В 2012-2014 годах наша компания выполнила проект создания системы автоматизированного мониторинга опасных геологических процессов совмещенной автомобильной и железной дороги "Адлер - Горноклиматический курорт "Альпика-Сервис".
Предпосылки создания системы
Трасса совмещенной автомобильной и железной дороги от Адлера до поселка Красная Поляна и далее до железнодорожной станции "Альпика-Сервис" ("Красная поляна") является одной из важнейших транспортных магистралей в инфраструктуре объектов Олимпиады Сочи 2014. Трасса протяженностью около 50 км пролегает по долине р. Мзымта, прорезающей здесь Южный передовой массив центральной части мегаантиклинория Большого Кавказа. Инженерно-геологические условия строительства совмещенных дорог характеризуются большой изменчивостью и III (наивысшей) категорией сложности. Здесь широко развиты опасные гео-логические процессы и, в первую очередь, склоновые процессы.
С целью защиты инфраструктуры была поставлена задача разработать автоматизированную систему мониторинга опасных геологических процессов.
Цель системы
Создание информационного ресурса для обеспечения безопасности линейных сооружений или снижения рисков развития негативных процессов на основе изучения состояния геологической среды и прогнозирования происходящих процессов (оползневых, селевых и техногенных) посредством создания, эксплуатации и развития системы автоматизированного мониторинга.
Задачи системы
- Оценка текущего состояния грунтовых и подземных вод на оползневых и селеопасных участках и прогноз их изменения в естественных и природно-техногенных условиях.
- Оценка текущего состояния и прогноз активности оползневых и селевых процессов.
- Формирование баз данных мониторинга.
- Нормативно-методическое обеспечение работ.
- Подготовка и представление в управленческие службы РЖД регламентных и оперативных материалов о состоянии объектов мониторинга для принятия инженерных решений по защите, и снижению рисков.
Подготовительный этап
Работы по обследованию местности начались в 2011 году.
В результате обследований было выявлено 10 опасных участков, расположенных вдоль совмещенной автомобильной и железной дороги «Адлер – Горноклиматический курорт «Альпика-Сервис».
Расположение опасных участков
Участки были ранжированы по степени опасности и угрозы транспортным объектам, после чего принято решение развернуть сеть постоянного наблюдения на 5 наиболее опасных участках:
- участок 4 (29 км ПК3 – 29 км ПК9), площадь 13,8 га – ж/д;
- участок 7 (43 км ПК5 – 44 км ПК0), площадь 10,3 га – ж/д;
- участок 8 (46 км ПК4 – 48 км ПК6), площадь 108,4 га – ж/д;
- участок 9 (48 км ПК6 – 49 км ПК2) площадь 19,8 га – ж/д;
- участок 10 (ПК324 – ПК328) площадь 8,2 га – а/д; 32 км, ПК8 – ж/д.
Критерии опасности:
- близость нахождения опасных участков к инфраструктуре совмещенной автомобильной и железной дороги «Адлер – Горно-климатический курорт «Альпика-Сервис»;
- объем возможных смещаемых масс;
- текущая активность опасного геологического процесса;
- катастрофичность развития деформаций;
- сочетание и степень активности нескольких видов опасных геологических процессов.
Опасные геологические процессы, представляющие реальную угрозу безопасной эксплуатации:
- оползни;
- сели;
- техногенные процессы.
Оползень в районе 8 участка
Оползень в районе канатной дороги "Горная карусель" - 8 участок
Сход селя в районе 8 участка
Сход селя в районе 8 участка
Основным критерием опасности является степень угрозы для инфраструктуры совмещенной железной и автомобильной дороги «Адлер – Горноклиматический курорт «Альпика-Сервис».
Вокзал в районе конечной станции Альпика-Сервис представляет собой повышенную угрозу вследствие своей пропускной способности (порядка 8 тыс. пассажиров в час) и наличия прилегающего склона хребта Аибга, частично подрезанного и усиленного мощной подпорной стеной.
Вокзал "Альпика-Сервис"
Проведенные исследования подтвердили, что следует считаться с вероятностью сдвижения масс горных пород со стороны примыкающего с юга склона.
Оползневые склоны в районе 9 и 8 участков
Кроме выявленных на этапе исследования и анализа региона геологических опасностей была отмечена опасность схода селей техногенного характера. Это обусловлено, главным образом, строительными работами в зоне питания селей. Предпринятая при этом вырубка растительности, неконтролируемая отсыпка отвалов содержащей глинистые сланцы пустой породы, нередко отсутствие правильного дренажа поверхности способствуют усиленному поступлению материала со склонов, что неизбежно приводит к скоплению рыхлого материала в селевом конусе выноса.
По результатам исследований для защиты транспортной инфраструктуры от опасных геологических процессов был разработан комплекс систем инженерной защиты и предложены методы измерений.
Системы инженерной защиты
В первую очередь были разработаны и реализованы противооползневые и защитные мероприятия для участков с высокой степенью оползневой опасности и оползневого риска для объектов железной дороги. На них же были установлены комплексные системы геодинамического мониторинга. В дальнейшем были реализованы мероприятия по защите от селей, камнепадов и лавин.
- Противооползневая подпорная стенка в районе вокзала «Альпика-Сервис» (9 участок)
- Подпорная стенка из армированной насыпи обжатого профиля Терре Арме (10 участок)
- Удерживающие подпорные сооружения для защиты ж/д эстакады от оползней (8 участок)
- Противооползневое сооружение на участке железной дороги «галерея» (8 участок)
- Селепропуск (8 участок)
- Противоселевые барьеры (10 участок)
- Барьерные заграждения и покровные сетки от скально-обвальных явлений вдоль автомобильной и железной дороги (8 участок)
- Системы дренажа склонов (8, 9, 4 участки)
Наблюдаемые опасные процессы и методы измерений
- Измерение поверхностных деформаций грунтового массива
- Экстензометрия
- Геодезический мониторинг (наблюдение реперной сети)
- Ручная тахеометрия
- Автоматическая тахеометрия
- Измерение объемных деформаций грунтового массива
- Инклинометрия
- Ручные измерения
- Автоматические измерения
- Инклинометрия
- Метеорологическое наблюдение
- Автоматические метеостанции на 2-х участках, расположенных далеко друг от друга
- Гидрогеологические измерения
- Уровень грунтовых и подземных вод
- Поровое давление
- Измерение состояния конструкций и сооружений
- Наклономеры
- Распределенный датчик деформаций геомассива (геосинтетическое полотно с внедренными оптическими датчиками)
- Измерение положения реперов, установленных на сооружениях.
- Селевые процессы
- Видеонаблюдение
- Датчики селевого оповещения триггерного типа
Система автоматизированного мониторинга
Важнейшей задачей проекта является интерпретация данных, полученных в результате измерений, оценка количественных показателей и их сочетания как фактора устойчивости оползня. Решение такой многофакторной задачи требует применения современных методов моделирования и оперативных расчетов коэффициента устойчивости в процессе получения данных. В проекте в качестве основы такого моделирования разработана геоинформационная система (ГИС), учитывающая текущие значения параметров, геометрию склона и характеристики грунтов, из которых сложен оползневой массив. На основе предварительного моделирования (алгоритма расчета) и текущих значений происходит автоматический пересчет модели оползня по критерию его устойчивости, автоматически формируются сигналы опасности разной степени. Второй функцией ГИС является сбор и обработка данных, формирование ответов системы на опасную ситуацию (автоматическое опо-вещение, рассылка результатов мониторинга). Третьей функцией ГИС является визуализация процесса мониторинга (интерфейс оператора) с возможностью получения детализированных данных со всех участков и приборов.
Для оценки степени опасности на участках используется специальное программное обеспечение - 3D модель.
Основные функции системы автоматизированного мониторинга:
- получение и сбор геологической информации на наблюдаемых участках;
- мониторинг состояния участков наблюдения;
- визуальный сервисный интерфейс;
- выявление и прогнозирование развития опасных геологических явлений, представляющих угрозу для совмещенной автомобильной и железной дороги (САЖД);
- информирование служб инфраструктуры САЖД о состоянии геологической среды участков, прилегающих к САЖД для анализа и оперативного принятия обоснованных управленческих решений.
Открытая архитектура системы
ГИС система имеет открытую архитектуру, что позволяет в любой момент внедрить в нее дополнительно любое количество новых датчиков (селевые, оползневые, лавинные, автоматические тахеометры, др.), установленных в любом месте. Также возможна установка дополнительных видеокамер на опасных участках для ведения удаленного наблюдения. Данные могут передаваться по любым каналам, включая канал GSM, спутниковые каналы или локальне сети. В системе существует технология гарантированной доставки информации по спутниковым каналам для организации срочных предупреждений от удаленных датчиков.
Доступ к ГИС, 3D модели и видеокамерам возможен в онлайн режиме с любого компьютера, имеющего доступ в интернет. Это позволяет организовать рабочие места операторов и инженеров и получать данные, находясь на любом удалении от зоны наблюдения.
Web-интерфейс ГИС
Web-интерфейс ГИС позволяет осуществлять регламентированный защищенный доступ в систему через интернет для диагностики и управления, а также легко интегрировать результаты в иные системы контроля и оповещения (МЧС, РЖД).
Web-интерфейс геоинформационной системы мониторинга.
Карта 9 участка. Отображается установленное на участке оборудование.
Двойной щелчок на виде оборудования позволяет перейти к отображению графиков
и исходных данных выбранного оборудования
Web-интерфейс геоинформационной системы мониторинга.
График и исходные данные для датчика №16, установленного в скважине Г9.6
3D модель
С целью пространственной визуализации имеющихся инженерно-геологических элементов, поверхностей напластования, тектонических нарушений, уровней грунтовых вод, поверхностей скольжения, а также имеющихся скважин, датчиков и измерительных сетей на участках мониторинга поставлена задача интеграции имеющихся и вновь поступающих геологических, геофизических, геодезических, гидрогеологических, инклинометрических и др. данных с помощью системы геологического моделирования Petrel фирмы Schlumberger Ltd. Эта модель служит основой для интерпретации получаемых в процессе мониторинга данных и районирования участков по степени угрозы для объектов инфраструктуры, а также выбора профилей для расчета устойчивости склонов и установки датчиков непрерывной системы слежения и оповещения о геологических угрозах.
Общий вид 3D-модели 9 и 8 участков мониторинга
(от ручья Ржаной на востоке до выхода из 6-го тоннеля на западе)
Общий вид 3D-модели 9 и 8 участков со снятым рыхлым слоем выше поверхности скольжения
(последняя показана красным цветом); серое – выступы скального основания
Для оценки степени опасности на участках используется специальное программное обеспечение. Данные для анализа и отображения поступают из ГИС. Используя определенные алгоритмы, состояние склона оценивается и отображается в соответствии со статусом опасности участка: опасности нет (зеленый цвет), умеренная опасность (желтый цвет), повышенная опасность (красный цвет).
Саму карту можно масштабировать и поворачивать под необходимым углом.
Доступ к программе осуществляется из ГИС системы. При необходимости пользователи могут переключаться между экранами ГИС и данным ПО для уточнения, какое именно измерение и какой параметр вызвал данную индикацию склона.
В программе можно выбрать дату, чтобы посмотреть, какое состояние склона было в определенный период. Это позволит провести ретроспективный анализ изменения состояния склона (динамику развития ситуации).
ПО считывает информацию непосредственно из базы данных.
При этом информация берется из ГИС в режиме реального времени. Обновление происходит дискретно с определенной частотой.
В ПО для отображения состояния можно выбрать определенные виды измерений, несколько видов измерений либо все измерения. При этом состояние склона будет отображаться в соответствии с данными из выбранных видов измерений. Если выбрано несколько видов измерений, то отображается общая ситуация по всем выбранным видам измерений. Таким образом, пользователь, комбинируя или включая выборочно те или иные виды измерений, может увидеть в системе оценку опасности склона по выбранным видам измерений либо по виду измерения.
Данная система отображает состояние склонов по формальным параметрам (при этом все параметры адаптированы для данной местности и данного участка). Однако окончательную оценку ситуации дают эксперты.
3D модель. Скриншот работы программы.
Отображение состояния склона по данным гидрогеологических датчиков
Регламент взаимодействия
В рамках проекта разработан Регламент взаимодействия с заказчиком.
Регламент содержит указания по соблюдению правил организации и ведения совместных натурных наблюдений, взаимодействия Заказчика и Исполнителя в период повышенной опасности развития ОГП, форму и схему документооборота между Заказчиком и Исполнителем.
Результаты проекта
- Разработана и включена в работу высокоинтеллектуальная геоинформационная система мониторинга опасных процессов. Система охватывает 5 участков общей площадью более 160 Га, на которых расположены 225 измерительных датчиков для 9 автоматических контрольно-измерительных систем, 80 марок-отражателей для автоматической тахеометрии, 25 датчиков самодиагностики системы.
- Система работает в онлайн режиме, позволяет контролировать различные процессы, происходящие одновременно, в том числе, погодные. В дальнейшем это позволяет проводить ретроспективный анализ состояния различных параметров для формирования экспертных оценок и разработки модели состояния объектов и склонов и моделирования процессов.
- На рабочих моделях выполнен расчет критических параметров, которые внедрены в систему.
- Визуализация процессов выполняется в 3D моделях, которые позволяют оценивать состояние склонов и объектов инфраструктуры.
- Предусмотрена техническая возможность наращивания и расширения возможностей системы за счет включения новых методов и принципов измерений, новых расчетных моделей и критериев контроля.
- Реализованный WEB интерфейс позволяет подключать к системе новые участки контроля независимо от их расположения.
- Система геомониторинга имеет высокую степень автоматизации, снижено влияние «человеческого фактора» при анализе и интерпретации результатов. Предусмотрена гибкая автоматическая система оповещения и предупреждения ЧС.
- Разработан Регламент взаимодействия, в котором по заранее сформрованным сценариям выдаются предупреждения о развитии опасных процессов, прописаны сценарии взаимодействия Служб заказчика. На основе разработанных сценариев принимаются управленческие решения о дальнейших действиях.
- Система оснащена удобным пользовательским интерфейсом для отображения результатов и управления процессом наблюдений, в т.ч. в режиме удаленного доступа.