pod redakcją dr. inĪ. Krzysztofa Karszni i dr. inĪ. Konrada Podawcy 1

Komentarze

Transkrypt

pod redakcją dr. inĪ. Krzysztofa Karszni i dr. inĪ. Konrada Podawcy 1
pod redakcją
dr. inĪ. Krzysztofa Karszni i dr. inĪ. Konrada Podawcy
Warszawa 2014
1
© Copyright by Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2014
Recenzent monografii: prof. dr hab. Jerzy Wysocki
Szczególne podziĊkowanie firmie Leica Geosystems Polska
za finansowe wsparcie prezentowanej monografii
fotografia na okáadce ze zbiorów Leica Geosystems Polska
ISBN 978-83-7583-599-1
Wydawnictwo SGGW
ul. Nowoursynowska 166, 02-787 Warszawa
tel. 22 593 55 20 (-22; -25 – sprzedaĪ), fax 22 593 55 21
e-mail: [email protected]
www.wydawnictwosggw.pl
Druk: POLIMAX s.c., ul. Nowoursynowska 161 L, 02-787 Warszawa
2
Spis treĞci
Przedmowa
............................................................................................... 5
Rozdziaá I.
Geoinformacja a bezpieczeĔstwo obiektów
infrastruktury technicznej
– podejĞcie interdyscyplinarne ............................................. 7
Rozdziaá II.
Sieci geodezyjne dla potrzeb monitorowania
obiektów inĪynierskich i zjawisk naturalnych
– wczoraj i dziĞ ................................................................... 22
Rozdziaá III.
Modelowanie przemieszczeĔ pionowych
na podstawie danych
z naziemnego skanera laserowego ..................................... 42
Rozdziaá IV.
Geodezyjne monitorowanie elementów
obiektów budowlanych na przykáadzie pomiaru
ugiĊcia belki Īelbetowej ..................................................... 64
Rozdziaá V.
Zintegrowany system geodezyjnego monitorowania
osuwisk jako element infrastruktury zapewnienia
bezpieczeĔstwa ................................................................... 83
Rozdziaá VI.
Analiza zapisów miejscowych planów
zagospodarowania przestrzennego
pod kątem ochrony Skarpy Warszawskiej
przed geozagroĪeniami ....................................................... 96
Rozdziaá VII.
Ocena efektów prac modernizacyjnych zbiornika
w LeĨnicy Wielkiej na rzece Gnidzie .............................. 118
Rozdziaá VIII. Ocena parcia na obudowĊ gáĊbokiego wykopu
na przykáadzie stacji metra C14 Stadion .......................... 137
3
Przedmowa
Tematyka niniejszej monografii dotyczy istotnej tak z naukowego, jak
i z praktycznego punktu widzenia – problematyki monitorowania zagroĪeĔ obiektów
inĪynierskich wywoáywanych przez bezpoĞrednie dziaáanie czáowieka, jak równieĪ
wywoáanych zjawiskami naturalnymi. Gáównym celem badawczym, który
przyĞwiecaá autorom tego opracowania byáo przygotowanie podstaw metodycznych
przydatnych podczas projektowania systemów monitoringu –gáównie geodezyjnego,
aczkolwiek wspóápracującego równieĪ z innymi systemami zarządzania ryzykiem.
W badaniu wáaĞciwoĞci konstrukcji budowlanych czy teĪ w prawidáowym
zdiagnozowaniu niebezpieczeĔstw powodowanych oddziaáywaniem zjawisk
naturalnych, bardzo waĪne staje siĊ wáaĞciwe rozpoznanie pojawiających siĊ
trendów zmian, gáównie przemieszczeĔ punktów lub grup punktów kontrolowanych.
Projektowanie systemów monitoringu geodezyjnego wymaga zatem
przeprowadzenia rzetelnych prac studialnych oraz precyzyjnego zdefiniowania
funkcjonalnoĞci takiego systemu. Szczególną rolĊ odgrywa tutaj prawidáowe
zidentyfikowanie zaistniaáego przemieszczenia oraz „nauczenie” systemu Īądanej
przez nas reakcji. ZagroĪenie i katastrofy nie nastĊpują bowiem znienacka lecz są
konsekwencją zmian zachodzących w czasie. Problem w tym, jak
w sposób najbardziej wiarygodny wychwyciü rozpoczynający siĊ trend, który jest
oznaką potencjalnego zagroĪenia. Jak dotąd, interpretacja taka prowadzona jest
bezpoĞrednio przez specjalistów, którzy czĊstokroü bazują na swoich
wczeĞniejszych doĞwiadczeniach z róĪnych dziedzin inĪynierskich. Takie
informacje geodezyjne są niezmiernie waĪne dla inĪynierów budownictwa
projektujących obiekty budowlane czy planistów przestrzennych okreĞlających
zasady zagospodarowania zagroĪonych terenów.
Tematyka monitoringu geodezyjnego, geotechnicznego oraz pochodzącego
z innych branĪ, poruszana jest w wielu publikacjach oraz stanowi przedmiot
licznych opracowaĔ publikowanych w kraju i na Ğwiecie. Brakuje jednak
kompleksowych,
interdyscyplinarnych
studiów
dotyczących
metodyki
projektowania oraz interpretowania wyników dostarczanych przez systemy
monitorujące, w szczególnoĞci automatyczne. Nie ma równieĪ wystarczająco
jednolitych i jednoznacznych przepisów okreĞlających warunki stosowania
zintegrowanych systemów monitoringu.
Wszystkie wspomniane zagadnienia byáy przedmiotem rozwaĪaĔ i dyskusji,
które miaáy miejsce w Szkole Gáównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie.
Wydarzeniem inicjującym debatĊ nad moĪliwoĞcią podjĊcia wspólnych,
interdyscyplinarnych badaĔ nad monitoringiem staáo siĊ ogólnopolskie seminarium
zorganizowane przez KatedrĊ InĪynierii Budowlanej Szkoáy Gáównej Gospodarstwa
Wiejskiego oraz Wydziaá Geodezji i Kartografii Politechniki Warszawskiej w dniu
23 paĨdziernika 2013 r. Podczas spotkania w Centrum Wodnym SGGW,
5
kilkadziesiąt osób z róĪnych branĪ debatowaáo nad problemami integracji
geodanych, doboru technologii pomiarowej, budowania modeli obiektów, sposobu
wizualizacji wyników pomiarów, a przede wszystkim ich wykorzystania w celach
prawidáowego planowania i zabezpieczenia przyszáego zagospodarowania
przestrzennego. Kontynuacją tychĪe rozwaĪaĔ byáo równieĪ seminarium Katedry
InĪynierii Budowlanej SGGW z 2 grudnia 2013 r. (aspekty kartograficzne
i problematyka wizualizacji – sesja z udziaáem pracowników naukowych Zakáadu
Kartografii Wydziaáu Geografii i Studiów Regionalnych Uniwersytetu
Warszawskiego) oraz drugie ogólnopolskie seminarium zorganizowane na Wydziale
Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska SGGW w dniu 5 lutego 2014.
Wszystkie rozdziaáy niniejszej monografii prezentują tematykĊ
interdyscyplinarnego podejĞcia wykorzystania geoinformacji w aspektach
geozagroĪeĔ. Ich treĞü stanowi przyczynek do dalszych wspólnych dziaáaĔ
specjalistów wywodzących siĊ z pokrewnych dyscyplin naukowych, których
zadaniem jest zapewnienie bezpieczeĔstwa i sprawnoĞci funkcjonowania miast,
gmin i caáego kraju.
Dr inĪ. Krzysztof Karsznia
Dr inĪ. Konrad Podawca
Katedra InĪynierii Budowlanej
Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska SGGW
Warszawa, wrzesieĔ 2014
6
Geoinformacja a bezpieczeÑstwo obiektów infrastruktury technicznej
– podejäcie interdyscyplinarne
2014
Krzysztof Karsznia
Szkoáa Gáówna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska
e-mail: [email protected]
Geoinformacja a bezpieczeĔstwo obiektów infrastruktury
technicznej – podejĞcie interdyscyplinarne
WstĊp
Mówiąc o bezpieczeĔstwie infrastruktury technicznej, mamy na myĞli
bardzo wiele czynników oraz przypadków. Zarządzanie infrastrukturą oraz
kontrola jej sprawnoĞci stanowią kluczowy element bezpieczeĔstwa paĔstwa.
Rozpatrując tĊ tematykĊ wielowymiarowo, wspomnieü naleĪy równieĪ
o innych aspektach, jak choüby o bezpieczeĔstwie danych, normalizacji czy
standaryzacji. Są to niezwykle obszerne zagadnienia bĊdące przedmiotem
badaĔ prowadzonych przez specjalistów z dziedzin informatyki, cybernetyki,
robotyki czy automatyki oraz wielu innych nauk pokrewnych. Istnieje
jednakĪe pewien czynnik spajający wszystkie powyĪsze dziaáania.
UmoĪliwia on sprawne nimi zarządzanie oraz naleĪytą koordynacjĊ
wszystkich tych „wymiarów”. Stanowi on niewątpliwie wyzwanie
wspóáczesnego rozumienia bezpieczeĔstwa infrastruktury. To informacja
uzupeániona swoją przestrzenną reprezentacją – lub teĪ uĪywając innego
terminu – geoinformacja.
Od jakoĞci geoinformacji zaleĪą wszystkie aspekty Īycia
wspóáczesnego czáowieka z racji tej, iĪ niemalĪe kaĪda cecha posiada swoje
umiejscowienie w czasie i przestrzeni. Bez naleĪytej informacji przestrzennej
trudno jest wyobraziü sobie bezpieczeĔstwo infrastruktury technicznej.
Kluczowym zagadnieniem wydaje siĊ zatem odpowiednie przedstawianie
oraz modelowanie zjawisk powodujących jej niszczenie lub oddziaáujących
na jej stabilnoĞü. W efekcie jako uĪytkownicy zdobywamy odpowiednie
7
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
informacje o zachowaniu siĊ obiektów wraz z ich interpretacją graficznoprzestrzenną.
Informacja przestrzenna zgromadzona w zasobach – bazach danych –
stanowi gáówny element zarządzania strategicznego i kryzysowego
[Kaczmarek 2010]. Bardzo istotnym elementem jest choüby naleĪyta
koordynacja pracy sáuĪb zajmujących siĊ zapewnianiem bezpieczeĔstwa
ludzi oraz mienia w sytuacjach zagroĪenia czynnikami naturalnymi (klĊski
Īywioáowe) lub w aspektach naleĪytego zarządzania infrastrukturą.
W Ğwietle tym wspomnieü naleĪy o analizach przestrzennych znajdujących
zastosowanie w pracach planistycznych, podczas optymalizacji sieci
przesyáowych, a takĪe w modelowaniu zjawisk zachodzących w zakresie
badanego obszaru. Wspomniane aspekty znajdują równieĪ zastosowanie
podczas zarządzania kryzysowego, a bez ich udziaáu trudno wyobraziü sobie
naleĪyte funkcjonowanie róĪnych sáuĪb publicznych.
Geoinformacja a infrastruktura techniczna
Rozwijając temat roli geoinformacji w zapewnieniu bezpieczeĔstwa
warto przyjrzeü siĊ choüby technicznym aspektom wytwarzania energii, które
– bez wątpienia – są przedmiotem zainteresowania caáego spoáeczeĔstwa.
W przypadku strategicznych obiektów takich jak kopalnie odkrywkowe oraz
związane z nimi elektrownie, istnieje realna potrzeba wykorzystania technik
pozyskiwania i interpretacji danych przestrzennych dla celów zarządzania
ryzykiem (bezpieczeĔstwo stanu obiektów, monitorowanie i kontrola urobku
surowców mineralnych, badania osuwisk i deformacji terenu) jak równieĪ
optymalizowania procesów logistycznych czy biznesowych. To wáaĞnie
systemy geoinformacyjne dziaáające w odniesieniu do baz danych,
wspomagane pracą nowoczesnych urządzeĔ i technik pomiarowych jak
choüby skaning laserowy, fotogrametria czy teledetekcja umoĪliwiają peáną
kontrolĊ i zarządzanie pracą przedsiĊbiorstw wydobywczych lub
produkujących energiĊ. DuĪe znaczenie przypisaü naleĪy sáuĪbom
geodezyjnym, a w szczególnoĞci dziaáom zajmującym siĊ bezpoĞrednio
geodezyjnym monitoringiem przemieszczeĔ i odksztaáceĔ. To wáaĞnie
monitoring jako dynamicznie rozwijająca siĊ technologia geodezji
inĪynieryjnej bądĨ zapobiega awariom i katastrofom, bądĨ teĪ pozwala
zareagowaü odpowiednim sáuĪbom wczeĞniej, zanim zachodzące zjawisko
zagrozi stabilnoĞci badanego obiektu.
8
Geoinformacja a bezpieczeÑstwo obiektów infrastruktury technicznej
– podejäcie interdyscyplinarne
2014
Integracja technologii pozyskiwania, przetwarzania i analizowania danych
przestrzennych stanowi trzon wspóáczesnej geomatyki. Oprócz czĊĞci
informatycznej, lub teĪ geoinformatycznej, duĪego znaczenia nabiera
instrumentarium pomiarowe. Przez ostatnich kilkanaĞcie lat ulegáo ono
daleko posuniĊtej optymalizacji i miniaturyzacji. Wspóáczesne urządzenia
pomiarowe wyposaĪone są juĪ standardowo w wysoko wydajne procesory
umoĪliwiające efektywne prowadzenie zaawansowanych prac pomiarowych.
Znacznie wzrosáa takĪe wydajnoĞü samych pomiarów. DziĞ, pozyskiwanie
danych przestrzennych z czĊstotliwoĞcią tysiĊcy lub dziesiątków tysiĊcy
punktów na sekundĊ nie jest niczym nadzwyczajnym. W praktyce, swoją
silną obecnoĞü zaznaczyáa szczególnie technologia skanowania laserowego
3D, pomiary satelitarne GNSS czy precyzyjne tachimetry - wielofunkcyjne
stacje skanujące [Karsznia 2014]. Pojawiáy siĊ takĪe inne czujniki
wspomagające proces badania geometrii obiektów, jak choüby
pochyáomierze precyzyjne, zwane niekiedy libellami elektronicznymi.
Nowoczesne instrumentarium wymaga zaawansowanych systemów
informatycznych, wieloĞü danych wymusza bowiem ich odpowiednie
przetwarzanie. DziĊki duĪym mocom obliczeniowym komputerów, moĪliwe
jest prowadzenie zaawansowanych analiz niemalĪe w czasie rzeczywistym.
Na znaczeniu zyskują tzw. „systemy ekspertowe” bazujące na rozwiązaniach
sztucznej inteligencji (Artificial Intelligence) [Frenkel, Hommel, Rudolf
2005]. Optymalnym rozwiązaniem w monitorowaniu przemieszczeĔ
i deformacji konstrukcji budowlanych jest zatem spójny i zintegrowany
system - dostosowany do rzeczywistych warunków panujących na badanym
obiekcie oraz „uczący siĊ”. Takie podejĞcie pozwala optymalizowaü procesy
rozpoznawania zjawisk oraz powiadamiania uĪytkowników o potencjalnych
niebezpieczeĔstwach. Uzupeániana na bieĪąco „baza wiedzy” umoĪliwia
prawidáowe identyfikowanie wáaĞciwoĞci geometrycznych badanych
konstrukcji oraz porównywanie uzyskanych wyników z modelami
teoretycznymi.
Integracja danych przestrzennych oraz innych atrybutów,
przykáadowo adresów, w odniesieniu takĪe do innych informacji
uzupeániających stanowią istotny element prowadzenia ewidencji gruntów
i budynków,
a
takĪe
zasobów
rolnych,
przemysáowych
czy
9
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
infrastrukturalnych. Gospodarowanie wáasnoĞcią obywateli w takim ujĊciu
zaliczane jest przez wspóáczesnych ekonomistów do kluczowych elementów
zapewnienia wzrostu tak w ujĊciu mikro jak i makroekonomicznym.
Wymieniają oni równieĪ naleĪyte ewidencjonowanie wáasnoĞci jako jeden
z gáównych czynników zapewnienia bezpieczeĔstwa obywateli oraz
wyzwolenia w ludziach chĊci identyfikowania siĊ z miejscem zamieszkania.
Wynika stąd potrzeba budowy infrastruktury informacji przestrzennej
paĔstwa oraz zapewnienia aktualnoĞci zgromadzonych danych. Wychodząc
naprzeciw tym oczekiwaniom, Unia Europejska uchwaliáa dyrektywĊ
o nazwie INSPIRE mówiącą o koniecznoĞci budowy i utrzymaniu informacji
przestrzennej tak w Polsce jak równieĪ we wszystkich krajach naszego
kontynentu. Podsumowując, nie tylko sam zestaw danych i informacji, ale
umiejĊtne nimi zarządzanie (przy zaangaĪowaniu specjalistów róĪnych
dziedzin Īycia) stanowi jedno z gáównych wyzwaĔ wspóáczesnego Ğwiata.
Standaryzacja danych przestrzennych
Analizując róĪne aspekty i wyzwania bezpieczeĔstwa, nie sposób
pominąü kwestii ochrony infrastruktury technicznej przed dziaáaniem
róĪnych zjawisk, takĪe tych wywoáywanych przez ludzką dziaáalnoĞü. Na
szczególną uwagĊ zasáugują tereny osuwiskowe oraz zagroĪone
deformacjami i przemieszczeniami powierzchniowymi. Czynniki te stanowią
istotne zagroĪenie dla znajdujących siĊ w takich miejscach obiektów
mieszkalnych oraz przemysáowych. Prognozowanie takich zjawisk, choü
niekiedy bardzo trudne, stanowi niewątpliwie bardzo waĪne wyzwanie
stawiane sáuĪbom i specjalistom wykorzystującym dane geodezyjne,
geologiczne czy geotechniczne. Niezwykle pomocna okazuje siĊ w takich
zadaniach nowoczesna technologia pomiarowa oraz rozwijane metody analiz
numerycznych z uwzglĊdnianiem danych o tzw. wysokim (wartoĞci
mierzalne) oraz niskim poziomie strukturyzacji (gáównie informacje
opisowe). Budowa i rozwój takich zintegrowanych modeli danych stanowi
coraz czĊĞciej przedmiot badaĔ prowadzonych tak w Polsce, jak
i w wiodących oĞrodkach naukowych caáego Ğwiata. W problematykĊ jakoĞci
i aktualnoĞci geodanych wpisuje siĊ zatem ich standaryzacja i normalizacja.
Oprócz przepisów prawa, ich spójnoĞci i przejrzystoĞci, waĪną rolĊ peánią
standardy oraz normy, branĪowe jak równieĪ znane i zalecane do
powszechnego stosowania. Kluczowego znaczenia nabierają zatem praca nad
10
Geoinformacja a bezpieczeÑstwo obiektów infrastruktury technicznej
– podejäcie interdyscyplinarne
2014
ksztaátowaniem odpowiednich aktów prawnych (Sejm i Senat) oraz rola
Polskiego Komitetu Normalizacyjnego wraz z róĪnymi organizacjami
o charakterze doradczymi i badawczym (instytuty, stowarzyszenia czy
komitety branĪowe). AktualnoĞü przepisów oraz ich nadąĪanie za
postĊpującym w szybkim tempie rozwojem nauki i techniki naleĪaáoby
równieĪ ująü w aspekcie efektywnoĞci, bezpieczeĔstwa i sprawnoĞci
infrastruktury technicznej, a w rezultacie caáej gospodarki. Niewątpliwie,
istotnym czynnikiem jest tutaj ocena stanu obiektów inĪynierskich takich jak
zapory wodne, mosty, drogi i linie kolejowe, budynki i budowle, linie
energetyczne czy sieci uzbrojenia terenu. DziĊki nowoczesnym
rozwiązaniom z zakresu geodezyjnego monitorowania przemieszczeĔ
i odksztaáceĔ, jak równieĪ w wyniku wspóápracy specjalistów oraz róĪnych
sáuĪb technicznych, moĪliwe jest prowadzenie takiej oceny w sposób coraz
bardziej efektywny i wiarygodny. Ujmując temat szerzej, moĪna tutaj
wspomnieü zarówno o monitoringu geodezyjnym jak i szeroko rozumianym
monitoringu Ğrodowiskowym. Systemy takie stanowią istotny element
kompleksowego zarządzania ryzykiem czy wrĊcz odgrywają jedną
z gáównych ról w zarządzaniu kryzysowym.
NiezawodnoĞü pomiarów
Aspekt wiarygodnoĞci i niezawodnoĞci technologicznej dotyczy
w szczególnoĞci instrumentarium pomiarowego. Od jakoĞci danych
pozyskiwanych przez te urządzenia zaleĪeü bĊdzie jakoĞü uzyskanego
modelu zjawisk oraz poprawnoĞü podejmowanych na jego podstawie decyzji.
Dane przestrzenne mogą byü rejestrowane w sposób aktywny lub pasywny.
Metody aktywne wykorzystują w swoim zaáoĪeniu zalety emisji sygnaáów
elektromagnetycznych lub wiązek laserowych w celu okreĞlenia ksztaátu
i wáaĞciwoĞci badanego obiektu. Wymieniü moĪna tutaj wszelkie odmiany
skaningu laserowego, pomiary odlegáoĞci czy wykorzystanie radarów lub
sond. Metody pasywne bazują na dziaáaniu urządzeĔ rejestrujących wiązki
Ğwietlne lub inne widma promieniowania trafiające do ukáadu odczytowego
po odbiciu wiązek od róĪnych przedmiotów. Kolejną grupą instrumentów
stosowanych podczas oceny stanu technicznego obiektów są czujniki
(sensory) badające wielkoĞci fizyczne jak opór czy natĊĪenie pola
11
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
elektromagnetycznego,
charakterystykĊ pól.
natĊĪenie
Ğwiatáa,
oddziaáywanie
2014
siá
lub
Pozycjonowanie punktów na powierzchni Ziemi oraz nawigacja
stanowią niewątpliwie ciekawe zagadnienia tak w zakresie zastosowaĔ
cywilnych jak i wojskowych. Oprócz globalnych systemów nawigacji
satelitarnej (GNSS) – z ang. Global Navigation Satellite Systems – naleĪy
wspomnieü równieĪ o systemach inercyjnych, systemach wykorzystujących
czujniki pozycjonowania wewnątrz obiektów (z ang. „indoor positioning”),
urządzenia symulujące nadawanie sygnaáów satelitarnych w celu
umoĪliwienia wyznaczania pozycji w miejscach, do których nie docierają
sygnaáy z przestrzeni kosmicznej - tzw. „pseudolity” czy teĪ pozycjonowanie
z wykorzystaniem sygnaáów telefonii komórkowej lub innych Ĩródeá emisji
fal elektromagnetycznych [Blankenbach, Norrdine, Hellmers 2014].
Technologie te pozwalają nie tylko w sposób wiarygodny okreĞliü poáoĪenie
obserwatora w przestrzeni, ale równieĪ dostarczają bieĪących danych, które
praktycznie w czasie rzeczywistym uzupeániają i aktualizują istniejące bazy
tematyczne.
BezpieczeĔstwo oraz sprawnoĞü dziaáania infrastruktury technicznej
zaleĪy w duĪej mierze od jakoĞci i aktualnoĞci baz danych przestrzennych.
Oprócz informacji na temat stabilnoĞci czy aktualnego stanu danego obiektu
inĪynierskiego dostarczają one bowiem bardzo cennych informacji na temat
granic wáasnoĞci, rodzaju i zasiĊgu wystĊpujących zjawisk przyrodniczych
oraz innych czynników warunkujących trwaáoĞü przedmiotu badaĔ. Analiza
tych danych pozwala na okreĞlanie zaleĪnoĞci przestrzennych miĊdzy
róĪnymi obiektami wraz z podaniem atrybutów i informacji dodatkowych.
Przy tej okazji, naleĪy niewątpliwie wspomnieü o wymaganiach odnoĞnie
poziomu szczegóáowoĞci oraz dokáadnoĞci.
Technologia telekomunikacyjna daje wspóáczesnym ludziom
moĪliwoĞü korzystania z rozmaitych serwisów informacyjnych
wykorzystujących mapy czy zdjĊcia satelitarne, jak równieĪ sensu stricte
odwoáujących siĊ do danych przestrzennych PaĔstwowego Zasobu
Geodezyjnego i Kartograficznego. Przy tej okazji, celowe jest
zasygnalizowanie
problematyki
bezpieczeĔstwa
infrastruktury
teleinformatycznej, dziĊki której uĪytkownicy mogą z takich zdalnych bądĨ
nawet mobilnych serwisów korzystaü. Dodaü naleĪy, iĪ zarówno jakoĞü jak
12
Geoinformacja a bezpieczeÑstwo obiektów infrastruktury technicznej
– podejäcie interdyscyplinarne
2014
i stopieĔ aktualnoĞci danych przestrzennych (zwanych takĪe geodanymi)
znajdują swoje odzwierciedlenie w poziomie rozwoju gospodarki, a w wielu
aspektach decydują o jej konkurencyjnoĞci (prawidáowe i sprawne
planowanie, analizy przestrzenne dotyczące zasiĊgu rynków, badania
geomarketingowe itd.) [Herter, Muehlbauer 2008]. Szczególnego znaczenia
nabiera aspekt dokáadnoĞci i niezawodnoĞci pozycjonowania punktów oraz
róĪnorodnoĞü usáug, dziĊki którym uĪytkownicy mogą wykorzystywaü
infrastrukturĊ danych przestrzennych w niespotykanym dotychczas zakresie.
Obiecująco wygląda kwestia projektu budowy europejskiego systemu
pozycjonowania satelitarnego GALILEO. Pozostając pod cywilną kontrolą
Unii Europejskiej, bĊdzie on wspóápracowaá równieĪ z pozostaáymi
systemami GNSS co niewątpliwie otworzy przed specjalistami, a takĪe
zwykáymi uĪytkownikami geodanych szereg nowych i ciekawych
moĪliwoĞci. Interesującym wydaje siĊ fakt wykorzystania sygnaáów
wszystkich dostĊpnych systemów satelitarnych w funkcjonowaniu krajowej
Aktywnej Sieci Geodezyjnej – projektu stosunkowo nowego, dziaáającego w
Polsce od kilku lat i bardzo waĪnego w aspekcie badania stabilnoĞci
infrastruktury technicznej.
Propozycja budowy inteligentnego systemu geoinformacyjnego
Pozyskiwanie, przetwarzanie oraz analizowanie danych przestrzennych
moĪliwe jest dziĊki dziaáaniu systemów geoinformacyjncych integrujących
wspomniane wczeĞniej rozwiązania oraz technologie. Po studiach literatury
przedmiotu, bazując na wieloletnich doĞwiadczeniach praktycznych, autor
stwierdza, iĪ pomimo obecnie istniejących, niekiedy bardzo
zaawansowanych rozwiązaĔ w Ğwiecie geodezji i geoinformacji, istnieje
pewien obszar rozwoju, który w bardzo duĪej mierze przyczyniáby siĊ do
wzrostu
jakoĞci
zarządzania
infrastrukturą
techniczną.
Mowa
o inteligentnych systemach monitorowania obiektów inĪynierskich [Heine
2008] efektywnie wspomagających czáowieka w podejmowaniu decyzji, a
niekiedy wyrĊczających go we wnioskowaniu i reagowaniu na zachodzące
zjawiska. Propozycja budowy takiego systemu przedstawiona zostaáa
schematycznie na rysunku 1.
13
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Rys. 1. Schemat proponowanego systemu geoinformacyjnego do badania obiektów
inĪynierskich (opracowanie wáasne)
Zdaniem autora, ocena stanu badanego obiektu wiąĪe siĊ bezpoĞrednio
z prawidáowym rozpoznaniem jego wáaĞciwoĞci oraz zjawisk wywoáujących
jego okreĞlone zachowanie (1). DziĊki zgromadzonym parametrom (3-4)
bazy wiedzy (6), moĪna oceniü rodzaj zagroĪenia (5) oraz na bieĪąco
aktualizowaü system geoinformacyjny. Co wiĊcej, liczba czynników
warunkujących stan bezpieczeĔstwa takiej struktury w peáni usprawiedliwia
budowĊ systemu bazodanowego wykorzystującego wáaĞciwoĞci sztucznej
inteligencji [Pietraszek 2013]. W dziedzinie geoinformacji oraz geodezji
inĪynieryjnej opublikowano jak dotąd wiele ciekawych propozycji z tego
14
Geoinformacja a bezpieczeÑstwo obiektów infrastruktury technicznej
– podejäcie interdyscyplinarne
2014
zakresu. Na szczególną uwagĊ zasáugują rozwiązania [Heine 2008] bazujące
na zasadach logiki rozmytej (z ang. „Fuzzy logic”) oraz sieci neuronowych.
Modelowanie danych przestrzennych dokonywane jest przy zastosowaniu
róĪnych Ğrodowisk programistycznych, miĊdzy innymi takich jak Matlab®
[Trauth 2006].
Obiekty inĪynierskie podlegające dziaáaniu róĪnych zjawisk cechuje
zmiana ich stanu, której przyczynami są pojawiające siĊ przemieszczenia,
osiadania, utrata spójnoĞci czy stabilnoĞci konstrukcji oraz korozja (2). Ich
dynamika oraz ranga zagroĪeĔ, które wywoáują stanowią bez wątpienia
podstawĊ do wdroĪeĔ zintegrowanych systemów monitoringu w miejsce
dotychczasowo stosowanych pomiarów okresowych [Karsznia 2011]. Oprócz
funkcji ostrzegawczych, proponowany system stanowi równieĪ Ĩródáo
informacji dla dalszych prac projektowych i studialnych (7).
Zgodnie z definicją monitoringu profesora Witakowskiego [Poradniki
nr 443/2009], zagroĪenie naleĪy najpierw rozpoznaü by nastĊpnie na tej
podstawie odpowiednio dobraü technologiĊ pozyskiwania danych. Oprócz
metodyki mamy wiĊc do czynienia z instrumentarium – tak geodezyjnym
(badającym zaleĪnoĞci geometryczne miĊdzy obserwowanymi punktami), jak
i wykorzystującym cechy fizyczne takie jak siáy, naprĊĪenia, przewodnictwo
elektryczne itp. W skáad zaproponowanego zintegrowanego systemu
geoinformacyjnego wejdą róĪne metody pozyskiwania danych
przestrzennych oraz cech fizycznych badanego obiektu. Zastosowanie znajdą
zatem wszelkie zalety automatyki przemysáowej [Commiteee on … 2000]
z technologiami transmisji bezprzewodowej, metodami zabezpieczeĔ
transmisji oraz tzw. „pracą w chmurze” wáącznie.
Dane o obiekcie pozyskane zostaną przy uĪyciu róĪnych technologii,
które wymieniono na rysunku 2. Do metod geodezyjnych, stanowiących
domenĊ szeroko rozumianej geomatyki zaliczyü moĪemy zautomatyzowane
pomiary tachimetryczne, pomiary satelitarne GNSS, niwelacjĊ cyfrową oraz
metody fotogrametryczne i teledetekcyjne. Inną grupĊ stanowią badania
geotechniczne, znane i stosowane w Ğwiecie budownictwa. Ponadto, warto
wymieniü równieĪ metody fizyczne takie jak pomiary tensometrami,
z wykorzystaniem wag czy przyspieszeniomierzy (akcelerometrów). Coraz
czĊĞciej stosowana jest takĪe metrologia przemysáowa pozwalająca
15
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
pozyskiwaü dane z dokáadnoĞciami submilimetrowymi. Systemy
metrologiczne
stanowią
waĪny
element
pracy
tak
wysoko
wyspecjalizowanych przedsiĊbiorstw przemysáowych (fabryki zbrojeniowe,
huty, stocznie czy montownie pojazdów) jak równieĪ – w coraz wiĊkszym
stopniu – firm zajmujących siĊ geodezją inĪynieryjną. Wiele uwagi poĞwiĊca
siĊ równieĪ pracy geofizyków, a efekty ich badaĔ stanowią pozycjĊ
wyjĞciową dla dalszych analiz wraz z geodezyjnymi pomiarami deformacji
terenów (ciągi niwelacyjne, pomiary GNSS).
Rys. 2. Schemat moduáu pomiarowego projektowanego systemu geoinformacyjnego
(opracowanie wáasne)
Wizualizacja wyników pomiarów jest bardzo istotnym elementem
wnioskowania. Niestety, niejednokrotnie ta czĊĞü jest zaniedbywana pod
wzglĊdem jakoĞci oraz prawidáowoĞci zasad prezentacji graficznej.
W zakresie nauk o Ziemi, umiejĊtny dobór metod wizualizacji pozostaje jak
16
Geoinformacja a bezpieczeÑstwo obiektów infrastruktury technicznej
– podejäcie interdyscyplinarne
2014
dotąd w szczególnoĞci domeną kartografów. Zdaniem autora, taki stan rzeczy
powinien znaleĨü swoje odzwierciedlenie takĪe w innych naukach
inĪynierskich. UmiejĊtne wykorzystanie zalet map tematycznych pozwala
dokonywaü prawidáowej oceny wykrytych zjawisk oraz w znacznym stopniu
wpáywa na walor estetyczny budowanego raportu.
Wyniki pomiarów wraz z ich wstĊpnymi analizami wchodzą w skáad modelu
zintegrowanego, którego skáadowe autor proponuje rozpatrzyü w trzech
grupach tematycznych (rys. 3).
Rys. 3. Schemat budowy modelu integracyjnego (opracowanie wáasne)
Do pierwszej grupy materiaáów (1-4) na bazie, których powstaje
zintegrowany model obiektu („opis obiektu”), autor proponuje zaliczyü tzw.
„dane wejĞciowe” (z ang. „input data”) dokumentujące stan obecny
przedmiotu badaĔ. W drugim etapie uzupeániania modelu, autor proponuje
przeprowadzenie dogáĊbnych studiów popartych pomiarami, analizami oraz
17
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
ekspertyzami (5-7). Na bazie zgromadzonego zasobu informacji, moĪliwe
bĊdzie dokonanie oceny jakoĞci i dokáadnoĞci budowanego modelu oraz
skonfrontowanie go z wynikami innych opracowaĔ oraz doĞwiadczeĔ
specjalistów rozwijających systemy branĪowe (np. geologiczne,
geotechniczne, hydrotechniczne czy cybernetyczno-robotyczne) (8-12).
Powstaáy w wyniku projektowania informatycznego system ekspercki (rys. 4)
pozwoli w sposób zautomatyzowany przeprowadziü wnioskowanie oraz –
w zaleĪnoĞci od zaprogramowanych reakcji – powiadomiü uĪytkownika lub
zasiliü wynikiem przetwarzania danych inny podsystem – np. bezpieczeĔstwa
czy zarządzania ryzykiem [Kaczmarek 2010].
Rys. 4. Schemat proponowanego systemu eksperckiego (opracowanie wáasne)
Systemy eksperckie wykorzystują bardzo czĊsto zalety sztucznej inteligencji
[Pietraszek 2013]. Metody z zakresu AI (z ang. „Artificial Intelligence”)
uáatwiają bowiem automatyczne wnioskowanie oraz, poniekąd,
podejmowanie przez system geoinformacyjny decyzji w zastĊpstwie
18
Geoinformacja a bezpieczeÑstwo obiektów infrastruktury technicznej
– podejäcie interdyscyplinarne
2014
czáowieka. Trzeba przy tym zaznaczyü, iĪ skutecznoĞü podejmowania takich
decyzji zaleĪy od zasobów bazy wiedzy oraz od algorytmów „uczących”
system odpowiednich reakcji. Dziedzina ta rozwija siĊ ostatnimi czasy
niezwykle dynamicznie. Spowodowane jest to faktem nieustannie
zwiĊkszających siĊ mocy obliczeniowych komputerów, a takĪe coraz
pojemniejszych noĞników danych. W nadchodzących latach naleĪy z caáą
pewnoĞcią oczekiwaü dalszego dynamicznego rozwoju informatyki, a co za
tym idzie, coraz szerszego zastosowania sztucznej inteligencji we
wspomaganiu eksperckim.
Zaproponowany przez autora model systemu eksperckiego dla potrzeb
identyfikacji zjawisk powodujących utratĊ stabilnoĞci obiektów inĪynierskich
skáada siĊ z trzech gáównych ĞcieĪek postĊpowania (procedur). Realizacja
procedury 1 umoĪliwia identyfikacjĊ Ĩródeá danych, pozyskanie danych oraz
dokonanie wstĊpnej ich analizy (1-4). Procedura 2 pozwala stwierdziü,
w jakim stopniu dane te przystają do aktualnego stanu wiedzy dotyczącego
przedmiotu opracowania (5-8). W kolejnym etapie umoĪliwia natomiast
identyfikacjĊ poziomu zagroĪeĔ oraz ich kwantyfikacjĊ (9-12). Realizacja
procedury 3 daje moĪliwoĞü komunikacji systemu z uĪytkownikiem, a takĪe
archiwizacji i dalszego wykorzystania zgromadzonych danych.
Podsumowanie
Budowa systemów geoinformacyjnych oznacza dziĞ ciągáą pracĊ z bazami
danych wraz z doskonaleniem interfejsów uĪytkownika. Interakcja czáowieka
z urządzeniem staje siĊ dziĊki temu coraz bardziej páynna i intuicyjna.
W efekcie wzrastają moĪliwoĞci rozpoznawania i identyfikowania zjawisk
i procesów zachodzących na Ziemi. PoniewaĪ infrastruktura techniczna, jako
jeden z najwaĪniejszych elementów egzystencji czáowieka podlega
szczególnej ochronie oraz stanowi jeden z kluczowych elementów
ksztaátowania Ğrodowiska, istnieje coraz wiĊksze zapotrzebowanie na
systemowe ujĊcie aspektu jej bezpieczeĔstwa oraz trwaáoĞci. Rozwój
informatyki umoĪliwia wdraĪanie systemów geoinformacyjnch, które
w coraz doskonalszym stopniu wspomagają czáowieka w zarządzaniu tą
infrastrukturą. WieloĞü aspektów technologicznych z nią związanych
przemawia za stosowaniem systemów bazujących na sztucznej inteligencji.
19
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Metody te bowiem pozwalają, w sposób uporządkowany oraz
z zachowaniem procedur standaryzacyjnych i jakoĞciowych, efektywnie
zarządzaü wielkimi zestawami danych. Algorytmy uczące, które
wspóádziaáają z bazami danych stanowią zatem trzon systemów eksperckich.
NaleĪy przypuszczaü, iĪ na bazie takich systemów organizowane bĊdzie
wkrótce funkcjonowanie wspóáczesnych spoáeczeĔstw.
Wyzwania bezpieczeĔstwa w kontekĞcie geoinformacji dotyczą wielu
wymiarów i aspektów, począwszy od jakoĞci Īycia ludzi, poprzez
funkcjonowanie sáuĪb paĔstwowych, a skoĔczywszy na zapewnieniu rozwoju
i efektywnoĞci gospodarki czy utrzymaniu odpowiedniego poziomu
infrastruktury. Kwestie te nabierają szczególnego znaczenia w dobie
dynamicznego rozwoju technologii, elektroniki, informatyki i áącznoĞci.
Nowoczesne technologie niosą ze sobą takĪe problemy bezpieczeĔstwa
i ochrony danych, co bezsprzecznie naleĪy braü pod uwagĊ w procesie ich
wykorzystywania. Istotnego znaczenia nabiera, wiĊc harmonizacja przepisów
prawa oraz standardów i norm branĪowych tak, by w swojej treĞci
przewidywaáy róĪne moĪliwe sytuacje oraz wynikające z nich konsekwencje.
Poruszone zagadnienia wiąĪą siĊ zatem w sposób bezpoĞredni
z problematyką bezpieczeĔstwa, zarządzania ryzykiem oraz jakoĞcią.
Przyczyniają siĊ takĪe do zapewnienia odpowiedniego poziomu Īycia
obywateli, którzy korzystając z nowoczesnych technologii budują
spoáeczeĔstwo informacyjne.
Literatura
[1] Blankenbach J., Norrdine A., Hellmers H., 2014: Magnetic Indoor Local
Positioning System – ein robustes 3D-Positionierungssystem für
Innenraumumgebungen,
Beiträge
zum
17.
Internationalen
Ingenieurvermessungskurs, Zürich, Wichmann, Berlin – Offenbach, s.
185-196
[2] Commiteee on automated monitoring of dams and their foundations,
2000: Automated dam monitoring systems, Bulletin 118, Commission
Internationale des Grands Barrages, Paris
[3] Frenkel M., Hommel U., Rudolf M., 2005): Risk management –
challange and opportunity, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
20
Geoinformacja a bezpieczeÑstwo obiektów infrastruktury technicznej
– podejäcie interdyscyplinarne
2014
[4] Heine K., 2008: Fuzzy Technology and ANN for Analysis of
deformation processes, Application of Artificial Intelligence in
Engineering Geodesy, First International Workshop (AIEG 2008)
Vienna, Austria, December 2008, Proceedings, s. 9-24
[5] Herter M., Muehlbauer K-H., 2008: Handbuch Geomarketing, Herbert
Wichmann Verlag, Heidelberg
[6] Instytut Techniki Budowlanej w Warszawie, 2009: Bezdotykowe
metody obserwacji i pomiarów obiektów budowlanych, System
kompleksowego zarządzania jakoĞcią w budownictwie, Instrukcje,
Wytyczne, Poradniki nr 443/2009
[7] Kaczmarek T.T., 2010: Zarządzanie ryzykiem, ujĊcie interdyscyplinarne,
Wydawnictwo Difin SA, Warszawa
[8] Karsznia K., 2011: Geodezyjny monitoring obiektów mostowych, Mosty
nr 6/2011, s. 36-43
[9] Karsznia K., 2014: Wspóáczesna technologia skanowania laserowego 3D
w monitorowaniu przemieszczeĔ i deformacji obiektów mostowych,
Mosty nr 1/2014, s. 24-27
[10] Pietraszek J., 2013: Wspomaganie planowania i analizy doĞwiadczeĔ
z zastosowaniem elementów sztucznej inteligencji, Wydawnictwo
Politechniki Krakowskiej, Kraków
[11] Trauth M.H., 2006: MATLAB® Recipes for Earth Sciences, SpringerVerlag Berlin Heidelberg
21
Sieci geodezyjne dla potrzeb monitorowania obiektów inĂynierskich
i zjawisk naturalnych – wczoraj i dziä
2014
ElĪbieta Protaziuk
Politechnika Warszawska
Wydziaá Geodezji i Kartografii
e-mail: [email protected]
Sieci geodezyjne dla potrzeb monitorowania obiektów
inĪynierskich i zjawisk naturalnych – wczoraj i dziĞ
WstĊp
Pomiary krótko- i dáugookresowych przemieszczeĔ i deformacji
zarówno obiektów inĪynierskich jak i zjawisk naturalnych staáy siĊ jednym
z podstawowych zagadnieĔ wspóáczesnej geodezji inĪynieryjnej. Jest to
stosunkowo máoda dziedzina geodezji, gdyĪ po raz pierwszy pomiary tego
typu zostaáy przeprowadzone w Szwajcarii w latach 20-stych XX wieku.
KoniecznoĞü prowadzenia i udoskonalania tego typu pomiarów wynikáa
z coraz wiĊkszej potrzeby kontroli i badania zarówno obiektów inĪynierskich
jak i zjawisk zachodzących na powierzchni terenu naturalnego czy tez
sztucznie przetworzonego. Projektowanie, realizacja oraz eksploatacja coraz
wiĊkszych, Ğmielszych, ale i bardziej oszczĊdnych w konstrukcji obiektów,
zwáaszcza w gĊstej zabudowie, postawiáa znacznie wiĊksze wymagania
w zakresie kontroli tych obiektów oraz ich wpáywu na otoczenie
w warunkach eksploatacyjnych. Szereg czynników i wpáywów
wystĊpujących w warunkach terenowych, a trudnych do przewidzenia
na etapie projektowania, moĪe powodowaü zmiany w ksztaácie i poáoĪeniu
obiektu czy jego elementów, powodując obniĪenie statecznoĞci jego
konstrukcji. Zmiany w geometrii i poáoĪeniu elementów konstrukcyjnych
obiektu stanowią niebezpieczeĔstwo dla stabilnoĞci budowli i terenów
do nich przylegáych. Informacja o zmianie geometrii i poáoĪenia obiektu lub
jego otoczenia stanowi podstawĊ do oceny i przeciwdziaáania niekorzystnym
zjawiskom i zapobiegania katastrofom zarówno w trakcie realizacji, jak
i eksploatacji. Wzrasta równieĪ zapotrzebowanie na monitorowanie zjawisk
naturalnych przejawiających siĊ w ruchach skorupy ziemskiej nie tylko
22
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
w skali globalnej (ruchy páyt kontynentalnych, ruchy masowe na wiĊkszą
skalĊ), ale i lokalnej (np. osuwiska, zapadliska, deformacje terenu) oraz
przewidywanie na ich podstawie zagroĪeĔ. KoniecznoĞü wykonywania
pomiarów przemieszczeĔ i monitorowania obiektów, jak równieĪ
powierzchni terenu wynikáa, wiĊc z realnych wymogów bezpieczeĔstwa ludzi
i budowli. Informacja o zmianach poáoĪenia i dynamice w naszym otoczenia
pozwala na zapobieganie wielu stratom materialnych, niebezpieczeĔstwom
czy katastrofom budowlanym.
Zadanie pomiarowe polegające na wyznaczaniu odksztaáceĔ
i przemieszczeĔ obiektów czy zjawisk, reprezentowanych poprzez informacjĊ
o wielkoĞci i kierunkach zmian poáoĪenia obserwowanych punktów, jest
záoĪonym procesem obejmującym: prace projektowe, zakáadanie stanowisk
obserwacyjnych (pomiarowych i sygnalizacyjnych), wykonywanie
pomiarów, obliczenie przemieszczeĔ wraz z oceną ich dokáadnoĞci.
Na kaĪdym z tych etapów coraz bardziej káadzie siĊ nacisk na wspóápracĊ
z innymi branĪami i specjalistami. Zadanie wyznaczania przemieszczeĔ staje
siĊ zadaniem interdyscyplinarnym, gdyĪ tylko takie podejĞcie do badanych
obiektów i zjawisk daje moĪliwoĞü kompleksowego zbadania problemu.
Samo wyznaczanie przemieszczeĔ powierzchni terenu lub obiektów
technicznych moĪe byü realizowane zarówno metodami geodezyjnymi, typu:
sieci trygonometryczne, sieci liniowe, sieci kątowo-liniowe - páaskie
i przestrzenne, kątowe wciĊcia w przód, wstecz, niwelacja geometryczna,
trygonometryczna, metody biegunowe, poligonowe, metody staáej prostej,
rzutowania, techniki satelitarne, naziemny skaning laserowy, naziemna
interferometria radarowa; jak i niegeodezyjnymi, wykorzystującymi
specjalistyczny sprzĊt pomiarowy taki jak: szczelinomierze (dystansometry),
pochyáomierze, klinometry, inklinometry, wahadáa, ekstensometry,
piknometry, pomiary inercyjne i inne. Metody niegeodezyjne dostarczają
zasadniczo informacji o deformacjach wzglĊdnych, natomiast metodami
geodezyjnymi moĪna okreĞliü zarówno deformacje wzglĊdne jak
i bezwzglĊdne, okreĞlone w stosunku do zewnĊtrznego ukáadu odniesienia,
moĪna teĪ przejĞü z wielkoĞci wzglĊdnych do bezwzglĊdnych i odwrotnie.
Najlepsze efekty daje oczywiĞcie poáączenie róĪnych metod i zintegrowanie
pracy wielu systemów, jednak uniwersalny charakter metod geodezyjnych
nadaje im wiodącą rangĊ w wyznaczaniu przemieszczeĔ. Pomiary
geodezyjne są szkieletem i podstawą do budowania konstrukcji pomiarowych
23
Sieci geodezyjne dla potrzeb monitorowania obiektów inĂynierskich
i zjawisk naturalnych – wczoraj i dziä
2014
i systemów monitorowania. Wraz z udoskonalaniem istniejących lub
wprowadzaniem nowych technologii pomiarowych i obliczeniowych
standardy i metodyka wykonywania pomiarów oraz obliczeĔ są przedmiotem
ciągáej ewolucji. Ewolucja ta spowodowana jest coraz wiĊkszym
zapotrzebowaniem gospodarki i wymogami bezpieczeĔstwa, ale wiąĪe siĊ teĪ
ĞciĞle z postĊpem technologicznym w zakresie technologii pomiarowych
i obliczeniowych.
Specyfika pomiarów przemieszczeĔ
Problematyka wyznaczania przemieszczeĔ, a w szczególnoĞci
monitoring obiektów jest specyficznym zadaniem wĞród pomiarów
geodezyjnych. Jak juĪ wspomniano od wyników tych pomiarów zaleĪy
bezpieczeĔstwo obiektów i bezpieczeĔstwo ludzi, stąd wyznaczone wielkoĞci
muszą siĊ odznaczaü siĊ przede wszystkim nastĊpującymi cechami:
1. poprawnoĞcią – zgodnoĞcią z rzeczywistymi zmianami poáoĪenia punktów
obserwowanych w granicach wpáywu báĊdów przypadkowych,
2. minimalną dokáadnoĞcią, uzasadnioną potrzebami,
3. aktualnoĞcią – tzn. Īe czas od momentu rozpoczĊcia pomiarów
do przekazania wyników musi byü jak najkrótszy [Lazzarini 1997].
Nieprzypadkowo poprawnoĞü zostaáa umieszczona na pierwszym miejscu, bo
o ile dwie pozostaáe cechy są zmienne i wymagania co do nich mogą zaleĪeü
od charakteru i stopnia skomplikowania obiektu, to zgodnoĞü wyniku z
rzeczywistoĞcią jest zawsze najistotniejszym wymaganiem, lecz równieĪ
najtrudniejszym do weryfikacji. Stąd wspóáczesny trend w wykonywaniu
pomiarów i obliczeĔ to dąĪenie by obok wymogów dokáadnoĞciowych,
stawiaü wymóg wiarygodnoĞci i związanej z tym niezawodnoĞci pomiarów.
Pomiary przemieszczeĔ (w stosunku do zadaĔ geodezji ogólnej)
charakteryzują specyficzne:
1) wymogi dokáadnoĞciowe:
ƒ wyĪsze niĪ w geodezji ogólnej wymagania dokáadnoĞciowe pomiarów,
obliczeĔ i opracowaĔ,
ƒ zróĪnicowane i specyficzne wymagania dokáadnoĞciowe, sformuáowane
zasadniczo nie poprzez dokáadnoĞü poáoĪenia punktów, ale definiowane
poprzez badanie specjalnych cech geometrycznych obiektu
24
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
(wymiary, ksztaát) lub stan budowli w danym momencie
(przemieszczenia i odksztaácenia), jak tez dokáadnoĞü wzglĊdem
otoczenia,
ƒ wymagana staáa w czasie i przestrzeni dokáadnoĞü.
2) wymogi niezawodnoĞciowe:
ƒ koniecznoĞü efektywnego wykrywania i eliminacji z obserwacji báĊdów
grubych,
3) Ğrodowisko obserwacyjne:
ƒ zmienne i wymagające Ğrodowisko pomiarowe (place budowy, tunele,
hale fabryczne, wyrobiska),
ƒ ograniczenia widocznoĞci poprzez obiekty znajdujące siĊ w polu dziaáaĔ
inĪynierskich, zarówno te bĊdące przedmiotem prac jak i obce (budynki,
budowle, roĞlinnoĞü),
ƒ zmienna morfologia terenu, zbocza, strome skarpy, doliny i ich
poáudnikowy kierunek,
ƒ zakáócenia pomiarowe, pyáy, drgania, emisja sygnaáu radiowego przez
urządzenia elektroniczne,
ƒ czĊsto brak moĪliwoĞci zrealizowania stanowisk pomiarowych na
obiekcie,
4) koniecznoĞü wykonywania pomiarów okresowych czy ciągáych,
5) potrzeba automatyzacji pomiarów i obliczeĔ.
Sieü pomiarowa jako podstawowe narzĊdzie realizacji wymagaĔ
Wymagania dotyczące kontroli obiektów i terenów do nich przylegáych
w fazie realizacji i eksploatacji okreĞlane są kaĪdorazowo przez specjalistów
branĪowych, ale zasadniczo dotyczą wyznaczenia przemieszczeĔ
i odksztaáceĔ konkretnych punktów, z ustaloną dokáadnoĞcią i w okreĞlonym
reĪimie czasowym (odniesione do warunków projektowych lub do momentu
przyjĊtego jako moment początkowy). Mogą to byü pomiary krótkookresowe
czy dáugookresowe, a w skrajnych przypadkach quasi-ciągáe czy ciągáe.
Wyznaczenie poprawnych przemieszczeĔ i odksztaáceĔ kontrolowanych
punktów obiektów czy powierzchni, niezbĊdne w celu ustalenia poáoĪenia,
ksztaátu, statyki i dynamiki obiektu, stanowi podstawĊ do oceny
prawidáowoĞci pracy konstrukcji, istotnoĞci odstĊpstw od ustalanych
warunków bezpieczeĔstwa ludzi oraz budowli, analizy istniejących zagroĪeĔ,
zarządzania ryzykiem oraz opracowania zabezpieczeĔ zapobiegających
25
Sieci geodezyjne dla potrzeb monitorowania obiektów inĂynierskich
i zjawisk naturalnych – wczoraj i dziä
2014
katastrofom. Na ogóá wyznaczanie przemieszczeĔ i odksztaáceĔ dotyczy
okreĞlenia zmian poáoĪenia punktów obiektu wzglĊdem siebie, dla
wiĊkszoĞci przypadków jednak wyniki te winny byü odniesione do
zewnĊtrznego ukáadu odniesienia, staáego dla caáego okresu wykonywania
pomiarów. CzĊsto jest to zadanie utrudnione, gdy strefa wpáywu obiektu
wybiega daleko poza strefĊ obiektu w przestrzeĔ jego otoczenia. Jak juĪ
wspomniano, uniwersalnym narzĊdziem pozwalającym na realizacjĊ
róĪnorodnych wymagaĔ, co do wyznaczania zmiany poáoĪenia punktów są
pomiary geodezyjne, realizowane w szczególnoĞci poprzez sieci pomiarowe.
Pozwalają one okreĞliü zaleĪnoĞci nie tylko w przestrzeni obiektu, ale
równieĪ powiązaü przestrzeĔ obiektu z przestrzenią otoczenia, zewnĊtrznym
ukáadem odniesienia.
Sieü pomiarowa jako podstawowe narządzie realizacji zadaĔ
pomiarowych musi byü dostosowana do wymagaĔ postawionych pomiarom
kontrolnym, a w szczególnoĞci zapewniü:
ƒ dostosowanie struktury i technologii do rodzaju obiektu,
ƒ speánienie wymagaĔ dokáadnoĞciowych,
ƒ speánienie wymagaĔ niezawodnoĞci,
ƒ speánienie kryteriów dostĊpnoĞci czasowej,
ƒ wáaĞciwe warunki ekonomiczne.
O ile co do zadaĔ jak i znaczenia geodezyjnych sieci pomiarowych w wyznaczaniu przemieszczeĔ, zarówno w przeszáoĞci jak i obecnie, nie moĪna mieü
Īadnych wątpliwoĞci, o tyle: konstrukcja, metodyka zakáadania, techniki
pomiarów i obliczeĔ - podlegaáy i nadal podlegają ciągáej ewolucji w czasie,
nie tylko ze wzglĊdu na wzrastające wymagania co do bezpieczeĔstwa
konstrukcji, ale teĪ ze wzglĊdu na rozwój technologii pomiarowych
i obliczeniowych. Gwaátowny postĊp technologiczny pozwala rozwiązywaü
wiele istniejących od dawna problemów pomiarowych, ale powoduje teĪ
pojawianie siĊ wielu nowych problemów i zagadnieĔ wymagających
zbadania.
26
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Ewolucja sieci pomiarowych
Sieci pomiarowe, niezaleĪnie od przyjmowanych róĪnorodnych
konstrukcji i ukáadów, tworzone są najczĊĞciej przez odpowiednio
rozmieszczone i najczĊĞciej utrwalone znakami punkty, wyznaczane
okreĞloną techniką geodezyjną w przyjĊtym ukáadzie odniesieĔ
przestrzennych.
Ewolucja
tych
sieci,
związana
z
nowymi
zdobyczami
technologicznymi, przebiega w róĪnych kierunkach, poprzez:
ƒ podnoszenie funkcjonalnoĞci istniejących sieci, przy ustalonych juĪ
kryteriach dokáadnoĞciowych i parametrach geometrycznych, poprzez
obniĪenie kosztów ich zakáadania i wykorzystywania,
ƒ poprawianie parametrów dokáadnoĞciowych i niezawodnoĞciowych
istniejących sieci, poprzez wykorzystanie przy ich pomiarach
i
opracowaniu
udoskonalonych
technologii
pomiarowych
i obliczeniowych,
ƒ opracowanie caákowicie nowych rozwiązaĔ pozwalających na realizacjĊ
rozpatrywanych sieci w sposób oryginalny, opartych zazwyczaj na
caákowicie odmiennej technologii pomiarowej (np. pomiary satelitarne).
Struktura stosowanych na przestrzeni lat sieci wynikaáa z charakteru
i dokáadnoĞci dostĊpnych technologii pomiarowych – pierwsze konstrukcje
sieci wiązaáy siĊ z wykonywaniem pomiarów kątowych, a wraz
z upowszechnianiem siĊ innych pomiarów dokonywaáa siĊ sukcesywna
modernizacja tych struktur.
Pomiary kątowe
Elementami obserwowanymi są kierunki i kąty poziome, jedynie dla
skali wykonywanych jest kilka pomiarów liniowych. Stosowane konstrukcje
to najczĊĞciej sieci trygonometryczne peáne i niepeáne, sieci powierzchniowe,
uzupeánione pomiarami niwelacji precyzyjnej.
Najbardziej klasyczne - sieci trygonometryczne peáne i niepeáne to
sieci, w których elementami mierzonymi są kierunki miĊdzy punktami
odniesienia, a punktami kontrolowanymi mierzone ze stanowisk
obserwacyjnych. Sieci peáne – zakáadane byáy na terenach o duĪej
przejrzystoĞci, na potrzeby wieloletnich precyzyjnych obserwacji obiektów
wymagających duĪej dokáadnoĞci pomiarów, naraĪonych na duĪe i zmienne
27
Sieci geodezyjne dla potrzeb monitorowania obiektów inĂynierskich
i zjawisk naturalnych – wczoraj i dziä
2014
obciąĪenie, których awaria mogáaby spowodowaü utratĊ Īycia ludzkiego bądĨ
duĪe straty materialne. Sieci niepeáne – zakáadano na terenach o maáej
przejrzystoĞci, dla obiektów o mniejszej klasie bezpieczeĔstwa. Sieci te nie
posiadają wszystkich grup punktów lub powiązaĔ miĊdzy nimi. Zastosowane
w praktyce rozwiązania przestrzenne bywają czĊsto rozwiązaniami
poĞrednimi pomiĊdzy siecią peáną, a niepeáną.
Pomiary kątowo-liniowe
Wraz z postĊpem konstrukcji dalmierzy elektrooptycznych w drugiej
poáowie XX w., dokáadnoĞü i szybkoĞü wykonywania pomiarów odlegáoĞci
zaczĊáa byü porównywalna z dokáadnoĞcią pomiarów kątowych. Stosowane
konstrukcje to początkowo najczĊĞciej sieci trygonometryczne uzupeánione
pomiarami odlegáoĞci, póĨniej powierzchniowe sieci kątowo-liniowe lub
rzadziej liniowe páaskie uzupeánione sieciami niwelacji precyzyjnej, lub sieci
przestrzenne.
Sieci przestrzenne to konstrukcje geometryczne, w których elementami
pomiarowymi są: kąty poziome, kąty zenitalne i odlegáoĞci przestrzenne.
Mają one zastosowanie w terenach trudnodostĊpnych, gdzie niemoĪliwe lub
bardzo utrudnione jest wykonywanie geometrycznej niwelacji precyzyjnej.
Sieci te umoĪliwiają jednoczesne okreĞlenie przemieszczeĔ poziomych
i pionowych w przybliĪeniu z jednakową dokáadnoĞcią (na obecnym stanie
techniki od kilku do kilkunastu milimetrów przy dáugoĞciach boków do kilku
kilometrów).
Zalety pomiarów kątowo-liniowych (zwanych klasycznymi):
ƒ najwyĪsza dokáadnoĞü pomiarów,
ƒ szybkie, tanie i powszechne.
Ograniczenia:
ƒ koniecznoĞü widocznoĞci miĊdzy punktami,
ƒ problem z uzyskaniem niezawodnoĞci na granicach sieci,
ƒ problem nawiązania przy braku poáoĪonych blisko punktów odniesienia,
ƒ dla niektórych zadaĔ (np. rozciągniĊtych powierzchniowo) spada ich
ekonomicznoĞü.
28
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Pomiary satelitarne
Upowszechnienie pomiarów satelitarnych wprowadziáo rewolucjĊ
w pomiarach geodezyjnych, początkowo w zadaniach geodezji wyĪszej,
póĨniej równieĪ w geodezji inĪynieryjnej i pomiarach przemieszczeĔ.
Prawdziwy przeáom w zakresie wykorzystania GPS-u do precyzyjnych
pomiarów nastąpiá w wyniku zastosowania nowych metod obserwacyjnych:
pomiarów fazowych (w miejsce mniej dokáadnych pomiarów
pseudoodlegáoĞci) oraz róĪnicowych technik obliczeniowych, koniecznych
do wyeliminowania duĪej czĊĞci báĊdów.
Zalety pomiarów satelitarnych:
ƒ nie wymagają wzajemnej widocznoĞci obserwowanych punktów,
ƒ znacznie niĪsza zaleĪnoĞü dokáadnoĞci od dáugoĞci wektora - moĪliwoĞü
lokalizacji punktów odniesienia dla obiektu poza strefą oddziaáywania
obiektu bez znacznego spadku dokáadnoĞci,
ƒ pomiar satelitarny na stanowisku moĪe trwaü bardzo krótko (pomiar
statyczny dla punktów o znaczeniu lokalnym trwa okoáo 45-60 minut,
pomiar technologią szybką statyczną - 15-20 minut, zaĞ technologią
"stop and go" tylko 1-2 minuty); dla niektórych prac geodezyjnych
moĪna stosowaü pomiary w czasie rzeczywistym (real time kinematic)
dające wyniki natychmiast w terenie,
ƒ moĪliwe pomiary w warunkach sáabej widocznoĞci, pomiary GPS są
w zasadzie niezaleĪne od warunków meteorologicznych na stanowiskach
obserwacyjnych,
ƒ w wielu przypadkach technologie pomiarów satelitarnych są o wiele
bardziej ekonomiczne i czĊsto duĪo mniej czasocháonne niĪ pomiary
klasyczne.
Ograniczenia pomiarów satelitarnych:
ƒ zasadniczo niĪsza dokáadnoĞü niĪ pomiarów klasycznych,
ƒ táumienie sygnaáu poprzez Ğrodowisko - trudnoĞci z odkrytym
horyzontem 10-15Û, pomiar GPS w przypadku niekorzystnej ekspozycji
na sygnaáy satelitarnej musi byü wydáuĪony, a czasem moĪe byü wrĊcz
niemoĪliwy do wykonania,
ƒ naleĪy unikaü zakryü horyzontu oraz przeszkód terenowych mogących
powodowaü odbicia sygnaáów satelitarnych, w szczególnoĞci: budowli,
29
Sieci geodezyjne dla potrzeb monitorowania obiektów inĂynierskich
i zjawisk naturalnych – wczoraj i dziä
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
2014
drzew, krzewów, samochodów, z tego tez powodu wiele punktów
obiektu (np. na Ğcianie) nie moĪe byü obserwowanych ta techniką,
zaleĪnoĞü dokáadnoĞci i niezawodnoĞci od geometrii pozycjonowania,
czyli rozmieszczenia satelitów w chwili pomiaru:
o niĪsza dokáadnoĞü wyznaczenia wysokoĞci (2-3–krotnie gorsza
w porównaniu do wspóárzĊdnych horyzontalnych ze wzglĊdu na
umiejscowienie wszystkich sygnaáów pomiarowych 10-15Û nad
horyzontem),
o niĪsza dokáadnoĞü wspóárzĊdnej póánocnej (na obszarach
o Ğrednich i wysokich szerokoĞciach geograficznych >45°,
w których znajduje siĊ i Polska, powstaje na póánocy dziura
obserwacyjna, która nie jest korzystna dla dokáadnoĞci wyznaczenia
wspóárzĊdnej N),
o zmiany dokáadnoĞci w czasie (w zaleĪnoĞci od aktualnie widocznej
konstelacji moĪe siĊ ona zmieniaü znacząco w trakcie doby, satelity
GPS dokonują dwóch obiegów wokóá Ziemi w ciągu jednej doby, co
powoduje, Īe kaĪdego dnia w okreĞlonym momencie czasu pojawia
siĊ taka sama konfiguracja satelitów GPS; pomiary wykonywane w
tej samej porze dnia obarczone są zatem tym samym báĊdem
konfiguracji geometrycznej konstelacji satelitów GPS,
zwiĊkszony problem wielodroĪnoĞci sygnaáu ze wzglĊdu na odbicia
mogące pojawiü siĊ w otoczeniu obiektów,
moĪliwe przypadkowe lub celowe zakáócenia sygnaáu, punkty
pomiarowe nie powinny byü projektowane w bezpoĞrednim sąsiedztwie
aktywnych elementów infrastruktury technicznej emitujących fale
elektromagnetyczne, w szczególnoĞci: nadajników radiowych, linii
energetycznych, trakcji kolejowej lub tramwajowej,
inne systemy GLONASS i GALILEO zasadniczo mają te same
systemowe ograniczenia.
Zestawienie zalet i wad technologii satelitarnych Ğwiadczy o ich
niewątpliwej przydatnoĞci w pomiarach przemieszczeĔ, jednak w wielu
zastosowaniach pomiary te mają pewne ograniczenia i nie mogą stanowiü
jedynego i samodzielnego Ĩródáo informacji pozycyjnej.
Jak moĪna zauwaĪyü problem dokáadnoĞci pomiarów satelitarnych
pojawiá siĊ zarówno po stronie zalet jak i wad technologii. Wynika to
30
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
z dynamiki geometrycznej satelitarnego ukáadu obserwacyjnego oraz
zaleĪnoĞci dokáadnoĞci tych pomiarów od wykorzystanej procedury i czasu
wykonywania pomiarów (metoda statyczna, szybka statyczna, kinematyczna,
RTK), odlegáoĞci miĊdzy wyznaczanymi punktami. WyĪszą dokáadnoĞü
pomiarów satelitarnych w stosunku do pomiarów klasycznych uzyskamy dla
dáugich wektorów obserwowanych statycznie, w dáugich sesjach
obserwacyjnych, przy zmiennej geometrii satelitów. Natomiast dla pomiarów
krótkookresowych, dynamicznych, dla mniejszych odlegáoĞci wyĪszoĞü mają
nadal pomiary klasyczne.
W pomiarach GPS jakoĞü geometrycznej konstelacji satelitów
charakteryzuje wspóáczynnik zwany Dilution of Precision (DOP).
Jego wartoĞü moĪna policzyü na podstawie macierzy wspóáczynników ukáadu
równaĔ obserwacyjnych. Analiza struktury macierzy kofaktorów ujawnia
charakterystykĊ propagacji báĊdów, która moĪe byü wykorzystana do
przewidywania moĪliwej do uzyskania dokáadnoĞci i planowania pomiarów.
Na podstawie elementów gáównej przekątnej z macierzy kofaktorów
wyznacza siĊ poszczególne wspóáczynniki DOP :
ƒ NDOP, EDOP, VDOP dla wyznaczenia wspóárzĊdnych
ƒ TDOP – dla wyznaczenia czasu.
ƒ PDOP – dla wyznaczenia wspóárzĊdnych przestrzennych (3D),
W praktyce przyjmuje siĊ, Īe jeĞli PDOP wynosi 1-3, to warunki do
obserwacji są bardzo dobre, gdy 4-5 – dobre, gdy 6 – sáabe (ale dostateczne),
natomiast nie naleĪy wykonywaü obserwacji, gdy PDOP przekroczy 6.
PoniĪszy rysunek przestawia wykres wspóáczynnika DOP w dniu
23.10.2013 dla Warszawy, sporządzony w programie GNSS Planning Online
(www.trimble.com)
31
Sieci geodezyjne dla potrzeb monitorowania obiektów inĂynierskich
i zjawisk naturalnych – wczoraj i dziä
2014
Rys. 1. ZmiennoĞü wspóáczynników DOP w ciągu doby
Jak widaü w ciągu doby pojawiają siĊ znaczne wahania
wspóáczynników, a co za tym idzie róĪnice w uzyskiwanej dokáadnoĞci.
Wspóáczynnik PDOP waha siĊ z zakresie od 1,5 do 5. W przypadku
pomiarów dáugookresowych wartoĞci te uĞrednią siĊ, natomiast w pomiarach
dynamicznych czy przy wymaganiach ciągáego monitorowania zmiennoĞü
uzyskiwanej dokáadnoĞci sprawia, Īe mimo niewątpliwych zalet pomiary
satelitarne nie mogą stanowiü samodzielnego systemu pomiarowego. NaleĪy
równieĪ zauwaĪyü, Īe przedstawiona powyĪej sytuacja dotyczy odkrytego
horyzontu, ograniczonego wyáącznie 15° maską odcinania. Pojawienie siĊ
dodatkowych przeszkód terenowych moĪe tĊ sytuacjĊ znacznie pogorszyü.
Pomiary w ramach systemu ASG-EUPOS
ASG-EUPOS to wielofunkcyjny system precyzyjnego pozycjonowania
satelitarnego na obszarze Polski, skáadający siĊ ze stacji referencyjnych
sklasyfikowanych jako punkty podstawowej osnowy geodezyjnej,
równomiernie rozáoĪonych na obszarze Polski, o Ğredniej odlegáoĞci
pomiĊdzy stacjami ok. 70 km. Serwis ASG-EUPOS ma za zadanie
udostĊpnianie dla uĪytkowników róĪnicowych poprawek w czasie
rzeczywistym (serwisy NAWGEO, NAWGIS, KODGIS) i/lub udostĊpnianie
danych obserwacyjnych i wykonywanie obliczeĔ w trybie post-processing’u
(odpowiednio serwisy: POZGEO D i POZGEO).
32
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
ASG-EUPOS dostarcza róĪnych danych i wyników o róĪnej
dokáadnoĞci w zaleĪnoĞci od serwisu:
ƒ POZGEO – serwis automatycznych obliczeĔ w trybie post-processing’u
wykonanych metodą statyczną, z deklarowanym báĊdem Ğrednim
wyznaczenia wspóárzĊdnych - 0.01 m dla odbiornika L1/L2 i nie
wiĊkszym niĪ 0.1 m dla odbiornika L1,
ƒ POZGEO D – to serwis pobierania obserwacji satelitarnych GNSS
w formacie RINEX z wybranych przez uĪytkownika stacji
referencyjnych systemu ASG-EUPOS,
ƒ NAWGEO – serwis czasu rzeczywistego, udostĊpniający poprawki
RTK, umoĪliwiający wyznaczenie wspóárzĊdnych páaskich z báĊdem
Ğrednim nie wiĊkszym niĪ 0.03 m oraz wysokoĞci z báĊdem Ğrednim nie
wiĊkszym niĪ 0.05 m przy wykorzystaniu odbiornika L1/L2 RTK,
ƒ KODGIS – serwis czasu rzeczywistego, udostĊpniający poprawki
DGNSS, umoĪliwiający wyznaczenie wspóárzĊdnych z báĊdem Ğrednim
nie wiĊkszym niĪ 0.25 m przy korzystaniu z odbiornika L1/L2 oraz nie
wiĊkszym niĪ 1.5 m przy wykorzystaniu odbiornika tylko z L1,
ƒ NAWGIS – serwis czasu rzeczywistego, udostĊpniający poprawki
DGNSS, umoĪliwiający wyznaczenie wspóárzĊdnych z báĊdem Ğrednim
nie wiĊkszym niĪ 3.0 m przy wykorzystaniu odbiornika jednoczĊstotliwoĞciowego L1. OdnoĞnik.
W pomiarach geodezyjnych zastosowanie mają 3 pierwsze serwisy.
Zalety pomiarów w systemie ASG-EUPOS:
ƒ pomiary satelitarne z uĪyciem systemu stają siĊ bardziej ekonomiczne,
i umoĪliwiają potanienie satelitarnych pomiarów geodezyjnych,
uĪytkownikowi potrzebny jest tylko jeden o "polowy" odbiornik,
dodatkowo nie musi posiadaü specjalistycznego oprogramowania oraz
personelu do opracowani pomiarów,
ƒ brak koniecznoĞci ustawiania odbiornika na punkcie staáym
(referencyjnym), wykorzystanie pomiarów ze stacji jako odbiornika
referencyjnego jest przydatne przy wyznaczaniu przemieszczeĔ
w sytuacji, gdy w sąsiedztwie obiektu brak stabilnych punktów
odniesienia (np. tereny górnicze czy rozlegáe osuwiska),
ƒ zapewniają „automatyczne” nawiązanie do paĔstwowego ukáadu.
33
Sieci geodezyjne dla potrzeb monitorowania obiektów inĂynierskich
i zjawisk naturalnych – wczoraj i dziä
2014
Ograniczenia systemu:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
zasadniczą wadą takiego rozwiązania moĪe byü zbyt duĪa odlegáoĞü
obiektu pomiarowego do punktów referencyjnych, wyznaczone wektory
GPS mogą byü obarczone znacznymi báĊdami, zarówno
w sensie dáugoĞci wektora jak i jego orientacji w przestrzeni,
doĞü czĊste awarie systemowe na róĪnych stacjach (na stronie ASGEUPOS „BieĪące aktualnoĞci dotyczące pracy systemu ASG-EUPOS”
moĪna zauwaĪyü niemal codzienne przerwy w dziaáaniu niektórych
stacji z powodu awarii czy modernizacji),
tylko niektóre ze stacji wspóápracują z systemem GLONASS,
obliczenia sieci muszą byü przeprowadzone na elipsoidzie ze wzglĊdu na
znaczne odlegáoĞci od stacji referencyjnych,
wszystkie braki pomiarów satelitarnych wymienione powyĪej dotyczą
równieĪ tych pomiarów.
Pseudosatelitarne naziemne systemy pozycjonowania
Jako jedno z rozwiązaĔ problemu sáabej geometrii pomiarów
satelitarnych, pojawiáa siĊ koncepcja pseudsatelitów - naziemnych
nadajników sygnaáu satelitarnego. Początkowe badania nad technologią byáy
bardzo obiecujące, równieĪ w zakresie monitorowania przemieszczeĔ
[Barnes i in. 2002] jednak z czasem okazaáo siĊ, Īe z ich stosowaniem
związane są spore problemy wynikające z przede wszystkim z zaáoĪenia, Īe
mają nadawaü sygnaá o czĊstotliwoĞci satelitarnej, która dostosowana jest do
pomiaru satelita-odbiornik, nie sprawcza siĊ natomiast w przestrzeni
naziemnej.
Finalnie badania nad satelitami zostaáy podsumowane wnioskami
[Barnes, Rizos i in. 2003]:
ƒ konieczne są zmiany w strukturze sygnaáu,
ƒ problem z brakiem synchronizacji czasu,
ƒ problem legalnoĞci nadawania sygnaáu satelitarnego.
Postanowiono, wiĊc odejĞü od pierwotnej idei nadawania sygnaáu
o czĊstotliwoĞciach satelitarnych oraz wprowadzono obok nadawania sygnaáu
równieĪ moĪliwoĞü jego odbierania, co umoĪliwiáo synchronizacjĊ urządzeĔ
miĊdzy sobą. OczywiĞcie, aby sygnaá o innej czĊstotliwoĞci mógá byü
34
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Ğledzony, potrzeba innych odbiorników, lecz i tak niewiele z dostĊpnych na
runku urządzeĔ miaáo moĪliwoĞü Ğledzenia sygnaáu pseudosatelitów.
Powstaá, wiĊc system oparty na sieci naziemnych nadodbiorników, które
pokrywają wybrany obszar sygnaáem o strukturze sygnaáu satelitarnego,
który moĪe byü wykorzystany do pozycjonowania zarówno w poáączeniu
z GPS, jak i niezaleĪnie (gdy Ğledzone są 4 lub wiĊcej sygnaáów).
Podstawowe wáasnoĞci:
ƒ dziaáanie na innych niĪ GPS czĊstotliwoĞciach, dobranych tak, by
minimalizowaü problemy wielodroĪnoĞci, zakáócania itp.,
ƒ prawie wszystkie funkcje (moc wyjĞciowa, sposób pulsacji, wybór kodu
PRN, dane wyjĞciowe i lokalizacja) są pod kontrolą uĪytkownika,
ƒ sygnaá jest znacznie mocniejszy niĪ sygnaá GPS (moĪliwe
pozycjonowanie wewnątrz budynków),
ƒ z punktu widzenia teorii wyznaczania pozycji, pozycjonowanie za
pomocą nadodbiorników róĪni siĊ niewiele od pozycjonowania za
pomocą GPS.
MoĪliwoĞci systemu w kontekĞcie wspomagania systemu GPS:
ƒ zastosowanie
naziemnych,
odpowiednio
umiejscowionych
nadodbiorników sygnaáu poprawia sáabą geometriĊ satelitów GPS
i dostĊpnoĞü sygnaáów pomiarowych poprzez zwiĊkszenie iloĞci Ĩródeá
sygnaáu oraz wzmacnianie geometrii wyznaczania pozycji,
ƒ poáoĪenie nadodbiorników moĪe byü przeanalizowane i zaprojektowane
tak, aby dostarczone dodatkowe obserwacje znacząco poprawiáy
geometriĊ pozycjonowania oraz spójnoĞü wyników,
ƒ umoĪliwia rozszerzanie obszaru i czasu obserwacji przy satelitarnym
wyznaczaniu pozycji.
Ograniczenia:
ƒ technologia nie jest jeszcze powszechnie dostĊpna, jednak jako
uniwersalna metoda wspomagania pomiarów satelitarnych zdaje siĊ mieü
szerokie zastosowania w przyszáoĞci wszĊdzie tam, gdzie sam pomiar
satelitarny nie jest dostateczny lub wrĊcz moĪliwy,
ƒ nie ma obecnie jednoznacznych standardów i oprogramowania
dotyczącego opracowania obserwacji, redukcji itd.
35
Sieci geodezyjne dla potrzeb monitorowania obiektów inĂynierskich
i zjawisk naturalnych – wczoraj i dziä
2014
W poprzednich latach przez autora [Protaziuk 2009] przeprowadzony
zostaá szereg wstĊpnych analiz dokáadnoĞci pomiarów satelitarnych
wspomaganych dodatkowymi naziemnymi Ĩródáami sygnaáu, które wykazują
obniĪenie Ğrednich wspóáczynników DOP i jak równieĪ zmniejszenie ich
zmiennoĞci, istotne zwáaszcza w przypadku istnienia ograniczeĔ
w widocznoĞci satelitów.
Sieü hybrydowa jako wspóáczesna sieü pomiarowa
Wspóáczesna sieü do pomiaru przemieszczeĔ powinna zapewniaü:
ƒ dostosowanie konstrukcji i technologii do charakteru obiektu i jego
otoczenia, zapewniające odpowiednią lokalizacjĊ i stabilizacjĊ stanowisk
pomiarowych,
ƒ speánienie wymagaĔ dokáadnoĞciowych w zakresie wymagaĔ wewnątrz
obiektu jak i powiązania z otoczeniem,
ƒ moĪliwoĞü odniesienia do stabilnego ukáadu odniesienia,
ƒ wysoką niezawodnoĞü ukáadu obserwacyjnego, zapewniającą efektywne
wykrywanie báĊdów grubych,
ƒ wáaĞciwe warunki ekonomiczne,
ƒ speánienie kryteriów dostĊpnoĞci czasowej, w tym zastosowanie
odpowiedniej rozdzielczoĞci czasowej i uwzglĊdnienie rozciągáoĞci
czasowej pomiarów.
Nie ulega wątpliwoĞci, Īe wiĊkszoĞü wymienionych powyĪej wymagaĔ
nie jest nowoĞcią i równieĪ historyczne konstrukcje pomiarowe musiaáy te
wymagania speániaü. DziĞ jednak ze wzglĊdu na duĪo bardziej záoĪoną
strukturĊ sieci i róĪnorodnoĞü stosowanych technologii, a co za tym idzie
danych obserwacyjnych, kaĪde z tych wymagaĔ musi byü szczegóáowo
przeanalizowane tak, aby uzyskaü optymalne rozwiązanie i jak najlepiej
wykorzystaü atuty kaĪdej z technologii w konkretnym zastosowaniu.
PojĊcie wspóáczesnej sieci pomiarowej staje siĊ coraz szersze, bardziej
kompleksowe i obejmuje:
ƒ geometriĊ sieci (lokalizacja i stabilizacja punktów oraz ich poáączenie
obserwacjami),
ƒ technologie pomiarowe (rodzaje pomiarów, sesje pomiarowe, sprzĊt),
36
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
ƒ
ƒ
2014
sposób opracowania wyników pomiarów (modele matematyczne,
redukcje, ukáad odniesienia),
kryteria kontroli i oceny uzyskiwanej dokáadnoĞci i niezawodnoĞci.
Tak rozumiana sieü hybrydowa, do obsáugi zadaĔ o coraz wyĪszych
i specyficznych wymaganiach, integrująca nowoczesne metody pomiarowe
umoĪliwia istotne podniesienie poziomu dokáadnoĞci i niezawodnoĞci
pomiarów.
Rys.2. Schemat wspóáczesnej sieci hybrydowej
O ile dotychczas wzrost funkcjonalnoĞci sieci odbywaá siĊ gáównie
poprzez zwiĊkszanie moĪliwej do osiągniĊcia dokáadnoĞci obserwacji, to
obecnie wydaje siĊ, Īe granica dokáadnoĞci zostaáa osiągniĊta i dalsze
udoskonalanie sprzĊtu pomiarowego bĊdzie miaáo znaczenie przede
wszystkim marketingowe. NajwiĊksze wyzwania i moĪliwoĞci wzrostu
dokáadnoĞci i niezawodnoĞci dla wspóáczesnych sieci tkwią w zastosowaniu
odpowiednich procedur i algorytmów projektowania oraz opracowywania
wyników, uwzglĊdniających charakter pozyskiwanych obserwacji.
W czasach kiedy pomiary i procedura obliczeniowa byáy o wiele bardziej
czasocháonne i wymagające znacznych nakáadów pracy, ich wykonywanie
byáo bardziej Ğwiadome. DziĞ, kiedy zarówno pozyskiwanie danych jak
i proces obliczeniowy są znacznie taĔsze, prostsze, szybsze i czĊsto
automatyczne, mamy do czynienia z posiadaniem ogromnej iloĞci danych
z róĪnych Ĩródeá, o róĪnym charakterze, lecz ich opracowanie czĊsto odbywa
siĊ bez odpowiedniej ĞwiadomoĞci. Tak wiĊc mimo, Īe udoskonalone i nowe
technologie pomiarowe oraz rozwój technik obliczeniowych zapewniają
37
Sieci geodezyjne dla potrzeb monitorowania obiektów inĂynierskich
i zjawisk naturalnych – wczoraj i dziä
2014
coraz wyĪsze dokáadnoĞci i niezawodnoĞci pomiarów to pojawia siĊ
koniecznoĞü coraz bardziej starannego podejĞcia do planowania pomiarów
i opracowywania ich wyników.
Problematyka projektowania sieci pomiarowych do wyznaczania
przemieszczeĔ bądĨ monitorowania obiektu jest bardzo záoĪonym tematem.
PoniĪej przedstawiono pokrótce etapy procesu projektowania.
1. Analiza danych wejĞciowych:
ƒ dane o obiekcie (zakres powierzchniowy, dyskretyzacja obiektu,
lokalizacja innych sensorów),
ƒ dane o terenie (stan zainwestowania, uksztaátowanie, szata roĞlinna, dane
geologiczne),
ƒ wymagania dotyczące zakresu wymaganych pomiarów (cel, wymagania
dokáadnoĞciowe, wymagania czasowe i ekonomiczne),
ƒ w odniesieniu do pomiarów satelitarnych, dane o dostĊpnych stacjach
referencyjnych, o przesáoniĊciach sygnaáu, poáoĪeniu satelitów,
ƒ moĪliwoĞü dowiązania do osnowy paĔstwowej.
2. Decyzja co do zasadniczych elementów sieci: ksztaát, dobór technologii,
sposobu nawiązania,
3. Skonstruowanie struktury sieci (w oparciu o wywiad terenowy):
ƒ punkty sieci (lokalizacja, sposób stabilizacji),
ƒ elementy geometryczne (kąty, kierunki, odlegáoĞci, róĪnice wysokoĞci,
wektory satelitarne),
4. ZaáoĪenia sprzĊtowe, technologiczne, dokáadnoĞciowe: dokonanie
wyboru
i
ustalenie
optymalnej
technologii,
procedur
i konstrukcji geometrycznych moĪliwych do zastosowania.
5. ZaáoĪenia co do sposobu opracowania wyników pomiarów.
6. Kontrola prawidáowoĞci proponowanej sieci pod kątem speániania
wymagaĔ (dokáadnoĞciowych, niezawodnoĞciowych, ekonomicznych
i innych).
OczywiĞcie dla niektórych mniej wymagających czy bardziej typowych
zastosowaĔ niektóre z etapów mogą byü znacznie uproszczone, niemniej
jednak pierwszy i ostatni punkt dotyczące analizy zadania i kontroli
prawidáowoĞci zaprojektowanej sieci są niezbĊdnym elementem w kaĪdym
przypadku.
38
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Podobnie proces obliczeniowy sieci hybrydowej jest doĞü záoĪony, lecz
równieĪ niektóre z etapów i procedur obliczeniowych w mniej
wymagających zastosowaniach mogą zostaü pominiĊte. Proces obliczeniowy
powinien zawieraü poniĪsze kroki.
1. Wybór wspólnej przestrzeni matematycznej:
ƒ wszystkie obserwacje pochodzące z ich naturalnych przestrzeni
pomiarowych (np. páaszczyzna dla pomiarów klasycznych, WGS 84 dla
pomiarów GPS) naleĪy sprowadziü do tej samej przestrzeni
matematycznej, w której moĪe byü skonstruowany model wyrównawczy
sieci hybrydowej,
ƒ dwa podstawowe warianty to: trójwymiarowy ukáad wspóárzĊdnych
geodezyjnych – elipsoidalnych lub páaski ukáad wspóárzĊdnych
odwzorowawczych.
2. Kontrola wstĊpna danych obserwacyjnych - wyrównanie swobodne
poszczególnych sieci obserwacyjnych, które pozwala na:
ƒ sprawdzenie spójnoĞci obserwacji, wykrycie ewentualnych báĊdów
grubych,
ƒ przyjĊcie wáaĞciwych zaáoĪeĔ dokáadnoĞciowych pomiarów,
ƒ wyznaczanie wspóárzĊdnych przybliĪonych i danych do redukcji.
3. Zredukowanie obserwacji do wybranej przestrzeni:
ƒ ujednolicenie zbiorów obserwacji (dáugoĞci, kątów poziomych, róĪnic
wysokoĞci oraz wektorów GPS, pseudoodlegáoĞci bądĨ wektorów
„naziemnych”) - sprowadzenie ich poprzez odpowiednie redukcje do
wybranej przestrzeni matematycznej.
4. Estymacja parametrów modelu (jedno lub dwuetapowa – 2+1D lub 3D)
przy odpowiednio zdefiniowanym ukáadzie odniesienia.
5. Ewentualne transformacje do poĪądanego ukáadu.
6. Ocena dokáadnoĞciowa uzyskanych wyników.
Podsumowanie
Udoskonalanie istniejących oraz wprowadzenie nowych geodezyjnych
technologii pomiarowych, a takĪe rozwój komputerowych metod
przetwarzania danych obserwacyjnych i opracowania wyników spowodowaáy
istotną ewolucjĊ sieci do pomiaru przemieszczeĔ, tak pod wzglĊdem
dokáadnoĞci wykonywania pomiarów, jak i pod wzglĊdem ich planowania
i obliczeĔ. Stosunkowo proste i tanie pozyskiwanie obserwacji o wysokich
39
Sieci geodezyjne dla potrzeb monitorowania obiektów inĂynierskich
i zjawisk naturalnych – wczoraj i dziä
2014
dokáadnoĞciach pozwoliáo na znaczne zwiĊkszanie dokáadnoĞci pomiarów,
uzyskiwanie znacznie lepszych warunków nawiązania sieci, optymalizacjĊ
ksztaátu sieci, ekonomiczną realizacjĊ procesu pomiaru. Owocuje to
uzyskaniem nowej jakoĞci we wspóáczesnych sieciach hybrydowych,
jednoczeĞnie jednak stanowi wyzwanie dla Ğwiadomego i planowego
podejĞcia do prawidáowej integracji róĪnorodnych danych obserwacyjnych.
àączenie obserwacji z róĪnych technologii obserwacyjnych staje siĊ
dziĞ typowym zadaniem przy pomiarach przemieszczeĔ, przy czym
ostateczny efekt jakoĞciowy coraz bardziej zaleĪy od zastosowania
wáaĞciwych procedur:
ƒ projektowania struktury sieci speániającej kryteria dokáadnoĞciowe,
niezawodnoĞciowe i ekonomiczne,
ƒ opracowania
wyników
i
przyjĊcia
prawidáowych
modeli
wyrównawczych.
Nieprecyzyjne podejĞcie do tych procedur moĪe skutkowaü (mimo
posiadania obserwacji o wysokiej dokáadnoĞci) uzyskaniem koĔcowych
wyników obarczonych báĊdami systematycznymi. BáĊdy te co gorsza mogą
mieĞciü siĊ w granicznych kryteriach dokáadnoĞciowych i pozostaü
niezauwaĪone, lecz mimo to bĊdą obniĪaü poprawnoĞü (wiarygodnoĞü)
wyników i prowadziü mogą do zafaászowania obrazu rzeczywistoĞci.
Literatura
[1] Barnes J., Wang J., Rizos C., Tsujii T., 2002: The performance of
a pseudolite-based positioning system for deformation monitoring, 2nd
Symp. on Geodesy for Geotechnical & Structural Applications, Berlin,
Germany, 21-24 May 2002;
[2] Barnes J, Rizos C, Wang J, Small D, Voigt G, Gambale N., 2003:
Locata: the positioning technology of the future? 6th International
Symposium on Satellite Navigation Technology Including Mobile
Positioning & Location Services, Melbourne, Australia, 22-25 July, CDROM;
[3] Góral W., Szewczak J., 2004: Zastosowanie technologii GPS
w precyzyjnych pomiarach deformacji, Kraków;
40
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
[4] Lazzarini T. i in., 1977: Geodezyjne pomiary przemieszczeĔ budowli
i ich otoczenia. PPWK, Warszawa;
[5] Protaziuk E., 2009: Ground support of satellite system. Reports on
Geodesy No. 2 (87);
[6] PrószyĔski W., KwaĞniak M., 2006: Podstawy geodezyjnego
wyznaczania przemieszczeĔ. PojĊcia i elementy metodyki. Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa;
[7] www.asgeupos.pl.
41
Modelowanie przemieszczeÑ pionowych na podstawie danych
z naziemnego skanera laserowego
2014
Zbigniew MuszyĔski1, Wojciech Milczarek2
Politechnika Wrocáawska
1
Zakáad Budownictwa Wodnego i Geodezji, Instytut Geotechniki
i Hydrotechniki
2
Zakáad Geodezji i Geoinformatyki, Instytut Górnictwa
e-mail: [email protected], [email protected]
Modelowanie przemieszczeĔ pionowych
na podstawie danych z naziemnego skanera laserowego
WstĊp
Pomiary przemieszczeĔ pionowych od dawna stanowią jedno
z podstawowych zadaĔ geodezji inĪynieryjnej. Przemieszczenia pionowe
wyznacza siĊ dla takich obiektów jak: zapory wodne, mosty, wiadukty,
estakady, budynki znajdujące siĊ w sąsiedztwie gáĊbokich wykopów,
fundamenty kominów przemysáowych, cháodni kominowych, zbiorników,
itp. Specyfika tych prac wymaga zazwyczaj wyznaczenia przemieszczeĔ
pionowych kontrolowanego obiektu z dokáadnoĞcią co najmniej dziesiątych
czĊĞci milimetra. Aby sprostaü tym wymaganiom, jako podstawową technikĊ
pomiarową, wykorzystuje siĊ precyzyjną niwelacjĊ geometryczną. Choü
na przestrzeni ostatnich lat coraz czĊĞciej optyczne niwelatory precyzyjne są
zastĊpowane kodowymi niwelatorami precyzyjnymi (wygodniejszymi
w obsáudze i pozbawionymi moĪliwoĞci popeánienia báĊdu przy odczycie
z áaty i przy zapisie obserwacji do dziennika), to jednak podstawowe zasady
pomiaru pozostają takie same. Dodatkowo klasyczne, geodezyjne pomiary
przemieszczeĔ pionowych stanowią czĊsto odniesienie dla uzupeániających
pomiarów wzglĊdnych (z uĪyciem pochyáomierzy precyzyjnych, czujników
zegarowych, itp.), nierzadko wykonywanych z dokáadnoĞcią o rząd wyĪszą
niĪ dokáadnoĞü moĪliwa do uzyskania z niwelacji precyzyjnej.
42
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
PostĊp technologiczny w zakresie geodezyjnych instrumentów
pomiarowych oraz naturalna potrzeba integracji danych pozyskiwanych
róĪnymi metodami skáania do zastanowienia nad moĪliwoĞciami
wykorzystania naziemnego skaningu laserowego do wyznaczania
przemieszczeĔ pionowych. W literaturze naukowej moĪna znaleĨü
publikacje, których autorzy podejmowali podobne zagadnienia. PrzydatnoĞü
naziemnego skaningu laserowego do wyznaczania przemieszczeĔ badano na
mostach i wiaduktach w czasie próbnych obciąĪeĔ [np. Zogg, Ingensand
2008, Schäfer i in. 2004] porównując uzyskane wyniki z wynikami
tradycyjnych pomiarów: niwelacji precyzyjnej i precyzyjnej tachimetrii
elektronicznej. Jako obiekty badawcze czĊsto wybierano zapory wodne,
gdzie badano przydatnoĞü naziemnego skaningu laserowego do wykrywania
zmian
geometrii
betonowej
konstrukcji
[np.:
Alba i in. 2006,
Adamek i in. 2012]. Monitoring poziomych przemieszczeĔ obiektów
zlokalizowanych w sąsiedztwie gáĊbokich wykopów z dodatkowym
wykorzystaniem naziemnego skaningu laserowego opisano m. in. w pracy
[Zaczek-PepliĔska i in. 2013]. Wspomniano tam równieĪ o trudnoĞciach
z wykorzystaniem skaningu laserowego do wyznaczania przemieszczeĔ
pionowych, wynikających z niewystarczającej dokáadnoĞci pomiaru
skanerem.
Niniejsza publikacja podejmuje temat wykorzystania naziemnego
skaningu laserowego do pomiarów przemieszczeĔ pionowych w sytuacji, gdy
kilkumilimetrowa dokáadnoĞü wyznaczenia wartoĞci przemieszczeĔ jest
wystarczająca. Sytuacja taka moĪe dotyczyü powierzchniowych obiektów
inĪynierskich, które nie posiadają stabilizowanych trwale reperów
kontrolowanych. Przykáadem takiego obiektu moĪe byü podbudowa pasa
startowego lotniska, dla którego wyniki badania przemieszczeĔ pionowych
prezentowane są w dalszej czĊĞci pracy.
Naziemny skaning laserowy w kontekĞcie wyznaczania przemieszczeĔ
Tradycyjne pomiary przemieszczeĔ zazwyczaj rozdzielają wyznaczanie
przemieszczeĔ pionowych od wyznaczania przemieszczeĔ poziomych.
Spowodowane jest to zróĪnicowaną dokáadnoĞcią konieczną do osiągniĊcia
przy tych pomiarach (wyĪszą w przypadku przemieszczeĔ pionowych), co
w naturalny
sposób
narzuca
stosowanie
róĪnych
technik
i instrumentów pomiarowych. Jak wczeĞniej wspomniano podstawową
43
Modelowanie przemieszczeÑ pionowych na podstawie danych
z naziemnego skanera laserowego
2014
technologią do badania przemieszczeĔ pionowych jest precyzyjna niwelacja
geometryczna. W przypadku badania przemieszczeĔ poziomych dominują
precyzyjne pomiary tachimetryczne sieci kątowo-liniowych. Nieco rzadziej
stosowane są róĪnego typu techniki aliniometryczne, które polegają na
wyznaczaniu przemieszczeĔ poziomych obiektu kontrolowanego wzglĊdem
staáej pionowej páaszczyzny odniesienia.
Rozwój technologii pomiarowych prowadzi klasyczne badanie
przemieszczeĔ w kierunku tzw. monitoringu strukturalnego. Nazwą tą
okreĞla siĊ nowoczesny system áączący róĪne technologie pomiarów
geodezyjnych (bezwzglĊdnych) z technikami wzglĊdnych pomiarów
przemieszczeĔ oraz wszelkiego rodzaju sensorami rejestrującymi zachowanie
kontrolowanego obiektu. Monitoring strukturalny pozwala na automatyczną
rejestracjĊ stanu obiektu wykonywaną cyklicznie w ustalonych interwaáach
czasowych. Zebrane dane pomiarowe są gromadzone, korygowane ze
wzglĊdu na warunki Ğrodowiskowe pomiaru i odpowiednio przeliczane.
Uzyskane wartoĞci przemieszczeĔ są porównywane z wartoĞciami
dopuszczalnymi, wizualizowane i przesyáane zdalnie do odpowiednich sáuĪb
nadzorujących.
System
zapewnia
caáodobową
kontrolĊ
stanu
monitorowanego obiektu w czasie rzeczywistym z moĪliwoĞcią
automatycznej sygnalizacji stanów alarmowych. Podstawowy skáadnik
systemu stanowią precyzyjne zmotoryzowane tachimetry elektroniczne, które
wyposaĪone są w funkcjĊ automatycznego rozpoznawania celu
sygnalizowanego pryzmatem geodezyjnym. Funkcja ta polega na skanowaniu
obszaru wokóá pryzmatu, na analizie siáy odbitego sygnaáu i automatycznym
nacelowaniu lunety (za pomocą serwomotorów) na punkt najsilniejszego
odbicia (centrum pryzmatu), po czym nastĊpuje wykonanie wáaĞciwego
pomiaru. Tachimetry umieszcza siĊ zazwyczaj na trwale stabilizowanych
punktach odniesienia, w specjalnych, przeszklonych kontenerach
wyposaĪonych w klimatyzacjĊ i Ĩródáo zasilania. Kontenery te zabezpieczają
instrument przed zmiennymi warunkami atmosferycznymi i umoĪliwiają jego
nieprzerwaną pracĊ [Karsznia 2008]. Aby zapewniü kontrolĊ staáoĞci
stanowiska tachimetru, wykonuje siĊ cykliczne obserwacje kątowo-liniowe
do pozostaáych punktów odniesienia. Drugi skáadnik systemu monitoringu
strukturalnego stanowią odbiorniki satelitarne GNSS pracujące w róĪnych
trybach: statycznym lub RTK (kinematycznym w czasie rzeczywistym).
Odbiorniki pracujące w trybie statycznym umieszcza siĊ na punktach
44
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
odniesienia w celu kontroli staáoĞci ich poáoĪenia. Punkty te mogą byü
jednoczeĞnie wyposaĪone w pryzmaty geodezyjne i wówczas umoĪliwiają
nawiązania kierunkowe stanowisk tachimetrycznych [Karsznia i in. 2010].
JeĪeli nie jest moĪliwe zachowanie staáoĞci stanowisk tachimetrycznych,
integruje siĊ je z odbiornikami GNSS, aby rejestrowaü ich poáoĪenie
[Van Cranenbroeck, Brown 2004]. Odbiorniki pracujące w trybie RTK
montuje siĊ równieĪ na kluczowych punktach kontrolowanych, gdzie
umoĪliwiają rejestracjĊ dynamicznych zmian obiektu nawet z interwaáem
poniĪej
sekundy
[Wan Aziz i in. 2005].
Dopeánieniem
urządzeĔ
pomiarowych stosowanych w monitoringu są wszelkiego rodzaju czujniki
i sensory rejestrujące istotne dla obiektu zjawiska, np. inklinometry,
precyzyjne pochyáomierze elektroniczne, piezometry, stacje meteorologiczne
rejestrujące temperaturĊ, wilgotnoĞü i ciĞnienie atmosferyczne, itp. Do
dziaáania systemu konieczne są równieĪ urządzenia i oprogramowanie
zapewniające niezakáócone przesyáanie danych, ich gromadzenie,
przetwarzanie, analizowanie i wizualizacjĊ.
Wszystkie wymienione powyĪej geodezyjne metody pomiaru
przemieszczeĔ mają jedną wspólną cechĊ, wymagają istnienia zbioru
punktów kontrolowanych, trwale stabilizowanych i na staáe związanych
z badanym obiektem inĪynierskim. Wykryte zmiany poáoĪenia punktów
kontrolowanych w czasie (w oparciu o punkty odniesienia zidentyfikowane
jako staáe) Ğwiadczą o przemieszczeniach badanego obiektu lub jego czĊĞci.
W praktyce niejednokrotnie zachodzi potrzeba badania przemieszczeĔ
obiektów budowlanych, które nie posiadają punktów kontrolowanych, albo
nie moĪna ich tam stabilizowaü (np. ze wzglĊdu na ochronĊ konserwatorską
budowli). Istotnym aspektem doboru odpowiedniej technologii badania
przemieszczeĔ jest równieĪ spodziewana dynamika zmian budowli, jej
wraĪliwoĞü na zmienne warunki atmosferyczne oraz dáugoĞü okresu
dostĊpnoĞci obiektu do wykonania pomiarów. W przypadku konstrukcji
budowlanej wraĪliwej na zmienne warunki atmosferyczne albo wykazującej
duĪą dynamikĊ zmian ksztaátu w trakcie jej eksploatacji, wykonanie
tradycyjnego
pomiaru
przemieszczeĔ
kilkudziesiĊciu
punktów
kontrolowanych moĪe byü znacznie utrudnione. W takich sytuacjach bardzo
pomocne jest wáączenie do planowanego zakresu pomiarów geodezyjnych
technologii naziemnego skaningu laserowego.
45
Modelowanie przemieszczeÑ pionowych na podstawie danych
z naziemnego skanera laserowego
2014
Naziemny
skaning
laserowy
umoĪliwia
szybki
pomiar
niesygnalizowanych punktów, opisujących mierzony obiekt. SzybkoĞü
pomiaru moĪe dochodziü do miliona punktów mierzonych w ciągu jednej
sekundy. Naziemny skaner laserowy wyposaĪony jest w pryzmat wirujący
w páaszczyĨnie pionowej, który nieustannie wysyáa impulsowo wiązkĊ
laserową. Wiązka ta odbijając siĊ od otaczających obiektów umoĪliwia
bezreflektorowy pomiar odlegáoĞci. JednoczeĞnie alidada skanera obraca siĊ
w páaszczyĨnie poziomej o zadany skok kątowy. Dla kaĪdego wysáanego
impulsu laserowego mierzony jest kąt pionowy i poziomy, odlegáoĞü od
skanera do miejsca odbicia sygnaáu oraz intensywnoĞü powracającego
sygnaáu laserowego. Obserwacje te przeliczane są na wspóárzĊdne
prostokątne x,y,z w lokalnym ukáadzie stanowiska skanera i razem z danymi
o intensywnoĞci odbicia rejestrowane są w pamiĊci wewnĊtrznej instrumentu.
Dodatkowo skanery wyposaĪone są w wysokorozdzielcze aparaty cyfrowe
z automatycznym ogniskowaniem, które wykonują zdjĊcia skanowanych
obiektów, co pozwala na archiwizacjĊ stanu obiektu, jak równieĪ na
tworzenie realistycznych wizualizacji. Uzyskane ze skanera dane pomiarowe
(tzw. chmury punktów) umoĪliwiają zbudowanie w peáni metrycznego,
trójwymiarowego modelu mierzonego obiektu. GĊstoĞü pomierzonych
punktów reprezentujących geometriĊ obiektu moĪna dowolnie definiowaü,
tworząc w skrajnych przypadkach nieregularne siatki o wielkoĞci oczek
poniĪej jednego milimetra. W przypadku duĪych obiektów zachodzi
koniecznoĞü wykonania pomiaru skanerem z kilku stanowisk, a nastĊpnie
áączenia chmur punktów w oparciu o punkty wiąĪące, sygnalizowane
specjalnymi tarczami.
Rozpatrując moĪliwoĞci wykorzystania naziemnego skaningu
laserowego do badania przemieszczeĔ naleĪy zwróciü uwagĊ na zalety
i wady tej technologii pomiarowej. Niewątpliwą zaletą skaningu jest
szybkoĞü wykonywania pomiaru i ogromna iloĞü pomierzonych punktów.
Zamiast mierzonych tradycyjnie kilku lub kilkudziesiĊciu punktów
kontrolowanych, moĪemy w krótkim czasie pomierzyü caáy obiekt z dowolną
gĊstoĞcią rozmieszczenia punktów, zaleĪną jedynie od dynamiki zmian
geometrii obiektu, okresu czasu, kiedy obiekt jest dostĊpny do wykonania
pomiaru oraz od potrzeb, dla których pomiar jest wykonywany. MoĪemy
zbadaü zachowanie obiektu w miejscach nieobjĊtych klasycznym pomiarem
(np. pomiĊdzy punktami kontrolowanymi). WaĪnym aspektem jest równieĪ
46
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
moĪliwoĞü wykonania pomiaru „bezdotykowo”, z pewnej odlegáoĞci, bez
koniecznoĞci wchodzenia osób wykonujących pomiar na obiekt. Istotnym
ograniczeniem powszechnego zastosowania skaningu jest wciąĪ jeszcze
niewystarczająca do wszystkich celów (choü ciągle wzrastająca) dokáadnoĞü
tej technologii pomiarowej. W zaleĪnoĞci od modelu skanera, báąd Ğredni
przestrzennego poáoĪenia pojedynczego pomierzonego punktu, znajdującego
siĊ w odlegáoĞci do 50 m od instrumentu, wynosi kilka milimetrów i roĞnie ze
wzrostem odlegáoĞci. ZasiĊg pracy skanera jest ograniczony do kilkuset
metrów i zmienia siĊ w zaleĪnoĞci od stanu i rodzaju materiaáu, z którego
wykonany jest obiekt pomiarowy (zaleĪy m.in. od koloru, chropowatoĞci,
wilgotnoĞci, itp.). Aby uzyskaü moĪliwie najwyĪszą dokáadnoĞü pomiaru,
punkty wiąĪące stanowiska skanera (a w miarĊ moĪliwoĞci takĪe same
stanowiska skanera) powinny byü pomierzone precyzyjnie tachimetrami
i dowiązane do punktów odniesienia.
W dalszej czĊĞci publikacji opisano technologiĊ wyznaczania
przemieszczeĔ pionowych na podstawie danych z naziemnego skaningu
laserowego w sytuacji, gdy:
ƒ nie ma moĪliwoĞci stabilizacji punktów kontrolowanych na obiekcie,
ƒ czas trwania pomiaru okresowego nie moĪe przekraczaü kilkunastu
minut,
ƒ dokáadnoĞü wyznaczenia przemieszczeĔ pionowych w granicach kilku
milimetrów jest wystarczająca.
W przypadku skaningu laserowego rozmieszczenie punktów pomiarowych na
obiekcie speánia wymóg Īądanej gĊstoĞci, ale nie jest identyczne w kaĪdym
pomiarze okresowym. Z tego powodu nie moĪna bezpoĞrednio porównywaü
wysokoĞci poszczególnych punktów z dwóch epok pomiarowych, ze wzglĊdu
na ich nieco odmienne usytuowanie na obiekcie. Zachodzi tutaj potrzeba
modelowania powierzchni obiektu otrzymanej z kaĪdego pomiaru
okresowego, a nastĊpnie porównania tych modeli w celu uzyskania Īądanych
wartoĞci przemieszczeĔ. Proponowane poniĪej rozwiązanie wykorzystuje
wybrane algorytmy budowy numerycznych modeli terenu oraz narzĊdzia
algebry mapy wbudowane w systemy informacji geograficznej (GIS).
47
Modelowanie przemieszczeÑ pionowych na podstawie danych
z naziemnego skanera laserowego
2014
Metody modelowania powierzchni wykorzystywane przy tworzeniu
numerycznych modeli terenu (NMT)
NMT stanowi numeryczną reprezentacjĊ powierzchni terenu utworzoną
przy zastosowaniu odpowiednich algorytmów interpolacyjnych na wybranym
zbiorze punktów o znanych wspóárzĊdnych w przyjĊtym ukáadzie. Zbiór
danych (punktów) wykorzystywanych przy opracowaniu NMT moĪe byü
pozyskany m.in. z opracowania zdjĊü lotniczych (metody fotogrametryczne),
na podstawie bezpoĞrednich pomiarów geodezyjnych, lotniczego lub
naziemnego skaningu laserowego oraz na podstawie istniejących map
(metody kartograficzne). WyróĪniamy dwa podstawowe typy numerycznych
modeli terenu: TIN oraz GRID.
Siatka TIN to zbiór punktów pozyskany bezpoĞrednio z pomiarów,
który charakteryzuje siĊ nieregularnym przestrzennym rozmieszczeniem.
Wykorzystując te punkty buduje siĊ siatkĊ trójkątów, najczĊĞciej za pomocą
algorytmu triangulacji Delanuay‘a. Triangulacja tą metodą zakáada, Īe
powstaáe trójkąty powinny byü w przybliĪeniu trójkątami równobocznymi,
w których najdáuĪszy bok powinien byü moĪliwie najkrótszym oraz trójkąt
powinien charakteryzowaü siĊ moĪliwie najmniejszą wysokoĞcią
(Osada 2002).
Siatka GRID tworzy regularną siatkĊ kwadratów, która stanowi
przykáad tzw. siatki wtórnej. WartoĞci w punktach wĊzáowych są
wyinterpolowane z danych pomiarowych. Model GRID powinien byü
uzupeániony m.in. o dane w postaci linii nieciągáoĞci, punktów
charakterystycznych oraz granic wyáączeĔ obszarów poziomych. NajczĊĞciej
stosowanymi metodami interpolacyjnymi wykorzystywanymi przy
opracowywaniu siatki GRID są: metoda najbliĪszego sąsiada, metoda
odwrotnych odlegáoĞci oraz tzw. kriging.
Metoda najbliĪszego sąsiada (NS) - z zaáoĪenia jest prosta i polega na
przypisaniu wysokoĞci w danym punkcie od istniejącego (znanego) punktu,
znajdującego siĊ najbliĪej punktu wyznaczanego. Jest ona stosowana przy
regularnie rozmieszczonych zbiorach punktów i z racji swoich ograniczeĔ
umoĪliwia opracowanie uproszczonych modeli powierzchni.
48
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Metoda odwrotnych odlegáoĞci (IDW) – w tej metodzie wyznaczana
wartoĞü wysokoĞci w danym punkcie okreĞlana jest na podstawie liniowo
waĪonej kombinacji zbioru punktów, gdzie najwiĊkszy wpáyw na
wyznaczenie wysokoĞci w danym punkcie mają te punkty zbioru, które są
zlokalizowane najbliĪej. Przyjmowane w metodzie wagi są wyraĪone jako
odwrotnoĞü p-tej potĊgi odlegáoĞci pomiĊdzy punktem wyznaczanym,
a puntem z otoczenia branym do obliczeĔ [Osada 2002]:
zi
d ip
1
n
¦i 1 d p
i
¦
n
i 1
z
(1)
gdzie: z – wyznaczana wysokoĞü w danym punkcie, – odlegáoĞü miĊdzy
i-tym punktem branym do obliczeĔ (i =1….n), a punktem, w którym jest
wyznaczana wysokoĞü, zi – wysokoĞü w i-tym punkcie branym do obliczeĔ,
p – wykáadnik potĊgi (parametr metody), im wiĊksza przyjmowana wartoĞü
p, tym mniejszy wpáyw na interpolowaną wysokoĞü mają punkty bardziej
oddalone od punktu wyznaczanego.
Kriging (K) - stanowi grupĊ metod estymacji geostatystycznych
umoĪliwiających otrzymanie nieobciąĪonych liniowych oszacowaĔ wartoĞci
w zbiorze (punktów lub bloków) analizowanej zmiennej zregionalizowanej
[Namysáowska-WilczyĔska 2006]. NajczĊĞciej stosowanymi estymatorami
w obrĊbie tej grupy metod są: kriging zwyczajny oraz kriging prosty.
Wyznaczanie przemieszczeĔ pionowych na podstawie wyjĞciowego
i kontrolnego modelu powierzchni badanego obiektu
Do porównywania modeli powierzchni obiektu powstaáych z tzw.
chmur punktów doskonale nadają siĊ narzĊdzia algebry mapy. NarzĊdzia te,
stosowane powszechnie w systemach informacji geograficznej (GIS),
pozwalają na przeksztaácenie danych przestrzennych zapisanych w postaci
rastrowej. Wprowadzając do procesu dwa rastry wejĞciowe otrzymujemy
w wyniku przeksztaácenia nowy raster, który cechuje siĊ inną treĞcią,
wynikającą ze znanej i ustalonej relacji zachodzącej miĊdzy rastrami
wejĞciowymi. W obszarze algebry mapy typowymi dziaáaniami na rastrach są
49
Modelowanie przemieszczeÑ pionowych na podstawie danych
z naziemnego skanera laserowego
2014
m. in.: dodawanie, odejmowanie (zastosowane poniĪej), mnoĪenie, dzielenie,
poszukiwanie minimum lub maksimum itp.
Obiekt badawczy
Proponowaną w niniejszej publikacji technologiĊ wyznaczania
przemieszczeĔ pionowych na podstawie danych z naziemnego skaningu
laserowego przebadano na rzeczywistym obiekcie terenowym. Byá nim
fragment pasa startowego jednego z lotnisk w Polsce. Wykonywane na tym
lotnisku wczeĞniejsze prace budowlane, prowadzone metodą przeciskową,
spowodowaáy w dwóch miejscach wypáukanie gruntu poniĪej podbudowy
pasa startowego (rys. 1). Prowadziáo to do narastania lokalnych nierównoĞci
(obniĪeĔ) páyty pasa startowego i mogáo w dáuĪszej perspektywie zagroziü
bezpieczeĔstwu ruchu lotniczego. Z tego powodu zapadáa decyzja o remoncie
pasa startowego w zagroĪonych miejscach. Prace remontowe dotyczyáy
dwóch czworokątnych obszarów poáoĪonych w pobliĪu osi pasa, oddalonych
od siebie Ğrednio o 6,6 m. Obszary te oznaczono na rysunku 2. jako
odkrywka „A” i odkrywka „B”. Pierwsza z nich miaáa powierzchniĊ zdjĊtego
asfaltu 50,3 m2, druga – powierzchniĊ 49,6 m2.
Rys. 1. Lokalizacja obiektu pomiarowego na podkáadzie ortofotomapy
CaáoĞü prac remontowych pasa startowego musiaáa rozpocząü siĊ
i zakoĔczyü w okresie kilkugodzinnej nocnej przerwy pomiĊdzy lądowaniami
samolotów. Wymagaáo to duĪego poĞpiechu w realizacji prac budowlanych
i ograniczaáo do minimum czas przeznaczony na wykonanie pomiarów
geodezyjnych. Dodatkową trudnoĞcią byáo wykonywanie pomiarów w nocy
(przy sztucznym oĞwietleniu) oraz koniecznoĞü zatrzymywania niektórych
maszyn budowlanych, których praca powodowaáa silne drgania podáoĪa,
zakáócające pracĊ instrumentów geodezyjnych.
50
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Rys. 2. Lokalizacja odkrywek i stanowisk pomiarowych na podkáadzie ortofotomapy
Zakres prac geodezyjnych obejmowaá kontrolĊ przemieszczeĔ
pionowych podbudowy pasa startowego (niezaleĪnie w odkrywce „A” oraz
„B”) pomiĊdzy dwoma etapami prac remontowych. Pierwszy pomiar
geodezyjny (wyjĞciowy) miaá byü wykonany zaraz po odsáoniĊciu (poprzez
sfrezowanie wierzchniej warstwy asfaltowej) betonowej podbudowy pasa
startowego. Drugi pomiar geodezyjny (kontrolny) naleĪaáo wykonaü po
czynnoĞciach zagĊszczających podbudowĊ betonową oraz znajdujący siĊ pod
nią grunt. CzynnoĞci te polegaáy na rozkruszeniu betonu kolejno w obu
odkrywkach za pomocą máota hydraulicznego zamontowanego na koparkoáadowarce, a nastĊpnie na zagĊszczeniu podáoĪa za pomocą samojezdnego,
przegubowego, stalowego, gáadkiego walca wibracyjnego. Kontrola
przemieszczeĔ pionowych miaáa byü wykonana dla kilkudziesiĊciu
niestabilizowanych punktów, tworzących w przybliĪeniu regularną siatkĊ
kwadratów wewnątrz obu odkrywek.
51
Modelowanie przemieszczeÑ pionowych na podstawie danych
z naziemnego skanera laserowego
2014
Pomiary terenowe
Ze wzglĊdu na specyfikĊ obiektu i wspomniane powyĪej ograniczenia
czasowe zdecydowano siĊ na zastosowanie technologii skaningu laserowego.
Do momentu rozpoczĊcia pomiarów nie byáo jednak wiadomo, jakich
wartoĞci osiadaĔ naleĪy siĊ spodziewaü. W przypadku pojedynczych
milimetrów dokáadnoĞü skaningu laserowego mogáaby okazaü siĊ
niewystarczająca. Z tego powodu postanowiono dodatkowo wykonaü
pomiary przemieszczeĔ pionowych metodami tradycyjnymi: precyzyjną
tachimetrią oraz niwelacją geometryczną. Pojawiáa siĊ zatem okazja
przebadania w warunkach terenowych przydatnoĞci naziemnego skaningu
laserowego do wyznaczania przemieszczeĔ pionowych i skonfrontowania
uzyskanych ze skaningu wyników z wynikami pomiarów tradycyjnych.
Pomiar niwelacyjny wykonano kodowym niwelatorem Leica Sprinter
250M o dokáadnoĞci 1,0 mm/km podwójnej niwelacji. Niestety ze wzglĊdu
na ograniczenia czasowe pomiar niwelacyjny udaáo siĊ wykonaü tylko dla
pomiaru wyjĞciowego. Pomiar tachimetryczny przeprowadzono za pomocą
zmotoryzowanego, zdalnie sterowanego tachimetru elektronicznego,
wyposaĪonego w funkcjĊ Ğledzenia pryzmatu zamontowanego na tyczce
pomiarowej. TyczkĊ zaopatrzono w specjalną „stopkĊ” o Ğrednicy 5 cm,
odpowiednią do tego rodzaju podáoĪa. Zasada pomiaru polegaáa na
okreĞleniu poáoĪenia kontrolowanych punktów metodą biegunową
z jednoczesnym trygonometrycznym pomiarem wysokoĞci. Wykorzystany
tachimetr Trimble S3 umoĪliwiaá pomiar kątów poziomych i pionowych
z dokáadnoĞcią 2” (6cc) oraz pomiar odlegáoĞci do pryzmatu w trybie
standardowym dalmierza z dokáadnoĞcią ±(2 mm + 2 ppm). Naziemny
skaning laserowy wykonano za pomocą skanera Leica ScanStation C10,
który umoĪliwiaá okreĞlenie przestrzennego poáoĪenia pojedynczego punktu
chmury z dokáadnoĞcią ±6 mm. DokáadnoĞü modelowania powierzchni na
podstawie pomierzonej chmury punktów wg danych producenta skanera
wynosi ±2 mm.
Przebieg geodezyjnych prac terenowych byá nastĊpujący:
ƒ
Przygotowano stanowiska niwelatora, tachimetru i skanera. ZaáoĪono
tymczasową sieü punktów odniesienia dla kontroli staáoĞci poáoĪenia
stanowisk instrumentów, gdyĪ instrumenty znajdowaáy siĊ w strefie
52
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
2014
drgaĔ wywoáywanych przez maszyny budowlane. Sieü punktów
odniesienia tworzyáy dwa tymczasowe repery (dla pomiarów
niwelatorem), trzy statywy zaopatrzone w pryzmaty (dla pomiarów
tachimetrem) oraz niezaleĪne trzy statywy zaopatrzone w tarcze HDS
(dla pomiarów skanerem). Repery i statywy usytuowane byáy poza páytą
pasa startowego w odlegáoĞci ok. 30 m od stanowisk instrumentów
(rys. 2).
Zamarkowano farbą punkty kontrolowane na dnie odsáoniĊtej betonowej
podbudowy pasa startowego (dla pomiarów tachimetrycznych
i niwelacyjnych) w oparciu o zewnĊtrzne krawĊdzie odkrywki. Punkty
naroĪnikowe (oznaczone numerami 1 w obu odkrywkach) byáy oddalone
od boków odkrywek o 0,75 m. Pozostaáe punkty kontrolowane tworzyáy
regularną siatkĊ o boku 1 m, której krawĊdzie byáy równolegáe do
krawĊdzi odkrywki. LokalizacjĊ punktów i przyjĊtą numeracjĊ
przedstawia rysunek 3.
Wykonano nawiązanie stanowiska skanera do punktów odniesienia oraz
przeprowadzono pomiar odkrywek przy zaáoĪonej gĊstoĞci skanowania
okoáo 25 mm. Przykáadowy widok pozyskanej chmury punktów
zamieszczono na rysunku 4.
Wykonano nawiązanie stanowiska tachimetru do punktów odniesienia
oraz wykonano pomiar punktów kontrolowanych (po 36 punktów
w kaĪdej z odkrywek).
Po zagĊszczeniu betonowej podbudowy pasa startowego odtworzono
poáoĪenie punktów kontrolowanych (powtórne markowanie farbą
w oparciu o krawĊdzie odkrywek, konieczne dla pomiaru
tachimetrycznego). Ze wzglĊdu na pokruszenie betonu i wystĊpujące
w niektórych miejscach gáĊbokie szczeliny, niektóre punkty
kontrolowane musiaáy byü o kilka centymetrów przesuniĊte w poziomie,
aby uzyskaü reprezentatywną wysokoĞü mierzonego podáoĪa.
53
Modelowanie przemieszczeÑ pionowych na podstawie danych
z naziemnego skanera laserowego
2014
Rys. 3. Rozmieszczenie i numeracja punktów kontrolowanych na podkáadzie
ortofotomapy
Rys. 4. Widok chmury punktów pozyskanych z pomiaru wyjĞciowego naziemnym
skanerem laserowym
ƒ
ƒ
Powtórnie wykonano nawiązanie stanowiska skanera laserowego do
punktów odniesienia oraz wykonano skanowanie obu odkrywek (pomiar
kontrolny).
Powtórnie wykonano nawiązanie stanowiska tachimetru do punktów
odniesienia oraz wykonano pomiar kontrolny punktów kontrolowanych
w obu odkrywkach.
Wyniki prac badawczych
PoniĪej zaprezentowano wyniki uzyskane z pomiarów odkrywki „B”,
gdzie wystąpiáy najwiĊksze przemieszczenia pionowe. Pozyskane dane
tachimetryczne i dane ze skanera opracowano poprzez skontrolowanie
54
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
staáoĞci stanowisk instrumentów pomiĊdzy pomiarem wyjĞciowym,
a pomiarem kontrolnym. Dla danych z tachimetru obliczono wspóárzĊdne
punktów kontrolowanych z obu pomiarów okresowych, a nastĊpnie
obliczono przemieszczenia pionowe z dokáadnoĞcią ±0,001 m. Dodatkowo
porównano rzĊdne z pomiaru wyjĞciowego otrzymane z tachimetrii
i niwelacji geometrycznej. Uzyskane rozbieĪnoĞci (rzĊdna z tachimetrii
minus rzĊdna z niwelacji) przedstawiono na wykresie 1. Dla ponad 60%
punktów kontrolowanych róĪnice nie przekraczają ±1 mm, dla kolejnych
33% - nie przekraczają ±2,5 mm. Jedynie dwa punkty (nr 2 i 19) mają
róĪnice na poziomie +5 i -6 mm. NaleĪy przypuszczaü, Īe spowodowane jest
to niedokáadnym odtworzeniem ustawienia tyczki lub áaty na markowanym
farbą punkcie kontrolowanym.
Wykres 1. RozbieĪnoĞci pomiĊdzy rzĊdnymi punktów kontrolowanych uzyskanymi
z tachimetrii i niwelacji (dla pomiaru wyjĞciowego)
Pozyskaną ze skanera tzw. chmurĊ punktów odfiltrowano, odrzucając
otoczenie odkrywek. Pozostawiono dwie grupy punktów (kaĪda licząca okoáo
49 tysiĊcy punktów), reprezentujące ksztaát dna odkrywki „B” z pomiaru
wyjĞciowego i z pomiaru kontrolnego. Obie grupy punktów zamodelowano
wspomnianymi wczeĞniej metodami:
ƒ najbliĪszego sąsiada (NS) - przyjmując rozmiar oczka 24,7 mm,
55
Modelowanie przemieszczeÑ pionowych na podstawie danych
z naziemnego skanera laserowego
ƒ
2014
odwrotnych odlegáoĞci (IDW) - dla tego samego rozmiaru oczka, przy
wykáadniku potĊgi p=2 wzór (1) oraz dla zbioru 25 punktów branych do
obliczeĔ,
ƒ krigingu (K) - zwykáego, z identycznym jak powyĪej rozmiarem oczka.
Wyniki modelowania powierzchni dna odkrywki „B”, na podstawie
zbioru punktów otrzymanych z pomiaru wyjĞciowego skanerem prezentują
rysunki 5a, 5c, 5e. Analogiczne wyniki dla modelowania zbioru punktów
otrzymanych z pomiaru kontrolnego skanerem pokazują rysunki 5b, 5d i 5f.
Wykorzystując narzĊdzia tzw. algebry mapy obliczono w programie ArcGIS
mapĊ róĪnic, odejmując (osobno dla kaĪdej z uĪytych metod) model rastrowy
powierzchni dna odkrywki „B” uzyskany na podstawie pomiaru
wyjĞciowego, od analogicznego modelu rastrowego pozyskanego z pomiaru
kontrolnego. Uzyskano w ten sposób trzy modele powierzchni
przemieszczeĔ, które w formie graficznej (jako cieniowane mapy wartoĞci
przemieszczeĔ wyraĪonych w metrach) prezentują rysunki 6, 7 i 8. Aby
zweryfikowaü dokáadnoĞü powyĪszych modeli przemieszczeĔ, porównano
wyznaczoną z modelu wartoĞü przemieszczenia z wartoĞcią przemieszczenia
obliczonego z pomiarów tachimetrycznych. WeryfikacjĊ wykonano dla
wszystkich 36 punktów kontrolowanych pomierzonych tachimetrem.
Uzyskane odchyáki przedstawiono na rysunku 9. w nastĊpujący sposób:
powyĪej symbolu krzyĪyka (oznaczającego punkt kontrolowany) podano
wartoĞü przemieszczenia [m] uzyskaną z tachimetrii, natomiast z pozostaáych
stron symbolu podano odchyáki [m] pomiĊdzy wartoĞciami przemieszczeĔ
z tachimetrii, a wartoĞciami przemieszczeĔ z poszczególnych testowanych
metod modelowania, zgodnie z zasadą: po lewej stronie – z krigingu (K),
poniĪej – z metody najbliĪszego sąsiada (NS), natomiast po prawej stronie –
z metody odwrotnych odlegáoĞci (IDW).
56
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
Pomiar wyjĞciowy
2014
Pomiar kontrolny
a) metoda najbliĪszego sąsiada
b) metoda najbliĪszego sąsiada
c) metoda odwrotnych odlegáoĞci
d) metoda odwrotnych odlegáoĞci
e) metoda krigingu
f) metoda krigingu
Rys. 5. Wyniki modelowania dna odkrywki trzema metodami dla dwóch pomiarów
okresowych
57
Modelowanie przemieszczeÑ pionowych na podstawie danych
z naziemnego skanera laserowego
2014
Rys. 6. Model powierzchni przemieszczeĔ [m] dna odkrywki uzyskany z metody
najbliĪszego sąsiada (NS)
Rys. 7. Model powierzchni przemieszczeĔ [m] dna odkrywki uzyskany z metody
odwrotnych odlegáoĞci (IDW)
58
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Rys. 8. Model powierzchni przemieszczeĔ [m] dna odkrywki uzyskany z metody
krigingu (K)
Rys. 9. Zestawienie przemieszczeĔ pionowych otrzymanych z tachimetrii oraz
odchyáek pomiĊdzy wartoĞciami przemieszczeĔ z tachimetrii, a wartoĞciami
przemieszczeĔ z poszczególnych metod modelowania
59
Modelowanie przemieszczeÑ pionowych na podstawie danych
z naziemnego skanera laserowego
2014
Analizując wartoĞci odchyáek zestawionych na rysunku 9 moĪna
stwierdziü, Īe dla 22 punktów kontrolowanych (co stanowi 61,1% wszystkich
punktów kontrolowanych) odchyáki te mieszczą siĊ w granicach dokáadnoĞci
ich wyznaczenia, oszacowanej na poziomie ±3 mm. Dla kolejnych trzech
punktów kontrolowanych (8,3% wszystkich punktów kontrolowanych)
odchyáki mieszczą siĊ w granicach ±7 mm i są podobnej wielkoĞci,
niezaleĪnie od uĪytej metody modelowania. ZgodnoĞü ta jest zachowana
takĪe
dla
kolejnych
trzech
punktów
kontrolowanych
(8,3% zbioru), dla których wartoĞci odchyáek istotnie rosną: od Ğrednio
+20 mm dla punktu nr 13, poprzez Ğrednio +58 mm dla punktu nr 25, do
Ğrednio +127 mm dla punktu nr 24. DuĪe wartoĞci odchyáek w tych punktach
nie są przypadkowe, lecz wynikają z niedoskonaáoĞci danych ze skaningu
uĪytych do modelowania. Wymienione trzy punkty kontrolowane znajdowaáy
siĊ bowiem na skraju obszaru objĊtego skanowaniem w trakcie pomiaru
wyjĞciowego (rys. 10a), oraz w sąsiedztwie obszaru nie objĊtego
skanowaniem („dziury” powstaáej wskutek zasáoniĊcia) w trakcie pomiaru
kontrolnego (rys. 10b).
a) pomiar wyjĞciowy
b) pomiar kontrolny
Rys. 10. Niejednorodny rozkáad punktów pomiarowych pozyskanych ze skanera
z widocznymi obszarami pustymi
W pozostaáych oĞmiu punktach kontrolowanych (22,3% zbioru)
wartoĞci odchyáek byáy stosunkowo nieduĪe, ale róĪniáy siĊ w zaleĪnoĞci od
uĪytej metody modelowania. Dla szeĞciu punktów z tej grupy, maksymalne
60
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
odchyáki nie przekraczaáy ±6 mm, przy wzajemnych róĪnicach w wartoĞci
odchyáek dochodzących do 3 mm. Dla pozostaáych dwóch punktów z tej
grupy (nr 21 i nr 26) maksymalne odchyáki nie przekraczaáy –10 mm, przy
wzajemnych róĪnicach w wartoĞciach odchyáek dochodzących do 6 mm dla
punktu nr 21 oraz osiągających 9 mm dla punktu nr 26 (który znajdowaá siĊ
w sąsiedztwie „dziury” w chmurze punktów pozyskanych skanerem w trakcie
pomiaru kontrolnego).
Podsumowanie
Pomiary pionowych przemieszczeĔ obiektów inĪynierskich z reguáy
wymagają okreĞlenia rzĊdnych reperów kontrolowanych w poszczególnych
epokach pomiarowych z dokáadnoĞcią dziesiątych czĊĞci milimetra. W takim
przypadku podstawową technologią pomiarową jest bez wątpienia niwelacja
precyzyjna, gwarantująca otrzymanie wyników z zaáoĪoną dokáadnoĞcią.
Wadą tego rozwiązania jest dáugi czas trwania pomiaru, ograniczona iloĞü
reperów kontrolowanych oraz trudnoĞci przy wykonywaniu pomiaru
w sytuacji, gdy repery kontrolowane są zamontowane na róĪnych
wysokoĞciach w trudno dostĊpnych miejscach badanego obiektu.
W przypadku wyznaczania pionowych przemieszczeĔ obiektów
inĪynierskich, dla których dokáadnoĞü rzĊdu kilku milimetrów jest
zadowalająca, alternatywą pomiarową w stosunku do niwelacji precyzyjnej
jest tachimetria oraz ciągle rozwijająca siĊ technologia naziemnego skaningu
laserowego. Zwáaszcza dotyczy to sytuacji, gdy wystĊpują niekorzystne
warunki pomiaru, np.: ograniczenie czasu trwania pomiaru do kilkunastu
minut oraz brak moĪliwoĞci stabilizacji punktów kontrolowanych na
obiekcie. Tachimetria precyzyjna umoĪliwia otrzymanie dokáadniejszych
wyników niĪ naziemny skaning laserowy. Wadą tachimetrii jest jednak
ograniczona iloĞü mierzonych punktów, gdy w tym samym czasie ze skanera
moĪemy otrzymaü ich miliony.
Pozyskane chmury punktów mogą byü przedmiotem dalszych
opracowaĔ, takich jak tworzenie ciągáych, rastrowych modeli powierzchni
z zastosowaniem odpowiednich algorytmów interpolacyjnych. Aby efekty
interpolacji byáy poprawne poza odpowiednim doborem metod
interpolacyjnych i parametrów sterujących tymi metodami, waĪne jest
pozyskanie odpowiednich danych pomiarowych. W przypadku naziemnego
61
Modelowanie przemieszczeÑ pionowych na podstawie danych
z naziemnego skanera laserowego
2014
skaningu laserowego naleĪy zadbaü o to, aby pozyskana chmura punktów
byáa jednorodna, nie miaáa obszarów pustych i na ile to moĪliwe pokrywaáa
wiĊkszy obszar niĪ przeznaczony do póĨniejszej interpolacji. W przeciwnym
wypadku mogą wystąpiü znieksztaácenia modelowanej powierzchni oraz tzw.
efekt krawĊdzi, polegający na báĊdnych wynikach interpolacji w obszarach
przygranicznych. W przypadku jednorodnych i odpowiednio gĊstych zbiorów
punktów pomiarowych róĪne testowane metody interpolacji dają zbliĪone do
siebie wyniki.
Porównanie dwóch rastrowych modeli powierzchni analizowanego
obiektu, zarejestrowanych w róĪnych epokach czasowych, umoĪliwia
otrzymanie modelu powierzchni przemieszczeĔ pionowych. Model ten jest
ciągáy i pokazuje wartoĞü przemieszczeĔ pionowych w dowolnym punkcie
badanej konstrukcji, w odróĪnieniu od wyników pomiarów klasycznych,
ograniczających siĊ do dyskretnego opisu przemieszczeĔ w kilkudziesiĊciu
punktach kontrolowanych.
Efektywnym narzĊdziem przetwarzania chmur punktów otrzymanych
z naziemnego skaningu laserowego są programy GIS-owe, które oprócz
wbudowanych algorytmów interpolacyjnych oraz narzĊdzi tzw. algebry mapy
mają szerokie moĪliwoĞci wizualizacji wyników przeprowadzanych analiz.
Literatura:
[1] Adamek A., Zaczek-PepliĔska J., Gergont K., 2012: Analysis of
Possibilities to Utilise Results of Laser Scanning in Technical Inspection
of Water Dams. FIG Working Week 2012, Knowing to manage the
territory, protect the environment, evaluate the cultural heritage, May 610, 2012. Rome, Italy;
[2] Alba M., Fregonese L., Prandi F., Scaioni, M., Valgoi P., 2006:
Structural monitoring of a large dam by terrestrial laser scanning.
Proceedings of the ISPRS Commission V Symposium 'Image
Engineering and Vision Metrology', ISPRS Archives – Vol. XXXVI Part
5,September 25-27, 2006. Dresden, Germany;
[3] Karsznia K., 2008: Geodezyjny i geotechniczny monitoring obiektów
inĪynierskich w ujĊciu dynamicznym. Wykrywanie sáabych punktów.
Nowoczesne Budownictwo InĪynieryjne http://www.nbi.com.pl/assets/
62
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
NBI, pdf/2008/4_19_2008/pdf/23_wykrywanie_slabych_punktow.pdf,
15.10.2013;
[4] Karsznia K., Czarnecki L., Stawowy L., 2010: System ciągáego
monitoringu przemieszczeĔ i deformacji wyrobisk górniczych w PGE
KWB Beáchatów S.A. Aspekt funkcjonalny i dokáadnoĞciowy.
Górnictwo i GeoinĪynieria 34 (4): 279-288;
[5] Namysáowska-WilczyĔska B., 2006: Geostatystyka – teoria
i zastosowania. Wydawnictwo Politechniki Wrocáawskiej, Wrocáaw;
[6] Osada E., 2002: Geodezja. PodrĊcznik elektroniczny w Mathcadzie
2001i. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocáawskiej, Wrocáaw;
[7] Schäfer T., Weber T., Kyrinoviþ P., Zámeþniková M., 2004:
Deformation Measurement Using Terrestrial Laser Scanning at the
Hydropower Station of Gabþíkovo. INGEO 2004 and FIG Regional
Central and Eastern European Conference on Engineering Surveying,
November 11-13, 2004. Bratislava, Slovakia;
[8] Van Cranenbroeck J., Brown N., 2004: Networking Motorized Total
Stations and GPS Receivers for Deformation Measurements. FIG
Working Week May 22-27, 2004. Athens, Greece;
[9] Wan Aziz W.A., Zulkarnaini M.A., Shu K.K., 2005: The Deformation
Study of High Building Using RTK-GPS: A First Experience in
Malaysia. FIG Working Week 2005 and GSDI-8, April 16-21, 2005.
Cairo, Egypt;
[10] Zaczek-PepliĔska J., Pasik M., Popielski P., 2013: Geodezyjny
monitoring obiektów w rejonie oddziaáywania budowy tuneli i gáĊbokich
wykopów –doĞwiadczenia i wnioski. Acta Scientiarum Polonorum.
Architectura 12 (2): 17-31;
[11] Zogg H.-M., Ingensand H., 2008. Terrestrial laser scanning for
deformation monitoring - load tests on the Felsenau viaduct (CH). The
International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and
Spatial Information Sciences. Vol. XXXVII. Part B5, Beijing, s. 555561.
63
Geodezyjne monitorowanie elementów obiektów budowlanych
na przykÏadzie pomiaru ugi¸cia belki Ăelbetowej
2014
Izabela WilczyĔska, Robert ĝwierzko, Kazimierz ûmielewski
Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocáawiu
e-mail: [email protected], [email protected],
[email protected]
Bartáomiej ûmielewski
Politechnika Wrocáawska
e-mail: [email protected]
Geodezyjne monitorowanie elementów obiektów budowlanych
na przykáadzie pomiaru ugiĊcia belki Īelbetowej
WstĊp
PrzedsiĊbiorstwa związane z branĪą geodezyjną oraz wykonawcy robót
geodezyjnych podejmują siĊ nowych wyzwaĔ związanych z monitoringiem
obiektów i budowli. Sprawują zarówno kontrolĊ nad obiektami nowo
wznoszonymi, jak i juĪ uĪytkowanymi (np. budowle inĪynierskie, które
wymagają staáej lub okresowej kontroli) oraz ich otoczeniem, na które mogą
wywieraü wpáyw inne obiekty czy czynniki atmosferyczne [BryĞ i inni
2007a]. Aby sprostaü wspóáczesnym wymaganiom zawartych w przepisach
technicznych konieczna jest moĪliwoĞü okreĞlania z wysoką dokáadnoĞcią
przemieszczeĔ i odksztaáceĔ elementów obiektów budowlanych.
Wyznaczenie tych parametrów z milimetrową dokáadnoĞcią ma duĪe
znaczenie w odniesieniu do weryfikacji rzeczywistego zachowania
monitorowanych elementów budowlanych w stosunku do obowiązujących
norm oraz ich teoretycznego projektu / modelu. Analizy danych pozyskanych
przez geodetów dokonują eksperci budowlani, którzy sporządzają opinie
techniczne oraz ekspertyzy celem wyznaczenia odchyáek wymiarów wraz
z oceną báĊdów, dla poznania charakteru czynników wywoáujących
64
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
odksztaácenia obiektu, co przyczynia siĊ do wzrostu bezpieczeĔstwa oraz
efektywnoĞci uĪytkowania.
Konstrukcje Īelbetowe są ustrojami betonowymi celowo
wzmocnionymi prĊtami zbrojeniowymi przenoszącymi naprĊĪenia
rozciągające. KaĪda konstrukcja budowlana, a wiĊc i Īelbetowa, powinna
speániaü wymagania niezawodnoĞci, takie jak: przenoszenie oddziaáywaĔ,
wykazanie odpowiedniej trwaáoĞci, zachowanie sztywnoĞci. Przemieszczenia
i odksztaácenia ustrojów konstrukcyjnych nastĊpują w wyniku oddziaáywaĔ.
Podstawową cechą opisującą stan belkowego elementu budowlanego jest
strzaáka ugiĊcia, przez którą naleĪy rozumieü wektor maksymalnego
przemieszczenia powstającego wskutek przyáoĪonego obciąĪenia. UgiĊcie
belkowych elementów konstrukcyjnych podlega kontroli oraz jest
uwzglĊdniane w ramach weryfikacji stanu granicznego uĪytkowalnoĞci
(SGU). Nadmierne ugiĊcia mogą prowadziü do awarii konstrukcji, nawet
niewielkie mogą prowadziü do utraty zdolnoĞci eksploatacyjnych konstrukcji
lub przyczyniü siĊ do uszkodzenia elementów przylegających do konstrukcji
[BryĞ i in. 2007b].
Tradycyjny geodezyjny monitoring elementów obiektów budowlanych
polega na pomiarze kątów i odlegáoĞci, przewyĪszeĔ oraz pochyáoĞci obiektu.
Są to pomiary punktowe, okresowe, a podstawową ich wadą jest koniecznoĞü
wizury miĊdzy instrumentem a elementem, a nawet bezpoĞredniego kontaktu.
Wydaje siĊ to byü niewystarczające ze wzglĊdu na okresowoĞü informacji
opisujących stan poszczególnych elementów obiektu. Kolejną przeszkodą
implementacji caáodobowego monitoringu są koszty związane z instalacją
oraz eksploatacją aparatury. Dlatego poszukuje siĊ alternatywnych rozwiązaĔ
mogących wspomóc klasyczne metody pomiarowe [Kowalski K. 2007].
W pracy tej przedstawiono zastosowanie róĪnorodnych metod
pomiarów dla pozyskania informacji o przemieszczeniach i zmianach
ksztaátu elementu budowlanego –Īelbetowej belki konstrukcyjnej.
Przeprowadzono pomiary klasyczne oraz autorskie rozwiązania mające na
celu wsparcie standardowych technik, jak i obniĪenie kosztów związanych
z instalacją i uĪytkowaniem monitoringu geodezyjnego obiektu.
65
Geodezyjne monitorowanie elementów obiektów budowlanych
na przykÏadzie pomiaru ugi¸cia belki Ăelbetowej
2014
Badania laboratoryjne
Badania zostaáy zrealizowane w Laboratorium Technologii Materiaáów
i Konstrukcji Budowlanych w Instytucie Budownictwa na Uniwersytecie
Przyrodniczym we Wrocáawiu. Podczas prac laboratoryjnych analizowano
stan geometryczny zginanej belki Īelbetowej przedstawionej na rysunku 1.
Badaniu poddano belkĊ Īelbetową swobodnie podpartą o dáugoĞci 3,4 m,
zbrojeniu gáównym 3Ø12 oraz o staáym przekroju 0,150 x 0,300 m. Podpory
umieszczono w odlegáoĞci 3,00 m. Pomiary wykonano przy uĪyciu
klasycznych metod, takich jak: niwelacja precyzyjna (Leica DNA03),
skaningu laserowego (Leica ScanStation C10), pomiary pochyáomierzem
Nivel210 oraz pomiary oparte o autorskie rozwiązania. Wykorzystano
równieĪ czujniki przemieszczeĔ liniowych PTX, które uznano za najbardziej
wiarygodną metodĊ pomiaru ze wzglĊdu na ich ciągáy pomiar w tym samym
punkcie oraz wysoką dokáadnoĞü.
Rys. 1. Belka Īelbetowa - geometria i zbrojenie
ObciąĪenie zadane zostaáo tak, aby w poszczególnych fazach pomiarowych
belka miaáa staáe ugiĊcie. Pierwszy pomiar byá pomiarem wyjĞciowym przed
obciąĪeniem, oznaczony jako „0”. Kolejne pomiary byáy do 1mm, 2, 3, 4, 5,
10, 20, 40, 60 mm. Przyrost siáy nastĊpowaá w tempie 1mm/1minutĊ do
5mm, nastĊpnie z prĊdkoĞcią 2,5 mm/1minutĊ do 10 mm oraz z prĊdkoĞcią
5mm/1minutĊ do 60mm. Rysunek 2 przedstawia wykres zaáoĪonych zmian
przemieszczenia belki w punkcie Ğrodkowym w czasie. OdciąĪenie
wykonano z prĊdkoĞcią 30 mm/1minutĊ. Normowe graniczne ugiĊcie belki
stropów o dáugoĞci leff < 6,0 m wynosi alim = leff/200 zatem w naszym
przypadku jest to alim = 3000 mm/200 = 15 mm. PrzyjĊty schemat statyczny
przedstawia rysunek 3.
66
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
Rys. 2. Cykl obciąĪania belki Īelbetowej
Rys. 3. PrzyjĊty schemat statyczny badanej belki Īelbetowej
67
2014
Geodezyjne monitorowanie elementów obiektów budowlanych
na przykÏadzie pomiaru ugi¸cia belki Ăelbetowej
2014
Obliczenia teoretyczne
Przy znanych wymiarach przekroju poprzecznego 300 x 150 mm,
znanej klasie betonu okreĞlonej metodą sklerometryczną oraz ukáadzie,
przekroju i gatunku stali zbrojenia rozciąganego As1 oraz Ğciskanego As2 AIIIN
moĪliwe jest okreĞlenie noĞnoĞci przekroju Īelbetowego na zginanie [àapko
A. 2000, Ostrowska-Maciejewska J. 2007]. W tym celu wymagane jest
uprzednie wyznaczenie wzglĊdnego zasiĊgu efektywnej strefy Ğciskanej ȟef.
Z równania równowagi wypadkowych siá poziomych na oĞ podáuĪną
elementu otrzymujemy:
[ef db ˜ nfcd As 2 ˜ V cs As1 ˜ f yd 0
(1)
Zatem wzglĊdny zasiąg efektywnej strefy Ğciskanej moĪna obliczyü po
przeksztaáceniu wzoru:
As1 ˜ f yd As 2 ˜ V cs
[ef
b ˜ nf cd
(2)
Moment rysujący
M cr
M
bh 2
6
P˜L
6
V ct ˜ Wct
P L
˜
2 3
(3)
(4)
Siáa rysująca
P˜L
6
P
f ctm
f ctm ˜
bh 2
6
bh 2
L
2, 2 MPa
f ctm ˜
(5)
(6)
(7)
Beton, z którego wykonano belkĊ zostaá okreĞlony przez firmĊ wykonującą
element konstrukcyjny jako beton klasy B-25. WartoĞü siáy rysującej
powinna zatem wynosiü dla niego:
P
2, 2 ˜103 ˜
0,15 ˜ 0,32
3
68
9,9[kN ]
(8)
2014
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
Wykonano jednak badania máotkiem Schmitda w celu okreĞlenia
rzeczywistej klasy betonu.
L 50
(9)
f cm
57 MPa
(10)
f ctm
3, 5 MPa
(11)
Co odpowiada betonowi B-50
P = 15,75kN
(12)
Jest to wartoĞü siáy obciąĪającej, dla której powinny pojawiü siĊ rysy na tym
elemencie konstrukcyjnym. Zatem gdy obciąĪenie jest niĪsze niĪ 15.75kN,
naleĪy traktowaü element jak w pierwszej fazie.
W niezarysowanym elemencie zginanym w teorii linowej sprĊĪystoĞci
(faza I) strzaákĊ ugiĊcia elementu wyznacza siĊ na podstawie krzywizny 1/r,
którą moĪna obliczyü z uproszczonego równania osi odksztaáconej elementu.
JeĪeli w elemencie zginanym moment zginający nie przekracza momentu
rysującego Mcr, czyli speániony jest warunek: MEd ” Mcr, to strzaákĊ ugiĊcia
pod obciąĪeniem krótkotrwaáym moĪna obliczyü ze wzoru 13 ugiĊcie
elementów niezarysowanych:
M ˜l 2
(13)
a D k ˜ Ed eff
BI
leff –rozpiĊtoĞü efektywna elementu,
Įk –wspóáczynnik wyraĪający wpáyw rodzaju obciąĪenia i warunków
brzegowych w elemencie,
BI –sztywnoĞü przekroju elementu w fazie I odpowiadająca momentowi
obliczeniowemu Med.
Dk
1 O2
8 6
0,106481[]
O
1
3
(14)
M Ed
PL
6
69
(15)
Geodezyjne monitorowanie elementów obiektów budowlanych
na przykÏadzie pomiaru ugi¸cia belki Ăelbetowej
leff
BI
2014
3, 0[m]
(16)
Ecm ˜ I I
(17)
Ecm – Ğredni moduá sprĊĪystoĞci betonu,
II – moment bezwáadnoĞci przekroju w fazie I.
Moment bezwáadnoĞci obliczono zgodnie z twierdzeniem Steinera
1
h·
2
2
§
II
b ˜ h3 b ˜ h ¨ x1 ¸ D e ˜ AS 2 x1 a2 D e ˜ AS 1 d x1 12
2¹
©
Es
200
De
5, 71[]
Ecm
35
xI
0,5 ˜ b ˜ h 2 D e As1 ˜ d As 2 ˜ a2 b ˜ h D e As1 As 2 As1
3,39 cm2
0,1535[m]
3,39 ˜104 m2
As 2 1, 01cm2 1, 01˜104 m2
a2
24 mm
d
274 mm
(18)
(19)
(20)
(21)
0, 024 m (otulina)
0, 274 m (wysokoĞü uĪyteczna przekroju)
I1 5, 24 ˜104 [m4 ]
B1
Ecm ˜ I1 18687, 26[kPa ˜ m4 ]
(22)
(23)
Dla obciąĪeĔ dáugotrwaáych naleĪy wykorzystaü efektywny moduá
sprĊĪystoĞci (z uwzglĊdnieniem peázania betonu). NaleĪy wówczas ponad to
uwzglĊdniü wpáyw skurczu betonu na krzywiznĊ elementu Īelbetowego. Gdy
wartoĞü obciąĪenia przekroczy 15.75kN mamy do czynienia z pojawieniem
siĊ rys w elemencie konstrukcyjnym. Wówczas przekroje zarysowane
znajdują siĊ w fazie II. W takim przypadku sztywnoĞü podlega zmianom na
70
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
dáugoĞci elementu, a zmiany te mogą byü znaczne nawet w sąsiednich
przekrojach.
Równanie sumy momentów statycznych obliczonych wzglĊdem osi obojĊtnej
xII przekroju:
bxII 2
D e U2bd ( xII a2 ) D e U1bd (d xII ) 0
2
Gdzie:
AS 1
U1
bd
U2
AS 2
bd
xII
(24)
0, 008248 ;
0, 002457 ;
§
·
a
2
§
·
d ¨ D e 2 U1 U 2 2D e ¨ U1 2 U 2 ¸ D e U1 U 2 ¸
¨
¸
d
©
¹
©
¹
(25)
Na podstawie wyznaczonego poáoĪenia osi obojĊtnej obliczono moment
bezwáadnoĞci w analizowanym przekroju zarysowanym:
I II
b ˜ xII 3
2
2
D e ˜ U1 ˜ b ˜ d d xII D e ˜ U 2 ˜ b ˜ d xII a2 3
I II
9,899 ˜105 m4
(26)
(27)
Po wyznaczeniu momentu bezwáadnoĞci moĪna obliczyü maksymalne
naprĊĪenia w betonie w strefie Ğciskanej oraz w zbrojeniu rozciąganym.
NaprĊĪenia w skrajnym Ğciskanym wáóknie betonu
M
(28)
Vc
˜ xII
I II
NaprĊĪenia w zbrojeniu rozciąganym
Vs
De
E1 1, 0 (prĊty Īebrowane)
71
M
d xII I II
(29)
Geodezyjne monitorowanie elementów obiektów budowlanych
na przykÏadzie pomiaru ugi¸cia belki Ăelbetowej
2014
E 2 1, 0 (obciąĪenie krótkotrwaáe)
B0
Ecm ˜ I II
2
§M · § I ·
1 E1 ˜ E 2 ˜ ¨ cr ¸ ¨1 II ¸
II ¹
© M Ed ¹ ©
Med – moment zginający wywoáany obciąĪeniem krótkotrwaáym.
M Ed ˜ leff 2
a Dk ˜
B0
(30)
(31)
Wzór ten obowiązuje do przekroczenia naprĊĪeĔ w betonie i stali.
Zobrazowanie powyĪszych obliczeĔ przedstawiono na rysunku 4.
Rys. 4. WartoĞü przemieszczenia teoretycznego w zaleĪnoĞci od przyáoĪonej siáy
Prace doĞwiadczalne
Niwelacja precyzyjna DNA03
Niwelacja precyzyjna wykonana zostaáa przy pomocy niwelatora
kodowego DNA03 oraz przy uĪyciu krótkiej áaty inwarowej kodowej.
Do belki od spodu zostaáy przyklejone Īywicą epoksydową bolce (rysunek
5), do których przykáadana byáa áata. PiĊü punktów kontrolowanych zostaáo
umieszczonych równomiernie na belce. Wyniki niwelacji zostaáy zestawione
w tabeli 1. Jak moĪna zauwaĪyü, punkt znajdujący siĊ w poáowie belki ulegá
najwiĊkszym przemieszczeniom.
72
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Graficzną interpretacje uzyskanych wyników przedstawiono na rysunku 6.
Rys. 5. Punkt pomiarowy, niwelator precyzyjny DNA 03 wraz z krótką áatą kodową
Tabela 1. Wyniki niwelacji precyzyjnej dla piĊciu punktów kontrolowanych –
przemieszczenie punktów kontrolnych
Przemieszczenie [mm]
Cykl pomiarowy
P1
P2
P3
P4
P5
I
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
II
-0.01
-0.10
0.30
0.01
0.00
III
0.40
0.24
0.73
0.44
0.53
IV
0.85
0.99
1.27
0.98
0.57
V
1.10
1.60
2.06
1.44
1.25
VI
1.68
2.49
2.94
2.46
1.46
VII
4.10
6.68
7.74
6.39
3.72
VIII
9.25
15.65
17.69
14.72
8.23
IX
19.33
36.43
41.63
33.37
17.19
X
29.62
57.81
65.55
52.18
25.97
XI
20.45
41.31
47.31
37.37
18.56
73
Geodezyjne monitorowanie elementów obiektów budowlanych
na przykÏadzie pomiaru ugi¸cia belki Ăelbetowej
2014
Rys. 6. Krzywa áaĔcuchowa przedstawiająca ugiĊcie belki dla poszczególnych
cyklów obciąĪenia
Skanowanie laserowe
Metoda skanowania laserowego pozwala na okreĞlenie zjawiska w ujĊciu
zarówno punktowym jak i powierzchniowym. DokáadnoĞci uzyskiwane przez
tĊ metodĊ są wystarczające do okreĞlenia zachodzących zjawisk deformacji
[ûmielewski B. 2009, Van Genechten B. 2009]. Do badaĔ wykorzystano
impulsowy skaner laserowy Leica ScanStation C10. Stanowisko badawcze
wraz z ustawieniem instrumentu przedstawiono na rysunku 7. Takie
ustawienie skanera nie zapewniaáo optymalnego uzyskania informacji
o obiekcie. Podczas przeprowadzonych analiz zebranego materiaáu
stwierdzono, Īe optymalne ustawnie skanera powinno siĊ znajdowaü
prostopadle do badanego obiektu na wysokoĞci pozwalającej na
inwentaryzacjĊ dwóch krawĊdzi, pod kątem nie ostrzejszym niĪ 45Û.
74
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Rys. 7. Stanowisko badawcze z pozycją skanera laserowego
Na rysunku 6 moĪna zauwaĪyü tarcze HDS pozwalające na pomiar punktowy
zjawiska. Natomiast chmura punktów i powstaáy na jej podstawie model
pozwala na analizy powierzchniowe zachodzących deformacji. Takie
zestawienie poszczególnych modeli pozwala na okreĞlenie zmian
zachodzących nie tylko wzdáuĪ elementu, ale takĪe w profilu poprzecznym.
Szczególną uwagĊ naleĪy zwróciü uwagĊ na zmiany zachodzące w profilu
poprzecznym w miejscu najwiĊkszego ugiĊcia elementu. Na rysunku 8
przedstawiono poglądowe zestawienie wyników pomiarów z dwóch stanów.
Rys. 8. Chmura punktów przedstawiająca badany obiekt (góra – stan wyjĞciowy, dóá
– stan maksymalnego obciąĪenia)
75
Geodezyjne monitorowanie elementów obiektów budowlanych
na przykÏadzie pomiaru ugi¸cia belki Ăelbetowej
2014
Pochyáomierz Leica Nivel 210
Urządzenie to sáuĪy do pomiaru wychylenia osi instrumentu od linii pionu,
a wiĊc jego kierunku w osiach X, Y i wartoĞci. Pomiaru dokonuje bazując na
rozwiązaniach optoelektronicznych, równoczeĞnie ze wskazaniem
i kompensacją temperatury. Pochyáomierze Nivel210 wykorzystywane są
przede wszystkim na duĪych budowlach, takich jak zapory, wysokoĞciowe
obiekty inĪynierskie czy mosty, jak równieĪ do kontroli stanowisk
tachimetrycznych, stacji referencyjnych GNSS. Przyrząd ten moĪe podaü
informacje o wychyleniach i kierunku ruchów o rozdzielczoĞci 0.01 mrad
(1mm/100m). MoĪe wspóápracowaü z oprogramowaniem do monitoringu
dziĊki wyposaĪeniu w port RS232/485. Dane pozyskiwane są w czasie
rzeczywistym o rozdzielczoĞci od 1sek dziĊki czemu moĪe on znaleĨü
zastosowanie w systemie ostrzegania przed zagroĪeniami.
Podczas badania stanu geometrycznego belkowych elementów
konstrukcyjnych waĪne jest okreĞlenie przemieszczeĔ obiektu.
Reprezentacyjną wartoĞcią przemieszczeĔ takich elementów jest strzaáka
ugiĊcia, którą okreĞla wektor maksymalnego przemieszczenia. Nivel
(rysunek 9) nie podaje nam bezpoĞrednio informacji o wartoĞci ugiĊcia,
jednak na podstawie obliczeĔ, przy odpowiednich zaáoĪeniach brzegowych
moĪna obliczyü wartoĞü tego parametru. Niemniej jednak nie otrzymamy
wówczas informacji o przemieszczeniu caáego elementu, a jedynie o jego
odksztaáceniu.
Rys. 9. Pochyáomierze umieszczone na belkowym elemencie konstrukcyjnym
podczas badaĔ laboratoryjnych
Zakres kątowy urządzenia pozwoliá na kontrolĊ badanego obiektu tylko
w początkowych fazach obciąĪania.
76
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Technologia MEMS
Technologia MEMS jest coraz bardziej popularna ze wzglĊdu na aspekt
finansowy oraz miniaturyzacjĊ urządzeĔ. Do najbardziej popularnych
zaliczyü moĪna akcelerometry, Īyroskopy, magnetometry, mikrofony,
czujniki wibracji, itd. W badaniach doĞwiadczalnych na belce skupiono siĊ
na wykorzystaniu jednego urządzenia – akcelerometru. Podczas spoczynku
kiedy nie ma odziaáywaĔ dynamicznych wskazania akcelerometru pozwalają
na pomiar siáy grawitacji. Wykorzystując urządzenia trzy osiowe moĪna
obliczyü kąty pochylenia (32), przechylenia (33) oraz odchylenia od linii
pionu [ûmielewski B. 2011].
U
arctan(
G px
2
G pz G pz
2
T
arctan(
2
G px G py
G pz
)
(32)
)
(33)
2
Opracowano moduá pomiarowy wykorzystujący jeden z popularniejszych
i tanich akcelerometrów cyfrowych. Przeprowadzono serie kalibracji i testów
dokáadnoĞciowych, które pozwoliáy uzyskaü dokáadnoĞci pomiarowe
0.3mm/m. Dane byáy pozyskiwane w czasie rzeczywistym z czĊstotliwoĞcią
1Hz, graficzna reprezentacja wyników pomiaru zostaáa przedstawiona na
rysunku 10.
Rys. 10. Wyniki pomiarów z wykorzystaniem technologii MEMS
77
Geodezyjne monitorowanie elementów obiektów budowlanych
na przykÏadzie pomiaru ugi¸cia belki Ăelbetowej
2014
Wykorzystanie diody laserowej z przymiarem liniowym
Kolejną autorską metodą pomiarową byáo wykorzystanie diody
laserowej oraz przymiaru liniowego. Wykonanie serii zdjĊü w trakcie badaĔ
pozwoliáo na Ğledzenie zachodzących zmian. Poprzez obliczenie Ğrodka
energetycznego plamki na tle przymiaru liniowego okreĞlono poáoĪenie
w kaĪdym z cyklów. Zestawienie ujĊü poszczególnych cyklów przedstawiono
na rysunku 11 oraz w tabeli 2.
Tabela 2. Zestawienie wyników pomiarów za pomocą diody laserowej i przymiaru
w poszczególnych cyklach pomiarowych
Cykl pomiarowy
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
Odczyty z przymiaru [cm]
11,85
11,80
11,75
11,65
11,60
11,48
10,95
9,95
7,60
5,20
7,05
Przemieszczenie [mm]
0,0
0,5
1,0
2,0
2,5
3,7
9,0
19,0
42,5
66,5
48,0
Rysunek 11. Zestawienie ujĊü poszczególnych cyklów pomiarowych
78
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Podsumowanie
UgiĊcie elementu Īelbetowego jest funkcją wielu parametrów
wpáywających na odksztaácenia i naprĊĪenia w betonie i stali zbrojeniowej,
zaleĪnych od poziomu obciąĪenia, wáaĞciwoĞci materiaáu i zarysowania.
Porównania poszczególnych metod dokonano na podstawie zaleĪnoĞci
obciąĪenie - przemieszczenie (tabela 3).
Metody przedstawione w artykule nie wyczerpują sposobów kontroli
geometrycznej elementu konstrukcyjnego. Zestawienie opisanych metod
pozwala na wyciągniĊcie wniosków dotyczących czasocháonnoĞci, dostĊpu
pomiaru jak i kosztownoĞci instalacji oraz uĪytkowania systemu opartego
o te techniki.
Niwelacja precyzyjna wymaga niewielkiej ingerencji w element
konstrukcyjny – instalacja jednoznacznych punktów. Z uwagi na uáoĪenie
belek stropowych na znacznej wysokoĞci nie zawsze jest moĪliwa do
wykonania.
Metoda laserowa nie wymaga ingerencji w obiekt, jednak niezbĊdna jest
wizura pomiĊdzy diodą laserową a przymiarem oraz wykonywanie zdjĊü.
Skanowanie laserowe jest czasocháonne – inwentaryzacja belki to czas okoáo
10 minut z rozdzielczoĞcią 1cm x 1cm, moĪna by usprawniü proces
wykorzystując skanery fazowe jednak naleĪy mieü na uwadze, Īe najlepsze
wyniki osiągane są przy pomiarach z tego samego miejsca obserwacyjnego.
MoĪliwoĞü zastosowania pochyáomierzy oraz technologii MEMS eliminuje
podstawowe wady metod tradycyjnych (przesáoniĊcia na osi celowej, brak
dostĊpu do miejsc pomiarowych z uwagi na powiązania konstrukcyjne
obiektu itp.), niemniej jednak są to pomiary wzglĊdne.
79
2014
Geodezyjne monitorowanie elementów obiektów budowlanych
na przykÏadzie pomiaru ugi¸cia belki Ăelbetowej
Tabela 3. Zestawienie wyników pomiarów poszczególnych metod
Obliczeniowe
PTX
DNA03
Skaner laserowy
Nivel
Plamka lasera
MEMS
I
0
0.0
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
II
1
1.5
0.06
0.07
0.30
0.11
0.56
0.50
0.13
III
2
10.8
0.46
0.55
0.73
0.83
1.05
1.00
0.41
IV
3
20.0
0.83
1.05
1.27
1.56
1.60
2.00
1.21
V
4
24.8
1.07
1.75
2.06
2.00
2.32
2.50
1.94
VI
5
27.9
1.21
2.63
2.94
3.01
3.29
3.70
2.83
VII
10
50.4
2.12
7.03
7.74
7.44
6.77
9.00
6.87
VIII
20
90.6
3.78
16.18
17.69
17.67
-
19.00 18.23
IX
40
99.2
4.12
38.36
41.63
41.52
-
42.50 40.70
X
60
103.0 4.13
60.42
65.55
65.08
-
66.50 61.40
XI
-
43.92
47.31
46.90
-
48.00 46.35
ObciąĪenie [kN]
Przemieszczenie
[mm]
PRZEMIESZCZENIE [mm]
Cykl pomiarowy
Faza obciąĪenia
0.0
Wszystkie metody wykazują zbliĪoną tendencjĊ pomiarową.
Proponowanym rozwiązaniem problemu monitorowania belek Īelbetowych
jest zastosowanie pochyáomierzy – urządzeĔ MEMS oraz prostych metod
wykorzystujących diody laserowe, jako uzupeánienie pomiarów
geodezyjnych. Z uwagi na moĪliwoĞü ciągáej pracy i rejestracji danych
pochyáomierzy zarówno komercyjnych jak i opracowanej koncepcji, celowe
jest przeprowadzanie filtracji i analiz wyników pomiarów w czasie pseudo
rzeczywistym. Aby osoba interpretujący wyniki mogáa stwierdziü znaczną
nieprawidáowoĞü, lub gdy parametry osiągną podane przez eksperta wartoĞci
dopuszczalne, wówczas naleĪy zastosowaü siĊ do zasad bezpieczeĔstwa.
W przypadku gdy zagroĪenie nie jest duĪe, zalecane są pomiary kontrolne
w odpowiednich interwaáach czasu, natomiast przy wysokim zagroĪeniu
naleĪy rozwaĪyü wyáączenie obiektu z eksploatacji celem unikniĊcia
80
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
katastrofy budowlanej
geodezyjnych.
oraz
wykonania
kompleksowych
2014
pomiarów
PodziĊkowania
Realizacja badaĔ przedstawionych w niniejszej publikacji znalazáa
czĊĞciowo sfinansowana ze Ğrodków na lata 2012-2015 UrzĊdu
Marszaákowskiego Województwa DolnoĞląskiego, Wydziaá Gospodarki,
w ramach realizacji projektu systemowego pn. „GRANT PLUS” (Program
Operacyjny Kapitaá Ludzki, Priorytet VIII Regionalne Kadry Gospodarki,
Dziaáanie 8.2 Transfer Wiedzy, Poddziaáania 8.2.2 Regionalne Strategie
Innowacji).
Literatura
[1] BryĞ H., ûmielewski K., Kowalski K., 2007a: Interwencyjny monitoring
deformacji dĨwigara przekrycia dachowego telemetrycznym systemem
pomiarowym, Zeszyty Naukowe Politechniki ĝląskiej, seria
Budownictwo, Gliwice;
[2] BryĞ H., ûmielewski K., Kowalski K., 2007b: Monitoring geodezyjny
ugiĊcia dĨwigara przekrycia dachowego hali – koncepcja, rozwiązanie
konstrukcyjne i pomiary testowe systemu pomiarowego, VIII
Konferencja Naukowo-Techniczna "Aktualne problemy w geodezji
inĪynieryjnej", Warszawa-Biaáobrzegi, 30-31 marca 2007;
[3] ûmielewski B., Kontny B., ûmielewski K. 2011: Use of MEMS
technology in mass wasting research, Reports on Geodesy, Vol. 1 No.
90, Warszawa 2011, pp. 85-92;
[4] ûmielewski B., Mąkolski K., 2009: Porównanie geodezyjnych metod
klasycznych oraz technologii HDS do okreĞlenia odksztaáceĔ kratowej
konstrukcji masztu, WiadomoĞci Konserwatorskie 26 (2009), str. 718726, ISSN 0860-2395;
[5] Kowalski K., Konstrukcje systemów pomiarowych do kontroli ugiĊü
dĨwigarów przekryü dachowych hal wielkogabarytowych, PRZEGLĄD
GEODEZYJNY 2007/12;
[6] àapko A., Projektowanie konstrukcji Īelbetowych, 2000. ISBN 83-2134170-5;
81
Geodezyjne monitorowanie elementów obiektów budowlanych
na przykÏadzie pomiaru ugi¸cia belki Ăelbetowej
2014
[7] Ostrowska-Maciejewska J., 2007: Podstawy i zastosowania rachunku
tensorowego, prace IPPT, ITRF reports;
[8] Van Genechten B., Schueremans L., 2009: Laserscanning for heritage
documentation, WiadomoĞci Konserwatorskie 26 (2009), str. 727-737,
ISSN 0860-2395.
.
82
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Krzysztof Karsznia
Szkoáa Gáówna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska
e-mail: [email protected]
Adrianna Tarnowska
Politechnika Warszawska
Wydziaá Geodezji i Kartografii
e-mail: [email protected]
Zintegrowany system geodezyjnego monitorowania osuwisk
jako element infrastruktury zapewnienia bezpieczeĔstwa
WstĊp
Poczucie bezpieczeĔstwa naleĪy do najbardziej podstawowych
ludzkich potrzeb. Mówiąc o bezpieczeĔstwie, mamy na myĞli bardzo wiele
czynników oraz przypadków, które rozpatrywane áącznie Ğwiadczą o jego
wielowymiarowoĞci. Nieco inaczej bowiem postrzegamy problematykĊ
bezpieczeĔstwa
miĊdzynarodowego,
publicznego,
energetycznego,
bezpieczeĔstwa paĔstwa, czy teĪ danych. KaĪde ze wspomnianych zagadnieĔ
jest w pewnym sensie odrĊbnym wymiarem skáadającym siĊ
z charakterystycznych dla niego cech. Przykáadowo, bezpieczeĔstwo
miĊdzynarodowe zaleĪy miĊdzy innymi od jakoĞci wspóápracy
poszczególnych krajów, rozwoju wzajemnego zaufania, ksztaátowania
powiązaĔ gospodarczych czy budowania ĞwiadomoĞci obywateli
w odniesieniu do historii, kultury, ekonomii i innych dziedzin Īycia. MoĪna
równieĪ rozpatrywaü bezpieczeĔstwo energetyczne, którego zapewnienie
zaleĪy miĊdzy innymi od odpowiedniego poziomu inwestycji poczynionych
w procesy wytwarzania energii oraz w drogi jej przesyáu. Pojawia siĊ w tym
miejscu takĪe problem dywersyfikacji Ĩródeá jej pochodzenia i wytwarzania,
a takĪe dáugofalowej polityki związanej z omawianą tematyką. Mówiąc
83
Zintegrowany system geodezyjnego monitorowania osuwisk
jako element infrastruktury zapewnienia bezpieczeÑstwa
2014
o bezpieczeĔstwie, moĪna siĊ odnieĞü do takich zagadnieĔ jak globalizacja,
zmiany demograficzne czy funkcjonowanie sáuĪb paĔstwa. Są to
niewątpliwie waĪne tematy, które z racji zmieniających siĊ uwarunkowaĔ
Īycia ludzi we wspóáczesnym Ğwiecie, nigdy nie tracą swojej aktualnoĞci.
Patrząc natomiast od strony technologii oraz procesów ksztaátowania
systemów bezpieczeĔstwa, wspomnieü naleĪy o zagadnieniach zabezpieczeĔ
sieci komputerowych, infrastruktury áącznoĞci, a takĪe tzw.
„cyberprzestrzeni” – obszaru funkcjonowania wspóáczesnego Ğwiata
wykorzystującego potĊgĊ sieci teleinformatycznych.
Jednym z takich kluczowych „wymiarów” jest informacja przestrzenna,
która funkcjonując w Ğwiecie teleinformatyki i nowoczesnych technologii
nazywana jest czĊsto geoinformacją. To od jej jakoĞci zaleĪą prawie
wszystkie aspekty Īycia wspóáczesnego czáowieka. Dzieje siĊ tak dlatego, iĪ
niemalĪe kaĪda cecha, kaĪde zjawisko lub obiekt posiadają swoje
umiejscowienie w czasie i przestrzeni. Bez naleĪytej informacji przestrzennej
trudno jest wyobraziü sobie bezpieczeĔstwo paĔstwa, przemysáu jak
i obywateli. Przykáadowo, odpowiednio przedstawione sieci dróg, linii
przesyáowych energii czy wáaĞciwie przeprowadzone analizy efektywnoĞci
transportu, zasiĊgu zjawisk mają niebagatelny wpáyw na efektywnoĞü
funkcjonowania sáuĪb paĔstwowych oraz gospodarki. Stanowią takĪe gáówny
element skáadowy zarządzania strategicznego i kryzysowego. Bardzo
istotnym elementem jest choüby naleĪyta koordynacja pracy sáuĪb
zajmujących siĊ zapewnianiem bezpieczeĔstwa ludzi oraz mienia
w sytuacjach zagroĪenia czynnikami naturalnymi (klĊski Īywioáowe,
osuwiska) lub w aspektach naleĪytego zarządzania infrastrukturą kraju.
Geomatyka
Systemy geoinformacyjne dziaáające w odniesieniu do baz danych,
wspomagane pracą nowoczesnych urządzeĔ i technik pomiarowych jak
choüby skaning laserowy, fotogrametria czy teledetekcja satelitarna noszą
czĊsto miano geomatyki [Przewáocki 2010], której schematyczne ujĊcie
przedstawia rysunek 1. DuĪe znaczenie przypisaü moĪna takĪe geodezyjnemu
monitoringowi przemieszczeĔ i deformacji [Karsznia 2011], którego
dziaáanie bądĨ zapobiega awariom i katastrofom, bądĨ teĪ pozwala
84
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
zareagowaü odpowiednim sáuĪbom wczeĞniej, zanim zachodzące zjawisko
zagrozi stabilnoĞci badanego obiektu.
Rys. 1 Schematyczne ujĊcie geomatyki [Karsznia 2011]
Analizując róĪne aspekty i wyzwania bezpieczeĔstwa, nie sposób pominąü
kwestii ochrony infrastruktury technicznej przed dziaáaniem róĪnych zjawisk,
a w szczególnoĞci osuwisk. Osuwiska stanowią duĪe zagroĪenie dla obiektów
mieszkalnych oraz przemysáowych, stanowią takĪe istotny problem dla
gospodarki. Prognozowanie takich zjawisk, choü niekiedy bardzo trudne,
stanowi niewątpliwie bardzo waĪne wyzwanie stawiane sáuĪbom
85
Zintegrowany system geodezyjnego monitorowania osuwisk
jako element infrastruktury zapewnienia bezpieczeÑstwa
2014
i specjalistom wykorzystującym dane geodezyjne, geologiczne czy
geotechniczne. Niezwykle pomocna okazuje siĊ w takich zadaniach
nowoczesna technologia pomiarowa oraz rozwijane metody analiz
numerycznych, wáącznie z probabilistyką oraz uwzglĊdnianiem danych
o tzw. wysokim (wartoĞci mierzalne) oraz niskim poziomie strukturyzacji
(gáównie informacje opisowe) [Karsznia 2010].
W problematykĊ jakoĞci i aktualnoĞci geodanych wpisuje siĊ
niewątpliwie ich standaryzacja i normalizacja. Gáównym zadaniem obu tych
dziedzin nauki i techniki jest usprawnienie procesu pozyskiwania danych
o obiektach (tzw. geodanych) oraz umoĪliwienie wáaĞciwego opisu
rzeczywistoĞci w sensie jej modelowania (tzw. modelowanie konceptualne)
[8]. Istotna rolĊ peáni tutaj uzupeánianie tzw. „bazy wiedzy”, czyli
rekurencyjny proces rozpoznawania badanego obiektu lub zjawiska, co
w sposób schematyczny przedstawiono na rysunku 2.
Rys. 2 Schemat procesu modelowania zjawisk (na podstawie [Norma PN-EN ISO
19101:2005], oprac. K.Karsznia)
AktualnoĞü przepisów prawa, norm oraz standardów wraz ze stopniem ich
spójnoĞci z aktualnym poziomem wiedzy naleĪy ująü w aspekcie
efektywnoĞci, bezpieczeĔstwa i sprawnoĞci funkcjonowania systemów
geoinformacyjnych znajdujących zastosowanie choüby w monitorowaniu
86
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
przemieszczeĔ i deformacji wyrobisk górniczych [Karsznia, Czarnecki,
Skalski 2010].
Niewątpliwie, istotnym czynnikiem jest tutaj ocena wpáywu
czynników zagraĪających (np. osuwisk) na stan obiektów inĪynierskich
takich jak obiekty hydrotechniczne, mosty, drogi i linie kolejowe, linie
energetyczne czy sieci uzbrojenia terenu. DziĊki nowoczesnym
rozwiązaniom z zakresu geodezyjnego monitorowania przemieszczeĔ
i deformacji, jak równieĪ w wyniku wspóápracy specjalistów róĪnych sáuĪb
technicznych, moĪliwe jest prowadzenie takiej oceny w sposób coraz
bardziej efektywny i wiarygodny. Ponownie, duĪego znaczenia nabiera
kwestia ksztaátowania przepisów prawa oraz zaleceĔ branĪowych
dotyczących miĊdzy innymi koniecznoĞci prowadzenia badaĔ kontrolnych
lub – co daje o wiele lepsze rezultaty – wdraĪanie zintegrowanych
technologii
pomiarowych.
MoĪna
tutaj
wspomnieü
zarówno
o monitoringu geodezyjnym jak i szeroko rozumianym monitoringu
Ğrodowiskowym. Systemy takie stanowią istotny element zarządzania
jakoĞcią [Karsznia 2010], kompleksowego zarządzania ryzykiem [Kaczmarek
2010] czy wrĊcz odgrywają jedną z gáównych ról w zarządzaniu kryzysowym
[www.pgi.gov.pl].
Geodezja zintegrowana w badaniu zjawisk naturalnych
W zadaniach wspóáczesnej geodezji inĪynieryjnej, których istotą jest
okreĞlenie ksztaátu, a takĪe stanu badanego obiektu, jego statyki i dynamiki,
coraz czĊĞciej stosuje siĊ kombinacjĊ róĪnych metod pomiarowych oraz
zintegrowaną pracĊ wielu sensorów [Wolski 2006]. Na jakoĞü prowadzonych
w ten sposób pomiarów wpáyw mają dziaáania róĪnych specjalistów –
z dziedziny geodezji, geotechniki, informatyki czy telekomunikacji. Zarówno
dane przestrzenne dotyczące geometrii badanego obiektu jak teĪ informacje
odnoĞnie zachodzących w nim procesów zasilają bazĊ danych umoĪliwiając
ich przetwarzanie i wizualizacjĊ. Analiza danych oraz podejmowanie na jej
podstawie dalszych decyzji jest domeną systemu eksperckiego. JeĪeli
dodatkowo system taki wyposaĪony jest w moduá powiadamiania
uĪytkowników o wystĊpujących zagroĪeniach, mówimy o systemie
monitoringu [Witakowski 2007]. W zaleĪnoĞci od wielkoĞci wdroĪenia
systemu monitoringu, mówimy o podejĞciu globalnym (duĪe obszary, dla
których naleĪy braü pod uwagĊ uwarunkowania geodezyjne związane
87
Zintegrowany system geodezyjnego monitorowania osuwisk
jako element infrastruktury zapewnienia bezpieczeÑstwa
2014
z krzywizną Ziemi, paĔstwowym systemem odniesieĔ przestrzennych itp.)
lub inĪynierskim – dziaáającym podczas realizacji procesu budowlanego (na
ogóá pojedyncze obiekty inĪynierskie takie jak konstrukcje budowlane,
zapory wodne czy mosty) [Karsznia 2010]. Dodaü naleĪy, Īe wspóáczesne
podejĞcie do zapewnienia bezpieczeĔstwa konstrukcji obiektów budowlanych
uwzglĊdnia prawie wyáącznie stosowanie monitoringu zdalnego (tzw. remote
monitoring - RM) [Witakowski 2007]. Oznacza to koniecznoĞü
interdyscyplinarnego zaangaĪowania specjalistów tak z dziedziny geodezji
czy budownictwa jak równieĪ teleinformatyki czy elektroniki.
PoniewaĪ monitoring geodezyjny jest dziaáalnoĞcią polegającą na
wykrywaniu zagroĪeĔ, niezbĊdne jest wczeĞniejsze ustalenie rodzaju
obserwowanego zjawiska bądĨ obiektu oraz dostosowanie doĔ
projektowanego systemu. NiezbĊdne jest równieĪ prawidáowe dobranie
narzĊdzia eksperckiego (aplikacji komputerowej) oraz okreĞlenie sposobu
powiadamiania o zaistniaáym zagroĪeniu (np. w formie alarmu, komunikatów
sms, wiadomoĞci elektronicznej e-mail czy uruchomieniu innej aplikacji
umoĪliwiającej podjĊcie przez odpowiednie sáuĪby kroków zaradczych)
[Karsznia 2007]. Szczególnego znaczenia nabiera zatem zagadnienie
integracji róĪnych technik pomiaru geodezyjnego oraz wspomnianej juĪ
interoperacyjnoĞci systemowej.
Systemy monitoringu inĪynierskiego a problematyka deformacji terenów
i osuwisk
Monitoring
inĪynierski
znajduje
szerokie
zastosowanie
w zapewnieniu bezpieczeĔstwa terenów zagroĪonych deformacjami
i osuwiskami. W pracy [Karsznia, Czarnecki, Skalski 2010], autorzy
zaprezentowali dziaáanie takiego zintegrowanego systemu monitoringu
w zapewnieniu bezpieczeĔstwa prowadzenia robót górniczych na terenie
Kopalni WĊgla Brunatnego Beáchatów. Obiekt ten, z racji intensywnej
eksploatacji wydobycia surowca energetycznego jakim jest wĊgiel brunatny,
w sposób szczególny naraĪony jest na niebezpieczeĔstwo wystĊpowania
osuwisk, co z kolei stanowi zagroĪenie dla pracujących w odkrywce ludzi
i maszyn górniczych. W celu przeciwdziaáania skutkom takich zjawisk,
zintegrowany system monitoringu geodezyjnego prowadzi w trybie ciągáym
obserwacje punktów kontrolowanych, dokonuje obliczeĔ i analiz by
88
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
w rezultacie powiadomiü uĪytkowników o pojawieniu siĊ najmniejszego
nawet trendu pojawiającego siĊ osuwiska. Na rysunku 3 przedstawiono
ogólny schemat dziaáania zintegrowanego systemu monitoringu
geodezyjnego.
Rys. 3 Schemat funkcjonowania systemu monitoringu inĪynierskiego (oprac. K.
Karsznia)
Dodaü naleĪy, iĪ obecna szybkoĞü procesorów komputerowych, jak
równieĪ nowoczesne rozwiązania w zakresie transmisji danych dają
moĪliwoĞü opracowania wyników pomiarów w czasie rzeczywistym.
ZagroĪenia osuwiskowe
Powierzchniowe ruchy masowe to jedne z najbardziej
rozpowszechnionych zjawisk, których skutkiem są katastrofy przyrodnicze.
WystĊpują one we wszystkich warunkach klimatu, a uzaleĪnione są od
nachylenia zboczy, warunków klimatycznych, hydrografii oraz cech budowy
wewnĊtrznej zbocza (rodzaju skaá, ich ukáadu, iloĞci zwietrzeliny
i wystĊpowania wody w skaáach). Dominującymi formami powstaáymi
w wyniku tych ruchów są osuwiska. Zgodnie z informacjami podanymi przez
PaĔstwowy Instytut Geologiczny [www.pgi.gov.pl], rokrocznie powodują
one wiele strat materialnych oraz stanowią zagroĪenie dla ludzi oraz mienia.
Problem ten dotyczy terenów górskich, obszarów poáoĪonych wzdáuĪ dolin
rzecznych jak równieĪ linii wybrzeĪa. MoĪna wiĊc stwierdziü, Īe osuwiska
stanowią problem na skalĊ ogólnokrajową. W związku z tym, naleĪy
89
Zintegrowany system geodezyjnego monitorowania osuwisk
jako element infrastruktury zapewnienia bezpieczeÑstwa
2014
podejmowaü dziaáania mające na celu ocenĊ ich rozmiarów, dynamiki ich
zmian, a takĪe – na podstawie pozyskanych szczegóáowych danych
charakteryzujących te groĨne zjawiska, dokonanie stosownej predykcji
moĪliwych zdarzeĔ z nimi związanych.
By wáaĞciwie rozwiązaü problem z dziedziny osuwisk, konieczna jest
znajomoĞü warunków, w jakich zjawisko to zachodzi oraz uwzglĊdnienie
wszystkich czynników, mających wpáyw na jego genezĊ i rozwój. WaĪne, by
kaĪde osuwisko traktowane byáo indywidualnie, mając na uwadze zespóá
róĪnorodnych warunków charakterystycznych dla jego przebiegu. Sposoby
przeciwdziaáania osuwiskom áączą siĊ ĞciĞle z przyczynami ich powstawania.
Kleczkowski wymienia niektóre sposoby przeciwdziaáania osuwiskom
[Kleczkowski 1955]:
ƒ wáaĞciwe uĪytkowanie powierzchni i niedopuszczanie w obszarach
osuwiskowych do dziaáania dodatkowych czynników mogących mieü
wpáyw na ich powstanie,
ƒ uwzglĊdnienie dziaáalnoĞci wody, zwáaszcza wywoáującej zmiany
wáasnoĞci skaá,
ƒ wzmacnianie zboczy zbiorników wód stojących, a dla zabezpieczenie
przed erozją wgáĊbną - budowĊ jazów i stopni w poprzek brzegu rzeki,
ƒ mechaniczne wzmacnianie zboczy przez budowĊ Ğcian i murów, bicie pali
etc.,
ƒ podejmowanie czynnoĞci mających na celu poprawĊ mechanicznej
wáasnoĞci skaá.
Obok osuwisk naturalnych, wystĊpują jednak takĪe osuwiska
powstające w sztucznych wykopach przy budowie dróg, linii kolejowych
i w kopalniach odkrywkowych. NiezaleĪnie od wystĊpowania, powodują
nierzadko powaĪne zniszczenia budowlane, straty w drzewostanie,
w rolnictwie, na liniach komunikacyjnych, a takĪe mogą zagraĪaü
zbiornikom wodnym i innym inwestycjom. Prawie kaĪda budowla,
szczególnie o charakterze liniowym (droga, linia kolejowa, linia wysokiego
napiĊcia) zagroĪona jest bezpoĞrednio lub poĞrednio osuwiskami. Konieczne
jest uwzglĊdnianie tego faktu w czasie planowania, prowadzenia jak i po
zakoĔczeniu realizacji inwestycji. Problem ten dotyczy takĪe regulacji rzek,
budowy zbiorników wodnych oraz uruchamiania i utrzymania kopalĔ
90
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
odkrywkowych. Reasumując, osuwiska na obszarze Polski stanowią bardzo
duĪe zagroĪenie dla Īycia i mienia czáowieka.
W 2006 r. PaĔstwowy Instytut Geologiczny – PaĔstwowy Instytut
Badawczy peániący funkcjĊ paĔstwowej sáuĪby geologicznej, na zlecenie
Ministra ĝrodowiska, rozpocząá realizacjĊ projektu System Osáony
Przeciwosuwiskowej (SOPO), którego podstawowym celem jest
rozpoznanie, udokumentowanie i zaznaczenie na mapie w skali 1: 10 000
wszystkich osuwisk oraz terenów potencjalnie zagroĪonych ruchami
masowymi w Polsce oraz zaáoĪenie systemu monitoringu wgáĊbnego
i powierzchniowego na 100 wybranych osuwiskach [www.pgi.gov.pl]. BazĊ
danych SOPO tworzą zasoby graficzne Mapy Osuwisk i Terenów
ZagroĪonych (dokumentacja kartograficzno-geologiczna osuwisk i terenów
zagroĪonych ruchami masowymi, które stanowią lub mogą stanowiü
w bliskiej przyszáoĞci - w okresie do 50 lat - zagroĪenie dla dziaáalnoĞci
i egzystencji czáowieka) oraz zasoby atrybutowe (charakterystyka osuwisk).
Integralną czĊĞcią projektu jest zatem monitoring, który oparty jest na
wybranych metodach powierzchniowych i wgáĊbnych, w tym bazujących na
pomiarach geodezyjnych. Dobór odpowiedniej technologii pomiarowej
uzaleĪniony jest od wielkoĞci i typu osuwiska oraz stopnia zagroĪenia czy
szczegóáowoĞci wymaganego rozpoznania, a zakres i czĊstotliwoĞü
prowadzonych obserwacji we wszystkich fazach okreĞla siĊ indywidualnie
dla kaĪdego osuwiska. Jak zapisano w rozporządzeniu [Rozporządzenie
2007], monitoring powierzchniowy wykonywany jest metodami geodezji
klasycznej lub metodą statyczną przy uĪyciu aparatury GPS i prowadzony
na podstawie zastabilizowanej siatki punktów pomiarowych w obrĊbie
osuwiska (liczbĊ i lokalizacjĊ punktów pomiarowych tworzących siatkĊ
okreĞla projekt prac geologicznych indywidualnie dla kaĪdego
monitorowanego obiektu). Punkty pomiarowe powinny byü zlokalizowane w
obszarach o najwiĊkszej aktywnoĞci osuwiska i jednoczeĞnie speániaü
warunek trwaáoĞci posadowienia, umoĪliwiającego wielokrotny pomiar.
Punkt pomiaru dla monitoringu powierzchniowego powinien byü tak
zlokalizowany, aby umoĪliwiaá pomiar wspóárzĊdnych X, Y, Z metodami
okreĞlonymi w projekcie. Pomiary powinny byü wykonane co najmniej trzy
razy w roku, a wyniki pomiarów przedstawia siĊ tabelarycznie z podaniem
wspóárzĊdnych X, Y, Z. Podobnie pomiary GPS powinny byü wykonane co
najmniej trzy razy w ciągu roku, a opracowanie koĔcowe musi zawieraü
91
Zintegrowany system geodezyjnego monitorowania osuwisk
jako element infrastruktury zapewnienia bezpieczeÑstwa
2014
tabelaryczne zestawienie wyników dla kaĪdej sesji pomiarowej oraz wykaz
wspóárzĊdnych punktów nawiązania wraz z precyzyjnym okreĞleniem ukáadu.
Zgodnie z informacjami zawartymi w [www.pgi.gov.pl], wĞród
nowoczesnych metod geoinformacyjnych pozwalających mierzyü deformacje
na caáej powierzchni osuwiska wymieniü naleĪy: metody skaningu
laserowego,
naziemnego
i
lotniczego,
GNSS
oraz
metody
interferometryczne, wykorzystujące satelitarne zobrazowania radarowe.
Ponadto, opracowania branĪowe i naukowe – np. [Karsznia, Czarnecki,
Skalski 2010, Wolski 2006], niejednokrotnie zalecają równieĪ stosowanie
metod pomiaru zuatomatyzowanego oraz ciągáego (lub quasi-ciągáego).
W wielu przypadkach, zaleĪnych gáownie od wielkoĞci obserwowanego
obiektu oraz dynamiki zachodzących na nim zmian geometrycznych,
stosowanie ciągáego monitoringu metrologicznego daje najbardziej
wiarygodny obraz faktycznie zachodzących procesów geologicznych. Tak
skonstruowany system monitoringu, wyposaĪony w moduá analityczny
(oceniający zachodzące zjawisko pod kątem osiągania rozmiarów
krytycznych) pozwala równieĪ wysáaü ostrzeĪenie o wykrytym
niebezpieczeĔstwie jak równieĪ wychwyciü trend zachodzących zmian zanim
przerodzą siĊ one w sytuacje krytyczne (w skrajnych przypadkach –
katastrofy geotechniczne czy budowlane).
Uzupeánienie dziaáaĔ prewencyjnych
Podsumowując powyĪsze rozwaĪania, autorzy niniejszej publikacji
proponują usystematyzowanie procesu pozyskiwania, przetwarzania
i analizowania danych przestrzennych dla potrzeb monitorowania osuwisk.
Schemat takiego procesu przedstawiono na rysunku 4.
92
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Rys. 4 Schemat systemowego ujĊcia badanego obiektu inĪynierskiego –
np. osuwiska (oprac. wáasne autorów)
Badany obiekt znajduje siĊ w punkcie centralnym, a kaĪdy z bloków
zadaniowych posiada jednakową istotnoĞü w procesie prowadzonego w ten
sposób monitoringu. PodejĞcie takie wymaga zatem wykonania gruntownego
rozpoznania obiektu (studia uwarunkowaĔ geologicznych i geotechnicznych,
panujące tam warunki meteorologiczne), odpowiedniego doboru technologii
(w zaleĪnoĞci jakie wartoĞci bĊdą pozyskiwane w celu zasilenia bazy
danych), przyjĊcia optymalnego modelu kinematycznego (okreĞlenie
wartoĞci
krytycznych,
tolerancji
oraz
poziomu
ufnoĞci),
a takĪe skonfigurowania bazy danych. Przy tej okazji, wspomnieü naleĪy
takĪe o koniecznoĞci zachowania procedur standaryzacyjnych czy
problematyce zapewnienia jakoĞci. Elementy te są bowiem niezwykle waĪne
z pozycji zapewnienia bezpieczeĔstwa i wiarygodnoĞci prowadzonych prac.
Podsumowanie
Podsumowując, wyzwania wspóáczesnego bezpieczeĔstwa dotyczą
wielu wymiarów i aspektów, począwszy od jakoĞci Īycia ludzi, poprzez
funkcjonowanie sáuĪb paĔstwowych, a skoĔczywszy na zapewnieniu rozwoju
93
Zintegrowany system geodezyjnego monitorowania osuwisk
jako element infrastruktury zapewnienia bezpieczeÑstwa
2014
i efektywnoĞci gospodarki czy utrzymaniu odpowiedniego poziomu
infrastruktury. Kwestie te nabierają szczególnego znaczenia w dobie
dynamicznego
rozwoju
technologii,
elektroniki,
informatyki
i áącznoĞci. Poruszone problemy, w sposób szczególny dotyczą takĪe kwestii
bezpieczeĔstwa oraz zarządzania ryzykiem na obszarach osuwiskowych czy
naraĪonych na deformacje i przemieszczenia. WdraĪanie zintegrowanych
systemów monitoringu inĪynierskiego (geodezyjnego, budowlanego
i geotechnicznego), szczególnie w wersji zdalnej daje moĪliwoĞü
prawidáowego rozpoznania tychĪe zjawisk oraz podjĊcia decyzji zaradczych
zanim pojawiające siĊ drobne trendy wywoáają trudne do opanowania
konsekwencje. Obserwując dynamiczny rozwój technologii jak równieĪ
tendencje konstruowania przepisów prawnych i norm branĪowych, naleĪy
spodziewaü siĊ dalszego zintensyfikowania prac nad rozwojem opisanych
systemów oraz coraz szerszego ich stosowania w praktyce inĪynierskiej.
Literatura:
[1] Karsznia K., 2011: Monitoring obiektów inĪynierskich i zarządzanie
jakoĞcią w geomatyce, System kompleksowego zarządzania jakoĞcią
w budownictwie, Bezprzewodowe zarządzanie procesem budowlanym,
Wydawnictwa AGH Kraków, str. 82-95;
[2] Karsznia K., Czarnecki L., Skalski Z., 2010: System ciągáego
monitoringu deformacji odkrywkowych wyrobisk górniczych
a bezpieczeĔstwo prowadzenia robót górniczych, Przegląd Górniczy
10/2010, Nr 10 (1055), Tom 66(CVI), paĨdziernik 2010, str. 167-171;
[3] Karsznia K., 2010: Zastosowania geodezji zintegrowanej w monitoringu
strukturalnym i zarządzaniu jakoĞcią, Wspóáczesne osiągniĊcia nauki
geodezyjnej i produkcji, Zbiór prac naukowych Towarzystwa
Geodezyjnego, Wydanie II (20). Wydawnictwo Politechniki Lwowskiej,
Lwów, 2010. str. 95-101;
[4] Karsznia K., 2007: Nic nie jest statyczne, czyli system strukturalnego
monitoringu przemieszczeĔ i odksztaáceĔ Leica GeoMoS, Geodeta Magazyn Geoinformacyjny Nr 9 (148), wrzesieĔ 2007, s. 54-58;
[5] Kaczmarek T.T., 2010: Zarządzanie ryzykiem – UjĊcie
interdyscyplinarne, Wydawnictwo Difin SA, Warszawa;
[6] Kleczkowski A., 1955: Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa;
94
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
[7] Materiaáy internetowe PaĔstwowego Instytutu Geologicznego:
http://www.pgi.gov.pl/pl/osuwiska-uslugi-geologiczne/2005-sopoosuwiska-pod-kontrolp.html (System Osáony Przeciwosuwiskowej
SOPO);
[8] Norma PN-EN ISO 19101:2005, Informacja geograficzna - Model
tworzenia norm, ISBN 83-251-1711-7;
[9] Przewáocki S., 2010: Geomatyka, Wydawnictwo Naukowe PWN,
Warszawa;
[10] Rozporządzenie Ministra ĝrodowiska z dnia 20 czerwca 2007 r.
w sprawie informacji dotyczących ruchów masowych ziemi,
Dz.U.07.121.840;
[11] Witakowski P., 2007: zdalne monitorowanie obiektów budowlanych
podczas budowy i eksploatacji, Czasopismo Techniczne, Wydawnictwo
Politechniki Krakowskiej;
[12] Wolski B., 2006: Monitoring metrologiczny obiektów geotechnicznych,
Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków.
95
Analiza zapisów miejscowych planów zagospodarowania przestrzennego
pod k¦tem ochrony Skarpy Warszawskiej przed geozagroĂeniami
2014
Agata Pawáat-Zawrzykraj, Konrad Podawca
Szkoáa Gáówna Gospodarstwa Wiejskiego
Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska
e-mail: [email protected], [email protected]
Analiza zapisów miejscowych planów zagospodarowania
przestrzennego pod kątem ochrony Skarpy Warszawskiej
przed geozagroĪeniami
WstĊp
GeozagroĪenia zaczynają odgrywaü coraz wiĊksze znaczenie
w planowaniu przestrzennym, gáównie ze wzglĊdu na konsekwencje
i potencjalne zniszczenia, jakie niosą za sobą. NajczĊĞciej wymienianymi
geozagroĪenia są: osuwiska, powodzie i podtopienia, naturalne
i antropogeniczne skaĪenia terenu, erozje skalne, wstrząsy sejsmiczne i ich
nastĊpstwa.
GeozagroĪenia na terenie Skarpy Warszawskiej to gáównie osuwiska
i podtopienia. Osuwiska są spowodowane gáównie nastĊpującymi
czynnikami: zawodnieniem skarpy (spáyw wód opadowych, erozja,
nawadnianie
skarpy),
obecnoĞcią
gruntów
antropogenicznych,
nieodpowiednią zabudową korony skarpy oraz podcinaniem skarpy czy
usuwaniem roĞlinnoĞci [RóĪyĔski 2013].
Sprawy zagroĪeĔ osuwiskami w zagospodarowaniu przestrzennym
stają siĊ aktualnym tematem rozwaĪaĔ geologów, geodetów, urbanistów
i planistów [Szafarczyk 2011, Grabowski i in. 2008]. Dowodem tego jest
wiele spotkaĔ poĞwiĊconych tej tematyce, m.in. seminarium pt. Problematyka
zagroĪenia osuwiskami w planowaniu przestrzennym, które odbyáo siĊ
w dniu 29 maja 2012 r. w Krakowie, a organizowane przez Poáudniową
OkrĊgową IzbĊ Urbanistów czy konferencja pt. GeobezpieczeĔstwo
i gospodarka wodna na terenie dzielnicy Wilanów w ramach XI
96
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
MiĊdzynarodowych Targów Geologicznych w dniach 8-9 maja 2013 r.
w PaĔstwowym Instytucie Geologicznym w Warszawie.
Poáączenie planowania przestrzennego i zagroĪeĔ osuwiskami jest
bardzo waĪne równieĪ z prakseologicznego punktu widzenia ze wzglĊdu na
opracowywany System Osáony Przeciwosuwiskowej o znaczeniu
ogólnopaĔstwowym. Wyniki projektu mają pomóc w zarządzaniu ryzykiem
osuwiskowym, czyli w ograniczeniu w znacznym stopniu szkód i zniszczeĔ
wywoáanych rozwojem osuwisk poprzez zaniechanie budownictwa
drogowego i mieszkaniowego w obrĊbie aktywnych i okresowo aktywnych
osuwisk. Jest to obecnie jeden z najwaĪniejszych projektów geologicznych
realizowanych w Ministerstwie ĝrodowiska, którego wyniki powinny mieü
odzwierciedlenie w zapisach miejscowych planów zagospodarowania
przestrzennego [RóĪycka 2013, Grabowski i in. 2008].
GeozagroĪenia w prawodawstwie polskim
Za najwaĪniejszy zapis prawny dotyczący osuwisk, z punktu widzenia
rzeczywistego zagroĪenia naleĪy uznaü nadanie osuwiskom charakteru
katastrofy naturalnej, dla zapobiegania lub usuwania, której celowym moĪe
staü siĊ ogáoszenie stanu klĊski Īywioáowej, zgodnie z Ustawą z dnia 18
kwietnia 2002 r. o stanie klĊski Īywioáowej [Dz. U. 2002 Nr 62 poz. 558].
W kontekĞcie Ğrodowiskowym naleĪy uwzglĊdniü zapisy z Ustawy
z dnia 27 kwietnia 2001 r. Prawo Ochrony ĝrodowiska [Dz. U. 2001, Nr 62,
poz. 627] podające definicjĊ ruchów masowych ziemi, oraz nakáadające na
starostĊ obowiązek rejestracji terenów zagroĪonych ruchami masowymi
ziemi oraz terenów, na których wystĊpują te ruchy.
Potencjalnie najbardziej skutecznym narzĊdziem przeciwdziaáania
geozagroĪeniom jest planowanie przestrzenne, dla którego podstawĊ prawną
dotyczącą zakresu opracowaĔ planistycznych, jak równieĪ aspektów
proceduralnych stanowi Ustawa o planowaniu i zagospodarowaniu
przestrzennym [Dz. U. z 2003 r. Nr 80 poz. 717 z póĨ. zm.]. MoĪna
stwierdziü, Īe juĪ zapis Art. 1 pkt. 2. mówiący o uwzglĊdnianiu
w planowaniu
przestrzennym
wymagaĔ
ochrony
zdrowia
oraz
bezpieczeĔstwa ludzi i mienia moĪe byü interpretowany jako
przeciwdziaáanie m.in. geozagroĪeniom.
W przypadku planowania na poziomie gminy w Art.10. pkt.1
powyĪszej ustawy, mówiącym o zasadach sporządzania studium,
97
Analiza zapisów miejscowych planów zagospodarowania przestrzennego
pod k¦tem ochrony Skarpy Warszawskiej przed geozagroĂeniami
2014
powiedziane jest, Īe w „studium uwzglĊdnia siĊ uwarunkowania wynikające
w szczególnoĞci z m.in. wystĊpowania obszarów naturalnych zagroĪeĔ
geologicznych”, a w pkt. 2, Īe w „studium okreĞla siĊ w szczególnoĞci
obszary naraĪone na niebezpieczeĔstwo powodzi i osuwania siĊ mas
ziemnych”. Podobne zapisy moĪemy znaleĨü odnoĞnie miejscowego planu
zagospodarowania przestrzennego, w którym obowiązkowo, wedáug Art. 15
pkt. 2, naleĪy wyznaczyü „granice i sposoby zagospodarowania terenów lub
obiektów podlegających ochronie, ustalonych na podstawie odrĊbnych
przepisów, w tym terenów górniczych, a takĪe obszarów szczególnego
zagroĪenia powodzią oraz obszarów osuwania siĊ mas ziemnych”. Zgodnie
z Rozporządzeniem w sprawie wymaganego zakresu projektu miejscowego
planu zagospodarowania przestrzennego [Dz. U. 2003, Nr 164, Poz. 1587
Par. 4 ] ustalenia dotyczące zasad ochrony Ğrodowiska, przyrody i krajobrazu
kulturowego powinny zawieraü nakazy, zakazy, dopuszczenia i ograniczenia
w zagospodarowaniu terenu. NaleĪy podkreĞliü, Īe wójt, burmistrz albo
prezydent miasta, tak w przypadku studium, jak i miejscowego planu
zagospodarowania przestrzennego, jest zobowiązany uzyskaü opiniĊ od
wáaĞciwych organów administracji geologicznej, w tym w zakresie terenów
zagroĪonych osuwaniem siĊ mas ziemnych [Dz. U. z 2003 r. Nr 80 poz. 717
Art. 11, Art. 17]. W związku z tym, Īe wiĊkszoĞü wyznaczonych w studium
terenów zagroĪonych osuwaniem siĊ mas ziemnych (osuwisk) powinna byü
wyáączona spod jakiejkolwiek dziaáalnoĞci gospodarczej, a zwáaszcza
lokalizowania na ich obszarze zabudowy mieszkaniowej – bardzo waĪne są
zapisy mówiące o zmianach przeznaczenia terenów oraz o odszkodowaniach
za poniesione rzeczywiĞcie szkody i roszczeniach, o które w stosunku do
gminy mogą siĊ staraü wáaĞciciele terenów báĊdnie zaplanowanych
w aspekcie geozagroĪeĔ.
Cel i zakres badaĔ
Celem badaĔ byáa analiza zapisów miejscowych planów
zagospodarowania
przestrzennego
pod
kątem
prawidáowego
zagospodarowania terenów Skarpy Warszawskiej oraz obszarów
bezpoĞrednio z nią sąsiadujących.
Zakres tematyczny badaĔ obejmowaá sprawdzenie wytycznych
przestrzenno-inwestycyjnych w kontekĞcie zapewnienia bezpieczeĔstwa
krajobrazowo-przyrodniczego Skarpy Warszawskiej z jednoczesnym
98
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
bezpieczeĔstwem istniejących i projektowanych terenów i obiektów
w zasiĊgu oddziaáywania skarpy w postaci:
ƒ zakazów - lokalizacji nowych obiektów kubaturowych, lokalizacji sieci
uzbrojenia podziemnego, wykonywania inwestycji (wykopów) liniowych
równolegáych do skarpy, prowadzenia przewodów wodociągowych,
prowadzenia
przedsiĊwziĊü
technicznych,
gospodarczych
i inwestycyjnych niekorzystnie wpáywających na stosunki wodne lub
zagraĪających stabilnoĞci skarpy, przeksztaácania rzeĨby terenu,
za wyjątkiem prac związanych z zabezpieczeniem przeciwosuwiskowym,
wprowadzania
ogrodzeĔ,
lokalizacji
zbiorników
wodnych,
odprowadzania wód deszczowych w sposób zorganizowany na teren
stoku;
ƒ nakazów - podáączenia obiektów kubaturowych do kanalizacji
deszczowej, prowadzenie przewodów wodociągowych w technologiach
dających gwarancjĊ szczelnoĞci, ochrony roĞlinnoĞci (z moĪliwoĞcią
uzupeánienia o nowe nasadzenia), wykonywania dokumentacji
geologiczno-inĪynierskiej dla wszystkich przedsiĊwziĊü inwestycyjnych,
stosowania rozwiązaĔ technicznych zapewniających stabilnoĞü zboczy,
zachowania powiązaĔ widokowych;
ƒ dopuszczenia - lokalizowania nowej zabudowy bądĨ wymiany budynku
istniejącego jedynie w sytuacji uzyskania przez inwestora pozytywnej
opinii geotechnicznej wykonanej pod kątem wpáywu inwestycji na
statecznoĞü Skarpy, tj. zawierającej prognozĊ statecznoĞci zboczy
z uwzglĊdnieniem lokalizacji inwestycji, wykonywania wykopów
liniowych równolegáych do korony Skarpy uzaleĪnione od uzyskania
przez inwestora pozytywnej opinii geotechnicznej wykonanej pod kątem
wpáywu inwestycji na statecznoĞü Skarpy, tj. zawierającej prognozĊ
statecznoĞci zboczy z uwzglĊdnieniem lokalizacji inwestycji,
dopuszczenie adaptacji istniejącej zabudowy z moĪliwoĞcią remontów
i modernizacji;
ƒ zaleceĔ - lokalizowania nowych obiektów w siedliskach poza strefą
ochronną, stosowania rozwiązaĔ technicznych zapewniających stabilnoĞü
zboczy.
Zakres terytorialny badaĔ obejmowaá wszystkie obowiązujące
miejscowe plany zagospodarowania przestrzennego (Tabela 1., stan na
koniec 2013 r.) w obszarze zagroĪonym ruchami masowymi i osuwiskami,
wynikającymi z przebiegu Skarpy Warszawskiej.
99
Analiza zapisów miejscowych planów zagospodarowania przestrzennego
pod k¦tem ochrony Skarpy Warszawskiej przed geozagroĂeniami
2014
Ze wzglĊdu na rozkáad przestrzenny obszarów objĊtych ustaleniami
planów miejscowych oraz zmienny charakter samej Skarpy wydzielono trzy
obszary badaĔ: poáudniowy, centralny i póánocny (Rys. 1)
Tabela 1. Wykaz miejscowych planów zagospodarowania przestrzennego objĊtych
analizą (zgodne z rys. 2-4) -opr. Autora
NR
mpzp
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
OBSZAR/DZIELNICA
NR UCHWAàY
Uchwaáa Nr 887 Rady Gminy WarszawaWilanów z dn. 26 wrzeĞnia 2002 r.
dawna wieĞ Kabaty, rejon Uchwaáa Nr 165Rady Gminy Warszawaul. Nowoursynowskiej/ Ursynów Ursynów z dn. 16 listopada 1999 r.
rejon ulicy Paáacowej w czĊĞci
Uchwaáa Nr LXVIIIl/1993/2006 Rady Miasta
zachodniej/Wilanów
Stoáecznego Warszawy z dn. 9 lutego 2006 r.
dawna wieĞ Wolica/ Ursynów
Uchwaáa nr 520 Rady Gminy WarszawaUrsynów z dn. 12 maja 1998 r.
rejonu Wilanowa Zachodniego
Uchwaáa Nr 405 Rady Gminy Warszawacz.I/ Wilanów (fragment)
Wilanów z dn. 18 stycznia 2001 r.
rejonu Wilanowa Zachodniego
Uchwaáa Nr LXXVII/2421/2006 Rady miasta
czĊĞü II/ Wilanów (fragment)
stoáecznego Warszawy z dn. 22 czerwca 2006 r.
rejon ul. Nowoursynowskiej/ Uchwaáa Nr XXVIII/595/2011 Rady Miasta
Stoáecznego Warszawy z dn. 1 grudnia 2011 r.
Ursynów
rejon Ğw. Katarzyny - czĊĞü I/
Uchwaáa Nr LI/1500/2013 Rady Miasta
Ursynów
Stoáecznego Warszawy z dn. 7 marca 2013 r.
rejon pod Skocznią – czĊĞü I/ Uchwaáa Nr XLII/1299/2008 Rady Miasta
Stoáecznego Warszawy z dn. 23 paĨdziernika
Mokotów
2008 r.
rejon Dworca Poáudniowego/ Uchwaáa Nr LXXVII/2422/2006 Rady Miasta
Stoáecznego Warszawy z dn. 22 czerwca 2006r.
Mokotów
rejon ulicy Potuákaáy/ Wilanów
rejon skrzyĪowania ul. Puáawskiej
z ciągiem ulic Racáawicka-Dolna
- czĊĞü I./ Mokotów
rejon
Starego
Mokotowa/
Mokotów
czĊĞü terenu ĩoliborza
Historycznego/ ĩoliborz
14.
teren „ĩoliborza
Dziennikarskiego”/ ĩoliborz
15.
obszar otoczenia ul. Juliusza
Sáowackiego/ ĩoliborz
Uchwaáa Nr LXXXII/2739/2006 Rady Miasta
Stoáecznego Warszawy z dn. 10 paĨdziernika
2006 r.
Uchwaáa Nr LXX/2187/2010 Rady Miasta
Stoáecznego Warszawy z dn. 14 stycznia 2010r.
Uchwaáa Nr LXXXII/2738/2006 Rady Miasta
Stoáecznego Warszawy z dn. 10 paĨdziernika
2006 r.
Uchwaáa Nr XXVI/504/2011 Rady Miasta
Stoáecznego Warszawy z dn. 20 paĨdziernika
2011 r.
Uchwaáa Nr 2067/LXXXIII/2002 Rady Gminy
Warszawa-Centrum z dn. 10paĨdziernika 2002r.
100
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
16.
17.
18.
2014
Marymont – Marymont I – czĊĞü I Uchwaáa Nr LXVII/2081/2009 Rady Miasta
Stoáecznego Warszawy z dn. 26 listopada 2009
teren "WĊzáa Póánocnego" - czĊĞü Uchwaáa Nr 431/II/01 Rady Gminy WarszawaBielany z dn. 19 stycznia 2001 r.
I/ Bielany
osiedle Máociny -czĊĞü IIb miĊdzy Uchwaáa Nr 585/XVIII/01 Rady Gminy
ulicami Woycickiego, Puákową,
Warszawa - Bielany z dn. 7 grudnia 2001 r.
Pasymską, Encyklopedyczną,
Michaliny, granicą Huty / Bielany
Rys. 1. Podziaá terenów powiązanych ze Skarpą Warszawską na trzy obszary objĊte
analizą: A-poáudniowy, B-centralny, C-póánocny (opr. autora)
Skarpa Warszawska jako obszar geozagroĪeĔ
Skarpa Warszawska jest krawĊdzią czwartorzĊdowej równiny
polodowcowej podciĊtej od wschodu przez WisáĊ, wyniesioną do 18 m nad
poziom tarasu nadzalewowego. Linia Skarpy urozmaicona jest licznymi
wciĊciami erozyjnymi, mającymi charakter prostych lub zakrzywionych
rozciĊü wąwozowych oraz dolinek erozyjnych, czasami z niewielkimi
strumieniami. Skarpa jest jedynym elementem Równiny Mazowieckiej, który
pozwala uwypukliü jej walory widokowe. Ze Skarpy utrzymuje siĊ ciągle
jeszcze atrakcyjny widok na dolinĊ Wisáy.
101
Analiza zapisów miejscowych planów zagospodarowania przestrzennego
pod k¦tem ochrony Skarpy Warszawskiej przed geozagroĂeniami
2014
Skarpa Warszawska oraz sąsiadujące z nią szeĞü wąwozów o dáugoĞci
150 do 300 m obok skarpy i okolicznych lasów stanowią wyjątkowo
malowniczy element krajobrazu. Niestety, są one obecnie naraĪone na
niewáaĞciwe zagospodarowanie, czego wyrazem jest rozwój zabudowy
(czĊsto o duĪej intensywnoĞci) w bliskim sąsiedztwie oraz na koronie skarpy,
jak równieĪ lokalizacja infrastruktury drogowej przecinającej skarpĊ
gáĊbokimi wąwozami potĊgując erozjĊ wgáĊbną. Degradacja skarpy widoczna
jest teĪ w rejonach wystĊpowania Ĩródeá oraz w miejscach wycieku
nieszczelnej sieci wodno-kanalizacyjnej. NajwiĊkszą aktywnoĞü procesów
osuwiskowych stwierdzono na kilku odcinkach:
ƒ mokotowskim (rejon Arkadii, stadionu Warszawianka, ul. Chocimskiej,
Belwederu i àazienek – z rozwijającym sie osuwiskiem);
ƒ Trasy àazienkowskiej i ul. MyĞliwieckiej – z czynnym osuwiskiem,
Muzeum Wojska Polskiego, od ul. Tamka do ul. Sanguszki i od Mostu
GdaĔskiego do ul. KrasiĔskiego [Opracowanie ekofizjograficzne do
studium 2006];
ƒ ursynowskim z wąwozami (m.in. osuwisko przy ul. Kokosowej, które
uaktywniáo siĊ po majowych opadach 2010 r., a w jego wyniku
uszkodziá siĊ 1 budynek oraz zamkniĊto ul. Orszady; osuwisko przy
ul. Gąsek w wyniku rozmycia erozyjnego [RóĪyĔski 2013].
Ochrona skarpy w polityce przestrzennej miasta
Walory kulturowe, krajobrazowe oraz przyrodnicze Skarpy
Warszawskiej są przedmiotem badaĔ i analiz. [Wolski i in. 1996, Pluta 2008,
Sokoáowska i in. 2013] W wielu opracowaniach moĪna znaleĨü wskazania do
ochrony skarpy, np. propozycje:
ƒ stworzenia wzdáuĪ skarpy linearnego systemu rekreacyjnego,
poáączonego z innymi terenami otwartymi miasta;
ƒ odsuniĊcie zabudowy, co najmniej 50 m od krawĊdzi Skarpy,
z koniecznoĞcią utworzenia pasa ochronnego i przejĞciowego miĊdzy
terenami zabudowanymi a otwartymi, z powiązaniem go z projektowaną
zielenią osiedlową;
ƒ utrzymanie zielonego korytarza szerokoĞci 100-200 m wzdáuĪ Skarpy
z ekstensywnymi formami zagospodarowania. [Wolski i in. 1996]
Wyrazem dąĪenia do zachowania róĪnorodnych walorów skarpy
Warszawskiej jest stworzenie moĪliwie spójnej formy jej ochrony w skali
102
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
caáego miasta. Podstawowym dokumentem, w którym sformuáowano zasady
ochrony, ksztaátowania i zagospodarowania Skarpy Warszawskiej jest
Studium uwarunkowaĔ i kierunków zagospodarowania przestrzennego
miasta stoáecznego Warszawy [Studium 2006, 2010]. Zgodnie ze Studium na
terenach wystĊpowania ruchów masowych ziemi oraz na terenach
zagroĪonych ruchami masowymi wskazuje siĊ obszary:
ƒ bezpoĞredniej ochrony stoku, obejmujący zbocza Skarpy Warszawskiej
na caáej jej dáugoĞci wraz z terenami poáoĪonymi w odlegáoĞci 30 m od
korony i 20 m od dolnej krawĊdzi stoku;
ƒ poĞredniej ochrony stoku, obejmujący tereny poáoĪone w pasie
o minimalnej szerokoĞci 100 m od korony Skarpy Warszawskiej i 50 m
od jej dolnej krawĊdzi, dla których ustala siĊ obowiązek wykonywania
dokumentacji geologiczno-inĪynierskiej dla wszystkich przedsiĊwziĊü
inwestycyjnych, zawierającej m.in. ocenĊ stabilnoĞci skarpy oraz
wpáywu projektowanej inwestycji na jej stabilnoĞü, okreĞlającej warunki
geotechniczne posadowienia obiektów budowlanych, sposoby
przeciwdziaáania procesom osuwiskowym i preferowane zabezpieczenia
techniczne chroniące przed ich uruchomieniem, a przede wszystkim
obowiązek wyznaczenia w mpzp.
Pod wzglĊdem Ğrodowiskowym zakazuje siĊ odprowadzania na zbocza
skarpy wód opadowych i roztopowych ujĊtych w system kanalizacyjny oraz
nakáada obowiązek zachowania, pielĊgnacji i uzupeániania roĞlinnoĞci
ograniczającej erozjĊ zboczy oraz utrzymującej ich stabilnoĞü.
W obszarze bezpoĞredniej ochrony stoku ponadto ustala siĊ zakaz
lokalizowania nowych obiektów budowlanych, nadbudowy i rozbudowy
obiektów istniejących za wyjątkiem inwestycji celu publicznego w zakresie
ukáadu drogowo-ulicznego i infrastruktury inĪynieryjnej okreĞlonych
w Studium oraz zakaz grodzenia.
Analiza obiektów badaĔ
W obecnie obowiązującym systemie planowania przestrzennego
w Polsce plany miejscowe są najbardziej skutecznym narzĊdziem
prowadzenia racjonalnej i zrównowaĪonej gospodarki przestrzennej. Analiza
przestrzennego rozmieszczenia obszarów objĊtych obowiązującymi
miejscowymi planami zagospodarowania przestrzennego poáoĪonych
w zasiĊgu Skarpy Warszawskiej lub w jej bezpoĞrednim sąsiedztwie
103
Analiza zapisów miejscowych planów zagospodarowania przestrzennego
pod k¦tem ochrony Skarpy Warszawskiej przed geozagroĂeniami
2014
potwierdza dotychczasową tendencjĊ do wiĊkszej aktywnoĞci planistycznej
na peryferiach Warszawy, a niewielkiej w centrum. WiĊkszoĞü
analizowanych planów jest zlokalizowana w poáudniowej czĊĞci Warszawy,
gáównie w dzielnicach Ursynów i Wilanów (plany nr 1-8 – Rys. 2.), kilka
w dzielnicy Mokotów (plany nr 9-12, Rys. 3.), pozostaáe w póánocnej czĊĞci
miasta, w gminach ĩoliborz i Bielany (plany nr 13-18, Rys. 4.). U podstaw
takiego zróĪnicowania w lokalizacji obszarów planistycznych leĪy sama
struktura przestrzenna Warszawy. Dzielnice Wilanów i Ursynów, dla których
skarpa niezbyt fortunnie stanowi granicĊ administracyjną, od kilkunastu lat
przeĪywają bardzo intensywny rozwój spoáeczno-gospodarczy, przede
wszystkim dziĊki pozyskiwaniu nowych obszarów inwestycyjnych lub
miejscami w wyniku intensyfikacji zagospodarowania juĪ istniejącego
[Bartoszczuk 2012]. Skarpa Warszawska doĞü dáugo zachowywaáa swój
naturalny charakter, jednak rosnące zainteresowanie terenami budowlanymi
w tym rejonie spowodowaáo wzrost zagroĪenie dla stabilnoĞci skarpy i tym
samym koniecznoĞü doprecyzowania zasad jej zagospodarowania.
Obszar Mokotowa, ĩoliborza, oraz czĊĞü Bielan to stare, mocno
zainwestowane dzielnice, czĊĞciowo objĊte ochroną kulturową, gdzie plany
mają za zadanie uporządkowanie istniejącej tkanki miejskiej, w tym
uzupeánienie zabudowy. Skarpa Warszawska, wyraĨnie wpisana
w fizjonomiĊ tej czĊĞci miasta, jest mocno przeksztaácona i zabudowana, tym
samym w jeszcze bardziej wymaga ochrony.
W centralnie poáoĪonych dzielnicach Warszawy, opracowywanie
miejscowych planów napotyka na wiele problemów natury formalnej, w tym
wáasnoĞciowej. W dzielnicy ĝródmieĞcie w graniach Skarpy, dla której jest
ona bardzo waĪnym elementem ksztaátującym przestrzeĔ miejską, nie ma na
dzieĔ dzisiejszy Īadnych obowiązujących planów.
Analiza zasad zagospodarowania w miejscowych planach dotyczących
Skarpy Warszawskiej wskazuje na tendencjĊ do formuáowania zapisów:
ƒ w podziale na ochronĊ w dwóch strefach: ochrony bezpoĞredniej
i ochrony poĞredniej,
ƒ z wydzieleniem dwóch-trzech stref o zróĪnicowanych zasadach
zagospodarowania;
ƒ jednakowych dla caáej skarpy i obszaru z nią związanego.
W pierwszym przypadku - strefa ochrony bezpoĞredniej - obejmuje przede
wszystkim sam stok Skarpy z niewielkim pasem terenu wzdáuĪ korony
i dolnej krawĊdzi stoku. Granice tej strefy są ustalone zwykle tylko na
104
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
rysunku planu, rzadziej precyzyjnie zapisane równieĪ w uchwale (np. plan nr
8 – strefa ochrony bezpoĞredniej obejmuje stok Skarpy na caáej jej dáugoĞci
wraz z terenami poáoĪonymi w odlegáoĞci 30 m od korony i 20 m od dolnej
krawĊdzi stoku). Taka forma ochrony skarpy jest stosowana we wszystkich
planach w obszarze poáudniowym oraz w dwóch planach czĊĞci centralnej
(plany 9 i 10). Jest to doĞü czytelny podziaá, pozwalający uzyskaü ciągáoĞü
przestrzenną terenów w ramach strefy ochrony bezpoĞredniej, które powinny
zachowaü charakter jak najbardziej naturalny, jako obszary biologicznie
czynne, stanowiące element systemu przyrodniczego miasta, przeznaczone na
tereny zieleni. Miejscami Skarpa objĊta jest równieĪ ochroną rezerwatową.
Na kilku dziaákach zlokalizowana jest zabudowa zagrodowa. Zasady
zagospodarowania w omawianej strefie zwykle obejmują:
ƒ wykluczenie dziaáalnoĞü inwestycyjnej, z wyjątkiem inwestycji celu
publicznego, w tym przede wszystkim infrastruktury drogowej;
ƒ na dziaákach zabudowy zagrodowych – dopuszcza siĊ adaptacjĊ
istniejącej zabudowy z moĪliwoĞcią remontów i modernizacji
(po uzyskaniu pozytywnej opinii geotechnicznej), z zaleceniem
stopniowej likwidacji obiektów o charakterze gospodarczym
zlokalizowanych w wąwozach;
ƒ ochronĊ istniejącej roĞlinnoĞci i ewentualne dosadzenia (znaczenie
przyrodnicze i stabilizujące rzeĨbĊ skarpy),
ƒ zakaz przeksztaácania rzeĨby,
ƒ zakazy dotyczące odprowadzania wód deszczowych na teren Skarpy
oraz lokalizowania przewodów wodociągowych.
WyĪej wymienione zasady zagospodarowania Skarpy bĊdą niewątpliwie
skutecznym narzĊdziem prowadzenia gospodarki przestrzennej na tym
obszarze. Jednak dotyczą one bardzo ograniczonego terenu.
W strefie ochrony poĞredniej w poáudniowej i centralnej czĊĞci
Warszawy nie ma juĪ tak czytelnego podziaáu funkcjonalnego. Zachowaáy siĊ
niewielkie enklawy terenów zieleni, ale przewaĪają obszary zabudowy
mieszkaniowej (najczĊĞciej jednorodzinnej w formie szeregowej)
i mieszkaniowej z usáugami. Mimo Īe w planach mowa o zabudowie
ekstensywnej, to áatwo zauwaĪyü presjĊ inwestycyjną (szczególnie wzdáuĪ
korony Skarpy w dzielnicach Ursynów i Mokotów) potencjalnie negatywnie
oddziaáującą na stabilnoĞü Skarpy oraz jej walory przyrodnicze
i krajobrazowe. W wiĊkszoĞci są to obiekty juĪ istniejące – w takim wypadku
plan reguluje jedynie ewentualne przebudowy, dobudowy, czy nadbudowy
105
Analiza zapisów miejscowych planów zagospodarowania przestrzennego
pod k¦tem ochrony Skarpy Warszawskiej przed geozagroĂeniami
2014
i takie dziaáania, zgodnie z wszystkimi planami, muszą uzyskaü pozytywną
opiniĊ geotechniczną. W lokalizowaniu nowych obiektów, poza oceną
geotechniczną, istotnym narzĊdziem ochrony skarpy jest linia
nieprzekraczalnej zabudowy. W przypadku obszarów oddziaáujących
poĞrednio na teren Skarpy pozytywny jest juĪ sam fakt uchwalenia dla nich
miejscowych planów, doprecyzowujących zasady zagospodarowania, a tym
samym dające narzĊdzie koordynacji i kontroli dla dziaáaĔ, które mogą
oddziaáywaü negatywnie na stan Skarpy.
Skarpa Warszawska i tereny z nią związane poáoĪone w póánocnej
czĊĞci miasta są objĊte obowiązującymi planami jedynie na fragmentach.
Mają one, jak to juĪ byáo wyĪej wspomniane, swoją specyfikĊ i odmienny
charakter. Silnie zainwestowane, z rozwiniĊtą zabudową mieszkaniową
i usáugową, z której czĊĞü jest objĊta ochroną konserwatora zabytków,
pociĊte infrastrukturą drogową. Trudno tutaj mówiü o naturalnym charakterze
skarpy i wspólnej w planach koncepcji jej ochrony. Widaü to w przypadku
planów nr 13-16, które dotyczą obszarów ze sobą sąsiadujących, na których
sama Skarpa widoczna jest juĪ tylko we fragmentach. W takich przypadkach
strefa ochrony Skarpy czĊsto obejmuje znaczny obszar z nią sąsiadujący.
Gáównymi narzĊdziami ochrony w analizowanych w tej czĊĞci
opracowaniach jest wprowadzenie obowiązku uzyskania pozytywnej opinii
geotechnicznej pod kątem wpáywu inwestycji na statecznoĞü Skarpy.
Dotyczy to wszelkich obiektów kubaturowych, jak teĪ infrastruktury.
W strefach obejmujących samą SkarpĊ w wiĊkszoĞci przypadków
uwzglĊdniono dodatkowo równieĪ zakazy dotyczące negatywnie
oddziaáujących na jej statecznoĞü wód opadowych oraz przesiąków
z nieszczelnej sieci wodociągowej (zakazy) oraz nakazy ochrony istniejącej
roĞlinnoĞci.
106
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Rys. 2. Lokalizacja obiektów badaĔ na tle zagroĪeĔ osuwiskowych na odcinku
poáudniowym Skarpy Warszawskiej (obszar A na Rys. 1) -opr. autora
107
Analiza zapisów miejscowych planów zagospodarowania przestrzennego
pod k¦tem ochrony Skarpy Warszawskiej przed geozagroĂeniami
2014
Rys. 3. Lokalizacja obiektów badaĔ na tle zagroĪeĔ osuwiskowych na odcinku
centralnym Skarpy Warszawskiej (obszar B na Rys. 1) -opr. autora
108
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Rys. 4. Lokalizacja obiektów badaĔ na tle zagroĪeĔ osuwiskowych na odcinku
póánocnym Skarpy Warszawskiej (obszar C na Rys. 1) -opr. Autora
109
110
Podziaá na dwie strefy
ochrony geotechnicznej
skarpy
- zasiĊg ustalony na
rysunku planu
Podziaá na dwie strefy
ochrony geotechnicznej
skarpy
- zasiĊg ustalony na
rysunku planu
3
4
1 (zakaz budowy i przebudowy,
nie dotyczy inwestycji celu
publicznego), 3, 5,6, 7, 9, 12, 13
1 (zakaz budowy i przebudowy
nie dotyczy inwestycji celu publicznego),
3, 5, 9, 12, 13
Dla terenów niezainwestowanych: 1, 3,
4, 8;
Dla terenów zainwestowanych
(przylegáych do ul. Kokosowej): 8, 10,
11, 15, 16
10, 12, 14, 15, 16
Ochrony poĞredniej -tereny
uĪytkowane jako zieleĔ Z
Ochrony bezpoĞredniej
Ochrony poĞredniej
10, 11. 14, 15, 16
Ochrony poĞredniej
Ochrony bezpoĞredniej -tereny
uĪytkowane jako zieleĔ
publiczna ZP
Dla terenów niezainwestowanych – 1, 3,
4, 8 ;
Dla terenów istniejących siedlisk
rolniczych i dziaáek istniejącej zabudowy
– 8,10, 11,14, 16, 17
1, 6, 12
III
Szczegóáowe zasady ochrony skarpy
dotyczące warunków
geotechnicznych*
Ochrony bezpoĞredniej
ObjĊto ochroną skarpĊ oraz pas terenu o szer. 100 m na
wschód od podnóĪa skarpy wyznaczonej granicą lasu. Skarpa
pozostaje w uĪytkowaniu leĞnym bez prawa do zabudowy.
1
Podziaá na dwie strefy
ochrony geotechnicznej
skarpy
- zasiĊg ustalony na
rysunku planu
II
I
2
Ogólne zasady ochrony Skarpy
NR
mpzp
W póánocnej czĊĞci obszaru objĊtego ochroną
bezpoĞrednią - istniejąca zabudowa zagrodowa
MR wraz z zabudową mieszkaniową
z usáugami MU – presja zabudowy, potencjalne
i istniejące zagroĪenie osuwiskami.
Utrzymanie terenu skarpy oraz obszaru
przylegáego do podnóĪa skarpy jako
biologicznie czynnych.
Plan zawiera wnioski do Zarządu Gminy
Warszawa - Wilanów dotyczące wspólnych
dziaáaĔ na rzecz ochrony Skarpy, w tym
poprzez: ochronĊ istniejącej roĞlinnoĞci
i wprowadzania nowych nasadzeĔ, utrzymania
terenów podskarpowych jako otwartych ter.
zielonych z wykluczeniem zabudowy,
likwidacjĊ zabudowy w wąwozach.
Plan zakáada ochronĊ terenów Skarpy, jako
obiektu o cennych walorach krajobrazowych
i przyrodniczych oraz tworzącej ponadlokalny
ciąg przyrodniczy
IV
Uwagi
Analiza zapisów miejscowych planów zagospodarowania przestrzennego
pod k¦tem ochrony Skarpy Warszawskiej przed geozagroĂeniami
2014
Tabela 2. Analiza zapisów w mpzp dotyczących ochrony skarpy przez geozagroĪeniami
Na terenach
wystĊpowania ruchów
masowych ziemi oraz na
ter. zagroĪonych ruchami
masowymi ustalono
podziaá na dwie strefy zasiĊg ustalony na
rysunku planu
Teren Skarpy oraz obszar
podskarpia znajduje siĊ
w wiĊkszoĞci
w granicach otuliny
rezerwatu „Skarpa
Ursynowska”
6
7
Skarpa oraz pas terenu
stanowiącego podskarpie
zostaáy objĊte ochroną
rezerwatową
5
I
111
Strefa obejmuje teren wzdáuĪ korony Skarpy,
zagospodarowany jako teren zieleni ZP (obszar
biologicznie czynny o duĪych walorach
krajobrazowych). Zachowanie ciągáoĞci
przestrzennej i przyrodniczej na terenie Skarpy
i u jej podnóĪa (poza obszarem objĊtym
planem).
Strefa obejmuje: w pán. czĊĞci tereny SGGW
(UN-ter. nauki), w Ğrodkowej MN i MW z
duĪą pow. biol. czynną, maáą intensywnoĞcią
zabudowy, w pád.- zabudowa jednorodzinna
szeregowa MN na duĪych dziaákach.
6, 12, 13, 19
PoĞredniej ochrony stoku Skarpy
Warszawskiej
Budowa koĞcioáa przy ul. Orszady budzi
kontrowersje pod wzglĊdem wpáywu
inwestycji na skarpĊ.
Plan jest bardziej czytelny w zestawieniu z
planem dla Wilanowa zachodniego cz. II.
Stanowią one wzajemne przestrzenne
dopeánienie. Obejmują teren skarpy oraz
podskarpia.
IV
1, 7, 9, 12
Brakuje ĞciĞle okreĞlonych zasad
zagospodarowania dotyczących ochrony
geotechnicznej Skarpy.
12
tereny otwarte w strefie ochrony
Ğrodowiska przyrodniczego miasta
(utrzymanie i ochrona ter. biologicznie
czynnych zwáaszcza wód i roĞlinnoĞci
áąkowej, zadrzewieĔ i zakrzewieĔ)
III
BezpoĞredniej ochrony stoku
Skarpy Warszawskiej
Przeznaczenie terenów Skarpy
Warszawskiej (ter. oznacz. 4 O) na
cele terenów zieleni otwartej Jako
przeznaczenie uzupeániające
dopuszczono obiekt koĞcielny na
ostaĔcu przy ul. Orszady z
wykluczeniem programu
parkingowego oraz zachowanie
istniejącej zabudowy
jednorodzinnej z moĪliwoĞcią
modernizacji lub wymiany
istniejących budynków.
Rezerwat „Las NatoliĔski”
– w poáudniowej czĊĞci
Rezerwat „Skarpa Ursynowska”
– w póánocnej czĊĞci
II
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Tabela 2. –cd
112
10
oraz strefĊ nadzoru
konserwatora przyrody
Plan wprowadza dwie
strefy ochrony Skarpy
Ustalono dwie strefy
BezpoĞredniej ochrony Skarpy
ochrony stoku Skarpy
Warszawskiej -zasiĊg
ustalony na rysunku planu
1,2,
- udziaá ter. biol. czynnych min. 90%,
9, 12, 14, 15
- udziaá terenów biologicznie czynnych min. 40%,
12
Ochrony poĞredniej (pas 26-52 m od
korony skarpy) – ter. ZR, miejscami ter.
MW, U
o szer. 50 m, licząc od korony Skarpy
Obejmująca tereny podskarpia, przeznaczone pod
zabudowĊ mieszkaniową ekstensywną MNE: 9, 12, 13,
18
Ochrony bezpoĞredniej (26 m od korony
skarpy) obejmuje gáównie tereny zieleni
rekreacyjnej ZR
PoĞredniej ochrony Skarpy
Obejmująca tereny skarpy i fragment na jej koronie,
przeznaczone pod tereny zieleni ZP, oraz usáug kultury
i zieleni urządzonej UK/ZP w pobliĪu skoczni: 1, 9, 7,
12, 13, 18
9, 12, 19
PoĞredniej ochrony Skarpy (obejmującą
rejony poáoĪone w pasie o min. szerokoĞci
100 m od korony Skarpy i 50 m od jej
dolnej krawĊdzi)
9
Dla niezabudowanego rejonu stoku Skarpy poáoĪonego
w ter. 5 ZP: 6, 7, 12
Dla niezabudowanego rejonu stoku Skarpy, czĊĞciowo
poáoĪonego w liniach rozgraniczających ul. Arbuzowej:
1, 6 (dopuszczone inwestycji celu publicznego w
zakresie infrastruktury technicznej i drogowej), 12 Dla
rejonu stoku Skarpy z istniejącą zabudową mieszkaniową
(11MN, 12MN, 13MN): 1, 6 (dopuszczone inwestycji
celu publicznego w zakresie infrastruktury tech. i
drogowej), 9, 12
III
BezpoĞredniej ochrony Skarpy (obejmująca
stok Skarpy na caáej jej dáugoĞci wraz z
terenami poáoĪonymi w odlegáoĞci 30 m od
korony i 20 m od dolnej krawĊdzi stoku,
wg rysunku planu)
Ustalono dwie strefy
ochrony stoku Skarpy
Warszawskiej oraz tereny
zagroĪone osuwaniem siĊ
mas ziemnych
II
8
I
Czytelnie okreĞlony
zasiĊg wszystkich stref
zarówno w tekĞcie jak
i na rysunku planu
Precyzyjnie ustalone
zasady wyznaczania
zasiĊgu stref ochronnych
skarpy.
Wschodnia granica
istniejącego cmentarza
stanowi miejsce
zagroĪone dla
stabilnoĞci skarpy
IV
Analiza zapisów miejscowych planów zagospodarowania przestrzennego
pod k¦tem ochrony Skarpy Warszawskiej przed geozagroĂeniami
2014
Tabela 2. –cd
113
5
3, 12, 13, 19
1, 6, 7
Strefa ochronna Skarpy Warszawskiej
(caáy teren dziaáania planu)
Obszar ochrony stoku Skarpy Warszawskiej
Ochrony bezpoĞredniej Skarpy Warszawskiej
(obszar poáoĪony w zasiĊgu 5,0 m od terenów
wykluczeĔ budowlanych zaznaczonych na
rysunku planu)
NiezaleĪnie od ochrony skarpy, wyznaczono obszary z trudnymi
warunkami posadowienia
Ochrona skarpy
obejmuje trzy strefy
13
Strefa niezbĊdnej ochrony przyrodniczej Skarpy Warszawskiej
15
16
4, 6, 8, 9, 12, 13
Strefa ochrony krajobrazu kulturowego - obszaru Skarpy Warszawskiej
6, 12, 20
Ochrona rzeĨby skarpy z
uwzglĊdnieniem: 4, 9, 8, 12,
13
14
Obszarów, które znajdują siĊ w rejestrze terenów
zagroĪonych ruchami masowymi ziemi.
Strefa ochrony przyrodniczej skarp i fosy
3, 5,6, 7, 9, 12, 14
BezpoĞredniej ochrony stoku;
13
3, 5, 9, 12, 14
Trzy strefy ochrony
skarpy – oznaczone
na rysunku planu
IV
Teren silnie przeksztaácony, zainwestowany,
przewaĪa zabudowa mieszkaniowa
jednorodzinna ekstensywna z usáugami.
Plan obejmuje czĊĞü ĩoliborza, czĊĞciowo objĊty
ochroną konserwatorską. Teren silnie
zainwestowany, skarpa nie ma ciągáoĞci
przestrzennej, a co za tym idzie strefa ochronna
obejmuje niewielkie obszary.
Nacisk na ochronĊ walorów przyrodniczych i
kulturowych Skarpy
Istotnym obiektem wpisanym w przebieg Skarpy
jest Fort Siergiej objĊty ochroną konserwatorską
6, 12, 14 (dotyczy stoku DuĪy nacisk na zachowanie powiązaĔ widokowych
skarpy lub obszaru w
odlegáoĞci 50 m od jej
gáównej krawĊdzi), 20
III
PoĞredniej ochrony stoku;
Teren objĊty szczególną ochroną Skarpy - obejmuje tereny zieleni
przeciĊte ul. Noworacáawicką, aleja spacerowa na skarpie
II
12
11
I
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Tabela 2. –cd
Strefa wzmoĪonego nadzoru Skarpy Warszawskiej
Wojewódzkiego Konserwatora Przyrody (50m od górnej
i 100 m od dolnej krawĊdzi skarpy).
Strefa ochrony Skarpy Warszawskiej oznaczona na
rysunku planu
17
18
Dla terenów leĪących w zasiĊgu Skarpy Warszawskiej
(obowiązuje na etapie decyzji o warunkach zabudowy
kaĪdorazowe uzgadnianie inwestycji z Wojewódzkim
Konserwatorem Przyrody i Wojewódzkim Konserwatorem
Zabytków.
Skarpa ma zachowaü funkcjĊ rekreacyjno-wypoczynkową:
1, 5, 10, 12, 13
III
Teren silnie przeksztaácony,
zainwestowany, przewaĪa
zabudowa mieszkaniowa
jednorodzinna
IV
*WyjaĞnienie zasad zagospodarowania:
1.
zakaz lokalizacji nowych obiektów kubaturowych;
2.
zakaz lokalizacji sieci uzbrojenia podziemnego;
3.
zakaz wykonywania inwestycji (wykopów) liniowych równolegáych do skarpy;
4.
zakaz prowadzenia przewodów wodociągowych;
5.
zakaz prowadzenia przedsiĊwziĊü technicznych, gospodarczych i inwestycyjnych niekorzystnie
wpáywających na stosunki wodne lub zagraĪających stabilnoĞci skarpy;
6.
zakaz przeksztaácania rzeĨby terenu, za wyjątkiem prac związanych z zabezpieczeniem
przeciwosuwiskowym,
7.
zakaz wprowadzania ogrodzeĔ;
8.
zakaz lokalizacji zbiorników wodnych;
9.
zakaz odprowadzania wód deszczowych w sposób zorganizowany na teren stoku;
10.
nakaz podáączenia obiektów kubaturowych do kanalizacji deszczowej;
11.
nakaz prowadzanie przewodów wodociągowych w technologiach dających gwarancjĊ szczelnoĞci;
12.
nakaz ochrony roĞlinnoĞci (z moĪliwoĞcią uzupeánienia o nowe nasadzenia).
II
I
Analiza zapisów miejscowych planów zagospodarowania przestrzennego
pod k¦tem ochrony Skarpy Warszawskiej przed geozagroĂeniami
114
2014
Tabela 2. -cd
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Podsumowanie
NaleĪy podkreĞliü, Īe obowiązek uwzglĊdniania potrzeb w zakresie
zapobiegania zagroĪeniom związanym z ruchami masowymi ziemi
w procesie planowania przestrzennego zaczyna siĊ juĪ na etapie studium
uwarunkowaĔ i kierunków zagospodarowania przestrzennego gmin.
Prawidáowe jego wykonanie, z uwzglĊdnieniem informacji z SOPO oraz
zmiany podejĞcia do geozagroĪeĔ, nie tylko geologów, ale geodetów,
urbanistów, planistów i samorządowców przyczyni siĊ do zwiĊkszenia
kontroli nad zjawiskami związanych z ruchami masowymi ziemi. Pozwoli
takĪe w przyszáoĞci na ograniczenie skutków ich wystąpienia, aby
zmniejszyü nie tylko straty ekonomiczne (bezpoĞrednie i poĞrednie)
wywoáywane przez osuwiska, lecz przeciwdziaáaü im juĪ na etapie
planowania.
W 2006 r. uchwalono Studium dla Warszawy, w którym uwzglĊdniono
na etapie uwarunkowaĔ rozwoju zarówno walory przyrodnicze, krajobrazowe
i kulturowe Skarpy Warszawskiej jak teĪ istniejące i potencjalne zagroĪenia.
W kierunkach rozwoju sformuáowano ogólne zasady zagospodarowania
i ochrony Skarpy. Mają one charakter wiąĪący i peánią rolĊ koordynacyjną.
Wymagają jednak doprecyzowania pod wzglĊdem przestrzennym oraz
uszczegóáowienia pod wzglĊdem merytorycznym, przede wszystkim poprzez
plany miejscowe. Analiza dotycząca pokrycia opracowaniami planistycznymi
Skarpy i obszarów z nią powiązanych wskazuje na:
ƒ prawie caákowitą ciągáoĞü przestrzenną wzdáuĪ Skarpy w poáudniowej
czĊĞci miasta,
ƒ znikomą aktywnoĞü planistyczną w centralnej czĊĞci oraz
fragmentaryczną w póánocnej.
Opracowania obejmujące obszary zlokalizowane w dzielnicach
Ursynów, Wilanów i Mokotów zawierają doĞü spójną przestrzennie
i merytorycznie koncepcjĊ ochrony skarpy w formie strefy ochrony
bezpoĞredniej i poĞredniej. Dla pierwszej z nich uchwalono zwykle duĪe
ograniczenia w uĪytkowaniu i zagospodarowaniu, zaĞ w drugiej
wprowadzono zapisy, które nie eliminują caákowicie zagroĪeĔ, ale pozwalają
w wiĊkszym stopniu kontrolowaü zmiany w zagospodarowaniu, potencjalnie
oddziaáujące na stabilnoĞü Skarpy. Analizowane opracowania uwzglĊdniają
równieĪ rangĊ przyrodniczą i kulturową Skarpy.
115
Analiza zapisów miejscowych planów zagospodarowania przestrzennego
pod k¦tem ochrony Skarpy Warszawskiej przed geozagroĂeniami
2014
Plany dla obszarów usytuowanych w dzielnicach ĩoliborz i Bielany
zawierają ograniczenia obejmujące w mniejszym stopniu samą SkarpĊ
(ze wzglĊdu na duĪe jej przeksztaácenie), ale obejmują zakazami i nakazami
znaczne obszary w jej pobliĪu. DuĪy nacisk poáoĪono teĪ na walory
kulturowe Skarpy Warszawskiej.
W skali miasta konieczne jest kontynuowanie procesu uchwalania
planów dla obszarów zlokalizowanych na Skarpie Warszawskiej oraz
w strefie z nią powiązanej. Pozwoli to przede wszystkim na doprecyzowanie
i uszczegóáowienie zasad ochrony stosownie do panujących uwarunkowaĔ,
a w nastĊpstwie - do prowadzenia racjonalnej i zrównowaĪonej gospodarki
przestrzennej nie tylko w skali ponadlokalnej, ale teĪ lokalnej.
Literatura
[1] Bartoszczuk W., 2012: Ocena lokalizacji obszarów planistycznych
w Warszawie. W: Gospodarka przestrzenna w Ğwietle wymagaĔ strategii
zrównowaĪonego rozwoju. PAN i KPZK, s. 266-272;
[2] Dz. U. 2002 Nr 62 poz. 558. Ustawa z dnia 18 kwietnia 2002 r. o stanie
klĊski Īywioáowej;
[3] Dz. U. 2001, Nr 62, poz. 627 Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. Prawo
Ochrony ĝrodowiska;
[4] Dz. U. z 2003 r. Nr 80 poz. 717 z póĨ. zm. Ustawa o planowaniu
i zagospodarowaniu przestrzennym;
[5] Dz. U. 200, Nr. 164 poz. 1587. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury
z dnia 26 sierpnia 2003 r. w sprawie wymaganego zakresu projektu
miejscowego planu zagospodarowania;
[6] RyĪyĔski G., 2013: GeozagroĪenia w budownictwie i zagospodarowaniu
przestrzennym na wilanowskim odcinku Skarpy Warszawskiej
w: Materiaáy konferencyjne „GeobezpieczeĔstwo i gospodarka wodna
na terenie dzielnicy Wilanów”, PIG, 8-9 maja 2013;
[7] Szafarczyk A., 2011: Geodezyjne metody monitoringu osuwisk,
Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich, Nr 2/2011, Polska
Akademia Nauk, Oddziaá w Krakowie, s. 293–300;
[8] Grabowski D., Marciniec P., Mrozek T., Nescieruk P, Rączkowski W,
Wójcik A, Zimnal Z., 2008: Instrukcja opracowania Mapy osuwisk i
terenów zagroĪonych ruchami masowymi, PaĔstwowy Instytut
Geologiczny, Warszawa;
116
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
[9] Pluta K., 2008: Zielone osie Mokotowa na obszarze Skarpy
Warszawskiej planowanie i zarządzanie, Zarządzanie krajobrazem
kulturowym. Prace Komisji Krajobrazu Kulturowego Nr 10 Sosnowiec,
s. 114-122;
[10] RóĪycka R., 2013: ZagroĪenia osuwiskowe a proces planowania
przestrzennego na przykáadzie gminy Zakliczyn, Infrastruktura
i Ekologia Terenów Wiejskich, Nr 3/I//2013, Polska Akademia Nauk,
Oddziaá w Krakowie, s. 183–193;
[11] Sokoáowska
M,
Majer
K,
2013:
Problemy
związane
z zagospodarowaniem przestrzennym oraz procesem inwestycyjnym na
obszarze doliny Wisáy i Skarpy Warszawskiej w: Materiaáy
konferencyjne „GeobezpieczeĔstwo i gospodarka wodna na terenie
dzielnicy Wilanów”, PIG, 8-9 maja 2013;
[12] Wolski P., Cieszewska A., Sieroszewska M., 1996: Funkcjonowanie
przyrodnicze Skarpy Ursynowskiej i wskazania do jej ochrony, Przegląd
Naukowy Wydziaáu Melioracji i InĪynierii ĝrodowiska. Z. 9, s.3-30;
[13] Studium uwarunkowaĔ i kierunków zagospodarowania przestrzennego
miasta stoáecznego Warszawy. Zaáącznik do Uchwaáy Nr
LXXXII/2746/2006 Rady m.st. Warszawy z dnia 10 paĨdziernika 2006.
[w:] http://www.um.warszawa.pl/wydarzenia/studium/index.php.
[14] Studium uwarunkowaĔ i kierunków zagospodarowania przestrzennego
miasta
stoáecznego
Warszawy.
Zaáącznik
do
Uchwaáy Nr
XCII/2689/2010 Rady m.st. Warszawy z dnia 7 paĨdziernika 2010 r.;
[15] Opracowanie ekofizjograficzne do Studium uwarunkowaĔ i kierunków
zagospodarowania przestrzennego miasta stoáecznego Warszawy. Biuro
Naczelnego Architekta Miasta. Miejska Pracownia Planowania
Przestrzennego i Strategii rozwoju. Warszawa 2006.
117
Ocena efektów prac modernizacyjnych zbiornika w LeĀnicy Wielkiej
na rzece Gnidzie
2014
Monika Gąsowska, Janusz UrbaĔski, Maágorzata Mostowska
Szkoáa Gáówna Gospodarstwa Wiejskiego
Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska
e-mail: [email protected], [email protected],
[email protected]
Ocena efektów prac modernizacyjnych zbiornika w LeĨnicy
Wielkiej na rzece Gnidzie
WstĊp
Zasoby wodne na Ziemi są bardzo duĪe, ale rozmieszczenie ich nie jest
równomierne. Od stuleci próbowano magazynowaü i wykorzystywaü wodĊ
budując zbiorniki wodne. Są one podstawowym elementem maáej retencji.
Zbiorniki zaporowe, tworzone w wyniku przegrodzenia koryta i doliny rzeki
budowlą piĊtrzącą speániają róĪne funkcje. Gromadzona w nich woda
w okresach jej nadmiaru wykorzystana moĪe byü na potrzeby gospodarcze
w czasie deficytu. Sztuczne zbiorniki retencyjne zmieniają reĪim
hydrologiczny rzek umoĪliwiając sterowanie przepáywami i przyczyniają siĊ
do zmniejszenia zagroĪenia powodziowego. Wykorzystywane są takĪe do
celów rekreacyjnych, stanowią ozdobĊ krajobrazu, oczyszczają wodĊ peániąc
funkcjĊ biofiltra [Mioduszewski 2006].
Zbiornik wodny oraz towarzyszące mu budowle piĊtrzące są
urządzeniami technicznymi i wymagają zawsze prowadzenia Ğwiadomej
eksploatacji, przeglądów, konserwacji i napraw [Mioduszewski 1999].
Obiekty te naraĪone są na uszkodzenia i katastrofy, do których dochodzi
gáównie w wyniku niedostatecznej znajomoĞci zjawisk przyrodniczych,
nierozpoznania wáaĞciwoĞci materiaáów budowlanych oraz podáoĪa, báĊdów
technicznych popeánionych na etapie wykonawstwa i nieprawidáowej
eksploatacji [Maáecki, Pokáadek 2010].
W miejscowoĞci LeĨnica Wielka, powiat zgierski, województwo
áódzkie w 1976 roku w oparciu o uproszczoną dokumentacjĊ techniczną
118
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
utworzono zbiornik wodny (Rys.1) o powierzchni 14,5 ha i pojemnoĞci 130
tys. m3. Zalew LeĨnicki powstaá w wyniku przegrodzenia koryta i doliny
rzeki Gnidy zaporą ziemną, zlokalizowaną w km 3+100. Rzeka Gnida jest
prawobrzeĪnym dopáywem Neru i przepáywa przez trzy powiaty: áĊczycki,
zgierski i poddĊbicki. Jej koryto o dáugoĞci 14 km jest w przewaĪającej
czĊĞci uregulowanym kanaáem. Powierzchnia zlewni wynosi okoáo 33 km2.
Gnida odwadnia tereny poáoĪone w zachodniej czĊĞci gminy ParzĊczew.
Jest rzeką przeprowadzającą maáe iloĞci wody i niestwarzającą zagroĪenia
powodziowego [Strategia… 2009].
Rys.1. Mapa sytuacyjno-wysokoĞciowa analizowanego zbiornika
Wieloletnia eksploatacja Zalewu LeĨnickiego i urządzeĔ mu
towarzyszących doprowadziáa do znacznego pogorszenia stanu technicznego
budowli piĊtrzących. W maju 2010 roku na skutek intensywnych opadów
deszczu zbiornik w krótkim czasie musiaá przyjąü ogromne iloĞci wody
dopáywające korytem rzeki Gnidy. W wyniku przejĞcia wezbrania doszáo do
przemieszczenia elementów urządzeĔ upustowej oraz lokalnych rozmyü
grobli piĊtrzących. Dalsza eksploatacja zbiornika w takim stanie nie byáa
moĪliwa i lokalne wáadze podjĊáy decyzjĊ o renowacji obiektu. W 2011 roku
odbudowano ziemne budowle piĊtrzące zbiornika oraz wykonano
zmodernizowaną budowlĊ upustową o konstrukcji Īelbetowej, ze spustem
dennym i przelewem.
W pracy przedstawiono wnioski z oceny stanu budowli piĊtrzących
zbiornika przed remontem, opisano zakres robót budowlanych wykonanych
119
Ocena efektów prac modernizacyjnych zbiornika w LeĀnicy Wielkiej
na rzece Gnidzie
2014
w związku z odbudową obiektu oraz scharakteryzowano zmodernizowane
budowle piĊtrzące i urządzenia upustowe. W czasie realizacji robót
dokumentowano kolejne etapy odbudowy obiektu analizując na bieĪąco
projekt budowlany [Wasilewski, Faflik 2009]. Po oddaniu obiektu do
eksploatacji w paĨdzierniku 2011 roku przeprowadzono jego inwentaryzacjĊ,
oglĊdziny konstrukcji oraz wykonano podstawowe pomiary liniowe
i niwelacyjne. W oparciu o wyniki pomiarów terenowych sporządzono
charakterystykĊ przepustowoĞci zmodernizowanych urządzeĔ upustowych
Zalewu LeĨnickiego. Dokonano rozpoznania hydraulicznych warunków
przeprowadzania wielkich wód przez urządzenia upustowe pod kątem oceny
zagroĪenia sąsiadujących ze zbiornikiem obszarów lokalnymi podtopieniami.
Stan zbiornika wodnego przed rekonstrukcją
Wieloletnia eksploatacja budowli piĊtrzących prowadzi do naturalnego
starzenia siĊ jej elementów, czego efektem są przemieszczenia, trwaáe
odksztaácenia obiektu oraz deformacje skarp i czaszy zbiornika wodnego.
Deformacje oraz przemieszczenia poszczególnych fragmentów zapory
spowodowane są przez siáy dziaáające na budowlĊ, ciĊĪar wáasny i uĪytkowy,
zjawiska atmosferyczne [BryĞ 1996]. W trakcie eksploatacji zaporowych
zbiorników wodnych wystĊpują liczne zagroĪenia ich bezpieczeĔstwa, które
mogą byü spowodowane przez róĪne czynniki. Są to miĊdzy innymi báĊdy
powstaáe przy projektowaniu oraz wykonawstwie budowli, nieodpowiednia
eksploatacja, zalegáoĞci w opracowaniach okresowych ocen stanu
technicznego, opóĨnione roboty konserwacyjne i remontowe [Hrycak,
Baranowski 2007].
KilkudziesiĊcioletnia eksploatacja zbiornika w LeĨnicy Wielkiej
doprowadziáa do pogorszenia siĊ jego stanu technicznego. Początkowo
funkcjĊ urządzeĔ upustowych zbiornika speániaá mnich z zastawką oraz dwa
przelewy awaryjne. ĩelbetowa konstrukcja mnicha silnie poroĞniĊta mchem
i roĞlinnoĞcią trawiastą ulegáa osáabieniu. WystĊpowaáy liczne pĊkniĊcia
konstrukcji i ubytki betonu. W záym stanie pozostawaáy równieĪ betonowe
umocnienia odwodnej skarpy zapory czoáowej zbiornika. Páyty betonowe
byáy spĊkane, a dylatacje rozszczelnione. Stan techniczny obiektu
zdecydowanie pogorszyá siĊ po przejĞciu wezbrania w maju 2011 roku
(Rys.2). Intensywny przepáyw duĪych objĊtoĞci wody spowodowaá lokalne
deformacje ziemnych budowli piĊtrzących i wypáukania gruntu z podáoĪa,
120
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
czego wynikiem byáy przemieszczenia betonowych elementów umocnieĔ
skarpy odwodnej.
Rys.2. PrzejĞcie wezbrania przez Zalew LeĨnicki w maju 2011 roku
(ĝwiniuch 2010)
Záy stan techniczny elementów betonowych uwidoczniá siĊ najbardziej na
wypadzie budowli (Rys. 3a). Liczne pĊkniĊcia páyt na dnie i skarpach
wypadu porastaáa roĞlinnoĞü. W wyniku przejĞcia wezbrania czĊĞciowo
rozmyty zostaá grunt pod páytami w dolnym stanowisku, ulegáy one
deformacji i przemieszczeniu [Gąsowska, UrbaĔski 2013]. W záym stanie
utrzymywane byáo koryto rzeki Gnidy za wypadem (Rys. 3b).
Charakteryzowaáo siĊ ono silnym porostem gĊstą roĞlinnoĞcią trawiastą na
skarpach oraz wystĊpowaniem pojedynczych krzewów, stanowiących lokalne
przeszkody ograniczające przepustowoĞü koryta szczególnie w czasie
przejĞcia wezbraĔ. BezpoĞrednio za wypadem budowli w korycie rzeki
znajdowaáy siĊ czĊĞci betonowych elementów, gáównie páyt stanowiących
wczeĞniej umocnienia dna i skarp, które bezáadnie wystĊpujące znacznie
pogarszaáy warunki przepáywu. Skutkiem tych zaniedbaĔ byáy powaĪne
podtopienia obszarów sąsiadujących ze zbiornikiem, jakie wystąpiáy w czasie
przejĞcia wezbrania w maju 2010 roku.
121
Ocena efektów prac modernizacyjnych zbiornika w LeĀnicy Wielkiej
na rzece Gnidzie
a)
2014
b)
Rys.3. Widok dolnego stanowiska budowli przed odbudową (a) i koryta rzeki Gnidy
poniĪej zbiornika (b) [Gąsowska, UrbaĔski 2013]
Skutkiem przejĞcia wezbrania byáy lokalne rozmycia ziemnych
konstrukcji budowli piĊtrzących. Uszkodzone zostaáy umocnienia odwodnej
skarpy lewostronnej grobli zbiornika. AĪurowe páyty betonowe popĊkaáy
i ulegáy przemieszczeniu, w wyniku czego doszáo do czĊĞciowego rozmycia
korpusu zapory bocznej.
Zakres prac modernizacyjnych zbiornika
Odbudowa i modernizacja budowli piĊtrzących zbiornika w LeĨnicy
Wielkiej miaáa na celu przywrócenie do stanu funkcjonalnoĞci obiektu
bĊdącego w záym stanie technicznym oraz naprawienie szkód, jakie wystąpiáy
w wyniku przejĞcia wezbrania w 2010 roku. Zbiornik od początku istnienia
speániaá przede wszystkim funkcjĊ rekreacyjną. W ostatnich latach eksploatacji
przed renowacją záy stan wizualny otoczenia Zalewu odstraszaá mieszkaĔców
i goĞci odwiedzających kąpielisko. Zaistniaáa sytuacja skáoniáa lokalne wáadze
do podjĊcia decyzji o odbudowie zbiornika i budowli towarzyszących.
Dokonano rozbiórki mnicha peániącego funkcjĊ spustu zbiornikowego oraz
zlikwidowano dotychczasowe przelewy awaryjne z bystrzami zastĊpując je
zmodernizowaną zespoloną budowlą upustową. Wykonano naprawy ziemnych
konstrukcji oraz umocnieĔ skarp grobli czoáowej i bocznej. UdroĪniono
i czĊĞciowo umocniono koryto rzeki poniĪej zbiornika.
Prace budowlane rozpoczĊto od udroĪnienia koryta rzeki Gnidy
w dolnym stanowisku i wykonania kanaáu ziemnego po trasie istniejącego
bystrza z wylotem do trzech rurociągów o Ğrednicy 0,50m, co umoĪliwiaáo
przeprowadzanie wód budowlanych. Podczas wykonywania prac, ze wzglĊdu
na zachowanie istniejącego rybostanu nie zrezygnowano caákowicie
122
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
z utrzymywania piĊtrzenia w obszarze zbiornika, a obniĪono zwierciadáo
wody do rzĊdnej 111,75 m.n.p.m. W celu zabezpieczenia wykopu
fundamentowego przed napáywem wody wykonano tymczasową grodzĊ
z odpowiednio zagĊszczonego gruntu pochodzącego z wykopów.
Wykorzystano takĪe stalową ĞciankĊ szczelną o dáugoĞci 23,0 m, którą wbito
na gáĊbokoĞü 4,0 m. Wykop fundamentowy odwadniano wykorzystując
istniejący system drenaĪowy. Po przeprowadzeniu prac rozbiórkowych
czĊĞciowo zniszczonego mnicha Īelbetowego przystąpiono do wykonania
konstrukcji budowli upustowej. Na dnie wykopu wykonano warstwĊ betonu
podkáadowego C8/10 o gruboĞci 0,20 m, a nastĊpnie Īelbetową páytĊ
fundamentową o gruboĞci 0,40m z betonu C16/20 (Rys.4a).
Zmodernizowana, zespolona budowla upustowa o konstrukcji
Īelbetowej, wykonana w postaci przelewu wieĪowego ze spustem dennym,
skáada siĊ z nastĊpujących elementów [Wasilewski, Faflik 2009]:
ƒ wieĪy przelewowej o wysokoĞci 3,20 m,
ƒ dwóch równolegáych rurociągów spustowych o dáugoĞci 22,0 m,
ƒ Īelbetowego doku wylotowego ze skrzydáami równolegáymi,
ƒ páyty wypadowej o dáugoĞci 4,0 m.
Upust wykonano w formie Īelbetowej wieĪy o przekroju prostokątnym
w planie i wymiarach zewnĊtrznych 5,10×2,10 m. GruboĞü Ğciany
zewnĊtrznej wynosi 0,30 m. Do wykonania budowli wykorzystano
mieszankĊ odpowiadającą klasie betonu B30/37 o stopniu wodoszczelnoĞci
W8. Górne ograniczenie budowli stanowi przelew o prostokątnym ksztaácie
korony wykonanej na rzĊdnej odpowiadającej NPP=130,10 m.n.p.m.
W czoáowej Ğcianie wieĪy przelewowej od strony zbiornika wykonano dwa
prostokątne otwory o wymiarach 1,00×2,50 m stanowiące wlot do spustu
zbiornika. Otwory wyposaĪono w pionowe prowadnice zamkniĊü
zasuwowych, wykorzystując w tym celu ceowniki walcowane C100.
ZamkniĊcia otworów wlotowych w postaci pojedynczych zasuw podnoszone
są i opuszczane za pomocą mechanizmów wyciągowych z napĊdem rĊcznym.
Otwory wlotowe do spustu wyposaĪono takĪe w stalowe kraty osadzone
w pionowych prowadnicach z ceowników C65.
W tylnej Ğcianie wieĪy przelewowej umieszczono dwa rurociągi
spustowe wykonane z kielichowych rur Īelbetowych o Ğrednicy wewnĊtrznej
1,20 m (Rys.4b). Przewody o dáugoĞci 22,0 m uáoĪono ze spadkiem 2,27% na
páycie fundamentowej o gruboĞci 0,40 m i szerokoĞci 6,00 m.
123
Ocena efektów prac modernizacyjnych zbiornika w LeĀnicy Wielkiej
na rzece Gnidzie
a)
2014
b)
Rys.4. Kolejne etapy budowy upustu zbiornikowego: a – ukáadanie zbrojenia wieĪy
przelewowej, b – rurociągi spustowe
W stanowisku dolnym budowli wykonano przyczóáek w formie
Īelbetowego doku, stanowiącego wylot rurociągu do koryta rzeki (Rys.5b).
Przyczóáek zostaá obramowany trójkątnymi Ğcianami bocznymi o gruboĞci
0,25 m. PoniĪej wylotu rurociągów wykonano páytĊ wypadową o dáugoĞci
4,0 m i gruboĞci 0,30 m. W celu ochrony dolnego stanowiska przed
rozmyciem dno i skarpy koryta za wypadem na odcinku o dáugoĞci 6,0m
zostaáy umocnione narzutem kamiennym.
W celu umoĪliwienia obsáugi zamkniĊü oraz czyszczenia krat
wykonano pomost o konstrukcji stalowej. Wykorzystano obramowane
i ocynkowane kraty podestowe, które zostaáy umocowane do belek
podporowych z ceowników walcowanych, opartych na Ğcianach komory
wlotowej oraz na betonowym fundamencie. Elementy stalowe zostaáy
zabezpieczone przed korozją chemoodporną emalią epoksydową. Ogólny
widok budowli po odbiorze technicznym przedstawiono na Rys.5.
a)
b)
Rys.5. Budowla upustowa po odbiorze technicznym: a – widok od strony zbiornika,
b – wylot i stanowisko dolne
124
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Wyniki badaĔ geotechnicznych przeprowadzonych przed odbudową
ziemnych konstrukcji piĊtrzących wykazaáy, Īe grobla czoáowa zbiornika
czĊĞciowo wykonana byáa z gruntów sáabonoĞnych. W związku z tym
dokonano wymiany gruntu wbudowanego w jej korpus i zgodnie z projektem
[Wasilewski, Faflik 2009] zastosowano piaski drobne oraz Ğrednioziarniste.
Skarpa odwodna grobli o nachyleniu 1:1,5 zostaáa umocniona do rzĊdnej
113,40 m.n.p.m. szczelnym ekranem utworzonym z páyt Īelbetowych
o gruboĞci 0,15 m uáoĪonych na podsypce z pospóáki. Tego typu
ubezpieczenie skarpy odwodnej zapór ziemnych oceniane jest jako trwaáe
i skuteczne pod warunkiem zachowania szczelin dylatacyjnych
o odpowiedniej szerokoĞci, przy wáaĞciwym doborze zbrojenia i klasy betonu
[Mazurczyk, Jankowski 2007]. Natomiast ekrany Īelbetowe jako
zabezpieczenia przeciwfiltracyjne korpusów zapór po kilkudziesiĊciu latach
eksploatacji najczĊĞciej charakteryzują siĊ niedostateczną skutecznoĞcią
w związku z niedokáadnym wykonaniem poáączeĔ elementów
uszczelniających, wpáywem zjawisk atmosferycznych, zbyt duĪymi
wymiarami páyt przy niedostatecznym zbrojeniu i nieodpowiedniej jakoĞci
betonu [Mazurczyk, Jankowski 2007].
Dokonano takĪe rekonstrukcji lewostronnej grobli bocznej zbiornika.
Przekrój poprzeczny przez jej korpus przedstawiono na Rys.6. W pierwszym
etapie uformowano nasyp z gruntu pochodzącego z dna zbiornika. Grunt
odpowiednio zagĊszczano warstwami o gruboĞci 0,20 m do uzyskania
wartoĞci wskaĨnika IDt0,66, a skarpy uformowano z nachyleniem 1:1,5.
NastĊpnie przystąpiono do ich umocnienia. Na skarpie odwodnej od
podstawy do rzĊdnej 113,30 m.n.p.m. wykonano narzut z kamienia áamanego
(Rys.7a) uáoĪony na geowáókninie, a na odpowietrznej zastosowano
humusowanie oraz obsiew mieszanką traw. Po ostatecznym uformowaniu
korony grobli dokonano jej umocnienia warstwą pospóáki stabilizowanej
betonem. Widok na wykonaną groblĊ przedstawiono na Rys. 7b.
125
Ocena efektów prac modernizacyjnych zbiornika w LeĀnicy Wielkiej
na rzece Gnidzie
2014
Rys. 6. Przekrój poprzeczny odbudowanej lewostronnej grobli bocznej: 1 -narzut
kamienny na skarpie odwodnej, 2 - humusowanie skarpy z obsiewem
mieszanką traw, 3 - betonowy krawĊĪnik, 4 - pospóáka stabilizowana
betonem, 5 - skarpa odpowietrzna obsiana mieszanką traw
a)
b)
Rys. 7. Lewostronna grobla boczna zbiornika: a – ukáadanie narzutu kamiennego
na skarpie odwodnej, b – budowla po odbiorze technicznym
Zakres pomiarów terenowych i obliczeĔ hydraulicznych
Po oddaniu zbiornika do eksploatacji wykonano prace terenowe na
obiekcie obejmujące inwentaryzacjĊ odbudowanych grobli pietrzących,
oglĊdziny konstrukcji budowli upustowej oraz podstawowe pomiary liniowe
i niwelacyjne. W oparciu o projekt budowlano-wykonawczy [Wasilewski,
Faflik, 2009] oraz wyniki pomiarów terenowych wykonano schematyczny
przekrój podáuĪny oraz wybrane przekroje poprzeczne zmodernizowanej
budowli upustowej i przedstawiono na Rys.8.
126
109,40
2014
109,70
111,60
4,00
1:2,
25
4,00
7
14
1,10
1,90
3,70
4,20
10
1:2,
25
4,40
0,90
8
13
10,00
9
7
11
109,70
0,25
11
12
112,30
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
c)
22,00
1,15
0,5
0,4
0,3
1,05
15
0,5
1,05
3
0,3
1,00
17 18
0,3
6,00
1,00
22
4
21
5
20
19
15
7,00
b)
3,65
110,20
22
110,60
2
1
113,10
,5
1:1
3
0,5
1
J=2,27%
6
4,00
114,00
5
4
2,50
a)
4,00
10
7
5
16
1,20
Rys. 8. Zmodernizowana budowla upustowej i podstawowe wymiary [m]: aprzekrój podáuĪny, b-wlot, c-stanowisko dolne
1 - Upust wieĪowy; 2 - Krata; 3 - Siatka ogrodzeniowa; 4 - ZamkniĊcie zasuwowe;
5- Balustrada; 6 - Korona zapory; 7 - Umocnienia trawiaste; 8 - Nawierzchnia drogowa;
9 - KrawĊĪnik betonowy; 10 - Rury Īelbetowe; 11 - Przyczóáek wylotowy;
12 - Páyta wypadowa; 13 - Chudy beton; 14 - Geowáóknina; 15 - ĝcianka szczelna;
16 - Narzut kamienny; 17 -Sáup pod wyciąg z dwóch ceowników; 18 - Káadka robocza;
19 - Ceownik; 20 - Prowadnica z ceownika; 21 - ĝlimakowe urządzenie wyciągowe;
22 - Szandory
127
Ocena efektów prac modernizacyjnych zbiornika w LeĀnicy Wielkiej
na rzece Gnidzie
2014
W korycie rzeki poniĪej budowli upustowej przeprowadzono pomiary
niwelacyjne w trzech charakterystycznych przekrojach poprzecznych.
W kaĪdym przekroju wykonano obliczenia przepustowoĞci koryta dokonując
oceny moĪliwoĞci przeprowadzenia wód wezbraniowych. Sporządzono
charakterystykĊ przepustowoĞci zmodernizowanych urządzeĔ upustowych
zbiornika, tzn. przelewu wieĪowego i spustu. Analizowano hydrauliczne
warunki przeprowadzania wielkich wód przez urządzenia upustowe
rozpatrując wzajemne oddziaáywanie wydatków poszczególnych elementów
budowli na siebie. Dokonano oceny zagroĪenia wystąpienia lokalnych
podtopieĔ obszarów sąsiadujących ze zbiornikiem.
Charakterystyka przepustowoĞci koryta rzeki Gnidy poniĪej budowli
Przepáyw wody w korytach cieków wodnych związany jest
z oddziaáywaniem siáy grawitacji. Analiza procesu przepáywu w rzekach jest
bardzo záoĪona ze wzglĊdu na naturalną zmiennoĞü przekroju poprzecznego
koryt, spadku dna na jego dáugoĞci oraz natĊĪenia przepáywu w korycie na
jego dáugoĞci i w czasie [Kubrak, Nachlik 2003]. Zagadnienia inĪynierskie są
rozwiązywane przy zaáoĪeniu niezmiennoĞci ksztaátu i spadku dna koryta.
Zakáada siĊ równieĪ staáe w czasie natĊĪenie przepáywu.
Rzeka Gnida jest ciekiem uregulowanym. Ukáad poziomy jej koryta
jest sáabo rozwiniĊty. PrzewaĪają odcinki proste i krótkie áuki o regularnej
krzywiĨnie. W Tabeli 1 podano wielkoĞci przepáywów charakterystycznych.
Tabela 1. Przepáywy charakterystyczne w rzece Gnidzie [Wasilewski, Faflik 2009]
Lp.
1.
2.
3.
4.
Przepáyw charakterystyczny
ĝredni z niskich (SNQ)
ĝredni (SSQ)
ĝredni z wysokich (SWQ)
Przepáyw jednoprocentowy (Q1%)
WielkoĞü [m3/s]
0,010
0,108
1,346
4,67
W korycie rzeki poniĪej budowli wykonano pomiary niwelacyjne w trzech
przekrojach poprzecznych zlokalizowanych nastĊpująco:
- przekrój nr 1 (km 3+070) na wypadzie budowli,
- przekrój nr 2 (km 3+065) bezpoĞrednio za páytą wypadową,
- przekrój nr 3 (km 3+032) w naturalnym korycie rzeki.
128
2014
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
Na Rys. 9 przedstawiono pomierzone przekroje poprzeczne koryta rzeki
Gnidy, a parametry koryta w tych przekrojach zestawiono w Tabeli 2.
a)
rzĊdne
[m.n.p.m.]
1:ns=1:2,25
b)
c)
odlegáoĞü od lewego brzegu [m]
Rys. 9. Przekroje poprzeczne koryta rzeki Gnidy poniĪej budowli upustowej:
a - km 3+070, b - km 3+065, c - km 3+032
Tabela 2. Parametry koryta rzeki w przekrojach pomiarowych
Nr przekroju
pomiarowego
Km rzeki
Dno
1
3+070
betonowe
2
3+065
ziemne
3
3+022
ziemne
Skarpy
narzut
kamienny
darnina
gĊsta
roĞlinnoĞü
Wspóáczynnik
szorstkoĞci
[m-1/3s]
0,030
0,040
0,060
W kaĪdym przekroju wykonano obliczenia przepustowoĞci koryta
z zastosowaniem równania (1), uwzglĊdniając wartoĞü Ğredniej prĊdkoĞci
przepáywu wyznaczaną ze wzoru Manninga (2):
129
2014
Ocena efektów prac modernizacyjnych zbiornika w LeĀnicy Wielkiej
na rzece Gnidzie
X Ğr
Q X Ğr u F
(1)
1
u R2 / 3 u J 1/ 2
n
(2)
gdzie:
Q – objĊtoĞciowe natĊĪenie przepáywu, [m3s-1];
F – pole powierzchni przepáywu w poprzecznym przekroju koryta, [m2];
n – wspóáczynnik szorstkoĞci koryta, [m-1/3s];
I – spadek hydrauliczny, [-];
R – promieĔ hydrauliczny jako stosunek powierzchni przepáywu wody F do
dáugoĞci obwodu zwilĪonego U w poprzecznym przekroju koryta, [m].
W obliczeniach uwzglĊdniono Ğredni spadek zwierciadáa wody na
analizowanym odcinku koryta, uzyskany w wyniku pomiarów niwelacyjnych
i wynoszący 0,3%. Powszechnie stosowane są wspóáczynniki szorstkoĞci do
wzoru Manninga, które zostaáy zestawione przez Ven Te Chowa (1959). Ich
wartoĞci zróĪnicowano ze wzglĊdu na rodzaj koryta, sposób umocnienia,
stopieĔ wyrównania obwodu zwilĪonego, roĞlinnoĞü w korycie [Kasprzak
2003] i podano w Tabeli 2. Wyniki obliczeĔ przedstawiono w postaci
krzywych przepustowoĞci koryta na Rys.10.
111,20
rzĊdne
[m.n.p.m.]
111,00
3
2
1
110,80
110,60
110,40
110,20
110,00
109,80
109,60
Q [m 3 s-1 ]
109,40
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
Rys.10. Krzywe przepustowoĞci koryta rzeki Gnidy w przekrojach pomiarowych:
1– km 3+070, 2 – km 3+065, 3 – km 3+032
NatĊĪenie przepáywu przy napeánieniu brzegowym koryta wynosi:
Q(1)=11,1m3s-1 w przekroju nr 1, Q(2)=5,70m3s-1 w przekroju nr 2
130
2014
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
i Q(3)=3,22m3s-1 w przekroju nr 3. Najmniejszą przepustowoĞcią
charakteryzuje siĊ koryto rzeki w przekroju 3, co związane jest z silnym
porostem skarp i wystĊpowaniem lokalnych przeszkód na dnie. Do dalszych
analiz wydatku urządzeĔ spustowych zbiornika uwzglĊdniono krzywą
przepustowoĞci dolnego stanowiska budowli uzyskaną w przekroju nr 2
wskazując, Īe naturalne koryto rzeki Gnidy powinno zostaü oczyszczone
z zaroĞli i traw na skarpach oraz przeszkód na dnie, czego wynikiem byáby
wzrost przepustowoĞci koryta i zmiana przebiegu krzywej nr 3 na Rys.10.
PrzepustowoĞü przewodów spustowych
Wykorzystując równania (1) i (2) sporządzono charakterystykĊ
wydatku rurociągów spustowych zbiornika, wykonanych z rur o Ğrednicy
wewnĊtrznej d=1,20 m uáoĪonych ze spadkiem 2,27%. ZmiennoĞü Ğredniej
prĊdkoĞci vĞr i natĊĪenia przepáywu Q w przewodach w zaleĪnoĞci od ich
napeánienia h/d przedstawiono na Rys.11. W obliczeniach przyjĊto wartoĞü
wspóáczynnika szorstkoĞci dla rur betonowych (n=0,013 m-1/3s) i zaáoĪono,
Īe wypáyw z rurociągów jest niezatopiony.
a)
b)
h/d
h /d [-]
[-]
0,5
h/d [-]
[-]
h/d
0,5
0,4
0,4
0,3
0,3
0,2
0,2
0,1
0,1
-1
[ms-1 ] ]
v Ğrv Ğr[ms
0,0
Q [m3ss]-1 ]
Q [m
3 -1
0,0
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
Rys. 11. ĝrednia prĊdkoĞü przepáywu (a) i charakterystyka wydatku (b) przewodów
spustowych zbiornika
Przekrój koáowy pracuje jako hydraulicznie najkorzystniejszy, jeĪeli jego
napeánienie h jest równe promieniowi okrĊgu [Dąbkowski i in. 1982].
Obliczenia wykonano rozpatrując zmiennoĞü napeánienia przewodów h/d
w zakresie od 0 do 0,5. Wyniki obliczeĔ wykazaáy, Īe napeánienie
przewodów przy przeprowadzaniu przepáywu Q1%=4,67 m3s-1 wynosi
h/d=0,44, a Ğrednia prĊdkoĞü 4,9 ms-1 i nie przekracza prĊdkoĞci
dopuszczalnej dla betonu, wynoszącej 5,0 ms-1. Rzeczywisty wydatek
131
Ocena efektów prac modernizacyjnych zbiornika w LeĀnicy Wielkiej
na rzece Gnidzie
2014
rurociągów limitowany bĊdzie jednak przepustowoĞcią koryta za wypadem
budowli. RzĊdna zwierciadáa wody w korycie bezpoĞrednio za wypadem
(przekrój nr 2) przy przejĞciu przepáywu miarodajnego Q1%=4,67 m3s-1
wynosi 110,88 m.n.p.m. (Rys.10), natomiast rzĊdna górnej krawĊdzi wylotu
rurociągów spustu równa jest 110,90m.n.p.m. W tych warunkach wylot moĪe
zostaü zatopiony i wówczas rurociągi bĊdą pracowaü pod ciĞnieniem. Jest to
dopuszczalne w przypadku przewodów spustowych maáych budowli, tzn.
przy przepáywach miarodajnych Qm” 15m3s-1 [Suliga i in. 1986].
Charakterystyka wydatku przelewu wieĪowego
Analizowana budowla upustowa przystosowana jest do
przeprowadzenia wielkich wód przez przelew wieĪowy, wykonany na
rzĊdnej NPP=113,10 m.n.p.m. Zapewniü on powinien bezobsáugowy odpáyw
wody ze zbiornika w zakresie znacznych wahaĔ dopáywu. Poziomy przekrój
wieĪy oraz ksztaát korony przelewu wraz z podstawowymi wymiarami
przedstawiono na Rys.12.
a)
b)
Rys.12. WieĪa przelewowa: a- przekrój poziomy, b- ksztaát korony przelewu
Wydatek przelewu niezatopionego obliczano w zaleĪnoĞci od rzĊdnej
zwierciadáa wody spiĊtrzonej w zbiorniku, a wyniki przedstawiono w postaci
wykresu (Rys. 13) . PrzyjĊto zaáoĪenie, Īe przepáyw odbywa siĊ tylko przez
przelew wieĪowy, tzn. otwory wlotowe spustu są zamkniĊte zasuwami.
132
2014
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
Zgodnie z zaleceniami praktycznymi [Suliga i in. 1986] uwzglĊdniono
wspóáczynnik wydatku przelewu o ostrej krawĊdzi obliczany z równania (3):
0,003 · ª
§
§ H ·º
(3)
¨ 0,405 ¸ «1 0,55¨
¸»
H ¹¬
©
© H P ¹¼
W równaniu (3) H oznacza wzniesienie zwierciadáa wody nad koroną
przelewu, a P wysokoĞü wieĪy, obliczaną jako róĪnicĊ rzĊdnej korony
przelewu i Ğredniej rzĊdnej dna zbiornika wokóá wieĪy. UwzglĊdniono takĪe
wspóáczynnik k2 dla przelewu upustów wieĪowych o planie wieloboku
[Suliga i in. 1986], obliczany z równania (4):
m
Ls
(4)
L
W równaniu (4) L jest sumą dáugoĞci wieloboku (przyjĊto
L=2×4,80+2×1,80=13,20m na podstawie wymiarów wieĪy w osi przelewu),
a Ls oznacza dáugoĞü straconą na skutek zaburzeĔ na naroĪach. Dla przelewu
1
k2
prostokątnego w planie dáugoĞü Ls obliczana jest ze wzoru Ls
B 4 H [Suliga
i in. 1986], a wartoĞü parametru B 4 uzaleĪniona jest od kąta D utworzonego
pomiĊdzy poszczególnymi Ğcianami wieloboku (dla D 90o B 4 =0,66).
113,60
[m.n.p.m.]
113,50
113,45
Q1%=4,67m3s-1
113,40
113,30
113,20
Q p [m 3 s-1 ]
113,10
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
Rys.13. Krzywa wydatku przelewu wieĪowego
Przy zamkniĊtych otworach wlotowych spustu dennego przepáyw miarodajny
(Qm=Q1%=4,67 m3s-1) moĪe byü przeprowadzony przez przelew wieĪowy
przy spiĊtrzeniu zwierciadáa wody w zbiorniku do rzĊdnej 113,45 m.n.p.m.,
tzn. na wysokoĞü H=0,35 m ponad NPP. RzĊdna korony zapory wynosi
114,00 m.n.p.m. Wyniki obliczeĔ wykazaáy, Īe przelew zapewnia bezpieczne
warunki odpáywu wody ze zbiornika podczas przejĞcia przepáywu
miarodajnego.
133
Ocena efektów prac modernizacyjnych zbiornika w LeĀnicy Wielkiej
na rzece Gnidzie
2014
Podsumowanie i wnioski
Wykonane prace renowacyjne znacznie poprawiáy stan techniczny
urządzeĔ upustowych zbiornika, zapory czoáowej i lewostronnej grobli
bocznej. Dotychczas istniejący Īelbetowy mnich i przelewy z bystrzami
zastąpiono zespoloną budowlą z przelewem wieĪowym i spustem dennym
wyposaĪonym w zamkniĊcia zasuwowe. Wykonane urządzenia upustowe
zapewniają kontrolĊ przepáywu wód na obiekcie. Efektem dokonanej
odbudowy obiektu jest znaczna poprawa walorów krajobrazowych zbiornika
i jego bezpoĞredniego otoczenia, co jest istotne szczególnie w związku
z rekreacyjną funkcją Zalewu LeĨnickiego.
Analiza wyników obserwacji, pomiarów terenowych oraz obliczeĔ
hydraulicznych pozwoliáa na sformuáowanie nastĊpujących wniosków
i zaleceĔ:
1) Koryto rzeki Gnidy na odcinku poniĪej budowli upustowej powinno zostaü
oczyszczone z zaroĞli na skarpach oraz lokalnych przeszkód na dnie. Efektem
tego bĊdzie wzrost przepustowoĞci. Wyniki obliczeĔ wykazaáy, Īe
w obecnych warunkach po przekroczeniu przepáywu o natĊĪeniu 3,22 m3s-1
woda wystąpi z koryta i spowoduje zalanie okolicznych terenów poniĪej
zbiornika.
2) Ograniczona przepustowoĞü koryta rzeki za wypadem budowli wpáywa na
wydatek przewodów spustowych. W przypadku wystąpienia wezbrania
odpowiadającego przepáywowi Q1%=4,67 m3s-1 wylot rurociągów
spustowych zostanie zatopiony.
3) Obliczona rzĊdna zwierciadáa wody spiĊtrzonej w zbiorniku przy przejĞciu
wezbrania odpowiadającego wodzie stuletniej wynosi 113,45 m.n.p.m.,
a rzĊdna korony zapory 114,00m.n.p.m. Zatem przelew wieĪowy nawet
w przypadku caákowitego zamkniĊcia otworów wlotowych spustu zapewnia
bezpieczne warunki przejĞcia przepáywu miarodajnego.
4) Podczas dalszej eksploatacji odbudowanych obiektów przestrzegana
powinna byü instrukcja gospodarowania wodą oraz bezwzglĊdnie
respektowane obowiązki wynikające z przepisów ustawy Prawo Budowlane
w zakresie zapewnienia odpowiedniego stanu technicznego i bezpieczeĔstwa
obiektu.
134
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Literatura
[1] BryĞ H., 1996: Geodezyjne pomiary odksztaáceĔ i przemieszczeĔ zapór
wodnych. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków;
[2] Chow Ven Te., 1959: Open-Channel Hydraulics. McGraw- Hill Book
Company;
[3] Dąbkowski Sz. L., SkibiĔski J., ĩbikowski A., 1982: Hydrauliczne
podstawy projektów wodnomelioracyjnych. PWRiL. Warszawa;
[4] Gąsowska M., UrbaĔski J., 2013: Odbudowa zbiornika retencyjnego na
rzece Gnidzie w LeĨnicy Wielkiej. Przegląd Naukowy – InĪynieria
i Ksztaátowanie ĝrodowiska nr 59, Warszawa;
[5] Hrycak J., Baranowski W., 2007: BezpieczeĔstwo maáych zbiorników
wodnych – zalecenia budowlane i eksploatacyjne. Materiaáy pod
redakcją A. Wity. XII MiĊdzynarodowa Konferencja Technicznej
Kontroli Zapór. IMGW, Warszawa;
[6] Kasprzak K., 2003: Ruch wody-teoretyczne podstawy. IMGW,
Warszawa;
[7] Kubrak J., Nachlik E., 2003: Analiza przepustowoĞci koryt rzecznych.
Wydawnictwo SGGW, Warszawa;
[8] Maáecki Z. J., Pokáadek R., 2010: Istotne procesy zagraĪające
bezpieczeĔstwu zbiorników wodnych. Zeszyty Naukowe – InĪynieria
Lądowa i Wodna w Ksztaátowaniu ĝrodowiska. Nr 2. Instytut
Badawczo-Rozwojowy InĪynierii Lądowej i Wodnej „Euroexbud”.
Kalisz;
[9] Mazurczyk A., Jankowski W., 2007: Wpáyw przyjĊtych rozwiązaĔ
konstrukcyjnych na eksploatacjĊ zapór ziemnych tworzących zbiorniki
retencyjne na terenach równinnych Polski. Materiaáy pod redakcją A.
Wity. XII MiĊdzynarodowa Konferencja Technicznej Kontroli Zapór.
IMGW, Warszawa;
[10] Mioduszewski W., 1999: Ochrona i ksztaátowanie zasobów wodnych
w krajobrazie rolniczym. Wydawnictwo IMUZ, Falenty, Warszawa;
[11] Mioduszewski W., 2006: Maáe zbiorniki wodne. Wydawnictwo IMUZ.
Falenty, Warszawa;
[12] Strategia rozwoju gminy ParzĊczew na lata 2009÷2015. Urząd Gminy
ParzĊczew;
135
Ocena efektów prac modernizacyjnych zbiornika w LeĀnicy Wielkiej
na rzece Gnidzie
2014
[13] Suliga J., Nalepa W., Zamiela H., 1986: Upusty maáych zbiorników
wodnych, CzĊĞü I – Upusty wieĪowe, CzĊĞü III – Spusty. Biblioteczka
Projektanta 4/86, Warszawa;
[14] ĝwiniuch A., 2010: Do rzeczy. Nr8. Fundacja Rozwoju Gmin PRYM.
ParzĊczew;
[15] Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. - Prawo Budowlane (tekst jednolity Dz. U.
Nr 207/2003, poz. 2016 z póĨniejszymi zmianami);
[16] Wasilewski W., Faflik R., 2009: Projekt budowlano – wykonawczy
przebudowy urządzeĔ wodnych na zbiorniku wodnym w m. LeĨnica
Wielka. àódĨ.
136
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Maágorzata Mostowska, Monika Gąsowska
Szkoáa Gáówna Gospodarstwa Wiejskiego
Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska
e-mail: [email protected], [email protected]
Ocena parcia na obudowĊ gáĊbokiego wykopu na przykáadzie
stacji metra C14 Stadion
WstĊp
Niniejszy praca przedstawia ocenĊ parcia na obudowĊ gáĊbokiego
wykopu. Do wykonania obliczeĔ oraz ich analizy wykorzystano dane
dotyczące obiektu stacji C14 Stadion powstającej aktualnie II linii metra
w Warszawie. Obliczenia wykonano na podstawie polskiej normy
PN-81/B-03020 oraz Eurokodu 7 PN-EN 1997-1.
Potrzebne parametry do obliczeĔ ustalono na podstawie badaĔ
przeprowadzonych przez Konsorcjum GEOTEKO-SGGW-GEOPROJEKT
w latach 2003-2004 dotyczących warunków geologicznych, hydrologicznych
oraz geotechnicznych obiektu C14 Stadion. Wykorzystano równieĪ przekroje
opracowane przez Biuro Projektowe Metroprojekt.
Ogólna charakterystyka obiektu
Stacja C14 Stadion II linii metra ma byü najwiĊkszą stacją metra
w Warszawie, gdyĪ stanowiü bĊdzie poáączenia pomiĊdzy mającą
w przyszáoĞci powstaü linią IIB metra oraz peronami przystanku PKP
Stadion. Ze wzglĊdu na zespolony charakter obiektu przesiadkowej stacji
metra Stadion, przyjĊto rozwiązanie obiektu w ukáadzie poziomym przy
jednoczesnej akceptacji Metra Warszawskiego.
Na zespolony obiekt skáadaü siĊ bĊdą korpus stacji oraz tory odstawcze,
w przestrzeni, których znajdowaü siĊ bĊdą poáączenia torów obu linii
z rozjazdami i peronami pasaĪerskimi. Póánocna czĊĞü obiektu mieĞciü
bĊdzie tory, perony i technologiĊ stacji II linii metra, poáudniowa zaĞ tory,
137
Ocena parcia na obudow¸ gϸbokiego wykopu na przykÏadzie
stacji metra C14 Stadion
2014
perony i technologiĊ projektowanej w przyszáoĞci wschodnio-poáudniowej
odnogi II linii (IIB). Do czasu uruchomienia linii IIB tory odstawcze i perony
tej czĊĞci obiektu bĊdą obsáugiwaáy eksploatowaną czĊĞü stacji II linii.
W poziomie dolnym obiektu, we wschodniej czĊĞci planuje siĊ umieĞciü
perony pasaĪerskie obu stacji, w zachodniej zaĞ rozjazdy i tory odstawcze.
W poziomie górnym nad peronami zlokalizuje siĊ wspólną antresolĊ
pasaĪerską dla obu obiektów stacyjnych co umoĪliwi wygodną przesiadkĊ
miĊdzy II a IIB linią metra. Pozostaáą przestrzeĔ kondygnacji górnej
zajmowaü bĊdą oddzielne dla kaĪdej stacji pomieszczenia technologiczne.
Na obu koĔcach poáudniowej czĊĞci stacji zaprojektowano szyby
montaĪowe/demontaĪowe dla startu lub wydobycia tarcz w przyszáoĞci
drąĪących tunele wschodnio-poáudniowej odnogi linii IIB metra. Ponadto
korpus stacji zaprojektowano jako dwukondygnacyjny obiekt podziemny.
DáugoĞü korpusu wynosi bĊdzie 144,0 m, zaĞ szerokoĞü w Ğwietle Ğcian
41,6 m podzielona na cztery nawy rzĊdami sáupów, które bĊdą zróĪnicowane:
sáupy na osi stacji I 140 cm rozszerzone ku górze w postaci Īeber, sáupy naw
bocznych I 70 cm. Rozstaw sáupów 6,0 m. Sáupy w osi stacji przenikaü bĊdą
strop zewnĊtrzny, wyrastaü ponad teren, gdzie bĊdą zamkniĊte Ğwietlikami.
Konstrukcja korpusu Īelbetowa, monolityczna w obudowie
zewnĊtrznych Ğcian szczelinowych gruboĞci 1,0 m. ĝciany w fazie realizacji
stanowiü bĊdą obudowĊ wykopu, a w fazie docelowej bĊdą Ğcianami
zewnĊtrznymi korpusu. ZagáĊbienie Ğcian szczelinowych poniĪej páyty
dennej w dostosowaniu do panujących warunków gruntowo-wodnych
zróĪnicowane od 5,0 m do 15,0 m. SzerokoĞci biegnących obok siebie
peronów obu stacji 11,0 m. Pod peronami znajdowaü siĊ bĊdą kanaáy
wentylacyjne.
Antresola pasaĪerska zaprojektowana zostaáa w postaci przerzuconych
nad kondygnacją peronów pasm stropu, miĊdzy którymi pozostawiono duĪe
otwory umoĪliwiające wgląd w poziom peronów. ĩelbetowa, monolityczna
páyta denna korpusu gruboĞci 140 cm osadzona bĊdzie we wnĊkach Ğcian
szczelinowych. W nawach, przez które przebiegaü bĊdą tory II linii, przyjĊto
w páycie dennej áukowe zagáĊbienia umoĪliwiające przesuw tarcz przez
korpus. PrzyjĊto páytĊ stropu poĞredniego nad halą peronową o gruboĞci
60 cm z podáuĪnymi Īebrami nad sáupami. W zewnĊtrznych Ğcianach
szczelinowych páyta stropu bĊdzie oparta we wnĊkach i poáączona
138
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
wypuszczonym zbrojeniem. PáytĊ stropu zewnĊtrznego przyjĊto o gruboĞci
100-140cm z otworami w osi Ğrodkowej wyciĊtymi pomiĊdzy wiązkami
Īeber tworzących sáupy Ğrodkowe. Ze Ğcianami szczelinowymi strop
poáączony bĊdzie monolitycznie za poĞrednictwem wieĔców. W szczytowych
Ğcianach szczelinowych korpusu wokóá otworów poáączeniowych z tunelami
tarczowymi zaprojektowano monolityczne, Īelbetowe portale zespalające
konstrukcjĊ korpusu dochodzącymi tunelami obu linii.
Perony obu linii bĊdą równoprawnie skomunikowane ze wspólną
antresolą biegami schodów ruchomych, staáych i windami. Kompleksy
schodów przebiegaü bĊdą w otwartych przestrzeniach miĊdzy pasmami
stropu antresoli. WyjĞcia ze stacji pod ulicą Sokolą zlokalizowane bĊdą na
szczytach obu antresol, w osi Ğrodkowego pasma stropu antresoli
oraz w chodniku u podnóĪa skarpy nasypu kolejowego. Korytarze przejĞü
podziemnych wyposaĪone bĊdą w biegi schodów staáych i ruchomych oraz
windy. Ich konstrukcja bĊdzie monolityczna, Īelbetowa.
CzĊĞü technologiczna obiektu przylegaü bĊdzie od strony zachodniej do
korpusu stacji i bĊdzie z nim monolitycznie związana. Dwukondygnacyjny
obiekt podziemny o zróĪnicowanej dáugoĞci, wzdáuĪ torów II linii metra
bĊdzie mieü dáugoĞü 131,4 m, a wzdáuĪ torów linii IIB 257,4 m. Na dáugoĞci
torów odstawczych (tymczasowych dla II linii metra-docelowo fragment
tunelu linii IIB) oraz na poáączeniu z tunelami drąĪonymi szlaku II linii
konstrukcja trzynawowa o rozstawie sáupów na dáugoĞci 6,0 m. WysokoĞü
dolnej kondygnacji tunelu torów, okreĞlona zostaáa gabarytem przesuwanej
tarczy. Kondygnacja górna nad torowiskami zagospodarowana bĊdzie przez
technologiĊ stacji II i IIB linii metra.
Charakterystyka
i geotechnicznych
warunków
geologicznych,
hydrogeologicznych
W rozwaĪanym przekroju omawianego obiektu (otwór OW-1)
wystĊpują utwory zastoiskowe zlodowacenia Warty, wyksztaácone w postaci
glin, glin pylastych, iáów, iáów pylastych, piasków pylastych oraz piasków
drobnych oznaczone symbolem Ql3. W wierceniu tym wykryto równieĪ
utwory wytopnieniowe, czyli zwaáowe zlodowacenia Warty w postaci glin
piaszczystych i piasków gliniastych, utwory rzeczne, korytowe w postaci
piasków drobnych, Ğrednich, Īwirów i pospóáek oraz utwory wezbraniowe
(gliny pylaste) z koĔca zlodowacenia Warty i interglacjaáu eemskiego
139
Ocena parcia na obudow¸ gϸbokiego wykopu na przykÏadzie
stacji metra C14 Stadion
2014
oznaczone odpowiednio symbolami Qg3 i Qr3. Nasypy pochodzące z okresu
holocenu oznaczono symbolem Qh [Dokumentacja Geologiczno-InĪynierska
….. 2003-2004].
W analizowanym otworze OW-1 stwierdzono wystĊpowanie jednej
spoĞród trzech, opisanych wczeĞniej zespoáów, warstwy wodonoĞnej, którą
tworzą osady zastoiskowe (Ql3) zlodowacenia Warty: piaski Ğrednie
o wspóáczynniku filtracji w zakresie 10-3-10-5 m/s, a takĪe piaski drobne
i pylaste stanowiące osad sáabo przepuszczalny o wspóáczynniku filtracji
w zakresie 10-4-10-6 m/s [Dokumentacja Geologiczno-InĪynierska … 20032004].
W wierceniu tym zwierciadáo napiĊte wody stabilizowaáo siĊ na
gáĊbokoĞci 3,85m, zaĞ wystĊpowanie swobodnego zwierciadáa wody
stwierdzono trzykrotnie na gáĊbokoĞciach odpowiednio 3,85 m, 6,80 m
i 22,30m [Wolski 2007a].
W otworze OW-1 wyróĪniono cztery spoĞród dwudziestu dziewiĊciu
opisanych powyĪej warstw geotechnicznych.
WarstwĊ geotechniczną IIIQg3c stanowią utwory morenowe
zlodowacenia Warty w postaci glin piaszczystych na pograniczu piasków
gliniastych w stanie twardoplastycznym o stopniu plastycznoĞci w granicach
0.0-0.2 [Dokumentacja Geologiczno-InĪynierska … 2003-2004].
Warstwa geotechniczna VIIQl3c czyli utwory zastoiskowe
zlodowacenia Warty wyksztaácone w postaci piasków pylastych, piasków
drobnych z przewarstwieniami piasków pylastych w stanie Ğrednio
zagĊszczonym i zagĊszczonym o stopniu zagĊszczenia w granicach od 0.6 do
0.7 [Dokumentacja Geologiczno-InĪynierska …. 2003-2004].
Warstwa geotechniczna VIIIQr3b zaĞ skáada siĊ z utworów rzecznych
interglacjaáu eemskiego wyksztaáconych w postaci piasków Ğrednich
i grubych w stanie Ğrednio zagĊszczonym o stopniu zagĊszczenia
od 0.4 do 0.6 [Dokumentacja Geologiczno-InĪynierska … 2003-2004].
Warstwa geotechniczna XQh-G to utwory rzeczne facji
(zespoáu wspólnych cech charakterystycznych dla skaá utworzonych
w róĪnych warunkach) wezbraniowej: mady wyksztaácone w postaci piasków
gliniastych i glin z zawartoĞcią czĊĞci organicznych w stanie plastycznym
o stopniu plastycznoĞci 0,4. W profilu gruntowym na analizowanym obszarze
grunty te wystĊpują powyĪej stropu projektowanej stacji i ich parametry
140
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
mechaniczne nie wpáywają bezpoĞrednio na warunki pracy obudowy stacji
[Dokumentacja Geologiczno-InĪynierska … 2003-2004].
ĝciana szczelinowa, w rozwaĪanym przekroju, znajdowaü siĊ bĊdzie na
gáĊbokoĞci najwiĊkszej spoĞród wszystkich Ğcian Stacji C14 Stadion
ze wzglĊdów zarówno ekonomicznych, jak i ochrony Ğrodowiska.
Na gáĊbokoĞci od 22,3 m do 29,3 m poniĪej powierzchni terenu
wystĊpują grunty niespoiste (piasek pylasty) z przewarstwieniami osadów
spoistych (glina pylasta). Grunty niespoiste dobrze przewodzą wodĊ, ale jej
wystĊpowanie poniĪej Ğciany szczelinowej spowodowaáoby koniecznoĞü
zastosowania odwodnienia terenu, na którym ma powstaü Stacja C14.
Wykonanie robót odwadniających wymaga poniesienia duĪych
nakáadów inwestycyjnych i jest szkodliwe dla roĞlin wystĊpujących na
danym obszarze, gdyĪ muszą one mieü staáy dostĊp do wody, a wykonanie
odwodnienia uniemoĪliwi im jej pobór.
Jak widaü z opisanej powyĪej charakterystyki warunków
geologicznych, hydrogeologicznych i geotechnicznych budowa Stacji C14
Stadion II linii metra jest skomplikowaną inwestycją i wymagaáa wykonania
bardzo dokáadnych obliczeĔ w celu bezpiecznego wzniesienia obiektu nie
zagraĪającemu zarówno ludziom jak i przyrodzie.
Cel i zakres obliczeĔ
Celem wykonania obliczeĔ parcia gruntu na ĞcianĊ szczelinową byáo
sprawdzenie czy wáaĞciwie zaprojektowano konstrukcjĊ oporową.
Z inĪynierskiego punktu widzenia obliczenia takie wykonuje siĊ gáównie
po to, aby okreĞliü klasĊ betonu, rodzaj i rozstaw zbrojeĔ itp., które naleĪy
wykorzystaü do wykonania konstrukcji oporowej. Pierwszym etapem
wykonania obliczeĔ byáo dobranie parametrów geotechnicznych
na podstawie polskiej normy PN-81/B-03020. NastĊpnie wykonano
obliczenia na podstawie tej normy, jak i równieĪ Eurokodu 7 PN-EN 1997-1.
Do obliczeĔ doáączono takĪe wykresy parcia gruntu i wody na ĞcianĊ
szczelinową.
WartoĞci parametrów geotechnicznych dla poszczególnych warstw
razem z wydzieleniem genetycznym i geotechnicznym zestawiono w Tabeli
1. Na podstawie przekroju oraz charakterystyki warunków geologicznych,
hydrologicznych
i
geotechnicznych,
poszczególnym
warstwom
wystĊpującym w wierceniu OW-1 przypisano symbole, genezĊ, wiek oraz
141
Ocena parcia na obudow¸ gϸbokiego wykopu na przykÏadzie
stacji metra C14 Stadion
2014
stan gruntu. NastĊpnie odczytano wartoĞci potrzebnych do obliczeĔ
parametrów geotechnicznych.
Gliny piaszczyste, zaliczane do glin zwaáowych czyli utworów
morenowych, pochodzą z okresu zlodowacenia Warty. WystĊpują one
w stanie twardoplastycznym. Gliny pylaste oraz gliny pylaste zwiĊzáe
to osady zastoiskowe równieĪ pochodzące z okresu zlodowacenia Warty,
znajdują siĊ w stanie twardoplastycznym. Piaski pylaste stanowią utwory
zastoiskowe zlodowacenia Warty w stanie twardoplastycznym, zaĞ piaski
Ğrednie bĊdące osadami rzecznymi pochodzą z okresu interglacjaáu
eemskiego i wystĊpują w stanie Ğrednio zagĊszczonym. Nasypy
antropogeniczne pochodzące z epoki holocenu wystĊpują w postaci piasku
Ğredniego oraz gliny.
Symbol
GĊstoĞü
obj. [t/m3]
CiĊĪar
obj [kN/m3]
Kąt
tarcia [°]
SpójnoĞü
[kPa]
MiąĪszoĞü
[m]
Tabela 1. WartoĞci parametrów geotechnicznych dla Stacji C14 Stadion
1. nasyp niekontrolowany nN
1,75
17,5
30,0
0
1,2
2. nasyp niekontrolowany nN
1,80
18,0
26,0
10
3,3
3. glina pylasta
Gʌ
2,15
21,5
18,0
32
0,8
4. glina pylasta
Gʌ
2,15
21,5
18,0
32
1,5
5. piasek Ğredni
Ps
2,00
20,0
33,0
0
2,0
6. piasek Ğredni
Ps
2,00
20,0
33,0
0
3,3
7. glina pylasta zwiĊzáa
Gʌz
2,15
21,5
18,0
32
2,3
8. glina piaszczysta
Gp
2,20
22,0
23,0
30
2,0
9. glina pylasta zwiĊzáa
Gʌz
2,15
21,5
18,0
32
1,6
10. glina pylasta
Gʌ
2,15
21,5
18,0
32
4,3
11. piasek pylasty
Pʌ
1,95
19,5
31,5
0
0,7
12. piasek pylasty
Pʌ
1,95
19,5
31,5
0
4,6
13. glina pylasta
Gʌ
2,15
21,5
18,0
32
0,7
Lp.
Nazwa warstwy
142
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Charakterystyka metod obliczeniowych parcia
Wedáug polskiej normy PN-81/B-03020 parcie czynne oraz parcie
bierne (odpór) za Ğcianą oporową obliczona siĊ z nastĊpujących wzorów:
[PN-B/81-03020]
Ea
K a ˜ [ ¦ (J ˜ z ) q ] 2 ˜ c ˜ K a
(1)
Ep
K p ˜ [ ¦ (J ˜ z ) q ] 2 ˜ c ˜ K p
(2)
J
U ˜g
Ka
tg 2 ( 45 o Kp
tg 2 ( 45 o I
2
I
2
(3)
)
(4)
)
(5)
Pionowe obciąĪenie naziomu wyznaczono na podstawie tabel
opracowanych przez Biuro Projektowe Metroprojekt w zaleĪnoĞci
od wartoĞci kąta tarcia wewnĊtrznego gruntu, rodzaju przemieszczającej siĊ
maszyny (ciągnik, tramwaj, samochód) oraz zagáĊbienia spodu konstrukcji.
PoniewaĪ poniĪej gáĊbokoĞci 16 m zastĊpcze obciąĪenia naziomu
od ruchomych obciąĪeĔ drogowych mają zbliĪone wartoĞci, dla
poszczególnej maszyny przyjĊto wartoĞü równą 15 kPa szeĞciokrotnie, gdyĪ
urządzenia drogowe przemieszczaü siĊ bĊdą zarówno w kierunku
równolegáym jak i prostopadáym do obiektu.
Na podstawie normy PN-81/B-03020 wyznaczono równieĪ parcie
spoczynkowe, które wystĊpuje w gruncie zawsze przy obudowach tuneli
w nim zagáĊbionych. Obliczono je traktując dane warstwy jako grunty
normalnie skonsolidowane jak i prekonsolidowane. Dla gruntów normalnie
skonsolidowanych przyjĊto wspóáczynnik Ko ze wzoru [PN-B/81-03020]:
Ko
1 sin I
(6)
zaĞ dla gruntów prekonsolidowanych wspóáczynnik Ko ma wartoĞü równą 1.
Parcie spoczynkowe wyznaczono ze wzoru [PN-B/81-03020]:
E0
J ˜ z ˜ Ko
Wyniki obliczeĔ wykonane na
PN-81/B-03020 zestawiono w Tabeli 2.
143
(7)
podstawie
polskiej
normy
Ocena parcia na obudow¸ gϸbokiego wykopu na przykÏadzie
stacji metra C14 Stadion
2014
Parcie gruntu obliczono równieĪ na podstawie Eurokodu 7
PN-EN 1997-1, w którym to opisana metoda uwzglĊdnia:
ƒ tarcie pomiĊdzy Ğcianą a gruntem, z czego wynika, iĪ kierunek siáy
parcia nie musi byü poziomy,
ƒ Ğciana konstrukcji podpierającej nachylona moĪe byü pod dowolnym
kątem od 0o do 90o.
Wedáug Eurokodu 7 siáy dziaáające na konstrukcjĊ oporową wyznacza
siĊ na podstawie tych samych wzorów, które zawarte są w normie
PN-81/B-03020, lecz przy uwzglĊdnieniu róĪnych wartoĞci wspóáczynników
czĊĞciowych. Wspóáczynników tych nie bierze siĊ pod uwagĊ przy obliczaniu
wartoĞci parü wedáug normy PN-81/B-03020. PoniĪej opisano podejĞcia
projektowe, na podstawie których obliczono wartoĞci parcia czynnego oraz
biernego dziaáających na ĞcianĊ szczelinową wedáug ogólnego schematu
[PN-EN 1997-1]:
oddziaáywania(A)+parametry gruntu(M)+opór graniczny(R)
PodejĞcie projektowe 1.1
A1+M1+R1
PodejĞcie projektowe 1.2
A2+M2+R1
PodejĞcie projektowe 2
A1+M1+R2
PodejĞcie projektowe 3.1
A1+M2+R3
PodejĞcie projektowe 3.2
A2+M2+R3
WartoĞci wspóáczynników czĊĞciowych od oddziaáywaĔ lub od
skutków oddziaáywaĔ, a takĪe od parametrów gruntu i oporu granicznego
zestawiono w tabelach 3, 4, 5. Wspóáczynniki czĊĞciowe mają za zadanie
zwiĊkszyü wartoĞci parametrów geotechnicznych oraz obciąĪeĔ trwaáych
i zmiennych o okreĞlony rząd procentów.
Z Tabeli 3 odczytano wartoĞci wspóáczynników czĊĞciowych od
trwaáych lub od zmiennych oddziaáywaĔ niekorzystnych. W przypadku
wspóáczynników od parametrów gruntu (Tabela 4) uwzglĊdniono takie
144
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
parametry jak kąt wytrzymaáoĞci na Ğcinanie stosowany do wartoĞci tgij,
spójnoĞü efektywną oraz gĊstoĞü objĊtoĞciową. Z tabeli 5 odczytano wartoĞci
wspóáczynników czĊĞciowych dla oddziaáywaĔ charakterystycznych
i obliczeniowych w przypadku wystĊpowania noĞnoĞci podáoĪa.
Przy projektowaniu konstrukcji oporowych oddziaáywaniem trwaáym
jest naprĊĪenie efektywne, zaĞ zmiennym poziome obciąĪenie naziomu.
Poszczególne wspóáczynniki pomnoĪono przez wartoĞci parametrów
geotechnicznych oraz trwaáych i zmiennych oddziaáywaĔ zarówno
w przypadku wyznaczania parcia czynnego jak i biernego.
W ten sposób otrzymano wartoĞci dziaáających siá na ĞciankĊ szczelinową
obliczone na podstawie róĪnych podejĞü projektowych. W celu zwiĊkszenia
bezpieczeĔstwa otrzymane wartoĞci odporu podzielono przez wspóáczynnik
noĞnoĞci podáoĪa.
Graniczne wartoĞci parcia gruntu dziaáającego na pionową ĞciankĊ,
wywierane przez grunt o danym ciĊĪarze objĊtoĞciowym, spójnoĞci
i równomierne obciąĪone pionowym naziomem wyznaczono z nastĊpujących
wzorów [Eurokod 7 PN-EN 1997-1]:
(8)
E
K [ A ˜ 6(M ˜ J ˜ z) A ˜ q] 2 ˜ A ˜ M ˜ c K
a
Ep
J
a
a
K p [ A ˜ 6( M ˜ J ˜ z ) A ˜ q] 2 ˜ A ˜ M ˜ c K p
R
U˜g
(9)
(10)
I
(11)
K a tg 2 ( 45 o )
2
(12)
I
K p tg 2 ( 45 o )
2
WartoĞci wspóáczynników czynnego parcia gruntu oraz odporu gruntu
w przypadku nachylonej powierzchni naziomu odczytano z wykresów C.1.2
i C.2.2 znajdujących siĊ w Eurokodzie 7 PN-EN 1997-1. Wyniki obliczeĔ
wykonane na podstawie Eurokodu 7 PN-EN 1997-1 zestawiono dla
poszczególnych podejĞü projektowych w tabelach 6, 7, 8, 9, 10 odpowiednio.
145
Ocena parcia na obudow¸ gϸbokiego wykopu na przykÏadzie
stacji metra C14 Stadion
2014
Tabela 2. WartoĞci parcia okreĞlone wg normy PN-81/B-03020
Warstwa
nN (Ps)
nN (G)
nN (G)
nN (G)/Gʌ
Gʌ/ Gʌz
Gʌz/Ps
Ps
Ps
Ps
Ps
Ps/ Gʌz
Gʌz/ Ps
Gʌz/Gp
Gʌz/Gp
Gp/Gʌz
Gp/Gʌz
Gʌz/Gʌ
Gʌ/Pʌ
Pʌ
Pʌ
Pʌ
Pʌ
Pʌ/Gʌ
Pʌ/Gʌ
Gʌ
Ka [-] Pa [kPa]
0,333
37,0
0,390
30,8
0,390
60,5
0,527
49,9
0,527
66,9
0,527
66,9
0,527
98,9
0,294
64,7
0,294
90,6
0,294
90,6
0,294
133
0,527
125
0,527
151
0,438
125
0,438
144
0,527
175
0,527
193
0,527
193
0,527
241
0,313
171
0,313
180
0,313
180
0,313
240
0,527
296
0,527
304
Kb [-] Pb [kPa] Ko [-] Po kPa] Koc [-] Poc [kPa]
0,500
55,5 1,000
111
0,562
62,4 1,000
111
0,562
102 1,000
177
0,691
124 1,000
177
0,691
144 1,000
202
0,691
144 1,000
202
0,691
181 1,000
249
0,456
100 1,000
220
0,456
129 1,000
260
0,456
129 1,000
260
0,456
177 1,000
326
0,691
225 1,000
326
0,691
259 1,000
375
0,609
229 1,000
375
2,278
201 0,609
256 1,000
419
1,891
195 0,691
290 1,000
419
1,891
340 0,691
314 1,000
454
1,891
340 0,691
314 1,000
454
1,891
515 0,691
377 1,000
546
3,180
718 0,478
229 1,000
480
3,180
746 0,478
264 1,000
553
3,180
746 0,478
271 1,000
560
3,180
931 0,478
338 1,000
650
1,891
710 0,691
449 1,000
650
1,891
738 0,691
459 1,000
665
146
2014
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
Tabela 3. Wspóáczynniki czĊĞciowe od oddziaáywaĔ lub od skutków oddziaáywaĔ
Oddziaáywanie
niekorzystne
trwaáe
korzystne
niekorzystne
korzystne
zmienne
Zestaw
A1 [-]
A2 [-]
1,35
1,00
1,00
1,00
1,50
1,30
0,00
0,00
Symbol
ȖG
ȖQ
Tabela 4. Wspóáczynniki czĊĞciowe od parametrów gruntu
Zestaw [-]
Parametr gruntu
Symbol
M1
M2
kąt wytrzymaáoĞci na Ğcinanie *
Ȗij
1,00
1,25
spójnoĞü efektywna
Ȗc
1,00
1,25
wytrzymaáoĞü na Ğcinanie bez odpáywu
Ȗcu
1,00
1,40
wytrzymaáoĞü na Ğciskanie jednoosiowe
Ȗqu
1,00
1,40
gĊstoĞü objĊtoĞciowa
ȖȖ
1,00
1,40
* wspóáczynnik ten stosuje siĊ do wartoĞci tgij
Tabela 5. Wspóáczynniki czĊĞciowe oporu granicznego
Zestaw [-]
Opór
Symbol
R1
R2
R3
noĞnoĞü podáoĪa
ȖR;v
1,00
1,40
1,00
przesuniĊcie
ȖR;h
1,00
1,10
1,00
147
Ocena parcia na obudow¸ gϸbokiego wykopu na przykÏadzie
stacji metra C14 Stadion
2014
Tabela 6. WartoĞci parcia okreĞlone wg Eurokodu 7 PN-EN 1997-1. PodejĞcie
projektowe 1.1
Warstwa Ka [-]
nN (Ps) 0,333
nN (G) 0,390
nN (G) 0,390
nN (G)/Gʌ 0,527
Gʌ/ Gʌz 0,527
Gʌz/Ps 0,527
Ps 0,527
Ps 0,294
Ps 0,294
Ps 0,294
Ps/ Gʌz 0,294
Gʌz/ Ps 0,527
Gʌz/Gp 0,527
Gʌz/Gp 0,438
Gp/Gʌz 0,438
Gp/Gʌz 0,527
Gʌz/Gʌ 0,527
Gʌ/Pʌ 0,527
Pʌ 0,527
Pʌ 0,313
Pʌ 0,313
Pʌ 0,313
Pʌ/Gʌ 0,313
Pʌ/Gʌ 0,527
Gʌ 0,527
Pa [kPa] Kb [-]
54,4
46,8
86,9
74,4
97,5
97,5
141
91,0
126
126
184
176
211
174
200 2,278
243 1,891
267 1,891
267 1,891
333 1,891
235 3,180
247 3,180
247 3,180
328 3,180
407 1,891
417 1,891
148
Pb [kPa]
284
276
484
484
720
1012
1050
1050
1300
984
1022
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Tabela 7. WartoĞci parcia okreĞlone wg Eurokodu 7 PN-EN 1997-1. PodejĞcie
projektowe 1.2
Warstwa
Ka [-]
nN (Ps) 0,333
nN (G) 0,390
nN (G) 0,390
nN (G)/Gʌ 0,527
Gʌ/ Gʌz 0,527
Gʌz/Ps 0,527
Ps 0,527
Ps 0,294
Ps 0,294
Ps 0,294
Ps/ Gʌz 0,294
Gʌz/ Ps 0,527
Gʌz/Gp 0,527
Gʌz/Gp 0,438
Gp/Gʌz 0,438
Gp/Gʌz 0,527
Gʌz/Gʌ 0,527
Gʌ/Pʌ 0,527
Pʌ 0,527
Pʌ 0,313
Pʌ 0,313
Pʌ 0,313
Pʌ/Gʌ 0,313
Pʌ/Gʌ 0,527
Gʌ 0,527
Pa [kPa]
48,7
41,5
83,0
72,0
95,9
95,9
141
88,0
124
124
184
178
214
176
203
247
272
268
340
237
249
249
333
417
428
149
Kb [-]
2,278
1,891
1,891
1,891
1,891
3,180
3,180
3,180
3,180
1,891
1,891
Pb [kPa]
258
250
446
446
690
976
1016
1016
1274
964
1004
Ocena parcia na obudow¸ gϸbokiego wykopu na przykÏadzie
stacji metra C14 Stadion
2014
Tabela 8. WartoĞci parcia okreĞlone wg Eurokodu 7 PN-EN 1997-1. PodejĞcie
projektowe 2
Warstwa Ka [-]
nN (Ps) 0,333
nN (G) 0,390
nN (G) 0,390
nN (G)/Gʌ 0,527
Gʌ/ Gʌz 0,527
Gʌz/Ps 0,527
Ps 0,527
Ps 0,294
Ps 0,294
Ps 0,294
Ps/ Gʌz 0,294
Gʌz/ Ps 0,527
Gʌz/Gp 0,527
Gʌz/Gp 0,438
Gp/Gʌz 0,438
Gp/Gʌz 0,527
Gʌz/Gʌ 0,527
Gʌ/Pʌ 0,527
Pʌ 0,527
Pʌ 0,313
Pʌ 0,313
Pʌ 0,313
Pʌ/Gʌ 0,313
Pʌ/Gʌ 0,527
Gʌ 0,527
Pa [kPa] Kb [-]
54,4
46,8
86,9
74,4
97,5
97,5
141
91,0
126
126
184
176
211
174
200 2,278
243 1,891
267 1,891
267 1,891
333 1,891
235 3,180
247 3,180
247 3,180
328 3,180
407 1,891
417 1,891
150
Pb [kPa]
203
197
346
346
514
723
750
750
928
703
730
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Tabela 9. WartoĞci parcia okreĞlone wg Eurokodu 7 PN-EN 1997-1. PodejĞcie
projektowe 3.1
Warstwa
nN (Ps)
nN (G)
nN (G)
nN (G)/Gʌ
Gʌ/ Gʌz
Gʌz/Ps
Ps
Ps
Ps
Ps
Ps/ Gʌz
Gʌz/ Ps
Gʌz/Gp
Gʌz/Gp
Gp/Gʌz
Gp/Gʌz
Gʌz/Gʌ
Gʌ/Pʌ
Pʌ
Pʌ
Pʌ
Pʌ
Pʌ/Gʌ
Pʌ/Gʌ
Gʌ
Ka [-]
0,333
0,390
0,390
0,527
0,527
0,527
0,527
0,294
0,294
0,294
0,294
0,527
0,527
0,438
0,438
0,527
0,527
0,527
0,527
0,313
0,313
0,313
0,313
0,527
0,527
Pa [kPa]
58,2
47,0
103
85,0
117
117
178
112
161
161
242
228
277
228
264
321
355
350
447
312
330
330
442
550
565
151
Kb [-]
2,278
1,891
1,891
1,891
1,891
3,180
3,180
3,180
3,180
1,891
1,891
Pb [kPa]
326
315
558
558
888
1245
1298
1298
1648
1258
1312
Ocena parcia na obudow¸ gϸbokiego wykopu na przykÏadzie
stacji metra C14 Stadion
2014
Tabela 10. WartoĞci parcia okreĞlone wg Eurokodu 7 PN-EN 1997-1. PodejĞcie
projektowe 3.2
Warstwa
Ka [-]
nN (Ps) 0,333
nN (G) 0,390
nN (G) 0,390
nN (G)/Gʌ 0,527
Gʌ/ Gʌz 0,527
Gʌz/Ps 0,527
Ps 0,527
Ps 0,294
Ps 0,294
Ps 0,294
Ps/ Gʌz 0,294
Gʌz/ Ps 0,527
Gʌz/Gp 0,527
Gʌz/Gp 0,438
Gp/Gʌz 0,438
Gp/Gʌz 0,527
Gʌz/Gʌ 0,527
Gʌ/Pʌ 0,527
Pʌ 0,527
Pʌ 0,313
Pʌ 0,313
Pʌ 0,313
Pʌ/Gʌ 0,313
Pʌ/Gʌ 0,527
Gʌ 0,527
Pa [kPa]
48,7
41,5
83,0
72,0
95,9
95,9
141
88,0
124
124
184
178
214
176
203
247
272
268
340
237
249
249
333
417
428
152
Kb [-]
2,278
1,891
1,891
1,891
1,891
3,180
3,180
3,180
3,180
1,891
1,891
Pb [kPa]
258
250
446
446
690
976
1016
1016
1274
964
1004
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Analiza wyników obliczeĔ
Na podstawie opisanych sposobów wyznaczania wartoĞci parcia oraz
zestawionych w tabelach wyników obliczeĔ stwierdzono, iĪ otrzymane na
podstawie polskiej normy PN-81/B-03020 wartoĞci parcia czynnego
i biernego dziaáających na konstrukcjĊ oporową są mniejsze od wartoĞci
wyznaczonych w oparciu o Eurokod 7 PN-EN 1997-1 w przypadku róĪnych
podejĞü projektowych. RóĪnica ta wynika z zastosowania w metodzie
obliczeniowej opisanej w Eurokodzie 7 wspóáczynników czĊĞciowych, które
zwiĊkszają wartoĞci obciąĪeĔ trwaáych i zmiennych oraz wartoĞci
parametrów geotechnicznych zarówno w przypadku parcia czynnego jak
i biernego. WartoĞü odporu zostaáa podzielona przez wspóáczynnik noĞnoĞci
podáoĪa, czyli zostaáa pomniejszona. Mimo to i tak jest wiĊksza od wartoĞci
otrzymanej na podstawie normy PN-81/B-03020. W celu zobrazowania
wyĪej opisanej róĪnicy wyznaczono wartoĞci parcia dla poszczególnych
metod na gáĊbokoĞciach odpowiadających poáowie gáĊbokoĞci wykopu (8m),
dna wykopu (16m) oraz na spodzie konstrukcji oporowej. Wyniki zestawiono
w Tabeli 11.
Tabela 11. WartoĞci parcia czynnego i biernego
Norma
Nr podejĞcia projektowego
PN-81/B03020
-
Eurokod 7
PN-EN 1997-1
1.1
Eurokod 7
PN-EN 1997-1
1.2
Eurokod 7
PN-EN 1997-1
2
Eurokod 7
PN-EN 1997-1
3.1
Eurokod 7
PN-EN 1997-1
3.2
153
h [m]
8,0
16,0
28,3
8,0
16,0
28,3
8,0
16,0
28,3
8,0
16,0
28,3
8,0
16,0
28,3
8,0
16,0
28,3
Pa [kPa]
88
140
304
123
195
417
121
198
428
123
195
417
156
257
565
121
198
428
Pb [kPa]
738
1022
1004
730
1312
1004
Ocena parcia na obudow¸ gϸbokiego wykopu na przykÏadzie
stacji metra C14 Stadion
2014
W zaleĪnoĞci od wielkoĞci zastosowanych wspóáczynników
czĊĞciowych otrzymano róĪne wartoĞci parcia w poszczególnych podejĞciach
projektowych.
Wnioski koĔcowe
ObudowĊ mającej powstaü w przyszáoĞci stacji II linii metra
w Warszawie C14 Stadion zaprojektowano w osáonie Ğcian szczelinowych.
Na podstawie przeprowadzonej analizy wyników obliczeĔ wyciągniĊto
nastĊpujące wnioski:
1. Wykonane obliczenia są obliczeniami wstĊpnymi do zaprojektowania
odpowiedniej obudowy gáĊbokiego wykopu.
2. Otrzymane wyniki są wartoĞciami bardzo duĪymi, rzadko spotykanymi
w geotechnice. WartoĞci takie wystĊpują jedynie przy skomplikowanych
budowlach ziemnych, jaką jest metro warszawskie. Przyczyną otrzymania
tych wyników jest duĪa gáĊbokoĞü wykopu wynosząca 16 m.
3. Konstrukcja oporowa zaprojektowana na tak duĪą gáĊbokoĞü wymaga
dodatkowego wzmocnienia, gdyĪ obudowa w osáonie Ğcian szczelinowych
jest niewystarczająca.
4. Z powodu niemoĪnoĞci zastosowania metody kotwionej, niezbĊdne jest
wykorzystanie w przenoszeniu obciąĪeĔ rozparcia przy pomocy páyty
dennej i páyty stropowej.
5. Po wzmocnieniu Ğcian szczelinowych rzĊdami rozpór w kaĪdym
z opisanych sposobów, warunek statecznoĞci konstrukcji oporowej
speániony to znaczy, Īe parcie pasywne równowaĪy parcie aktywne i nie
dojdzie do awarii Ğciany szczelinowej.
6. Najmniejsze wartoĞci parcia otrzymano wedáug polskiej normy PN-81/B03020, najwiĊksze zaĞ w oparciu o Eurokod 7 PN-EN 1997-1 w podejĞciu
projektowym 3.1.
7. RóĪnice w otrzymanych wynikach obliczeĔ są rezultatem zastosowania
w metodzie opisanej w Eurokodzie 7 czĊĞciowych wspóáczynników
bezpieczeĔstwa, których zadaniem jest zwiĊkszenie wartoĞci obciąĪeĔ
trwaáych i zmiennych oraz wartoĞci parametrów geotechnicznych
o odpowiedni rząd procentów. WartoĞü odporu zaĞ zostaáa pomniejszona
o pewną wielkoĞü.
154
Geoinformacja jako metoda ochrony przed geozagroĂeniami
2014
Literatura:
[1] Konsorcjum
GEOTEKO-SGGW-GEOPROJEKT,
Dokumentacja
Geologiczno-InĪynierska i Hydrologiczna dla II linii Metra
w Warszawie-Stacja S13 Stadion, Warszawa 2003-2004
[2] Wolski W. i inni, 2007: „Budowa geologiczna”, [w:] „Dokumentacja
geologiczno inĪynierska dla zmienionej trasy II linii metra
w Warszawie na odcinku stacja Nowy ĝwiat Stacja Dworzec
WileĔski”, Warszawa;
[3] Wolski W. i inni, 2007: „Warunki hydrogeologiczne”, [w:]
„Dokumentacja geologiczno-inĪynierska dla zmienionej trasy II linii
metra w Warszawie na odcinku stacja Nowy ĝwiat – Stacja Dworzec
WileĔski”, Warszawa;
[4] Wolski W. i inni, 2007: „Charakterystyka warunków geologiczno inĪynierskich”, [w:] „Dokumentacja geologiczno-inĪynierska dla
zmienionej trasy II linii metra w Warszawie na odcinku stacja
Nowy ĝwiat – Stacja Dworzec WileĔski”, Warszawa;
[5] PN-B/81-03020. Grunty budowlane. Posadowienia bezpoĞrednie
budowli. Obliczenia statyczne i projektowanie;
[6] Eurokod
7
PN-EN
1997-1.
Projektowanie
geotechniczne.
CzĊĞü 1: Zasady ogólne;
[7] Mostowska M., 2009: „Ocena parcia na obudowĊ gáĊbokiego wykopu
na przykáadzie stacji metra S13 Stadion”, Warszawa –praca inĪynierska.
155

Podobne dokumenty