Кратко и по существу — проект локальной опорной сети для долговременного мониторинга деформаций плотины: выбор типов пунктов, их размещение, частота наблюдений и методы анализа временных рядов.
1) Цели и требования
- Цель: раннее обнаружение устойчивых смещений, наклонов и ускорений деформации, корреляция с уровнем водохранилища и гидрогеологией.
- Точность целевая: относительная горизонтальная $\sim 1\text{–}5\text{мм}$, вертикальная $\sim 5\text{–}10\text{мм}$ (подбирается по классу риска).
2) Типы пунктов и роли
- Геодезические пункты (реперы, тотальные станции, нивелиры, тахеометры, геодезические нивелиры точного уровня):
- контроль абсолютных смещений уровня и координат, в т.ч. вертикали.
- Инклинометры (трубчатые с электронным датчиком/автоматизированные):
- профиль внутреннего смещения вдоль конструкционного тела (наклон в глубине).
- GNSS/GPS (непрерывные и кампанийные):
- мониторинг трёхмерных смещений в реальном времени/периодически; контроль опорной сети, синхронизация времени.
- Вспомогательно рекомендую: пьезометры, автоматические наклонные датчики на поверхности, тензометры — для корреляции.
3) Размещение и численность (рекомендации)
- Опорная геодезическая сеть:
- внешние стабильные реперы на скале/фундаменте вне зоны влияния — минимум $3\text{–}5$ пунктов для определения опорной системы.
- по гребню плотины: реперы через каждые $10\text{–}20\text{м}$ (крупные плотины — ближе).
- по склонам: по продольным линиям на верхней, средней и нижней частях откосов; по поперечным профилям у характерных разрезов.
- у подошвы / у плотины (toe), у абатментов, уspillway — по одному пункту на каждом критическом участке.
- Инклинометры:
- в теле плотины на ключевых поперечных профилях с потенциальными скользящими плоскостями: минимум $1\text{–}2$ скважины на профиль (одна в центре, одна ближе к откосу).
- глубина бурения: до перехода в жесткий массив/на $1.5\text{–}2$ раза глубины ожидаемой потенциальной плоскости скольжения; минимум — до основания плотины/фундамента.
- шаг профилей вдоль плотины: каждые $50\text{–}200\text{м}$ в зависимости от длины и неоднородности (в критических местах плотнее).
- GNSS:
- минимум $3\text{–}5$ стационарных приёмников: один вне зоны влияния (эталон), один на гребне, дополнительные на абатментах/подошве; для больших плотин — станция на каждом берегу.
- расстояние до опорных эталонов — по возможности < $10\text{км}$, но внешние устойчивые опоры можно и дальше при корректной обработке.
4) Частота наблюдений
- GNSS:
- непрерывный лог приём сырых данных: $1\text{Hz}$ или $5\text{–}30\text{s}$ решения, хранение RINEX; для оперативного контроля — обработка минутных/часовых решений и ежедневных постоянных решений.
- кампанийно (если нет непрерывного): каждые $1\text{–}3$ месяца (или чаще в период активных работ/повышенного риска).
- Инклинометры:
- автоматические: чтение каждые $10\text{min}\text{–}1\text{h}$ (при обычном режиме $1\text{h}$), при неблагоприятных условиях — каждые $1\text{–}10\text{min}$.
- ручные профили: контрольные замеры каждые $1\text{–}3$ месяца (или чаще при риске).
- Геодезия (тотальные станции/нивелирование/тахеометры/ТСМ):
- роботизированные тотальные станции: автоматические циклы $1\text{–}6\text{h}$.
- точное нивелирование: базовая кампания каждые $6\text{мес}$ и дополнительное — ежемесячно при повышенном риске.
- геодезические сети — переобмер и сеточные привязки ежегодно.
5) Обработка и привязка (качество)
- Привязка наблюдений к стабильной референсной сети; GNSS-решения — статические/daily или PPP/RTK/PPK для быстрых результатов.
- Сетевая привязка и классическая обработка методом наименьших квадратов: нормальные уравнения $A^{T}PAx=A^{T}Pl$, оценка ковариаций $C_x=(A^{T}PA{)}^{-1}$.
- Проверка консистентности: контроль остатков, выявление смещённых наблюдений и их исключение/коррекция.
6) Анализ временных рядов — последовательность
- Предобработка: удаление очевидных выбросов, синхронизация по времени, коррекция на температурные/инструментальные эффекты, удаление высокочастотного шума (фильтры).
- Декомпозиция:
- модель вида $d(t)=a+b\cdot t+{\sum }_k{c}_k\sin ({\omega }_{k}t)+e(t)$, где $b$ — скорость.
- регрессия по уровню воды/пьезометрии: $d(t)=\alpha +\beta H(t)+ϵ(t)$ для оценки чувствительности.
- Тренды и скорость:
- оценка скорости смещений: $v=\Delta s/\Delta t$.
- робастные оценки тренда: тест Манна–Кендалла и оценка наклона Сенса.
- Сглаживание и прогноз:
- Калмановские фильтры / состояние-пространственная модель: $x_{k+1}=x_k+v_k\Delta t+w_k,y_k=x_k+e_k$ — для фильтрации шума и предсказания.
- ARIMA / SARIMA для сезонных компонентов и краткосрочного прогноза.
- Выявление аномалий и точек разрыва:
- CUSUM, тесты Питта/Петтитта, байесовское определение точки изменения.
- критерий предупреждения: превышение $3\sigma$ фоновой изменчивости или устойчивый рост скорости.
- Корреляционный анализ:
- кросс-корреляция с уровнем воды и динамикой осадков, лаговая связь.
- Объединение многоканальных данных:
- главные компоненты (PCA) для выделения согласованного сигнала по множеству датчиков; пространственно-временной анализ для выделения фронтов деформации.
7) Критерии тревог (примерная схема, подлежит калибровке под объект)
- Уровень 1 (наблюдение): изменение > $3\sigma$ фонового шума или скорость $v>$ $1\text{mm/day}$.
- Уровень 2 (предупреждение): устойчивый темп $v>$ $5\text{mm/day}$ или детектированная точка разрыва / положительная корреляция с повышением уровня воды.
- Уровень 3 (авария/эвакуация): скорость $v>$ $10\text{mm/day}$ или значимый прогрессирующий разрыв/наклон по нескольким независимым системам.
(Значения примера; необходимо локально корректировать согласно типу плотины и последствиям).
8) Контроль качества и обслуживание
- Калибровка и инспекция инструментов каждые $6\text{–}12\text{мес}$; оперативная проверка после сильных событий (землетрясение, шторм).
- Резервирование питания/связи для непрерывных GNSS и инклинометров.
- Автоматическая верификация данных и отчёты с визуализацией, табличными сводками скоростей, трендов и предупреждений.
9) Итоговая схема пример (типовая)
- GNSS: $3\text{–}5$ непрерывных станций (эталон + гребень + абатменты).
- Геодезия: реперы по гребню каждые $10\text{–}20\text{м}$, поперечные профили каждые $50\text{–}200\text{м}$.
- Инклинометры: скважины в $5\text{–}10$ критических профилях, глубина до базовой породы / $1.5\text{–}2\times$ ожидаемой глубины скольжения.
- Частоты: GNSS непрерывно (обработка: минутные/часовые и ежедневные), инклинометры автоматические $10\text{min}\text{–}1\text{h}$, геодезия: автоматически $1\text{–}6\text{h}$, точное нивелирование $6\text{мес}$ (или чаще).
Если нужно — подготовлю конкретную схему для вашей плотины (размеры, тип, материалы), с точными числами пунктов, глубинами инклинометров и приведу пример порогов тревог, настроенных под заданный риск.