Розробка оперативного методу визначення об’ємів ґрунту

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний університет “Львівська політехніка”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.24..01 - геодезія

Розробка оперативного методу визначення об'ємів ґрунту

Гарасимчук Ігор Фловіянович

Львів - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Тревого Ігор Севірович, декан інституту геодезії

Національного університету “Львівська політехніка”, м. Львів.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент Заблоцький Федір Дмитрович, завідувач кафедри вищої геодезії і астрономії Національного університету “Львівська політехніка”, м. Львів

кандидат технічних наук Бурак Костянтин Омелянович, доцент кафедри геодезії Івано-Франківського національного університету нафти і газу, м. Івано-Франківськ.

Провідна установа: Український державний університет водного господарства та природокористування, м. Рівне.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат технічних наук, доцент Савчук С.Г.

Анотація

тахеометричний знімання ґрунт

Гарасимчук І.Ф. Розробка оперативного методу визначення об'ємів ґрунту.

Дисертацією є рукопис на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.24.01 - геодезія. Національний університет “Львівська політехніка”, м. Львів. 2003 р.

Розроблено і впроваджено у виробництво оперативний метод визначення об'ємів ґрунту, який базується на створенні цифрової моделі поверхні за результатами електронного тахеометричного знімання з урахуванням впливу вертикальної рефракції на результати тригонометричного нівелювання. Розроблено методики, які дають змогу підвищити точність визначення висоти насипаного ґрунту, врахувати величину ущільнення ґрунту та просідання основи споруди, врахувати вплив зовнішнього середовища на результати тригонометричного нівелювання з перехідної станції двох пунктів із відомими координатами й висотами, виконувати обчислення на персональних комп'ютерах еквівалентних висот по кожному напрямку за результатами тахеометричного знімання поверхні. Метод опробований на спеціально створеному експериментальному полігоні під час побудови великої земленасипної греблі та циклічних спостереженнях за визначенням об'ємів ґрунту. Розроблено власне програмне забезпечення для обчислення об'ємів ґрунту шляхом поділу поверхні знімання на неперекривні трикутники, вершинами яких є точки поверхні. Запропонований метод є ефективним і порівняно з традиційними дає змогу у 2-3 рази скоротити затрати часу на виконання польових робіт та у 5-7 разів зменшити кількість пунктів знімальної основи.

Ключові слова: визначення об'ємів ґрунту, електронне тахеометричне знімання, еквівалентні висоти, тригонометричне нівелювання, вертикальна рефракція.

Аннотация

Гарасимчук И.Ф. Разработка оперативного метода определения объемов грунта.

Диссертацией есть рукопись на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.24.01 - геодезия. Национальный университет “Львовская политехника”, г. Львов. 2003 г.

Предложенный оперативный метод определения объемов грунта по результатам электронной тахеометрической съемки поверхности. Метод позволяет значительно (на порядок) уменьшить количество пунктов съемочного обоснования, а их закладку выполнять за границами строительства объекта, что способствует их длительному сохранению. Предложено в качестве пунктов съемочной основы использовать трубчатые знаки. Выполнен расчет точности определения объемов грунта за результатами электронной тахеометрической съемки с учетом вертикальной рефракции для специальной экспериментальной наблюдательной станции. Выполнены экспериментальные исследования с целью выявления оптимального расстояния между пикетными точками с минимальной ошибкой влияющей на точность определения объемов грунта. Установлено, что расстояние между пикетными точками должно быть не более 15 м, а по линиях изменения уклонов расстояние между ними желательно уменьшить вдвое. Впервые предложено автоматизировать определение эквивалентных высот по каждому направлению используя для этого результаты электронной тахеометрической съемки. Приведены формулы, методика и порядок вычислений. Впервые выведены формулы и разработана методика наблюдений для определения высот переходных станций и определенных с них пикетных точек, с учетом аномального коэффициента вертикальной рефракции за результатами тригонометрического нивелирования с переходной станции двух пунктов с известными координатами и высотами. Метод опробован на результатах собственных наблюдений и на классических материалах. Установлено, что систематическая часть влияния внешней среды полностью учитывается, а точность тригонометрического нивелирования по предложенной методике соответствует точности не ниже нивелирования III класса. Доказано, что предложенный метод не уступает по точности методу рефракционного базиса, а если использовать средние высоты переходной станции из n серий измерений, то значение средней высоты приближается к теоретическому. Впервые разработано собственное программное обеспечение для вычисления объемов. Предложено делить поверхность на не перекрывающиеся треугольники, вершинами которых есть пикетные точки. Объем грунта определяют, как сумму объемов трехгранных усеченных призм над принятой условной поверхностью основанием которых есть эти треугольники. Выполнены исследования консолидации насыпанного грунта. Предложено определять консолидацию грунта комплексным методом (компенсационно-консолидационным методом и дополнительно используя результаты геодезических измерений). Разработана методика определения и учета величины оседания основы сооружения под тяжестью насыпанного грунта за результатами геодезических измерений. Предложены рекомендации по закладке и размещению глубинных марок. Выполнены многолетние экспериментальные наблюдения по определению объемов грунта при строительстве крупной земляной плотины Вижомлянского хвостохранилища для складирования отходов серного производства. В результате исследований установлено, что предложенный метод более эффективный и точный по сравнению с традиционными методами, позволяет в 2-3 раза сократить затраты времени на выполнение полевых работ и в 5-7 раз количество пунктов съемочной основы.

Ключевые слова: определение объемов грунта, электронная тахеометрическая съемка, эквивалентные высоты, тригонометрическое нивелирование, вертикальная рефракция.

Annotation

І. F. Garasymchuk. Operational method elaboration of the soil volume determination.

Dissertation is manuscript on competition a scientific degree of the candidate of technical science by specialty 05.24.01-geodesy. - National University "Lviv Polytechnic". Lviv, 2003.

Operation method of the soil volume determination base on the electronic tachometric was proposed. This method is bases on the digital surface model construction using the results of the electronic tacheometric surveying account of the vertical refraction. Some ways of the precision improved of the embankment height determination was elaborated. They allow to considerate consolidation of the soil, compression of the basis, influence of the external environment on the trigonometric leveling results of the two points with certain coordinates and elevations from temporary station, and automation of the equivalent elevation determination from tachometric surveying. Method was checked on the special experimental polygon during the large ground rowing construction and repeated observations of the soil volume determination. The program of the soil volume determination by divide of the surface on the triangles, which don't cover each other was elaborated. This method is effective and decrease the fields work time in 2-3 times and the number of the surveying base point 5-7 times.

Key words: soil volume determination, electronic tachometric surveying, equivalent elevation, trigonometric leveling, vertical refraction.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Під час будівництва та експлуатації великих земленасипних споруд ведуться натурні циклічні визначення об'ємів насипаного ґрунту. Обсяги, частота та вартість таких робіт залежать від форми, величини площі та висоти споруди, від термінів будівництва споруди, відстані від кар'єру до споруди, методів перевезення ґрунту, складу ґрунту, умов погоди тощо. Крім цього, об'єми визначають під час: добування корисних копалин та їх складування; виконання меліоративних робіт; будівництва аеродромів, водозахисних дамб, залізниць та автомобільних доріг; розпланування територій будівельних майданчиків; виявлення та вивчення об'ємів і динаміки зсувів порід тощо.

Виконувати такі роботи необхідно в короткі терміни з відповідною точністю, особливо при інтенсивному будівництві споруди. Переважно визначення об'ємів виконують за результатами геодезичних вимірювань. Обсяги геодезичних вимірювань залежать від величини та форми споруди, складності рельєфу поверхні. Крім цього, під час спостережень необхідно враховувати всі можливі фактори, що впливають на точність вимірювань, швидкість консолідації породи в тілі споруди, просідання її основи (особливо під час будівництва споруди на нескельній основі). У таких випадках просідання основи споруди може досягати значних величин. Так за п'ятирічний період будівництва земленасипної греблі Моттмарі (Швейцарія) висотою 120 м просідання її основи (флювіогляціальні відкладення і моренні суглинки) досягала 2,1 м.

Актуальність теми полягає у потребі розробки надійного та оперативного методу циклічного визначення з належною точністю об'ємів ґрунту наземними геодезичними методами під час побудови та в період формування проектної форми земленасипної споруди.

Відомі на сьогодні методи визначення об'ємів базуються на використанні цифрової моделі поверхні. Чим більша кількість координованих точок, що описують поверхню, тим вища точність визначення об'єму. Вимоги до точності визначення об'ємів досить високі. Для цього необхідно розробити методику циклічних спостережень, що дозволить своєчасно, точно, за короткий термін отримати величину об'єму виконаних робіт, контролювати терміни цих робіт та кошти витрачені на побудову споруди за певний проміжок часу, формувати згідно з проектом тіло споруди, зменшити затрати коштів та часу на виконання геодезичних робіт. Тахеометричне знімання за допомогою електронних тахеометрів на сьогодні є ефективним методом створення цифрової моделі поверхні завдяки збільшенню радіуса знімання з однієї станції, зменшенню кількості пунктів геодезичної основи, швидкому (без припинення будівництва) виконанню польових геодезичних робіт та опрацюванню результатів спостережень на персональних комп'ютерах.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота пов'язана з планами та науковим напрямом галузевої науково-дослідної лабораторії кафедри геодезії (ГНДЛ-18) ? вивченням атмосферного впливу на астрономо-геодезичні виміри. ГНДЛ-18, а зокрема автор, брали участь у створені спостережних станцій та виконанні циклів спостережень за деформаціями і зсувами на Яворівському та Роздільському сірчаних кар'єрах та на їх гідротехнічних спорудах у Львівській області. Дослідження, виконані автором, розширюють і поглиблюють знання про методику виконання таких робіт.

Мета і задачі досліджень. Метою цієї роботи є: розроблення методу оперативного визначення об'ємів насипаного ґрунту за результатами електронного тахеометричного знімання поверхні; виявлення та врахування систематичних похибок, що впливають на точність визначення об'єму; автоматизація опрацювання результатів спостережень. Для реалізації мети необхідно вирішити такі задачі:

Створити спеціальну експериментальну спостережну станцію з оптимальною кількістю геодезичних пунктів для циклічних спостережень за визначенням об'ємів ґрунту;

Визначити оптимальну відстань між пікетними точками для відображення рельєфу поверхні споруди з допустимою точністю;

Розробити методику спостереження еталонного перевищення і тахеометричного знімання поверхні з перехідних станцій, що дасть змогу значно розширити площу знімання;

Розробити методику спостережень за просіданням основи споруди;

Розробити методику врахування геодезичними методами величини консолідації ґрунту;

Розробити методику обчислення еквівалентних висот напрямків на кожну пікетну точку за результатами тахеометричного знімання поверхні;

Дослідити запропонований метод визначення об'ємів ґрунту на експериментальному полігоні під час побудови великої земленасипної греблі;

Розробити власний програмний пакет для опрацювання результатів спостережень та обчислення об'ємів ґрунту на персональних комп'ютерах.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

Уперше опрацьовано оперативний метод визначення об'ємів ґрунту за результатами електронного тахеометричного знімання поверхні, який дозволяє швидко й точно визначати об'єм насипаного ґрунту;

Створено спеціальну спостережну станцію й експериментальний еталонний полігон для виконання й дослідження точності електронного тахеометричного знімання поверхні з використанням мінімальної кількості опорних пунктів;

Уперше опрацьовано методику врахування впливу вертикальної рефракції на точність визначення висоти перехідної станції та точок робочої поверхні за результатами тригонометричного нівелювання з перехідної станції двох опорних пунктів;

Уперше опрацьовано методику обчислення на персональних комп'ютерах еквівалентних висот кожного напрямку за результатами тахеометричного знімання поверхні;

Уперше опрацьовано власне програмне забезпечення для оперативного обчислення об'ємів ґрунту на персональних комп'ютерах, яке дає змогу поділяти робочу поверхню на неперекривні трикутники, вершинами яких є точки робочої поверхні.

Це дає змогу прискорити польові геодезичні роботи, пов'язані з визначенням об'ємів, підвищити точність визначення об'ємів, автоматизувати камеральні роботи, зменшити затрати коштів та часу на їх виконання і тим самим допомагає отримувати економічний ефект у результаті виконання робіт, пов'язаних із визначенням об'ємів ґрунту.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що запропонований і розроблений метод може успішно використовуватися для визначення об'ємів під час:

будівництва будь яких земленасипних споруд (особливо великих розмірів);

розпланування територій;

планування та забудови населених пунктів;

виконання меліоративних та зрошувальних робіт;

рекультивації териконів, відвалів;

видобутку корисних копалин відкритим способом, а також для контролю запасів на складах вугілля, керамзиту, скелля, піску, інших корисних копалин тощо.

Запропонований оперативний метод, із власним програмним забезпеченням, дає змогу швидко, якісно й точно визначати об'єми ґрунту, у 2-3 рази зменшувати затрати часу й коштів на виконання польових і камеральних робіт. Результати наукових розробок і досліджень впроваджені й використовуються на Яворівському гірничо-хімічному підприємстві “Сірка”.

Особистий внесок здобувача. Усі нові наукові розробки, викладені в дисертації, отримані автором самостійно. У спільних публікаціях особистий внесок здобувача полягає в наступному:

- розробці теоретичних положень [1-3, 5, 8, 9, 12, 13];

- розробці програм досліджень [1-5, 7-14];

- виконанні експериментальних досліджень [2-14];

- опрацюванні результатів експериментальних спостережень [1-14];

- розробці комп'ютерного програмного забезпечення [1, 4, 5, 8, 9];

- аналізі отриманих результатів [2-10, 12-14];

- формуванні висновків [1-5, 7-9, 11-14].

Апробація роботи здійснена у доповідях на науково-технічних конференціях різного рівня, зокрема, на: республіканській науково-технічній конференції “Современное состояние и перспективы прикладной геодезии” (Елгава, 1989); всесоюзній науково-технічній конференції “Состояние и перспективы инженерно-геодезических и фотограмметрических работ” (Новосибирск, 1990); науково-практичній конференції “Сучасні досягнення геодезичної науки і виробництва в Україні” (Львів, 1996); науково-технічній конференції “Сучасні досягнення геодезії, геодинаміки та геодезичного виробництва” (Львів,1999); міжнародних науково-технічних конференціях “Сучасні досягнення геодезичної науки і виробництва” (Яворів, 2000, 2002); науково-технічних конференціях Національного університету “Львівська політехніка” тощо.

Крім цього, запропонований метод перевірено під час будівництва великої (довжина понад 1000 м, ширина в основі 320 м, висота 34 м) земленасипної греблі Віжомлянського хвостосховища для складування відходів сірчаного виробництва Яворівського гірничо-хімічного комбінату “Сірка” у Львівській області, а також під час циклічних спостережень за розбудовою й стійкістю інших гребель цього підприємства.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані у центральних фахових виданнях та збірниках наукових праць конференцій, у тому числі і міжнародних. За матеріалами дисертації опубліковано у співавторстві 14 наукових праць. 10 із них у наукових виданнях.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі списку умовних скорочень, вступу, 3 розділів, висновків і переліку використаних джерел (91 назва) та додатків. Загальний обсяг дисертації становить 146 сторінок, у тому числі додатків на 26 сторінках, які включають результати обчислень та документи впроваджень результатів науково-дослідних робіт. Робота містить 18 рисунків і 20 таблиць.

2. Основний зміст роботи

У вступі виконано короткий аналіз проблеми, обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета й задачі досліджень, наукова новизна й практичне значення одержаних результатів та їх апробація на міжнародних науково-технічних конференціях і симпозіумах, особистий внесок автора стосовно основних положень, представлених у роботі.

У першому розділі зроблено огляд та аналіз методів визначення об'ємів ґрунту. Усі вони базуються на побудові цифрової моделі поверхні. Цифрові моделі поверхні можна умовно поділити на чотири категорії:

Моделі з розташованими опорними точками у вузлах регулярної сітки, утвореної квадратами, прямокутниками, рівносторонніми трикутниками;

Напіврегулярні моделі (система взаємно паралельних профілів);

Структурні моделі з розташуванням точок у місцях локальних екстремумів і зміни ухилів рельєфу;

Моделі з хаотичним розташуванням точок.

Вихідними даними для побудови цифрової моделі рельєфу можуть бути:

просторові координати, отримані з фотограмметричних вимірювань аерофотознімків;

польові топографічні виміри;

результати, отримані внаслідок опрацювання топографічних планів і карт.

Опрацювання інформації зводиться до інтерполювання між опорними точками. За допомогою електронно обчислювальних машин, автоматичних координатографів викреслюються горизонталі на основі кусково-поліномної моделі рельєфу. Моделювання поверхні можна здійснити за допомогою полі квадратичних функцій, але їх використання забезпечує точність визначення висот на однорідних і слабо розчленованих схилах 1/3 -1/4- перерізу рельєфу.

Методи створення моделей першої й другої категорій трудомісткі, точність визначення об'єму - невисока, а збільшення кількості опорних точок збільшує затрати часу на виконання польових та камеральних робіт. Моделі 3 і 4 категорій краще описують поверхню. Вони створюються за результатами тахеометричного або аеро чи стерео фотограмметричного знімання поверхні. Ефективним є стереофотограмметричний метод знімання поверхні. Його переваги: безконтактний спосіб та велика швидкодія знімання, повна достовірність відображення поверхні, але його застосування обмежується порівняно невисокою точністю, умовами погоди, складністю, наявністю та вартістю фотограмметричного обладнання, значним обсягом камеральних робіт, тощо. Такий метод доцільно застосовувати для знімання важкодоступних поверхонь.

Цифрову модель поверхні можна створити за результатами тахеометричного знімання. Використання для цього електронних тахеометрів дає змогу значно зменшити кількість пунктів знімальної основи та у 2-3 рази затрати часу та коштів на виконання польових робіт.

За умови, якщо V>2000000 м³, тоді , а коли V<200000 м³ - . Точність визначення об'єму залежить від точності геодезичних вимірювань та точності відображення рельєфу (апроксимації поверхні).

Точність визначення об'єму ґрунту за результатами геодезичних вимірів залежить в основному від точності визначення висот точок робочої поверхні та їх кількості і в меншій мірі (на декілька порядків менше) вона залежить від точності визначення їх координат.

Такий підхід до розрахунку точності визначення об'єму неоднозначний тому, що похибки у визначенні висот точок не залежать від висоти насипаного ґрунту. На точність визначення середньої висоти насипаного ґрунту в основному впливають систематичні похибки, а вплив випадкових похибок із збільшенням кількості n пікетних точок прямує до нуля. Отже шляхом врахування усіх систематичних похибок, що впливають на точність визначення висот точок робочої поверхні та основи споруди можна підвищити точність визначення об'єму ґрунту.

У другому розділі виконано обґрунтування методу й розрахунок точності електронного тахеометричного знімання робочої поверхні. Метод опробуваний під час будівництва великої земленасипної споруди Віжомлянського хвостосховища. Для цього запроектовано й побудовано спеціальну експериментальну спостережну станцію.

Опорні пункти та глибинні репери, закладені за межею депресивної зони. Опорні пункти - металеві трубчаті знаки (висота 3 м) із площадкою для швидкого й точного (до 0,3 мм) центрування приладів. Нижня, перфорована частина знаку встановлювалася на тверду основу на глибину 1,7 м і бетонувалася, а обсадна труба - нижче рівня промерзання ґрунту. Вона захищала знак від ударів, випучування та дії сонячного проміння. Проміжок між обсадною трубою й знаком заповнювали піском. Досліджено, що від нагріву сонячним промінням трубчатий знак за період дня може змінювати планове положення до 1 мм, а з обсадною трубою - до 0,1 мм.

Зроблено розрахунок точності визначення координат та висот опорних пунктів. Середня квадратична похибка визначення координат <11 мм. Контроль за зміною взаємного положення опорних пунктів виконується мікротріангуляцією та спостереженнями далекого напрямку - (пункт ТХ). Точність визначення взаємного положення опорних пунктів для найбільшої відстані між ними <3,2 мм. Висоти опорних пунктів визначають із нівелювання II або ІІІ класу із середньою квадратичною похибкою у найслабшому місці ходу 3,5 мм та 7 мм відповідно.

З метою визначення оптимальної кількості пікетних точок, що описують поверхню знімання з допустимою точністю, й максимальної відстані між ними було створено спеціальний експериментальний полігон із 573 квадратів, площею . Висоти вершин квадратів визначені з геометричного нівелювання III і IY класу. Об'єм ґрунту обчислювали для віддалей між знімальними точками 10 м, 20 м, 30 м, 40 м, 50 м. За еталонний прийняли об'єм 333503 м³ для квадратів із сторонами 10 м. Установлено, що віддаль між пікетними точками не повинна бути більшою 30 м. Тоді похибка у визначенні середньої висоти не перевищить 2 см, а точність визначення об'єму - 0,2 %. Для точнішого визначення оптимальної віддалі між пікетами створено дві моделі з регулярною сіткою через 1 м. Перша модель - поверхня помірно погорбкована, ґрунт частково розрівняний, але не спланований (використали 4127 точок, , , , ). Друга модель - поверхня погорбкована, ґрунт не розплановувався (використали 3424 точки, , , , ). Результати досліджень підтвердили зроблений вище висновок. Запропоновано максимальну віддаль між пікетами встановити 15 м, а по лініях зміни ухилів її зменшити вдвічі.

Зроблено розрахунок точності визначення координат точок поверхні електронним тахеометром полярним методом. Розрахунок виконано для різних віддалей та середніх квадратичних похибок визначення зенітної відстані й азимута та . Установлено, що навіть при відстані 1500 метрів та похибці у вимірюванні горизонтального кута , абсолютна похибка у визначені планового положення точок робочої поверхні буде незначною і пропорційно зростає із збільшенням віддалі до пікету та похибки .

Виконані дослідження впливу похибок визначення координат опорних пунктів, на точність визначення об'єму для споруд різних форм, розмірів, їх нахилу та орієнтації відносно пунктів спостережень. Якщо споруду будують на рівній основі, а спостереження виконують з одного пункту, то похибка - незначна і її величиною можна нехтувати. Якщо спостерігають із декількох станцій, то похибка може бути значною, але її можна мінімізувати методикою спостережень. Якщо поверхня нахилена, то похибка може бути значною (1-2 %) і залежить: від співвідношення площі споруди і прийнятої площі знімання, від розташування пункту, із якого виконують спостереження, відносно самої споруди. Якщо пункти, із яких виконують спостереження закладені паралельно до осі споруди, то похибка не перевищує 0,1% від величини об'єму. Отже, похибку можна зменшити на стадії проектування спостережної станції та методикою спостережень. Вплив випадкових похибок визначення координат точок поверхні на величину визначення об'єму зі збільшенням їх кількості зменшується.

Далі розглянуто особливості визначення висот точок робочої поверхні із тригонометричного нівелювання з урахуванням вертикальної рефракції. З відомих методів врахування вертикальної рефракції найбільший інтерес становлять методи, що базуються на врахуванні вертикальної рефракції за результатами геодезичних вимірювань. Це редукування зенітних відстаней на періоди спокійних зображень, метод еталонного напряму, флуктуаційний метод. Але їх використання потребує спеціальних методик спостережень, трудомістких математичних обчислень, затрат часу на польові та камеральні роботи. Вплив вертикальної рефракції на результати тригонометричного нівелювання можна частково зменшити за рахунок підняття приладу та відбивача над підстильною поверхнею, але такий підхід потребує додаткового обладнання та затрат коштів.

Найпридатнішим під час тахеометричного знімання на нашу думку є метод рефракційного базису, але не завжди можна вибрати еталонний напрямок над подібною підстильною поверхнею.

Виконано розрахунок точності тригонометричного нівелювання без врахування впливу аномальної складової коефіцієнта вертикальної рефракції.

Зазначено, що основною похибкою у визначенні перевищення із тригонометричного нівелювання за формулою (4) є похибка у вимірюванні зенітних відстаней. Наприклад, для віддалі 1000 м та точності вимірювання вертикального кута 5? похибка у визначенні перевищення становить 2,5 см. Значення нормального коефіцієнта вертикальної рефракції можна обчислити з достатньою точністю за результатами метеорологічних спостережень і його величина не перевищує 0,2. Насправді ж у гарячу, сонячну погоду величина коефіцієнта вертикальної рефракції може досягати величини -5 і більше одиниць за рахунок аномальної складової коефіцієнта вертикальної рефракції і залежить від висоти проходження візирного променя над підстильною поверхнею, характеру підстильної поверхні, умов погоди, та періоду доби.

З метою економії коштів та матеріалів на закладання додаткових пунктів на території будівництва та їх спостереження, вперше запропоновано використовувати перехідні станції - місце, у якому встановлений на штативі електронний тахеометр й з якого видно значну частину території знімання та два (краще три) опорні пункти. Бажано, щоб віддаль до одного з пунктів була більшою у 2 і більше рази чим до другого, а еквівалентні висоти цих напрямків - навпаки.

Координати перехідної станції визначають із лінійної засічки, а висоту - за результатами тригонометричного нівелювання з перехідної станції пунктів А і Б.

Методику перевірено на результатах класичних спостережень^* для віддалей 500-2000 м і на власних спостереженнях. Точність визначення висоти перехідної станції відповідає точності геометричного нівелювання не нижче Ш класу. Крім цього, із збільшенням кількості серій спостережень, значення середньої висоти станції наближається до теоретичного. Перехідні станції, можуть бути використані як опорні для спостережень з інших перехідних станцій. Ці ж спостереження були опрацьовані за методом рефракційного базису. Доведено, що точність визначення висот пікетних точок запропонованим методом не нижча, ніж методом рефракційного базису, а з використанням середньої висоти станції, визначеної за період спостережень навіть підвищується.

Використовуючи результати класичних спостережень обчислили за формулою (7) величину нев'язки . Незалежно від стану погоди всі графіки мають подібну форму. Вранці й увечері зміна величини нев'язки значна, тому в ці періоди слід частіше повторювати спостереження на опорні пункти.

Запропоновано програму спостережень із перехідної станції серіями по 10-15 пікетних точок у серії. На початку і в кінці серії спостерігають вибрані опорні пункти.

Виведено формули обчислення висоти пікетної точки без обчислення висоти перехідної станції, та формулу для обчислення нев'язки на час спостереження пікетної точки.

Опрацьовано результати власних спостережень, виконаних на спеціально створеному експериментальному полігоні електронним тахеометром Та5. Відхилення висот одержаних із тригонометричного нівелювання від їх теоретичного значення мають випадковий характер і не перевищують 22 мм, а середні квадратичні похибки, обчислені за результатами відхилень у кожній серії - 12 мм.

Виконано розрахунок точності визначення об'ємів з урахуванням основних джерел похибок (похибка врахування ущільнення ґрунту ; похибка врахування осідання основи ; точність відображення фактичної форми поверхні її цифровою моделлю (апроксимація поверхні) ; точність визначення висот точок робочої поверхні геодезичними методами ).

Розглянуто окремо характер і величину кожної з цих похибок та їх сумарну дію на точність визначення об'єму ґрунту. Установлено, що для об'єму насипаного за квартал ґрунту (V=100 000 м³) на площі 200 мЧ300 м допустима похибка у визначенні об'єму згідно (1) повинна бути меншою , а згідно розрахунків за запропонованим методом - . Таким чином, розрахункова похибка у визначенні об'єму запропонованим методом навіть при такій точності вимірювань у 2,5 рази менша допустимого значення. Підвищуючи точність спостережень та точність відображення форм поверхні, можна суттєво підвищити точність визначення об'ємів насипаного ґрунту. Крім того, наочно видно, що точність визначення об'єму буде зростати із збільшенням висоти (об'єму) відсипаного ґрунту, а не зменшуватися, як це випливає з формули (1).

У третьому розділі розглянуті питання дослідження та реалізації запропонованого методу визначення об'ємів ґрунту під час побудови земленасипної греблі Віжомлянського хвостоcховища. Циклічні спостереження за визначенням об'ємів виконувались раз у квартал. Крім цього, у кожному циклі виконували контроль за просіданням основи греблі геодезичними методами. Для однозначності визначення зміни форми рельєфу площа знімання була більшою за площу основи греблі і становила 600Ч1200 м.

Тахеометричне знімання виконували відповідно до вимог інструкції для перерізу рельєфу через 0,5 м раз у рік у масштабі 1:1000 всієї території й раз у квартал у масштабі 1:500 частини території, де між циклами спостережень виконувалися земляні роботи.

Для автоматизації опрацювання результатів спостережень створено ряд програм на мові Турбо Паскаль: програма обчислення координат і наближених висот (без урахування аномальної складової коефіцієнта вертикальної рефракції) точок поверхні за результатами тахеометричного знімання; програма поділу поверхні на неперекривні трикутники, вершинами яких є ці точки; програма обчислення еквівалентних висот напрямку на кожну пікетну точку та обчислення висот пікетних точок з урахуванням аномальної складової коефіцієнта вертикальної рефракції; програма обчислення площі знімання та об'єму насипаного ґрунту в певному циклі спостережень. Ці програми можуть бути поєднані в одну програму в порядку описаному вище і доповнювати одна одну. Наведено формули та черговість опрацювання результатів спостережень.

При невеликих змінах еквівалентних висот напрямків на пікетні точки їх значення можна замінити середніми висотами, але для несиметричних профілів та для підвищення точності визначення висот пікетних точок доцільно було б знати точніше еквівалентні висоти цих напрямків. Уперше запропоновано автоматизувати визначення еквівалентних висот кожного напрямку за результатами тахеометричного знімання поверхні. Для цього віддаль S між тахеометром та візирною ціллю поділяють на n однакових інтервалів .

Висоту поверхні землі на середині і-того інтервалу визначають, використовуючи поділ поверхні на неперекривні трикутники та результати тригонометричного нівелювання.

Координати опорних пунктів визначали за результатами прокладання полігонометричних ходів 4 класу. Кутова нев'язка в ходах не перевищувала 5”, а відносна похибка - 1: 45 000, середня квадратична похибка вимірювання горизонтальних кутів не перевищувала 2”, а вимірювання ліній -5 мм. Різниці в значеннях координат не виходять за межі точності їх визначення і мають випадковий характер. Вертикальні рухи опорних пунктів переважно невеликі і в основному свідчать про осідання пунктів.

Виконані дослідження консолідації ґрунтів та циклічні спостереження за осіданням основи споруди. Запропоновано комплексний метод дослідження консолідації ґрунту, який включає компенсаційні і консолідаційні дослідження ґрунту порушеної структури, інструментальні спостереження за просіданням ґрунту, а також інструментальні визначення ущільнення ґрунту на різних стадіях його відсипання.

Але обчислена за формулою (18) величина ущільнення ґрунту не враховує величини остаточного ущільнення ґрунту, тобто зведеного до цілини. З трьох пунктів спостережної станції виконували тригонометричне нівелювання реперів (1, 2, 3), закладених на відвалі висотою 40 м.. Середні квадратичні похибки вимірювання вертикальних кутів не перевищили . Усього виконано сім серій спостережень (26, 27, 30 серпня, 1 і 6 вересня, 6 і 14 жовтня). Похибка визначення зміщень не перевищила 1,9 мм. Ущільнення ґрунту , обчислене за формулою (18), необхідно додавати до ущільнення ґрунту , визначеного геодезичними методами, тобто , а початком відлічування часу вважати початок відсипання ґрунту під репером, для якого побудований графік ущільнення.

З графіка видно, що ґрунт, навіть через 50 діб після відсипання, продовжує ущільнюватись й має фактично лінійну залежність. Крім цього, величина ущільнення залежить від висоти насипаного ґрунту. Через невраховування осідання поверхні Об'єм буде збільшеним. Тому, для дослідження осідання ґрунту в тілі греблі (після її часткового формування) необхідно поблизу глибинних марок закладати тимчасові репери (яки мають добре зчеплення з ґрунтом і несуть повну інформацію про рух поверхні) й визначати величину осідання поверхні геодезичними методами.

Для контролю за просіданням основи греблі, перед початком будівництва, в центральній її частині було закладено 32 глибинні марки, за якими виконувалися циклічні спостереження, але оскільки вони були розташовані нерівномірно, то повної інформації про просідання основи всієї греблі не було. На спеціально створеному полігоні (у вигляді сітки квадратів) між закладеними глибинними марками виконано циклічні спостереження. Висоти вершин квадратів визначені з геометричного нівелювання ІІІ класу. Установлено, що в середньому, величина осідання поверхні греблі становить 71 мм за 82 дні, а за добу - 0,876 мм. Висота насипаного ґрунту в районі полігона становила в межах від 0,5 м до 16 м, а середня висота 6,8 м.

За результатами спостережень глибинної марки й точки полігона, що закладена поблизу неї встановлено, що за квартал просідання основи споруди на 24 мм менше за осідання поверхні. Це визвано ущільненням насипаного ґрунту за цей період. Отже, якщо поблизу глибинних марок закладати тимчасові репери і під час кожного циклу спостережень визначати їх висоти, то таким чином можна врахувати величину ущільнення ґрунту й просідання основи споруди.

За одинадцятирічний період будівництва греблі Віжомлянського хвостосховища виконано понад 30 циклів спостережень за визначенням об'ємів насипаного ґрунту (понад 1000 пікетів у кожному циклі), та 14 циклів спостережень за визначенням планового й висотного положення пунктів спостережної станції. Установлено, що затрати часу на виконання електронного тахеометричного знімання поверхні у 2-3 рази менші ніж традиційними методами. В основному, час затрачується на перехід від однієї пікетної точки до іншої. Весь комплекс польових робіт у циклі займає не більше трьох днів для бригади з чотирьох виконавців.

Точність визначення об'ємів ґрунту вища за розраховану в розділі 2. Щодо камеральних робіт, то час переважно затрачається на введення результатів спостережень (формування банку даних) у пам'ять комп'ютера. Обчислення результатів тахеометричного знімання (700 пікетних точок) триває приблизно 5 хвилин.

Висновки

Результати виконаних теоретичних і експериментальних досліджень стали основою для розробки оперативного методу визначення об'ємів ґрунту й дають змогу зробити такі висновки:

Реалізація традиційних методів визначення об'ємів ґрунту потребує наявності великої кількості пунктів геодезичної основи, а також витрат часу на виконання польових та камеральних робіт, спеціальних приладів та обладнання. Їх точність часто не відповідає сучасним нормативним вимогам.

Ефективнішим і швидшим є запропонований оперативний метод визначення об'ємів за результатами електронного тахеометричного знімання поверхні. Експериментально доведено, що його точність в 2-3 рази вища від нормативної, а часу на визначення об'ємів потрібно в 3-6 раз менше, ніж традиційними методами. Метод впроваджений у виробництво.

На основі досліджень похибок, що впливають на точність визначення об'ємів ґрунту за результатами тахеометричного знімання робочої поверхні встановлено, що найбільш вагомою є похибка визначення висот точок для поверхні знімання з фіксованою площею.

У результаті виконаних на експериментальному полігоні досліджень встановлено, що оптимальна відстань між знімальними точками не повинна перевищувати 15 м, а в місцях значних змін ухилів поверхні її доцільно зменшувати вдвічі. При цьому похибка у визначення середньої висоти за рахунок точності відображення поверхні не перевищить 2 см.

Досліджено вплив вертикальної рефракції на результати тригонометричного нівелювання робочої поверхні і виявлено, що над розрихленим, зволоженим ґрунтом у жарку ясну погоду величина коефіцієнта вертикальної рефракції може досягати значних величин (5 і більше одиниць).

Розроблено методику електронного тахеометричного знімання поверхні з перехідних станцій та ефективну методику визначення їх висот, а також знімальних точок з урахуванням впливу вертикальної рефракції за результатами спостережень двох пунктів із відомими координатами й висотами. Методику опробувано на експериментальному полігоні і на результатах класичних спостережень. Точність визначення висот точок робочої поверхні запропонованим методом відповідає точності відомого методу рефракційного базису і має суттєві переваги. Використання запропонованої методики дає змогу значно розширити радіус знімання, зберегти час та кошти завдяки зменшенню у 5-7 разів пунктів знімальної основи.

Розроблено методику визначення та врахування ущільнення ґрунту в тілі греблі за результатами геодезичних вимірювань, а також просідання основи греблі під дією тиску на неї тіла споруди. Установлено, що час консолідації ґрунту тривалий, тому знімання поверхні слід виконувати в короткі терміни.

Розроблено методику визначення еквівалентних висот по напрямках на кожну знімальну точку за результатами електронного тахеометричного знімання поверхні та теоретичні основи і власне програмне забезпечення для обчислення об'ємів ґрунту з поділом робочої поверхні на неперекривні трикутники.

Перелік опублікованих праць за результатами дисертаційної роботи

1. Гарасимчук І.Ф., Тревого І.С. Методика обчислення еквівалентних висот на ЕОМ // Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва. - Львів: Ліга-Прес,-2000.-С. 145-148.

2. Гарасимчук І.Ф., Тревого І.С., Власенко С.Г., Муха В.І. Вплив похибок планового характеру на точність визначення об'ємів ґрунту // Геодезія картографія і аерофотознімання. - Львів. - 2001. - 61. - С. 12-16.

3. Гарасимчук І.Ф., Тревого І.С. Використання еталонного перевищення для врахування впливу вертикальної рефракції на результати електронного топографічного знімання з перехідних станцій // Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва.-Львів: Ліга-Прес,-2002.-С. 140-142.

4. Тревого І.С., Гарасимчук І.Ф. Про оперативне і точне визначення об'ємів ґрунту // Інженерна геодезія. - 2000. -№ 42.-С. 209-211.

5. Тревого І.С., Гарасимчук І.Ф. Метод електронної тахеометричної зйомки з перехідних станцій з урахуванням вертикальної рефракції // Вісник геодезії і картографії. -2002 .-№ 3. - С. 14-19.

6. Тревого И.С., Гарасимчук И.Ф., Новосад В.Н. Горизонтальная рефракция и динамика пунктов в городской триангуляции // Геодезия, картография и аэрофотосъемка.-Львов.-1992.-53.-с. 57-67.

7. Тревого И.С., Литинский В.О., Гарасимчук И.Ф. Исследование влияния температурного поля каръера на точность геодезических измерений // “Маркшейдерское дело и геодезия”.- Совершенствование методов и средств производства маркшейдерско-геодезических работ. Сб. науч. трудов.- Л.: 1987.-C. 66-68.

8. Тревого И.С., Литинский В.О., Гарасимчук И.Ф. Метод определения объемов земли // Геодезия и картография. - М., 1997. - № 2. - С. 29-31.

9. Тревого И.С., Литинский В.О., Гарасимчук И.Ф., Третяк К.Р. Оперативное определение объемов земляных масс с применением электронной тахеометриии // Состояние и перспективы инженерно-фотограмметрических работ.- М.: ЦНИИГАиК.- 1990.- С. 67-71.

10. Литинский В.О., Маркович Л.П., Гарасимчук И.Ф. К вопросу об изучении осадки отвалов // Маркшейдерское дело и геодезия: Сб. научн. тр.-Л.: изд. ЛГИ, 1984.-C. 106-110.

11. Литинский В.О., Кметко И.Н., Гарасимчук И.Ф. Наблюдения за осадками с применением шашечных и инварных реек // ВНИИЭ газпром, экспресс-нформация, серия: транспорт, переработка и использование газа в народном хозяйстве.-М., 1985.-C. 16-17.

12. Літинский В.О., Перій С.С., Гарасимчук І.Ф. До питання нівелювання пунктів полігонометрії 4 класу, 1 та 2 розрядів // Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва.-Львів, 1997.-C. 65-67.

13. Тревого И.С., Гарасимчук И.Ф. Исследование устойчивости геодезических пунктов на высоких строениях // Cовременное состояние и перспективы развития прикладной геодезии.-Елгава.-1989.-с. 3-9.

14. Тревого І.С., Гарасимчук І.Ф. Застосування імпульсного віддалеміра для визначення об'ємів // Сучасні досягнення геодезичної науки і виробництва в Україні.- Львів, 1996. - С. 78-79.

Размещено на Allbest.ru

...