PRACE INSTYTUTU GEODEZJI I KARTOGRAFII 2001, tom XLVIII, zeszyt 102 STEFAN CACOŃ Akadema Rolncza, Wrocław PROBLEM WIARYGODNOŚCI GEODEZYJNYCH POMIARÓW DEFORMACJI OBIEKTÓW INŻYNIERSKICH W RELACJI OBIEKT-GÓROTWÓR 1. WSTĘP W wynku prac nwestycyjnych oraz eksploatacj dużych obektów nżynerskch następują zakłócena w ustalonym stane naprężeń w górotworze pod obektem oraz w jego otoczenu (Lazzarn T. nn 1977). Reakcje środowska geologczno-tektoncznego (przyrody neożywonej), na zasadze sprzężena zwrotnego, objawają sę w postac osuwsk, osadań, tąpnęć, a także przemeszczeń odkształceń obektów nżynerskch. W publkacjach oraz poufnych raportach analzujących katastrofy obektów nżynerskch wskazuje sę na przyczyny ch powstana. W nektórych pozycjach dostrzega sę błędy w obsłudze eksploatacyjnej tych obektów, obarczając m.n. służby geodezyjne newłaścwym prowadzenem procesu pomaru deformacj. Problem ne w pełn warygodnego pozyskwana danych geodezyjnych do specjalstycznych nterpretacj tkw najczęścej w usterkach organzacyjnych procesu montorowana deformacj. Dotyczy to z reguły klku czynnków reprezentujących przestrzeń czas (Cacoń S. 1989). Najwęcej zastrzeżeń zwązanych jest z lokalzacją punktów sec badawczej stałoścą układu odnesena, które reprezentują przestrzeń. Spośród czynnków czasowych najwęcej uwag krytycznych dotyczy momentu rozpoczynana pomarów deformacj. Jeśl przedmotowe obserwacje rozpoczyna sę na obekce nżynerskm już zrealzowanym, wówczas pozyskane dane loścowe mogą być nterpretowane jedyne w aspekce skutkowym, a ne przyczynowoskutkowym. Jest to zwązane m.n. z brakem odnesena tych danych do nenaruszonego stanu otaczającego górotworu.
132 Stefan Cacoń 2. CHARAKTERYSTYKA CZYNNIKÓW WPŁYWAJĄCYCH NA WIARYGODNOŚĆ POMIARÓW DEFORMACJI ORAZ JEJ OCENA Deformacje obektów nżynerskch (odkształcena, przemeszczena) mogą być spowodowane różnym czynnkam, wśród których najczęścej wymenane są: nadmerne obcążene, ukryte wady materałów, zmana naprężeń górotworu, nerozpoznane neregularnośc podłoża, usterk w procese budowy, wpływ reakcj środowska na obekt. Na welkość wyznaczonych parametrów deformacj wpływ mają czynnk zwązane z procesem pomarowym. Jeśl wpływ zakłóceń pomarowych ma charakter błędów systematycznych, wówczas wyznaczane welkośc deformacj mogą różnć sę od rzeczywstych. Jak wadomo, stota pomarów deformacj zwązana jest z czasoprzestrzeną. Do czynnków reprezentujących przestrzeń Cacoń (Cacoń S. 1989) zalczył: lokalzację punktów badawczych, stablzację znaków, stałość układu odnesena dokładność obserwacj okresowych. Czynnk czasowe to: moment rozpoczęca pomarów, nterwał czasowy mędzy pomaram, czasokres wykonywana pomarów czasokres opracowana wynków. Stosowane nowoczesnych nstrumentów pomarowych oraz komputerów powoduje, że dwa ostatne czynnk czasowe można wyelmnować z przedmotowych rozważań. Problem lokalzacj punktów sec badawczych oraz ch markowane (stablzacja), poza technczną realzacją, a także moment rozpoczynana pomarów nterwał czasowy często mają drugorzędne znaczene dla geodety. Podejśce take jest uzasadnone, jeśl sprawy te rozwązywane są przy czynnym współudzale nnych specjalstów (geolog, geotechnk, budowlanec, hydrotechnk, mechank nn). Zdarzają sę jednak przypadk, kedy geodeta zbytno zawerza własnej ntucj, unkając kontaktów z tym specjalstam, bądź specjalśc c ne są w stane wneść do sprawy nc konkretnego. Znane są katastrofy obektów nżynerskch na śwece w Polsce (wększość znanych z lteratury dotyczy zapór wodnych odpadów flotacyjnych), których można było unknąć, bądź zmnejszyć straty, gdyby użytkownk bardzej troszczył sę o obekt, zaś analzowane czynnk cechowały sę spójnoścą. Ocenę warygodnośc pomarów deformacj w ujęcu loścowym oparto na teor nezawodnośc (Praca zborowa 1982). Poszczególne czynnk ( j ) jako elementy układu uznano za zdarzena losowe, a prawdopodobeństwo spełnena warunków warygodnośc stanow charakterystykę probablstyczną układu.
Problem warygodnośc geodezyjnych pomarów deformacj... 133 Warygodność W każdego elementu (czynnka) układu wyraża sę prawdopodobeństwem P neprzekroczena przez dopuszczalnej wartośc gr, a zatem gr W P d (1) gdze: funkcja gęstośc prawdopodobeństwa zmennej. Całkowtą warygodność W c układu kontrolno-pomarowego można oblczyć ze wzoru: gr n 0 W (2) c W 1 gdze: n lczba elementów układu. Problem podstawowy oblczeń tkw w określenu prawdopodobeństwa neprzekroczena wartośc grancznych. Zagadnene to ma zwązek z określenem wymogów bezpeczeństwa danego obektu. Wąże sę to z przyjęcem funkcj gęstośc prawdopodobeństwa dla poszczególnych zmennych losowych. Jeśl założymy, że zmenna ta ma rozkład normalny, wówczas warygodność całkowtą W c można wyrazć wzorem: n W P t (3) c 1 Ocenę warygodnośc czynnków można określć przy zastosowanu wartośc grancznych t równych 3, 2, 1. Powyższe założena powodują: W (3) W (2) W (1) P P P 3 2 0,99 0,95 0,67 Zaproponowano (Cacoń S. 1989) następujące mernk warygodnośc W c pomarów deformacj: W c > 0,85 warygodność duża, 0,85 > W c > 0,70 warygodność średna, W c < 0,70 warygodność mała.
134 Stefan Cacoń Podane krytera klasyfkacj mernków warygodnośc dotyczą 6 czynnków przestrzennych czasowych. Jeśl lczba analzowanych czynnków jest wększa lub mnejsza, wartośc tych mernków ne ulegają zasadnczym zmanom. Istotne jednak jest to, że jeśl warygodność jednego czynnka spada do pozomu 0,67, wówczas nawet przy statystycznej pewnośc (W = 0,99) pozostałych czynnków warygodność całego układu jest mała. Problem oceny warygodnośc pomarów deformacj przyblżony zostane na podstawe pomarów deformacj dwóch różnych obektów nżynerskch w Polsce (Cacoń S. 1998; Cacoń S., Deeb F. 1996; Cacoń S., Kaczarewsk T. 1999). 3. ANALIZA WIARYGODNOŚCI POMIARU DEFORMACJI ZAPORY WODNEJ I OSUWISKA W KOPALNI ODKRYWKOWEJ 3.1. Analza reakcj zapory Nysa na górotwór Zaporę zemną Nysa, przegradzającą dolnę rzek Nysa Kłodzka w odległośc około 3 km od centrum masta Nysa, oddano do eksploatacj w 1971 roku. Zlokalzowano ją w młodym rowe tektoncznym Paczkowa, którego obnżene znajduje sę po klka klometrów na północ połudne od zapory. Standardowe (zgodne z obowązującym nstrukcjam) obserwacje przemeszczeń ponowych na zaporze (rozpoczęte w tym samym roku) prowadzone są przez IMGW, Oddzał we Wrocławu, w odnesenu do reperów zlokalzowanych na jej przedpolu (rys. 1b). Na podstawe prac autora, a m.n. we współpracy z geologem (Cacoń S., Dyjor S. 1993) wykazano neprawdłowośc w organzacj tych obserwacj. Stwerdzono to na podstawe analzy materałów archwalnych dotyczących rezultatów powtarzanych pomarów (lata: 1926, 1953, 1975, 1994) w cągu nwelacj precyzyjnej I klasy Paczków-Nysa przechodzących obok analzowanej zapory. Okazało sę, że po rozpoczęcu eksploatacj zbornka Nysa repery w tym cągu, ponżej zapory, anormalne osadły. W centrum masta Nysa osągnęły 92 mm w okrese 1953 1975 (Cacoń S., Deeb F. 1996), wykazując w okrese poprzedzającym (1926 1953) osadana rzędu klku mlmetrów. Fakt ten wykazał równeż Wyrzykowsk (Wyrzykowsk T. 1985) na mape współczesnych ruchów ponowych skorupy zemskej. Zarejestrowane zmany wysokośc reperów mają bezpośredn zwązek z reakcją otaczającego górotworu na jego obcążene wodą zgromadzoną w zbornku materałem, z którego zbudowano zaporę. Skumulowane naprężena w górotworze mogą wyzwolć sę w postac trzęsena zem, w którego wynku może zostać uszkodzona zapora.
Problem warygodnośc geodezyjnych pomarów deformacj... 135 Rys. 1. Zapora Nysa z lokalzacją reperów odnesena oraz badawczą secą sateltarno-grawmetryczną Należy zaznaczyć, że tego potencjalnego zagrożena ne wykryto na podstawe standardowych, okresowych pomarów przemeszczeń zapory. Szczegółowa analza organzacj oraz wynków tych pomarów w okrese od 1971 roku do 1994 roku oraz rezultaty badań geologczno-tektoncznych otaczającego górotworu wykazały nske ch warygodnośc (W c = 0,58). Na tę ocenę złożyły sę główne błędy w stablzacj (zbyt płytkej) reperów odnesena (W stab = 0,67). Krytyczne należy ocenć także spóźnony moment rozpoczęca obserwacj deformacj zapory wraz z jej otoczenem (1971 r.), zamast w okrese przygotowywana nwestycj (początek lat 60.). Ponadto wynk badań geologcznych wykazały, ż zaporę zlokalzowano (neśwadome) na wązce trzecorzędowych uskoków tektoncznych przykrytych osadam czwartorzędowym o grubośc 10 40 m. Na rysunku 2 zobrazowano rezultaty ponowych przemeszczeń korony zapory Nysa w odnesenu do budowy geologcznej tektoncznej górotworu pod zaporą. Wynk osadań zapory rejestrowane w okrese 1971 1984 wykazują prawdłowość w stablzowanu utworów zemnej konstrukcj tej budowl. Rezultaty te należy jednak traktować jako względne odnesone do nestablnych reperów na przedpolu zapory. Dopero po tym okrese zauważa sę reakcję struktur geologcznych pod zaporą w rejone uskoku tektoncznego 1. Śwadczy o tym wypętrzene korony zapory na odcnku od przekroju 24 do 29. Powyższe fakty potwerdzają uaktywnene sę uskoków tektoncznych po rozpoczęcu eksploatacj zbornka Nysa. W efekce użytkownk obektu podjął odpowedne dzałana zabezpeczające. Nezależne zasugerowano mu
136 Stefan Cacoń wprowadzene korekt do procesu montorowana przemeszczeń zapory. Dotyczą one przenesena reperów odnesena poza uskok brzeżne rowu Paczkowa. Inną możlwość stanow propozycja założena klku reperów głębnowych na przedpolu zapory, posadowonych w utworach trzecorzędowych na głębokośc 11 40 m. Ponadto w ramach projektu badawczego KBN (1992 1995) nr 995179203 w rowe tektoncznym Paczkowa założono polgon geodynamczny, na którym Doskonalono system montorowana, przetwarzana danych prognozowana zman w górnej warstwe ltosfery na obektach przyrodnczych nżynerskch. Fragment sec badawczej w rejone zbornków Nysa Otmuchów pokazano na rysunku 1a. Powtarzane obserwacje sateltarne GPS grawmetryczne w tej częśc sec, w okrese 1993 2000, potwerdzają współczesną moblność w rejone uskoków tektoncznych rowu Paczkowa. Fakt ten powoduje koneczność zachowana szczególnej trosk w procese montorowana deformacj zapór zlokalzowanych na tym obszarze. Rys. 2. Zmany wysokośc reperów kontrolnych na korone zapory Nysa w okrese 1971 1994
Problem warygodnośc geodezyjnych pomarów deformacj... 137 Problemy zwązane z newarygodnym montorowanem deformacj zapory Nysa autor prezentował równeż na klku konferencjach techncznej kontrol zapór w Polsce. Zaowocowało to m.n. zoblgowanem projektantów nwestorów tego typu obektów do poprzedzających studów z zakresu oceny warunków geologczno-tektoncznych podłoża pod obektem. 3.2. Problem montorowana deformacj górotworu kopaln węgla brunatnego Turów Intensyfkacja eksploatacj węgla brunatnego w KWB Turów objawa sę zagrożenam osuwskowym na skarpach odkrywk zwałowska zewnętrznego, a także nnym w różnych rejonach kopaln (rys. 3). Pomary deformacj na tym obekce wymagają zapewnena m najwyższej warygodnośc. Rejony najwększych zagrożeń to flar rzek Nysa Łużycka na grancy z Nemcam (obekt A) oraz połudnowo-zachodna część zwałowska zewnętrznego na grancy z Czecham (obekt D). Podstawowym problemem okazało sę zapewnene stałośc układu odnesena dla okresowych pomarów deformacj górotworu w różnych rejonach obszaru górnczego o powerzchn ponad 100 km 2. Nemożlwe było jest wykorzystane do tego celu punktów odnesena na sąsednch terenach Nemec Czech. Najbardzej odpowedne pod względem geologcznym cztery rejony kopaln zlokalzowano poza bezpośrednm oddzaływanem robót eksploatacyjnych, jednakże w znacznych odległoścach od zagrożonych obektów (A D). Dzęk technce sateltarnej GPS, którą w kopaln wykorzystuje sę od 1993 roku, zmnejszono pracochłonność wyelmnowano ucążlwość w klasycznym (seć kątowo-lnowa) nawązywanu stanowsk obserwacyjnych na obektach A, B, C, D do odległych punktów stałych. W latach 1993 1995 opracowano wdrożono system kontrolno-pomarowy składający sę z trzech segmentów, oparty na obserwacjach sateltarnych, geodezyjnych pomarach względnych (Cacoń S. 1998; Cacoń S., Kaczarewsk T. 1999). Ogólną charakterystykę systemu przedstawono w tabel 1, a nektóre nformacje grafczne zwązane z lokalzacją poszczególnych jego elementów pokazano na rysunku 3.
138 Stefan Cacoń Rys. 3. Lokalzacja punktów sec I II segmentu, urządzeń pomarowych (III segment) oraz zagrożonych obektów deformacjam górotworu na terene KWB Turów
Problem warygodnośc geodezyjnych pomarów deformacj... 139 Tabela 1. Ogólna charakterystyka systemu kontrolno-pomarowego KWB Turów Obserwacje (nstrumenty) Charakterystyka segmentów obserwacyjnych segment III segment I segment II obserwacje obserwacje na powerzchn wgłębne terenu 1 2 3 4 5 - pomary - pomary - pochyłomerz - nklnometr sateltarne sateltarne nasadkowy GPS GPS - ekstensometr - nwelacja - stacja totalna precyzyjna - nwelacja precyzyjna Częstotlwość pomarów 2 lata 3 mesące 1 mesąc lub permanentne Dokładność pomarów przemeszczeń (0,5-10) mm (0,5-2) mm (0,01-0,1) mm 0,1 mm/1m Należy zaznaczyć, że obserwacje deformacj górotworu KWB Turów rozpoczęto w 1983 roku. Założono wówczas lokalną seć przestrzenną ze stablzacją punktów blokam betonowym z głowcam do wymuszonego centrowana nstrumentów. Przewdzano wówczas, że na skutek eksploatacj węgla brunatnego część tych punktów ulegne znszczenu. Tym nemnej ponad 50% punktów nadal wykorzystuje sę w przedmotowych pracach pomarowych. Wraz z nowym punktam, zabudowywanym w procese modernzacj tej sec, stanową I segment systemu kontrolno-pomarowego. Dzęk systemow kontrolno-pomarowemu pozyskwane dane loścowe (geometryczne) stanową warygodny zbór nformacj o zagrożenach górotworu kopaln. Godny podkreślena jest fakt, że przy organzacj wdrożenu tego systemu w kopaln wykorzystywano dośwadczena rezultaty z badań, które prowadzono w rowe tektoncznym Paczkowa wraz z zaporą Nysa otaczającym ją górotworem. Wprawdze oba obekty różną sę pod względem nżynerskm, tym nemnej posadają wele cech wspólnych zwązanych z oddzaływanem obektu na górotwór odwrotne.
140 Stefan Cacoń 4. PODSUMOWANIE Przedstawone rozważana, poparte konkretnym przykładam, stanową głos w dyskusj nad problemem warygodnośc rezultatów geodezyjnych pomarów deformacj obektów nżynerskch. Pogląd, że zadanem geodety jest jedyne dostarczane geometrycznych parametrów deformacj prowadz nekedy do błędów w organzacj procesu montorowana. Problem ten staje sę coraz bardzej stotny w śwetle aktualnych tendencj do ogranczena lub nawet elmnowana z programów studów geodezyjnych przedmotów z zakresu nauk o Zem. Jednocześne, przesadne zafascynowane najnowszym osągnęcam technk komputerowych pomarowych, szczególne wśród młodszej generacj geodetów, może pogłębć te tendencje. Zasadne jest, aby proces montorowana deformacj odpowedzalnych obektów nżynerskch rozpoczynał sę już na etape projektowana nwestycj. Stworzy to jednocześne możlwość prawdłowej realzacj geodezyjnych prac na budowe (Janusz W. 1975), szczególne w strefe głębokch wykopów (Janusz J., Janusz W. 1998). Pozwol to równeż na właścwą organzację pomarów deformacj przyszłego obektu nżynerskego, uwzględnając wszystke czynnk przestrzenne czasowe decydujące o warygodnym pozyskwanu rezultatów. Stworzy to jednocześne warunk do specjalstycznych nterpretacj w aspekce przyczynowo-skutkowym, a ne tylko skutkowym. LITERATURA [1] Cacoń S. 1989: Zur Glaubwürdgket der Ergebnsse geodätscher Deformatonsmessungen. Vermessungstechnk nr 1 s. 17 19. [2] Cacoń S. 1998: The measurements and montorng system wth GPS the bass for relable data on deformaton of an engneerng object. Proceed. of FIG XXI Int. Congress, Brghton, 6 s. 530 540. [3] Cacoń S., Deeb F. 1996: Deformacje obektu hydrotechncznego otaczającego górotworu sprzężene zwrotne. Mat. VII konf. techncznej kontrol zapór, Rytro, s. 59 65, także Deformatons of engneerng objects and ther effect on upper lthosphere layer n ther vcnty feedback, Proceed. of 8 th Int. Symp. FIG on Deformaton Measurements, Hong Kong 1996 s. 345 350. [4] Cacoń S., Dyjor S. 1993: Ogólna ocena zagrożeń zbornków wodnych w młodym rowe tektoncznym na przedgórzu Sudetów Wschodnch. Zesz. Nauk. AR Wrocław, Geodezja Urz. Rolne XI, 231 s. 19 31. [5] Cacoń S., Kaczarewsk T. 1999: Technka sateltarna GPS w montorowanu deformacj górotworu nnych zastosowanach w kopaln węgla brunatnego. WUG nr 5 s. 10 15. [6] Janusz W. 1975: Obsługa geodezyjna budowl konstrukcj. Warszawa PPWK.
Problem warygodnośc geodezyjnych pomarów deformacj... 141 [7] Janusz J., Janusz W. 1998: Problemy geodezyjnej kontrol bezpeczeństwa budynków znajdujących sę w strefe wpływu głębokch wykopów. Prace IGK t. XLV z. 98. [8] Lazzarn T. nn 1977: Geodezyjne pomary przemeszczeń budowl ch otoczena. Warszawa PPWK. [9] Wyrzykowsk T. 1985: Mapa prędkośc współczesnych ponowych ruchów powerzchn skorupy zemskej na obszarze Polsk 1:2 500 000. Warszawa IGK. [10] Praca zborowa 1982: Zastosowane rachunku prawdopodobeństwa w geotechnce. Wrocław Ossolneum. STEFAN CACOŃ PROBLEM WIARYGODNOŚCI GEODEZYJNYCH POMIARÓW DEFORMACJI OBIEKTÓW INŻYNIERSKICH W RELACJI OBIEKT-GÓROTWÓR S t r e s z c z e n e Geodezyjne pomary deformacj obektów konstrukcj nżynerskch stanową podstawę do oceny ch zagrożena. Okazuje sę, że ne zawsze wynk tych pomarów są w pełn warygodne do oceny zjawska deformacj w aspekce przyczynowo-skutkowym. W pracy przedstawono ogólną charakterystykę czynnków mających wpływ na warygodność oraz propozycję jej mernków. Przedmotową problematykę skomentowano na przykładze dwóch obektów nżynerskch: zapory zemnej Nysa oraz kopaln odkrywkowej Turów. Praca jest lustrowana szkcam sytuacyjnym. STEFAN CACOŃ PROBLEM OF RELIABILITY OF GEODETIC MEASUREMENTS OF DEFORMATIONS OF ENGINEERING OBJECTS IN RELATION OBJECT ROCK MASS A b s t r a c t Geodetc measurements of engneerng objects and constructons are the bass for assessng ther hazards. It was proved, that results of these measurements are not always fully relable, as far as assessment of deforma-
142 Stefan Cacoń ton n cause-effect aspect s concerned. General characterstcs of factors nfluencng relablty was presented, as well as proposal of ts estmaton was gven. The problem was dscussed on the example of two engneerng objects: earth dam Nysa and strp mne Turów. The work s llustrated wth feld sketches. Translaton: Zbgnew Bochenek СТЕФАН ЦАЦОНЬ ПРОБЛЕМА ДОСТОВЕРНОСТИ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ ДЕФОРМАЦИЙ ИНЖЕНЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ В РЕЛЯЦИИ ОБЪЕКТ ГОРНАЯ ПОРОДА Р е з ю м е Геодезические измерения деформаций инженерных объектов и конструкций являются основой для оценки угрожающей им опасности. Оказывается, что не всегда результаты этих измерений вполне достоверны для оценки явления деформации в причинноследственном аспекте. В работе представлена общая характеристика факторов, имеющих влияние на достоверность, а также дано предложение её измерителей. Проблематика этого предмета комментирована на примере двух инженерных объектов: земляной плотины Nysa и карьера Turów. Работа иллюстрирована ситуационными эскизами. Перевод: Роза Tолстикова