Введение к работе
Актуальность. Быстрый рост урбанизации порождает ряд глобальных и локальных геоэкологических проблем, вызванных широким распространением и активизацией опасных природных и техноприродных процессов. Катастрофические процессы приводят к разрушению зданий и сооружений и представляют реальную угрозу для жизни людей. Поэтому одной из центральных проблем современной геоэкологии является изучение состояния и устойчивости геологической среды урбанизированных территорий, из которых исключительно актуальное значение приобретает изучение оползневых процессов природного и техноприродного характера. В этих условиях на первое место для обеспечения безопасности населения и хозяйственных объектов, осуществления градостроительной, природоохранной и других видов деятельности в районах развития опасных природных и техноприродных процессов выходит профилактика этих опасностей, а не ликвидация их последствий.
Анализ работ в области геоэкологии показывает, что в настоящее время используются различные подходы при решении геоэкологических проблем урбанизированных территорий. В большинстве случаев они основаны на оценке состояния и устойчивости геологической среды, а иногда оценивается техническое состояние зданий и сооружений, и даются рекомендации по усилению их конструкций и фундаментов. Поэтому при разработке и реализации мероприятий по инженерной защите на оползнеопасных территориях требуется не только организация стационарных наблюдений, но оценка и прогноз изменения состояния природно-технических систем (ПТС) для принятия управленческих решений и предотвращения чрезвычайных ситуаций, так как разработка и внедрение планов застройки городских территорий нередко осуществляется без учета развития опасных природных и техноприродных процессов.
Существенное улучшение экологического состояния урбанизированных территорий возможно только при разработке и реализации комплексных решений, как единого целого, что требует разработки системы геоэкологического мониторинга оползневых процессов как на муниципальном уровне, так и на уровне субъекта Российской федерации. В связи с этим становится актуальной проблема создания системы геодезического обеспечения геоэкологического мониторинга для организации непрерывного пространственно-временного контроля за состоянием и развитием ПТС, а сам мониторинг должен быть комплексным, что требует как теоретического обоснования объединения различных методов и технологий в рамках комплексного геомониторинга, так и их практической реализации Практическое применение результатов исследований ПТС урбанизированных территорий геодезическими методами позволяет реализовать на практике комплексную систему геомониторинга за ПТС для предотвращения чрезвычайных ситуаций, что особенно
актуально для крупных городов и в частности для г. Томска, на территории которого решением городского координационного экологического Совета определено 33 оползнеопасные зоны, из которых наиболее опасными следует признать оползневой склон в мкр. «Солнечный» и район Лагерного сада на берегу р. Томь. Развитие оползневых процессов на этих участках наносит огромный ущерб городскому хозяйству из-за деформации и разрушения существующих зданий и инженерных сооружений, что потребовало принятия на территории Томской области закона «Об оползневых зонах, расположенных в границах городских и сельских районов Томской области».
Оценка состояния и устойчивости ПТС является одной из актуальнейших проблем геоэкологии, решение которой невозможно без применения геодезических методов, контролирующих развитие процессов в пространстве и времени. Включение экологической проблематики в сферу интересов инженерной геодезии оказывает существенное влияние на специфику геодезических работ, так как необходимо учесть такую важную закономерность, как синергизм процессов и явлений, который выражается в существенном (многократном) увеличении общего эффекта воздействия двух или несколько одновременно или последовательно действующих процессов на природные или природно-технические системы по сравнению с воздействием каждого из процессов, развивающихся отдельно.
Поэтому для получения достоверных результатов и решения проблемы оценки состояния и устойчивости ПТС в комплексе, недостаточно использовать только классические методы геодезии, традиционно применяемые при наблюдениях за оползнями, а, как показано в диссертации, необходимо разработать цельную систему геодезического обеспечения геоэкологического мониторинга, которая объединяет в себе различные методы измерений и моделирования, что потребовало разработки теоретических и технологических основ объединения геодезических, спутниковых и геофизических методов измерений с методами статистического моделирования в рамках комплексной программы геомониторинга за перемещениями во времени и пространстве оползневых массивов в результате техногенного воздействия на ПТС на оползнеопасных территориях. Такое объединение различных методов в систему геодезического обеспечения геоэкологического мониторинга многократно увеличивает его эффективность и достоверность, так как результаты одного метода подтверждаются результатами другого.
Геодезические методы позволяют следить за природно-техногенными процессами в системе «Инженерное сооружение - геологическая среда». Результаты геодезических измерений позволяют определить форму поверхности любой строительной конструкции, анализ изменения формы поверхности которой в процессе эксплуатации позволяет на основе геодезических наблюдений за осадками и деформациями инженерных сооружений предсказать место вероятного появления трещин и тем самым предотвратить возникновение аварийных ситуаций. Однако данный вопрос в технической литературе до
конца не решен и требует проведения дальнейших исследований. Поэтому одной из задач наших исследований в области геодезии стала разработка и исследование методов математического прогнозирования появления трещин в строительных конструкциях инженерных сооружений на основе анализа изменения формы поверхности строительных конструкций по результатам геодезических измерений.
Таким образом геоэкологические проблемы оползнеопасных территорий приобретают исключительно важное значение и требуют самого пристального внимания к их решению, а разработка в рамках данной диссертации системы геодезического обеспечения геоэкологического мониторинга оползневых процессов для их изучения, моделирования и прогнозирования во времени и пространстве с позиций опасности и риска для инженерных сооружений и жизни людей является в настоящее время весьма актуальной научно-практической задачей. При этом развитие и совершенствование геодезических методов изучения оползневых процессов будет безусловно способствовать не только повышению качества проектирования мероприятий по инженерной защите территорий и по обеспечению устойчивости зданий и сооружений, но и повышению результативности методов математического моделирования и прогноза.
Цель и задачи. Целью данной работы является разработка теоретических основ решения геоэкологических проблем оползнеопасных территорий с использованием геодезических методов. Для достижения указанной цели потребовалось решить следующие задачи.
-
Разработка и научное обоснование комплексной системы геодезического обеспечения геоэкологического мониторинга для решения геоэкологических проблем урбанизированных территорий, обусловленных развитием оползневых процессов.
-
Разработка теоретических и технологических основ обеспечения стационарного геодезического контроля за перемещениями во времени и пространстве оползневых массивов на основе объединения классических и спутниковых GPS-технологий
-
Разработка технологии и исследование методов математического прогнозирования появления трещин в строительных конструкциях инженерных сооружений в процессе эксплуатации на основе анализа изменения формы поверхности строительных конструкций по результатам геодезических измерений
-
Развитие методов статистического моделирования и разработка технологии их применения для решения геодезических задач и оценки стабильности положения опорных пунктов для определения реальных смещений оползневых массивов.
-
Теоретическое обоснование и практическое применение новой модели трехосного атмосферного эллипсоида для учета влияния атмосферных ошибок на спутниковые измерения.
Научная новизна:
- разработаны теоретические основы контроля за развитием опасных
оползневых процессов природного и техноприродного характера с использо
ванием новейших геодезических технологий
выполнено теоретическое обоснование и разработана технология создания комплексной системы геодезического обеспечения геоэкологического мониторинга оползневых процессов и вызванных ими деформаций инженерных сооружений на основе объединения в единую систему классических и современных спутниковых геодезических и магнитометрических методов с методом статистического моделирования для оценки и прогноза изменения состояния природно-технических систем и принятия управленческих решений.
разработан метод выявления деформаций инженерных сооружений на основе геодезических методов контроля за изменением формы поверхности инженерных конструкций в процессе эксплуатации. Полученный в работе метод позволяет на основе математической модели выполнить прогноз появления трещин и исследовать влияние температурных деформаций на их раскрытие по результатам геодезических наблюдений еще до того, как эти трещины появятся.
впервые разработана и проверена на практике новая методика оценки стабильности опорных пунктов геодезической сети в стесненных условиях городской застройки при активизации оползневых процессов на основе методов статистического моделирования. Данная методика позволяет оценить случайные погрешности измерений и влияние геометрии опорной геодезической сети на точность определения величины и направления смещения грунтовых реперов и выявить реальные деформации. Достоверность результатов исследований подтверждается практической реализацией предложенных методов и моделей при обосновании и внедрении системы геомониторинга оползневых процессов на территории г. Томска.
- теоретически обосновано применение метода математического моде
лирования и статистических испытаний (метода Монте-Карло) для оценки
точности геодезических измерений параметров оползневых и деформацион
ных процессов на базе модифицированного генератора случайных нормально
распределенных погрешностей измерений, что позволяет отделить реальные
деформации от случайных погрешностей измерений. Достоверность прогно
за, использующего компьютерную модель случайных погрешностей резуль
татов геодезических измерений подтверждается экспериментальной провер
кой.
- теоретическое обоснование и практическое применение новой модели
трехосного атмосферного эллипсоида для учета влияния атмосферных оши
бок на спутниковые измерения в геодезии.
На защиту выносятся:
-Результаты теоретических и прикладных исследований решения геоэкологических проблем оползнеопасных территорий с применением новой комплексной системы геодезического обеспечения геоэкологического мониторинга природно-технических систем на основе объединения классических и современных спутниковых геодезических и магнитометрических методов и статистического моделирования.
^Методологические и технологические принципы решения геодезических задач в системе геомониторинга природно-технических систем с использованием метода Монте-Карло. Разработанная компьютерная модель случайных погрешностей результатов геодезических измерений используется в процессе верификации результатов геодезических наблюдений оползневых процессов.
-Теоретическое обоснование, разработка и практическое применение нового метода оценки стабильности пунктов опорной геодезической сети в стесненных условиях городской застройки на оползнеопасных территориях
- Методика и результаты прогнозной оценки развития оползневых процессов на основе геодезических технологий в системе геодезического обеспечения комплексного геоэкологического мониторинга.
Практическая значимость. Разработанная в диссертации система геодезического обеспечения комплексного геоэкологического мониторинга, включающего в себя организацию стационарных наблюдений за смещениями оползневого склона и за осадками и деформациями инженерных сооружений на оползневом склоне, оценку и анализ результатов наблюдений, построение математических моделей и прогнозирование на их основе изменения состояния природных и техно-природных систем дает возможность специалистам принимать научно-обоснованные управленческие решения, позволяющие предотвратить или снизить активность развития опасных природных и техно-природных процессов, угрожающих не только зданиям и сооружениям, но и самой жизни людей.
Разработана методика комплексного подхода к организации геомониторинга оползневых процессов, сочетающая инструментальные наблюдения с использованием новейших спутниковых технологий с созданием компьютерной модели влияния случайных погрешностей геодезических наблюдений на результаты моделирования для выделения из результатов измерений реальных величин деформаций и принятия управленческих решений.
На основе исследований применяемых в стандартных подпрограммах статистического анализа и обработки данных генераторов случайных величин выявлены особенности работы подобных генераторов, определен лучший генератор с точки зрения соответствия генерируемого распределения теоретическому, проведена его модификация, значительно улучшившая его работу и на основе модифицированного в работе генератора разработана методика моделирования результатов геодезических измерений оползневых процессов.
Исследовано влияние температурных деформаций на раскрытие трещин в несущих стенах деформируемых зданий при активизации оползневых процессов, что позволяет прогнозировать развитие трещин не только от осадок здания, но и от изменения температуры окружающей среды.
Анализ точности спутниковых измерений показал, что она в основном зависит от атмосферных погрешностей. Однако более точный учет влияния атмосферы на результаты геодезических измерений при существующих в настоящее время сферически-симметричных моделей атмосферы обеспечить невозможно, что вызвало необходимость обоснования и разработки новой модели трехосного атмосферного эллипсоида. Практический учет несферичности атмосферы позволяет повысить точность спутниковых измерений
Результаты исследований позволили разработать в городе Томске комплексную систему геодезического обеспечения геоэкологического мониторинга на муниципальном уровне, объединяющую в себе различные методы наблюдений и возможности не только классической геодезии, но и современных спутниковых и магнитометрических методов, а также методов статистического моделирования для оценки состояния и устойчивости ПТС на территории города.
Достоверность результатов исследований подтверждается практической реализацией предложенных методов и моделей при обосновании и практической реализации системы геомониторинга оползневых процессов на территории г. Томска. Достоверность и обоснованность прогноза появления трещин в строительных конструкциях на основе геодезических данных подтверждается как сравнением с экспериментальными данными, так и дальнейшими теоретическими исследованиям» других авторов. Достоверность прогноза, использующего компьютерную модель случайных ошибок результатов геодезических измерений подтверждается экспериментальной проверкой.
Реализация основных результатов исследования осуществлялась в соответствии с программой научно-исследовательских работ Томского государственного архитектурно-строительного университета при непосредственном участии и под руководством автора и в соответствии с утвержденной программой работы координационного Совета по инженерной защите администрации г. Томска при организации геомониторинга оползневых процессов. Результаты работы позволили выработать рекомендации по корректировке генерального плана застройки города с учетом развития опасных природных и техноприродных процессов. Основные положения диссертации используются при выполнении научно-исследовательских работ и в учебном процессе ТГАСУ при изучении специальных дисциплин для студентов специальностей «Инженерная защита окружающей среды» и «Городской кадастр»
Апробация работы. Материалы диссертационной работы были представлены на следующих конференциях, семинарах и конгрессах:
XXXIX научная конференция профессоров, преподавателей, научных работников и аспирантов ЛИСИ. Ленинград, ЛИСИ, 1981 г
ХШ научно-методическая конференция «Проблемы инженерного образования на современном этапе» Томск, ТИСИ, 1988 г
Региональная научно-техническая конференция «Совершенствование геодезических, фотограмметрических и астрономических работ» Ростов на Дону, РИСИ, 1990г
Международныеая научно-техническая конференция. «Современные проблемы геодезии и оптики». Новосибирск, СГГА, 1998г.
II международная конференция «Автомобильные дороги Сибири» 20-24 апреля 1998 г. Омск, СибАДИ.
Международная научно-техническая конференция, посвященная 65-летию СГГА - НИИГАиК, «Современные проблемы геодезии и оптики». Новосибирск, СГГА, 1999г.
Международная научная конференция «Геоэкологические проблемы урбанизированных территорий» 22-24 сентября 1999г., г.Томск
Третий и четвертый Сибирский конгресс по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ-98), (ИНПРИМ-2000). «Математические модели в геодезии, кадастре и оптотехнике». СГГА.-Новосибирск, 1999,2000гг.
LI научно-техническая конференция. Современные проблемы геодезии и оптики. Новосибирск, СГГА, 2001г.
Ежегодная сессия Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии Сергеевские чтения. (Москва, 21-22 марта 2002)
Международная научно-техническая конференция «Архитектура и строительство». Секция «Архитектурно - строительный комплекс и проблемы технической и экологической безопасности» 11-12 сентября 2002г., г.Томск:.
Международная научно-техническая конференция «Техногенная трансформация геологической среды». Секция «Активизация экзогенных гео-логичеких процессов урбанизированных территорий» 17-19 декабря 2002г., г.Екатеринбург:.
LIII международная научно-техническая конференция. «Современные проблемы геодезии и оптики». Новосибирск. СГГА, 2003г.
Международная конференция по геотехнике «Реконструкция исторических городов и геотехническое строительство», посвященной 300-летию Санкт-Петербурга. СПб., 2003г.
Международная научно-техническая конференция «Геотехника Беларуси: Наука и практика», Минск,. 2003г.
Международная научно-техническая конференция «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений в районах развития опасных геологических процессов». Москва: М. 2003г.
LIV международная научно-техническая конференция. «Современные проблемы геодезии и оптики». Новосибирск. СГГА, 2004г.
К)
Публикации. Основные реіульпиьі исследований автора по теме диссертации опубликованы в одной монографии и 23 печатных работах, приведенных в автореферате.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и содержит 406 стр.машинописного текста, 83 рисунка и 48 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 280 наименований.
