Технология геодезического контроля горизонтальных смещений сооружений и оборудования (стр. 3 )

Измерение линий выполняют в зависимости от требуемой точности в прямом или в прямом и обратном направлениях двумя рабочими проволоками. Две другие проволоки являются эталонными и служат только для компарирования рабочих проволок.

Методика измерений и камеральная обработка результатов известны из литературы [224, 228 и др.].

При цикличных инженерно-геодезических измерениях повышенной точности на гидротехнических объектах, где измерения ведутся по постоянным знакам, целесообразно использовать высокоточный уровенный динамостат (ВУД) [228]. Его применение в таких условиях позволяет значительно повысить производительность труда и снизить погрешности отсчета до 0,01 мм и натяжения мерного прибора – до 0,5 гс.

ВУД относится к измерительным приборам с односторонним натяжением. На рис. 4.3.4 показан общий вид прибора. Измерительный блок состоит из рамы, жестко связанной с посадочной цилиндрической баксой 12. В направляющих, установленных на раме 1, может перемещаться ползун 3 ножевой опоры 4. На ножевую опору 4 установлен балансир 5 с грузом 6 и уровнем 7. В стойке балансира укреплена проволока 8. Второй конец проволоки 10 прикреплен
к фиксатору, который состоит из рамы 11 и цилиндрической баксы 12.

Посадочные цилиндрические баксы прибора вставляются во втулки геодезических знаков. С помощью микрометра 9 ползун 3, а вместе с ним и балансир 5 перемещаются в направляющих до тех пор, пока сила натяжения проволоки не уравновесит груз 6 и пузырек уровня с ценой деления 30" на 2 мм не встанет
в нуль-пункте.

Длину линии вычисляют по формуле

, (4.3.1)

где – расстояние между осями цилиндрических бакс при компарировании;

ао – отсчет по микрометру при компарировании;

а – отсчет по микрометру при измерении;

– поправки в длину прямой линии за температуру, наклон линии и т. д.

Чтобы избежать необходимости измерения остатков, а также для повышения точности, иногда изготовляют проволоки нестандартной длины. Компарирование таких проволок, как и высокоточного уровенного динамостата, требует специальной оснастки.

Для измерения в опорных сетях специального назначения высот вытянутых треугольников используют штрихоконцевые мерные жезлы [228], одна из конструкций которого показана на рис. 4.3.5. Жезл состоит из инварного стержня 4, один конец которого заканчивается шаровой опорой 3, а на втором конце укреплена стеклянная шкала 10 с миллиметровыми делениями. Над шкалой в кронштейне 7 установлен микроскоп 8. Жезл приводится в горизонтальное положение по уровню 5 при помощи подъемных винтов 2 и 6. С помощью индикатора часового типа 1 измеряют расстояние от центра геодезического знака до шаровой опоры 3, а микроскопом 8 определяют положение оси струны 9 относительно нуля шкалы, производят отсчет по краям струны. Расстояние между шаровой опорой 3 и нулем шкалы 10 определяется при компарировании. Диапазон работы такого жезла определяется диапазоном работы индикатора часового типа и размером стеклянной шкалы. При длине жезла 1 м средняя квадратическая погрешность измерения может быть доведена до 15 мкм.

Рис. 4.3.5. Штрихоконцевой мерный жезл

Однако более точные и надежные результаты контроля горизонтальных смещений гидротехнических сооружений с применением инварных проволок, лент и стержней можно получить по стационарным устройствам.

Среди них в последнее время получили распространение стационарные устройства, по которым с высокой точностью можно определить не истинное расстояние между точками, а изменение этого расстояния со временем. Эти устройства представляют собой стержни или находящиеся под постоянным натяжением ленты – проволоки. Описание базисомера, состоящего из стержней, приведено в [127]. Он обеспечивает определение изменения длины до 50 м
с погрешностью 0,05 – 0,l мм.

С помощью постоянно подвешенных проволок (лент) изменение длины можно определить двумя способами. Схема измерений по первому способу показана на рис. 4.3.6, а. Между точками А и В (знаки могут быть расположены
в стене) подвешена проволока 1. В точке А она жестко прикреплена к знаку, а в точке В пропущена через блок 2 и находится под натяжением груза 3. На проволоке закреплена шкала 4, а рядом в стене – аналогичная шкала 5. Если расстояние между точками А и В изменится, то шкала 4 сместится по вертикали. Измеряя в каждом цикле с помощью нивелира превышение h между нулями шкал 4 и 5, вычисляют изменение расстояния между точками А и В:

.

Здесь индексы i и 1 обозначают номер цикла. Отсчетное устройство подобной системы может быть и иным, например, с измерением поворота блока 2 относительно неподвижного индекса.

При расположении устройства в галереях плотины или штольнях, где колебания сезонной температуры не превышают 5 – 10° [188], и при применении инварной проволоки или ленты можно ожидать, что погрешность определения изменения длины на отрезке 20 – 30 м составит 0,1 – 0,2 мм.

Другой возможный способ определения изменения длины по стационарно подвешенной проволоке иллюстрирует рис. 4.3.6, б. Проволока 1 закреплена
в точках А и В, имеющих одинаковые отметки. Посередине между А и В к проволоке подвешена реечка 2, а в стене закреплена реечка 3. Если длина АВ изменится, то шкаловая реечка 2 изменит свою высоту.

Измеряя в каждом цикле превышения h, между нулями шкал реечек 2 и 3, можно по получить изменение величины АВ по формуле:

а)

. (4.3.2)

б)

Рис. 4.3.6. Схемы измерения изменения длины:

а) прямой способ; б) косвенный способ

В значение должна быть введена поправка на температурное расширение проволоки (с этой целью измеряют температуру на уровне проволоки)

, (4.3.3)

где D – длина проволоки;

– коэффициент линейного расширения проволоки;

– температура в начальном и i-м циклах измерений.

Погрешность определения изменения длины при применении способа на Чиркейской ГЭС и на плотине Копе (Австрия) не превышала 0,05 – 0,1 мм.

В последнее время в практике геодезического контроля, специальных исследований и наблюдений за горизонтальными смещениями, в том числе и на гидроузлах, получили распространение методы, основанные на применении светодальномеров и электронных тахеометров. Можно выделить следующие направления применения светодальномеров и электронных тахеометров [58, 149, 151, 176, 188 и др.]:

- в сетях трилатерации для контроля смещений опорных пунктов створа;

- в ходах полигонометрии по галереям плотины и прилегающим штольням (такие измерения проводят преимущественно на арочных плотинах. Длины сторон в ходах колеблются от 12 до 50 м, погрешность измерения сторон –
0,1 – 0,2 мм);

- при определении смещений плотины в направлении потока (в нижнем бьефе закладывают опорные знаки и с них измеряют расстояния до марок, заложенных в плотине. Подобный способ может с успехом заменить створные измерения по гребню и низовому откосу);

- при измерении деформаций береговой поверхности в створе плотины и в районе водохранилища. (При помощи светодальномера можно определить развал или сближение берегов. Длины сторон составляют от 0,3 км до нескольких километров.)

Теория светодальномерных измерений достаточно подробно изложена в геодезической литературе, а методика измерений и порядок работы с приборами – в специальных инструкциях, которые прилагаются к каждому комплекту прибора. Поэтому ниже даны лишь рекомендации по выбору светодальномера и указаны особенности методики измерений для определения горизонтальных смещений.

Основным критерием применения светодальномера или электронного тахеометра на объекте является его точность. Погрешность определения расстояния светодальномером складывается из двух частей – постоянной и переменной. Значение постоянной части определяется в основном масштабной частотой, которая колеблется у разных приборов от 01.01.01 мГц и более. Чем выше частота, тем меньше погрешность. Значение переменной части зависит от длины линии и составляет примерно для высокоточных приборов 1 – 2 мм на каждый километр линии. Поэтому для измерения коротких расстояний, а именно такие, как правило, применяются в линейно-угловых сетях для контроля смещений гидротехнических сооружений, следует применять приборы с высокой масштабной частотой.

К таким приборам следует отнести, прежде всего, светодальномер ДВСД-1200, созданный в Ереванском политехническом институте и мекометр МЕ-3000, выпускаемый в Швейцарии фирмой «Керн»; их частоты соответственно 1200
и 500 мГц, а постоянная погрешность не превышает 0,1 – 0,2 мм. При измерении сторон длиннее 0,5 км могут быть использованы светодальномеры с масштабной частотой 30 – 150 мГц.

В настоящее время широко внедряются в практику геодезических измерений на плотинах электронные тахеометры и светодальномеры зарубежных фирм, обеспечивающие точность 1 – 2 мм при длинах линий до 1 км.

4.3.4.2. Створные измерения

Створные измерения являются самыми распространенными способами определения горизонтальных смещений сооружения прямолинейных плотин благодаря своим достоинствам: простоте и быстроте полевых работ, малым затратам на камеральную обработку. Они могут применяться самостоятельно, если опорные пункты створа неподвижны; либо совместно в сочетании с другими методами, если неподвижность опорных пунктов створа не может быть обеспечена по грунтовым или иным условиям и воздействиям.

Створом [135] принято называть вертикальную плоскость, в которой располагается прямая линия, проходящая через два опорных пункта. Опорные пункты фиксируют основные или смещенные оси сооружений, монтажные оси или базовые направления. Один из пунктов, например А (рис. 4.3.7), принимают за начальный, второй – т. е. пункт В, принимают за конечный.

Отклонением от створа (в обиходе – нестворностью) называют длину перпендикуляра, опущенного из какой-либо точки на створную линию. В правосторонней системе координат нестворности точек, лежащих правее створной линии, считаются положительными, а для точек, лежащих левее створной линии, нестворности отрицательные.

Рис. 4.3.7. Схема расположения пунктов и измерения нестворностей

Если нестворности определяются не с начального, а с конечного пункта, то знаки их меняются на противоположные.

Нестворности могут определяться относительно общего створа, например , , или , или его частей, например , . В том случае, когда общий створ делят на части, относительно которых определяются частные нестворности Li, общая нестворность является функцией измеренных нестворностей

(4.3.4)

где – общая нестворность точки I;

L – частные нестворности.

(Примечание. Ввиду того, что отклонения контрольных пунктов от створа на несколько порядков меньше расстояний между ними, направления нестворностей практически совпадают.)

Отклонения точек от створа могут быть получены различными методами. В практике геодезических работ при контроле смещений гидротехнических сооружений наибольшее распространение получили механические и оптические методы и средства измерения. Другие методы подробно рассмотрены в разделе 4.7.

Среди механических методов измерения большое распространение получил струнный метод.

В струнном методе определения нестворностей контрольных знаков створом служит струна (проволока), натянутая между двумя опорными пунктами. Нестворности контрольных пунктов определяют с помощью специальных измерительных устройств.

На гидроузлах применяют преимущественно разработанную в Гидропроекте [188] систему струнного створа, получившую шифр ОСС (оборудование струнного створа). Ниже приведены описание системы и порядок работы с ней.

Рис. 4.3.8. Струнный створ

Система ОСС предназначена для установки в галереях плотин и крепится
к стене. Оборудование, фиксирующее створ, состоит (рис. 4.3.8) из проволоки (струны) 1, натянутой между опорными точками 2 и 3 (фиксаторы). Один конец проволоки закреплен постоянно, a oт фиксатора 3 она идет к натяжному устройству 4. Это устройство, имеющее барабан 11 для наматывания проволоки 1, одним концом соединено со стенным знаком 5. На другом, свободном конце
к нему подвешен груз 6, удерживающий устройство в состоянии равновесия. Наматывая или сматывая проволоку 1 с барабана 11, добиваются, чтобы плита 4 была горизонтальна, что соответствует натяжению 100 кг. Меняя вес груза 6, можно задать другое натяжение проволоке 1.

Для того, чтобы избежать провеса проволоки 1, ее помещают на поплавки 7, которые находятся в ваннах 8 с жидкостью. Ванны устанавливают на стенные знаки 9. Контрольные пункты створа закреплены стенными знаками 10, на которые во время измерений устанавливают отсчетное устройство. Знаки 10 располагают ниже струны на 0,3 – 0,5 м. Если галерея имеет ломаный профиль, то на этих участках можно изменить отметку струны – ванну с поплавком установить ниже, а на струне вблизи поплавка закрепить пригрузку. Поплавки в точках перегиба струны изготовлены с большей грузоподъемностью.

Оборудование ОСС разработано в двух вариантах – стационарном (закреплено постоянно) и съемном (после измерений в каждом цикле демонтируют струну, поплавки с ваннами и натяжное устройство, а створные знаки опрокидывают к стене).

Измерительное устройство может быть установлено на постоянном знаке или на переносном штативе. Переносный штатив (рис. 4.3.9) в процессе работы крепят к стене в трех точках: две верхние штанги 1 устанавливают во втулки закладных частей 2 с помощью центрировочных шаров 3, нижнюю штангу 4 соединяют с винтом 5, упирающимся в закладную часть 6. Регулируя винт 5, устанавливают горизонтально с помощью круглого уровня плиту 12, на которой помещают измерительное устройство.

Последнее состоит из подставки 7 с линейкой 8, относительно которой перемещают каретку 9 с нониусом и лотаппаратом (или отвесом ОДО) 10. Измерительное устройство является съемным и центрируется с помощью посадочного шара во втулке 11. Для увеличения диапазона измерений на плите 12 имеются три посадочные втулки 11, расположен-ные на расстоянии 75 мм друг от друга в одной вертикальной плоскости, перпендикулярной
к стене потерны. Для точной установки в стене потерны закладных деталей 2 и 6 служит специальный шаблон, снабжен-ный круглым уровнем.

В постоянном штативе пли-та 12 приварена к кронштейну, заложенному в стену потерны. Порядок работы по определению отклонений пунктов от створа описан в [188].

По результатам исследований ОСС на Братской ГЭС, а также подобной системы на Каховской и Цимлянской ГЭС, средние квадратические погрешности измерений смещений находятся в пределах 0,2 – 0,4 мм при длине створа до 800 м.

Струнный способ имеет существенные преимущества перед другими способами определения смещений пунктов в условиях отсутствия возмущающих воздействий на процесс измерения (главным образом воздействия воздушных токов). К ним относятся:

- высокая точность измерения нестворностей;

- простота измерений и обработки результатов измерений;

- возможность автоматизации измерений, что экономически выгодно при большой частоте замеров.

Автоматизация измерений, в том числе и створных измерений, на особо ответственных высотных плотинах, где проводится не только контроль горизонтальных смещений, но и обширные специальные исследования, все шире внедряются в практику геодезических работ [8, 118, 188, 228, 248, и др.]. Для автоматизации используют датчики линейных и угловых перемещений: индуктивные, емкостные, фотоэлектрические, муаровые и др. Такие преобразователи позволяют оперативно и дистанционно осуществлять съем геодезической информации, автоматизировать процесс измерений и обработки результатов измерений.

В оптических методах измерений в качестве базовой (опорной) линии используют ось оптического прибора (теодолита, алиниометра, телескопа и др.).

Среди оптических методов различают: визирный, коллимации, автоколлимации, дифракционные и др. Для контроля горизонтальных смещений гидротехнических сооружений из-за значительных длин створов и влияния внешних возмущающих воздействий наибольшее применение нашел визирный метод измерений с применением визирных марок. Другие оптические методы створных измерений применяют при контроле геометрических параметров технологического оборудования и будут рассмотрены в разделе 4.7.

В визирном методе створных измерений створ задается коллимационной плоскостью оптических приборов – теодолитов или алиниометров. При установке оптических приборов на одном из опорных пунктов створа и визировании на другой опорный пункт их коллимационная плоскость совмещается со створной плоскостью.

Нестворности могут измеряться непосредственно, например, с помощью подвижных марок различной конструкции и точности, или косвенно, когда нестворность вычисляется как функция малого угла.

Способ подвижной марки предпочтителен при небольших линиях визирования (до 50 м), когда связь наблюдателя с помощником, работающим с подвижной маркой, легко осуществляется голосом или условными знаками. В остальных случаях предпочтителен способ малых углов.

Подвижная марка (рис. 4.3.10, а) имеет уровень 6 для приведения ее в рабочее положение, визирное приспособление 5 для установки плоскости экрана 3 перпендикулярно визирному лучу, неподвижное 1 и подвижное 2 основания. Неподвижное основание жестко скреплено с вкладышем 7, устанавливаемым при измерениях в гнездовой центр или трегер 11. Подвижное основание 2 жестко скреплено с экраном 3, на котором располагается визирная цель 4 подвижной марки и перемещается поперек створа с помощью винта 9. Положение визирной цели при установке ее в створ фиксируется с помощью нониуса 8 по неподвижной шкале 10.

а) б)

5 5

3 3

2

9