Optymalizacja metod pomiarowych w aspekcie projektowania pomiarów ekstre-malnych odkształceń na terenach osuwiskowych

INFRASTRUKTURA I EKOLOGIA TERENÓW WIEJSKICH INFRASTRUCTURE AND ECOLOGY OF RURAL AREAS Nr 2/II/2012, POLSKA AKADEMIA NAUK, Oddziaá w Krakowie, s. 79–86

Komisja Technicznej Infrastruktury Wsi

Mikoáaj Skulich, Anna Szafarczyk

OPTYMALIZACJA METOD POMIAROWYCH

W ASPEKCIE PROJEKTOWANIA

POMIARÓW EKSTREMALNYCH ODKSZTAàCEē

NA TERENACH OSUWISKOWYCH

____________

OPTIMISATION OF MEASUREMENT METHODS

IN THE ASPECT OF DESIGNING THE MEASUREMENTS

OF EXTREME STRAINS IN THE LANDSLIDE AREAS

Streszczenie

Monitoring terenu podlegającego procesom osuwiskowym jest procesem niezbĊdnym dla celów zapewnienia bezpieczeĔstwa obiektów znajdujących siĊ na jego obszarze. W niniejszym artykule przedstawiono opis i wyniki badaĔ ekspe-rymentalnych mających na celu zoptymalizowanie technologii geodezyjnych ob-serwacji deformacji terenu podlegającego procesom osuwiskowym z wykorzysta-niem rozet pomiarowych. Pomiary wykonane zostaáy przy uĪyciu trzech instrumentów pomiarowych- LEICA (tachimetry: TCA 2003, TCR 303, TC 407) na badawczym polu testowym. Na podstawie wykonanych badaĔ okreĞlono opty-malny sposób i dobór sprzĊtu który moĪe zostaü wykorzystany do wykonania ob-serwacji na rzeczywistym terenie podlegającym procesom osuwiskowym. Sáowa kluczowe: monitoring osuwisk, rozeta pomiarowa, optymalizacja technolo-gii pomiarowej

Summary

The monitoring of the terrain subdued to landslide processes is necessary for the safety of the objects within that area. This article presents the description

processes with the use of rosettes. The measurements were carried out with the use of three instruments (total stations: TCA 2003, TCR 303, TC 407) on the test field. Based on the carried out studies, the optimal way and instruments were selected for the potential use in the observations on the actual area subdued to the land-slide processes.

Key words: landslide monitoring, rosette, optimisation of measurement technology

WSTĉP

AktywnoĞü procesów osuwiskowych uzaleĪniona jest od uksztaátowania terenu, budowy geologicznej i szeregu czynników Ğrodowiskowych. Czáowiek nie ma moĪliwoĞci ograniczenia wystĊpowania tych czynników , ale moĪe na bieĪąco dokonywaü monitoringu zjawiska, a przy znajomoĞci jego kinematyki przewidzieü moĪliwoĞü powstania nagáej utraty statecznoĞci gruntu. Ma to nie-zaprzeczalne znaczenie w przypadkach zapewnienia bezpieczeĔstwa obiektów budowlanych lub infrastruktury technicznej usytuowanych na terenach zagroĪo-nych wystĊpowaniem ruchów masowych.

Dla lepszego i peánego opisu kinematyki zjawiska konieczne jest wykona-nie szeregu badaĔ o charakterze geologiczno-inĪywykona-nierskim , jak rówwykona-nieĪ prowa-dzenie monitoringu geodezyjnego.

W ramach pomiarów geodezyjnych wyznaczane są wskaĨniki deformacji terenu, które są podstawą do wnioskowania na temat bezpieczeĔstwa obiektów budowlanych. SpoĞród wskaĨników deformacji najwiĊksze znaczenie dla bez-pieczeĔstwa wiĊkszoĞci obiektów ma odksztaácenie poziome. WystĊpowanie odksztaáceĔ poziomych gruntu o duĪych wartoĞciach powoduje powstawanie rys, szczelin i spĊkaĔ.

Jednym ze sposobów wyznaczania odksztaáceĔ terenu jest wykonanie seryjnych pomiarów dáugoĞci odcinków obserwacyjnych zastabilizowanych w terenie. WzglĊdna zmiana dáugoĞci tych odcinków jest utoĪsamiana w geodezji z odksztaáceniem poziomym, oznaczana jako İ i wyznaczana wedáug zaleĪnoĞci [Gustkiewicz 1980]: o o c l l l İ e = =λ−1= − (1) gdzie:

ec – wielkoĞü odksztaácenia liniowego w sensie Cauchy’ego, lo – dáugoĞü odcinka w stanie niezdeformowanym,

l – dáugoĞü odcinka w stanie zdeformowanym, Ȝ – wielkoĞü definiowana jako,

o l

l =

λ (2)

Poza okreĞleniem wartoĞci odksztaáceĔ wybranych odcinków dla opisu ki-nematyki zjawiska w danym rejonie wskazane jest okreĞlenie wartoĞci wystĊ-pujących odksztaáceĔ ekstremalnych

İ

max

i İ

min, kierunków ich wystĊpowania ȕ

i zmian tych wielkoĞci w poszczególnych stadiach ruchu osuwiskowego. W tym celu wykorzystuje siĊ poniĪsze wzory:

(

)

2 12 2 22 11 22 11 ₄ 2 1 2 + ε −ε + ε ε + ε = εmax , (3)

(

)

2 12 2 22 11 22 11 ₄ 2 1 2 − ε −ε + ε ε + ε = εmin . (4) 22 11 12 2 2 1 ε − ε ε = β arctg , (5) gdzie: 22 11,

ε

ε

– wartoĞci odksztaáceĔ na kierunkach zgodnych z osiami przy-jĊtego ukáadu wspóárzĊdnych,

12

ε

– poáowa wartoĞci odksztaácenia postaciowego.

WartoĞci wyznaczone w wyniku obliczeĔ zestawia siĊ w funkcji czasu. Koncepcja monitoringu terenu podlegającego odksztaáceniom z wykorzy-staniem konfiguracji sieci pomiarowych w formie rozet zostaáa juĪ pozytywnie zweryfikowana w ramach badaĔ prowadzonych na terenach górniczych [Pielok 2005].

MoĪliwe konfiguracji sieci pomiarowych wykorzystywanych do wyzna-czania ekstremalnych wartoĞci odksztaáceĔ przedstawiono na rysunku 1.

a) b) c)

Dla wyznaczenia wartoĞci odksztaáceĔ ekstremalnych wystĊpujących na osuwisku, najkorzystniej jest zaáoĪyü w terenie pĊk boków wychodzących z jednego punktu i tworzących tak zwaną rozetĊ prostokątną [Szafarczyk 2008].

ZAPROJEKTOWANE OBSERWACJE NA POLU TESTOWYM

Na zboczu osuwiska objĊtego monitoringiem w ramach prowadzonego projektu badawczego zaáoĪona zostaáa rozeta prostokątna o bokach dáugoĞci okoáo 20 m. Punkty stanowiące rozetĊ zastabilizowano na gáĊbokoĞci 50 cm przy wykorzystaniu dostĊpnych w sprzedaĪy punktów typu Plastmark (rys. 2) wykonanych ze stali, pokrytych karbowaną osáoną z tworzywa sztucznego. Nie-regularne ksztaáty osáony oraz wypustki oporowe dają gwarancjĊ ochrony przed usuniĊciem przez osoby niepowoáane oraz stabilnoĞü usytuowania punktu w terenie.

ħródáo: opracowanie wáasne autorów

Rysunek 2. Punkt pomiarowy Typu Plastmark wykorzystywany do stabilizacji Figure 2. Measurement point of Plastmark Type for stabilization

Przed przystąpieniem do pomiarów rozety zastabilizowanej na osuwisku wykonano testy na bazie terenowej w Parku Jordana w Krakowie, na rozecie o analogicznej konstrukcji, posadowionej z wykorzystaniem takich samych punktów pomiarowych.

Testy te polegaáy w pierwszej kolejnoĞci na zastabilizowaniu w terenie czterech punktów pomiarowych tworzących ksztaát rozety prostokątnej o trzech dwudziestometrowych bokach, usytuowanych pod kątem 50g w stosunku do siebie. Na tak utworzonym polu badawczym wykonano obserwacje kątowo-liniowe , wykorzystując w tym celu trzy tachimetry elektroniczne: TCA 2003, TCR 303 oraz TC 407. Ksztaát utworzonej rozety pomiarowej przedstawiono na rysunku 3. Obserwacje wykonane zostaáy na terenie nie podlegającym wpáywom eksploatacji górniczej, jak równieĪ innym czynnikom mogącym wpáywaü na otrzymane wyniki. Wykonywane one byáy w bardzo krótkim odstĊpie czasu (ok. 30 min pomiĊdzy kaĪdym z instrumentów) w jednakowych, sprzyjających warunkach atmosferycznych. 50g 50g 20m 20m 20m 100 400 200 300

ĩródáo: opracowanie wáasne autorów.

Rysunek 3. Schemat rozety pomiarowej na polu badawczym Figure 3. The scheme of the measurement rosette in the study field

Wykonywane obserwacje polegaáy na pomiarze wszystkich odlegáoĞci pomiĊdzy punktami tworzącymi boki rozety prostokątnej oraz kątów wierzchoá-kowych w dwóch seriach. Obserwacje wykonywane byáy kolejno ze wszystkich

zestawu precyzyjnych luster firmy Leica. Podczas pomiarów niezaleĪnie od wykorzystanego instrumentu stosowano najlepszy dostĊpny w instrumencie tryb precyzyjnego pomiaru odlegáoĞci.

W pierwszym etapie badaĔ pomiaru dokonano wykorzystując jeden z naj-bardziej precyzyjnych tachimetrów elektronicznych firmy Leica – serwomoto-ryczny model TCA 2003[Instrukcja]. Dla przyjĊtych ustawieĔ dostosowanych do przyjĊtych uwarunkowaĔ pomiarowych instrument ten charakteryzuje siĊ dokáadnoĞcią pomiaru kąta poziomego rzĊdu 6cc oraz báĊdem standardowym pomiaru odlegáoĞci 1 + 1 ppm. UmoĪliwia on dodatkowo dziĊki zastosowanemu systemowi automatycznego rozpoznawania celu ATR zautomatyzowanie wyko-nywanych pomiarów. Podczas pomiarów zastosowano wewnĊtrzny program instrumentu Sets of angles. Program ten wykorzystywany jest do pomiaru kątów metodą kierunkową pomiĊdzy obserwowanymi punktami. Przy pomiarze w dwóch (lub wiĊcej) seriach program umoĪliwia wyliczenie odchyleĔ standar-dowych pomierzonych kierunków oraz wyliczenie odchyleĔ standarstandar-dowych Ğrednich wartoĞci pomierzonych kierunków. Mierząc powyĪszym instrumentem zastosowano w pierwszej kolejnoĞci manualny sposób wykonywania pomiarów (obserwator samodzielnie dokonuje precyzyjnego nacelowania na kolejne cele) a nastĊpnie pomiar powtórzono wykorzystując automatyczną funkcjĊ ATR.

Kolejnym wykorzystanym do badaĔ instrumentem byá tachimetr elektro-niczny firmy Leica TCR 303 [Folder]. Instrument ten nie posiada moĪliwoĞci zautomatyzowania pomiarów, jednak przy przyjĊciu zaáoĪonych warunków obserwacyjnych charakteryzuje siĊ on wysoką dokáadnoĞcią pomiaru kąta po-ziomego rzĊdu 6cc _{oraz báĊdem standardowym pomiaru odlegáoĞci 3 + 2 ppm.} ObserwacjĊ tym instrumentem wykonano manualnie zgodnie z przyjĊtą techno-logią.

Ostatnim z wykorzystanych do badaĔ tachimetrów byá jeden z najpopular-niejszych instrumentów firmy Leica stosowanych powszechnie do typowych zastosowaĔ pomiarowych w geodezji – tachimetr TC 407 [Folder]. Charaktery-zuje siĊ on dokáadnoĞcią pomiaru kąta poziomego rzĊdu 15cc _{oraz báĊdem} stan-dardowym pomiaru odlegáoĞci 2 + 2 ppm przy przyjĊciu precyzyjnego trybu pomiaru odlegáoĞci do luster. W przypadku tego instrumentu pomiar równieĪ wykonano manualnie zgodnie z przyjĊtą technologią.

Na podstawie wykonanych pomiarów uzyskano obserwacje kątowo-liniowe, które posáuĪyáy do wyznaczenia wartoĞci kątów poziomych oraz odle-gáoĞci pomiĊdzy punktami tworzącymi boki rozety prostokątnej. W pierwszym etapie obliczeĔ, przy uĪyciu programu Geodezja, dokonano redukcji pomierzo-nych odlegáoĞci nachylopomierzo-nych, uzyskując wartoĞci poziomych dáugoĞci boków rozety wraz z ich dokáadnoĞcią. NastĊpnie, na podstawie pomierzonych kierun-ków, okreĞlono wartoĞci kątów poziomych pomiĊdzy bokami tworzącymi roze-tĊ. W pierwszym wariancie wyrównania wprowadzono do programu Geodezja zarówno wartoĞci pomierzonych kątów jak i odlegáoĞci, natomiast w drugim

wariancie wyrównano sieü skáadającą siĊ jedynie z obserwacji odlegáoĞciowych. KaĪdorazowo w wyniku wyrównania sieci uzyskiwano báąd Ğredni jednostkowy m0 nie przekraczający wartoĞci 1, co potwierdza dla zaáoĪonych uwarunkowaĔ pomiarowych sáusznoĞü przyjĊtych dokáadnoĞci obserwacji.

Na podstawie wyrównanych wspóárzĊdnych punktów rozety, w oparciu o macierz wariancyjno-kowariancyjną, wyznaczono w kaĪdym z przypadków wartoĞci dáugoĞci boków rozety wraz z ich dokáadnoĞcią. WartoĞci otrzymanych z wyrównania sieci kątowo-liniowych dáugoĞci boków rozety przedstawiono w tabeli 1, natomiast wartoĞci otrzymanych z wyrównania sieci liniowych dáu-goĞci boków rozety przedstawiono w tabeli 2.

Tabela 1. DáugoĞci boków rozety wyznaczone z wyrównania sieci kątowo-liniowej Table 1. The lengths of the sides of the rosette marked with the alignment

of angle-linear network

TCA 2003 TCA 2003 (ATR) TCR 303 TC 407

Instrument bok dáugoĞü_[m] báąd dáugoĞci [mm] dáugoĞü [m] báąd dáugoĞci [mm] dáugoĞü [m] báąd dáugoĞci [mm] dáugoĞü [m] báąd dáugoĞci [mm] 100-200 20.0703 0.4 20.0699 0.4 20.0701 1.0 20.0704 0.2 100-300 20.0236 0.4 20.0242 0.4 20.0238 1.0 20.0244 0.2 100-400 19.9899 0.4 19.9903 0.4 19.9899 1.0 19.9907 0.2

ħródáo: opracowanie wáasne autorów.

Tabela 2. DáugoĞci boków rozety wyznaczone z wyrównania sieci liniowej Table 2. The lengths of the sides of the rosette marked with the alignment of linear

network

TCA 2003 TCA 2003 (ATR) TCR 303 TC 407

Instrument bok dáugoĞü[m] báąd dáugoĞci [mm] dáugoĞü [m] báąd dáugoĞci [mm] dáugoĞü [m] báąd dáugoĞci [mm] dáugoĞü [m] báąd dáugoĞci [mm] 100-200 20.0700 0.3 20.0702 0.3 20.0702 0.3 20.0702 0.4 100-300 20.0236 0.3 20.0239 0.3 20.0240 0.3 20.0242 0.4 100-400 19.9903 0.3 19.9903 0.3 19.9902 0.3 19.9904 0.4

ħródáo: opracowanie wáasne autorów.

Analiza powyĪszych wyników pozwala stwierdziü, iĪ otrzymanie wartoĞci dáugoĞci boków rozety prostokątnej nie róĪnią siĊ od siebie, niezaleĪnie od za-stosowanego instrumentu, o wiĊcej niĪ 0,8 mm w przypadku wyrównania sieci kątowo-liniowej (bok 100-400) oraz o wiĊcej niĪ 0,6 mm w przypadku wyrów-nania sieci liniowej (bok 100-300). Jest to podstawą do stwierdzenia, iĪ wszyst-kie z badanych instrumentów mogą byü z powodzeniem wykorzystane podczas zaprojektowanego monitoringu terenów osuwiskowych.

WNIOSKI

Wykonane na zaprojektowanym polu testowym obserwacje pozwoliáy na stwierdzenie, iĪ dla celów okreĞlania ekstremalnych odksztaáceĔ na terenach osuwiskowych z wykorzystaniem prostokątnej rozety pomiarowej kaĪdy z te-stowanych instrumentów stanowi doskonaáe narzĊdzie obserwacyjne. UĪycie któregokolwiek z nich pozwala na okreĞlenie z wysoką precyzją wartoĞci odle-gáoĞci pomiĊdzy punktami stanowiącymi boki rozety, co w konsekwencji pro-wadzi do dokáadnego wyznaczenia ekstremalnych odksztaáceĔ badanego terenu. Ze wzglĊdu na najniĪszy koszt zakupu i relatywnie najprostszą dostĊpnoĞü auto-rzy skáaniają siĊ do stwierdzenia, iĪ optymalnym dla przedstawionych zaáoĪeĔ pomiarowych jest wykorzystanie tachimetru TC 407. OczywiĞcie wykorzystanie zmotoryzowanego TCA 2003 jest o wiele wygodniejsze i nieznacznie przyspie-sza czas wykonania pomiarów, jednak wielokrotnie wyĪprzyspie-sza cena (jak najbardziej usprawiedliwiona przez wielki potencjaá tego instrumentu) w tym konkretnym przypadku testowanej technologii pomiarowej nie daje podstaw do koniecznoĞci uĪycia tak zaawansowanego instrumentu.

BIBLIOGRAFIA

Gustkiewicz J., Ochrona powierzchni przed szkodami górniczymi. Wydawnictwo ĝląsk, Katowice 1980, s. 149-159.

Pielok J., Wyznaczanie powierzchniowego tensora odksztaáceĔ na terenach górniczych w oparciu

o pomiary geodezyjne. Wydawnictwo AGH. Kraków 2005, 50ss.

Szafarczyk A., Wyznaczanie odksztaáceĔ powierzchni terenu górniczego przy zastosowaniu rozet

geodezyjnych. Rozprawa doktorska, AGH, Kraków 2008, 150 ss.

Folder reklamowy tachimetru elektronicznego TCA 2003, Leica, Szwajcaria 1999 r., Instrukcja obsáugi tachimetru elektronicznego TCA 2003, Leica, Szwajcaria 1997 r., Folder reklamowy tachimetrów elektronicznych seri TPS 400, Leica, Szwajcaria 2002 r.,

Praca naukowa finansowana ze Ğrodków budĪetowych na naukĊ w latach 2010-2013, jako projekt badawczy NN524 465839.

Dr inĪ. Anna Szafarczyk szafarcz@agh.edu.pl Katedra Geodezji InĪynieryjnej i Budownictwa Dr inĪ. Mikoáaj Skulich skulich@agh.edu.pl Katedra Geomatyki Wydziaá Geodezji Górniczej i InĪynierii ĝrodowiska Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisáawa Staszica Al. A. Mickiewicza 30 30-059 Kraków