CC BY
75
УДК 551.2/.3
В.П. Савиных, Г.В. Демьянов, Х.К. Ямбаев
Московский государственный университет геодезии и картографии, Москва
ПРОЕКТ ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ТЕРРИТОРИИ СОЧИ-КРАСНОПОЛЯНСКОГО РАЙОНА ОЛИМПИАДЫ 2014
V.P. Savinykh, G.V. Demyanov, Kh.K. Yambayev Moscow State University of Geodesy and Cartography
THE PROJECT FOR THE GEODYNAMIC MONITORING OF SOCHI-KRASNOPOLYANSKY DISTRICT OF OLYMPIAD 2014
Изучение влияния оползневых явлений, селей, лавин и деформаций земной коры, как наиболее объективного показателя геодинамических процессов, в том числе процессов подготовки землетрясений, является важнейшей задачей современной геодезии и геофизики.
Одной из задач создания геодинамических полигонов по изучению деформаций земной коры под влиянием природных и техногенных явлений, в том числе и неотектонических причин является обеспечение безопасности функционирования наиболее ответственных сооружений инфраструктуры Сочинского горно-спортивно-климатического курорта по программе подготовки и проведения Зимней Олимпиады 2014 г.
Существует пространственная приуроченность критических деформаций инженерных сооружений к зонам тектонических нарушений, разрывов, что может быть обусловлено перераспределением напряженно-деформированного состояния блоков горных пород в процессе сброса напряжений при землетрясениях. Все эти причины аварий представляются реальными, однако достаточно регулярный мониторинг деформационных процессов до сих пор не осуществлен. Сегодня не вызывает сомнения, что значительная часть критичных деформаций сооружений различного назначения, в том числе объектов транспортных магистралей прямо или косвенно связана c влиянием активных разломов земной коры. Подавляющая часть из них перекрыта осадочной толщей; именно это обстоятельство затрудняет их прогнозирование с помощью традиционных геофизических технологий: сейсморазведки,
гравиметрии и т.д.
Комплекс геофизических методов (и прежде всего его основа -сейсморазведка) несет основную информацию о геометрии и свойствах среды (скорости, плотности и т.д.). Однако эти методы мало что могут сказать о том, что нас интересует прежде всего - о современной (сегодняшней, сиюминутной) активности разломов, о характере микро- и макросмещений по ним, о вероятности нарушений сплошности верхней части геологического разреза, в которой располагаются инженерные объекты
Известны факты постепенного накапливания опасных для инженерных сооружений тектонических напряжений в зонах древних разломов, разрядка
которых (например, в виде криппа) приводит к столь же нежелательным последствиям, что и однократные сейсмические события.
Геология устанавливает наличие деформаций в зонах разрывных нарушений в течение большого промежутка времени, несопоставимого со временем функционирования трубопроводов и транспортных сооружений и поэтому не может быть средством оперативного предсказания возможных разрывных деформаций.
Развитие современных спутниковых технологий в настоящее время позволяет создать непрерывный геодезический мониторинг деформационных процессов с обеспечением регистрации деформаций земной коры на уровне точности от ±(2^5) мм в зависимости от расстояния между пунктами. Причем эти измерения будут осуществляться на участках большой протяженности и, в масштабе близком к реальному времени, будут определяться те участки района, в которых эти деформации достигли критической величины.
В целях отработки новых технологий для изучения деформационных процессов и возможного моделирования деформационных процессов необходимо создание системы комплексного геодинамического мониторинга района размещения инфраструктуры сооружений Сочинского горноклиматического курорта и особенно наиболее ответственных спортивных сооружений и транспортных магистралей.
Основания для разработки и реализации системы геодинамического мониторинга региона развития г. Сочи:
- Обеспечение безопасности функционирования инфраструктуры спортивных, инженерных, транспортных и т.п. сооружений горно-спортивноклиматического комплекса и безопасности жизнедеятельности людей;
- Район относится к сейсмичным регионам, возможны землетрясения с магнитудой 7,5.
- В регионе Кавказа в настоящее время ведется геодинамический мониторинг, однако район развития г. Сочи не достаточно оснащен необходимыми элементами системы геодинамического мониторинга.
Цели и задачи
Район проектируемого комплексного Сочинского геодинамического полигона имеет очень сложную геотектоническую структуру, характеризуемую несколькими генеральными разломами, а также густой сетью региональных и локальных разломов, точное месторасположение которых следует определить.
Главной задачей при проектировании данного полигона является организация непрерывного мониторинга деформационных процессов, позволяющих одновременно определять деформации в единой системе координат на всем регионе Северо- Западного Кавказа. Несмотря на то, что все районы данного региона взаимосвязаны, наибольшее влияние следует уделить району развития горно-климатического курорта г. Сочи до 2014 года.
На этом геодинамическом полигоне дополнительно к пунктам GPS и нивелирным реперам необходимо установить и соответствующую геофизическую аппаратуру.
На основе предварительных (на стадии эскизной разработки) научноисследовательских и опытно-конструкторских работ по непрерывному деформационному мониторингу территории предполагается выполнить следующий состав работ:
а) Анализ геолого-геофизических архивных и фондовых материалов с целью определения расположения разрывных нарушений и выбора наиболее опасного в отношении возможных деформаций участков.
б) Выявление ослабленных зон земной коры в разломных зонах с помощью комплексных геофизических исследований.
в) Создание GPS/ГЛОНАСС геодезической сети, с целью мониторинга деформационных процессов.
г) Закладка грунтовых, скальных и настенных реперов для организации трасс повторных высокоточных нивелировок между GPS/ ГЛОНАСС - пунктами.
д) Разработка комплексной технологии GPS - измерений и повторного нивелирования.
е) Разработка телекоммуникаций и организация диспетчерско-аналитического центра.
ж) Обработка полученных комплексных наблюдений в режиме реального времени.
з) Создание диспетчерской службы деформаций, их анализ и регистрация, оповещение о критических участках трассы.
и) Проведение режимных геофизических наблюдений. Регистрация и определение параметров землетрясений осуществляемых сетью сейсмических станций Кавказского региона.
В состав геодезическо-геофизического комплекса входят:
1. Высокоточный комплекс GPS/ГЛОНАСС измерений, обеспечивающий непрерывный мониторинг деформационных процессов на уровне точности ± (2-
5) мм на расстояниях до 30 км.
2. Комплекс повторных высокоточных нивелировок I-II классов.
3. Деформационный мониторинг с помощью наклономеров и деформографов.
4. Гравиметрические исследования.
Разрабатываемый рабочий проект должен содержать так же описание геодезической и геофизической аппаратуры, технологию ее установки и последующей эксплуатации, а также технологию и средства трансляции измерительной информации в единый диспетчерский центр.
На первом этапе (в течение 2009-2010 г.г.) создания системы геодинамического мониторинга района развития. Г. Сочи (2006-2014 гг.) следует выполнить следующие виды работ:
1) Разработать инфраструктуру геодинамического полигона - определение местоположения GPS пунктов, реперных пунктов, геофизической аппаратуры на основании анализа сейсмической информации.
2) Установка аппаратуры и организации автоматизированной передачи измерительной информации по каналам телекоммуникационной связи.
3) Обустройство постоянно действующих пунктов GPS/ГЛОНАСС наблюдений и организация автоматизированной системы передачи измерительных данных в масштабе реального времени по каналам связи в аналитический диспетчерский центр (8^12 пунктов).
4) Проектирование и закладка системы контрольных реперных пунктов для регулярных GPS наблюдений (80 пунктов) и повторного нивелирования.
5) Доставка и монтаж технологического оборудования.
6) Выбор места расположения и создание диспетчерского пункта.
7) Проведение обучения обслуживающего персонала.
8) Разработка методики и проведение контрольных испытаний деформационного геодезического мониторинга.
Принцип построения деформационного мониторинга
Развитие современных спутниковых технологий координатных определений на основе GPS/ГЛОНАСС измерений коренным образом изменяют принцип построения геодезических сетей на геодинамических полигонах с целью изучения деформаций земной коры. Эти изменения в основном сводятся к следующему:
- По результатам измерений на каждом пункте с высокой точностью определяются все три координаты, т.е. пространственное положение геодезического пункта;
- Возможна реализация непрерывных наблюдений и передачи информации в единый центр данных в масштабе реального времени (мониторинг), тем самым осуществляется регистрация деформации и оперативный контроль их критической величины;
- Анализ результатов непрерывных GPS измерений (как индикаторов динамики деформаций) является основой для регламентации частоты (цикличности) более подробных деформационных измерений повторными высокоточными нивелировками или GPS/ГЛОНАСС измерениями.
- Высокая степень свободы выбора местоположения пункта (возможность расположения непосредственно в ослабленных зонах по линии разлома и в то же врем легко доступного);
- Возможность высокоточного определения взаимного положения точек физической поверхности Земли, удаленных друг от друга на значительные расстояния.
Таким образом, по результатам непрерывных GPS геодезических измерений определяются количественные характеристики деформаций земной коры в местах наиболее активных разломов (ослабленных зон); по результатам GPS -измерений, как деформационных индикаторов, определяется необходимость, точность и цикличность повторных нивелировок, устанавливается специальная геофизическая аппаратура: деформографы,
наклометры и др.
В результате будет создана практически автоматизированная система геодинамического мониторинга деформационных процесса, в том числе и и регистрация величин деформаций в масштабе реального времени.
Эти новые возможности современных спутниковых геодезических технологий при изучении деформаций земной коры, дают следующие преимущества по сравнению с традиционными методами геодезии на геодинамических полигонах.
Экономическая эффективность При использовании спутниковых технологий в зоне расположения активных тектонических разломов будут наблюдаться 8^12 пунктов GPS/ГЛОНАСС измерений со специальной конструкцией центров, обеспечивающих принудительное центрирование спутниковых антенн. Общее количество реперных пунктов для района развития г. Сочи до 2014 будет составлять порядка 80.
Основные затраты будут связаны с начальным этапом создания непрерывного мониторинга при формировании общей инфраструктуры полигона: закупка оборудования, закладка специальных центров, прокладка телекоммуникаций, создание центрального диспетчерско- аналитического центра и т.п. капитальные работы и т.п. будет составлять 120^150 млн. рублей.
В дальнейшем стоимость текущих геодезических и геодинамических работ будет составлять 6-8 миллионов рублей в год, и 3 млн. руб. в год на содержание диспетчерской службы и аналитического центра деформационного мониторинга.
Тем самым будет осуществлена реализация доставки информации в реальном масштабе времени в единый центр обработки данных через Intemet При традиционных методах геодезических измерений на каждом из подобных геодинамических полигонов Роскартографии развивалась сеть из 20 -30 пунктов триангуляции, расположенных, как правило, на вершинах гор или других труднодоступных местах. Эти условия расположения пунктов приводили к большим сложностям организационного характера и значительным экономическим затратам. Одновременно развивалась сеть нивелирных пунктов, как правило вдоль дорог или по долинам рек. Это приводило к тому, что сеть триангуляции и нивелирная сеть развивались независимо друг от друга, что затрудняет последующий анализ деформаций. Стоимость только одного цикла измерений с последующей обработкой на таком полигоне составляет порядка 25 миллионов рублей. Соответственно, для 80 пунктов Сочинского геодинамического полигона затраты на один цикл измерений составил бы около 75 млн. рублей. Мало того, в этом случае деформации будут определяться только на локальных участках этих полигонов, а максимальные деформации и в том числе землетрясения, могут быть на других участках этого региона.
Технологическая эффективность При использовании классической (традиционной) схемы организации геодинамических работ организация повторных измерений на каждом полигоне возможна на интервале в лучшем случае в 1^5 лет. Тем более, что организация одновременных измерений по всем пунктам полигона практически не
возможна. Поэтому, вероятность уловить момент активизации деформационных процессов очень мала, а изучение же процесса подготовки возможных землетрясений практически не реально.
Построение непрерывного мониторинга деформационных процессов, основанного на применении современных спутниковых технологий, вовсе не означает отказ от использования уже накопленного информационного потенциала на основе традиционных геодезических методов. Все эти данные изучаются и используются при создании новых геодезических построений. Мало того, при создании системы контрольных реперных точек будут максимально использованы геодезические пункты (главным образом, нивелирные репера) уже созданные Роскартографией на территории Северо -Западного Кавказа. Метод повторного нивелирования был и остается наиболее точным, а следовательно наиболее объективным методом изучения вертикальных движений земной коры. В планах дальнейшего развития комплексного Сочинского геодинамического полигона предполагается выполнение работ по повторному нивелированию только с той цикличностью и на тех локальных участках, где по данным непрерывного GPS -мониторинга отмечают наиболее активные деформационные процессы.
В настоящее время одной из задач по безопасности функционирования инфраструктуры сооружений горно- климатического курорта Сочи является регистрация собственно деформаций и контроль их допустимых величин в масштабе реального времени. Разрушительные землетрясения происходят не так часто, а собственно процесс деформаций земной коры - это постоянный непрерывный процесс и их величины в районах тектонических разломов могут вывести из строя спортивные и другие сооружения и помимо землетрясений.
Центральным узлом всего процесса непрерывного мониторинга будет являться сеть из 8^12 пунктов постоянных GPS/ГЛОНАСС наблюдений за деформациями, расположенных, как правило, в районе населенных пунктов, на железнодорожных станциях, порталов тоннелей, мостов и т.п. На этих постоянно действующих пунктах GPS/ГЛОНАСС наблюдений будут установлены спутниковые приемники для непрерывной регистрации практически с любыми интервалами. Данные наблюдений в масштабе реального времени будут передаваться в единый диспетчерский контрольный центр. В этом центре в автоматизированном режиме на основе специализированного программного обеспечения будут регистрироваться величины деформаций (изменения координат во времени по 4 составляющим X,Y,Z и H ). Эти величины в виде непрерывных графиков во времени будут являться текущими контрольным отсчетным материалом диспетчерско-аналитического центра. На специализированном сайте центра будут помещаться сами результаты GPS/ГЛОНАСС измерений на постоянно действующих пунктах. Это позволит в режиме постобработки выполнить высокоточные определения координат для задач кадастра, геодезического обеспечения строительства, топосъемок и т.п. многими организациями.
Файлы с измерениями на GPS- пунктах передаются с компьютеров на центральный сервер, установленный в диспетчерском центре по запросам,
генерируемым ежесуточно в автоматическом режиме. На центральном сервере осуществляется фильтрация и первичная архивация данных, поступающих со станций, а затем предварительная обработка с помощью специализированного программного обеспечения (GAMIT/GLOBK) массива данных по всему региону Сочинского Геодинамического полигона (СГДП).
Ключевой фактор, определяющий результативность работы всей проектируемой системы геодинамических исследований - это стабильность закрепления наблюдательных пунктов относительно подстилающих слоев земной коры.
Структура деформационного мониторинга
Данные анализа деформаций, выполняемого в аналитическом центре, будут являться критерием установки частоты повторных измерений на контрольных реперах, а в случае необходимости при активизации тектонических процессов установки дополнительных пунктов или дополнительных видов контрольно-измерительной аппаратуры.
Точность регистрации местоположения и его изменения во времени постоянно действующих пунктов будет составлять первые миллиметры т.ХА2=±1-2 мм
Эти данные измерений будут в автоматизированном режиме передаваться в аналитический диспетчерский центр.
Система постоянно действующих пунктов кроме основного назначения может быть использована также как опорная геодезическая основа для обеспечения топографо-геодезических работ, инженерно-геодезических работ при строительстве и эксплуатации инженерных сооружений, для решения навигационных задач на авиа, ж/д и других транспортных магистралях.
в
Наземные центры пунктов непрерывного геодезического мониторинга движений и деформаций земной поверхности
Наземный центр (справа)
© В.П. Савиных, Г.В. Демьянов, Х.К. Ямбаев, 2010
lO
