Разработка методики определения деформаций плотин гидроэлектростанций по результатам спутниковых геодезических измерений во Вьетнаме

Нгуен Вьет Ха

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка методики определения деформаций плотин гидроэлектростанций по результатам спутниковых геодезических измерений во Вьетнаме
ВАК РФ 25.00.32, Геодезия

Автореферат диссертации по теме "Разработка методики определения деформаций плотин гидроэлектростанций по результатам спутниковых геодезических измерений во Вьетнаме"

На правах рукописи

НГУЕН ВЬЕТ ХА

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ПЛОТИН ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ СПУТНИКОВЫХ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ ВО ВЬЕТНАМЕ

Специальность: 25.00.32 - Геодезия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

Москва 2010

4843249

Работа выполнена на кафедре прикладной геодезии Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Клюшин Е.Б.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Пимшин Ю.И,

кандидат технических наук Власенко Е.П.

Ведущая организация: Грозненский Государственный нефтяной институт им. Академика М.Д. Миллионщикова.

Защита диссертации состоится « 17 » февраля 2011 г. вЛ?с<час. на заседании диссертационного совета Д 212.143.03 при Московском государственном университете геодезии и картографии по адресу: 105064, Москва, К-64, Гороховский пер., 4, МИИГАиК, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИГАиК.

Автореферат разослан «2Л » декабря 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ■Климков Ю.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В последние годы во Вьетнаме было модернизировано и построено множество крупных современных индустриальных сооружений страны, таких как гидроэлектростанции Хоа Бинь, ЧиАнь, ТуэнКуанг, ШонгХинь, Иапи, Сесан, СонЛа. Крепежные и опорные элементы гидротехнических сооружений (гидроэлектростанции, водонапорные плотины, водосливные плотины, трубопроводы) конструктивно находятся в слабых местах, и часто давление воды действует с одной стороны этих сооружений. Под воздействием давления воды и других природных факторов, а также вследствие нестабильной основы сооружений агрегаты и отдельные элементы могут быть деформированы, а при деформациях, превышающих допустимые пределы, могут происходить повреждения и даже разрушения конструкций. Поэтому мониторинг и наблюдения за деформациями гидротехнических сооружений являются чрезвычайно важными. Результаты наблюдений за деформациями для оценки стабильности и безопасности сооружений помогают специалистам сделать процесс строительства и реконструкции гидротехнических сооружений более надежным и безопасным.

Наблюдения за деформациями плотин и водоспусков являются сложной и проблемной задачей, требующей высокой точности, поэтому в этой области разработаны различные методы измерений и анализа результатов. Основным в настоящее время становится спутниковый метод, имеющий ряд преимуществ, так как является наиболее точным, быстрым и самым удобным способом определения координат точек.

Цель диссертационной работы

Основной целью работы является разработка методики анализа результатов наблюдений за осадками и смещениями плотин во Вьетнаме с применением спутниковых методов измерений, а также научное обоснование методики и определение путей ее практической реализации.

Основные задачи исследования

Для решения задач эффективного применения современных спутниковых технологий прогнозирования деформаций плотин гидроэлектростанций исследован следующий круг задач:

- анализ стабильности пунктов опорной сети по результатам измерений традиционными способами;

- анализ стабильности пунктов опорной сети по результатам измерений спутниковым методом;

- разработана методика определения величин деформаций плотин гидроэлектростанций в локальной системе координат;

- преобразование координат, полученных из системы координат WGS-84 в локальную систему координат;

- составление программы уравнивания спутниковой геодезической сети;

- составлены программы свободного уравнивания спутниковой геодезической сети и анализа стабильности опорной сети;

- разработана программа преобразования результатов спутниковых наблюдений в локальную систему координат.

Научная новизна работы

1. Выполнен анализ стабильности пунктов опорной сети при наблюдениях спутниковыми методами за деформациями гидротехнических сооружений во Вьетнаме.

2. Разработан алгоритм преобразования координат из системы координат \VGS-84 в локальную систему, а также алгоритм определения средних квадра-тических ошибок координат в локальной системе координат, и установлена зависимость между малыми изменениями декартовых координат х, у и Н и геоцентрических координат.

3. Разработаны следующие программы: уравнивание спутниковой геодезической сети; свободное уравнивание спутниковой геодезической сети и ана-

лиз стабильности опорной сети; преобразование координат из системы координат WGS-84 в локальную систему координат.

4. Выполнена оценка точности определения величин деформаций сооружений по результатам спутниковых наблюдений.

Публикации и апробация работы

По результатам выполненных исследований по теме диссертации опубликованы две статьи в журналах, рекомендованных ВАК России, а также (в соавторстве) тезисы докладов на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК (Москва, апрель 2008, апрель 2009, апрель 2010).

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов с подразделами, заключения и списка литературы. Общий объем работы - 122 стр. Диссертация содержит 24 таблицы и 27 рисунков. Список литературы составляет 53 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ВВЕДЕНИЕ

Обоснована актуальность решаемой задачи, сформулированы цель и задачи исследования, обоснована научная новизна и практическая значимость работы.

ГЛАВА 1. ДЕФОРМАЦИИ ПЛОТИН ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ И ПРИЧИНЫ ИХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ

В главе дается общая характеристика гидроэлектростанций Социалистической Республики Вьетнам (СРВ), а также потребности и перспективы развития энергоснабжения Вьетнама. Территория СРВ составляет 329,6 тыс. км2. На севере и юге Вьетнама расположены два главных района, выращивающие рис, образованные дельтами рек Хонгха (Красная) и Меконг (Кыулонг). Длина реки Хонгха в пределах Вьетнама - 508 км, реки Меконг - 250 км. Другие крупные

реки страны: Да (Черная), Ло, Ма, Тхайбинь, Ка, Донгнай, Ба. Крупнейшие озера страны: на юге - Дарлак (1 тыс. га), на севере - Бабе (500 га), Западное (466 га). Ежегодно речная сеть востока Вьетнама несет в море 870 бил. м3/год воды; соответствующий средний поток составляет 37500 м3/сек.

Рассмотрены различные типы гидроэлектростанций (ГЭС) и отмечено, что плотины являются необходимым звеном в их строительстве, связанном с ростом и развитием народного хозяйства страны. В связи с этим геодезические работы находят широкое применение при строительстве и эксплуатации ГЭС.

Основными методами при измерении осадок и деформаций инженерных сооружений являются геодезические. Они позволяют определять не только относительные перемещения точек, но также их абсолютные величины по отношению к практически неподвижным знакам геодезического обоснования.

Наблюдения за осадками и деформациями сооружений занимают значительное место в современной практике инженерно-геодезических работ. При этом объем и сложность наблюдений, а также требования к их точности из года в год возрастают. В связи с этим разрабатываются специальные методы и средства измерений. Выбор методики и способа геодезических наблюдений определяют исходя из конструктивных особенностей сооружений и специфики условий. Для наблюдений за осадками и деформациями крупных инженерных сооружений применяют самые специфические методы.

При изучении различного рода деформаций, возникающих в земной коре, а также в основаниях гидроэлектростанций и на других объектах, появляется необходимость выполнения достаточно частых (а иногда и непрерывных во времени) измерений. Традиционные геодезические методы в организации мониторинговых измерений на объектах больших размеров требуют больших затрат средств и времени. Целесообразность использования ОРБ-измерений при изучении деформаций на различных объектах, в первую очередь, связана с высокой экономической эффективностью спутниковых методов измерений в сочетании с высокой точностью измерений.

В настоящее время спутниковые методы измерений находят все более и

более широкое применение для изучения и мониторинга деформаций плотин гидроэлектростанций. При этом необходимо учитывать, что нормальная высота пунктов определятся менее точно. Точность определения изменений координат пунктов зависит от широты исследуемого объекта, кроме того, недостаточное число наблюдаемых спутников, вызванных экранировкой сигнала местными предметами, ограничивают возможность использования спутниковых методов.

Установлено, что основные пространственно-временные характеристики аномальных движений идентичны как для сейсмоактивных, так и для асейс-мичных разломных зон. При этом интенсивность деформационного процесса в разломах асейсмичных регионов выше, чем в сейсмоактивных. По мнению Ю.О. Кузьмина, явление суперинтенсивных деформаций платформенных, асейсмичных разломов следует отнести к новому классу тектонических движений. В целом же фактор современной геодинамической активности геологической среды не учитывался при анализе аварийных ситуаций инженерных сооружений. В последние годы были получены принципиально новые данные о современном геодинамическом состоянии поверхности Земли. Оказалось, что имеют место современные суперинтенсивные деформации земной поверхности со скоростями до 50-70 мм в год, которые приурочены к зонам тектонических нарушений (разломам различного типа и порядка).

Выявлено наличие интенсивных локальных аномалий вертикальных и горизонтальных движений земной поверхности. Эти аномальные движения высо-коградиентны (свыше 50 мм/год), короткопериодичны (от 0,1 года до первых лет), пространственно локализованы (от 0,1 км до первых десятков километров), обладают пульсационной и знакопеременной направленностью.

Настоящая работа посвящена разработке рациональной и экономически целесообразной методики построения спутниковой сети для изучения деформаций и осадок гидротехнических сооружений с учетом особенностей развития гидроэлектростанции Туен Куанг, которая выбрана в качестве примера для исследований.

ГЛАВА 2. СПУТНИКОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ В ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТАХ

Даны основные характеристики существующих в настоящее время космических навигационных систем, включая подробное описание спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС, а также находящейся в разработке системы GALILEO. Приводится описание основных методов измерений и определения положения пунктов спутниковыми методами.

Рассмотрены основные источники ошибок спутниковых наблюдений и поправки, вводимые в результаты измерений.

Основное внимание в данной главе уделено подходу к решениям, ориентированным на минимизацию влияния основных источников ошибок спутниковых измерений при исследованиях деформаций земной поверхности.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСАДОК И СМЕЩЕНИЙ ПЛОТИН ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

В главе даются основные рекомендации по наблюдениям за осадками и деформациями плотин гидроэлектростанций, периодичности и точности измерений. При внедрении спутниковых технологий в топографо-геодезическое производство резко изменились организационные и технологические принципы проведения полевых и камеральных работ, что дает основание говорить о революционных изменениях в области геодезических измерений. В настоящее время спутниковые методы измерений находят все более широкое применение для изучения и мониторинга деформаций инженерных сооружений.

В настоящее время в связи с интенсивным развитием спутниковых технологий и активизацией деятельности по функционированию спутниковых радионавигационных систем GPS и ГЛОНАСС создаются предпосылки к расширению областей их применения. Реализация концепции устойчивого развития общества требует большего внимания к обеспечению безопасности жизнедеятельности и функционирования инженерных объектов. Перед геодезистами

возникает задача разработки и совершенствования методов и средств деформационного анализа на основе современных спутниковых технологий.

В настоящее время для наблюдения за деформациями гидротехнических сооружений спутниковыми методами применяются построения из специальных локальных геодезических сетей, состоящих из двух-трех ступеней. При этом первая ступень является опорной сетью, включающей в себя нескольких пунктов, располагающихся на устойчивых местах. В каждом цикле наблюдений производятся необходимые измерения элементов этой сети с целью проверки стабильности и определения координат ее пунктов. В целом, задача обработки результатов измерений в опорной сети в наблюдаемом цикле заключается в следующем:

в сети, состоящей из т пунктов, измеряются все базовые линии л; где

- (Х,,^^.)- координаты точки ; после уравнивания сети;

- (Л",10,,^(0),2,<0)) - координаты точки / по результатам спутниковых измерений;

- (йЬ^^аЬ;.) - поправки к координатам точки / при уравнивании сети;

- (ЛХу,Ау0,Агу) - приращения координат точек г и ) после уравнивание сети;

- (Ах V, Ау V, Аг V) - приращения координат точек / и _/ по результатам спутниковых измерений;

- (V,, у„ ,уг ) - поправки в измеренные приращение координаты точек г и у.

В первом цикле определяются приращения координат точек г и_/

(1)

Из (1) можно составить следующие параметрические уравнения попра-

ду(1> _ у(1) _ уО)

II 1 I

вок:

где:

V , --(Их, +сЬс,+1,

хч ' ) х

4 >) г

1А=Х)-Х°-АХ™

лгу

= z;-z°-дz'<;,

; - свободные члены;

(3)

л-

"... -1 0 0 . . 1 0 0 . . 0 0 0 . . 0 0 0 ..."

... 0 -1 0 . . 0 1 0 . . 0 0 0 . . 0 0 0 ...

... 0 0 -1 . . 0 0 1 . . 0 0 0 . . 0 0 0 ...

А =

где А - матрица коэффициентов.

Далее определяются величины:

Л Л

1Ч =

; 1 =

где £ - матрица-столбец свободных членов;

\ 'к'

II \ ; V =

V. ** - 3x1

где К-матрица-столбец поправок;

8ХГ =[... с1х, с!у ¿2, ...], где 5Х- матрица-столбец неизвестных.

В матричной форме систему поправок можно записать следующим образом:

У=АЪХ+Ь. (4)

В матричной форме система нормальных уравнений принимает вид:

(АтРА)ЬХ + (АтРЬ) = а, (5)

где Р = К; К - ковариационная матрица, Р - матрица весов. Или

Ш + Ь = 0. (6)

Неизвестные величины находятся следующим образом:

х=-в:'ь=-оь. (7)

Ошибка единицы веса

уТру

где ц - средняя квадратическая ошибка единицы веса.

Получив решение (8), оценка точности векторов пространственных смещений выполняется по формуле

т*. =

ту, = ••

Пусть имеется вектор уравненных координат пространственной сети в первом цикле наблюдений Х1 = (х1,у1,21;х2,у2г2ш,...,хк,ук2к)Т и вектор измеренных элементов той же сети в исследуемом цикле. Необходимо произвести уравнивание и фиксацию этой сети по координатам пунктов сети из первого цикла.

Для решения этой задачи можно считать опорную сеть в исследуемом цикле как свободную и применять метод свободного уравнивания для обработки результатов измерений элементов сети. При этом объединение сети в двух циклах (исследуемом и первом) предполагается выполнять под условием минимума суммы квадратов расхождений в одноименных координатах устойчивых пунктов сети.

Как известно, уравнивание свободной сети в исследуемом цикле приводит к системе нормальных уравнений (6).

Если при уравнивании за приближенные координаты принимаются уравненные координаты сети из первого цикла, то получается, что вектор неизвестных в системе уравнений (8) есть вектор расхождений одноименных координат в двух циклах наблюдений, то же самое и является вектором смещений пунктов опорной сети.

Для объединения результатов измерений исследуемого цикла необходимо поставить дополнительные условия для неизвестных:

Условие минимума суммы квадратов расхождений в одноименных координатах устойчивых пунктов сети приводит к следующим правилам выбора матрицы С:

где В( есть матрица преобразования координат Гельмерта для пункта /; в общем случае для плановой сети эта матрица имеет вид:

СГЪХ = 0.

(9)

С, = В: для стабильного пункта С: = 0 для нестабильного пункта

(10)

1 0 0 0 г, у, х,

В, = 0 1 0 -2,. 0 -х, у,

(И)

0 0 1 ->■, -х, 0 г,.

Для линейно-угловой сети в матрице В, отсутствует четвертый столбец, а для спутниковой сети существуют только три первые столбца.

Совместное решение системы нормальных уравнений (8) при дополнительных условиях (9) дает результат:

ЗХ = -Я~Ь, (12)

где К~ - псевдообратная матрица от Я, полученная, например, по формуле: Я" = (Л + ССТГ' - В(СГВ)'](в(ствуу

(13)

Критерий для определения стабильности пунктов выбирается, исходя из правила трех сигм, выраженного так: «Пункт считается стабильным, если значение его смещения не превосходит предельную ошибку определения самого этого же смещения». Это правило реализуется выражением:

8 Г <

Ьу<ш(,у Ь, < тп

(14)

В формуле (14) ошибки определения смещений по осям координат т0х, т0у и т0г можно определить через ошибки уравненных координат (в двух циклах наблюдений, которые сравниваются) по формуле:

тп

к + т] х2

1т1 + т2„

1 л

-Я

+ т.

(15)

Обычно полученные из уравнивания ошибки тох, т^у и т(>: не будут одинаковы для пунктов сети, поэтому вместо критерия (14) можно выбрать одно какое-то общее значение (например, из проектных данных) А<2„р для всех пунктов сети, тогда критерий для оценки стабильности будет иметь вид:

(16)

Таким образом, имеется правило (10) для выбора матрицы С и критерий (16) для оценки стабильности пунктов опорной сети. Комбинируя эти выражения, можно решать задачи уравнивания опорной сети и наличие стабильных пунктов в исследуемом цикле наблюдений. Однако при применении формул (10) и (16) в практических вычислениях возникают трудности в одновременности реализации этих выражений.

Для обработки результатов измерений рекомендовано применение специальной программы ВЫЧ-ИНЖ2010 (программа написана автором диссертации). При обработке геодезических измерений с помощью ВЫЧ-ИНЖ2010 имеется возможность выбрать тот или иной способ вычисления, автоматически контролировать точность производимых расчетов, а также выполнять визуальный анализ корректности полученных результатов. Рассмотрим основные модули данной программы.

Модуль «Уравнивание линейно-угловых геодезических сетей» выполняет уравнивание плановых геодезических сетей (рис. 1).

\ Файл Правка Уравнивания Пространственные уравнивания Преобразование

■ 11111 : Уравнивание нивелирной сети

Рисунок 1

Модуль «Уравнивание нивелирной сети» (рис. 2) выполняет уравнивание высотных геодезических сетей.

МЕ

5 Файл Правка : Уравнивания Пространственные уравнивания Преобразование

• ||||| Я Я Уравнивание линейно-угловых геодезических сетей |

И 11 Р..ж .......................!..

Рисунок 2

Модуль «Зависимое уравнивание» (рис. 3) выполняет уравнивание пространственных зависимых сетей по результатам спутниковых геодезических измерений.

Файл Правка Уравнивания Пространственные уравнивания Преобразование

Свободное уравнивание

Свободное уравнивание с анализом стабильности

Рисунок 3

Модуль «Свободное уравнивание» (рис. 4) выполняет уравнивание пространственных свободных сетей по результатам спутниковых геодезических измерений. В каждом цикле наблюдений производятся необходимые измерения элементов сети с целью проверки стабильности и определения координат ее пунктов.

« 2 Я % ........

Файл Правка Уравнивания Пространственные уравнивания Преобразование

н Зависимое уравнивание

■ йй £

■ Р» Свободное уравнивание с анализом стабильности 1

Рисунок 4

Модуль «Свободное уравнивание с анализом стабильности» (рис. 5) позволяет выполнить уравнивание пространственных свободных сетей с анализом стабильности по результатам спутниковых геодезических измерений.

*— _ ' ч*' « ■■1

Файл Правка Уравнивания Пространственные уравнивания Преобразование

■ Зависимое уравнивание Свободное уравнивание

■ V"", ".....■ ::

Рисунок 5

Модуль «Перевычисление ВЬН—>ХУН» (рис. 6) предназначен для преобразования из геодезических координат в геоцентрические координаты.

Рисунок 6

Модуль «Перевычисление ХУН-^ВЬН» (рис. 7) предназначен для преобразования геоцентрических координат в геодезические координаты.

Пространственные уравнивания Преобразование

Перевычисление ВШ->ХУ2

Рисунок 7

При наблюдениях за деформациями сооружений необходимо выделить осадки и горизонтальные смещения. Геодезические декартовы системы координат, используемые в навигационных спутниковых системах без преобразования, не позволяют выделить осадки наблюдаемого объекта и горизонтальные перемещения. Для этих целей полезно использовать плоские конформные координаты в проекции Гаусса, так как они имеют строгую математическую связь с криволинейными геодезическими координатами, а через них и с прямоугольными геодезическими системами координат. Воспользуемся известными зависимостями для оценки точности вычисления деформаций сооружений по результатам спутниковых наблюдений.

Формулы для определения конформных плоских координат х, у и Я в проекции Гаусса по геодезическим координатам В и Ь:

х = Э + —-Га%тВсо$В\ 2р

(17)

(18)

(19)

где

0 = а(\-е2)(А1/---—$т2В+ — зт4В-,..); - длина дуги меридиана. (20)

В'

В,

С,

р 2 4

Л = у1хг + У2 = {Ы + Н)соъВ;

.V- " ;

71-е2 Бт2 В '

Н- геодезическая высота

Для оценки точности выполним дифференцирование формул (17-19), получаем:

N . „„, „ N ,2 . „пс1В 1

—31112 ВШ1--/2 БШ 2В— + — .

2р 4р р 4р

ск = сЮ + —-5\п 2 ВШ1--/2 бш 2В— + — вш 25^; (21)

ф = Мсо5В—-—5\пВ— + -со5В(1М; (22)

Р Р Р Р

= (23)

СОЗЛ СОБ 5

Для нахождения зависимости дифференциала широты от изменений декартовых геоцентрических координат дифференцируем формулу Боуринга:

„ г г1 +Ье'2 г2 1ёВ=Я-^-Ье2( 1-е2)*2' (24)

где: е2 =

а -Ь

а2 '

е2

е =-

1-е2

г = ^2+(х2 + у2)( 1-е2); ¿> = а\1\-е2.

Дифференцируя уравнение (24), получим

йВ ,(1\ /-3 +Ье'222 2 / гъ+Ъел22

р соб'Я ^ г -Ье (1-е Я

Т.

г-Ье2{ \-е2)Я2

где:

г г3+Ьеаг2 Я3 г3-Ье2(\-е2)Я2

соб В2Хс1Х +

П*) =

г г3+ьеаг2 Я3 г3 -Ье2(1-е2)Я2

1 г3+Ьеа22 Я2 г3 -Ье2(\-е2)Я2

гЛ^г (1-е2)

я.

+ Ну) + Р{2)

со %В2Ус1У+ соэ В2 2с12,

Г(У) =

г3-Ье2(\-е2)Я

г3+Ьей22 {г3-Ье2{\-е2)Я2)2

2) Зг (1-е2)

[Зг(1-е2)-2йе2(1-е2)]

чЯ>3-6е2(1-е2)Я

г3+Ье'222 (г3-Ье2(\-е2)Я2)\

(гЛ 3г (1-е2) [я)г3-Ье2( \-е2)Я2

Введем обозначения: А = Х

[Зг(1-е2)-26е2(1-е2)]

г3+Ье'2 22

(г3-Ье2( 1-е2)/?2)

Зг

г г3+Ье'222

В = У

С = 2

Я3 г3 -¿е2(1-е2)Я2

2 г3+г>е'222

Л3 г3 -Ье2(1-е2)Я2 _

1 г3 +Ье'2 22

соб б;

соэ2 В;

соб2 б.

Лг г3-бе2(1-е2)/?2 С учетом принятых обозначений формула (25) примет вид:

— = Ас1Х + Вс1У + Сё2. Р

Дифференцируя уравнение (20), получим dD = a{\-e2)

А<1-В<1со%2В + С^оъАВ— |.

С учетом (29) выражение (30) примет вид:

<Ш = <з(1 - е2)(Д, - Д, соз2В + соб4В)(Лс1Х + Ве}У + Сей).

(30)

(31)

Переходя от дифференциалов к средним квадратическим ошибкам, получим:

т2и = а2{\-е2)г(Аа-Вис.оъ2В + С^о%АВ)1{А2т2х+В2т2+С2т1г). (32)

Для определения зависимости дифференциала долготы с11 от дифференциалов декартовых координат дифференцируем \.%Ь\

(33)

Дифференциал абсциссы в проекции Гаусса ск определим из формулы (21) с учетом сЮ (31), (29) преобразуем к виду:

ск =

а( 1 - е2 ХД, - Д соб 2 В + С, соэ А В) - — /2 бш 2 В +

(.Ас/х+вс1г+саг)+—ею 2 в 2р

Введем обозначения: А

4р

аег$т2В I 2(1 — е2 эт2 В)2'2 р

соэВ

(34)

Аа( 1 - е2)(Ас/ - Д, соъ2В + С1] соз4В) -~12 соб2В +

2р'

ае ът2В I

2(1 -евт В) р

-сог В

N1 . „„Гсоб2/ --Б1П2В-

2р

в =

Ва{ 1 - e2){Aä - Bd cos2ß + Q cos45) - cos2B +

ae sin 25 / 2(l-e2sin2ß)3/2 p

cosß

M . _ _ У cos2 / -sm2ß-

a{ 1 -е2)(Д, - ß,, cos2ß + Cd cos4ß) - cos2ß +

cx = c

oe2sin2ß l

2(l-e sin ß) p

сое 2?

С использованием принятых обозначений (35-37) формула (34) быть записана в виде:

Из формулы (38) переходим к средним квадратическим ошибкам:

><=А1Щ+В?п2у+С1т1 Формулу (22) с учетом (29, 33) можно привести к виду:

dy = Nco$,B

^cos1L X

dY-

7cos L Хг

ae2sin2ß / IN . n -cosß--sinß

{AdX + BdY + CdZ).

2(l-e2sin 1Ву12 p

Примем обозначения:

. ae2sin2ß l IN . _ DYcos2 L

A„ = Л-;—5—г—-cos В - л—sin ß - N cos B-

2(1 -e sin By p

ae sin2ß /

соз £

В=В-"^-гР^-^-ооьВ-В—ътВ + МсоъВ

2{\-е $т В) р р X

_ _ аег%т2В I Ш .

С„ =С-г—=—гтт—со5В-С—эт Л.

' 2(1-е вт В) р р

С учетом обозначений формулу (40) представим в виде: dy = AydX + BvdY + CydZ.

Переходя к средним квадратическим ошибкам, получим: т) = А]тгх + В2ут) + С]т\.

Формулу (23) с учетом (29) можно привести к виду:

dH= Х dX+ Y dY-RcosB RcosB

Примем обозначения:

RsinB ae2s\n2B + -

cos В 2(1-e2 sin2ву

(AdX + BdY + CdZ).(46)

ßH =

RcosB Y

RcosB Rs'mB

RsinB ae2sir\2B

cos2 В 2(1-e2 sin2 Bf

Rs'mB ae2sm2B + -

cos В 2(1 -e sin B) ae2sm2B

cos2 В 2(1-e2 sin 2Bfn_ С учетом обозначений формулу (46) представим в виде:

dH = AHdX + BHdY + CHdZ.

Из формулы (47) переходим к средним квадратическим ошибкам

т2н = А2нт2х + В2нт2 +С2нт\.

Формулы средних квадратических ошибок

m2x=A2m2x+B2xm2r+C2xml т2у=А2ут2х +B2m2y+Clml т2н = A2Hm2x +B2Hml+ С2нт\

(47)

(48)

Для иллюстрации возьмем пример процесса обработки результатов измерений и оценки точности вычисления деформаций плотины «Наханг» (Вьетнам) по результатам спутниковых наблюдений (рис. 8).

Рисунок 8. Схема размещения геодезических пунктов для наблюдений за осадками и смещениями плотины «Наханг» Вьетнама

В сети были измерены 3 сеанса шестью приемниками Trimble R3 со средними квадратичными ошибками m.s=(5+l-Dppm) мм. Уравненные координаты сети и средние квадратические ошибки пространственных прямоугольных приращений координат АХ, Д Y, AZ рабочих пунктов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Пункты АХ, м т^х, м ДК, м тАГ, м AZ, м м

ММ-14 - QT-01 363,517 0,002 -122,604 0,002 593,646 0,005

ММ-16 - QT-01 471,803 0,002 -148,495 0,002 724,210 0,005

ММ-20 - QT-01 319,021 0.002 -119,850 0,002 632,213 0,004

ММ-21 -QT-01 367,012 0,002 -131,388 0,002 690,234 0,005

ММ-22 - QT-01 428,289 0,002 -146,005 0,002 764,079 0,004

После преобразования плоские конформные координаты в проекции Гаусса и их оценка точности приведены в табл. 2.

Таблица 2

Пункты Ах, м т^, м Ау, м mAv, м Н, м Мн, м

ММ-14 630,550 0,004 -318,177 0,002 68,277 0,002

ММ-16 771,690 0,004 -415,765 0,002 68,286 0,002

ММ-20 QT-01 660,732 0,004 -276,027 0,002 40,224 0,002

ММ-21 723,452 0,004 -319,259 0,002 40,224 0,002

ММ-22 803,269 0,004 -374,489 0,002 40,213 0,002

Формулы (39, 45, 48) можно использовать при оценке точности вычисления деформаций сооружений по результатам спутниковых измерений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе исследований, проведенных в настоящей диссертационной работе, представляется возможным сделать обобщенный вывод о том, что представленный материал охватывает комплекс вопросов, относящихся к разработке методов исследования деформационных процессов применительно к крупным инженерным сооружениям. В основу разработанного метода положены современные возможности определения осадок и смещений при использовании прямоугольных координат и применения глобальных спутниковых навигационных систем. При этом в процессе реализации упомянутого комплекса решены следующие задачи:

- разработана методика обработки результатов спутниковых измерений с целью выявления деформаций плотин гидроэлектростанций;

- разработана методика анализа стабильности пунктов опорной сети из измерений спутниковыми методами при наблюдениях за деформациями гидротехнических сооружений во Вьетнаме с использованием метода свободного уравнивания;

- выявлены математические зависимости изменения точности плоских конформных координат при анализе деформаций крупных инженерных сооружений;

- разработаны компьютерные программы для обработки результатов спутниковых измерений.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Чан Хань, Нгуен Вьет Ха. Анализ стабильности пунктов опорной сети при наблюдении за горизонтальными смешениями гидротехнических сооружений во Вьетнаме. Известия ВУЗов, Геодезия и аэрофотосъёмка, N 5, 2008, с. 3338.

2. Нгуен Вьет Ха. Алгоритм настройки мониторинга сети деформированных туннелей и шахт. Двадцатая национальная конференция по вопросам горной науки и техники, Вунгтау, 2009.

3. Нгуен Вьет Ха. Оценка точности вычисления деформаций плотин гидроэлектростанций спутниковыми методами. Известия ВУЗов, Геодезия и аэрофотосъёмка, N 6,2010.

Подписано в печать 22.12.2010. Гарнитура Тайме Формат 60*90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем 1,5 усл. печ. л. Тираж 80 экз. Заказ №313 Цена договорная Издательство МИИГАиК 105064, Москва, Гороховский пер., 4

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Нгуен Вьет Ха

ВВЕДЕНИЕ.

1. ДЕФОРМАЦИИ ПЛОТИН ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ И ПРИЧИНЫ ИХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ.

1.1. Гидроэлектростанции Вьетнама.

1.1.1. Физико-географическое положение и гидрография.

1.1.2. Климат Вьетнама.

1.1.3. Геология В ьетнама.

1.1.4. Гидроэлектрический и гидроэнергетический потенциалы Вьетнама.

1.2. Деформации гидротехнических сооружений.

1.2.1. Значение и задачи наблюдений.

1.2.2. Сроки и частота проведения измерений.

1.2.3. Точность измерения деформаций.

1.3. Геодезические методы наблюдений за деформациями.

2. СПУТНИКОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ В ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТАХ.

2.1. Глобальные системы определения местоположения ГЛОНАСС и NAVSTAR GPS.

2.2. Ошибки результатов измерений.

2.2.1. Источники ошибок спутниковых наблюдений.

2.2.2. Поправки, вводимые в результаты измерений.

2.2.3. Ошибки, связанные с геометрией расположения спутников, находящихся в зоне проводимых наблюдений.

2.2.4. Ослабление влияния геометрического фактора на точность GPS-позиционирования.

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСАДОК И СМЕЩЕНИЙ ПЛОТИН ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ.

3.1. Анализ стабильности пунктов опорной сети при наблюдениях за горизонтальными смещениями гидротехнических сооружений во Вьетнаме.

3.1.1. Теоретические предпосылки и алгоритм вычисления.

3.1.2. Пример вычисления.

3.2. Определение деформаций традиционными методами.

3.2.1. Наблюдения за осадками.

3.3. Спутниковые методы определения деформаций плотин.

3.3.1. Анализ стабильности пунктов пространственной опорной сети при наблюдениях за деформациями гидротехнических сооружений спутниковыми методами.

3.3.2. Определение деформаций плотин ГЭС.

3.4. Преобразование координат из спутниковой пространственной системы в локальную систему координат.

3.4.1. Преобразование координат из спутниковой пространственной системы в местную систему координат.

3.4.2. Преобразование координат из спутниковой системы GPS в плоскую систему х,у\\Нъ проекции Гаусса.

3.4.3. Оценка точности вычисления деформаций сооружений по результатам спутниковых наблюдений.

3.5. Программирование алгоритма для обработки результатов геодезических измерений.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка методики определения деформаций плотин гидроэлектростанций по результатам спутниковых геодезических измерений во Вьетнаме"

В последние годы во Вьетнаме было модернизировано и построено множество крупных современных индустриальных сооружений страны, таких как гидроэлектростанции Хоа Бинь, Чи Ань, Туэн Куанг, Шонг Хинь, Иали, Сесаи, Сон Ла. Крепежные и опорные элементы гидротехнических сооружений (гидроэлектростанции, водонапорные плотины, водосливные плотины, трубопроводы) конструктивно находятся в слабых местах, и часто давление воды действует с одной стороны этих сооружений. Под воздействием давления воды и других природных факторов, а также вследствие нестабильной основы сооружений агрегаты и отдельные элементы могут быть деформированы, а при деформациях, превышающих допустимые пределы, могут происходить повреждения и даже разрушения конструкций. Поэтому мониторинг и наблюдения за деформациями гидротехнических сооружений являются чрезвычайно важными. Результаты наблюдений за деформациями для оценки стабильности и безопасности сооружений. помогают специалистам сделать процесс строительства и реконструкции гидротехнических сооружений более надежным и безопасным.

Гидроузлы сооружений являются конструкциями с повышенным уровнем риска, при неправильной эксплуатации могут грозить экологической катастрофой. Поэтому государство особенно заинтересовано в их безопасности и ведет государственный контроль за строительством, реконструкцией и эксплуатацией. Результаты мониторинга деформаций сооружений регулярно обновляются в базах данных и используются при строительстве и реконструкции сооружений для обеспечения их надежности и стабильности. Геодезические наблюдения позволяют выбрать решения по применению новых технических средств и информационных технологий для анализа и дают объективную оценку устойчивости агрегатов сооружений. Развитие науки и техники, применение в методах обработки данных новых технологий способствуют повышению эффективности и точности работы служб наблюдений.

В настоящее время мониторинг крупных гидроузлов Вьетнама главным образом основан на данных традиционных методов геодезических измерений и используется для определения деформаций и обоснования цикличности измерений.

С момента появления спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS, а также на основе непрерывного процесса совершенствования технологии спутниковых измерений, проблемы прогнозирования деформаций плотин гидроэлектростанций стали решаться на качественно новой основе. Развитие высокоэффективных спу тниковых методов координатных определений на основе применения глобальных навигационных систем принципиальным образом изменяют технологию и точность определения геодезических координат и принципы построения геодезических сетей. По результатам спутниковых измерений одновременно определяются точные значения координат, как в плане, так и по высоте. Поэтому современные спутниковые методы координатных определений на основе применения глобальных навигационных систем GPS и ГЛОНАСС создают условия для создания плановой и высотной основы в виде единой совокупности геодезических пунктов. Сложность решения этой проблемы состоит в том, что по спутниковым измерениям непосредственно определяется лишь геодезическая (эллипсоидальная) высота, т.е. высота точки земной поверхности над отсчетным эллипсоидом (как правило, WGS-84).

Задачей данной диссертационной работы является разработка методики анализа результатов наблюдений за деформациями плотин гидроэлектростанций во Вьетнаме с применением спутниковых методов измерений, а также научное обоснование выбранной методики и определение пути ее практической реализации. Необходимо разработать алгоритмы обработки спутниковых данных и анализа, данных мониторинга гидроэлектростанций Вьетнама, которые позволили бы уверенно разделить осадки наблюдаемого объекта от горизонтальных смещений с высокой точностью.

Таким образом, для решения задачи эффективного применения современных спутниковых технологий прогнозирования деформаций плотин гидроэлектростанций должен быть исследован следующий круг задач:

- анализ стабильности пунктов опорной сети по результатам измерений традиционными способами;

- анализ стабильности пунктов опорной сети по результатам измерений спутниковым методом;

- разработка методики определения величин деформаций плотин гидроэлектростанций;

- преобразование координат, полученных из спутниковых наблюдений, в локальную систему координат;

- составление программы уравнивания спутниковой геодезической сети;

- составление программы свободного уравнивания спутниковой геодезической сети и анализа стабильности опорной сети;

- разработка программы преобразования координат, полученных из спутниковых наблюдений, в локальную систему координат.

Исходя из изложенного, приведем структуру данной диссертационной работы.

В разделе 1 даны сведения о деформациях плотин гидроэлектростанций, причинах их возникновения, а также выполнен анализ геодезических методов наблюдений с точки зрения применения их к таким сооружениям, как гидротехнические сооружения.

В разделе 2 изложены основные характеристики систем GPS и ГЛОНАСС, методы измерений и определения положения пунктов спутниковыми методами; источники ошибок, свойственные спутниковым методам измерений, и методы ослабления их влияния.

Раздел 3 посвящен разработке методики наблюдений за деформациями плотин гидроэлектростанций спутниковым методом, приводится математическое обоснование, рассмотрены также вопросы применения свободного уравнивания спутниковой геодезической сети, анализа стабильности опорной сети, определения величин деформаций плотин гидроэлектростанций и преобразования координат, полученных из спутниковых наблюдений, в локальную систему координат. Выполнена разработка методов уравнивания спутниковой геодезической сети.

Диссертационная работа завершается заключением, списком литературы и приложениями.

Данная работа содержит 122 страницы машинописного текста, состоит из трех разделов с подразделами, включающих в себя 24 таблицы и 27 рисунков.

Заключение Диссертация по теме "Геодезия", Нгуен Вьет Ха

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

- разработаны компьютерные программы для обработки результатов спутниковых измерений.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Нгуен Вьет Ха, Москва

1. Антонович K.M. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. Т. 1, 2. М.: ФГУП, 2006.

2. Арнольд К. Методы спутниковой геодезии. М.: Недра, 1973.

3. Бойко Е.Г. Высшая геодезия. Часть II. Сфероидическая геодезия. Учебникдля вузов. М.: Картгеоцентр-Геодезиздат, 2003.

4. Болгов И.Ф. Точные измерения перемещений земной поверхности и сооружений. Изд-во Саратовского университета. 1982.

5. Войтенко С.П., Учитель И.Л., Ярошенко В.Н., Капоякин Б.Б. Геодинамика. Основы кинетической геодезии. Одесса, Астропринт, 2007.

6. Большаков В.Д., Маркузе Ю.И., Голубев В.В. Уравнивание геодезических построений. Справочное пособие: М.: Недра, 1989.

7. Бурденкова Т.Н. Разработка и исследование методики геодезических наблюдений за осадками и деформациями сухих доков. Дисс. на соиск. уч. ст. кандидата технических наук, М., 1992.

8. Ганьшин В.Н., Стороженко А.Ф., Буденков H.A. и др. Геодезические методы измерения вертикальных смещений и анализ устойчивости реперов. М.: Недра, 1991.

9. Генике A.A., Побединский Г.Г. Глобальные спутниковые системы определения местоположения и их применение в геодезии. М.: Картгеоцентр, 2004.

10. Генике A.A., Черненко В.Н. Исследование деформационных процессов на Загорской ГАЭС спутниковыми методами. // Геодезия и Картография. № 2. М.: 2003.

11. Герасимов А.П., Назаров В.Г. Местные системы координат. М.: 2010.

12. Герасимов А.П. Уравнивание государственной геодезической сети. М.: Картгеоцентр-Геодезиздат, 1996.

13. Глотов Г.Ф. Курс инженерной геодезии. М.: Недра, 1972.

14. Зайцев А.К., Марфенко C.B., Михелев Д.Ш. Геодезические методы исследования деформаций сооружений. М.: Недра, 1991.

15. Залуцкий В. Т. О преобразованиях координат в спутниковой технологии. // Известия Вузов. Геодезия и картография, 2002, № 7, с. 17-24.

16. Карлсон A.A. Измерение деформации гидротехнических сооружений М.: Недра, 1984.

17. Карлсон A.A. Деформации плотин и их оснований. М: Недра. 1991.

18. Клюшин Е.Б., Куприянов А.О., Шлапак В.В. Спутниковые методы измерений в геодезии (часть 1). Учебное пособие. М.: МИИГАиК, 2006.

19. Клюшин Е.Б., Михелев Д.Ш. и др. Инженерная геодезия. Учебник для вузов. М.: АКАДЕМИЯ, 2004.

20. Клюшин Е.Б., Михелев Д.Ш., Зайцев А.К., Барков Д.П., Пискунов М.Е., Горбенко О.И., Скокова Р.Ф. Практикум по прикладной геодезии. Геодезическое обеспечение строительства и эксплуатации инженерных сооружений. М.: Недра, 1993.

21. Левчук Г.П., Новак В.Е., Конусов В.Г. Прикладная геодезия: Основные методы и принципы инженерно-геодезических работ. Учебник для вузов. М.: Недра, 1981.

22. Лобанов A.A., Михелев Д.Ш. Разработка методики наблюдений за осадками инженерного сооружения геодезическими методами. Учебное пособие. М.: МИИГАиК, 2009.

23. Маркузе Ю.И. Основы уравнительных вычислений. М.: Недра, 1990.

24. Маркузе Ю.И., Бойко Е.Г., Голубев В.В. Геодезия. Вычисления и уравнивание: М.: Геодезиздат, 1994.

25. Маркузе Ю.И. Алгоритмы для уравнивания геодезических сетей на ЭВМ. М.: Недра, 1989.

26. Марфенко C.B. Геодезические работы по наблюдению за деформациями сооружений. Учебное пособие. М.: МИИГАиК, 2004.

27. Михелев Д.Ш. и др. Геодезические измерения при изучении деформаций крупных инженерных сооружений. М.: Недра, 1977.

28. Межвузовский сборник научных трудов. Под редакцией Панкрушина В.К. Математическая обработка и интерпретация многомерных временных рядов геодезических наблюдений. Новосибирск, 1989.

29. Морозов В.П. Курс сфероидической геодезии: М.: Недра, 1979.

30. Нгуен Вьет Ха. Оценка точности вычисления деформаций по результатам спутниковых наблюдений. // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. №6, 2010.

31. Пеллинен Л.П. Высшая геодезия. М.: Недра, 1978.

32. Пискунов М.Е. Методика геодезических наблюдений за деформациями сооружений. М.: Недра, 1980.

33. Тамутис З.П. Проектирование инженерных геодезических сетей. М.: Недра, 1990.

34. Трехо Сото Мануэль. Разработка методики результатов геодезических измерений при наблюдении за осадками и смещениями крупных инженерных сооружений спутниковыми методами. Дисс. на соиск. уч. ст. кандидата технических наук. Москва, 2007.

35. Трехо Сото Мануэль. Применение топоцентрических прямоугольных координат при изучении деформаций крупных инженерных сооружений спутниковыми методами. // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. № 5, 2006. С. 54 -62.

36. Сухов А.Н. Системный анализ геодезических измерений. М.: Недра, 1991.

37. Соловьев Ю.А. Спутниковая навигация и ее приложения. М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2003.

38. Закатов П.С. Курс высшей геодезии. М.: Недра, 1976.

39. Федеральное Космическое Агентство. Информационно-аналитический центр. Прикладной потребительский центр. Electronic resource. Режим доступа: www.glonass-ianc.rsa.ru.

40. СНиП III-2-75. Геодезические работы в строительстве. М.: 1985.

41. Чан Хань, Нгуен Вьет Ха. Анализ стабильности пунктов опорной сети при наблюдении за горизонтальными смещениями гидротехнических сооружений во Вьетнаме. // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. № 5, 2008, С. 33-38.

42. International Global Navigation Satellite System. Electronic resource. Режим доступа: www.igscb.jpl.nasa.gov.

43. В. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger and J. Collins. GPS-Theory and Practice. Springer Wien New York. Fifth, revised edition. 2001.

44. Федеральное космическое агентство. Информационно-Аналитический центр.http://www.glonass-ianc.rsa.ru/pls/htmldb/f?p=201:20:1321550322770683-87-06. .NO (Tai lieu can xem va cap nhat moi)

45. Tran Khanh. Приложения свободного уравнивания для обработки результатов инженерно-геодезических измерений, Сборник научных статей по горному делу и геологии, том XXI, Ханой, С. 74-81. 1996.

46. Анатолий А.С. Русско-вьетнамский разговорник, 1981.

47. Luang Van Dai, vai net ve nganh dien VN, http://www.vncold.vn. 200848. http://vneconomy.vn/20090813080916457P0Cll/dan-so-viet-nam-dat-gan-86-trieu-nguoi.htm, 2009.

48. Wikipedia. Tinh (Viet Nam) http://vi.wikipedia.org/wiki/T%E 1 %BB%89nh -(Vi%El%BB%87t Nam)

49. VNcold. Hoi dap Ion va phat trien nguon nuoc о Viet Nam. 2010. http.7/www.vncold.vn/En/Web/Content.aspx?distid=375

50. Dir Bao Thai Tiet Bao Lut Viet Nam. 2010. http://www.vnbaolut.com/52. http://www.mientrung.com/content/view/2685/134/

51. Ha Anh. Phong ngira nguy со dong dat a Viet Nam. 2009. http://www.anninhthudo.vn/Tianyon/Index.aspx? ArticleID=43972&ChannelID =5

Информация о работе

Нгуен Вьет Ха
кандидата технических наук
Москва, 2010
ВАК 25.00.32

Диссертация

Разработка методики определения деформаций плотин гидроэлектростанций по результатам спутниковых геодезических измерений во Вьетнаме - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы