НАБЛЮДЕНИЯ ЗА РАБОТОЙ И СОСТОЯНИЕМ ПЛОТИН И ИХ ОСНОВАНИЙ
Общие перемещения плотины и основания
Геодезические наблюдения, являющиеся необходимой частью наблюдений на всех плотинах, дают информацию о пространственных перемещениях системы плотина - основание под действием нагрузок, о деформировании горных пород, вмещающих гидротехнические сооружения, вследствие влияния техногенных факторов. Измерения позволяют определить:
горизонтальные и вертикальные перемещения тела плотины в различных точках и характер эпюр перемещений;
осадку основания плотины;
деформирование скальных массивов в зоне влияния гидроузла и водохранилища, состояние тектонических трещин, разломов в районе гидроузла.
Измерение осадки
Определение осадки бетонных плотин и их оснований производится нивелированием разного вида (в зависимости от конструктивных особенностей плотин) и разного класса в зависимости от допустимой погрешности измерений.
Могут применяться следующие методы нивелирования: геометрический – для измерений на гравитационных и контрфорсных плотинах; тригонометрический – для определения осадки марок арочных плотин, а также при контроле состояния берегов (оползни, обвалы); гидростатический – для измерения вертикальных перемещений в продольном и поперечном направлениях.
На бетонных плотинах, расположенных на скальном основании, осуществляется гидротехническое нивелирование, точность которого превышает I класс, на бетонных плотинах на нескальном основании – нивелирование II класса.
Размещение марок на плотине должно давать информацию о распределении осадки в продольном и поперечном направлениях. Количество марок определяется классом сооружения, его геометрическими размерами и конструктивными особенностями.
Если проектная схема размещения марок окажется недостаточной для контроля деформирования геологической среды и основания плотины, следует разработать и осуществить новую схему. Для определения наклонов плотины целесообразно использовать поперечные гидронивелиры.
Осадка основания обычно происходит за счет слоев, обладающих наибольшей деформативностью, которые могут располагаться на десятки метров ниже подошвы сооружения. Для контроля распределения осадки по глубине используют наблюдения по кустам глубинных реперов, располагающихся на глубине, соизмеримой с высотой плотины. Разная осадка основания в пределах соседних секций возможна при наличии тектонических разломов и трещин, глинистых прослоев, карстовых явлений, когда основание представляет собой систему блоков, имеющих определенную свободу перемещений под действием внешних нагрузок.
Измерение наклонов плотины, являющихся следствием действия силовых и температурных факторов, проводятся с помощью гидростатического нивелирования. Марки гидронивелира располагаются в поперечных галереях. По характеру распределения вертикальных перемещений можно определять степень монолитности горизонтальных сечений. Скачки в показаниях между соседними марками могут свидетельствовать о нарушении монолитности сечения.
Наблюдения за осадкой проводятся для контроля состояния геологической среды, изменения реакции основания плотины под действием сезонно меняющегося уровня воды водохранилища. В условиях стационарного эксплуатационного режима при стабилизировавшемся характере осадки на высоких (свыше 60,0 м) бетонных плотинах нивелирование следует проводить дважды в год в одинаковое календарное время, приурочивая его к экстремальным значениям УВБ или сезонному изменению температуры наружного воздуха в зависимости от преобладающей роли того или иного фактора.
На невысоких (до 60,0 м) плотинах нивелирование II и III класса проводится один раз в 3-4 года, но обязательно в одинаковое календарное время, по возможности, с одинаковыми значениями УВБ и температуры наружного воздуха.
При расположении марок на наружной поверхности плотины (например, в основании наклонной низовой грани) следует учитывать влияние температурных деформаций бетонного массива, на котором заложены марки. Осадка, измеренная по этим маркам, не может сопоставляться с осадкой, измеренной в галереях.
При необходимости создания новых створов для определения осадки следует использовать продольные гидронивелиры.
Измерение горизонтальных перемещений
Горизонтальные перемещения тела плотины и основания, измеряемые различными геодезическими методами (створный, триангуляция, полигонометрия) и с помощью системы прямых и обратных отвесов, используются в качестве показателей безопасной работы плотины.
В высоких плотинах целесообразно устанавливать систему из прямых и обратных отвесов, решая несколько задач контроля за перемещениями плотины и основания:
определение характера эпюры горизонтальных перемещений плотины по ее высоте;
определение плановых смещений основания на различных отметках по глубине;
определение глубины активной зоны основания.
В гравитационных и контрфорсных плотинах плановые перемещения измеряются в поперечном (по потоку) и продольном (по оси плотины) направлениях, а в арочных - в радиальном и тангенциальном. Замеры перемещений рекомендуется учащать в период их экстремальных значений.
Отвесы устанавливаются в контролируемых секциях. Для определения относительных горизонтальных перемещений всей русловой части плотины по потоку применяются струнно-оптические створы (ИГС).
Перемещения основания контролируются обратными отвесами, устанавливаемыми на разной глубине.
Фильтрационный режим
Процессы фильтрации контролируются в теле плотины, в контактной зоне и основании, а также геологической среде, испытывающей изменение гидрогеологического режима под влиянием водохранилища.
В контактной зоне контролируются:
противодавление по подошве сооружения и в зонах его сопряжения с берегами;
эффективность средств инженерной защиты подземного контура.
В теле плотины наблюдаются:
фильтрация через бетонную кладку, швы и трещины;
противодавление в бетоне;
выщелачивание бетона.
В геологической среде ведутся наблюдения:
за границами зоны водонасыщения;
за водопроявлениями и обходной фильтрацией;
за выделением газа.
Основными измеряемыми параметрами, характеризующими фильтрационный режим, являются:
пьезометрические напоры;
расходы воды, фильтрующейся через бетонную кладку и породы основания;
механический и химический составы фильтрующейся воды;
температура воды фильтрационного потока.
Выбор методов контроля, видов и способов наблюдений за фильтрационным режимом определяется конкретными задачами контроля, зависящими от класса сооружения, гидрогеологических условий основания и скальных массивов, вмещающих плотину, особенностей подземного контура и т.д.
Инструментальный контроль за фильтрационным режимом осуществляется следующими методами:
пьезодинамометрических измерений (в бетонной кладке);
пьезометрических измерений (по подошве плотины, в скальных массивах основания и в береговых примыканиях);
измерения фильтрационных расходов.
Для определения фильтрационного давления в теле плотины со стороны напорной грани используются пьезодинамометры, закладываемые при строительстве в массивном бетоне и строительных горизонтальных швах. Наблюдения за фильтрационными напорами необходимо совмещать с наблюдениями за раскрытием строительных швов.
Водопроявления в бетонной кладке фиксируются по показаниям тензометра в свободном объеме бетона – «конусе» (при насыщении бетона водой он набухает) и визуально (на стенах галерей, в дренажных системах напорной грани).
Фильтрация через бетонную кладку трудно прогнозируема, и по мере возникновения водопроявлений в ней следует установить контроль за фильтрационными расходами, процессами выщелачивания бетона и т.д.
Принцип сбора фильтрующейся через бетон воды заключается в организации дифференцированного измерения расходов, поступающих из конструктивных, строительных швов, трещин, дренажа напорной грани и т.д. в пределах каждой смотровой галереи, а, возможно, и отдельных участков.
Методы измерения расхода фильтрующейся через бетонную кладку воды зависят от ее объемов. Используются: объемный метод измерения (через швы, трещины), с помощью поплавков, мерных водосливов.
Область питания и разгрузки фильтрационного потока в основании и направление его движения могут быть определены термометрическими измерениями по распределению и изменению во времени температуры воды в пьезометрах.
Анализы проб фильтрующейся воды, изменение уровня ее минерализации и газовыделения позволяют судить о суффозионных процессах, вызываемых фильтрационным потоком.
Расходы фильтрационного потока через основание оцениваются по результатам измерения расходов воды в дренажных скважинах (полостях), в местах неорганизованного выхода грунтовых вод, излива из дренажных, геофизических скважин и т.д.
Местоположение и вид измерительных устройств для определения суммарных фильтрационных расходов увязываются со схемой сброса фильтрующейся воды в нижний бьеф. Выбор конкретных средств измерения расходов (мерные водосливы, поплавки, гидрометрические вертушки и т.д.) в основании определяется объемом, скоростями фильтрующейся воды при эксплуатации.
Температурный режим
Изменение температуры в эксплуатируемых высоких плотинах существенно сказывается на их напряженном и деформированном состоянии. Температурное воздействие включено в расчетные нагрузки. Для плотин высотой ниже 60 м расчет температурных напряжений проводится, если амплитуда сезонных колебаний температуры наружного воздуха превышает 17°С. По температурным условиям практически для всех районов России необходим учет температурных воздействий.
Измерение температуры наружного воздуха необходимо проводить непосредственно в створе гидроузла, рассчитывая среднесуточную температуру по стандартной методике метеорологических служб. Данные гидрометеорологических станций, расположенных, как правило, в 2 - 3 км от створа, не могут быть использованы, так как они не соответствуют фактическому температурному режиму в створе, определяемому условиями эксплуатации гидроузла (влияние незамерзающего зимой нижнего бьефа, высокая влажность воздуха, сброс воды и т.д.).
Температурный контроль эксплуатируемой плотины должен быть информативным для решения следующих задач:
установление температурного градиента по горизонтальным сечениям секций для определения температурной составляющей перемещений и напряжений;
определение глубины сезонных изменений температуры у наружных поверхностей (низовая и напорная грани выше УВБ), глубины промораживания бетона;
определение температурной составляющей в раскрытии межсекционных, межстолбчатых, радиальных, горизонтальных строительных швов и трещин.
Температурный режим контролируется по измерительным створам телетермометров, установленных в тело и основание контролируемых секций, в расширенных швах гравитационных плотин, полостях контрфорсных плотин, по глубине водохранилища (когда нет термометров на напорной грани).
Количество термометров и их размещение в профиле плотины должно быть достаточным для определения температурного поля, необходимого при математическом моделировании работы плотины, расчетов ее состояния по условиям прочности.
Напряженно-деформированное состояние плотины и ее элементов
Наблюдения за деформациями (напряжениями) проводятся:
в теле бетонной плотины, отдельных ее элементах (трубопроводы, водосбросы и т.д.);
в контактной зоне плотины и массивах пород, вмещающих ее.
Для определения деформированного и напряженного состояния плотины, ее элементов и основания используются тензометры, длиннобазные деформометры, щелемеры, арматурные динамометры, позволяющие контролировать:
напряжения и деформации в различных точках отдельных бетонных массивов и плотины в целом;
напряженное (деформированное) состояние контактной зоны бетона с основанием по опорному контуру плотины;
раскрытие межсекционных, радиальных, межстолбчатых и строительных швов и трещин в бетоне;
напряжения (усилия) в железобетонных и металлических оболочках водоводов, арматуре у низовой грани и верховой - в зоне переменного горизонта, анкерах, арматурных тяжах, скрепляющих бетонные элементы с основанием, берегами и т.д.;
состояние сцепления между бетонами разных составов и технологию их укладки.
В строительный период могут возникать сезонно или постоянно неработающие участки блоков, которыми обычно является бетон в области незацементированных межстолбчатых швов, раскрытых строительных горизонтальных швов, сквозных трещин в блоках бетонирования. Эти дефектные зоны могут вносить искажения в характер передачи усилий, изменить величину напряжений на низовой и напорной гранях.
Основные требования к закладной тензометрической КИА, используемой при длительных измерениях деформаций, выбор типа тензометрических розеток, принципы их размещения в измерительных сечениях контролируемых секций бетонных плотин подробно изложены в стандарте организации ОАО РАО «ЕЭС России» СТО-108 «Контрольно-измерительные системы и аппаратура гидротехнических сооружений ГЭС. Условия создания. Нормы и требования».
В отечественной практике контроля напряженно-деформированного состояния плотины используется тензометрический метод определения деформаций, пересчитываемых в напряжения по зависимостям упруго-ползучего тела.
Для перевода деформаций в напряжения необходимо располагать данными об изменении модуля упруго-мгновенных деформаций и мер ползучести. Эти данные обычно получают по результатам испытаний образцов или непосредственно в сооружении еще в строительный период. При использовании этих данных следует иметь в виду: деформации ползучести накапливаются продолжительное время (в существенно более длительные сроки, чем проводятся испытания); знакопеременный температурный режим провоцирует увеличение ползучести после сезонного оттаивания.
В любой эксплуатируемой бетонной плотине существует определенная немонолитность профиля: расчетная и фактическая.
Расчетная немонолитность связана с сезонным раскрытием горизонтальных, строительных, радиальных швов, допустимым раскрытием контактного шва под напорной гранью гравитационной плотины.
Фактическая немонолитность сооружения возникает из-за неэффективности проведения цементации радиальных и межстолбчатых швов, температурных трещин, возникших в строительный период, возможных силовых трещин, которые могут появиться из-за конструктивных особенностей отдельных элементов плотины, а также непроектной работы сооружения.
Контроль за сезонным раскрытием швов, выходящих на низовую грань, осуществляется щелемерами и контактными тензометрами в зоне действия высоких температурных градиентов; состояние контакта бетон - скала контролируется контактными тензометрами, пьезометрами (пьезодинамометрами), длиннобазными деформометрами.
Контроль немонолитности плотины, возникшей вследствие неэффективности цементации радиальных и межстолбчатых швов, осуществляется по показаниям щелемеров, установленных для оценки качества омоноличивания плотины, и по тензометрам, размещаемым по обе стороны конструктивных и технологических швов, что дает возможность следить за условиями передачи усилий в продольном и поперечном направлениях.
О монолитности профиля плотины также судят по характеру распределения напряжений в его горизонтальных сечениях.
|
