ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОВЕДЕНИЯ НАБЛЮДЕНИЙ НА ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ПЛОТИНАХ
Проверка достоверности, достаточности и представительности данных
Объективный анализ состояния плотины напрямую зависит от достоверности, достаточности и представительности данных.
Каждый вид наблюдений имеет свою специфику снятия отсчетов и характер погрешностей.
В общем случае достоверность данных измерений оценивается, исходя из состояния КИА того или иного типа, надежности применяемой методики измерений, реальной их точности и квалификации наблюдателей.
Проверка достоверности показаний КИА осуществляется в соответствии с инструкциями по проведению наблюдений и установке КИА, разрабатываемыми для каждого гидроузла проектными организациями, осуществляющими авторский надзор за работой сооружений, или научно-исследовательскими организациями, участвующими в разработке проекта.
Достаточность данных наблюдений определяется их объемом, составом, частотой измерений контролируемых параметров, необходимых для анализа и оценки поведения плотины. Параметры, указанные в проекте, могут быть изменены с учетом конкретных требований эксплуатационного надзора.
Частота отсчетов должна назначаться для каждого вида наблюдений с учетом специфики работы конкретной плотины.
В зависимости от контролируемых показателей (параметров) частота взятия отсчетов может изменяться в широких пределах: от ежедневных до одного раза в несколько лет.
Количество замеров должно быть достаточным для использования статистических методов обработки данных измерений при определении зависимостей между изменяющимися нагрузками, воздействиями и контролируемыми параметрами, периодичность отсчетов должна быть увязана со скоростью изменения УВБ и температуры. Критерием такой достаточности является шаг интерполяции, обеспечивающий приемлемую для данного контролируемого параметра погрешность измерения.
При назначении графика взятия отсчетов учитывается:
сезонный характер изменения контролируемых параметров (частота измерений должна повышаться при приближении к их экстремальным значениям);
наличие и интенсивность необратимых изменений контролируемого параметра. В случае необратимых изменений контролируемого параметра необходимо увеличить частоту отсчетов для выявления характера и величины необратимой компоненты;
точность измерения параметра (при невысокой точности замеров требуется увеличить частоту для повышения достоверности данных);
степень устойчивости параметра, обусловленная его физической природой. При наличии в измерениях колебаний и скачков замеры должны быть учащены, чтобы использовать статистические методы обработки данных с требуемой точностью;
взаимосвязь различных измеряемых параметров, требующих одновременного взятия отсчетов. Например, фильтрационные напоры и деформации, измеряемые пьезометрами и контактными тензометрами под напорной гранью; измерение температуры и раскрытий швов; расходов через бетонную кладку и раскрытий строительных швов и т.п.
Программа всех видов наблюдений составляется с учетом приведенных выше позиций и изменяется по мере изменения схемы статической работы плотины и появления новых проблем.
Представительность данных наблюдений определяется объемом информации, на основании которой можно дать всестороннее заключение о работе сооружения и его элементов по условиям устойчивости, прочности и долговечности.
При проведении наблюдений на эксплуатируемой плотине необходимо учитывать, что система контроля, включающая программу наблюдений и схемы размещения КИА, не всегда удовлетворяет требованиям представительности данных вследствие:
выхода части датчиков из работы;
отсутствия наблюдений в отдельных секциях и частях плотины, оказавшихся наиболее чувствительными к эксплуатационным нагрузкам;
появления новых проблем, связанных с суффозией, деструкцией бетона, неотектоническими явлениями в геологической среде и т.д.;
противоречивости показаний отдельных групп датчиков.
Все вышеперечисленное требует дооснащения сооружения КИА и уточнения программы наблюдений.
Уточненная программа наблюдений и исследований, а также схемы дооснащения КИА разрабатываются на основе фактического состояния плотины и необходимости наблюдений в ее наиболее ослабленных и недостаточно оснащенных КИА частях (контактная зона, напорная грань и т.д.).
При составлении схемы дооснащения КИА и программы наблюдений с привлечением специальных исследований необходимо оценить достоинства и недостатки предыдущих наблюдений, максимально использовать накопленный материал и на основе его анализа усовершенствовать систему наблюдений.
Задачи различных видов наблюдений
Геодезические наблюдения позволяют определять деформированное состояние геологической среды, плановые и вертикальные перемещения тела плотины и скальных массивов, влияние техногенных воздействий на гидроузел.
Фильтрационные наблюдения проводятся для контроля:
состояния подземного контура;
противодавления на подошву плотины и его связи с УВБ и состоянием контактной зоны (разуплотнение, суффозия, кольматация основания и т.д.);
фильтрационных расходов в теле плотины и основании.
Термометрические измерения позволяют определять активную зону влияния температуры наружного воздуха (зона промораживания бетона) и характер изменения температуры в теле плотины (изотермы).
Тензометрические измерения выявляют зону максимальных напряжений в плотине, характер их распределения по горизонтальным сечениям и изменение во времени.
Измерения по щелемерам позволяют оценить монолитность плотины (раскрытие конструктивных, строительных швов и трещин), а также разную деформативность основания под соседними секциями.
По дистанционным щелемерам, устанавливаемым между блоками, определяют раскрытие строительных швов. По трехосным щелемерам измеряют раскрытие температурно-осадочных швов, а также разность перемещений соседних секций.
Визуальные наблюдения осуществляются для оценки состояния бетона как материала (трещины, водопроявления, выщелачивание, деструкция), геологической среды (оползни, очаги фильтрации), а также состояния дренажных устройств в основании и теле плотины, состояния КИА и механического оборудования ГТС (пазы затворов, сороудерживающие решетки).
Специальные исследования проводятся для решения конкретных задач, возникающих при эксплуатации плотин (определение физико-механических характеристик бетона и основания, особенностей фильтрационного режима в скальном массиве, химического состава воды и т.д.).
Кроме основных целей наблюдений, позволяющих контролировать устойчивость и конструктивную прочность эксплуатируемых плотин, исследуются частные вопросы (влияние трубопровода на состояние станционных секций, конструктивных особенностей секций на их напряженно-деформированное состояние, технологии возведения на первоначальное состояние плотины и т. д.).
Экологические условия района гидроузла оцениваются по изменению уровня грунтовых вод, затоплению территории в зоне действия водохранилища, появлению оползней, изменению климата.
Специфика работы различных типов бетонных плотин
Гравитационные плотины
Особенностями работы гравитационных плотин в широком створе, как правило, являются:
плоское напряженное состояние;
невысокий уровень сжатия от расчетных нагрузок (за исключением температурных напряжений в зоне действия высоких температурных градиентов);
возможность раскрытия контактного шва под напорной гранью;
сезонная немонолитность рабочего профиля, связанная с температурным раскрытием строительных горизонтальных и межстолбчатых швов, выклинивающихся на низовую грань;
существенное различие в напряженном и деформированном состоянии различного вида секций (водосливных, станционных и глухих);
влияние некачественно омоноличенных столбов и трещин строительного периода на работу плотины во время эксплуатации;
наибольшая чувствительность к температурному режиму бычков временных донных отверстий.
Особенностью статической работы гравитационных плотин, расположенных в узких ущельях, является объемное напряженное состояние бетона.
При плотинной компоновке гидроузла напорный фронт состоит из водосливных и станционных секций, которые отличаются конструктивно. Это отличие приводит к разному температурному режиму низовой грани, разной жесткости секций, что отражается на напряженно-деформированном состоянии сооружения.
При анализе данных следует иметь в виду, что влияние основных действующих факторов на перемещения и напряжения в гравитационной плотине взаимно компенсируют друг друга. При повышении УВБ напряжения сжатия на напорной грани начинают уменьшаться, но температурная составляющая напряжений от летнего разогрева их увеличивает. Увеличение напряжений сжатия на низовой грани из-за температурной составляющей в летнее время суммируется со сжатием от гидростатической нагрузки, но сама величина силового сжатия в гравитационной плотине существенно ниже, чем в арочной. В зимний период при сработке водохранилища напряжения сжатия на напорной грани возрастают, что компенсируется температурными напряжениями растяжения остывающей плотины.
Схема статической работы гравитационной плотины определяется степенью сезонной немонолитности, противодавлением по подошве, уровнем сработки водохранилища, свойствами геологической среды. Влияние температурного фактора зависит от климатических условий гидроузла и доли силовых нагрузок, определяемых уровнем сезонной сработки водохранилища.
Для оценки работы плотины необходимо располагать информацией, позволяющей проанализировать:
состояние межстолбчатых швов (по изменению напряжений по обе стороны шва, по показаниям щелемеров в швах, по характеру распределения напряжений в горизонтальных сечениях);
монолитность напорной грани (по визуальным наблюдениям за фильтрацией, выщелачиванием бетона, состояние строительных горизонтальных швов по показаниям контактных тензометров и по характеру изменения напряжений у напорной грани);
влияние сезонного раскрытия швов на напряженно-деформированное состояние (НДС) плотины (по данным регрессионного анализа данных);
глубину раскрытия контактного шва под напорной гранью и ее связь с сезонной немонолитностью, силовыми нагрузками, температурными воздействиями, а также перемещениями плотины и основания;
характер изменения фильтрационного давления в основании;
состояние зон сопряжения разных по составу бетонов и технологии для плотин с составного профиля;
трещиностойкость бычков временных донных отверстий;
влияние напряженного состояния низовой грани на напряжения трубопровода.
Особенностями работы контрфорсных плотин по сравнению с гравитационными являются:
объемное напряженное состояние в теле контрфорсов;
двухмерное температурное поле;
фильтрационная разгрузка в полости плотины;
наличие внутренних замкнутых обогреваемых полостей и поддержание в них оптимального температурного режима для плотин, эксплуатируемых в суровом климате.
Для оценки работы контрфорсной плотины (в добавление к информации по п. 2.3.1.5) необходимо иметь следующую информацию:
распределение температуры в контрфорсе вдоль и поперек потока; температурный режим в полостях;
деформации (напряжения) в оголовке контрфорса по его оси и у межсекционных швов;
деформации в теле контрфорса и у полостей;
условия разгрузки фильтрационного потока в полости (по данным пьезометрических наблюдений);
состояние контактного шва под напорной гранью.
Особенностями работы арочных плотин являются:
пространственная работа бетона;
высокий уровень напряжений сжатия;
передача усилий на берега;
незначительное влияние фильтрационного напора на подошву плотины (за исключением береговых секций).
При анализе данных наблюдений необходимо иметь в виду следующее.
Сезонная сработка водохранилищ, создаваемых арочными плотинами, обычно больше, чем изменение УВБ гравитационных плотин, что определяет и бóльшую роль сезонного влияния гидростатической нагрузки на сооружение по сравнению с температурными воздействиями.
Особенностью схемы работы арочной плотины является совпадение по направлению действия температурных и силовых факторов, определяющих арочные напряжения в плотине. Повышение УВБ приводит к росту арочных напряжений так же, как и нагрев плотины в летнее время. Эти основные факторы противоположным образом влияют на перемещения плотины, частично компенсируя друг друга. Нагрев плотины сопровождается поворотом ее в сторону верхнего бьефа, тогда как наполнение водохранилища приводит к перемещениям в нижний бьеф. В зимний период температурные составляющие напряжений и перемещений противоположны по знаку сезонному действию гидростатического давления.
При оценке работы арочной плотины необходимо анализировать следующие показатели:
уровень напряжений на низовой грани (обязательно с учетом многолетней ползучести);
усилия (деформации) в береговых примыканиях (скальных и бетонных);
сезонное изменение радиальных и тангенциальных перемещений;
состояние шва между арочной частью плотины и пробкой, периметрального шва;
фильтрационное давление в берегах;
степень асимметричности работы плотины (по сопоставлению параметров, характеризующих работу береговых секций);
влияние геологической среды на работу плотины (наличие тектонических разломов, глинистых прослоек и т.д.).
При анализе напряженного состояния плотины следует оперировать главными напряжениями, как максимальными.
Особенности состояния плотин, эксплуатирующихся в суровом климате
Климатические условия определяют воздействие температурного фактора, которое проявляется в температурной составляющей контролируемых параметров, а также в изменении свойств бетона, подвергающегося сезонному замораживанию и оттаиванию.
Для гравитационных и контрфорсных плотин, возведенных в районах с суровым климатом и с небольшими уровнями сработки водохранилища, самое неблагоприятное напряженное и деформированное состояние связано с максимальными раскрытиями строительных швов на низовой грани, наступающими в конце февраля – начале марта при УВБ меньших НПУ. Именно в этот период может происходить максимальное раскрытие контактного шва под напорной гранью.
В условиях сурового климата наименее трещиностойкими оказываются бычки временных донных отверстий, в которых могут появляться сквозные трещины.
При анализе данных необходимо учитывать:
изменение коэффициента линейного расширения замороженного бетона (замороженным бетоном следует считать бетон при температуре ниже –2 C);
необратимые структурные изменения бетона как материала, приводящие к накапливанию дополнительных деформаций (напряжений) в плотине;
увеличение пластических деформаций бетона после его сезонного оттаивания;
различный температурный зимний режим в станционных, глухих и водосливных секциях (из-за наличия наледей на водосливных поверхностях);
температурный режим в полостях.
|
