У автомобильного полотна есть ряд врагов – постоянная весовая и вибрационная нагрузка от проходящих автомобилей (в первую очередь — грузовых), циклы образования льда и обратного оттаивания и т.д. Одним из сложно прогнозируемых существенных факторов, который может приводить к катастрофическим последствиям, являются грунтовые подвижки рядом с автомобильной дорогой.
Нестабильность почв может проявляться в зонах склоновых эффектов, геологически активных районах, зонах подмывания почвы грунтовыми водами, в зонах резкой смены климата с периодическими пучениями грунта при смерзании и последующей просадке при протаивании, в зонах интенсивных шахтных разработок, в районах мостовых сооружений, если строительство привело к изменению геометрии русла реки и/или току грунтовых вод и т.д. Если автодорога пролегает в подобных зонах, то мониторинг дороги/насыпи/уровня реки может оказаться весьма актуальной задачей.
Мониторинг оползней представляет собой сложную инженерную задачу, для решения которой используются различные методы диагностики и контроля. Особенно сложной данная задача предстает при строительстве в оползневой зоне крупных сооружений (дороги, мосты, туннели, здания), поскольку это приводит к существенному перераспределению нагрузок внутри оползневой массы. Основные методы контроля состояния оползней приведены ниже.
Суть метода: бурится скважина. Затем зонд инклинометра опускается в скважину и в процессе опускания в заданных точках производятся измерения наклона обсадных труб (ствола скважины). Далее, на основе измеренных углов наклона и азимута с привязкой к глубине погружения, рассчитывается траектория движения зонда – то есть скважины. Этот метод предполагает, что нижний конец трубы неподвижен (находится ниже плоскости скольжения оползня), поэтому для правильного подбора глубины скважин нужны данные предварительных изысканий.
Особенности метода:
А) глубинный метод, позволяющий определить плоскость скольжения оползня.
Б) дорогостоящий.
Абсолютная точность измерений: 0,1 – 0,01 град.
Рисунок 2 – Измерение скважины инклинометрическим зондом
Суть метода: для съемок в условиях горной местности используется тахеометрическая съемка (тахеометр – прибор, сочетающий классический теодолит с лазерным дальномером). В результате измерения зрительной трубой тахеометра получают 3 координаты – направление, расстояние (полярные координаты) и превышение измеряемого объекта относительно точки стояния прибора.
Особенности метода:
А) поверхностный метод;
Б) требует открытого пространства, недостаточно эффективен в горной лесистой местности;
В) недостаточная точность для качественного мониторинга оползня, повышение точности измерений требует больших ухищрений.
Абсолютная точность измерений расстояний: ~ 2мм + 2 х 10-6 * Расстояние
Абсолютная точность измерений углов: ~ 5»
Рисунок 3 – Измерения при помощи теодолитов
Суть метода: на неподвижном участке склона ставиться лазер, на контролируемом участке (потенциально опасном) ставятся несколько «целей» (призм) для лазера. С помощью опросного устройства лазер периодически сканирует расстояние до целей.
Особенности метода:
А) поверхностный метод;
Б) требует открытого пространства, недостаточно эффективен в горной лесистой местности;
В) недостаточная точность для качественного мониторинга оползня;
Г) расстояние между лазером и целями не превышает 1 км в ясную погоду; в дождь, туман, снег и т.д. возможности данного метода сильно ограничены.
Абсолютная точность измерений: ~ 1-10 мм.
Рисунок 4 – Принцип измерения координат с помощью автоматических лазерных дальномеров
Рисунок 5 – Автоматическое оборудование для геодезических измерений: лазерный дальномер (А), приемное устройство (цель) (Б)
Суть метода: датчик с устройством GPS-позиционирования ставится на оползневом участке. Периодически через спутники происходит определение координат датчика.
Особенности метода.
А) Поверхностный метод;
Б) Точности системы хватает не для всех типов оползневых смещений;
С) Для правильной работы необходимо корректное расположение 3-х спутников (точность системы меняется в зависимости от географического положения);
Д) Работа датчика может легко глушиться системами подавления сигнала;
Е) Точность GPS-датчика очень сильно ухудшается по мере удаления от центрального устройства (базы).
Абсолютная точность измерений: 3 – 5 м (при использовании корректирующего сигнала от наземной станции на расстоянии до 1
Рисунок 6 – Принцип измерения координат с помощью GPS-датчиков
Рисунок 7 – GPS-датчики
Суть метода: выкапывается траншея глубиной ~ 30-50 см, на дно которой укладывается непрерывный волоконно-оптический сенсор (кабель). Затем траншея засыпается. Подвижки грунта вызывают удлинение/сжатие сенсора, что приводит к изменению параметров зондирующего сигнала от анализатора, который подключается к одному или двум концам сенсора.
Особенности метода:
А) Поверхностный и глубинный метод*;
Б) Распределенный метод (сенсор является пассивным элементом, может быть любой протяженности: от нескольких метров до сотен километров). Пример: сенсор длиной 500 м является аналогом ~ 1 000 точечных датчиков, расположенных каждые 50 см по линии прохождения сенсора;
В) Наивысшая чувствительность среди всех существующих методов контроля оползней;
Г) Система оптимизирована под непрерывную работу (24/7/365). Один анализатор способен контролировать непрерывный сенсор протяженностью до 50 км. Можно ограничиться и периодическими выездными измерениями.
* Данный метод позволяет дать вторую жизнь скважинам, используемым для инклинометрии. Дело в том, что при значительных смещениях скважина деформируется и становится непригодной для дальнейшего использования инклинометрического метода.
Но. В данную скважину после этого можно, используя специальную методику, инсталлировать волоконно-оптический сенсор деформаций и ВО система будет еще не один год работать, давая крайне полезную информацию о дальнейших деформациях скважины на различной глубине.
Относительная точность измерений: от 0,05 мм / 1 м !!! (в зависимости от геометрии монтажа сенсоров).
Рисунок 8 – Инсталляция системы ВОС ГТМ: прокладка сенсоров в траншее (А, Б) и сенсор деформации грунта с якорем (В)
Исходя из вышеприведенного обзора, наиболее эффективным на сегодняшний день является следующий метод контроля оползневых процессов: комбинация ВОС ГТМ и инклинометрической системы. С помощью небольшого числа инклинометрических скважин можно определить движение оползня «в разрезе», его плоскость скольжения. А с помощью ВОС ГТМ можно определить границы оползня, увидеть, как меняется скорость движения оползня на различных участках по всему фронту. Как указывалось, ранее, в случае значительных подвижек грунта и вызванных ими значительных деформаций скважин мы сможем использовать эти скважины (которые станут непригодны для инклинометрических исследований) для сенсоров системы ВОС ГТМ, продолжая тем самым контролировать оползень на глубине.
Кроме того, данные от 2-х различных систем будут дополнительно перепроверять друг друга, существенно повышая надежность и качество мониторинга (для этого системы должны перекрывать друг друга, давая общие точки контроля).
Рисунок 9 – Схема, поясняющая использование комбинации ВОС ГТМ и инклинометрической системы для контроля оползневых смещений
Отдельно стоит отметить, что сенсоры деформации грунта ВОС ГТМ имеют одну очень важную конструктивную особенность, а именно: чем более защищенный мы делаем сенсор, тем менее чувствительным (точным) он становится (идеальной чувствительность обладает голое оптическое волокно без каких-либо защитных оболочек). Исходя из этого применительно к мониторингу оползней есть 2 (два) различных подхода.
1-й) Использовать слабозащищенный, но очень точный сенсор на стадии строительных изысканий. Такой сенсор очень быстро покажет «картину» оползня, которая позволит в срочном порядке скорректировать проект в случае обнаруженных негативных процессов повышенной опасности (обойти особо опасные места, усилить конструкцию сооружения и т.д.).
2-й) Использовать менее чувствительные сенсоры деформации грунта, но зато хорошо защищенные (от растягивающих и сдавливающих усилий, от грызунов и т.д.), способные работать долгие годы без ухудшения своих свойств и без обрывов.
Если какой-то участок автомобильной трассы является особо проблемным/опасным с точки зрения грунтовых подвижек, можно в некоторых случаях вместо грунта проложить сенсор деформации непосредственно в автомобильном полотне. Это даст более полную картину состояния непосредственно автомобильного полотна. Однако грунтовые перемещения возникают на более ранней стадии (автомобильное полотно является более жесткой структурой, чем грунт и до определенного момента сопротивляется перемещению) и поэтому могут быть более полезными с точки зрения раннего прогнозирования и своевременного принятия превентивных решений.
Рисунки 10, 11 – Прокладка сенсора деформации в асфальт
Волоконно-оптическая система геотехнического мониторинга (ВОС ГТМ) состоит из 3-х основных компонент: анализатор, протяженный (непрерывный) волоконно-оптический сенсор и специализированное программное обеспечение (см. рис.1). Диапазон действия одного анализатора, основанного на эффекте вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ), составляет до 80 км (длина сенсора), а с использованием встроенного оптического переключателя для последовательного опроса сенсора в обе стороны от анализатора – до 160 км. Использование внешнего оптического переключателя и топологии типа «звезда» позволяет увеличить число подключаемых к одному анализатору сенсоров до 21.
Сенсор представляет собой непрерывный волоконно-оптический кабель специальной конструкции в зависимости от назначения и условия применения. Сенсор является эквивалентом огромного количества точечных датчиков (исходя из пространственного разрешения анализатора можно считать, что каждые 50 см сенсора являются отдельным независимым точечным датчиком; таким образом участок сенсора длиной 50 км будет эквивалентом 100 000 !!! точечных датчиков). Сенсор – полностью пассивное устройство, подключается с одного или двух концов к анализатору и размещается вдоль всего объекта, который необходимо контролировать. Оптическое волокно внутри сенсора изменяет свои оптические характеристики при изменениях различных внешних параметров (температуры, растяжения/сжатия, акустического давления и т.д.). Отсюда вытекают и различные применения системы.
Возможность контролировать протяженный объект в каждой точке, где инсталлирован сенсор в совокупности с очень высокой точностью и автономной работой в режиме реального времени делают систему уникальной и безальтернативной для большого количества различных применений.
Рисунок 12 – Элементы системы ВОС ГТМ: А) стойка или шкаф с измерительным анализатором и вспомогательным оборудованием; Б) волоконно-оптический сенсор; В) специализированное программное обеспечение (ставится на сервер).