پایش ترکیبی ژئودتیکی و ژئوتکنیکی مخاطرات طبیعی
چکیده
ارزش و کارآئی واقعی سامانه‌های رفتارسنجی و پایش زمانی آشکار می‌گردد که داده‌های قابل اعتماد و به‌هنگام به منظور حفظ امنیت مردم، سازه‌های مهندسی و محیط زیست در اختیار متولیان و مسئولان امر قرار گیرد.
امروزه با استفاده از حسگرهای دقیق و اتوماتیک، رفتار نقاط واقع در پل‌ها، سدها، ساختمان‌ها، منطقه رانش و فرونشست زمین به طور روزانه کنترل می‌شود و، بر مبنای آن، هشدارهای سریع دربارۀ حرکات و انحرافات غیر معمول منتشر می‌گردد. این هشدار‌ها، موجب آگاهی مردم و مسئولان از خسارات و آسیب‌های بالقوه و احتمالی، رویاروئی درست با علل حوادث یا حداقل منجر به انجام اقداماتی در راستای کاهش اثرات زیان‌بار حوادث و سوانح در زندگی مردم می‌شود.
سیستم‌های پایش ژئودتیکی اغلب حرکات و انحرافات هندسی (موقعیتی) احتمالی را نمایان می‌سازند و به طور معمول در فضای بیرونی سازه‌ها و همچنین روی سطح زمین به‌کار گرفته می‌شوند در حالی‌که حسگرهای ژئوتکنیکی (زمین‌فناوری)، درون سازه‌ها و زیر سطح زمین استقرار می‌یابند.
یکپارچه‌سازی و تلفیق مشاهدات حسگرهای ژئودتیکی و ژئوتکنیکی، امکان انجام بررسی‌های متقابل در سطح پردازش را فراهم می‌کند و پارامترهای مدل تغییر شکل، که مبنای مدیریت مخاطرات است، را بهبود می‌بخشد. البته تحقق چنین رویکرد نوآورانه‌ای مستلزم هم‌زمان‌سازی حسگرها و، به بیان دقیق‌تر، ایجاد روابط هندسی بین آن‌ها در یک چارچوب زمانی مشترک است.
در ادامه‌ی این نوشتار، به چند پروژه‌ی موردی رفتارسنجی و پایش ترکیبی حرکات و انحرافات سازهای و نیز جابجائی‌ها‌ی مربوط به پدیده‌هائی مانند فرونشست و رانش زمین اشاره می‌شود.
شایان ذکر است این مقاله با توجه به مباحث مطرح‌شده در نشست‌های کمیتۀ فرونشست و زمینلغزش سازمان نقشه‌برداری کشور و همچنین رهنمودهای ارزشمند ریاست محترم این سازمان نگارش شده است.
مقدمه
امروزه، درک رفتارهای سازهای و زیست محیطی از چالش‌های جدی مهندسان، طراحان و متخصصان علوم زمین به حساب می‌آید. اگرچه ساختمان‌ها و برج‌های جدید بلند و بلندتر، پل‌های جدید سبک‌تر و طولانی‌تر، و تونل‌ها در شرایط دشوارتری طراحی و ساخته می‌شوند، اما در این زمینه که انحراف و حرکت سازه‌ها در طول مراحل ساخت و بعد از آن چگونه اتفاق می‌افتد، تجربه کمی موجود بوده یا اصلاً تجربه‌ای وجود ندارد.
اقتصاد امروز جهان، مبتنی بر خطوط مواصلاتی و زیرساخت‌های حساس مانند بزرگراه‌‌ها، راه آهن سریع‌السیر، پل، تونل، سد برق آبی، و خطوط انتقال آب و انرژی است که مدام باید کنترل شوند تا مدت بهره‌برداری از آن‌ها، نسبت به مدت برنامه‌ریزی‌شدۀ اولیه، افزایش یابد. از سوی دیگر، توسعه جمعیت و گسترش شهرها همچنان ادامه دارد و ساختمان‌ها و زیرساخت‌هایی فراوانی یافت می‌شوند که در مجاورت مناطق بحرانی و در معرض مخاطراتی مانند زمینلغزش، گسل‌های لرزه‌ای فعال، و آتشفشان‌ها واقع شده یا به طور مستقیم در اطراف مخازن بزرگ آب و نیروگاه‌های هسته‌ای قرار گرفته‌اند. در برخی از کشورهای جهان، بسیاری از زیرساخت‌ها با سرعت زیادی در حال پیرشدن بوده (مثل فرسودگی ناشی از افزایش بار ترافیک) و حتی در حال اتمام چرخۀ عمر برنامه‌ریزی‌شدۀ خود هستند. این در حالی است که در اقتصادهای نوظهور، زیرساخت‌ها بسیار سریع و در شرایط خطر‌پذیر توسعه می‌یابند. از این‌رو دغدغه اصلی در شرایط کنونی، حفظ امنیت زیرساخت‌ها برای تداوم ارائه‌ی سرویس است.
با این توصیف، موضوع پایش از جنبه‌های مختلف مانند حفظ منابع هنگفت مالی مورد نیاز برای ایجاد زیرساخت‌ها، کاهش میزان آسیب‌ها و خسارات وارده بر مردم، محافظت از محیط زیست، و بالاخره تضمین اقتصاد پایدار، بسیار ضروری است. امروزه مدیریت مخاطرات پیشگیرانه در مورد زیرساخت‌های مهم و حساس مانند خطوط جاده‌ای و ریلی، خطوط برق و مخابرات، شبکه‌های انتقال آب و انرژی در کانون توجه قرار دارد. عدم موفقیت در این حوزه مدیریتی نه تنها می‌تواند بر زندگی مردم تأثیر بگذارد و باعث از بین رفتن تعداد قابل توجهی از انسان‌ها شود، بلکه می‌تواند نابودی اقتصاد یک منطقه یا یک کشور را در پی داشته باشد. آسیب دیدن جاده‌ها و تخریب خطوط راه آهن، خود به تنهائی (بدون در نظر گرفتن قطع شدن برق و مخابرات)، منطقه و کل اقتصاد آن را برای مدتی مختل و منزوی می‌کند. تأثیر سوء مخاطرات بر زیرساخت‌های حیاتی، در بسیاری از مواردِ گزارش شده، فاجعه‌بار بوده است.
امروزه مدیریت مخاطرات زیرساخت‌ها، بخشی از نگرش حکمروایی خوب است. از این پس، سیستم‌های پایشی نقشی اساسی در حفظ زیرساخت‌های ارایۀ خدمات و درک بهتر مخاطرات طبیعی ایفا خواهند کرد. سیستم‌های پایش ارزیابی صحیح پارامترهای مدل تغییر شکل، برای پیش‌بینی سطح معینی از خرابی‌های محتمل، را ممکن می‌سازند و همچنین زمان و منابع لازم برای اجرا و پیاده‌سازی طرح‌های ایمن‌سازی را برای مسئولان فراهم می‌کنند.
تجهیزات ژئودتیکی و ژئوتکنیکی مورد استفاده در رفتارسنجی و پایش
طی دهه‌های اخیر و در پی توسعه سریع سامانه‌های تعیین موقعیت، ابزارهای دقیق ژئوتکنیکی، و همچنین بسته‌های نرم‌افزاری پردازش مشاهدات، روش‌ها و تکنیک‌های متعددی در زمینه آشکارسازی تغییر شکل‌ها، و نیز مدلسازی بهینه و پیش‌بینی تغییر شکل‌ها ارتقا و گسترش یافته‌اند.
ابزارهای دقیق ژئوتکنیکی مختلفی از دیرباز برای اندازه‌گیری میزان انحراف، جابجائی، عمق، فشار، دما و نیرو به منظور مطالعه و بررسی شرایط فیزیکی و تغییر شکل‌های هندسی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. گروه نخست از ابزارهای دقیق ژئوتکنیکی، ابزارهايی هستند که به طور معمول در فاز طراحی پروژه و برای اندازه‌گيری خواص و ویژگی‌های خاک و سنگ مانند مقاومت، تحکيم‌پذيری و نفوذ‌پذيری به کار می‌روند. گروه دوم شامل ابزاری است که برای پایش پروژه‌ها طی فرآيند ساخت و بهره‌برداری مورد استفاده قرار می‌گيرند. با استفاده از این ابزار می‌توان پارامترهایی مانند سطح آب‌های زیرزمینی، فشار منفذی، تنش‌های کلی، تغییر شکل، انحراف، نیرو و کرنش را اندازه‌گیری کرد.
دستگاه‌های ژئوتکنیکی بر اساس هدف اندازه‌گیری به سه گروه اصلی طبقه‌بندی می‌شوند:
- تعیین خواص فیزیکی جسم تغییر شکل‌پذیر (تعیین پارامترهای ارتجاعی ماده، ضریب انبساط گرمایی، ضریب ویسکوزیته و ...)
- تعیین عوامل ایجاد جابجایی (نیروها) و تنش‌های داخلی (با استفاده از فشارسنج‌ها، حسگرهای حرارتی و ...)
- تعیین تغییرات در بُعد و شکل جسم (جابجایی‌های هندسی)
دستگاه‌هاي ژئوتکنیکی که در اندازه‌گیری جابجائی‌ها بکار گرفته می‌شوند، بر اساس نوع کاربرد نیز به شرح زیر هستند:
- دستگاه‌های مبتنی بر اندازه‌گیری تغییر فاصله (اندازه‌گیری کشش و کرنش)، شامل نوار کشش‌سنج و کرنش‌سنج، میله کشش‌سنج و تداخل‌سنج امواج (اينترفرومتر) لیزری
- دستگاه‌های اندازه‌گیری تیلت و شیب، شامل تیلت‌متر دقیق، شیب‌سنج گمانه‌ای، شاقول‌های معلق و وارونه و ترازيابی هیدرواستاتیک
- دستگاه‌های اندازه‌گیری تغییرات امتدادی، مبتنی بر روش‌های مکانیکی، روش‌های امتداد لیزری و نوری مستقیم ، و روش تفرق (پراش) لیزری
اما بنا به دلایلی متعدد، در پروژههای رفتارسنجی و پایش تنها به مشاهدات ژئوتکنیکی اکتفا نمی‌شود و برای تحلیل هر چه جامع‌تر جابجائی و تغییر شکل‌ها از انواع مختلف مشاهدات به ویژه مشاهدات ژئودتیک استفاده می‌گردد. تکنیک‌ها و روش‌های ژئودتیک آشکارسازی تغییر شکل عبارتند از:
1) روش‌های ژئودتیک زمینی کلاسیک (نقشه‌برداری زمینی)
2) تکنیک‌های فتوگرامتری مانند لیزر اسکن
3) استفاده از مشاهدات GPS
بسیاری از پروژههای رفتارسنجی ژئودتیک قدیمی به روش نقشه‌برداری زمینی و با استفاده از نسل‌های اولیۀ دستگاه توتال استیشن اجرا شده‌اند. امروزه برای کابردهای پایش و رفتارسنجی از توتال استیشن‌های جدیدی استفاده می‌شود که قادر است با چرخش اتوماتیک در کمترین زمان ممکن منشور را ردیابی کرده و، با قفل کردن روی منشور، همزمان با آن حرکت و مرکز منشور را از فواصل دور قرائت کند. نسل‌های هوشمند دستگاه توتال استیشن این قابلیت را دارند که با پشتیبانی گیرندة متحرک (rover receiver) هوشمند GPS، کار تعیین موقعیت آنی Real-Time Kinematic (RTK) را در نهایت دقت و حتی به صورت کاملاً رباتیک و بدون نیاز به اپراتور انجام دهند. این دستگاه‌ها با ساختار ویژه خود میتوانند 24 ساعته و 7 روز هفته بدون وقفه کار کنند و همچنان دقت و کیفیت عملکرد خود را حفظ نمایند. برخورداری از ویژگی‌‌هائی مانند کارکرد در دامنه دمایی بالا، ضد آب و ضد ضربه بودن، مقاومت در برابر گرد و غبار و قابلیت کار در شرایط تابش شدید خورشید تا تاریکی مطلق، این دستگاه را به یکی از گزینه‌های اصلی عملیات پایش ژئودتیکی تبدیل کرده است.
اسکنر لیزری زمینی از دیگر تجهیزات ژئودتیکی مبتنی بر تکنولوژی اسکن سه بعدی است که برای جمع‌آوری داده‌های دقیق سه بعدی از اشیاء و عوارض به کار گرفته می‌شود. این دستگاه‌ها با انتشار پالس‌های لیزر به سمت نقاط مختلف و اندازه‌گیری فاصله دستگاه تا نقطه هدف، مختصات نقاط را به دست می‌آورد. استفاده از این دستگاه روشی بسیار سریع و ارزان برای تولید مدل‌های سه بعدی محسوب می‌شود. اسکنرهای لیزری زمینی در بسیاری از زمینه‌ها به ویژه اندازه‌گیری تغییر شکل کاربرد دارند. این دستگاه‌ها به عنوان فنآوری به نسبت جدید در زمینه نقشه‌برداری، روز به روز در حال توسعه و پیشرفت هستند. اسکنرهای لیزری زمینی، اطلاعات را به صورت آنی و لحظه‌ای و با مقیاس حقیقی جمع‌آوری می‌کنند. این ویژگی برای مدلسازی اشیاء و سطوح پیچیده بسیار حائز اهمیت است، زیرا برداشت تمام جزئیات را در بهترین حالت، ممکن می‌سازد.
در سال‌های اخیر به کارگیری مشاهدات ژئودزی ماهواره‌ای به منظور رفتارسنجی خارجی سازه‌ها، بیش از پیش اهمیت یافته است. سیستم‌های ماهواره‌ای تعیین موقعیت و ناوبری جهانی GPS/GNSS مهم‌ترین تحول را در زمینه پایش پیوسته و دقیق جابجائی‌ها و تغییر شکل‌ها به صورت آنی و خودکار ایجاد کرده‌اند. در رفتارسنجی و پایش به کمک مشاهدات ژئودتیکی به ویژه سامانه GNSS عموماً بُردارهای جابجائی محاسبه و ارائه می‌شوند و مهندسان از طریق تفسیر بردارهای جابجائی، حرکات و انحرافات سازه‌ها و تغییر شکل هندسی پوستة زمین را آشکار و تحلیل می‌کنند. به عنوان نمونه می‌توان به مطالعه‌ای اشاره کرد که تحت عنوان «تحلیل روش‌های پایش تغییر شکل با استفاده از سامانۀ تعیین موقعیت و ناوبری ماهواره‌ای جهانی و نقشه‌برداری زمینی» در کشور اندونزی بر روی یک سازه سد انجام گردیده است [منبع 5].
امروزه شبکه ایستگاههای دائمی GNSS در سراسر دنیا به منظور ارزیابی و مدیریت مخاطرات، ایجاد سامانه‌های هشدار سریع و کاهش آسیب‌پذیری، و به طور کل برای اندازه‌گیری و پایش «تغییرات جهانی» در حال گسترش هستند.
طراحی سیستم پایش
برای این‌که اطلاعاتی مناسب برای مدلسازی تغییر شکل فراهم و ارائه شود، پروژه پایش نیز باید به صورتی مناسب طراحی گردد. به عبارت دیگر لازم است در خصوص انتخاب حسگرهای ژئودتیکی و ژئوتکنیکی مورد لزوم، ایجاد زیرساخت ارتباطی مطمئن و متناسب با اندازه و سرعت تغییر شکل برای انتقال امن و آنی (لحظه‌ای) داده‌ها، و نیز درباره سیستم قدرت و منبع تغذیه مناسب و کافی، طراحی قابل قبولی صورت پذیرد. در همین مرحله، دربارۀ انتخاب روش، ابزار و تجهیزات نیز تصمیم‌گیری می‌گردد. در انتها هم آزمایشاتِ شبیه‌سازی انجام می‌شود تا فاز طراحی قبل از استقرار سامانه تکمیل گردد.
خط مشی کلی در زمینة طراحی بهینه و کارآمد سیستم پایش، استفاده ترکیبی از حسگرهای مختلف (ژئودتیک و ژئوتکنیک)، ایجاد افزونگی و برآورد بهینۀ داده‌ها برای ورود به مدل تغییر شکل است. رعایت این خط مشی در فاز طراحی موجب می‌شود:
1. تا از مزایای متقابل فن‌آوری‌های مختلف استفاده گردد.
2. برای این‌که سرانجام محدودیت‌های ذاتی (ماهوی) از بین بروند.
3. برای این که پارامترهای مختلف در نقطۀ مورد نظر ارائه شوند و درک جامع‌تری از جابجائی حاصل گردد (پارامترهائی مانند اثر حرارتی، انحراف آنتن GNSS، اثر تغییر فشار آب منفذی بر پایداری پیلار یا ساختمان ایستگاه، انحراف قائم مطلق ارائه‌شده توسط آنتن و گیرندۀ GNSS در قیاس با میزان انحراف آونگ قائم، و ...).
4. تا علل مختلف همبستگی پارامترها بهتر شناسایی و متمایز گردند.
5. و سرانجام برای این‌که قابلیت اطمینان و اعتماد به داده‌ها از طریق ایجاد افزونگی افزایش یابد و در عین حال در صورت خرابی و از کار افتادن یکی از حسگرها در نقاط مهم، ارائه داده‌ها متوقف نگردد.
هنگام طراحی یک سیستم پایش کارآمد با حسگرهای ژئودتیک و ژئوتکنیک، دو راهبرد اصلی باید اتخاذ گردد:
الف) ادغام فیزیکی (محل استقرار) حسگرهای موجود در سایت
ب) ادغام داده‌ها در مرکز کنترل (برای تولید پارامترهای تغییر شکل)
ادغام فیزیکی
ادغام فیزیکی در سایت، به معنای بهره‌گیری از دستگاه‌های سخت‌افزاری مختلف برای ایجاد سیستمی با معماری قوی و در عین حال با هزینه مقرون به صرفه است. برای مثال اگر چه گیرنده‌های GNSS به یک شبکه ارتباطی قدرتمند و قابل اعتماد برای انتقال اندازه‌گیری‌ها به مرکز کنترل نیاز دارند، اما خود میتوانند به عنوان گره‌های یک شبکه برای سایر حسگرها مورد استفاده واقع شوند. در صورت طراحی چنین شبکه ارتباطی، دسترسی به انواع متنوعی از حسگرها تسهیل شده و توان پشتیبانی از یک شبکه حس‌گر ژئوتکنیکی مستقل افزایش خواهد یافت.
گیرنده‌های GNSS به عنوان گره‌های یک شبکه ارتباطی میتوانند هم‌زمان‌سازی سیگنال‌ها را در کل شبکه پایش ممکن سازند که در آن صورت، همه اندازه‌گیری‌ها تحت جدول زمانی یکسان انجام خواهند شد.
برای تأمین انرژی حسگرهای مختلف نیز می‌توان رویکرد مشابهی را در نظر گرفت. هنوز در تعداد قابل توجهی از پروژه‌ها، حسگرهای ژئودتیک و ژئوتکنیک به طور جداگانه شبکه می‌شوند و بدون اشتراک در منابع تغذیه، در سایت نصب میگردند. نصب جداگانه حسگرها، مدیریت و نگهداری آن‌ها را دشوارتر کرده و هزینه‌های مربوطه را به ویژه در صورت خرابی حسگرها، افزایش می‌دهد.
به طور کلی در پروژههای پایش سازه، حسگرهای ژئوتکنیک اطلاعات فیزیکی را با استقرار در داخل سازه و اطراف آن ارائه می‌نمایند، در حالی که حسگرهای ژئودتیکی هندسه سازه را از خارج کنترل می‌کنند. اما با یک طراحی مناسب می‌توان از مزایای متقابل انواع مختلف حسگرها بهره برد. برای مثال حسگرهای ژئوتکنیک قادرند اطلاعاتی را که از حسگرهای ژئودتیکی دریافت می‌کنند در داخل سازه و به نقاطی که از محیط بیرون قابل مشاهده نیستند، منتشر سازند.
ادغام داده‌ها
استقرار انواع مختلفی از حسگرها در یک مکان مشترک، مزایای بسیاری دارد. برای مثال، در هنگام انجام عملیات ایمن‌سازی سد، حس‌گر ژئوتکنیکی پیزومتر اغلب به عنوان یکی از مهم‌ترین ابزار پایش در نظر گرفته می‌شود. از آنجا که عملکرد پیزومتر گمانه، تحت تأثیر نشست قرار می‌گیرد، وجود ابزار ژئودتیکی مانند یک منشور (یا نوعی رفلکتور) نشانه‌روی شده با دستگاه توتال استیشن اتوماتیک یا وجود یک آنتن GNSS برای پایش نشست بسیار تعیین‌کننده خواهد بود. بنا بر این، ضروری است داده‌های ژئودتیکی حاصل از توتال استیشن یا آنتن GNSS در هنگام تجزیه و تحلیل داده‌های پیزومتری مد نظر قرار گیرند.
ادغام داده‌ها فقط افزودن داده‌های بیشتر در سری‌های زمانی نیست. ادغام داده‌ها، در نظر گرفتن داده‌هائی با منابع مختلف در هر نقطه به منظور تولید ورودی‌هائی بدون خطای سیستماتیک در یک مدل تغییر شکل است. توجه به این نکته ضروری است که اعتبار یاValidity در سنجش یک متغیر وقتی حاصل می‌گردد که اندازه‌گیری عاری از خطای سیستماتیک یاBias بوده یا خطای سیستماتیک آن در حداقل میزان ممکن باشد.
نتایج مطالعه‌ای در کشور ما دربارة مدلسازی تغییر شکل سد خاکی کرخه با استفاده از داده‌های مربوط به سال‌های 1375 الی 1388 نشان می‌دهد که صحت مدل نشست بر اساس ادغام مشاهدات ژئودتیکی و ژئوتکنیکی در مقایسه با مدل نشست صرفاً بر اساس داده‌های ژئوتکنیکی، به میزان 75% بهبود می‌یابد [منبع 7].
در همین زمینه، مطالعۀ دیگری برای پایش حرکات سد عظیم بتونی سیکسری (Cixerri) در جزیره ساردنیا در کشور ایتالیا انجام شده است (تصویر 1) . حرکات مورد انتظار برای این سازۀ بزرگ، بسیار ناچیز بود و قبل از این مطالعه، با آونگ قائم مستقر در داخل سازه تعیین می‌شد. طی دو سال مشاهده، داده‌های نقاط GPS/GNSS واقع روی تاج سد در همان محل آونگ‌های قائم نشان داد که انحراف معیارِ تفاوت‌ها بین فناوری GNSS و آونگ قائم سنتی کمتر از 1 میلی‌متر است. بنا براین، فناوری GNSS ظرفیت و قابلیت استفاده در پایش حرکات سازه در کنار روش کلیماسیون (انحراف آونگ) سنتی را دارد [منبع 1].
تصویر (1)، نمائی از سد Cixerri
مشابه این بررسی، در کشور ما مطالعه‌ای برای پایش حرکات سد خاکی مارون بهبهان انجام شده است. سد مخزنی مارون دومین سد سنگريزه‌ای مرتفع ايران است که در استان خوزستان بر روی رودخانه مارون در فاصله 91 کیلومتری شمال شرقی بهبهان احداث گرديده است.
برای پایش ژئودتیکی سد خاکی مارون، شبکه میکروژئودزی قبل از آبگیری سد طراحی و ايجاد گرديد و از سال 1378 تا 1392 طی 8 مرحله اندازه‌گیری شد. برای رفتارنگاری بدنه این سد، در دوره بین سال‌های 1382 الی 1386، ابزارهای دقیق ژئوتکنیکی نصب‌شده در بدنه سد از جمله پیزومترهای الکتريکی و لوله‌ای، سلول‌های فشارسنجی، انحراف‌سنج‌ها، نشست‌سنج‌ها، کرنش‌سنج‌ها و کشش‌سنج‌ها قرائت شدند.
مشاهدات میکروژئودزی (ژئودتیک) و اندازه‌گیری‌های ژئوتکنیکی، نشست اندک بدنه سد در سال‌های پس از آبگیری را نشان دادند. در این مطالعه همچنین معلوم شد که هر دو سری مشاهدات با يکديگر سازگار بوده و مقادير متناظر و نسبتاً يکسانی را آشکار می‌سازند [منبع 9].
مطالعه دیگری در پروژه پایش یک سایت بزرگ ساخت و ساز در میلان ایتالیا شامل ساخت خانه‌های جدید، زیرساخت‌های جدید و یک خط مترو انجام شد. این مطالعه نیز ضرورت ادغام داده‌ها و پایش ترکیبی ژئوتکنیکی و ژئودتیکی را آشکار نمود. موضوع اصلی این سیستم پایش، ساختمانی قدیمی نزدیک منطقه حفاری بود که به دلیل ارزش تاریخی قرار شد حفظ و بازسازی گردد. این ساختمان از ابتدای کارهای عمرانی و حفاری‌ها، با حسگرهای ژئوتکنیک شامل دو آونگ قائم، دو کشش‌سنج گمانه و دو دماسنج دیجیتال و همچنین سنجندۀ ژئودتیکی شامل یک دستگاه توتال استیشن رباتیک و منشورها کنترل می‌‌شده است.
در ابتدای مرحله حفاری، اندازه‌گیری‌های دستگاه‌های کشش‌سنج نشان می‌دادند که هیچ حرکت و جابجایی وجود ندارد در حالی که مشاهدات توتال استیشن اتوماتیک به وضوح نشان می‌داد که سازه در حال بالاآمدن است. بدیهی است تبیین علت این مسئله فقط در صورت استفاده از روش یکپارچه با ترکیب حسگرهای ژئودتیکی و ژئوتکنیکی امکان‌پذیر بود. پایش ترکیبی معلوم کرد که طی مراحل مقاوم‌سازیِ دیوار دیافراگمی (یا دیوار دوغابی)، تزریقات عمیق بتن انجام شده و این تزریق‌ها باعث بالا‌رفتن کل سازه، همان‌طور که به وسیلۀ منشورها نشان داده شده، گردیده است. اما نتایج داده‌های حاصل از کشش‌سنج‌ها نیز روشن کرد که کل بخش فونداسیون حرکت کرده و این حرکت احتمالاً تاثیری بر سازه ندارد [منبع 1].
نمونه‌ای از پایش ترکیبی ژئودتیکی و ژئوتکنیکی در زمینلغزش
زمینلغزش Grohovo، که در دسامبر 1996 مجدداً فعال شد (تصویر 2)، برای پروژه آزمایشی (پایلوت) ایجاد یک سامانه پایش ترکیبی انتخاب گردید. این سامانه، به عنوان بخشی از پروژه تحقیقاتی مشترک کرواسی و ژاپن با موضوع «شناسایی مخاطرات و برنامه‌ریزی کاربری زمین به منظور کاهش خطر لغزش‌ها و سیلاب‌ها در کرواسی» است که از سال 2009 تا 2014 اجرا شد [منبع 4].
تصویر (2)، نمائی از Grohovo واقع در درۀ رودخانه Rječina
زمینلغزش شهرک Grohovo، واقع در نزدیکی ریْ‌یِکا در کرواسی، نمونه‌ای از سیستم پایش مدرن است. در این سیستم پایش، گیرنده‌های GPS همراه با یک سری کشش‌سنج‌های سیم‌دار در منطقه لغزش نصب شده‌اند.
در این مورد، ادغام فیزیکی سیستم‌های پایش ژئودتیکی و ژئوتکنیکی به خوبی محقق شده است. به عنوان مثال، برای هر دو فناوری از منبع تغذیه یکسان و شبکه ارتباطی مشترک استفاده گردیده است. تمام داده‌های جمع‌آوری‌شده در سایت، به صورت آنی و لحظه‌ای به مرکز کنترل در دانشکده مهندسی عمران ریْ‌یِکا منتقل می‌شوند. ارتباطات متقابل و ادغام داده‌ها جزء جدائی‌ناپذیر این پروژه است، زیرا به کمک برخی از کشش‌سنج‌ها خط مبنای (baseline) بین چندین آنتن GPS، به طور فیزیکی، اندازه‌گیری می‌گردد.
اما رانش زمین پدیده پیچیده‌ای است و به ادغام داده‌های متنوع نیاز دارد. از این‌رو داده‌های مورد نیاز به کمک حسگرهای مختلف مستقر در منطقۀ لغزش مانند کشش‌سنج، پیزومتر، انحراف‌سنج (inclinometers)، آنتن GPS و منشور‌های نشانه‌روی‌شده به وسیلۀ توتال استیشن اتوماتیک به دست می‌آیند. ایستگاههای پایشی احداث‌شده، علاوه بر تجهیزات مذکور، دارای اطاقک محافظت از تجهیزات الکترونیکی، پنل‌های خورشیدی تأمین نیرو و آنتن Wi-Fi نیز هستند.
سامانۀ پایش ژئودتیک متشکل از یک دستگاه توتال استیشن رباتیک با اندازه‌گیری 25 نقطه شاهد ژئودتیکی (محل استقرار منشورها که توسط توتال استیشن نشانه‌روي میگردند) و یک ایستگاه اصلی (یا گیرنده مرجع) تعیین موقعیت جهانی (GPS) همراه با تعداد 9 گیرندۀ متحرک GPS است. توتال استیشن رباتیک و ایستگاه اصلی GPS در منطقه‌ای نسبتاً پایدار در بالای شیب مقابل زمینلغزش، به همراه یک حس‌گر هواشناسی و وب‌کم (دوربین رایانه)، در محوطه‌ای محصور مستقر هستند (تصویر 3). توتال استیشن رباتیک هر 30 دقیقه 25 نقطه شاهد (منشور) واقع در داخل منطقه لغزش، در بالای پرتگاه اصلی، و همچنین در اطراف منطقه لغزش را اندازه‌گیری می‌کند. شبکهGPS متشکل از یک ایستگاه اصلی است که ایستگاه مرجعی برای چهار گیرندۀ GPS تک فرکانسه واقع در منطقه زمینلغزش، سه گیرندهGPS تک فرکانسه واقع در نوک دیواره سنگ آهکی در بالای زمین لغزش، و یک گیرندۀ GPS تک فرکانسه واقع در سدی نزدیک زمینلغزش، و یک گیرندۀ تک فرکانسهGPS ، به عنوان گیرندۀ مبنای ثابت، واقع در سقف ساختمان یک دانشکده در مجتمع دانشگاهی ریْ‌یِکا است.
تصویر (3)، واحد اصلی پایش شامل توتال استیشن رباتیک، ایستگاه اصلی GPS، حس‌گر هواشناسی و وب‌کم
داده‌ها از هر گیرندۀ تعیین موقعیت ماهواره‌ای به کمک سیستم Wi-Fi به ایستگاه مرجع GPS و رایانه (پردازشگر) میدانی در واحد اصلی منتقل می‌شوند، كه در آن نرم‌افزار GNSS Spider فایل‌های دادۀ مربوط به اندازه‌گیری‌ها را ایجاد می‌كند. مرکز کنترل در دانشکده مهندسی عمران قادر است از راه دور با ماژول UMTS به رایانۀ میدانی موجود در واحد اصلی دسترسی داشته باشد. توتال استیشن رباتیک، گیرندۀ مرجع GPS و PC میدانی از طریق یک مینی نیروگاه بادی و صفحه خورشیدی تغذیه می‌شوند، در حالی که سایر گیرنده‌های GPS مستقر در سایت زمینلغزش، از تجهیزات صفحۀ خورشیدی خود استفاده می‌کنند.
سیستم پایش ژئوتکنیک شامل دو انحراف‌سنج قائم و چهار کشش‌سنج سیم‌دار، سیزده کشش‌سنج طول بلند و سه کشش‌سنج طول کوتاه، چهار دستگاه (گیج) فشارسنج منفذی، باران‌سنج و ایستگاه هواشناسی است. دستگاه‌های فشارسنج منفذی، انحراف‌سنج‌ها و کشش‌سنج‌های قائم در دو محل داخل بخش مرکزی محوطه زمینلغزش نصب شده‌اند، همان جائی که گیرنده‌های متحرک GPS و منشورها مستقر هستند. کشش‌سنج‌های دور بلند (13 عدد)، در یک امتداد پیوسته، از بستر رودخانه ریْ‌چینا (Rječina) تا مگا ـ بلوک‌های آهکی در بالای شیب نصب شده‌اند، اما کشش‌سنج‌های دور کوتاه (3 دستگاه) روی شکاف‌های باز در بالای منطقه لغزش نصب گردیده‌اند. برای اخذ داده‌های اندازه‌گیری‌شده از تجهیزات پایش ژئوتکنیکی، ضروری است داده‌ها مستقیماً از حسگرهای نصب‌شده بارگیری شوند. گفتنی است پس از نصب دستگاه‌ها در تابستان 2011، پایش ژئودتیکی و جمع‌آوری داده‌ها در سپتامبر 2011 آغاز گردید.
همۀ تجهیزات نصب‌شده (به استثنای انحراف‌سنج‌های قائم) باید در یک سیستم پایش به هم متصل شوند و داده‌های اندازه‌گیری‌شده نیز به طور پیوسته به واحد رایانه مرکزی دانشکده مهندسی عمران در پردیس دانشگاه ریْ‌یِکا منتقل گردند. وجود چنین ارتباطی بین تجهیزات و نیز امکان انتقال مستمر داده‌ها، برای ایجاد یک سیستم پایش جامع، سامانه هشدار سریع، و مدیریت خطر رانش زمین، امری ضروری است.
در این پایش، نتایج به دست آمده از اندازه‌گیری‌ها به وضوح نشان می‌دهند که داده‌های جمع‌آوری‌شده تحت تأثیر عوامل مهم متعددی مانند تغییرات روزانه، ماهانه و سالانۀ دما و رطوبت و دیگر عوامل اختلال محلی ناشی از تغییر شکل ژالون‌ها و پایه‌های نگهدارندۀ توتال استیشن رباتیک و گیرندۀ GPS واحد اصلی بوده‌اند. بنا بر این، برای حذف این اثرات نگران‌کننده محلی، یک انحراف‌سنج دو محوره و همچنین حسگرهای هواشناسی مورد لزوم نیز نصب شدند.
با استفاده از نتایج حاصل از اندازه‌گیری کج‌شدگی پیلار (ستون بتونی با ارتفاع 4 متر که دستگاه توتال استیشن رباتیک روی آن نصب شده است) به وسیلة انحراف‌سنج دو محوره، می‌توان مقادیر اندازه‌گیری‌شدۀ زمینلغزش (به وسیله توتال استیشن رباتیک و گیرندۀ GPS) را به طور مستقیم تصحیح کرد، اما برای کاهش مناسب تأثیرات شرایط آب و هوایی، لازم است داده‌ها به مدت یک سال جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل شوند. در این پایش همچنین مشخص شد که داده‌های خام مشاهدات GPS خطاهای فراوانی دارد و بدون انجام پردازش و إعمال تصحیحات نمی‌توان از آن‌ها برای نمایش رفتار واقعی زمینلغزش استفاده کرد. پردازش‌های تکمیلی (پساپردازش) یک ساعته و 12 ساعته، کنترل دقیق میزان جابجائی گیرنده‌های غیر مبنای GPS(یا rover) را با دقت کمتر از 2 میلی‌متر امکان‌پذیر می‌سازد. پس از کاهش اثرات عوامل جوی بر پیلار بتونی، اندازه‌گیری با توتال استیشن مقادیر بسیار دقیق و صحیحی از جابجائی منشورها را با دقت کمتر از 1 میلی‌متر نشان می‌دهد. جابجائی منشورها در ناحیۀ زمینلغزش طی دوره پایشِ 29 سپتامبر 2011 تا 9 ژوئن 2013، بیشترین میزان حرکت را در بخش فوقانی زمینلغزش آشکار می‌سازد. هر دو روش اندازه‌گیری GPS و توتال استیشن فعالیت لغزشی بیشتری را در بخش فوقانی شیب نشان می‌دهند، در حالی که حالت فشردگی در مواد (سنگ و خاک) و در جابجائی گیرنده‌های غیر مبنای GPS و منشورها در بخش تحتانی ناحیه و در پای لغزش مشاهده می‌گردد. این مشاهدات از طریق اندازه‌گیری به وسیلۀ کشش‌سنج‌های سیم‌دار طول بلند (نصب‌شده در امتداد کشش‌سنجی) نیز تأیید می‌شوند که نشان می‌دهد در بخش بالائی این امتداد حالت کشیدگی و در قسمت پایینی آن فشردگی وجود دارد.
در این دوره از پایش به دلیل وقفه‌های متعدد ایجادشده در کار سامانه، ایجاد رابطه بین میزان بارش، سطح آب‌های زیرزمینی، فشار منفذی و حرکات رانشی زمین با مشکلات و دشواری‌هائی مواجه گردید. دلیل نخست وقفه‌های رخ داده کمبود تولید انرژی توسط مینی ـ نیروگاه خورشیدی در طول زمستان از اواخر اکتبر تا اوایل مارس (یعنی زمان وقوع بیشترین میزان زمینلغزش) بوده است. نیروگاهی که واحد اصلی (شامل توتال استیشن رباتیک، ایستگاه مرجع GPS و سایت PC) را تغذیه می‌کرد. دلیل دوم، فعالیت لغزشی بسیار کندی بوده که به دوره پایش بی‌وقفۀ بیشتری نیاز داشت. لازم به توضیح است که ضعف منبع تغذیه موجب از دست رفتن اندازه‌گیری‌های توتال استیشن و داده‌های اندازه‌گیری‌شدۀ GPS می‌شود، زیرا گیرنده‌های GPS تک فرکانسه امکان ذخیره‌ی داده‌های اندازه‌گیری‌شده را ندارند.
نتیجه این مطالعه همچنین نشان داد که انتخاب موقعیت یکسان برای استقرار انواع مختلف ابزار پایشی، همبستگی مکانی داده‌های اندازه‌گیری‌شده در زمینلغزش را امکان‌پذیر می‌نماید. در صورت ترکیب داده‌های مکانی زمینلغزش با اندازه‌گیری‌های هیدرولوژیکی (میزان بارش، سطح آب‌های زیرزمینی، و فشار منفذی)، پایش و رفتارسنجی صحیح و دقیق زمینلغزش به منظور ایجاد سامانه هشدار سریع ممکن خواهد شد.
علاوه بر این مطالعه، بررسی‌های دیگری نیز در زمینه آشکارسازی تغییر شکل و جابجائی سطح زمین در سایر کشورها انجام شده که به عنوان نمونه می‌توان به «پایش ژئودتیکی و ژئوتکنیکی فرونشست خطوط ریلی سریع‌السیر در تایوان» اشاره کرد [منبع 6].
در ایران نیز اقداماتی در زمینه رفتارسنجی زمینلغزش با استفاده از روش‌های ترکیبی ژئودتیکی و غیر ژئودتیکی انجام گردیده که «مطالعه موردي زمینلغزش نُقُل در منطقه پادناي سمیرم» نمونه‌ای از آن است [منبع 11].
نتیجه‌گیری
امروزه مهندسان ژئودزی به سطح دانش و فناوری بالائی در زمینۀ اخذ، پردازش و تحلیل داده‌های ژئودتیک برای پایش تغییرات اقلیمی، مسائل زیست‌محیطی و مخاطرات زمینی دست یافته‌اند. حرکت گسل‌ها، امواج سونامی، فوران آتشفشان، فرونشست و رانش زمین و همچنین تغییر شکل و جابجائی سازه‌ها از جمله مخاطرات زمینی هستند که باید به طور مستمر پایش، ارزیابی و در نهایت مدیریت شوند. دیگر متخصصان علوم زمین مانند مهندسان سازه، خاک و پی و زمین‌شناسی هم در زمینۀ رفتار جسم تغییر‌شکل‌پذیر، از سطح آگاهی و مهارت بالائی برخوردارند. بنا بر این همکاری و تعامل مؤثر میان این متخصصان برای تحلیل و تفسیر هر چه موفق‌تر داده‌های اندازه‌گیری‌شده، ضرورتی مهم و اجتناب‌ناپذیر است.
بکارگیری حسگرهای ژئودتیکی و ژئوتکنیکی به شکل سنتی و مستقل از هم اگر چه پیشینه‌ای نسبتاً طولانی دارد، اما اهمیت و ضرورت پایش مخاطرات موجب نوآوری، اصلاح و بهبود مستمر ابزار و روش‌های کار شده است. بهره‌گیری از حسگرهای چندگانه، یکپارچه‌سازی و تجزیه و تحلیل توأمان داده‌ها در قالب سامانه پایش جامع، از جمله ابتکارات و نوآوری‌های مبتنی بر رویکرد چند رشته‌ای است. استفادۀ ترکیبی از حسگرهای ژئودتیکی و ژئوتکنیکی چه در سطح سخت‌افزاری و چه در سطح پردازشی، روشی نوین و ابتکاری در زمینۀ ارائه داده‌های مناسب و تلفیقی برای ورود به مدل تغییر شکل است. نتایج مطالعات موردی متعدد نیز این ادعا را تأیید می‌کند که با ترکیب مقادیر اندازه‌گیری‌های ژئودتیکی و ژئوتکنیکی و انجام آنالیز جامع، می‌توان به نتایج بهتری در آشکارسازی تغییر شکل و جابجایی سازه‌ها و نیز پوستة زمین دست یافت.
همچنین با توجه به این‌که مدل تغییر شکل، عنصر اصلی در ایجاد هر نوع سامانه مدیریت خطر و هشدار سریع محسوب می‌شود، بنا بر این با قطعیت می‌توان گفت که پایش جامع حرکات و انحرافات، سرانجام، در تقلیل اثرات زیان‌بار مخاطرات طبیعی و کاهش آسیب‌پذیری سازه‌های مهندسی نقشی مهم و حیاتی دارد.
تقدیر و تشکر
از زحمات همکاران سازمان نقشه‌برداری کشور به ویژه همکاران اداره کل زمین‌سنجی و نقشه‌برداری زمینی که در زمینۀ پایش و ارزیابی مخاطرۀ فرونشست در سطح کشور فعالیت می‌نمایند و نتایج پایش را به صورت نقشه‌های فرونشست از طریق اپلیکیشن NCCViewer و نیز وبگاه
https://nccviewer.ir در دسترس کاربران قرار می‌دهند، قدردانی می‌شود. همچنین از التفات ویژه جناب آقای دکتر جعفرزاده ایمن‌آبادی رئیس محترم سازمان به موضوع پایش، ارزیابی و کنترل مکان مبنای مخاطرات، سپاسگزاری می‌گردد.
