НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
Общие положения. Основные задачи натурных исследований: 1) контроль качества сооружений в период строительства и в начальный период эксплуатации; 2) систематический контроль сооружений и оснований в период эксплуатации; 3) проверка правильности расчетных предпосылок, результатов, расчетов и модельных исследований и, как следствие, совершенствование методов расчетов и конструкций; 4) предупреждение аварийных ситуаций и заблаговременное оповещение о возможности аварий; 5) уточнение важных, недостаточно изученных явлений; исследование новых конструкций или типов плотин, трудно поддающихся расчету, или новой технологии. Условно исследования 1...4 называют контрольными, 5 — специальными [28, 131].
Натурные инструментальные исследования проводят для сооружений I, II и III классов, для IV класса — при специальном обосновании на небольших сооружениях и на низконапорных плотинах допускается ограничиваться визуальными осмотрами для обнаружения отдельных дефектов, осадок, подвижек, оползней, трещин, выхода фильтрационных вод в НБ и на откосы плотин, размыва откосов, русла и др. Специфика контрольных наблюдений грунтовых плотин — систематические визуальные наблюдения за состоянием креплений, местными деформациями откосов, гребня, кюветов, размывами откосов и берегов, наледями, заилением и зарастанием дренажных траншей.
По А. И. Цареву, в зависимости от применяемой аппаратуры натурные исследования можно разделить на исследования, выполняемые с помощью:
1) закладной и накладной контрольноизмерительной аппаратуры (КИА), устанавливаемой во время возведения и при эксплуатации сооружения;
2) закладной КИА, устанавливаемой только прн возведении сооружения;
3) съемной идн переносной аппаратуры. В проект натурных исследований, являющийся составной частью проекта гидроузла, входят: генеральная программа с обоснованием целей, задач, продолжительности натурных исследований и типа КИА; чертежи размещения КИА и трассы кабелей; проект автоматизации наблюдений; инструкция по установке КИА и проведению наблюдений; контрольные параметры исследуемых величин (критерии безопасности) ; смета.
Число КИА и общие требования к их размещению. Натурным исследованиям в нашей стране и за рубежом уделяется большое внимание, что связано, в частности, с рядом аварий.
Материальный ущерб вследствие аварий и катастроф на плотинах Пуентес, Саут-Форк, Мальпассе, Вайонт, Хайокири, Пардо, Болдуин Хиле, Титон и др. исчислялся сотнями миллионов долларов (по другим данным, 1... 10 долларов на 1 м3 водохранилища). Количество человеческих жертв составило около 10 тыс. В 95 % случаев этих аварий могло бы не быть при постоянном и оперативном контроле. В плотинах гидроузлов устанавливают значительное число КИА (Андижанская—1430, Саяно-Шушенская — 2 270). Стоимость натурных наблюдений составляет 0,75...2 % и более стоимости сооружений. Ориентировочно число закладных приборов в плотинах:
Число КИА можно уменьшить использованием теории планирования эксперимента. При постановке натурных исследований и выборе типа и числа КИА следует учитывать имеющиеся данные анализа причин 700 аварий и инцидентов (локальных повреждений, которые без своевременного ремонта приведут к аварии).
Основные причины аварий и инцидентов гравитационных, арочных и контрфорсных плотин: потеря устойчивости основания (20...24 %); фильтрация в теле плотины и в основании (29...33 %) ; температурные и усадочные трещины (12 %; эти факторы проявляются наиболее интенсивно в первые 2...4 года); попеременное замораживание и оттаивание (15...12%), агрессивность воды (12... 14 %); эти факторы влияют на надежность через 40... 60 лет; для грунтовых плотин: фильтрация через основание и вдоль сопрягающих устоев (17%); перелив воды через гребень (15%); сосредоточенная фильтрация в теле плотины (12%).
КИА устанавливают в характерных точках с учетом результатов расчетов и модельных исследований, а также с учетом работы сооружений-аналогов, Желательно концентрировать аппаратуру в нескольких характерных измерительных сечениях сооружения, обычно вертикальных и горизонтальных Из групп КИА выделяют датчики, по которым ведут оперативный контроль надежности и безопасности; такие датчики дублируют.
Натурные исследования в строительный период. Для бетонных плотин проводят комплекс исследований, связанных с технологией производства (отбирают пробы и определяют дефор- мативность, прочность, теплофизические свойства бетона; теплозащитные свойства опалубки, температурный режим блоков с учетом мероприятий по его регулированию, температурные напряжения, раскрытие строительных и конструктивных швов; оценивают тре- щинообразование в блоках и качество цементации) и дальнейшей работой сооружения (начинают исследования осадок, деформаций блоков и основания, горизонтальных перемещений, контактных напряжений в плотинах на нескальных основаниях и напряжений в арматуре анкерных понуров).
Наполнение водохранилища — ответственный этап, на котором выполняют большой объем исследований, связанных с первой оценкой работы сооружения. Для грунтовых плотин качество материала контролируют отбором проб из карьеров и из уложенного грунта, определяя плотность, влажность, удельный вес, границы пластичности глинистых грунтов, гранулометрический состав, коэффициент фильтрации, деформативные свойства, сдвиговые характеристики и др. Для оценки плотности и влажности применяют экспресс-методы, основанные на методе штампов, радиоизотопов и др.; разработан виброкаток с автоматичеекни считывающим устройством (Швеция), дающий сразу при проходке оперативную информацию о достигнутом уплотнении [11].
Натурные гидравлические исследования в эксплуатационный период (71, 72). Их проводят для оперативного контроля состояния водопропускных сооружений, ложа реки, берегов НБ. При пропуске расходов при различных режимах работы изучают: уровни воды; гидравлический режим, растекание потока в плане, скорости по глубине; вибрации; кавитацию; эрозию конструкций; аэрацию потока; гидродинамическое давление; динамические напряжения и деформации; пропускную способность сооружений. Кроме обычных контрольных и специальных исследований при вводе сооружения в постоянную или временную эксплуатацию, проводят и пусковые испытания для корректировки режимов работы. После пропуска расходов делают визуальные обследования и промеры глубин.
Измерительные приборы. Для измерения пульсаций гидродинамического давления используют датчики ДДИ-20, ДД-6 и др. диаметром 18...24 мм с чувствительным элементом в виде плоской мембраны. Известны конструкции индуктивных датчиков
Фильтрационный расход в грунтовых плотинах замеряют мерными водосливами, установленными в кюветах у подошвы низового откоса. В бетонных плотинах мерные водосливы устанавливают в кюветах галерей; используется и объемный способ. Расходы очаговой фильтрации (течи, свищи) определяют объемным способом. Скорость фильтрации определяют солевым методом, методом красителей или с помощью радиоизотопов (соль NaCl, флуоресцин или радиоизотопы опускают в ВБ и фиксируют время их появления).
Химический анализ проб воды позволяет судить о выщелачивании бетона или химической суффозии грунтовых плотин и оснований; повышение мутности говорит о механической суффозии последних. Схема размещения пьезометров приведена на рисунке
Натурные исследования перемещений. Различают перемещения вертикальные (осадки), горизонтальные и наклонные.
Основные методы определения вертикальных перемещений. Осадки измеряют геометрическим, тригонометрическим и гидростатическим нивелированием. Описание этих видов нивелирования приведено в [70].
При тригонометрическом нивелировании превышение одной точки над другой определяется изменением угла наклона визирного луча и расстояния от инструмента до точки визирования. Метод удобен при глубоких узких каньонах, крутых склонах и т. п.; точность его ниже.
При гидростатическом нивелировании превышение одной точки над другой определяют относительно горизонтальной плоскости жидкости, устанавливающейся в сообщающихся сосудах (рис. 15.15). Точность измерений ±0,2 мм; возможна автоматизация измерений; систему гидростатического нивелирования привязывают к исходным реперам.
Осадки внутри грунтовых плотин, их оснований и послойные измеряют: многоярусными глубинными марками (рис. 15.16), состоящими из телескопической системы труб, приваренных к плитам, при осадке плит трубы опускаются (по перемещениям марок,расположенных на трубах, геометрическим нивелированием определяют осадки); глубинными электромагнитными марками, состоящими из секционной пластмассовой трубы (секции соединяют патрубками), на которую свободно надеты стальные пластины. О размере осадки судят по перемещению плит, положение которых с точностью до 3...4 мм фиксируют электромагнитным зондом, в котором в обмотке постоянного магнита индуцируется ток при прохождении мимо пластины; при вертикальном положении плит измеряют горизонтальные перемещения. Глубинная электромагнитная марка приведена на рисунке 15.17. Возможно применение счетчика-зонда для фиксации положения изотопов, закладываемых около трубы.
Осадки и перемещения внутренних точек в пространстве получают с помощью наблюдательных колодцев 418 (обычно в каменно-набросных плотинах) или инклинометров (в высоких и сверхвысоких плотинах) [24].
Основные методы для определения горизонтальных абсолютных перемещений. Различают методы створный, триангуляций, комбинированный [70].
Створный метод (рис. 15.18, а) прост и точен; применяется для сооружений с прямолинейной осью. В штольнях, пройденных в береговых массивах, помещают два опорных пункта, на которых устанавливают теодолит и визирную мишень. В визирном створе (в галерее или на гребне плотины) располагают контрольные пункты. Визирный створ может быть: оптический; отклонение от него определяют по от- счетному устройству подвижной марки (расположенной на контрольном пункте), которую с помощью микрометренного винта вводят в створ; отклонения от створа можно определять также по методу малых углов, измеряемых с опорного пункта на неподвижную марку, последовательно устанавливаемую на контрольных пунктах; струнно-оптический, задается стальной струной, закрепленной на одном конце и натянутой грузом (100...200 кг) на другом. Струна по-
Комбинированный метод применяют при невозможности закрепления концов створа на берегах или в основании плотины (плотины на нескальном основании) или если ось плотины состоит из нескольких прямолинейных участков. Смещения определяют относительно оптического или струнного створа, положение на опорных пунктах створа контролируют сетью геодезических треугольников или центральных систем.
Для небольших сооружений можно применять стереофотограмметрию. Для измерения длин в геодезических методах применяют лазеры, радио- и светодальномеры; мекометрами расстояния 20...3000 м измеряют с ошибкой ±1.
Методы измерения относительных горизонтальных перемещений бетонных сооружений. Обычно применяют прямые и обратные отвесы. Прямой отвес — это груз на инварной проволоке, закрепленный обычно у гребня плотины; относительные перемещения замеряют оптическим или механический определяют и методом натянутой нити: в потерне натягивают стальную нить длиной до 600 м, закрепленную в крайних секциях; относительно ее отсчитывают смещения.
Наклоны сооружений. Их можно определить: по данным гидростатического и геометрического нивелирования марок напорной и низовой граней; с помощью накладных (поверхностных) или дистанционных клинометров непосредственно на сооружении. Простейшая схема накладного клинометра с цилиндрическим уровнем приведена на рисунке 15.20. Уровень закреплен на пластине, прижатой пружиной к микрометренному винту. Пластина может вращаться на оси. При нарушении горизонтальности пластины пузырек уровня отклоняется; его выводят в нулевое положение вращением микро- метренного винта, по шкале которого определяют угол наклона. Бывают клинометры маятникового типа и др, [28].
Измерение взаимных перемещений частей бетонных плотин. Измеряются взаимные перемещения секций, столбов, раскрытия межсекционных имеж- столбчатых швов (подлежащих цементации), швов-надрезов, горизонтальных строительных швов на напорной грани (от гидростатики) и на низовой—от изменения температуры. Очень важна оценка раскрытия контактного шва под напорной гранью. Раскрытия вертикальных швов измеряют поверхностными или закладными щелемерами одно-, двух- и трехосными; последние применяют обычно в плотинах на нескальных основаниях, где возможны неравномерные осадки. Простейшая конструкция накладного щелемера приведена на рисунке 15.21; расстояния между шариками периодически измеряют штангенциркулем с точностью 0,05...0,1 мм. Для измерения раскрытия межстолбчатых швов используют дистанционные щелемеры струнного типа.
Натурные исследования деформаций и напряжений в теле сооружений, в основании и в арматуре. При их проведении определяют напряжения и деформации, в частности напряжения по подошве, деформации скалы в основании и бортовых примыканиях, напряжения в арматуре, температуру бетона и основания, поровое давление в бетонной кладке и грунте, основные нагрузки и воздействия (уровни в бьефах, собственный вес, температуру воздуха и воды водохранилища и др.). Применяют два способа измерения напряжений: 1) тензометрический—при котором тензометрами измеряют относительные деформации и по ним на основе зависимостей для упруго-ползучего тела — напряжения внутри сооружения и на поверхности; 2) непосредственное измерение напряжений датчиками напряжений.
Относительные деформации в бетоне измеряют дистанционными датчиками— телетензометрами (обычно струнными или омического сопротивления). В СССР наиболее часто применяют струнные накладные и закладные тензометры типа ПЛДС
Замер непосредственно напряжений в бетоне выполняют телединамометрами Карлсона (рис. 15.23). В грунтовых плотинах и в нескальных основаниях давление грунта измеряют грунтовыми динамометрами (аналогичными пьезодинамометрам, в которых отсутствует крышка 7, см. рис. 15.13), а относительные деформации — экстензометрами (рис. 15.24).
Замер температур в сооружениях и в основаниях выполняют обычно струнными термометрами типа ПТС-60 (измеряемая температура от минус 30° до 60 °С, точность 0,2°С, работает на принципе различия коэффициентов линейного расширения стальной струны и дюралюминиевого корпуса) и терморезисторными типа ПТТ-60. Напряжения в арматуре измеряют арматурными динамометрами (рис. 15.25) обычно струнного типа.
В районе гидроузла создают сеть сейсмометрической аппаратуры, включающейся автоматически. Пример размещения различной КИА в бетонной плотине приведен на рисунке 15.26.
Особенности натурных исследований для обоснования расчетов. На предварительных этапах проектирования для крупных сооружений выполняют комплекс крупномасштабных исследований; в частности, для обоснования сдвиговых характеристик скальных и нескальных оснований сдвигают крупные штампы, прибетонированные к основанию, крупные целики — до 200 м2 в скале; в опытных штольнях определяют статический модуль деформации скалы; различными геофизическими методами определяют динамические модули упругости основания, скорости продольных и поперечных волн. В специальных опытных насыпях отрабвают новые приемы технологии грунто- вых плотин и др. Значительный объем натурных исследований связан с прогнозом русловых процессов, заилением водохранилищ и переформированием их берегов.
Основные направления организации натурных исследований для обеспечения безопасности плотин. Основное направление развития натурных исследований — их полная автоматизация. Для этого: 1) предполагается использовать дистанционные датчики (пока еще ряд важных параметров — горизонтальные и вертикальные перемещения, фильтрационные расходы, частично давления, наклоны — определяют вручную); при этом необходима оптимизация размещения датчиков, чтобы при разумном минимуме их получать максимальную информацию; 2) разработаны и частично введены в строй (НИС Гидропроекта, ВНИИГ) комплексы вторичной приемной аппаратуры с автоматическим вызовом датчиков и записью их показаний в форме, удобной для ввода в ЭВМ; при этом вычислительный комплекс с квалифицированным штатом должен располагаться на пультах крупных гидросистем с передачей туда данных измерений постоянно и безотказно с использованием, помимо кабельной связи и радиосвязи, спутников земли, лазеров и др.; разрабатываются и частично закончены программы (для ЭВМ) сбора информации, ее заполнения, обработки, регистрации и хранения; 3) для оперативного контроля за состоянием сооружений разрабатываются критерии безопасности (перемещения, напряжения, фильтрационные расходы, температурный режим и т. п.) и их контрольные значения (или интегральные оценки), удобные для измерений и позволяющие оперативно сопоставлять их с данными наблюдений и быстро (автоматически) давать заключение о состоянии сооружения, а в случае опасности с помощью специальных сигналов (звуковых, световых и т, п.) оповещать персонал.
В ряде стран (Италия, США и др.) в последние годы введены в строй системы автоматизированного контроля плотин (рис. 15.27). Начала работать аналогичная система на Ново-Воронежской АЭС (разработки НИС Гидропроекта). На сравнительно небольших сооружениях с числом КИА до 200... 300 более экономичными являются неавтоматизированные системы контроля.