Первоисточник: Мадхав Н. Кулкарни, Ниша Радакришнан, Дипа Раи. http://www.navgeocom.ru/projects/dam_deform/index.htm

Изучение деформации дамбы на р. Койна, Индия с помощью GPS

      Строительство больших технических структурных сооружений типа дамб, мостов и высотных зданий, является существенным для развития любой нации. Однако, при чрезмерной нагрузке, такие структуры подвергаются деформациям, что потенциально может вызывать гибель большого количества людей и сильные разрушения. Следовательно, безопасность этих работ, особенно в случаях с дамбами, требует периодического контроля и всестороннего анализа их структурного состояния, основанного на большом наборе переменных, которые вносят свой вклад в эти деформации. Фактически, само понятие деформаций и формирует тему для мониторинга.
      Деформацию данных структур определяют несколько факторов. Самые важные из них это результаты переменных усилий и напряжений, развитых в структуре из-за эффектов местных движений земной коры.
      Движения земной коры вызывают изменения в относительном местоположении пунктов, расположенных на самой дамбе или около. Другие определяющие факторы включают в себя тип материалов строительства, силы ветра, изменения температур, усадка почв и колебания из-за движения транспорта.
      Для измерения эффекта этих сил, современные исследователи все более и более часто обращаются к высокоточным GPS-технологиям, являющимися наиболее приемлемыми инструментами для данного вида работ. В Индии, GPS-группа Индийского Института Технологий в Бомбее (Indian Institute of Technology Bombay, (IITB)) провела исследования дамбы и движения земной коры в сейсмически активной области рядом с дамбой на реке Койна (Западная Махараштра), в рамках программы научно - исследовательской работы, финансируемой Отделом Науки и Техники Правительства Индии (Department of Science and Technology, Government of India). Данная группа развила сеть опорных пунктов с помощью GPS-технологии и выполнила наблюдения на протяжении более чем десяти периодов с декабря 2000 по октябрь 2004 года. Наблюдения, выполненные на самой дамбе и в близлежащих районах были обработаны, оценены, и проанализированы в IITB с целью определения интенсивности, величины и природы деформаций.

Дамба Койна, Западная Индия

Геологи традиционно характеризовали Индийскую плиту, как один из самых старых континентальных блоков на поверхности земли и как устойчивую структуру, которая, в основном, не подвергалась сейсмическим возбуждениям. Но 11 декабря 1967 года произошло землетрясение в г. Койна силой 6.9 баллов по шкале Рихтера, что нарушило данное утверждение и вызывало интерес со стороны геологов, геодезистов, экспертов по строительству дамб и инженеров. К счастью, дамба выдержала эту существенную сейсмическую активность без заметных повреждений. Эта активность в центрально-индийском щите вызвала серьезную озабоченность среди специалистов в области наук о Земле, что привело к началу различных исследований в области изучения стабильности структуры дамбы и её ближайших областей.
Дамба Койна, является сооружением из бетона и щебня, в 85 метров высотой и 800 метров длиной и охватывает 872 кв. км бассейна реки Койна. Дамба была хорошо укомплектована инструментарием для наблюдений её структурного поведения, что оказалось очень полезно из-за продолжающихся землетрясений в данном регионе после случая в 1967 г. Инструментарий включал в себя различные приборы, вмонтированные в структуру дамбы или установленные вокруг основания дамбы, например, датчики гидростатического давления, термометры, пьезометры (устройства, служащие для измерения изменения объёма веществ под воздействием гидростатического давления), измерители давления, деформации и координометры.
Кроме этого, в 1976 году посредством проведения съемочных работ в Индии была создана традиционная геодезическая сеть и несколько лет она находилась под контролем. Позже, с началом использования GPS-технологий, была представлена новая методика мониторинга структуры дамбы и деформации земной коры в её районе. Главная цель проекта, описанного здесь, состоит в том, чтобы изучить сейсмологически нарушенную область района Койна, а также основание дамбы, используя геодезическую GPS-технику. Для этого потребовалось: развитие более плотной GPS-сети в идентифицированной сейсмически активной области, повторные наблюдения, детализированная обработка данных GPS-приемников, с использованием научного программного обеспечения и оценка параметров, характеризующих деформацию. GPS-сеть в районе Койна

Рис. 3. GPS-сеть, созданная в районе дамбы Койна.

      Для того, чтобы провести анализ структурных изменений и деформации земной коры, была создана сеть GPS-станций, включающая 34 пункта в районе дамбы Койна. Детальная схема сети пунктов, созданных для мониторинга деформаций и структуры дамбы, представлена на Рис. 3.
      Распределение GPS-станций таково: одна базовая станция на осевой линии дамбы, расположенная приблизительно по центру и на наивысшей точке на дамбе; шесть станций на осевой линии дамбы (по 3 в каждую сторону от базовой станции); три станции на гранях дамбы (2 на напорной грани и 1 на низовой грани); три станции в основании дамбы (все на стороне низовых граней); один старый пункт триангуляции на горе Jangli Jaigad, расположенный приблизительно в 8 км севернее дамбы; два опорных пункта возле дамбы; восемь станций (разломных) вдоль линии тектонического разлома; три ориентирные точки; два опорных пункта на стороне, не подверженной деформации и пять контрольных точек в зоне деформаций.
      Наблюдения на выбранных пунктах выполнялись с использованием двухчастотных геодезических GPS-приемников. Данные накапливались на протяжении 6 - 8 часов в интервалом в 15 сек и маской возвышения 15 градусов. Повторные наблюдения полной сети были выполнены во время полевых работ, начиная с декабря 2000 года.
      Чтобы изучать возможные эффекты воздействия воды на дамбу, GPS-группа IITB собрала данные в течение периода предмуссона или фазы отлива (минимальная нагрузка воды) и постмуссона или фазы прилива (максимальная нагрузка воды). Постмуссоное заполнение обычно начинается в июне-июле и максимального уровня вода достигает в августе-сентябре. Уровень воды приближается к максимуму до декабря и затем начинает понижаться. Период с марта по июнь рассматривают как фаза предмуссона. Во время записей данных были взяты девять наборов наблюдений (декабрь 2000 г., май и октябрь 2001 г., сентябрь и декабрь 2002 г., май, сентябрь, и декабрь 2003 г. и апрель 2004 г.), каждый период полевых исследований занимал приблизительно три недели.

Обработка и анализ полученных данных

      Основная цель исследования состоит в том, чтобы идентифицировать факторы, влияющие на деформацию дамбы и их воздействие на структуру дамбы и ближайшую область. Главные факторы, которые были идентифицированы и изучены это движение плит и переменный уровень воды в бассейне реки.
      Данные были обработаны, используя программное обеспечение Bernese версии 4.2, разработанное в Астрономическом институте Бернского университета (the University of Bern). Все изменения в координатах и длинах базовых линий между последующими повторными наблюдениями были оценены и проанализированы.
      Чтобы изучать деформацию дамбы из-за непрерывно колеблющегося уровня воды в реке, GPS-группа IITB проанализировала движения базовой станции на осевой линии дамбы. В течение всех периодов работ на базовой станции были выполнены непрерывные наблюдения. Было оценено изменение координат данного пункта между последовательными периодами, что позволило изучить деформацию самой дамбы.

Результаты и анализ деформации

Изменения в координатах, полученных по GPS данным, характеризуют глобальную деформацию пунктов, которая включает два компонента, а именно, локальную деформацию и деформацию пласта (индийской плиты). Чтобы определить параметры деформации дамбы, мы должны были исключить деформацию пласта из параметров глобальной деформации. С этой целью, мы использовали координаты международной станции IGS в Индийском Институте Науки (IIS) в г. Бангалор, чтобы вычислить движение пласта между последовательными наблюдениями. Поскольку пункт IIS и дамба Койна находятся на одном и том же тектоническом пласте (Индийском), деформация, вычисленная по пунктам Койна относительно пункта IIS описала бы нам локальную деформацию. Рис. 4 показывает характеристики локальной деформации, полученные из наблюдений, рассмотренных ранее.

Рис. 4. Характеристики локальной деформации дамбы.

      В период с декабря 2002 по май 2003 и с декабря 2003 по апрель 2004, отклонения дамбы были отрицательными, что указывает на перемещение дамбы в южном направлении. Внезапное уменьшение давления воды в течение фазы спада уменьшает нагрузку на структуру, таким образом вызывая искривление основания дамбы. В результате, вся структура дамбы значительно наклоняется или вращается, что вызывает смещение вершины дамбы в сторону отлива.
      В течение фазы наполнения с мая 2003 по сентябрь 2003, деформация также была отрицательной, что указывает на перемещение дамбы в южном направлении. Это происходит, возможно, из-за внезапного увеличения уровня воды примерно на 24 метра. Это давление паводка вызывает изгибающий момент на дамбе, которая вынуждает её наклоняться в направлении отлива.
      Как показано на рисунке, периоды с сентября по декабрь 2002 и с сентября по декабрь 2003 показывают положительное локальное отклонение, указывая, что дамба имеет тенденцию перемещаться в северном направлении. Это происходит во время фазы, когда вода наполняется за более длинный промежуток времени.

Деформация и уровень воды

Рис. 5. Сглаживающий полином 3-й степени от Dz.
Y = -2.4738-35.40357 * Dz + 36.30021 * (Dz)² + 83.838321 * (Dz)³, r=0.9926

      Задачей GPS-группы было скоррелировать результаты локальных деформаций базовой станции с показателями уровня воды, чтобы понять направление деформации дамбы относительно изменения уровня воды. С этой целью был вычислен стандартизированный уровень воды (z). Стандартизированный уровень воды представлен формулой, где MDDL - минимальный уровень воды при отливе, а MWL - средний уровень воды.
      В Койне, более ранние исследования показали, что отклонение дамбы постепенно увеличивается при уровне воды в 625 метров и быстро увеличивается при большем уровне воды. Помня это, сглаживающий полином 3-й степени от z сопоставляется с локальными данными GPS о деформации. Данный полином 3-й степени хорошо соответствует данным GPS.
      Рис. 5 показывает, что эти отношения имеют корреляцию 0.99. Это явно указывает, что большая часть деформации дамбы происходит из-за переменного уровня воды. Также возможно, что высокий уровень нагрузки и продолжительности задержания воды с высоким уровнем может иметь следствием утечку воды к линии разлома, таким образом ослабляя её напряженность, и прогрессивно понижая напряжения, которые могут вызвать землетрясение.

Выводы

Для изучения стадий деформации в районе дамбы была создана очень хорошая сеть опорных пунктов при помощи GPS-технологий. GPS приёмники являются очень хорошими и продуктивными инструментами для мониторинга деформаций из-за своей высокой точности и надежности. Чтобы четко понимать характер смещений дамбы из-за таких локальных эффектов, как различный уровень воды, необходимо разделять понятия глобальных и локальных смещений. Сглаживающий полином 3-й степени от изменения уровня воды показывает нам, что деформация дамбы во многом зависит именно из-за уровня воды, что, возможно, является основным фактором землетрясений в данном регионе.

Благодарности

Научный проект финансировался Департаментом Науки и Технологии при Правительстве Индии (Department of Science and Technology, Government of India) и Индийским институтом Технологий, г. Бомбей (Indian Institute of Technology Bombay).

Использованное оборудование

GPS-приемники Trimble 4000SSi Geodetcic System Surveyor с антеннами типа "Choke Ring" и Trimble 5700 GPS Total Station с антеннами Zephyr Geodetic компании Trimble Navigation, Sunnyvale, California.