Согласно действующим нормативным документам [1], [2], для УЗиС средняя квадратическая погрешность (СКП) определения значений вертикального смещения наиболее удаленного пункта должна быть не более 1,0 мм.
Если учесть, что измерения во всех циклах равноточны, то СКП определения высоты пункта в слабом месте сети (наиболее удаленного пункта от исходных реперов) не должна превышать:
= 0,7 мм,
где mS – СКП определения вертикального смещения;
MHi – СКП определения высоты пункта.
Для соблюдения таких требований необходимы не только высокоточные инструменты, но и соблюдение специальных методов наблюдений и учет всех факторов.
Целями исследования являются демонстрация сезонных вариаций силы тяжести и геодезических высот, оценка коррелированности вариаций силы тяжести с уровнем грунтовых вод и результатами спутниковых наблюдений.
В статье приводится критерий выбора зон учета вариаций силы тяжести. Для пунктов, попадающих в эти зоны, предлагается проводить оценку устойчивости с помощью спутниковых методов.
На основе результатов нескольких циклов наблюдений (гравиметрических, гидрологических, высокоточного геометрического нивелирования, спутниковых наблюдений) обнаружена зависимость геодезических наблюдений от уровня грунтовых вод. В данной статье будет рассмотрено влияние уровня грунтовых вод на эллипсоидальные (геодезические) высоты.
Для учета сезонных вариаций предлагается проводить минимум два цикла комплексных наблюдений при максимальном и минимальном уровне вод на площадках строительства УЗиС вблизи крупных водоемов.
Материалы и методы исследования
Материал исследований получен по результатам абсолютных гравиметрических наблюдений, данных от пьезометрических скважин и гидрологических постов, высокоточного геометрического нивелирования I класса и спутниковых наблюдений на одной из площадок строительства УЗиС.
Результаты исследования и их обсуждение
Согласно исследованиям [3] выявлено изменение силы тяжести из-за уровня грунтовых вод и в зависимости от сезона выполнения гравиметрических наблюдений на площадке строительства УЗиС.
По данным, приведенным в работе А.П. Юзефовича [4, c. 141], а также согласно инструкции по развитию Государственной гравиметрической сети России [4] подъем грунтовых вод на 1 м в слое песка с плотностью 0,4 г/см3 вызывает изменение силы тяжести на 17 мкГал.
На основе научных трудов и инструкций выбран критерий влияния вариаций силы тяжести в качестве удвоенного значения изменения силы тяжести за 1 м повышения уровня грунтовых вод – 35 мкГал.
Данный критерий позволил выбрать пункты, на которые распространяется методика учета вариаций силы тяжести.
При строительстве УЗиС необходимо соблюдать высокие требования к точности и методике выполнения работ. Неучет сезонных вариаций вызывает погрешности в оценке СДЗП, а также вносит погрешности при строительстве УЗиС.
Как пример, поправка за температуру может достигать нескольких миллиметров в измеренные превышения и должна учитываться при обработке высококлассного нивелирования [5].
Основная методика учета вариаций силы тяжести – подсчет уклонений отвесных линий (УОЛ) и ввод соответствующей поправки в измеренное превышение [7, с. 25].
Результаты высокоточного геометрического нивелирования зависят от отсчетной поверхности и дают объективную оценку деформаций зданий и сооружений и СДЗП на небольших расстояниях между исходными пунктами геодинамического полигона (ГДП) и площадкой строительства, особенно с учетом точности современных цифровых нивелиров.
В рамках исследования предлагается подход, позволяющий дополнительно к измерениям традиционными геодезическими методами в поле силы тяжести Земли использовать спутниковые методы, в основе которых лежит геометрическая правильная и неизменная эллипсоидальная высота, исходя из теории геодезических высот.
На сегодняшний день множество работ посвящено точности определения геодезических высот спутниковыми методами [6-8].
Научная работа И.М. Кравчука [9] посвящена спутниковому нивелированию и оценке точности полученных геодезических и нормальных высот.
В целом, можно утверждать, что спутниковое нивелирование при соблюдении ряда условий позволяет получить точность нивелирования IV класса и в редких случаях – III класса (10 мм на 1 км).
Точность геодезических высот позволяет применять метод ГНСС для геодинамических исследований.
А.В. Устинов в своей работе доказал эффективность метода Precise Point Positioning (PPP) на Загорской ГАЭС-2, получив точность абсолютных координат 2 мм в плане и 5 мм по высоте [12]. Работы [13-15] посвящены исследованиям метода PPP.
Таблица 1
Разность эллипсоидальных высот на пунктах исследования, определенных методом PPP с 2017 по 2021 гг.
|
Месяц и год наблюдений |
Пункт 3 δH, мм |
Пункт 4 δH, мм |
Пункт 0 δH, мм |
|
Сентябрь 2018 |
6 |
17 |
–170 |
|
Март 2019 |
–64 |
–29 |
112 |
|
Август 2019 |
48 |
–11 |
104 |
|
Март 2020 |
–4 |
–26 |
–113 |
|
Апрель 2021 |
18 |
–26 |
–3 |
Таблица 2
Корреляционный анализ между уровнем грунтовых вод и силой тяжести на гравиметрических пунктах исследования
|
ID |
ГР2-1 и g2-1 |
ГР3-2 и g3-2 |
ГР4-3 и g4-3 |
ГР5-4 и g5-4 |
ГР6-5 и g6-5 |
|
Пункт 02 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
|
Пункт 05 |
0,9 |
0,9 |
0,9 |
0,9 |
0,9 |
|
Пункт 09 |
0,9 |
0,9 |
0,9 |
0,9 |
0,9 |
|
Пункт 0 |
0,9 |
0,9 |
0,9 |
0,9 |
0,9 |
|
Пункт 11 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
|
Пункт 13 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
|
Пункт 14 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
|
Пункт 15 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
|
Пункт 16 |
0,9 |
0,9 |
0,9 |
0,9 |
0,9 |
|
Пункт 20 |
0,9 |
0,9 |
0,9 |
0,9 |
0,9 |
|
Пункт 21 |
0,6 |
0,6 |
0,6 |
0,6 |
0,6 |
|
Пункт 23 |
0,8 |
0,8 |
0,8 |
0,8 |
0,8 |
|
Пункт 27 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
|
Пункт 28 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
В результате выполненных спутниковых наблюдений на трех пунктах принудительного центрирования (ППЦ или PPC) были получены координаты и высоты методом Precise Point Positioning (PPP), обработанные в одном из сервисов (CSRS-PPP Magic GNSS Trimble RTX, GrafNet). Схема расположения пунктов представлена на рисунке 1. Межцикловое сравнение геодезических высот от сезона к сезону представлено в таблице 1.
Данные изменения уровня грунтовых вод на исследуемой площадке строительства УЗиС представлены в статье [3]. Исходя из многолетних наблюдений, минимум приходится на март – апрель, максимум – на август – сентябрь.
В результате исследования доказана коррелированность значений силы тяжести и изменения уровня грунтовых вод (рис. 2, табл. 2) для пунктов исследования (рис. 3).
Аномальные изменения наблюдаются на пункте, расположенном непосредственно у реки, – Пункт 0, при этом пункты Пункт 4 и Пункт 3 демонстрируют стабильность в нескольких циклах наблюдений (рис. 3).
В ходе обследования Пункта 0 не были выявлены какие-либо повреждения с 2017 по 2021 гг.
Можно утверждать, что существенное изменение эллипсоидальной высоты (превышающее годовое движение литосферной плиты и атмосферную нагрузку) является критерием неустойчивости пункта и служит реальной оценкой СДЗП.
В качестве независимого доказательства сезонности изменения геодезических высот за гидрологические эффекты взяты данные с пунктов DHAK и BRN2 с официального сайта службы ITRF [16].
Рис. 1. Пункты исследования на площадке строительства УзиС
Изменение в пространстве пункта ITRF DHAK представлено на рисунке 4. Удаленность между площадкой УЗиС и пунктом ITRF DHAK – порядка 130 км. Надо отметить, что г. Дакка подвержен сезонным наводнениям, что не раз освещалось в СМИ.
При увеличении масштаба становится отчетливо видна периодичность изменений геодезических высот пункта DHAK с минимальной и максимальной амплитудой в апреле и сентябре, что согласовывается с изменением грунтовых вод на площадке УЗиС.
Рис. 2. График зависимости силы тяжести на пункте у реки от уровня грунтовых вод
Рис. 3. Графики изменения эллипсоидальной высоты с 2017 по 2021 гг. на пунктах исследования
Рис. 4. Динамика изменения положения пункта ITRF DHAK
Рис. 5. Динамика изменения положения пункта ITRF BRN2
Рис. 6. Среднемесячная сумма осадков для г. Дакка
Рис. 7. Среднемесячная сумма осадков для г. Биратнагар
Другая ситуация наблюдается с пунктом ITRF BRN2, расположенным в г. Биратнагаре в Непале. Данные ограничены 2020 г. Город расположен далеко от рек, траектория изменения BRN2 представлена на рисунке 5.
Информация о среднемесячных осадках г. Дакка и г. Биратнагар представлена на рисунках 6 и 7.
В статье [17] описано, что атмосферные нагрузки приводят к изменениям геодезических высот порядка 5 мм. При движении литосферных плит порядка 4 см полугодовое смещение составит 20 мм.
Заключение
В результате полученных данных было подсчитана разность эллипсоидальных высот в зависимости от сезона наблюдений. Эти данные доказывают зависимость геодезических высот от сезона наблюдений.
Объединив результаты ранее выполненных исследований [3], получаем зависимость силы тяжести и геодезических высот от гидрологических изменений.
Статья [18] также подтверждает корреляционную зависимость между уровнем грунтовых вод и силой тяжести. Используя модели затопления [19, с. 69, 89], возможно построить единую модель изменения силы тяжести и уровня грунтовых вод на площадках УЗиС вблизи водоемов с высокими требованиями к точности геодезических работ.
Предлагается с помощью спутниковых технологий проводить реальную оценку устойчивости пунктов на основе абсолютных наблюдений по методу PPP и проводить измерение современного движения земной поверхности за вычетом других физических факторов.
Вариации за гидрологию можно разделить на две категории:
первая категория – вариации, связанные с крупными водоемами;
вторая категория – вариации, связанные с осадками.
При этом амплитуда вариаций первой категории почти в два раза превышает амплитуду второй категории.
При закладке пунктов немаловажным является учет агрессивного воздействия среды. Рекомендации по учету приведены в [20].
Результаты исследования предлагается использовать для создания методики учета сезонных вариаций в результате геодезических измерений.
Библиографическая ссылка
Морозов А.В., Баранов В.Н. ВАРИАЦИИ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ВЫСОТ, ВЫЗВАННЫЕ КОЛЕБАНИЯМИ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ, ОСАДКОВ И УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД НА ПЛОЩАДКЕ СТРОИТЕЛЬСТВА УНИКАЛЬНЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ // Успехи современного естествознания. – 2023. – № 2. – С. 119-128;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=38008 (дата обращения: 29.04.2024).