ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Черняга Петро Гервазійович

УДК 528.021.7.37/38:551.2/3

ГЕОДЕЗИЧНИЙ МОНІТОРИНГ ТЕРИТОРІЙ АТОМНИХ

ЕЛЕКТРИЧНИХ СТАНЦІЙ: ТЕОРІЯ І ПРАКТИКА

05.24.01 - Геодезія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Львів - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Рівненському державному технічному університеті

Міністерство освіти і науки України

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Лобов Михайло Іванович, Донбаська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри інженерної геодезії, м.Макіївка Донецької області;

доктор фізико-математичних наук, професор Марченко Олександр Миколайович, професор кафедри теорії математичної обробки геодезичних вимірів, Державний університет “Львівська політехніка”, м.Львів;

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Максимчук Валентин Юхимович, завідувач відділу динаміки магнітного поля Землі Карпатського відділення Інституту геофізики ім.С.І.Субботіна НАН України, м.Львів.

Провідна установа: Донецький державний технічний університет, кафедра геодезії, Міністерство освіти і науки України, м.Донецьк.

Захист відбудеться 27 жовтня 2000р. о 10 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.13 при Державному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, Львів-13, вул. Ст.Бандери, 12, ауд.518 ІІ навчального корпусу.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Державного університету “Львівська політехніка” за адресою 79013, м.Львів, вул.Професорська, 1.

Автореферат розісланий 22 вересня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Савчук С.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Велика екологічна небезпека атомних електричних станцій (АЕС) вимагає проведення систематичних досліджень руху земної поверхні, тектонічних плит, визначення деформацій споруд та технологічного устаткування, кінцевою метою яких є розв'язання проблеми попередження аварійних ситуацій та сприяння нормальній роботі таких станцій.

Натурні геодезичні, геофізичні, гідрогеологічні, геологічні, сейсмологічні спостереження є необхідними на АЕС з їх складним та унікальним устаткуванням, яке вимагає високоякісного обслуговування як при будівництві, так і при експлуатації станцій.

Неповторність природних умов промислових майданчиків АЕС та довкілля ставить вимогу індивідуального підходу до питань визначення та врахування горизонтальних та вертикальних рухів земної поверхні, споруд та обладнання. Тільки враховуючи просторові параметри рухів земної поверхні та об'єктів АЕС, можна вивчити закономірності мобільності цих об'єктів та винайти методи їх прогнозування, що є складною і важливою проблемою. Розв'язання цієї проблеми, безперечно, необхідне та першочергове.

Досвід експлуатації АЕС показує, що інженерно-геологічні умови ускладнюються техногенними факторами в межах промислових майданчиків та прилеглих територій. Враховуючи все вищесказане, можна стверджувати, що експлуатація АЕС повинна супроводжуватись комплексним моніторингом, який має охоплювати вивчення всіх складових компонент дії навколишнього середовища та виробничих процесів.

Комплексний моніторинг повинен проводитись на території, яку називають геодинамічним полігоном (ГДП) на АЕС, і включати в себе систему геодезичних, геофізичних, гідрогеологічних, сейсмічних та інших перманентних та дискретних спостережень, спрямованих на визначення просторових деформацій земної кори, земної поверхні, будівель та споруд, технологічного обладнання АЕС, з'ясування причин цих деформацій та прогнозування їх в просторі і в часі.

Про необхідність створення ГДП на АЕС зазначається в рекомендаціях МАГАТЕ, листі №4012/10 від 28.12.96р. Державного департаменту з питань ядерної енергетики Міністерства енергетики України.

Геодинамічний полігон на АЕС доцільно поділити на такі складові:

· техногенний, завданням якого є вивчення рухів і деформацій будівель та споруд на промислових майданчиках АЕС;

· технологічний, що вивчає деформації та зміщення технологічного обладнання та його окремих вузлів від положення, заданого проектом.

Актуальність роботи випливає з того, що якісний геодезичний моніторинг на ГДП АЕС дозволяє встановити повну характеристику деформацій в просторі та в часі, на основі яких в комплексі з іншими спостереженнями можна виконувати прогнозування руху земної поверхні, будівель і споруд, а також технологічного устаткування на АЕС, і розробити заходи, необхідні для нормальної безаварійної експлуатації АЕС та покращення екологічного стану довкілля.

Одним з найважливіших джерел інформації про стан об'єкту є геодезичний моніторинг. Він є складовою частиною комплексних досліджень, які проводяться на ГДП, і служить головним джерелом к і л ь к і с н о ї і н ф о р м а ц і ї про сучасні рухи та деформації земної поверхні, будівель, споруд, технологічного обладнання, і тому посідає одне з домінуючих місць в цих дослідженнях.

До того ж, за останні десятиріччя значно зросли можливості точних геодезичних вимірювань. На жаль, геодезичне виробництво користується застарілими інструктивними документами, в яких зазначається, зокрема, що максимально можлива точність лінійних вимірювань є 1х10-6, а найвища точність геометричного нівелювання І класу складає: для випадкової похибки – 0.8мм, для систематичної – 0.08мм на 1 км. Насправді, як це буде показано нижче, точність лінійних вимірювань, завдяки застосуванню високоточних світловіддалемірів та GPS-приймачів, зросла відповідно до 1х10-7 та 1х10-8, а високоточні нівелірні роботи із застосовуванням сучасних засобів та нових методик можливо виконувати з точністю в 2,5-3 рази вищою, ніж це передбачено чинною інструкцією нівелювання. Все це створює нові можливості вивчення геодезичними методами геодинамічних процесів глобального, регіонального та особливо локального характеру, що вкрай необхідно на територіях, де побудовані АЕС.

Саме проблемі розробки та розв'язання питань геодезичного моніторингу на АЕС присвячена ця робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами та планами полягає в тому, що на основі Постанов Кабінету Міністрів України від 11 вересня 1995року за №728 та від 28 червня 1997року за №669, в яких підтверджується необхідність створення національної системи сейсмологічних спостережень та підвищення безпеки проживання населення у сейсмонебезпечних регіонах, складена Програма створення геодинамічних полігонів для спостереження за ендогенними, екзогенними і техногенними процесами на територіях розташування АЕС України. Вона затверджена Першим заступником Міністра енергетики України, Головою Державного департаменту з питань ядерної енергетики в серпні 1997року. Автор цієї роботи брав безпосередню участь в написанні розділу геодезичного моніторингу АЕС.

В одній із Постанов було вказано на те, що “…Міністерству енергетики та електрифікації, Міністерству охорони навколишнього природного середовища та ядерної безпеки забезпечити проведення інструментального сейсмологічного нагляду за гідротехнічними спорудами, атомними електростанціями, пошкодження яких може призвести до надзвичайних ситуацій…”.

Робота тісно пов'язана з вимогами МАГАТЕ, які зафіксовані в її рекомендаціях та програмах (одна з цих програм №50-SG-SI (Rey I). Учет землетрясений и связанных с ними явлений при выборе площадок для АЭС. Руководство по безопасности. Вена. 1994).

Метою роботи є розробка теоретичних положень і практичних рекомендацій стосовно створення геодинамічних полігонів на АЕС України з представленням науково обгрунтованого і практично підтвердженого геодезичного моніторингу промислових майданчиків та довкілля АЕС.

Для досягнення цієї мети в роботі поставлені та вирішені наступні задачі:

· теоретично обгрунтований вибір оптимальних місць закладання геодезичних знаків на ГДП АЕС та розроблені їх конструкції;

· створені нові комплексні методи проектування програм спостережень за горизонтальними рухами – за допомогою високоточних наземних світловіддалемірних та GPS-спостережень і за вертикальними рухами – за допомогою прецизійного геометричного нівелювання;

· розроблена і впроваджена у виробництво методика розрахунку очікуваної точності визначення деформацій новими засобами та методами геодезичних вимірювань, а також вперше обгрунтована методика розрахунку допустимої тривалості циклів повторних вимірювань та доцільної частоти їх проведення;

· сформульовані принципи нових технологій проведення геодезичних робіт на ГДП АЕС з математичною обробкою результатів геодезичних вимірювань для визначення компонент деформацій та оцінки їх точності;

· створені нові методи дослідження стану споруд, їх фундаментів та земної поверхні на основі регулярних просторово-часових характеристик;

· запропоновано і впроваджено у виробництво оригінальний метод прогнозування горизонтальних та вертикальних рухів земної поверхні та споруд на майданчиках АЕС;

· розроблено методи врахування впливу просторової неоднорідності густини атмосфери та електромагнітних полів на світловіддалемірні вимірювання, GPS-спостереження та прецизійне нівелювання.

Наукова новизна полягає в тому, що створення геодинамічних полігонів на АЕС є новою проблемою, яка ще не знайшла повної реалізації як на станціях України, так і за кордоном. Така проблема не має стереотипів, тому в роботі створені нові теорії і розроблені принципово нові методи геодезичного моніторингу на АЕС, які послідовно визначають всі етапи моніторингу – від вибору оптимальних місць закладання та конструкцій геодезичних знаків до визначення компонент деформацій на основі векторів горизонтальних і вертикальних зміщень та розробки захисних інженерних міроприємств. В роботі запропоновано нові методи:

· вибору оптимальних місць закладання та конструкцій опорних та динамічних геодезичних знаків для визначення векторів зміщень;

· встановлення точнісних характеристик визначення деформацій геодезичними вимірюваннями за новими технологіями та новітніми приладами;

· проектування геодезичних спостережень на ГДП, які грунтуються на визначенні їх максимально можливої точності, яку може забезпечити сучасний розвиток науки та техніки і включає розрахунки допустимої тривалості та доцільної частоти циклів повторних спостережень;

· побудови удосконаленої короткострокової моделі прогнозу вертикальних рухів споруд та земної поверхні на ГДП АЕС;

· дослідження стану споруд, їх фундаментів та земної поверхні за регулярними просторово-часовими характеристиками;

· врахування впливу електромагнітних полів та просторової неоднорідності густини атмосфери на геодезичні вимірювання.

Практичне значення та застосування одержаних результатів. Найважливішим практичним результатом роботи є сприяння, більше того, навіть забезпечення нормальної безаварійної роботи АЕС та охорони навколишнього середовища. Другим можливим практичним значенням дисертації є комплексна оптимізація геодезичних робіт на ГДП АЕС, яка включає такі аспекти, як точність геодезичних вимірювань, побудова програми спостережень, виконання спостережень з розрахунком допустимої тривалості окремого циклу спостережень, частоти повторних циклів спостережень для визначення просторових векторів зміщень. За відомим полем векторів зміщень фундаментів споруд, будівель або земної поверхні на проммайданчику АЕС та прилеглому до нього просторі запропоновані методи прогнозування зміни їх геометричних параметрів. Суттєвим є те, що комплексна оптимізація побудови геодинамічних полігонів на АЕС значно зменшує вартості таких робіт. В цьому аспекті слід особливо відмітити розроблені методи врахування впливу електромагнітних полів та просторової неоднорідності атмосфери, які не тільки досить відчутно відобразилися на підвищенні точності та довірі до результатів вимірювань, але й одночасно зменшують час та матеріальні затрати на проведення геодезичних робіт.

Результати теоретичних і експериментальних досліджень та практичних розробок впроваджені в Київському державному інституті інженерних вишукувань та досліджень “Енергопроект”, на Рівненській та Хмельницькій АЕС, при створенні програми спостережень та побудови ГДП на Запорізькій АЕС, при спостереженні за зсувами в Карпатах в процесі експлуатації нафтопроводу “Дружба”.

Зміст та сутність дисертаційної роботи опубліковано автором в 43 наукових працях.

Особистий внесок автора. Основні результати, викладені у дисертаційній роботі, отримані автором самостійно. В роботах, опублікованих у співавторстві, автору належить:

· постановка задачі, розробка алгоритмів, безпосередня участь в обчисленнях, формулювання резюме [12, 15, 16, 23, 26, 27, 33, 37, 39, 42, 43];

Апробація результатів досліджень здійснювалась на виробничих нарадах працівників Рівненської АЕС і Київського державного інституту інженерних вишукувань та досліджень “Енергопроект”; Міжнародній Другій Орловській конференції (Полтава, 1986р.); Міжнародному симпозіумі “Геодинаміка гірських систем Європи” (Яремче, 1994); науково-практичних конференціях “Сучасні досягнення геодезичної науки і виробництва в Україні” (Львів, 1996, 1997, 1999, 2000 рр.); Міжнародних симпозіумах “Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища” (Алушта, 1996, 1997, 1998, 1999рр.); Європейських геофізичних з'їздах: ХХІІ General Assembly of the European Geophysical Society, the Vienna, the Austria, 21-25 April, 1997; ХХІV General Assembly of the European Geophysical Society, the Hague, the Netherlands, 19-23 April, 1999; Міжнародній конференції “Geodesy and Cartography at the beginning of the 21st century (September 25-27, 1997, International conference, Poland, Warsaw); науково- технічних конференціях Рівненського державного технічного університету (1988-1998рр.) (в минулому Український інститут інженерів водного господарства, Українська державна академія водного господарства).

Основні положення дисертації опубліковані в центральних фахових та міжнародних виданнях і збірниках наукових праць конференцій, симпозіумів, нарад; чотири публікації у міжнародних виданнях, решта публікацій розміщена в збірниках наукових праць і тез симпозіумів та конференцій різного рівня.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаної літератури 321 найменування і 5 додатків. Загальний обсяг дисертації становить 347 сторінок, з них 40 сторінок складають додатки. Текстова частина ілюструється 48 рисунками і 46 таблицями. В додатках також поміщені акти впровадження результатів науково-дослідних робіт.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертаційної роботи. Сформульована мета і задачі досліджень, наукова новизна і практичне значення одержаних результатів. Приводяться основні положення, які виносяться на захист, дані про публікації, апробацію і впровадження розробок і результатів досліджень.

У першому розділі виконано аналіз і висвітлено стан проблеми геодезичного моніторингу АЕС. Відмічається, що створення ГДП на АЕС не має стереотипів і дозволить підвищити експлуатаційну надійність діючих АЕС шляхом дискретного та перманентного високоточного визначення просторово-часових рухів блоків земної кори та поверхні, об'єктів і технологічного обладнання АЕС та відхилень їх від заданих проектом положень під дією ендогенних, екзогенних та техногенних процесів. Геодинамічний полігон може бути представлений наступною блок-схемою (рис.1).

Рис.1. Блок-схема ГДП

Подано загальну характеристику комплексних досліджень на ГДП.

Геодезичний моніторинг є основним джерелом для одержання кількісної інформації про стан та зміни досліджуваного об'єкту. Його можна представити наступною блок-схемою (рис.2).

В становленні і розвитку досліджень геодинамічних явищ планетарного та глобального масштабів, складанні карт сучасних рухів земної кори велику роль зіграли роботи Ю.Д.Буланже, В.А.Магніцького, В.В.Данілова, О.О.Ізотова, Ю.О. Мещерякова, М.М.Машімова та інших. При дослідженні геодинамічних явищ регіонального і локального масштабів слід також відзначити започатковані дослідження А.Г. Григоренка, В.М. Дмитроченкова, В.В. Злотіна, О.М. Остача, В.І. Волкова А.Л. Островського в постановці, проведенні та математичній обробці регулярних геодезичних спостережень на ГДП.

Головним завданням геодезичних спостережень на ГДП є визначення змін координат геодезичних знаків і марок в просторі та часі на основі повторних спостережень, розробці ряду задач прикладного та теоретичного характеру з питань опрацювання результатів вимірювань для реалізації кінцевої мети, яка полягає в прогнозуванні горизонтальних та вертикальних рухів споруд, техобладнання та земної поверхні на ГДП АЕС, в попередженні аварійних ситуацій та в захисті довкілля.

Рис. 2. Блок-схема геодезичного моніторингу територій АЕС

При сучасному підході до вирішення проблеми зразу ж виникає необхідність оцінки точності визначення швидкості v та прискорення w горизонтальних та вертикальних рухів геодезичних пунктів, закріплених на об'єктах АЕС. Ця важлива задача може бути розв'язана за формулами

(1) та . (2)

Вказані формули дозволяють розв'язувати пряму задачу – визначати очікувані похибки v та w і обернену – при допустимих похибках mv та mw проектувати необхідну точність вимірювань.

Як видно із формул (1) та (2), похибки визначення v і w залежать не тільки від похибок вимірювань переміщень DS, але і від тривалості процесу вимірювань Dt.

При моделюванні та прогнозуванні рухів, як правило, неможливо правильно вибрати модель без знання причинно-наслідкових зв'язків та особливостей природи і структури об'єктів.

В розділі також доведено, що сучасними методами геодезичного моніторингу на АЕС слід вважати: в плановому відношенні – спостереження GPS-приймачами, наземну трилатерацію та світловіддалемірну полігонометрію, що виконуються новітніми світловіддалемірами та тотальними електронними станціями, створні спостереження, а у висотному відношенні – геометричне, гідростатичне та гідродинамічне нівелювання.

У другому розділі автор розглядає питання, які є важливими у розв'язанні поставленої проблеми, а саме: вивчення геологічних, гідрогеологічних та геофізичних умов на території АЕС та довкіллі. В цьому ж розділі обгрунтовується вибір місць закладання геодезичних знаків та їх конструкцій. При цьому слід проектувати не тільки знаки, мобільність яких буде досліджуватись, а також і знаки, що мають достатню гарантію стійкості, незмінності свого положення. Оскільки просторові рухи земної кори, споруд і технологічного обладнання вивчаються на основі просторових координат геодезичних знаків, то зрозуміла та важлива роль, яка належить вибору місць закладання знаків та їх конструкцій.

Таким чином, дослідження, описані в цьому розділі, забезпечують можливість оптимально і якісно проводити геодезичний моніторинг на ГДП АЕС.

В розділі проведено аналіз впливу інженерно-геологічних умов на експлуатацію АЕС і подано коротку характеристику інженерно-геологічних та гідрогеологічних умов АЕС України.

Великий об'єм дуже важливої інформації про зміни інженерно-геологічних умов в просторово-часовому аспекті можуть дати спостереження за гідрогеологічними умовами в межах промислових майданчиків і прилягаючих до них територій. Такі дослідження дадуть можливість виявити найвірогідніші локальні місця виникнення деформаційних процесів і звернути увагу на необхідність впровадження більш детального геодезичного моніторингу в даному локальному місці з метою визначення кількісних параметрів цих процесів, а також передбачити інженерний захист будівель і споруд.

В цьому розділі також розглядаються питання впливу фізико- та інженерно-геологічних процесів на геодинамічні явища.

Найбільш можливим і небезпечним для функціонування АЕС на платформах є суфозія, карст, водна ерозія.

Аналіз геофізичних, геологічних та гідрогеологічних спостережень на проммайданчиках АЕС і довкіллі дає змогу створити попередній проект закладання геодезичних знаків на ГДП АЕС. Опорні (відносно нерухомі) та динамічні, що рухаються разом з досліджуваною територією, геодезичні планові і висотні знаки повинні бути розміщені не тільки на тому структурному блоці, де знаходиться АЕС, але і на сусідніх блоках. При закладанні знаків необхідно враховувати їх стійкість. Аналізуючи всі відомі фактори, які впливають на рух геодезичних знаків, можна створити паспорти геологогеоморфологічного обстеження з певними показниками надійності місць закладання опорних знаків. Нами запропонована така шкала надійності, за допомогою якої можна встановити загальний показник надійності місць закладання опорних геодезичних знаків. Він підраховується за сумою балів окремих геодинамічних умов. При сумі балів менше десяти геодезичні знаки закладати не слід.

На ГДП закладають геодезичні знаки таких типів: вікові, фундаментальні, грунтові, скельні, стінні в залежності від фізико-географічних умов регіону. Кожний із видів знаків має свою мету і призначення, яке регламентовано відповідними інструкціями. Звичайно, геодезичні знаки фіксують окремо планове або висотне положення точок. На геодинамічних полігонах слід вживати переважно універсальні знаки, які здатні одночасно фіксувати просторове положення точок.

Тому для визначення планово-висотного зміщення земної поверхні або фундаментів споруд в дисертації запропоновані декілька конструкцій саме таких знаків та марок. Деякі з них зображені на рис.3.

Рис.3 Планово-висотний знак з примусовим центруванням

і марка з кріпленням відбивача:

а) планово-висотний знак з примусовим центруванням (1 – якір; 2 – труба азбестоцементна, заповнена залізобетоном; 3 – марка; 4 – кришка металева; 5 – фіксатори кришки; 6-отвір для закріплення станового гвинта);

б) марка визначення горизонтальних та вертикальних зміщень (1-отвір для встановлення гнізда відбивача; 2-місце встановлення нівелірної рейки);

в) гніздо кріплення відбивача (1-місце встановлення відбивача).

У третьому розділі розроблено планово-висотний моніторинг та програму досліджень горизонтальних і вертикальних рухів на ГДП АЕС. Планово-висотний моніторинг є підсистемою загального геодезичного моніторингу. Питання вибору методів побудови планових і висотних геодезичних мереж, розрахунку очікуваної точності вимірювань та визначення деформацій, застосування новітніх, найбільш точних приладів і технологій, обробки та аналізу результатів спостережень з обчисленням та прогнозуванням деформацій земної кори, поверхні, мобільності споруд і технологічного обладнання АЕС є першочерговими при геодезичному моніторингу на ГДП.

В даному розділі автором виконано розрахунок очікуваної точності визначення горизонтальних та вертикальних рухів завдяки детальним аналізам джерел похибок світловіддалемірних вимірювань та геометричного нівелювання, тобто, аналізу методів визначення цих зміщень. Доведено також, що програму досліджень, тривалість та частоту циклів вимірювань необхідно проектувати в залежності від величин швидкостей v і прискорення w вертикальних та горизонтальних рухів. Такі дослідження є новими і дають можливість дослідникам повністю розв'язати проблему виявлення і визначення величин горизонтальних та вертикальних рухів земної поверхні, споруд та будівель. Більш детально викладемо суть цих досліджень:

1. Проведено аналіз джерел похибок світловіддалемірних вимірювань. Встановлено характер похибок, які викликані цими джерелами, а також залежність (незалежність) їх від кількості прийомів вимірювань k та довжин ліній S.

2. Одержані формули для розрахунку очікуваної точності визначення різниці довжин ліній DSг світловіддалемірних вимірювань за суміжними повторними вимірюваннями.

Визначено, що тільки прецизійними віддалемірами можна вивчати горизонтальні рухи менше 1 мм в рік. При менших швидкостях слід виконувати повторні вимірювання через два і більше років.

Подальше підвищення точності можливе при визначенні не з одиничних, а декількох ліній або ходів, які прокладені з точок, що вважаються нерухомими, а також завдяки зрівноваженню мережі для визначення DSг .

3. Точність визначення швидкості v та прискорення w, як це видно з формул (1) та (2), залежить не тільки від точності геодезичних вимірювань, але й від неодночасності цих вимірювань, тобто, від тривалості циклів. Тому, задаючись точністю визначення v і w, тобто, mv і mw, та знаючи сучасні точнісні можливості геодезичних вимірювань (), можна за формулами (1) і (2) отримати не тільки допустимі тривалості циклів повторних спостережень, але і доцільну частоту циклів.

В табл.1 наведені значення заданих ймовірностей визначення v і w, коли на результати їх визначення діють тільки похибки геодезичних вимірювань, та кінцеві ймовірності визначення цих параметрів, коли на результати діє ще й неодночасність вимірів – похибки . Якщо допустити, що зниженням ймовірностей до 5% можна нехтувати, то за табл.1 знаходимо, що при визначенні швидкостей цикл спостережень може тривати до півмісяця ( 15днів) при частоті циклів року та цілий місяць (30 днів) при частоті циклів один рік і при початковій ймовірності 0,950. При визначенні прискорення w допустима тривалість циклів (при тих же частотах) може відповідно бути тільки 10 та 20 днів але вже при початковій ймовірності 0,90. Наведений розрахунок тривалості циклів прийнятий при визначенні як горизонтальних, так і вертикальних рухів. При розрахунках рухи приймались рівномірними.

Таблиця 1

В роботі приводяться розрахунки доцільних частот циклів світловіддалемірних вимірювань та високоточного нівелювання. Вони залежать від швидкостей горизонтальних рухів, похибок , а також віддалей між нерухомими та мобільними точками, що досліджуються (із збільшенням віддалей ростуть і похибки визначення ). Виконана робота буде корисною для спеціалістів, які проектують програми геодезичних спостережень для визначення горизонтальних та вертикальних рухів на ГДП АЕС.

4. Проведено дослідження застосування GPS-спостережень при визначенні горизонтальних рухів та розрахунок їх точності. За даними цілого ряду досліджень та за паспортними даними фірм Trimble, Sokkia, Leica, Zeiss точність визначення просторового вектора приймачами GPS складає 5мм при базі S=10 км. Якщо прийняти, що похибки визначення висоти =4 мм, то похибка визначення горизонтального вектора =3 мм. Тут розрахунки велись без систематичних похибок при базі S<10 км. Різниці повторних визначень віддалі Sг дадуть горизонтальні зміщення і при умові рівноточних вимірів похибка мм. Навіть при збільшенні серій спостережень GPS-спостереження придатні для вивчення локальних горизонтальних рухів при швидкостях vг, більших 5 мм в рік. При горизонтальних рухах, менших 5 мм на рік, спостереження приймачами GPS слід проводити з частотою , більшою одного року. Тому при горизонтальних рухах, менших 5 мм на рік, незамінними є світловіддалемірні виміри.

При вирішенні ж не локальних, а регіональних та глобальних проблем геодинаміки, GPS-вимірювання є найбільш вагомим засобом дослідника.

5. При сучасних вимогах до визначення кількісних характеристик вертикальних рухів земної поверхні, споруд та технологічного обладнання точність нівелювання І класу, що виконується у відповідності з чинною інструкцією, часто не є достатньою для розробки висотного моніторингу на ГДП АЕС. В зв'язку з цим нами проведено детальний аналіз похибок нівелювання з метою встановлення точнісних характеристик нівелювання новітніми засобами та методами. Запропоновано випадкову граничну похибку mпог умовного “погляду” на рейку (на головну та допоміжну шкали) визначати за формулою

. (6)

Випадкова похибка перевищення на станції нівелювання, якщо ведеться праве та ліве нівелювання (або виконується нівелювання при двох горизонтах приладу), і прокладається прямий та зворотній ходи, визначається за формулою:

. (7)

При нівелюванні ІІ класу прокладається одна лінія нівелювання і виконуються спостереження при одному горизонті приладу, а тому (8)

Систематична гранична похибка перевищення на станції знаходиться за

формулою . (9)

Очікувані випадкові похибки різниці перевищень в сусідніх циклах знайдемо за формулами: для І класу нівелювання – , (10)

а для ІІ класу – . (11)

Систематичні похибки різниці перевищень знаходимо за формулою

. (12)

Формула (12) записана з припущенням, що стабільні систематичні похибки в різницях Dh зменшаться як мінімум в два рази. Зрозуміло, що постійні систематичні похибки взагалі виключаються. При такому припущенні ми не занизимо, а навпаки, дещо збільшимо вплив систематичних похибок.

Формула очікуваної граничної середньої квадратичної похибки перевищення для ходу з n станцій буде мати вигляд:

, (13)

а для різниці перевищень – вигляд

. (14)

Сумарні значення випадкових та систематичних похибок геометричного нівелювання в залежності від їх джерел, використовуваних нівелірів, збільшеннях труб, довжин плеч, якості рейок приведені в табл.2. При цьому числові характеристики похибок подані для: геометричного нівелювання, що ведеться за програмою І класу; геометричного нівелювання І класу, але коротким променем (до 25м) з обов'язковим застосуванням підп'ятників; нівелювання, названого прецизійним, що ведеться сучасними найточнішими нівелірами з компенсаторами і з кодовими та суперінварними рейками; такого ж прецизійного нівелювання найточнішими нівелірами та рейками, але коротким променем (до 25м); нівелювання, що ведеться за програмою ІІ класу. Такі теоретичні розрахунки точності новітніх засобів та методів виконані вперше.

Виконаний аналіз похибок нівелювання показує, що існують реальні поки що не використані можливості підвищення точності геометричного нівелювання завдяки застосуванням нівелірів з компенсаторами, та цифрових, кодових та суперінварних рейок, а також шляхом зменшення довжин плеч, застосуванням підп'ятників тощо. Враховуючи, що геодинамічні дослідження постійно вимагають підвищення точності геодезичних вимірювань і дають реальну можливість підвищення точності геометричного нівелювання, вважаємо доцільним на ГДП застосовувати не тільки нівелювання І класу, але й прецизійне, використовуючи вищеприведену класифікацію геометричного нівелювання, розраховану саме на подальше підвищення точності нівелірних робіт.

В роботі виконано перевірку теоретичних розрахунків. Для цього за отриманими формулами обчислені граничні середні квадратичні випадкові та систематичні похибки вимірювання перевищень на окремій станції геометричного нівелювання. Обчислені значення похибок та для нівелювання І та ІІ класів добре узгоджуються з такими ж похибками, які задані чинною інструкцією нівелювання: мм;=0,008мм (І клас) та мм;=0,016мм (ІІ клас).

Розрахунки точності прецизійних методів також підтверджуються даними досліджень фірм-виробників новітніх засобів нівелювання. Отже, маємо надійний контроль правильності теоретичних розрахунків.

Для підрахунку очікуваної похибки визначення перевищень h та різниці перевищень для будь-якого ходу з числом станцій n будемо використовувати формули (13) і (14). Точність визначення можна значно підвищити завдяки створенню мереж ходів, що опираються на нерухомі точки, та їх зрівноваженню.

Отже, в роботі виконано важливі теоретичні дослідження і розрахунки, які дозволяють створити нову методику проектування геометричного нівелювання при створенні висотного геодезичного моніторингу на ГДП АЕС. Використовуючи запропоновану методику, можна проектувати програми спостережень за вертикальними рухами, частоти та тривалості циклів повторних вимірювань, встановлювати допустимі довжини ходів в залежності від швидкостей вертикальних рухів.

В роботі наведено розрахунки довжин ходів та використання видів і класів нівелювання при різних швидкостях вертикальних рухів.

При vв=0,5мм/рік показано, що вертикальні рухи можна визначати з ймовірністю р=0,60 (якщо цикли рознесені в часі на рік) тільки ходами прецизійного нівелювання коротким променем та прецизійного довжиною до 200 м. При швидкості вертикального руху vв=1,0мм/рік при таких же умовах можна визначати такі рухи з ймовірністю р=0,70 прецизійним коротким променем, прецизійним та нівелюванням І класу коротким променем – до 300 м. В табл.3 досить наочно показано, що при рівномірних рухах, які досягають на рік до 2,0мм, в залежності від довжин висячого нівелірного ходу можна визначити доцільні частоти спостережень.

Таблиця 3

Значення ймовірностей визначення вертикальних рухів в залежності від частоти повторних вимірів і довжин ходів при швидкості vв=2,0мм/рік

Прецизійне коротким променем Преци- зійне І клас коротким променем І клас ІІ клас

Довжина ходу, м 500

Граничні похибки різниці перевищень, мм 0,28 0,32 0,41 0,75 1,90

Доцільні частоти 1 1 1 1 –

Ймовірності визначення vв 0,86 0,84 0,80 0,62 –

Довжина ходу, м 1 000

Граничні похибки різниці перевищень, мм 0,40 0,47 0,58 1,07 2,24

Доцільні частоти 1 1 1 – –

Ймовірності визначення vв 0,80 0,80 0,71 – –

Результати табл.3 ще раз підкреслюють важливість виконаних досліджень.

Якщо на активних ділянках земної поверхні, де є зсуви, швидкість вертикальних рухів доходить, наприклад, до 10 мм/місяць, то з ймовірністю р=0,80 можна визначати такі рухи нівелюванням ІІ класу при довжинах ходів до 1 км.

Розділ 4 присвячений питанням впливу та врахуванню дії атмосферної та електрооптичної рефракцій на результати геодезичних вимірювань. Без врахування цих явищ неможливо досягнути високої точності геодезичних вимірювань, необхідних для реалізації геодезичного моніторингу АЕС.

Визначення атмосферної рефракції має велику історію і найвагоміших результатів у дослідженні земної атмосферної рефракції досягли В.Йордан, О.Ізотов, Л.Пеллінен, Б.Рабінович, І.Колчинський, Г.Моріц, А.Островський, Л.Юношев, Б.Джуман, П.Павлів, Д.Масліч, Л.Хижак та інші. Теорія впливу електромагнітного поля на результати геодезичних вимірювань не розроблена. Необхідно відзначити, що експериментальні дослідження з питань впливу електромагнітного поля проводились вітчизняними дослідниками В.Літинським, І.Кметко, М.Кравцовим та ін. Тому в цьому розділі виконані дослідження деяких питань впливу атмосферної рефракції на світловіддалемірні та GPS-вимірювання і розроблена теорія впливу електрооптичної рефракції на результати кутових та лінійних вимірювань.

Розглянуті також можливості мінімізації та стабілізації похибок атмосферних впливів, отримані формули та розроблені методи для їх врахування при повторних геодезичних спостереженнях на ГДП.

Проаналізовані відомі методи мінімізації атмосферних впливів симетричними спостереженнями, які рекомендуються для застосування при визначенні горизонтальних векторів зміщень.

В роботі пропонується метод введення поправок в довжини ліній, оснований на зміні показника заломлення n з висотою в залежності від вертикального градієнта температури.

Якщо вимірювання проводяться при нейтральній стратифікації атмосфери, то поправку в довжині лінії S можна знайти за формулою:

, (15)

де P – тиск, Т – температура повітря, hсер – середня висота проходження променя над підстилаючою поверхнею землі, h0 – середня висота приймача та відбивача над цією ж поверхнею.

При проведенні вимірювань з нестійкою стратифікацією, крім поправки , в лінію необхідно ввести ще поправку

, (16)

де , а і - виміряні одночасно взаємозворотні максимальні розмахи коливань зображень візирних цілей за періоди в одну-декілька секунд.

Розрахунки точності визначення поправок та показали, що поправка може бути визначена з відносною похибкою 1х10-8, а - з відносною похибкою 1х10-7.

Так пропонується враховувати атмосферний вплив на світловіддалемірні вимірювання.

Далі в роботі виконані дослідження впливу електричного і магнітного полів на оптичні властивості середовища, зроблена їх порівняльна характеристика та визначено, що при сучасних точнісних характеристиках приладів найбільш вагомий вплив на геодезичні вимірювання вносить електрооптичний ефект Керра. В рамках цієї теорії П.Ланжевеном і М.Борном отримані формули для показника заломлення

, , (17)

де n – показник заломлення повітря при відсутності електричного поля; - зміна діелектричної проникності повітря при зміні тиску на одиницю; n0 – показник заломлення перпендикулярно вектору напруженості електричного поля; nе – показник заломлення вздовж вектора напруженості електричного поля; R i K – сталі фізичні величини, Е – напруженість електричного поля.

Проведено також теоретичні дослідження і запропоновано методи визначення поправок за електрооптичну рефракцію при довільному розподілі показника заломлення.

В роботі виконано дослідження впливу електричного поля однопровідної однофазної ЛЕП, яке звелося до знаходження результуючої напруженості електричного поля.

На рис.4 зображено вплив однопровідної однофазної ЛЕП на лінію візування з параметрами: – вектори статичної напруженості електричного поля; , – вектори напруженості магнітного поля; і – вектори напруженості електричного поля, створеного змінним магнітним полем; І – сила струму; u – напруга; H – висота проводу над поверхнею землі; h– висота візування; l – горизонтальна відстань від провода до лінії візування; a– радіус провідника.

Отримані теоретичні результати узгоджуються з експериментальними дослідженнями В.Літинського, І.Кметка і М.Кравцова стосовно впливу електричного поля трипровідної трифазної ЛЕП з напругою 750 кВ на результати радіовіддалемірних вимірювань.

Далі проведено моделювання впливу атмосферної рефракції на результати супутникових спостережень. Одержані формули для розрахунку та врахування впливу атмосфери на лінійні та кутові вимірювання. При цьому атмосфера представлялась шарами із зміною в них густини за експоненціальним та лінійним законами.

Похибку вимірювання віддалі від антени до супутника можна визначити за формулою: , (25)

де DS1 – похибка видовження лінії візування внаслідок її викривлення, DS2 – похибка, яка пов'язана із зміною часу поширення електромагнітної хвилі за рахунок зміни оптичної густини середовища.

У п'ятому розділі розглянуто технологію геодезичних робіт на ГДП АЕС. Однією з найважливіших задач при побудові ГДП є створення оптимальної геодезичної мережі, завдяки якій можна одержати достовірні дані про зміщення земної поверхні та споруд в плановому та висотному відношенні. При цьому необхідно обов'язково враховувати такі фактори: вплив поверхневих зсувів та динамічних процесів на стійкість геодезичних знаків; тривалість та довговічність збереження пунктів; районування території, охопленої полігоном, в залежності від тектонічних властивостей; вплив об'єктивних та техногенних фізичних умов на можливу реалізацію геодезичних побудов; вплив розташування інженерних споруд АЕС на геометрію мереж.

Оптимізацію геодезичних мереж на ГДП необхідно виконувати в чотири етапи: оптимізація геометрії мережі всіх можливих планових і висотних вимірювань; оптимізація мережі планових спостережень з послідовним виключенням вимірювань, що малоінформативні; оптимізація мережі висотних спостережень також з виключенням вимірювань, які мінімально інформативні; оптимізація економічних аспектів побудови мережі.

Оптимізацію моделі проекту рекомендується виконувати, користуючись моделлю мережі, з врахуванням точності визначення параметрів планових та висотних компонент деформацій (gх – відносного зсуву по осі абсцис; gу – відносного зсуву по осі ординат; g – загального відносного зсуву; D – дилатації, тобто, відносного площинного стиснення або розширення; Emax – вектора максимального розтягу або стиску; Emin – вектора мінімального розтягу або стиску; w – відносного обертання; G – градієнтів вертикальних деформацій).

Для прикладу нами проведена оптимізація планових мереж на ГДП Рівненської АЕС і показано, що, не втрачаючи точності визначення векторів зміщень і компонент деформацій, можна зменшити кількість вимірів довжин для визначення горизонтальних зміщень на дванадцять.

Далі описані рекомендації щодо проведення геодезичних вимірювань на ГДП. Охарактеризовано світловіддалемірні вимірювання новітніми світловіддалемірами, тотальними станціями і електронними тахеометрами. Подані рекомендації розміщення серій світловідалемірних вимірювань з врахуванням періодів мінімальних вертикальних градієнтів температури (при нейтральній стратифікації повітря), симетрично відносно нульових вертикальних градієнтів температури.

Розглянуті питання застосування супутникових радіонавігаційних систем (СРНС), таких як ГЛОНАСС і GPS, для побудови геодинамічних полігонів на АЕС. В роботі охарактеризовані похибки, які залежать від взаємного розміщення приймачів, обумовлених характером місцевості та положенням інженерних споруд.

На прикладі Рівненської АЕС показано, що суттєвим фактором, який обмежує точність диференціальних GPS-вимірів і повноцінне використання апаратури, є розміщення інженерних споруд, що обмежує видимість супутників та погіршує геометрію його сузір'я. Проаналізовані зміни НDOP i VDOP на протязі доби при кутах відсічки супутників 200 і 300. Таким чином, вся територія проммайданчику та прилеглих територій розділена на три зони: зона з відсутністю перешкод, з частковим обмеженням інженерними спорудами видимого горизонту і з екстремальним обмеженням горизонту.

Розглянуті особливості нівелірних робіт. На основі досліджень, виконаних в третьому розділі, представлено програми роботи на окремій станції методами геометричного нівелювання, подані характеристики новітніх нівелірів. Дано рекомендації особливостей застосування на АЕС гідронівелювання і оцінки точності результатів нівелювання.

Методологічно представлено розрахунок компонент деформації на основі векторів зміщень при повторних спостереженнях планового та висотного положення пунктів. На прикладі зсуву поверхні землі, на якій побудована динамічна геодезична мережа, проведені розрахунки компонент деформації з їх оцінкою і побудована картосхема ізоліній дилатацій на досліджуваній поверхні. Характер ізоліній показує площинний розподіл області стиснення (розширення) досліджуваної території як в якісній, так і кількісній формі.

У шостому розділі виконано оцінку існуючих математичних моделей для прогнозування деформацій земної поверхні та споруд за результатами геодезичних вимірювань. Відмітимо, що в даний час найбільш опрацьована проблема прогнозування осідань споруд переважно за результатами геометричного нівелювання, а проблема прогнозу просторових рухів земної поверхні та споруд на ній залишається актуальною і такою, що потребує негайних подальших