CC BY
477
НАУКИ О ЗЕМЛЕ «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (65)
УДК 528.482:[69.03:622.323] И. С. КАЛИНЧЕНКО
Е. Н. КУПРЕЕВА И. Р. БИКАШЕВ
Омский государственный аграрный университет
ГЕОДЕЗИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ОСАДОК ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ НА ТЕРРИТОРИИ НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩЕГО КОМПЛЕКСА
В статье рассматриваются технологии и результаты проведения геодезического мониторинга осадок зданий и сооружений на территории нефтегазодобывающего комплекса. Отмечается, что основной задачей наблюдений является получение данных для своевременного принятия мер по устранению или предупреждению критических деформаций.
Изучение деформационных процессов было и остается одной из важнейших задач геодезии и включает наблюдение за деформациями физической поверхности земли и инженерных сооружений. Данные разнородных многовременных рядов наблюдений позволяют сделать вывод о скоростях и величинах деформаций земной поверхности, техническом состоянии инженерных объектов (в том числе на территории нефтегазодобывающего комплекса), на степени их надежности и безопасности эксплуатации. Особую актуальность информация о качественных характеристиках приобретает при получении данных для своевременного принятия мер по устранению или предупреждению критических деформаций.
Существует несколько видов классификаций мониторинга, в частности, выделяется мониторинг земель, структура и содержание последней в современный период требует дальнейшего изучения и развития [1, 2].
Мониторинг земель является частью общей системы мониторинга окружающей природной среды.
Получение информации при осуществлении мониторинга земель может проводиться с использованием:
— дистанционного зонирования (съемки и наблюдения с космических аппаратов, с высотных самолетов, с помощью средств малой авиации);
— сети постоянно действующих полигонов, эталонных стационарных и иных участков, межевых знаков и тому подобное;
— наземных съемок, наблюдений и обследований (сплошных и выборочных);
— соответствующих фондов данных.
Основные причины осадок и деформаций территорий
Геологические процессы, развивающиеся под воздействием инженерной (строительной) и хозяйственной деятельности человека, чаще всего называют инженерно-геологическими, но применятся и другие термины: антропогенные, техногенные, локальные. Они развиваются по тем же физическим законам, что и естественные геологические процессы, и приводят к сходным результатам в преобразовании рельефа местности, изменении состава, состояния и свойств пород и гидрогеологических условий [3].
Инженерно-геологические процессы развиваются в результате взаимодействия инженерных сооружений в период их строительства и эксплуатации с геологической средой. Они накладываются на естественные геологические процессы и могут активизировать последние или способствовать их затуханию.
По мере развития инженерной и хозяйственной деятельности человека всё чаще отмечаются ситуации, когда на массив горных пород воздействуют факторы, редко или совсем не встречающиеся в природе. К таким факторам можно отнести, в частности, следующие [4]:
— создание крупных водохранилищ — как фактор, изменяющий напряженное состояние и гидрогеологические условия в земной коре на значительной территории;
— откачка больших объёмов нефти, газа и воды, находящихся под высоким давлением, и изменение, вследствие этого, напряженного состояния массива пород. Часто это приводит к осадкам дневной поверхности, а иногда и к землетрясениям;
— создание подземных полостей в некарстующих-ся породах и на значительных глубинах, вследствие чего происходит разрядка существующих в массиве пород напряжений, дренирование подземных вод и газов;
— воздействие взрывов при строительных работах, в результате чего увеличивается трещиноватость части массива пород, непосредственно примыкающей к котловану или подземной выемке; и происходит обрушение неустойчивых частей склонов и откосов;
— частые и значительные по амплитуде колебания уровня воды в водохранилищах (характерно для горных водоёмов и бассейнов ГАЭС), вызывающие резкое ослабление устойчивости склонов, незатухающий процесс карстообразования и т.д.;
— откачка из водозаборных скважин, в результате которой возникают градиенты фильтрации, во много раз превышающие значения этого показателя, возможные в естественной обстановке. В определенных природных условиях это приводит к резкой активации суффозных и карстово-суффозионных процессов;
— химическое воздействие не фильтрующихся сточных вод на массив горных пород. Последствия этого воздействия самые различные: от кольматации трещин и полостей до активизации карстообразова-ния. При воздействии химически активных стоков воз-
можно также изменение состава и свойств пород;
— постоянная вибрация от работающих механизмов на промышленных предприятиях и от движения транспорта в течение длительного времени, которая может способствовать разложению рыхлых (тиксо-тропных) грунтов основания;
— постоянное обводнение ранее необводнённых массивов пород на территориях промышленных предприятий и городов, на орошаемых площадях;
— пересечение подземными коммуникациями (траншеями) подземного стока, что приводит к подтоплению одних территорий и иссушению других.
Следует отметить, что на массив горных пород часто одновременно воздействуют несколько техногенных факторов. Такое сочетание может усиливать какой-либо процесс или вызвать развитие нескольких процессов одновременно.
Отметим, что даже отдельно стоящее жилое здание создаёт практически мгновенно (в геологическом понятии времени) сосредоточенную нагрузку на основание, вызывающую значительные напряжения в горных породах в пределах активной зоны. Эти напряжения на нескальных породах могут достигать 0.8 Мпа, что соответствует действию толщи пород мощность 25-40 метров или слою льда толщиной 50-80метров. При эксплуатации здания происходит обводнение пород основания в результате утечек из водопроводящих коммуникаций и накопления влаги вследствие конденсации водяных паров. Кроме того, здание нарушает тепловой режим участка земной коры. Под промышленными зданиями и сооружениями породы основания подвергаются химическому воздействию промышленных стоков, действию вибрации от работы машин и движения транспорта. Еще более сложное воздействие на породы основания наблюдается на участках плотной застройки жилыми зданиями или на промышленных площадках. На территориях крупных промышленных городов вертикальная зона активного изменения равновесного состояния грунтов основания прослеживается до глубин более 50 метров, а их деформации достигают величин 9 метров (г. Мехико). Одновременно с опусканием земной поверхности идёт поднятие уровня грунтовых вод за счёт уплотнения грунтов основания и инфильтрации подземных вод из нижних горизонтов в верхние [5].
Любое построенное инженерное сооружение постепенно изменяет свое положение в пространстве. Давление сооружения сжимает грунты в основании фундамента, что вызывает его осадки. Разумеется, по мере уплотнения грунтов основания осадки постепенно прекращаются. При этом скорость затухания зависит от свойств конкретных грунтов, и прекращение осадок наступает через несколько лет.
Кроме того, сооружение может перемещаться в горизонтальной плоскости, если имеется боковое давление (как, например, в мостовых конструкциях, подпорных стенках насыпей железных и автомобильных дорог и гидротехнических плотинах).
Сильное развитие деформаций сооружения может привести к нарушениям в его эксплуатации или даже разрушениям. Именно поэтому наблюдения за деформациями сооружений представляют собой важный комплекс геодезических полевых и камеральных работ, которые могут быть организованы в рамках комплексной САПР/ГИС-технологии для своевременного решения вопроса о необходимости принятия профилактических мер [6].
Методы определения осадок и деформаций
Все измерения осадок и деформаций можно
разделить на две самостоятельные группы. В первую группу входят сопутствующие измерениям осадок — исследования физико-механических свойств грунтов основания, измерения напряжения под подошвой фундамента, измерения температуры фундамента, колебаний уровня грунтовых вод и т.п. Все эти виды измерений можно объединить названием «физикомеханические наблюдения».
Во вторую группу входят собственно измерения осадок и деформаций сооружений. Эти измерения проводятся как геодезическими, так и другими методами.
Достаточно очевидно, что результаты измерений этих двух групп должны рассматриваться совместно.
Измерения осадок и деформаций сооружений можно, в свою очередь, разделить на две подгруппы. К одной из них относятся все измерения, связанные с установкой приборов непосредственно на сооружении или внутри него, при этом приборы сами будут перемещаться вместе с сооружением и указывать величину относительной осадки или деформации. Сюда можно отнести измерения при помощи всевозможных маятников, клинометров, деформетров, ще-леметров, микрокренометров и всякого рода других чувствительных приборов [7].
Ко второй подгруппе относятся все измерения, при помощи которых определяют величины абсолютных вертикальных и горизонтальных смещений сооружений по отношению к точкам, расположенным на некотором расстоянии от них и считаемым практически недвижимыми. Сюда можно отнести все основные геодезические методы измерений, а именно:
— геометрическое нивелирование, применяемое для определения вертикальных смещений значительного количества доступных точек сооружений;
— гидростатическое нивелирование, применяемое для одновременного определения вертикальных смещений ряда закрытых труднодоступных точек сооружения, расположенных примерно на одинаковом уровне;
— триангуляционный метод, применяемый для определения горизонтальных и вертикальных смещений открытых труднодоступных точек;
— створный метод для наблюдений за сдвигами сооружений;
— фотограмметрический и стереофотограммет-рический методы, применяемые для определения смещения точек сооружений в двух и трех координатах.
Такое разделение методов измерений имеет определенное значение, так как результаты измерений первой подгруппы характеризуют только смещение одних частей сооружения относительно других; геодезические же измерения характеризуют величину и направление смещений сооружений относительно неподвижных точек — знаков геодезической основы. Эти знаки закладывают с учетом ряда специальных требований и вне влияния давления сооружения на их основание. Кроме того, разработанные ранее и современные методы измерений и уравновешиваний их результатов дают возможность до некоторой степени контролировать и выявлять элементы сдвига геодезической основы как исходных данных [8].
Наиболее распространенный метод определения осадок — это периодическое, точное геометрическое нивелирование. В этом случае осадки выявляют сравнением высот осадочных марок, закрепленных на сооружениях. Указанные марки размещают так, чтобы можно было выяснить особенности осадок в разных частях сооружения: вдоль осей фундаментов,
«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (65) НАУКИ О ЗЕМЛЕ
95
НАУКИ О ЗЕМЛЕ «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (65)
в участках, где возможны наибольшие осадки, около трещин в стенах здания, вблизи деформационных и температурных швов, в местах большого давления и ненадежных грунтов. Высотной основой для определения осадок служит сеть реперов, закладываемых так, чтобы обеспечивалась стабильность их положения по высоте на весь период наблюдений. Необходимая точность определения осадок составляет ±1мм. При этом в отдельных случаях (например, для уникальных сооружений) точность нивелирования повышается до десятых долей миллиметра.
Наблюдение за крупными сооружениями начинают сразу после закладки фундамента, а последующие циклы выполняют по мере возведения сооружения и после завершения строительства, в процессе его эксплуатации.
По материалам наблюдений за осадками сооружений, во-первых, определяют абсолютные величины осадок для отдельных частей и во-вторых, выявляют общий характер затухания осадок, чтобы в случае необходимости провести профилактические мероприятия для устранения активного хода осадок, способных вызвать катастрофические последствия [8].
Отметим, что геодезические методы измерений являются основными и в большинстве случаев незаменимыми.
Нами был выполнен анализ сметы затрат на выполнение геодезического мониторинга газоконденсатных залежей Заполярного НГКМ УКПГ — 3С. Были получены следующие результаты:
^Подготовительные и вспомогательные работы:
1.1. Визуальное обследование объектов — 2,652 тыс. руб.
1.2. Технический осмотр (приемка) деформационных марок (II кл.) для установления степени пригодности -11,444 тыс. руб.
1.3. Технический осмотр (приемка) реперов для установления степени пригодности — 0,921 тыс. руб.
1.4. Маркировка элементов сетей ГТМ, окраска-оформление, описание крок и схем (с к = 0,5 из-за сокращенного состава работ) 86,731 тыс. руб.
2. Инженерно-геодезические работы:
2.1. Рекогносцировка мест постановки нивелира и реек, III категории — 106,849 тыс. руб.
2.2. Нивелирование марок, II класса — 114,444 тыс. руб.
2.3. Нивелирование марок, IV класса — 2,196 тыс. руб.
3. Камеральные работы:
3.1. Обработка материалов визуальных обследований — 1,638 тыс. руб.
3.2. Обработка материалов нивелирования марок — 68,689 тыс. руб.
3.3. Составление технического отчета 2,750 тыс. руб.
4. Прочие расходы:
4.1. Удорожание полевых работ за счет неблагоприятного периода (40%) 134,320 тыс. руб.
4.2. Расходы на внутренний транспорт при расстоянии до 5 км (3,75%) — 17, 639 тыс. руб.
4.3. Расходы на внешний транспорт при расстоянии до 2000 км и продолжительности 6 мес. (13,2%) — 64,383 тыс. руб.
4.4. Организация и ликвидация работ (6%) — 73,162 тыс. руб.
4.5. Непредвиденные расходы 84,966 — тыс. руб.
Анализ материалов изысканий также показал, что работы по наблюдению за осадками и деформациями объектов нефтедобывающего производства выполняются по утвержденной руководством предприятия программе, в которой указываются: здания и сооружения, части зданий и сооружений, за которыми следует вести наблюдения; схема расположения исходных геодезических пунктов и контрольных (деформационных) марок; периодичность наблюдений; требуемая точность; перечень отчетных документов.
Констатируем, что деформационная сеть УКПГ-3С Заполярного месторождения состоит из восьми глубинных реперов, а также деформационных марок зданий, сооружений и емкостей. Ежегодно на данном объекте наблюдается деформационная сеть глубинных реперов, для выявления наиболее устойчивого репера.
В области многолетней мерзлоты устойчивость реперов может быть обеспечена, если нижнюю часть репера с якорем расположить в многолетнемерзлых грунтах, имеющих достаточно низкую температуру. Согласно регламенту, в зоне распространения многолетней мерзлоты грунтовые репера, заложенные способами бурения и протаивания грунта, включают в нивелирование не ранее чем через два месяца после их закладки, а котлованным способом — в предшествующий нивелированию сезон.
Отметим, что к главнейшим факторам, которые могут влиять на устойчивость глубинных реперов, относятся:
1) конструктивные особенности, качество изготовления и установки знаков;
2) физико-механические свойства грунтов, в которых они заложены;
3) сезонные изменения температуры, влажности и явления морозного пучения грунтов;
4) явления просадок или сдвижения грунтов основания;
5) разуплотнение грунтов основания, связанное с закладкой знаков котлованным способом
6) систематическое воздействие динамических нагрузок (удары молотов, забивка свай, интенсивное движение транспорта и т.д.).
Правильный учет этих факторов и ослабление их влияния путем выбора мест и установление глубин закладки реперов, а также создание реперов более совершенных конструкций имеет важное значение.
Из построенного нами графика изменения отметок глубинных реперов было выявлено, что отметки находятся в движении (максимальное перемещение глубинного репера 2 в восьмом цикле измерений относительно первого цикла достигло 9,8 мм) из-за того, что изначально неверно была выбрана глубина закладки реперов. При выполнении работ по закладке реперов не учтено, что район работ расположен за полярным кругом в зоне многолетней мерзлоты. Поэтому все реперы были заложены на глубину 10 метров, а для данных условий следовало заглубить их до глубины 13-15 метров.
В настоящее время нами производится дальнейший анализ всего богатого фактического материала комплексных геодезических изысканий на объекте.
Библиографический список
1. Земельный кодекс Российской Федерации. — М. : ООО «Издательство АСТ», 2002. — 64 с.
2. Гиниятов И.А. О структуре и содержании мониторинга земель в современный период / Гиниятов И.А., Жарников В.Б. Вестник Сибирской государственной геодезической академии. — СГГА.: вып. 5- Новосибирск, 2000. -153 с.
3. Молоков Л.А. Инженерно-геологические процессы. / Л.А. Молоков . — М. : Недра, 1985. — 206 с.
4. Маюков Л.А. Взаимодействие инженерных сооружений с геологической средой. / Л.А. Маюков. — М. : Недра, 1988. - 222 с.
5. Ройтман А.Г. Деформации и повреждения зданий. / А.Г. Ройтман. — М. : Стройиздат, 1987. — 160 с.
6. Калинин А. Вопросы хранения и использования топог-рафо-геодезических данных для САПР и ГИС / А.Калинин // Спецвыпуск «Геоинформационные системы». «САПР и графика». — 3'2001.Мш1.
7. Николаев С.А. Статистические исследования осадок инженерных сооружений / С.А. Николаев. — М. : Недра, 1983. -112 с.
8. Брайт П. И., Медвецкий Е. Н. Измерение осадок и
деформаций сооружений геодезическими методами / П. И. Брайт, Е. Н. Медвецкий. — М. : Изд-во геодезической литературы, 1959. — 199с.
КАЛИНЧЕНКО Иван Сергеевич, аспирант кафедры геодезии.
КУПРЕЕВА Елена Николаевна, старший преподаватель кафедры геодезии.
БИКАШЕВ Исмагил Рауилович, доцент кафедры прикладной геодезии, фотограмметрии и геоинфор-мационных систем, кандидат технических наук.
Дата поступления статьи в редакцию: 30.10.2008 г.
© Калиниченко И.С., Купреева Е.Н., Бикашев И.Р.
III ВСЕРОССИЙСКИЙ ОТКРЫТЫЙ КОНКУРС СТУДЕНЧЕСКИХ ПРОЕКТОВ «БУДУЩЕЕ РАЙОНОВ РОССИИ-2009»
Институт демографии, миграции и регионального развития при поддержке Министерства сельского хозяйства РФ, Федеральной миграционной службы РФ и МО Российской ассоциации политической науки проводит III Всероссийский открытый конкурс студенческих проектов «Будущее районов России-2009»
Главная цель конкурса — стимулирование процессов регионального развития России. В задачи конкурса входит повышение интереса в обществе к проблемам демографии, миграции и развития регионов, а также вовлечение молодёжи в проектную деятельность, направленную на решение указанных проблем. Конкурс — это возможность найти талантливую молодёжь, способную к самостоятельной проектной работе, созданию и реализации проектов по развитию районов России.
По завершению конкурса его победители — наиболее способные и активные молодые люди — будут включены в системную деятельность, направленную на развитие конкретного региона. Конкурс предоставляет возможность потенциальным лидерам проявить свои качества.
Конкурс направлен главным образом на студентов любых специальностей государственных и негосударственных вузов России и других стран.
Также участниками конкурса могут стать: абиту-
риенты (школьники 11-х классов), аспиранты и молодые специалисты, окончившие вуз не более пяти лет назад, из России и других стран мира. В специальной номинации могут участвовать журналисты до 35 лет.
Работы на конкурс могут быть подготовлены как индивидуально, так и авторским коллективом.
Конкурс проводится по следующим номинациям:
• демография
• миграция
• региональное развитие
• сельское развитие России
Тема 2009 года: Новые города для России
Специальная тематика от Приволжского федерального округа: «Конфессиональная и этническая солидарность».
В рамках указанных номинаций возможны исследование и анализ общей ситуации в РФ, ситуации в ее отдельных регионах, муниципальных образованиях, отраслях и сферах деятельности.
Срок подачи работ - не позднее 31 марта 2009 года.
Более подробная информация доступна на сайте Института демографии, миграции и регионального развития
http://www.idmrr.ru/konkurs.html
«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (65) НАУКИ О ЗЕМЛЕ
