Мониторинг осадок и деформаций в CREDO: новые возможности

Д.М. Васильков, к.ф-м.н., Белорусский государственный университет (Минск), Д.В. Чадович, ведущий инженер-аналитик, ООО «Компания «Кредо-Диалог»

В 2012 году компания «Кредо-Диалог» выпустила в производственную эксплуатацию новый программный продукт – CREDO Расчет Деформаций. Программа предназначена для обработки и интерпретации результатов геодезических измерений по многократным наблюдениям за горизонтальными и вертикальными смещениями, может применяться для мониторинга зданий и сооружений, просадок грунта, оползнеопасных участков и для целого ряда аналогичных задач. Программный продукт прошел опытное тестирование в производственных организациях. Разработчиками компании были обобщены отзывы и пожелания пользователей, изучен целый ряд научных работ – все это было учтено при подготовке новой версии программы.

При строительстве и эксплуатации промышленных и гражданских объектов, таких как ГЭС, атомные электростанции, шахты, карьеры, горнообогатительные предприятия и т.д., необходим постоянный мониторинг осадочно-деформационных процессов. Контроль деформационных изменений конструкций позволяет в значительной степени минимизировать риск их повреждения и разрушения.

Выпущенная в ноябре 2013 года новая версия программы CREDO Расчет Деформаций дает возможность проанализировать указанные процессы в срезе многих параметров, увидеть их в динамике и с максимальной наглядностью.

Сбор и предварительный анализ данных наблюдений

Технология мониторинга деформаций основана на последовательном накоплении и обработке отметок и плановых координат специальных осадочных и осадочно-деформационных марок, закрепляемых на объекте. Данные поступают дискретно через примерно равные интервалы времени, длительность которых зависит от конкретного объекта наблюдения. Фрагмент данных, содержащий информацию об объекте на определенный фиксированный момент времени, составляет цикл наблюдений.

Положение марок рассчитывается на основе геодезических измерений, выполненных с контрольных пунктов – станций опорной сети. Теоретически опорная сеть считается стабильной, но, будучи проложенной в непосредственной близости от наблюдаемого объекта, сама может подвергаться смещениям, искажающим параметры всей деформационной модели.

В CREDO Расчет Деформаций контроль устойчивости сети контрольных пунктов выполняется с помощью нескольких методов. Два из них относятся к плановой сети: метод последовательного анализа и классический метод наименьших квадратов. На серии тестов первый метод показал лучшую стабильность, особенно на малом числе контрольных пунктов. Идея последовательного анализа состоит в поиске наиболее устойчивой опорной стороны, относительно которой затем вычисляются параметры аффинного преобразования, совмещающего пункты в начальном и текущем циклах с минимальным суммарным отклонением. После применения этого преобразования простой статистический анализ позволяет определить отклонения контрольных пунктов, превышающие установленный допуск.

Похожий принцип лежит в основе анализа устойчивости высотной сети, где методом простого перебора программа находит пункт с наиболее устойчивой отметкой и сравнивает превышения относительно этого пункта в начальном и конечном циклах.

Модель деформационного процесса

В основе решения задачи интерпретации данных наблюдений лежит модель деформационной поверхности, описывающей отклонение точек объекта в текущем цикле относительно начального цикла. Исходными данными для ее построения являются плановые положения марок и их текущие отклонения.

Хорошо известно, что кусочно-линейная триангуляционная поверхность с вершинами в заданных точках – приемлемая модель для решения многих инженерных задач, включая моделирование рельефа местности. Однако такой подход совершенно не годится для моделирования деформаций: закрепляя марки на поверхности объекта, инженер не знает заранее положения структурных линий и экстремальных точек («пиков» и «впадин»), определяющих топологические особенности будущей деформационной поверхности. Хуже того, повторяя контуры объекта, марки могут быть распределены крайне неравномерно, например, в форме «креста» или вдоль одной линии, что значительно ухудшает интерполяционные свойства кусочно-линейной модели.

В CREDO Расчет Деформаций применен подход, основанный на методе конечных элементов и успешно применяемый в САПР для моделирования форм упругих поверхностей. Для контура поверхности создается сеть сгущения, затем для вычисления отметок вершин сети решается задача наименьших квадратов по критерию минимизации интегральной кривизны результирующей поверхности. На последнем шаге для каждого треугольного участка вычисляются коэффициенты функции сшивки, обеспечивающие гладкость поверхности на границах треугольников.

Важно отметить, что данная модель тем более адекватно описывает деформационный процесс, чем в большей степени исследуемая поверхность удовлетворяет условию упругости. Для неупругих поверхностей может быть применен классический алгоритм, основанный на кусочно-линейной интерполяции (рис. 1).Рис. 1 Кусочно-гладкая (а) и кусочно-линейная (б) поверхности осадки за период

Рис. 1 Кусочно-гладкая (а) и кусочно-линейная (б) поверхности осадки за период

Условию упругости удовлетворяют все железобетонные и металлические конструкции, включая монолитные сооружения, плотины и пролеты мостов. Степень упругости грунта определяется его геологическим строением. К условно неупругим поверхностям можно отнести стенки карьеров, оползнеопасные участки земли и т.д.

Пользователь самостоятельно выбирает в программе нужный тип модели, соответствующий конкретному наблюдаемому объекту.

CREDO Расчет Деформаций позволяет построить деформационную поверхность по другим параметрам:

- мгновенная скорость вертикального смещения;

- кривизна поверхности смещения;

- относительное изменение локальной площади (дилатация);

- локальное растяжение и локальное сжатие.

Как видно из рис.1, для отображения деформационной поверхности в программе используется 3D-вид с множеством режимов, настройкой которых управляет пользователь. Существуют также традиционные двумерные представления – градиентная заливка и карта изолиний.

Кроме того, программа позволяет наблюдать динамику деформационного процесса в режиме анимации.

Расчет и представление дилатаций

При деформации земной поверхности установленные на ней марки смещаются друг относительно друга, что сигнализирует об уплотнении или разуплотнении отдельных участков. Обычно подобные явления сопровождают разного рода тектонические процессы или, чаще всего, становятся результатом техногенной активности промышленных и горнодобывающих предприятий.

В геологии локальное изменение площади поверхности называется дилатацией. Поскольку дилатационные процессы непосредственно предшествуют осадкам или вспучиваниям почвы, они являются объектом постоянного мониторинга служб, отвечающих за экологическую безопасность.

В CREDO Расчет Деформаций абсолютные значения дилатации, сжатия и растяжения представлены в виде деформационной поверхности. Относительные вращения отображаются с помощью специальных подписей. Независимо от карты изолиний и градиентной заливки, в окне плана может быть отображена регулярная сетка векторов сжатия и растяжения (рис. 2).Рис. 2 Поверхность дилатации и сетка векторов сжатия-растяжения

Рис. 2 Поверхность дилатации и сетка векторов сжатия-растяжения

Поиск закономерностей и прогнозирование

Анализ развития деформационно-осадочного процесса – одна из важнейших задач мониторинга. С помощью аппроксимации данных наблюдений по методу наименьших квадратов программа позволяет установить закономерность изменения отметки одной выбранной марки или контрольного пункта.

Результат выводится в виде линии тренда на графике развития осадок во времени. Пользователь имеет возможность задать вид аппроксимирующей функции, выбрав тип линии тренда – линейный, квадратичный либо периодический. Программа предлагает также автоматически рассчитать и построить график наиболее достоверной аппроксимирующей функции.

Для построенной линии тренда под графиком развития осадок отображается таблица статистической оценки надёжности тренда, которая вычисляется с помощью критерия Фишера. Сравнение расчетного и теоретического значений критерия Фишера позволяет с некоторой вероятностью (по умолчанию 95%) подтвердить либо опровергнуть гипотезу о достоверности выявленного тренда.

Также пользователь имеет возможность оценить, насколько точно данный тренд аппроксимирует ряд наблюдений, проанализировав значение коэффициента достоверности аппроксимации R2, отражающего степень соответствия ожидаемых для линии тренда значений фактическим данным. На графике (рис. 3) отмечаются циклы, значения отметок в которых отличаются от аппроксимированных более чем на 3.Рис. 3 Периодическая аппроксимация ряда наблюдений для одной марки

Рис. 3 Периодическая аппроксимация ряда наблюдений для одной марки

Программа позволяет выполнить прогноз развития осадок на заданную дату с оценкой точности, если в свойствах графика указана дата за пределами выполненных наблюдений. Наиболее вероятная область нахождения пункта отображается на графике штриховой линией. Отмечается также прогнозное максимальное и минимальное значение. Ширина прогнозного диапазона прямо пропорциональна времени с момента последнего цикла и величине достоверности аппроксимации.

CREDO Расчет Деформаций решает ряд вспомогательных задач мониторинга, а также выполняет некоторые инженерные расчеты общего назначения:

- расчет деформаций башенных сооружений;

- расчет взаимного положения пар пунктов;

- расчет осадки вдоль линии профиля;

- расчет деформаций подкрановых путей;

- вспомогательные инженерные расчеты (обмеры, засечки, пересечения и т.д.).

Программа создана на платформе популярного в геодезической среде приложения CREDO_DAT, унаследовав от него ряд архитектурных, графических и интерфейсных решений. В соответствии с планами компании «Кредо-Диалог», дальнейшее развитие продукта будет направлено на наращивание вычислительного функционала для решения прикладных задач мониторинга, а также на автоматизацию процесса сбора данных наблюдений, включая использование роботизированных систем.

Контактная информация:
тел.: 8-(812) 309-05-35; 8-(499) 921-02-95

Ключевые слова: деформационных, мониторинг, credo, деформаций, 2013, версия, программы, минимизировать риск, повреждения, расчет

Журнал "Горная Промышленность" №6 (111) 2013, стр.54