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