Технология геодезического контроля горизонтальных смещений сооружений и оборудования (стр. 2 )

Объекты гидротехнического строительства	Класс сооружений
8. Морские оградительные сооружения и гидротехнические сооружения морских судостроительных и судоремонтных предприятий и баз в зависимости от класса предприятия	II, III
9. Морские причальные сооружения, гидротехнические сооружения железнодорожных переправ, лихтеровозной системы при грузообороте, млн. т:
0,5 и более	II
менее 0,5	III
10. Причальные сооружения для отстоя, межрейсового ремонта и снабжения судов	III
11. Причальные сооружения судостроительных и судоремонтных предприятий для судов с водоизмещением порожнем, тыс. т:
3,5 и более	II
менее 3,5	III
12. Судоподъемные и судоспусковые сооружения при наибольшей подъемной силе, кН:
св. 300	I
от 35 до 300	II
менее 35	III
13. Сооружения континентального шельфа:
а) при высоте волны, м:
св. 3	I
до 3	II
б) при толщине льда, м:
0,5 и более	I
до 0,5	II
14. Стационарные гидротехнические сооружения знаков навигационной обстановки	I

Примечание: Сверхмагистральными являются водные пути, относимые ГОСТ к I и II классам; магистральными – относимые к III и IV классам; водными путями местного значения – все остальные внутренние водные пути.

Примечание авт. к табл. 4.3.1 и 4.3.2. Номер категории контроля рекомендуется приравнивать к номеру соответствующего класса сооружения, оговоренного табл. 4.3.1. В случае специальных указаний в проекте, следует учитывать требования табл. 4.3.2.

Деформация гидротехнического сооружения, ее характер и размер зависят от нагрузок, оговоренных выше, свойств грунта, конструкции сооружения и его температурного режима.

Огромные массы воды, заполняющие водохранилище, пригружают своим весом поверхность грунта в верхнем бъефе и приводят к образованию фильтрационного потока в основании сооружения, что влечет за собой существенное изменение напряженного состояния основания и наклон его поверхности в сторону верхнего бьефа. Теоретические исследования и результаты натурных наблюдений за осадкой и сдвигом возведенных сооружений показывают, что, несмотря на значительные горизонтальные нагрузки, возникающие при наполнении водохранилища, наклон гравитационных плотин в процессе этого наполнения в большинстве случаев происходит в сторону верхнего бьефа.

Таким образом, нагрузка на поверхность грунта верхнего бьефа весом воды и возникновение фильтрационного потока в основании оказывают преобладающее влияние на величину и направление наклона сооружения в процессе наполнения водохранилища.

В период эксплуатации основным фактором, влияющим на изменение напряженного состояния основания гидротехнического сооружения, является сезонное колебание горизонта воды в верхнем и нижнем бьефах, которое связано как с прохождением паводковых вод, так и со сработкой горизонта воды в водохранилище. Вследствие этого изменяется горизонтальная и вертикальная нагрузки на основание, а также интенсивность гидродинамического давления фильтрационного потока. Сезонные колебания воды приводят к появлению преимущественно упругих деформаций основания, величина которых меньше полных деформаций.

Под влиянием гидрометеорологических условий непрерывно меняется температура самого гидротехнического сооружения, вызывая температурные напряжения и деформации.

Вот почему исследования и контроль определенных проектом параметров гидротехнических сооружений на соответствие заданным допускам, должны проводиться в комплексе; включая измерение осадок и сдвигов, наклонов, изгибов и других геометрических параметров; измерение противодавления и фильтрации; измерение раскрытий температурно-осадочных швов и измерение напряжений в арматуре и бетоне и др.

Работы по исследованию и контролю гидротехнических сооружений преследуют три основные задачи:

1) осуществление систематического контроля за состоянием сооружений
и их отдельных элементов;

2) изучение условий и характера работы отдельных элементов;

3) выполнение научно-исследовательских работ общего значения путем использования построенных гидротехнических сооружений в качестве натурных лабораторных установок.

Первая задача имеет преимущественно практическое значение. Основная цель – систематический контроль за состоянием сооружений и их отдельных частей. Сюда входит: контроль общих перемещений; исследования фильтрационных процессов; наблюдения за размыванием русел в нижнем бьефе, за устойчивостью креплений, за состоянием затворов и других элементов гидромеханического оборудования. Результаты этих контрольных измерений позволяют своевременно предотвратить аварию, начать ремонтные работы, а также улучшить эксплуатацию.

Вторая задача носит более научно-исследовательский характер. Здесь выполняются специальные исследовательские работы. К ним относятся: изучение деформаций с целью наращивания плотин, изучение гидравлических процессов, определение скоростей и направления фильтрационного потока в отдельных частях сооружений, выявление причин размывов русел в нижнем бьефе сооружений, оценка эффективности дополнительных антифильтрационных мероприятий, изучение вибраций и т. п.

Третья задача заключается в использовании существующих гидротехнических сооружений для постановки специальных научных исследований с целью разрешения научно-технических проблем, которые не могут быть достаточно надежно решены теоретическим путем или посредством лабораторного экспериментирования на моделях малого масштаба.

Необходимо отметить, что чем выше класс сооружений по высоте, тем большее число параметров подлежит контролю, тем больший объем исследований назначается по номенклатуре и содержанию.

В результате исследований, а также контроля предписанных проектом параметров и наблюдений, происходит накопление материала большой ценности, который может быть использован для проверки и корректирования формул и опытных коэффициентов, для вывода новых опытных зависимостей, для уточнения отдельных вопросов в теории моделирования и т. д.

Согласно СНиП 2.06.01-86, СНиП 2.06.05-84, СНиП 2.06.06-85, горизонтальные смещения плотин при проектировании определяют путем расчета напряженно-деформированного состояния с учетом изменения сжимаемости грунтов при повышении их влажности, а в северной строительно-климатической зоне – при изменении их температурно-влажностного состояния.

Для плотин II – IV классов допускается оценивать горизонтальные смещения на основе аналогов плотин, построенных в подобных условиях и такой же конструкции.

При расчетах плотин всех классов должны устанавливаться предельно допустимые значения (ПДЗ) параметров состояния плотин и их оснований. Значения предельно допустимых параметров в виде отдельной таблицы включают
в проект.

Предельно допустимые значения параметров [CНиП 2.06.01-85] состояния плотины принимаются равными расчетным значениям для основного и особого сочетаний нагрузок и могут уточняться в процессе строительства и эксплуатации.

Для предварительных оценок горизонтальных смещений гребня грунтовых плотин [СниП 2.06.05-84] следует принимать их равными осадке гребня после наполнения водохранилища.

На основании выбранной для каждого объекта категории и процессов контроля для каждого объекта назначают сначала точность контроля параметров, а исходя из требуемой точности контроля назначают методы и средства измерений.

Необходимо также отметить, что при выполнении специальных исследований, где необходимо устанавливать причины и связь между изменением нагрузок и перемещениями, точность измерений последних увеличивается по сравнению с контрольными измерениями. Так как зачастую для контроля и исследования геометрических параметров используется одна и та же контрольно-измери-тельная аппаратура и методы измерений, то при разработке проектов и назначении точности измерений следует ориентироваться на более высокие требования.

Вот почему при контроле и исследовании деформаций уникальных плотин часто применяют самую точную измерительную технику, а цикличность измерений, особенно в строительный период и начальный период эксплуатации, когда действуют переменные нагрузки, значительно увеличивают по сравнению с контролем обычных промышленных зданий и сооружений. При частых измерениях на таких гидроузлах целесообразно автоматизировать процессы измерений, что будет экономически оправдано.

Для гидротехнических сооружений, где не проектируются специальные исследования, а таких большинство, целесообразно выполнять проектирование геодезического контроля по установленной технологической схеме, приведенной в разделе 3.

4.3.3. Разработка схем размещения геодезической
контрольно-измерительной аппаратуры (КИА), схем измерений параметров, расчет точности измерений элементов схем

Согласно СНиП 2.06.01-85, СНиП 2.06.05-84 и СНиП 2.06.06-85, в бетонных и железобетонных плотинах I, II, III классов необходимо предусматривать установку контрольно-измерительной аппаратуры для проведения натурных наблюдений и исследований за состоянием сооружений и их оснований как
в период строительства, так и в процессе эксплуатации. Для плотин IV класса
и их оснований установку КИА следует обосновывать.

Проект размещения и установки КИА должен включать:

а) пояснительную записку с изложением цели, задач, состава и объема
с указанием сроков закладки, номенклатуры и технических характеристик КИА;

б) общие схемы и рабочие чертежи размещения и монтажа КИА в плотине, основании, береговых примыканиях и отдельных элементах, прокладки и коммутации кабельных линий и устройства измерительных пультов;

в) рабочие чертежи закладных деталей и монтажных приспособлений для установки КИА;

г) спецификации устанавливаемой КИА, вторичных приборов, вспомогательного оборудования, кабелей;

д) инструкцию по установке КИА, прокладке кабельных линий и оборудованию пультов;

е) смету на приборы, вспомогательное оборудование, кабельную продукцию, проведение наблюдений, обработку и анализ результатов.

Места закладки геодезической КИА, ее конструктивные чертежи и методы установки составляются проектной организацией в соответствии с «Указаниями по составлению проектов размещения контрольно-измерительной аппаратуры» [237].

Проектирование КИА осуществляется в две стадии: 1 – проектное задание, 2 – рабочие чертежи. Эскизы такой аппаратуры приведены в [7, 8, 131, 134, 144, 151, 176, 188, 228].

Натурные наблюдения на бетонных и железобетонных плотинах подразделяются на контрольные и специальные.

Контрольные наблюдения в строительный период следует проводить за деформациями основания, температурным режимом, термонапряженным состоянием, раскрытием швов и за трещинообразованием в блоках бетонирования, фильтрацией в основании.

Контрольные наблюдения в эксплуатационный период следует проводить за вертикальными (осадка) и горизонтальными (прогибы, наклоны) перемещениями, противодавлением и фильтрационными расходами, напряженным и термонапряженным состоянием сооружения и его основания, напряжениями в арматуре, за контактным швом «сооружение – основание», раскрытием постоянных и временных швов, гидравликой потока на водосбросных сооружениях и в бьефах, за состоянием сооружения при сейсмических и других динамических воздействиях.

Специальные наблюдения за плотинами проводятся в целях получения данных, связанных с необходимостью подтверждения проектных решений, совершенствования методов расчета, модельных исследований, выбора оптимальных методов производства работ и условий эксплуатации.

Практика геодезических работ по контролю горизонтальных смещений технического объекта показывает, что основными факторами, влияющими на выбор метода и средств измерений, являются конструктивные особенности технического объекта, требуемая точность и периодичность контроля параметра, условия измерений.

К конструктивным особенностям объекта относят форму, размеры и материал конструкции. Размеры объекта влияют на выбор средств измерений, а материал конструкции – на выбор и закрепление контролируемых точек. Для контроля объектов, имеющих одинаковые поперечные сечения по всей длине, применяют, как правило, более простые схемы и методы измерений по сравнению с объектами сложной формы.

Требуемая точность и периодичность контроля параметра в совокупности с размером объекта являются определяющими факторами при выборе метода и особенно средств измерений. При активном периодическом контроле параметра точность измерений значительно увеличивается по сравнению с летучим пассивным контролем; следовательно, требования к выбору и закреплению контролируемых точек, а также к выбору средств измерений, будут возрастать.

Условия измерений также оказывают значительное влияние на выбор методов и средств измерений. Предпочтение при прочих равных условиях следует отдавать тем методам и средствам измерений, которые не требуют значительных затрат на преодоление влияния температурных, вибрационных, ветровых и других воздействий на измерения.

Большое значение при измерении придается выбору и закреплению геодезической контрольно-измерительной аппаратуры. КИА для измерения горизонтальных смещений гидротехнических сооружений подразделяют на три группы [188]: исходные знаки, опорные знаки и контрольные точки. Исходные знаки закладываются за пределами зоны возможных деформаций. Относительно исходных знаков определяют смещения опорных и контрольных знаков. Опорные знаки – знаки, закладываемые вблизи объекта в зоне возможных деформаций грунта и служащие для измерения смещений контрольных знаков. При небольших воронках оседания грунтов исходные и опорные знаки совмещены.

Контрольными точками (точками съема первичной информации) при измерении горизонтальных смещений могут служить как характерные точки самого объекта, так и специальные деформационные знаки – контрольные знаки и центры, устанавливаемые на конструкциях бетонных сооружений или в тело земляных плотин.

Контрольные точки первого типа применяют, как правило, при пассивном контроле параметра объекта и четких геометрических формах самого объекта, позволяющих идентифицировать положение точки с положением проверяемой оси объекта, с точностью, не вносящей значительных ошибок в результат контроля параметра.

Контрольные точки второго типа применяют при активном контроле параметра и отсутствии четкой идентификации положения точки с объектом. В этих случаях на конструкциях объекта предусматривают специальную визирную цель или закладку контрольных знаков, по которым выполняется съем первичной информации. Выбор конкретного способа закрепления исходной опорной основы и контрольных точек решается в процессе проектирования с учетом конструктивных решений объекта, метода контроля по управляющему воздействию, требуемой точности измерений. Наиболее характерные конструкции геодезической КИА приведены в [7, 8, 131, 134, 144, 151, 176, 188, 228 и др.].

При составлении проектов размещения контрольно-измерительной аппаратуры следует руководствоваться «Указаниями ВНИИГ» [237], которые составлены на основании опыта работ на Каховской, Новосибирской, Бухтарминской, Ладжанурской, Братской, Красноярской, Ингури и других ГЭС.

Общие правила выбора схемы, методов и средств измерений горизонтальных смещений технических объектов изложены в разделе 3. Однако при выборе конкретного метода и средства измерений важно учитывать уже наработанные практикой рациональные решения, краткое описание которых изложено ниже.

Схемы измерений горизонтальных смещений и сопутствующих им геометрических параметров, а также конструкция и схема размещения геодезической КИА, как было отмечено выше, зависят, в первую очередь, от конструктивного решения гидротехнического сооружения, нагрузок, передаваемых на него в процессе строительства и эксплуатации, и характеристики грунтов основания.

В практике геодезического контроля и исследований горизонтальных смещений гидротехнических сооружений просматриваются три основные схемы измерений и размещения КИА [7, 8, 58, 119, 134, 151, 188, 202 – 205, 234, 235
и др.].

1. Схема контроля горизонтальных смещений и деформаций бетонных и железобетонных гравитационных и контрфорсных плотин; глухих земляных плотин; а также подводных конструкций зданий гидроэлектростанций, судоходных шлюзов, судоподъемников и других сооружений, участвующих в создании напорного фронта, высотой до 50 м, – от наружной сети опорных пунктов.

2. Схема контроля горизонтальных смещений высоких бетонных и железобетонных гравитационных, арочно-гравитационных и арочных плотин, а также подводных конструкций зданий гидроэлектростанций, судоходных шлюзов, судоподъемников и других сооружений, участвующих в создании напорного фронта, высотой более 50 м, – от внутренней сети опорных пунктов.

3. Схема контроля смещений и деформаций высоких плотин – от внешней и внутренней сетей опорных пунктов.

Первая схема контроля (рис. 4.3.1) предусматривает, как правило, контроль горизонтальных смещений секций плотины и других объектов напорного фронта высотой до 50 м на уровне подошвы (смещение по основанию) и на уровне гребня от наружной сети опорных пунктов. По результатам полученных горизонтальных смещений определяют деформации основания, наклон секций и их взаимное положение. На плотинах со скальным основанием часто определяют смещения только по гребню. Особенностью схемы измерения смещений таких плотин является размещение исходных опорных пунктов на небольшом удалении от сооружения. Это возможно вследствие незначительной области (воронки оседания) деформации грунтов береговых склонов, особенно со стороны нижнего бьефа. В этих случаях необходимая точность измерения величин «абсолютных» горизонтальных смещений может быть достигнута применением традиционных высокоточных методов и средств геодезических измерений (створные измерения, триангуляция, трилатерация, линейно-угловые сети и т. п.).

Контрольные пункты створа размещают таким образом, чтобы в каждой секции был один (по центру) или два (по краям блока) пункта. В галереях створ, как правило, является струнным, на гребне – оптическим.

Измерения относительных перемещений элементов сооружения и углов поворота отдельных элементов сооружения осуществляются щелемерами и клинометрами.

Указанные схемы контроля применялись и применяются до сих пор в России на большом числе гравитационных плотин, построенных в 1940 – 1960-е годы (Цимлянская, Каховская, Усть-Каменогорская, Иркутская ГЭС и др.).

Вторая схема контроля (рис. 4.3.2) предусматривает, как правило, контроль горизонтальных смещений секций плотины и других объектов напорного фронта высотой более 50 м на уровне подошвы (смещение по основанию), на уровне гребня и промежуточном уровне от внутренней сети опорных пунктов. На основании полученных горизонтальных смещений определяют деформации основания, наклон и изгиб секций и их взаимное положение.

Особенностью схемы измерения смещений таких плотин является размещение исходных опорных пунктов створов в специальных штольнях береговых массивов, а также в глубине основания сооружения в виде обратных отвесов. Решение закрепления опорных знаков на глубине в основании крупных сооружений и в коренных берегах вызвано большой областью деформаций грунтов вокруг сооружения и водохранилища (на крупных гидроузлах воронка оседания достигает 2 – 3 км). Это обстоятельство делает невозможным надежно закреплять исходные опорные пункты вблизи сооружений как в первой схеме. При закреплении же пунктов за зоной деформации сложно обеспечить заданную точность измерений горизонтальных смещений бетонных сооружений. Контрольные пункты створа размещают таким образом, чтобы в каждой секции было два пункта (по краям блока). В галереях створ, как правило, является струнным, а на гребне – оптическим. Передача координат (смещений) опорных пунктов створа осуществляется прямыми отвесами.

Перемещения элементов сооружения относительно друг друга и углов поворота блоков измеряют щелемерами, клинометрами, прямыми отвесами с координатомерами, гидростатическими нивелирами и т. д.

Указанная схема применялась и применяется на крупных бетонных гравитационных плотинах, построенных в 1960 – 1980-е годы (Красноярская, Братская, Усть-Илимская ГЭС).

Третья схема контроля (рис. 4.3.3) представляет собой совокупность двух первых схем. В ней измерения горизонтальных смещений характерных секций сооружения определяют из измерений по внешней и внутренней сети. Такая схема применяется на крупных толстостенных арочных и арочно-гравитацион-ных плотинах, которые строятся на скальных основаниях, а также на земляных и бетонных гравитационных плотинах, где заранее проектом предусмотрена установка прямых и обратных отвесов.

При сооружении арочных бетонных плотин на скальных основаниях в горной местности воронка оседания местности меньше, чем у бетонных гравитационных плотин, строящихся на равнинной части реки. Следовательно, опорные знаки закладывают не только в основании и береговых штольнях, но и на горных склонах со стороны нижнего бъефа. Здесь используются преимущества обеих схем измерений и достигается более высокий уровень контроля параметров.

Характер деформации арочных плотин и их оснований иной, чем гравитационных. Горизонтальное смещение подразделяют на радиальное и тангенциальное, первое направлено по радиусу, второе – по касательной к дуге арки.

Геодезическую контрольно-измерительную аппаратуру размещают как в потернах и прилегающих к плотине штольнях, образующих измерительные горизонты, так и на гребне и низовой грани плотины со стороны нижнего бьефа. Измерительные горизонты располагают через 30 – 50 м.

а)

 

б)

 

Рис. 4.3.3. Третья схема контроля деформаций сооружений:

а) внутренняя сеть; б) наружная сеть

Измерение горизонтальных смещений на горизонтах в потернах и штольнях производят методом высокоточной полигонометрии или вытянутых треугольников между опорными знаками, заложенными в глубине длинных штолен, или между обратными отвесами, также заложенными в коротких штольнях. Связь ходов полигонометрии между горизонтами осуществляют с помощью прямых отвесов. Прямые отвесы обычно размещают в ключевых секциях так, чтобы они являлись продолжением обратных отвесов, что дает возможность не только контролировать смещение плотины по основанию, но и получить из измерений по отвесам горизонтальные смещения плотины, близкие к абсолютным.

Измерение горизонтальных смещений арочных плотин выполняется в данной схеме также от пунктов внешней опорной сети. Опорные пункты располагают на коренных берегах со стороны нижнего бьефа. Неподвижность их между циклами измерений контролируют по неизменности углов и расстояний в треугольниках. Контрольные пункты закладывают в характерных местах гребня
и низовой грани (в ключе, береговых устоях и в серединах полуарок). Измерения выполняют методами засечек, створов (отдельных точек гребня), триангуляции, трилатерации, линейно-угловых построений.

Измерение горизонтальных смещений тонкостенных арочных плотин выполняется, как правило, только от внешней опорной сети. На арочной плотине, особенно тонкостенной, возможны и суточные (до 3 – 4 мм) смещения гребня из-за температурных воздействий природной среды что безусловно необходимо учитывать при производстве измерений.

4.3.4. Выбор методов и средств измерений горизонтальных
смещений гидротехнических сооружений

Выбор методов и средств измерений горизонтальных смещений гидротехнических сооружений осуществляют исходя из конкретной геометрической схемы контроля отклонений и расчетной точности их измерения.

При контроле горизонтальных смещений гидротехнических сооружений по приведенным выше схемам используют различные методы и средства измерений и их комбинации.

Наибольшее распространение получили следующие виды измерений:

- линейные измерения, в которых используются в основном механические и оптические средства измерений (инварные проволоки, инварные жезлы, светодальномеры и др.);

- створные измерения, в которых используются в основном механические и оптические методы и средства измерений (струны, теодолиты и алиниометры и др.);

- угловые измерения, в которых используются, как правило, оптические методы и средства измерений (теодолиты);

- линейно-угловых построений (триангуляция, трилатерация, линейно-угловые сети, полигонометрия и др.), в которых используются методы и средства для линейных, угловых и совместных измерений (проволоки, жезлы, светодальномеры, электронные тахеометры);

- измерения отклонений от вертикали, в которых используются механические и оптические методы и средства измерений (прямые и обратные отвесы, приборы вертикального проектирования);

- фотограмметрические измерения (наземная съемка фототеодолитами);

- спутниковые измерения (используются приемники GPS).

Рассмотрим основные методы и средства представленных выше видов измерений применительно к контролю горизонтальных смещений и деформаций гидротехнических сооружений, гидроузлов более подробно.

4.3.4.1. Линейные измерения

При контроле горизонтальных смещений гидротехнических сооружений инварные проволоки, ленты и стержни нередко и сейчас являются наиболее надежным и точным средством определения длин линий. Их применяют преимущественно для следующих целей:

- измерение базисов в сетях триангуляции (Примечание. Раннее этот способ являлся основным способом точного измерения базисов и длин линий;
в настоящее время с появлением точных светодальномеров, электронных тахеометров и других точных средств измерений линий для указанных целей, применение инварных проволок и лент экономически не оправдано);

- определение расстояния между пунктами, расположенными по разные стороны от трещин и других тектонических нарушений горных пород в зоне строительства, для исследования подвижек блоков;

- измерение сторон полигонометрии и сторон вытянутых треугольников, прокладываемых в галереях и в прилегающих к ним штольнях в арочных и арочно-гравитационных плотинах, для контроля радиальных и тангенциальных смещений.

При измерении линий в ряде других случаев используют комплект базисного прибора БП-2. Описание комплекта и порядок работы с ним известны из учебной и специальной литературы. Однако в чистом виде приборы БП-2 для контроля деформаций используются редко, так как оборудование не приспособлено для работы по специальным знакам и отличным от 24-метровых расстояний. Ниже рассматриваются специальное оборудование и приспособления, учитывающие специфику контроля деформаций сооружений.

В комплект оборудования для измерений входят:

- вкладыши для фиксации центров знаков;

- инварные проволоки (две – для измерений, две – эталонных);

- устройство для натяжения проволоки.

При применении на гидроузлах знаков с гнездовыми центрами фиксацию последних осуществляют цилиндрическими вкладышами. В верхней части вкладыша на его сферической поверхности наносят перекрестие с толщиной штрихов 0,01 – 0,1 мм.

Инварные проволоки, применяемые для измерений линий в сетях вытянутых треугольников и полигонометрии, оборудуют шкалами от БП-2, а при особо точных измерениях – специальными стеклянными шкалами с ценой деления 0,2 мм; отсчитывание по шкалам выполняют микроскопами.

Для натяжения проволок используют блоки от БП-2 либо специальное оборудование [228] с односторонним натяжением. Последнее получило распространение при особо точных измерениях, так как шкалы проволок в момент отсчета более устойчивы.