Monitorowanie w czasie rzeczywistym usprawnia zarządzanie ryzykiem osuwisk

Autor: Angus W. Stocking

W dniu 30 września 2018 r. około 200 mieszkańców Old Fort w Kolumbii Brytyjskiej (niedaleko Fort St. John) zostało zszokowanych rykiem osuwiska, które miało miejsce kilka mil poza miastem, gdy 8 milionów metrów sześciennych ziemi, skał i dużych głazów spadło około 1000 metrów od żwirowni do mokradeł Peace River, niszcząc wszystko na swojej drodze, w tym drzewa, obiekty użyteczności publicznej i - co najbardziej niepokoi mieszkańców - około 600 metrów drogi Old Fort Road, jedynego dostępu dla mieszkańców. Był to ryk słyszany w całym kraju, który pojawił się w wieczornych wiadomościach i zwrócił niemal natychmiastową uwagę Ministerstwa Transportu i Infrastruktury Stanu Kalifornia.

Bezpieczeństwo mieszkańców uwięzionych w Old Fort było najpilniejszą troską. Gdy ministerstwo zmobilizowało się do zbadania sprawy, wieści nie były dobre. Wczesne inspekcje na miejscu wskazywały, że osuwisko stanowiło poważne zagrożenie naturalne, którego złagodzenie wymagałoby wieloletnich ram czasowych. Lokalni geolodzy z Westrek Geotechnical Services wkrótce byli w stanie potwierdzić, że osuwisko było "spowodowane awarią podłoża skalnego na czele osuwiska, gdzie na zboczu wzgórza nad Starym Fortem działał kamieniołom żwiru", a ziemia pod osuwiskiem poruszała się od miesięcy przed masowym zawaleniem.

Nie oznaczało to również końca marszu osuwiska w dół. Mimo uwolnienia ogromnej ilości zgromadzonej energii, awaria nadal miała miejsce. Trzy dni po zawaleniu zmierzono dodatkowe przemieszczenia o 20 metrów. W kolejnych dniach powszechne były przemieszczenia od 4 do 50 metrów. Te wczesne pomiary były tak alarmujące, że minister bezpieczeństwa publicznego B.C. Mike Farnworth podjął rozważny, ale kontrowersyjny krok ewakuacji całego miasta 7 października, co dotknęło 54 domy i około 200 mieszkańców.

Był to trudny i stresujący czas dla wszystkich zaangażowanych. Biorąc pod uwagę rozmiar i ciągłe przesuwanie się osuwiska w dół, nikt w ministerstwie nie mógł powiedzieć, kiedy, ani nawet czy Old Fort Road zostanie odbudowana (ewakuacja ludzi i dobytku odbyła się za pomocą barki ratunkowej i helikoptera z sąsiedniej rzeki Peace), ani też ministerstwo nie mogło być pewne, że samo miasto zostanie oszczędzone. Niektórzy mieszkańcy obawiali się, że nigdy nie będą mogli wrócić do swoich domów.

Kompleksowe monitorowanie, wykonane we właściwy sposób

Monitorowanie osuwiska rozpoczęło się w ciągu kilku dni, ponieważ personel ministerstwa szybko wdrożył codzienne pomiary za pomocą sprzętu lidarowego. Był to skuteczny i bezpieczny pierwszy krok w celu zapewnienia dokładnych danych obejmujących obszar osuwiska o powierzchni kilku akrów. Obserwacje z powietrza pozwoliły również pracownikom na uniknięcie osunięcia się ziemi w najwcześniejszych i najbardziej niebezpiecznych dniach po początkowym zawaleniu.

Jednak naloty lidarowe były nie do utrzymania w przypadku długoterminowego monitorowania, ponieważ codzienne loty były zbyt drogie. Ponadto lidar mógł rejestrować dane tylko co 24 godziny i nigdy nie byłby w stanie dostarczyć w czasie rzeczywistym informacji o szybkości ruchu, które są wykorzystywane do automatycznego ostrzegania pracowników osuwiska o gwałtownie rosnącym ruchu, który może sygnalizować kolejne zawalenie. "Prace lidarowe były niezbędne w bezpośrednim następstwie osunięcia się ziemi, a wczesne dane były niezwykle pomocne" - mówi Sean MacIsaac, kierownik ds. pomiarów w Ministerstwie Geomatyki. "Wiedzieliśmy jednak, że nie jest to rodzaj monitorowania, którego będziemy potrzebować, aby określić, kiedy osuwisko ustabilizuje się i kiedy będzie można bezpiecznie zbudować tymczasową drogę i przywrócić media".

Zespół zwrócił się do Davida Rutledge'a, dyrektora Leica Geosystems ds. monitoringu strukturalnego, a także do dostawcy rozwiązań pomiarowych Spatial Technologies, aby zaprojektować i zainstalować system monitorowania oparty na GNSS w ciągu dwóch tygodni od osunięcia się ziemi.

Rutledge, który ma siedzibę w Kalifornii i Kolumbii Brytyjskiej, natychmiast stał się dostępny dla tego, co okazało się jednym z najpilniejszych i najbardziej złożonych projektów monitorowania, w które był zaangażowany w swojej karierze. "Wyzwaniem było zaprojektowanie systemu, który w niezawodny i opłacalny sposób mierzyłby precyzyjne przemieszczenia w czasie rzeczywistym. Potrzebowaliśmy systemu, który mógłby śledzić ślizg w trzech wymiarach na poziomie milimetra przez całą dobę. Było to konieczne, aby zrozumieć mechanikę zjeżdżalni i upewnić się, że nie narażamy nikogo na niebezpieczeństwo" - powiedział Rutledge. "Sean i jego zespół naprawdę rozumieją ryzyko i byli otwarci na kilka innowacji, które umożliwiły to rozwiązanie".

Ze swojej strony. MacIsaac mówi: "Mój zespół pomiarowy od dłuższego czasu pracuje na sprzęcie Leica Geosystems. Biorąc pod uwagę wysoką stawkę sytuacji, byliśmy pewni wypróbowanego i przetestowanego podejścia Leica".

Rozwiązanie monitorujące składało się z czterech głównych komponentów:

• Niestandardowe słupy GNSS zaprojektowane przez Leica Geosystems do przenoszenia helikopterem na obszar aktywnego osuwiska.
• Odbiorniki monitorujące Leica GM30, które śledzą konstelację GPS i GLONASS.
• Zaprojektowany przez Leica Geosystems system komunikacji z możliwością trójstronnego przełączania awaryjnego dla zapewnienia najwyższej niezawodności.
• Niestandardowa implementacja oprogramowania do analizy online Leica GeoMoS Now! do ciągłego monitorowania ruchu osuwisk w czasie rzeczywistym.

Naprawdę stabilne elementy... które się poruszają!

Z perspektywy geodety umieszczenie czujników GNSS na aktywnie poruszającym się osuwisku było interesującym przedsięwzięciem. Innowacyjny, pierwszy w swoim rodzaju projekt pomiarowy, który Rutledge i MacIsaac opracowali, zbudowali i zainstalowali, prawdopodobnie będzie miał wpływ na projekty monitorowania osuwisk przez wiele lat.

Aby działać w sposób ciągły i bez zasilania z sieci elektrycznej, odbiorniki GM30 wymagały solidnego systemu zasilania prądem stałym opartego na energii słonecznej. Składał się on z panelu słonecznego o odpowiednim rozmiarze i zestawu akumulatorów zdolnych do zapewnienia zasilania w każdych warunkach pogodowych. Aby cały system był odpowiedni dociążony i odporny na przewrócenie przez wiatr, Leica Geosystems zaprojektowała minimalnie rozszerzającą się betonową podstawę cylindra, która ważyła ponad 1700 funtów, co daje całemu zainstalowanemu systemowi wagę ponad tony.

"Alternatywa dla takiego systemu wymagałaby sprowadzenia na miejsce wiertnicy w celu umieszczenia głębokiego fundamentu" - mówi Rutledge. "Ale to czterokrotnie zwiększyłoby koszty i prawdopodobnie nie byłoby lepszym rozwiązaniem. Dopasowujemy naszą konstrukcję do oczekiwanego sygnału przemieszczenia, co jest często pomijanym aspektem nauki o pomiarach. Projekt i specjalna mieszanka betonowa oznaczały, że mogliśmy wyprodukować wszystko w pobliżu placu budowy w ciągu zaledwie kilku dni. Czuliśmy, że znaleźliśmy dobry sposób na zamontowanie GM30, który sprawdził się w szczególnych warunkach w Starym Forcie, a ich wydajność od tego czasu potwierdziła naszą rację. Śledzimy teraz osuwisko w zakresie kilku milimetrów".

Pozostał jednak jeden problem: Jak zainstalować te stacje GNSS na terenie, o którym wiadomo, że jest niebezpiecznie niestabilny? Helikoptery - początkowe sześć betonowych podstaw ze wspornikami montażowymi, zestawami baterii i panelami słonecznymi oraz oczywiście GM30 zostały umieszczone na ograniczonym obszarze w pobliżu osuwiska, a następnie, w ciągu jednego dnia, podnoszone i opuszczane do miejsc rozmieszczonych strategicznie nad osuwiskiem (z wyjątkiem jednego odbiornika zainstalowanego z dala od osuwiska i używanego jako stacja bazowa). "W większości przypadków czujniki zostały umieszczone w miejscach, do których geodeci mogli bezpiecznie dojść, a następnie wykonać niezbędny montaż na podstawach i komponentach, gdy zostały opuszczone przez helikopter" - wyjaśnia MacIsaac. "Ale umieściliśmy kilka w miejscach, do których nie było rozsądnego dostępu pieszo, i w tych przypadkach poszliśmy naprzód i opuściliśmy również geodetę - niezwykle ekscytujący dzień pracy w terenie dla naszego zespołu!".

Po zainstalowaniu pierwszych sześciu czujników dane dotyczące przemieszczenia były natychmiast dostępne. Loty lidarowe trwały jeszcze przez kilka dni, "tylko po to, by sprawdzić dane GNSS i pomóc nam nabrać zaufania do sprzętu" - mówi MacIsaac. "Oba zestawy danych bardzo dobrze do siebie pasowały". Przetwarzanie danych GNSS w czasie rzeczywistym jest wykonywane przez oprogramowanie Leica Spider, a dane te są następnie wyświetlane przez GeoMoS Now!, narzędzie analityczne oparte na chmurze. MacIsaac zdefiniował progi przemieszczenia używane do automatycznego generowania komunikatów ostrzegawczych, na których opiera się BC MOT i inne podmioty, które muszą bezpiecznie wchodzić w interakcje z obszarem osuwiska i udzielać wskazówek lokalnym właścicielom domów i podróżującym.

System monitorowania Leica Geosystems działa od ponad roku i zapewnia nieprzerwany zapis przemieszczeń osuwiska (na poziomie milimetra), wspierając decyzję ministerstwa o wykorzystaniu wiedzy, sprzętu i oprogramowania Leica Geosystems do tego wymagającego zadania.

"Czas pracy systemu jest dla nas bardzo ważny i jest dużym wyróżnikiem naszych rozwiązań do monitoringu" - mówi Rutledge. "Nasze GM30 mają pamięć wewnętrzną, którą można podzielić na partycje, dzięki czemu jej część działa na zasadzie "pierwsze weszło, pierwsze wyszło". Oznacza to, że nawet w przypadku awarii komunikacji lub awarii serwera ministerstwa, wszystkie dane zebrane w tej lokalizacji są dostępne z tej partycji przez około rok. Automatycznie pobieramy je i przetwarzamy po przywróceniu systemu do trybu online".

Miesiąc po uruchomieniu systemu monitorowania, MacIsaac i zespół geotechniczny MOT stwierdzili, że osuwisko ustabilizowało się na podstawie danych GNSS i wydali zgodę na odbudowę Old Fort Road, przywrócenie usług komunalnych i zakończenie nakazu ewakuacji.

Stresujący test systemu

W dniu 29 listopada 2018 r., zaledwie kilka dni po tym, jak mieszkańcy zaczęli wracać do domów, trzęsienie ziemi o sile 4,5 stopnia było odczuwalne w regionie Peace River i było szczególnie zauważalne w Old Fort - epicentrum trzęsienia ziemi znajdowało się mniej niż 20 kilometrów od wciąż odradzającego się miasta. Mieszkańcy północno-wschodniej części kraju zgłaszali silne wstrząsy, które przez kilka sekund wstrząsały domami i obiektami biznesowymi. Tego rodzaju aktywność sejsmiczna niepokoi każdego, kto ją odczuwa, ale mieszkańcy Old Fort byli, co zrozumiałe, bardziej zaniepokojeni niż większość. Czy trzęsienie ziemi wywołało nowe, masywne osuwisko? Takie, które z łatwością mogłoby zniszczyć nowo przywrócony dostęp do ich małej społeczności, zmuszając do kolejnej ewakuacji?

"To na pewno była niespodzianka", mówi MacIsaac. "Nie mamy tu zbyt wielu trzęsień ziemi. Oczywiście moją pierwszą myślą było sprawdzenie osuwiska". Rutledge, który był w okolicy, również był zaniepokojony. Ponieważ system monitorowania Leica Geosystems zbierał dane już od jakiegoś czasu, on i MacIsaac byli w stanie zalogować się na stronie GeoMoS Now! i sprawdzić, jakie ewentualne przemieszczenia mógł wywołać. "Spojrzeliśmy na to i od razu mogliśmy zweryfikować, że nie było żadnych przemieszczeń, co było dość niesamowite" - mówi MacIsaac. "Ministerstwo było w stanie natychmiast zadzwonić do władz miasta i powiedzieć im z całą pewnością, że ich dostęp nie został naruszony".

Było to wielkie zwycięstwo ministerstwa i "triumf zarządzania ryzykiem", jak to ujął Rutledge. "Osuwiska nie są tutaj niczym niezwykłym i mamy już innych kandydatów do długoterminowych projektów monitorowania" - wyjaśnia MacIsaac. "Remediacja i ocena osuwisk może zająć dużo czasu, a dzięki temu, czego nauczyliśmy się w Old Fort i dzięki zgromadzonemu przez nas sprzętowi, będziemy w stanie reagować znacznie szybciej i wydajniej".

Angus Stocking jest licencjonowanym geodetą, który pisze o infrastrukturze od 2002 roku. Aby dowiedzieć się więcej o innowacyjnych rozwiązaniach w zakresie monitoringu, odwiedź https://leica-geosystems.com/pl-pl/industries/monitoring-solutions.