Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

GRAVITY VARIATIONS CAUSED BY GROUNDWATER LEVEL IMPACT AT A SITE FOR CONSTRUCTION OF UNIQUE BUILDINGS AND STRUCTURES

Morozov A.V. 1 Baranov V.N. 1 Andreev V.К. 1
1 State University of Land Management
This paper addresses the impact of the groundwater level on gravity measurement results, and absolute gravity calculation methods. The authors obtained numerical evidence of gravity variations depending on the seasons of gravity measurements along a river, lake or water basin. The paper suggests how to incorporate the groundwater level (GWL) as a more detailed middle layer correction (Bouguer reduction) based on geological, geophysical, hydrological and seismological studies at a site for construction of unique buildings and structures (UBaS). Detailed soil studies at the construction site allow plotting large-scale maps of gravity anomalies at a local construction site to calculate more precise height anomalies and plumbline deviations, true density of topographic masses (δ) based on the soil type, water content and density. Comparison of the calculated height anomalies with Earth’s gravity models will help in assessment of their use at the site. Precise data on height anomalies and plumbline deviations resolve a problem of calculating corrections to high-precision leveling results and makes it possible to switch directly from geodetic heights obtained by satellite methods to normal heights. With greater scope of seasonal observations, subsequent monitoring observations can be forecasted and corrections can be applied to measurements results in order to avoid errors when estimating settlements and deformations of the buildings and structures and understand changes in displacement of the buildings and ground surface more clearly. The same integrated approach as used for calculating topographic mass corrections will be useful in forecasting.
groundwater
gravity
Bouguer reduction
height anomaly
gravity anomaly
high-precision leveling
geodetic height
normal height

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

missing image file (1)

где gi – измеренные значения в каждой серии;

pi – вес измеренной величины.

Вес измеренных значений силы тяжести вычислялся по известной формуле

missing image file. (2)

Средняя квадратическая ошибка (стандартное отклонение) среднего весового вычисляется по формуле

missing image file, (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

missing image file

Рис. 1. Изменение уровня грунтовых вод в пьезометрических скважинах с 2016 по 2021 г. на площадке строительства УЗиС вблизи крупной реки

missing image file

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:

missing image file, (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].

missing image file

Рис. 3. Визуализация сферического и плоскопараллельного слоя

Формула Г.Г. Ремпеля:

missing image file, (7)

где missing image file – поправка за влияние топографических масс при сферическом сегменте (вариация редукции Буге);

missing image file– угол сферического сегмента

missing image file;

missing image file;

missing image file;

missing image file;

missing image file

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].