Действие датчиков эрозии основано на размыкании при размыве токопроводящих элементов.
Принцип действия датчиков аэрации потока основан на измерении электрического сопротивления газожидкостной смеси для определения содержания в ней воздуха. Датчики могут устанавливаться в потоке вблизи обтекаемой поверхности или заподлицо с ней.
При производстве гидрометрических наблюдений используются вертушки.
Приборы регистрации позволяют контролировать соответствующий процесс, например, по стрелочному индикатору, фиксировать экстремальные и промежуточные значения измеряемых характеристик, а также записывать непрерывную реализацию процесса для последующей полной статистической обработки: определения математического ожидания, дисперсии, плотности распределения величины и т. п.
Регистрацию процесса пульсации давления следует осуществлять непосредственно на ЭВМ с определенным шагом, который должен быть выбран на основе методических опытов или прогноза частотного диапазона процесса. В некоторых случаях возможна регистрация процесса с помощью измерительного магнитофона с последующим воспроизведением и регистрацией на ЭВМ. Возможны и непосредственные измерения статистических характеристик пульсации давления с помощью аналоговых приборов. Аналогичным образом можно регистрировать информацию, полученную от датчиков других типов КИА.
КИА необходимо периодически калибровать, что значительно увеличивает время безотказной работы приборов и повышает достоверность измерительной информации. Периодичность калибровки зависит от назначения и типа прибора, условий его работы и должна определяться местной инструкцией.
3 ПЕРИОДИЧНОСТЬ НАБЛЮДЕНИЙ. РОЛЬ ВИЗУАЛЬНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ. ХАРАКТЕРНЫЕ ПРИЗНАКИ СОСТОЯНИЯ СООРУЖЕНИЯ ИЛИ ЕГО ЧАСТИ
Пусковые испытания водосбросных сооружений выполняются по специальной программе с привлечением научно-исследовательских организаций и участием эксплуатационного персонала в процессе передачи ему объекта.
Эксплуатационные наблюдения за состоянием водосбросных сооружений ведутся в период пропуска расходов. Дежурный оператор периодически считывает данные от первичных датчиков. При наличии автоматизированной системы диспетчерского контроля (АСДК), если от системы не поступало сигналов о нарушении нормального режима эксплуатации, запись проверяется при передаче диспетчерской смены.
Визуальные наблюдения, в особенности при недостаточной оснащенности гидроузла системой КИА, необходимы для оценки работы и состояния водосбросных сооружений и нижнего бьефа. Желательно, что бы наблюдения проводила группа из одних и тех же работников. Важно приступить к ним с самого начала эксплуатации гидроузла. При соблюдении этих условий легче заметить отклонения от проектного режима и изменения в состоянии сооружений.
Визуальную оценку необходимо сопровождать обычной фотосъемкой. При этом съемка какого-либо участка при каждом осмотре должна проводиться с одной точки с идентичным расположением кадра и последующей печатью при одинаковом увеличении. Желательно, чтобы в кадре находились предметы, позволяющие судить о масштабе изображенного на снимке. Полезно также производить такую фотосъемку в одни и те же дни года, при одинаковом освещении, что позволяет, пользуясь эффектом теней, отмечать наличие деформаций и перемещений. При систематической фотосъемке русла и берегов в нижнем бьефе целесообразно установить постоянные, привязанные геодезически опознавательные знаки, что существенно облегчает сопоставление снимков.
При наблюдении за подводящими каналами, кроме видимых оползней или обрушений бортов, необходимо фиксировать появление хотя бы незначительных перепадов свободной поверхности в местах, где это не объясняется проектной формой канала. Такие перепады хорошо видны, если смотреть вдоль поверхности воды, расположив точку наблюдения как можно ближе к воде. Появление перепада свидетельствует о нарушении проектного очертания бортов и дна канала ниже уреза или сосредоточенном скоплении в канале каких-то затопленных тел. В этом случае после прекращения работы водосброса должно быть произведено подводное обследование канала.
На каналах со скоростями течения менее 0,5 м/с и грунтовыми необлицованными откосами следует обращать внимание на появление внутриводной растительности для предупреждения зарастания канала.
Наблюдения и осмотр водослива, водосливной плотины, быстротоков проводятся как в период пропуска расходов, так и после закрытия затворов. Целесообразно наблюдение за поведением потока сопровождать видеосъемкой.
При пропуске воды ее поверхность, как бы зеркальная в начале водослива, вследствие аэрации теряет прозрачность, становится "взлохмаченной" — это нормальное явление. Косые волны, возникающие на быстротоках, всплески ("петухи") в местах их пересечений или замыкания на стены также не свидетельствуют о ненормальности работы.
Появление бегущих волн, если это не оговорено в проектной документации как допустимое явление, должно расцениваться как ненормальность в работе водосброса.
Появление крупных всплесков и бурунов (за исключением указанных в п.3.7), устойчиво находящихся на определенном месте в пределах водосбросного сооружения, следует рассматривать как свидетельство возможного крупного повреждения обтекаемой поверхности сооружения.
При сопряжении бьефов с помощью энергогасящих сооружений следует обращать внимание на положение донного гидравлического прыжка. Нормально, если он затоплен. Отгон прыжка свидетельствует об ухудшении условий работы сооружений по сравнению с проектными.
При сопряжении по типу отброшенной струи поток должен сходить с трамплина, не прилипая к его низовой грани. Сразу по включении водосброса струя должна отбрасываться от трамплина. При некоторых конструктивных решениях возможно и допустимо кратковременное затопление участка перед носком с переливом через него при малых начальных (не рабочих) открытиях затворов. Столкновение отдельных струй в воздухе, сопровождающееся их взлетами, не является дефектом в работе сооружения.
Скорость воздушного потока в аэрационных шахтах не должна превышать 60 м/с, как исключение, в специально оговоренных случаях — 90-100 м/с. Изменение расхода воздуха по сравнению с предусмотренным в проекте более, чем на 50% свидетельствует о необходимости анализа режима работы воздухоподводящих устройств в условиях.
При наличии отмеченных в п. 3.8 – 3.12 отклонений от нормальной работы водосброса следует устанавливать и устранять их причину, а при невозможности этого – обращаться к генеральному проектировщику и в специализированную научно-исследовательскую организацию.
При нахождении наблюдателя на головном участке или на быках и бортах водосброса при нормальном режиме работы им ощущается постоянная вибрация. В случае, если слышны глухие удары, сопровождающиеся сотрясением сооружения, необходимо выяснять их причину, обращаясь, если надо, в специализированную организацию.
При осмотре осушенного сооружения следует особое внимание обращать на места возможного снижения осредненного гидродинамического давления потока:
перегибы в профиле при увеличении уклона водопроводящего тракта;
поворот ограждающих водосброс бортов при расширении водовода;
выпуклый участок стены при общем повороте водовода;
места окончания облицовок или обделок водовода;
гасители энергии (пирсы, шашки, водобойные стенки и т. п.);
участки водобоя в районе расположения дренажных колодцев (одновременно следует обращать внимание на состояние самих колодцев: вынос дренажа, кольматаж).
Кроме того, внимательному осмотру подлежат стыки плит и блоков бетонирования и прочие местные неровности (дефекты производства строительных работ). В этих местах при скоростях течения, превышающих 15 м/с, возможно возникновение кавитационной эрозии бетона.
Кавитационная эрозия бетона в начальной стадии проявляется в виде мелких раковин, каверн, поверхность бетона приобретает ноздреватый, губчатый вид. При развитии эрозии площадь, затронутая ею, и глубина увеличиваются, обнажается крупный заполнитель и арматура, ниже по течению образуется цепочка вторичных каверн и т. д.
Абразивный износ сооружения проявляется в виде борозд, направленных по течению, в местах перегибов профиля с уменьшением уклона водовода, при подходе к трамплину, а также в местах интенсивных водоворотов в виде ям ("котлов"), что особенно характерно для водоворотных участков в пределах сопрягающих сооружений. Для абразивной эрозии характерна гладкая (отшлифованная) поверхность обнажившегося крупного заполнителя бетона.
В нижнем бьефе должны выполняться промеры за концом крепления с целью установления размеров размыва и предварительной оценки возможности подмыва сооружения.
Подводное обследование в пределах бетонных сооружений должно производиться с уделением особого внимания на зоны, упоминавшиеся в пп. 3.15 – 3.17. Кроме того, определяются размеры подмыва концевых участков бетонных сооружений.
В нижнем бьефе визуально оцениваются: общий характер размыва берегов, размеры и форма бара, вызывающего повышение уровня (подпор) у ГЭС, тенденция их изменений по сравнению с предыдущим осмотром. Желательно установить место и глубину наибольшего размыва.
Значения подпора при наличии бара или понижения уровней воды при общем размыве русла реки в нижнем бьефе могут быть установлены по изменению кривых связи расходов и уровней (приложение И.1).
Геодезические съемки в нижнем бьефе и гидрологические работы по определению расходов воды производятся специализированными организациями по соответствующим инструкциям.
В зимний период необходимо вести наблюдение за наледями в пределах водосбросного тракта. Можно считать допустимым состояние, когда наледи не перекрывают тракт по всей ширине и не затрудняют маневрирование затворами. При перекрытии всей ширины тракта наледи должны искусственно прорезаться, а при дальнейшей эксплуатации должны приниматься меры, не допускающие образования наледей такого размера.
В случае сплошной наледи, после полного ее оттаивания и размораживания конструкции, следует, если это возможно, провести осмотр борта водосброса с наружной стороны. Наличие волосяных трещин, рас положенных параллельно дну водотока, заметных по четкому увлажнению борта, свидетельствует о вероятном отколе бетонного массива под воз действием распирающего его льда.
В нижнем бьефе, в пределах сопрягающих сооружений, необходимо наблюдать за состоянием и толщиной ледяного покрова. В зависимости от результатов наблюдений принимаются меры, предусмотренные разработанными в проекте правилами эксплуатации гидроузла.
При проведении инструментальных наблюдений за водосбросными сооружениями фиксируется ряд параметров, характеризующих гидравлические условия их работы. По этим параметрам составляются диагностические признаки, приводимые в таблице И.1.
Таблица И.1 Гидравлические параметры работы водосбросных сооружений
Фиксируемые параметры
|
Диагностические признаки
|
Уровни (положение пьезометрической линии) и расходы воды
|
Коэффициент расхода и кривая пропускной способности сооружения
Кривая связи расходов и уровней воды в нижнем бьефе; степень затопления гидравлического прыжка
|
Гидродинамическое давление
|
Вероятность достижения значения, соответствующего давлению парообразования, а, следовательно, возможность возникновения кавитации; значения нагрузок на элементы сооружения и соотношения их преобладающих частот с частотами собственных колебаний рассматриваемого элемента ( в конечном итоге экстремальные значения напряжений)
|
Колебания уровней воды
|
Экстремальные значения уровней воды
|
Пьезометрические напоры и распределение скоростей
|
Параметр кавитации рассматриваемых элементов или неровностей
|
Уровень ультразвукового шума при кавитации
|
Экстремальный уровень кавитационного шума
|
Глубина кавитационной или абразивной эрозии
|
Допускаемая глубина эрозии
|
Содержание воздуха в пристенном слое потока воды
|
Содержание воздуха в пристенном слое, позволяющее предотвратить кавитационные явления
|
Расход (скорость) воздуха в аэрационных устройствах
|
Необходимое количество воздуха, предотвращающее кавитацию; допускаемые скорости течения воздуха в аэрационных устройствах
|
Глубина размыва непосредственно за низовым концом крепления
|
Допускаемая глубина размыва
|
4 МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗ ДАННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ВОДОСБРОСНЫХ СООРУЖЕНИЙ И НИЖНЕГО БЬЕФА
По совокупности диагностических признаков (п.3.26), на основе данных измерений оценивается состояние водосбросного сооружения, определяемое гидравлическими критериями надежности, приводимыми в таблице И.2. Основные этапы оценки надежности сооружения могут быть представлены в следующем виде:
получение фиксируемых параметров;
выбор диагностических признаков;
определение состояния водосбросных трактов;
выбор критериев надежности;
сопоставление параметров состояния с критериями надежности;
заключение о надежности и безопасности водосбросных трактов.
Таблица И.2 Гидравлические критерии надежности водосброса
Условия надежности
|
Диагностируемое
состояние
|
Диагностические признаки (параметры)
|
Критерии надежности
|
Превышение гребня плотины над уровнем верхнего бьефа
|
Пропускная способность
|
Расчетные значения коэффициента расхода, кривая пропускной способности
|
Расчетный и поверочный расходы при проектных отметках УВБ
|
Прочность
|
Напряженное состояние (статические или динамические нагрузки)
|
Экстремальные значения напряжений, эпюры их распределения (экстремальные значения гидродинамических нагрузок)
|
Предельные значения напряжений в контролируемых точках (предельные значения нагрузок)
|
Устойчивость
|
Подмыв низового конца сооружения
|
Глубина размыва
|
Предельная допустимая глубина размыва
|
Допустимые режимы течения
|
Колебания уровней воды, наполнение
Затопление гидравлического прыжка
|
Экстремальные значения уровней воды и наполнения
Уровень воды в нижнем бьефе
|
Предельные (максимальные и минимальные) значения уровней воды и наполнения
Вторая сопряженная глубина
|
Долговечность
|
Начало кавитации
Кавитация
Кавитация и кави-тационная эрозия
Кавитационная эрозия
Кавитационная эрозия
Кавитационная или абразивная эрозия
|
Экстремальный уровень ультразвукового шума
Экстремальное значение осредненного или мгновенного вакуума
Характерные пьезометрические напоры и скорости вблизи рассматриваемого элемента (параметры кавитационной эрозии)
Содержание воздуха в пристенном слое потока воды
Время работы рассматриваемой зоны при мгновенном пьезометрическом напоре, соответствующем давлению парообразования
Максимальная глубина эрозии
|
Повышение уровня ультразвукового шума Допустимое значение осредненного или мгновенного вакуума
Критические параметры кавитации и кавитацион-ной эрозии
Необходимое содержание воздуха в пристенном слое
Допустимое время работы при давлении парообра-зования по сравнению с инкубационным перио-дом материала
Допустимая глубина эрозии
|
При обработке данных наблюдений строятся графики, карты, зависимости изменения осредненных параметров во времени.
Кривые пропускной способности водосбросного сооружения, как его основная характеристика, строятся в зависимости от уровня верхнего бьефа и степени открытия затворов. В тех случаях, когда порог водосброса подтапливается со стороны нижнего бьефа, пропускная способность зависит также от его уровня и строится семейство кривых. Полученные кривые сопоставляются с данными лабораторных исследований. При этом открытие затвора должно быть определено с достаточной точностью. В ряде случаев для этого необходимо производить нивелировку затвора и строить графическую схему его перемещения [9]. Допустимо отклонение фактической кривой от проектной в пределах 5% по расходу. При большем отклонении необходимо выяснить его причину. Если при последующих периодических проверках пропускной способности (которые могут проводиться не во всем диапазоне пропускной способности, а по двум-трем точкам) она будет меняться, то должны устанавливаться и устраняться причины изменений. В отдельных случаях, по согласованию с проектной и/или научно-исследовательской организацией может быть изменен режим эксплуатации. Характерные формы кривых пропускной способности показаны на рис. И.1.
а – безнапорный поверхностный водосброс Вилюйских ГЭС-1 и 2;
б – глубинный эксплуатационный водосброс Саяно-Шушенской ГЭС
Рисунок И.1 – Характерные формы кривых пропускной способности
Строятся кривые свободной поверхности воды (кривые наполнения водовода) при различных открытиях затворов и разных расходах или уровнях верхнего (нижнего) бьефа. При пропуске расходов близких к расчетным обязательно должны фиксироваться данные для этих кривых.
При наличии датчиков кавитационного излучения начальная стадия кавитации фиксируется по увеличению уровня ультразвукового шума.
Возникновение кавитации и возможность появления кавитационной эрозии могут быть установлены также на основе измерений осредненных или мгновенных значений пьезометрических напоров, зафиксированных пьезометрами или датчиками давлений. Кавитационная эрозия может возникнуть, если параметр (число, коэффициент) кавитации К меньше коэффициента начала кавитационной эрозии:
 , (И.1)
где pхар = γНxap ~ характерное абсолютное давление (как правило, осредненное по времени) вблизи обтекаемого элемента – возбудителя кавитации без учета вызванных им возмущений, причем рхар = ра + ризб или Нхар = На + hизб , ризб = γhизб избыточное давление;
ра = γНа атмосферное давление, определяемое в зависимости от высоты местности над уровнем моря (табл. И.3);
ркр и Нкр- абсолютное давление и пьезометрический напор, соответствующие давлению водяных паров (табл. И.4);
vxap характерная скорость течения вблизи обтекаемого участка поверхности, определяемая, как правило, с учетом реальной эпюры скоростей на подходе; в некоторых случаях допустимо с запасом принимать среднюю по сечению скорость;
Ккр критический параметр кавитации для различных элементов или форм неровностей бетонной поверхности (рис. И.2);
γ = ρg удельный вес воды;
ρ плотность воды;
g ускорение свободного падения;
при ρ = 1 т/м3 и g = 9,81 м/с2 γ = 9,81 кН/м3.
Таблица И.3 Атмосферное давление для различных отметок местности над уровнем моря
-
Отметка
местности, м
|
Атмосферное давление
|
Отметка местности, м
|
Атмосферное давление
|
На
|
ра
|
На
|
ра
|
м. вод. ст
|
кПа
|
м. вод. ст
|
кПа
|
0
|
10,88
|
101
|
800
|
9,38
|
92
|
100
|
10,23
|
100
|
900
|
9,28
|
91
|
200
|
10,09
|
99
|
1000
|
9,18
|
90
|
300
|
9,98
|
98
|
1200
|
8,95
|
88
|
400
|
9,84
|
97
|
1500
|
8,64
|
85
|
500
|
9,74
|
95
|
2000
|
8,14
|
80
|
600
|
9,62
|
94
|
2500
|
7,80
|
76
|
700
|
9,52
|
93
|
3000
|
7,37
|
72
|
Таблица И.4 Давление водяных паров
Температура воды t, °C
|
10
|
15
|
20
|
25
|
30
|
Давление водяных паров Нt , м. вод. ст.
|
0,13
|
0,17
|
0,24
|
0,32
|
0,44
|
Давление водяных паров рt , кПа
|
1,3
|
1,7
|
2,4
|
3,1
|
4,3
| |
