругие деформации земной поверхности [6]. В результате по вычисленным аномалиям можно вычислить уклонения отвесных линий и аномалии высот на строительной площадке [7].