Meetmethoden‎ > ‎

Tilt- en acceleratiemeters

Tiltmeters worden al decennia lang gebruikt om de stabiliteit van starre objecten zoals stuwdammen in de gaten te houden. Acceleratiemeters  worden onder andere toegepast in de traagheidsnavigatie systemen van de Boeing 747 en kruisraketten. Maar wat kunnen dergelijke sensoren betekenen voor  de vaststelling van bodembeweging  door gaswinning?

Een tiltmeter registreert kanteling,   een  acceleratiemeter  versnelling van het meetinstrument.  Hoe representatief deze gemeten beweging  van het instrument is voor die van “de bodem” is afhankelijk van de stabiliteit van de koppeling tussen  instrument en bodem.  Het is onwaarschijnlijk dat deze koppeling in de praktijk beter zal blijken dan ±0.006 graden (0.1 mm per meter) in kanteling en  ±0.7 mm in verticale snelheid per jaar.  Ongeacht de instrumentele precisie zullen tilt- en acceleratiemeters deze fysieke begrenzing aan de nauwkeurigheid waarmee bodembeweging gemeten kan worden, niet  kunnen overstijgen.

Delfstofwinning resulteert in  bodembeweging. Naarmate winning dieper plaats vindt  zal de bodemdaling  zich vlakker aan het oppervlak manifesteren . Bij winning uit een karakteristiek  3 km diep Nederlands gasveld  met een straal van 3 km zal de bodemdalingkom de vorm aannemen die in figuur 1 in blauw is aangegeven.

Figuur 1: Bodembeweging boven 3 km diep gas reservoir met straal van 3 km  

De instrumentele precisie (onderbroken rode lijn) van de beste tiltmeters van dit moment is niet goed genoeg om de geringe, daarmee gepaard gaande kanteling van het aardoppervlak (rode lijn)  te kunnen detecteren. Door middeling van metingen over langere tijd kan de invloed van meetruis weliswaar worden gereduceerd, maar dat lost het probleem niet op. De gezochte kanteling van de bodem kan immers nog altijd ±0.006 graden of te wel 100 ppm afwijken van de perfect gemeten kanteling van het meetinstrument.  Het effect van deze zogenaamde idealisatieruis  kan alleen tot redelijke proporties worden teruggebracht door middeling over een onrealistisch dicht netwerk van tiltmeters. 

Bodemdaling  door gaswinning  heeft een  nagenoeg constante snelheid.  Versnellingen en vertragingen blijven onder de nanometer per seconde kwadraat en daarmee ver onder de detectie grens van de gangbare acceleratiemeters.

De metingen uit een netwerk van  meerdere tilt- en/of acceleratiemeters zijn voor verschillende uitleg vatbaar. Ook als we de kanteling in de meetpunten kennen, blijft de vraag hoe de bodem zich tussen de meetpunten gedraagt. In figuur 2 zijn twee interpretaties van dezelfde metingen gegeven. Op een dijk staat aan weerszijden een tilt- en acceleratiemeter opgesteld. Bij A worden over de periode van een jaar afgezien van de meetruis geen kantelingen en versnellingen gemeten, bij D wordt alleen een geleidelijke kantelling dwars op de dijk tegen de klok in gemeten, maar geen versnellingen. 

Figuur 2a: kanteling D door bodemdaling. Figuur 2b: kanteling D door dijkafschuiving

De kanteling bij D kan worden veroorzaakt door bodemdaling rondom A of door afschuiving van het talud bij D. De metingen zelf geven daarover geen uitsluitsel.

Conclusie: bodemdaling door delfstofwinning is niet meetbaar met tilt- en acceleratiemeters.

Een enkele instrument met zowel tilt- als acceleratiesensoren kan de kantelingen, trillingen en versnellingen van het instrument scherp in beeld brengen. Daaruit is af te leiden aan welke versnellingen het instrument is blootgesteld  en of een beving een blijvende kanteling heeft veroorzaakt. Enerzijds betekent een blijvende  standsverandering niet noodzakelijkerwijs schade.  Dat is alleen zo als de kanteling en versnelling van het ene deel van het bouwwerk anders waren dan die van een ander deel. Anderzijds kan er schade opgetreden zijn zonder blijvende kanteling  en zonder meetbare versnellingen. Voor een scheur van 1 mm is gedurende een halve seconde een gemiddelde differentiële versnelling nodig van minder dan 0.01 meter per seconde nodig. Dergelijke kleine versnellingen zijn met de gangbare versnellingsmeters niet  significant meetbaar.

Conclusie: tilt- en acceleratiemeters kunnen kantelingen, trillingen en versnellingen, waaraan een bouwwerk wordt  blootgesteld, goed in beeld brengen, maar de relatie met schade blijft ongewis. Bevingen kunnen schade veroorzaken zonder meetbare kanteling en versnelling.

Geraadpleegde literatuur:
www.stabialert.nl, Specifications Structural Health Sensor, StabiAlert, 2014.
Dijkmonitoring: beoordeling van meettechnieken en visualisatiesystemen, Stichting IJkdijk, 2013.
Subsidence monitoring in relation to coal seam gas production, NSW, Australia, 2013.
Comments