автореферат диссертации по геодезии, 05.24.01, диссертация на тему:Разработка методов геодезических работ при наблюдениях за деформациями портовых сооружений

ШИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РФ

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ГЕОДЕЗИИ, АЭРОФОТОСЪЕМКИ И КАРТОГРАФИИ

На правах рукописи УДК 528.06

ЗАКИ МУХАМЕЛ ЗЙДАН ЗЛЬ-ШЕЯХА

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТ ПРИ НАБЛЮДЕНИЯХ ЗА ДЕФОРМАЦИЯМИ ИОРТОШХ СООРУЖЕНИЯ

Специальность 05.24.01 - Геодезия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА

1993

Работа выполнена на кафедре прикладной' геодезии Московского института инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ - доктор технических наук, профессор

Е. Б. КЮШН

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ - доктор технических наук, профессор

ЯМБАЕВ ХК.

кандидат технических наук, главный ~ ------------_ __ _ инженер МАГИ БОРОДКО А. Е

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - СОЮЗМОРНИИПРОЕКГ

Защита диссертации состоится " " <Р^¿Л 1993 г.

__,7

в /7 часов на заседании- специализированного Совета К. 063.01.01 в Московском институте инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии по адресу: 103064, Москва, К-64, Гороховский пер., 4, МИЙГАиК (ауд.321).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИГАиК Автореферат разослан "_"_ 1993 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО СОВЕТА ^ RA. МОНАХОВ'

Актуальность темы: Арабская Республика Египет является морской державой и имеет ряд крупных морских портов, таких как Александрия, Шрт-Саид, Суэц и Думиат. Для обеспечения безаварийной эксплуатации портов необходим своевременный и качественный контроль состояния портовых сооружений, в том числе - наблюдение за их деформациями- Наблюдения за деформациями наземных частей портовых сооружений не .вызывают затруднений, методики выполнения этих работ хорош отработана. Значительно большие трудности вызывают работы, связанные с измерениями деформаций под водой. Организация таких работ наблюдений необходима в связи с возможностью разрушения портовых сооружений в подводной части. Кроме того, во 'многих случаях необходимы наблюдения за деформациями дна акваторий портов из-за возможности изменения их рельефа. Для таких работ практически нет специализированных измерительных средств, отсутствуют методика выполнения достаточно точных работ, которые требуются при выявлении деформаций.

В связи с этим актуальной является задача разработки методики определения координат пунктов под водой, не использующей дорогого и сложного оборудования и позволяющей определить координаты точки с необходимой при изучении деформаций точностью.

Целью исследований является использование методов теоретической механики и гидродинамики для учета влияния внешних условий при выполнении геодезических измерений.

Научная новизна работы. Предложен способ определения пространственных координат пункта под водой и алгоритм обработки результатов измерений. Получены формулы для вычисления поправок за влияние внешних' условий. Разработана методика измерений и алгоритм обработки их результатов, позволяющие определять координаты

с заданной точностью за счет учета влияния внешних факторов.'

Практическая ценность работы. Предлагаемая методика работ не требует разработки специального оборудования, достаточно проста и может быть реализована без крупных материальных затрат.

Апробация работы. Оснозные положения работы докладывались на научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых ЫИИГАиК в апреле 1992 г. По результатам работы написаны и сданы в редакцию две статьи.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литература Общий объем работы 143 страницы машинописного текста В диссертации имеется 10 таблиц и 4? рисунков. Список литературы содержит 124 наименования, в том числе два На иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко сформулирована нуждавдая в разработке задача определения координат пункта под водой, решение которой необходимо при наблюдениях за деформациями портовых сооружений.

В первой главе выполнен аналитический обзор классификации и компоновки портов, видов и конструкции портовых сооружений и способов измерения их деформаций геодезическими методами. Подробно проанализированы способы геодезических измерений, используемые в рассматриваемых работах, и применяемые для этого приборы и приспособления. В результате обзора получены следующие ос-

новные выводы:

1. При наблюдениях за деформациями портовых гидротехнических сооружений в их надводных зонах могут быть использованы приборы и методики, используемые для других типов инженерных сооружений. Значительный объем публикаций по этим вопросам и богатый опыт выполнения практических работ позволяет сосредоточить основное внимание на разработке методов определения деформаций подводных частей портовых сооружений.

2. Не вызывают затруднений вопросы измерения взаимных деформаций отдельных конструктивных блоков в подводных зонах гидротехнических сооружений. Для этих целей в подавляющем большинстве случаев достаточно использовать простейшие измерительные приспособления и инструменты.

3. При необходимости определения осадок основания вблизи сооружений могут использоваться различные конструкции подводных нивелиров. Однако с их помощью затруднительно определять отметки дна в системе координат, принятой для развития геодезической сети на берегу. Для этого по-прежнему используется футшток и наблюдения аа изменением уровня воды. Точность определения отметок при этом оказывается на порядок ниже точности подводного нивелирования. Если при этом обследовании гидротехнических сооружений это не оказывает существенного влияния (их абсолютная осадка может быть определена из наблюдений на поверхности), то при изучении деформаций дна акваторий возникает задача определения отметок дна в единой системе координат. Методы подводного нивелирования в этом случае неприменимы из-за относительно небольшого радиуса действия.

4. Деформации дна акваторий портов определяются на основании сравнения крупномасштабных планов дна, полученных по материалам съемок в различное время. Плановая привязка узловых точек

сломочных маршрутов с.:.!; :,ствляется к пушстэн береговой геодезической сети. При зтом тр.■ 'дются координаты сигнального буя, закрепляемом водолазом над узловой точкой. Невозможность полного учета влияния ветра, волнения, течений и др. на положение буя на поверхности вносит значительные ошибки в координаты узловой точ-' ки, особенно на присулщ современным морским портам больших глубинах.

В связи с зтим представляется необходимым разработка спосо-. ба определения пространственных координат пунктов под . водой _ в едулой системе координат с внешней геодезической сетью.

Вторая глава посвящена разработке способа определения пространственных координат пункта под водой. В разделе 2.1 задача решена при идеальных внешних условиях, считая, что внешние условия (сила тяжести, волнение, течение и др.) не оказывают никакого влияния..

Суть предлагаемого способа заключается в следующем. Пусть необходимо определить пространственные координаты Х^ , за-

крепленной на дне точки , являющейся узловой точкой маршрута в системе координат береговой сети (рис. 1}..

Для определения координат точки А в качестве .визирных целей предлагается использовать специальные поплавки 3 . С и Я,

снабженные отражателями для светодальномерных измерений и визирной целью для угловых измерений. Поплавки неупрутими тросами АС и прикрепляются к определяемому пункту Л и вспомогательным грузам /¿' . Длина тросов подбирается таким образом, чтобы обеспечить неподвижность поплавков на поверхности води.

Таким образом с помощью расположенных на берегу геодезических приборов (например, электронного тахеометра) можно определить пространственные координаты этих поплавков. Если с достаточной точностью измерить длину тросов

(рис.1), то полученное таким образом построение можэт рассматриваться как сеть пространственной трилатерации. В ней пункты <3 ,

С и

Я - исходные, а пункт л - определяемый. Таким образом, поставленная задача определения пространственных координат узловой точки маршрута оказывается задачей вычисления пространственных прямоугольных координат пункта по трем измеренным расстояниям. Автором модифицирован один из известных алгоритмов решения ■этой задачи. Суть разработанного алгоритма в следующем.

Выразим длины тросов г)¿ через пространственные координаты

точек

/9 . £ , С и » ,

Поскольку точные координаты точки Л неизвестны, выразим их через приближенные координаты , и ^ и неизвестные пока поправки

Ъ-оХ+А?; (2)

Подставим (2) в (1) и составим систему уравнений относительно неизвестных

. Опустиз несложные преобразования, окончательно.получим следующую систему и.} трех ли-

(1)

- 8 г

нейных уравнений с тремя неизвестными

где

{/¿-/^& -

Л^у > Л ¿у - приращения координат медцу пунктами / и^/.' В матричном виде система уравнений (3). может быть записана в виде

¿■з

ГДе ¿Ъл ^

¿¿¿С

- столбец поправок в приближенные координаты; /¡^ ' столбец свободных членов.

Решение системы уравнений . (3) предлагается выполнять в следующей последовательности:

1. Задаться приближенными значениями координат ¿Г^

2. Сформировать матрицу и вектор ^ .

3. Решить систему уравнений и найти вектор который по смыслу.-должен быть равен нулю.

4.Если^ДЯ"* 0, повторить -решение, начиная с пункта 2. Организация таким образом итерационного процесса позволяет

снизить ограничения на точность определения приближенных координат пункта ^ и перед вычислениями знать их достаточно грубо.

Работоспособность алгоритма исследована на модели. В работе

совершать колебания в направлении, перпендикулярном направлению течения. Теоретическое решение этой задачи чрезвычайно сложно. Поплавок, прикрепленный тремя струнами к подводным пунктам, практически не испытывает колебаний. Поэтому такая система может обеспечить успешное решение поставленной задачи.

Получены формулы для учета воздействия течения на сам поплавок и с их помощью установлено, что это воздействие существенно меньше суммарного влияния течения и собственного веса на струны.

Третья глава посвящена практическим вопросам разработки методики измерений и исследованиям точности. В разделе 3.1 предлагается следующая методика работ для определения координат расположенных под водой пунктов.

1. Создать сеть геодезического обоснования на поверхности.

2.- Для подбора струн приближенно определить глубину воды.

3. Измерить на берегу длину струн.

4. Выбрать местоположение и закрепить пункты под водой.

С помощью струн известной длины соединить поплавки с пунктами под водой в соответствии с проектом - (рис. 1). От-ткть положение вспомогательных пунктов ( на рис. 1) тросами с буями для приближенного определения их пространственных координат. Они необходимы для введения поправок за влияние течения (см. выражения (8) и (9)).

6. Способом прямой засечки с пунктов обоснования определить реальные координаты поплавков $ , С и ¿0 , а также поплавков, обозначающих положение вспомогательных пунктов. По алгоритму (раздел 2.1) вычислить приближенные координаты луиста А . Вычислить приближенные координаты вспо-могатедьных пунктов^ 'учетом поправок за действие течения на одну струну.

Таблица 3

/о го

■ три струны С = 24 кг, =0.5 мм; ---одна струна ¿т1 = 8кг, = 1.5 мм.

Рис. 4

При вычислениях приняты 1.5 мм и В кг, что соответствует О. Б мм и I? =24 кг для трех струн.

Как показывают полученные результаты, течение оказывает меньшее воздействие на систему из трех струн. Это подтверждает целесообразность применения именно этой схемы. Кроме этого, от-мечейо, что при скорости течения свыше О. 3 м/с струна начинает

Таблица 1

Глубина (м)

Пункты К См) У, (¥) Л Л

/1 30 35 ' 10 20 30

в 20 25 1.0 1.0 1.0

с 25 50 0. 0 0.0 0.0

я 45 32.5 0. 0 0.0 0.0

16.8 23.7 32. 3

Длины струн (м) 18.7 25.5 33. 9

18.2 25.1 33.6

& « / 57 20 0 ! 36 38 с / 25 58

Углы £ 57 44 38 19 27 48

Л 56 40 37 17 26 55

Таблица 2

^^^С^убина (м)

Натяжение 10 20 30

15. 20 10. 60 9.5

л ШС 13.8 9.30 8.2

15. 40 10.40 9.3

Яга 0 / 41 59 62*14' 70" 58'

Рхс аз 26 75 58 80 32

33 41 53 08 63 26

ние оказывает Солее заметное влияние и точность учета смещений

Кроме того, полученные выражения могут быть использованы для определения скорости течения воды без применения дополнительной аппаратуры. Действительно, при изменении выталкивающей силы будут изменяться и смещения поплавка. Если с помощью имеющихся в оболочке поплавка пробок частично заполнить его водой, то изменится выталкивающая сила и, следовательно; смещение поплавка. Разность смещений доступна для измерений на поверхности воды. Поэтому определим скорость течения:

где с> = ¿>г - ¿>2 , знание которой необходимо для выполнения расчетов по полученным ранее формулам.

Приведем результаты вычисления поправок за влияние собственного веса и течения на три и на одну струну. Для этого была исследована модель, координаты пунктов в которой приведены в табл. 1.

В этой же таблице приведены длины струн /г^ , углы , и (см. рис. 3).

В рассматриваемой модели углы £ оказались равными 26* 34"

Л * '

и ^ - 27 54. Для вычисления натяжения каждой струны принята величина выталкивающей силы = 24 кг. Результаты вычисления натяжения струн из решения системы уравнений (7) и углы наклона струн ^ приведены в табл. 2.

Результаты вычисления смещения поплавка для трех струн по представлены в табл.3 и на рис.4.

оказывается недостаточной.

- 17 -

7: Вычислить невозмущенные координаты полк-, £

8. Ш формулам вычислить неискаженные . влиянием собственного веса и действием течения длины струн.

9. С использованием невозмущенных координат и исправленных длин струн по предложенному в разделе 2.1 алгоритму вычислить искомые координаты пункта под водой.

10. Выполнить оценку точности определения координат.

Для упрощения расчетов в полученных ранее формулах, введены единые обозначения в соответствии с рис. 5: .

Определению подлежат координаты пункта под водой. Каждый из поплавков , и Л^Ь закреплен тремя тросами, два из которых - вспомогательные (обозначены пунктирными линиями). Для определения искомых координат пункта необходимы невозмущенные координаты Х& , и ^с поплавков ^ в геодезической (внешней)

Рис.5

системе координат и идеальные длины прямых , и .

Для вычисления невозмущенных координат каждого поплавка следует воспользоваться формулами с учетом введенных на рис.5 обозначениями:

V '/' (И)

"Я-

где , - суммарное смещение поплавка^/ ^ и ^)

по осям частной системы координат (рис.3); ЛСС;, влияние отдельной струны, включая вспомогательные, на общее смещение поплавка по соответствующим осям координат.

Для получения результатов в системе координат внешней геодезической сети введем следующее правило нумерации струн и ориен-тацш частных систем координат для каждого поплавка.

1. Струна N 1 соединяет поплавок $ с определяемым пунктом 4 , нумерация остальных струн возрастает по ходу часовой стрелки.

2. Ось совпадает со струной N 1. Ось при этом проходит через поплавок . Получаемые в соответствии с этими правилами обозначения показаны.на рис.5.

После вычисления /З^Р; и по (11) в частной системе

<7 У

■чоордеат отдельного поплавка необходимо вычислить смещения и Ур • в системе Хд О У^, Эти величины легко получить по известным формулам прямой геодезической задачи

где

¿У* У* У;

У? - угол разворота системы координат

относительно частной системы координат. Для определения угла (Р необходимы координаты пункта У в системе У^^У?. Тогда из решения обратной геодезической задачи

пег ко найти дирекционный угол струна N 1 для каждого поплавка

Именно поэтому в предлагаемой методике в пункте б предусмотрено вычисление приближенных координат пункта /4 .

С учетом введенных в третьей главе обозначений- модифицированы формулы для вычисления поправок за влияние собственного ве-струны и течения. Они имеют следующий вид:

' УгЗс'лР* ; -

/ - ^ у (13)

где "¿¿г - угол наклона струны с номером ^ в плос-V кости ¿СР? ;

, ¿¿Рг- приращения соответствующих координат; - проекция силы трения текущей воды, действующей ,яа струну с номером /* , на ось ¿'-Г' ; ¿/е > ~ влияние собственного веса и подъемной силы, действующих на струну с номером £ ; $ - натяжение струны с номером 6 - ; <£(• - длина струны. ^

Ъ * /У* ^ ^ е • (14).

наклона струны с номером в плоскости/^.. Правило установки знаков в формулах (12) и (13) определяется взаимным расположением струны 1 и направлением течения (угол 0 на рис. 3). Это правило можно сформулировать следующим образом.

Если движение воды стремится удалить поплавок от данного пункта, то для этой струны используется зндк "+", если движение волц стремится приблизить поплавок'к данному пункту, то для этой

струны используется знак "-".

Таким образом выполняются вычисления поправок для определения невозмущенных координат поплавков (см. пункт 7 методики).

Разделы 3.2 и 3.3 посвящены вопросам исследования точности разработанных алгоритмов. С помощью полученных во второй главе формул найдена оптимальная форма засечки, при которой средняя квадратическая ошибка определения пункта под водой минимальна. Для этого рассмотрена модель, в которой определяемый пункт последовательно перемешается по узлам сетки квадратов с шагом 10 м. В каждом узле вычислены средние квадратические ошибки координат определяемого пункта и далее средняя квадратическая ошибка планового положения пункта

Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы:

- точность координат пункта достаточно высокая и в основном зависит от точности определения координат поплавков;

- минимальная средняя квадратическая ошибка положения пункта оказывается при условии равенства расстояний от пункта // до поплавков.

Далее рассмотрены вопросы оценки точности при учете влияния внешних условий.

В соответствии с предложенной в разделе 3.1 методикой измерений до вычисления координат определяемого пункта необходимо учесть влияние внешних условий, а именно:

- учесть влияние течения на поплавки по формулам (11) -(14) и вычислить невозмущенные координаты пунктов;

- учесть влияние собственного веса струн и течения на изменение их длины по формуле (10).

Поэтому рассмотрены вопросы оценки точности, связанные с введением этих поправок. До вывода рабочих формул сделаем следую-

пдае допущэния:

1. Все аргументы функций, используемых для вычисления поправок, независит

2. Влияние каждой отдельной струны и в формулах (11) вычисляется с одинаковой точностью, т.е. ЛТ^х, - ^а} • •

Это позволяет вывести формулы оценки точности поправок по любой из плановых координат, например, ¿/У£ , и использовать их для оценки точности по другой координате.

С учетом этих допущений получены формулы для вычисления средней квадратической ошибки смещений поплавка

¿Уе и

■ (15)

/

Формулы для вычисления и имеют слёдуюкий вид:

у .г/;

где IV- ^-

£ - /к/л^Ля/*

Ж.—

Значения частных производных ¿У^ в для вычисления определяется аналогично Для расчетов по этим формулам вместо проекции силы трения текущей воды на ось ^с и угла наклона струны в плоскости используются соответственно

Приведем результаты исследования точности определения поправок за влияние течения и собственного веса струны. Сформулируем задачу исследований следующим образом: определить источники ошибок, оказывающие наиболее существенное влияния на точность вычисления величин и

Для этого вычислим значения коэффициентов ¿^-¿¿гдля следующих значений входящих-в них параметров

// - 0.0137; 0.533; & = 0.65; - 0.588 И - -0.0356.

Далее будем изменять значения средних квадратических оши-. бок параметров и вычислять -^¿х- Результаты вычислений представлены в табл.4 и 5.

Таблица 4

NN Варианты .

1 2 3 4 5' 6

1 0. 0137 - 5 5 5 5 5 (мм)

2 • о.5зза 60" - 60" 60" 60° 60"

, 3 0.6500 3 3 , -' 3 3 . 3 (г)

4 0.588 5 5 • 5 - 5 5 (г)

3 0.650 1 1 1 1 ' - ' 1 (г)

5' 0.0356 10 10 10- 10 10 - (г)

12. 996 13.00 9.1975 4.356 12.678 12.873

Таблица 5

мм 1 2 1 4 6 10 12 14 16 18 20

мм 3.60 3.60 3. 61 3.61 3.61 3. 61 ' 3.61 3.61 3.61 3.62

/V, 5 10 15 20 25 30 35 40 50 60

мм 3.6 3.6 3.6 3.6 3.6 3.6 3.6 3.6 3.6 3.6

Г 1 5 10 15 20 25 30 50 70 100

мм 3. 1 4. 4 7.2 10.2 13.3 16. 5 19.7 32.6 45.6 65.1

, г 1 5 10 15 20 25' . 30 50 70 , 100

, мм 2.2 3. 6 6.2 9.1 11.9 14.8 17. 8 29.5 41.2 58.8

Г 1 5 10 35 20 25 30" 50 70 100

ММ 3.1 4.4 7.2 10.2 13.3 16.5 19.7 32.6 45.6 65.1

<Я>6 , Г 1 5 10 15 20 25 30 50 70 100

Млат, мм 3. 59 3. 69 3.61 3.63 3. 66 3. 70 3.74 4.00 4.40 5.10

Анализ представленных в табл. 5 данных позволяет сделать следующие выводы.

1. /Цг£ практически не зависит от точности измерения длин струн /ЯЗг, точности определения выталкивающей силы и точности вычисления угла наклона струны .

2. Средние квадратические ошибки /Я/у и /??/• оказывают практически одинаковое влияние и это влияние заметно отличается от влияния ¿Я/Гр .

В заключении сформулированы следующие основные выводы:

1. Автором разработан и исследован итерационный алгоритм вычислений координат пунктов под водой.

2. Выведены рабочие формулы для оценки точности координат пунктов под водой. Исследования точности показали, что предлагаемый метод определения координат может обеспечить точность, необходимую для исследования деформаций подводных частей портовых сооружений.

3. Выполненный анализ метода цепной линии для определения поправки за влияние собственного веса струны показал, что рабочие формулы сложны и их использование затруднено.

4. Анализ метода параболической нити для вычисления поправки за влияние собственного веса показал, что рабочие формулы оказываются существенно проще и удобнее для расчета, а по точности практически не отличаются от метода цепной линии.

5. Предложена специальная конструкция поплавка, допускающая изменения выталкивающей силы за счет частичного заполнения внутреннего объема поплавка водой.

6. Разработан алгоритм учета совместного влияния течения и собственного веса струн на положение поплавка Анализ точности показал, что этот алгоритм обеспечивает требуемую точность вычисления поправок для' определения деформаций подводных частей портовых сооружений.

7. Применение поплавка, закрепленного одной струной, невозможно в связи с тем, что при скорости течения 0.3 м/с возникает колебание струны в направлении, перпендикулярном направлению течения. Теоретическое решение учета этих колебаний очень сложно. Поскольку поплазок, закрепленный тремя струнами,не испытывает этого влияния,автором рекомендовано использовать именно эту методику.

8. Разработана методика измерений, не требующая применения специального дорогостоящего оборудования, и пригодная для решения задач изучения деформаций в подводных частях портовых сооружений.

9. Анализ точности разработанного метода показал, что при соблюдении-рекомендованной методики, средняя квадратическая ошибка определения координат пункта под водой не превышает 15 мм.

Такая точность достаточна для решения задач наблюдений за деформациями портовых сооружений.

Ш теме диссертационной работы сданы в редакцию две статьи..

УЛП "Penporp&W Зак. 349 _

'Г'/рак ICO.