Инструментальные наблюдения. Методы и аппаратура, применяемые при мониторинге гидротехнических сооружений

Всю КИА можно условно разделить на сравнительно простую - установочную и более сложную - закладную дистанционную.

Установочная КИА

Сооружения могут быть, кроме различных датчиков для дистанционного автоматического сбора информации о состоянии сооружения, оснащены значительным количеством простейшей закладной не дистанционной КИА для проведения контрольных измерений в соответствии с нормативами.

Установочная КИА — это в основном различного рода геодезические марки, репера, створные знаки, водомерные рейки, мерные водосливы, пьезометры и тому подобное, а именно:

• за осадками гидротехнических сооружений наблюдения обычно проводят геодезическими методами: геометрическим или тригонометрическим нивелированием. Для этого в ГТС должна быть установлена следующая геодезическая КИА: исходные реперы, рабочие репера и марки;

• для измерения осадок оснований сооружений необходима следующая КИА: железобетонные плиты-марки, трубы-марки;

• за деформациями сооружений и облицовок, креплений откосов грунтовых плотин, дамб, каналов и выемок наблюдения проводят, используя поверхностные и боковые марки;

• измерения деформаций сооружений, наблюдения за состоянием и развитием трещин в бетонных блоках и строительных швах, а также для изучения работы температурных швов сооружений или температурно-осадочных швов между отдельными секциями сооружений применяется большое количество разнообразной КИА. Однако большинство вышеперечисленных измерений осуществляют с использованием различных плоских и пространственных щелемеров, а также специальных (конструкции ОАО «НИИЭС») штангенщелемеров и штангенциркулей;

• за режимом уровней бьефов гидроузла, фильтрационным режимом в основании и теле грунтовых, бетонных сооружений и береговых примыканий, работой дренажных и противофильтрационных устройств, режимом грунтовых вод в зоне сооружений, наблюдения проводят с помощью закладных пьезометров и устройств измерения уровня воды в безнапорных пьезометрах; расход измеряют с помощью различного рода мерных водосливов.

Размещение вышеперечисленной не дистанционной КИА предусматривается в соответствии с действующим законодательством, проектом натурных наблюдений.

Однако изготовление этой КИА зачастую представляет некоторую проблему. Это происходит по следующим причинам:

• нет единой общепринятой терминологии указанной КИА;

• отсутствует общепризнанная конструкция этих приборов, зачастую вообще нет необходимой нормативно-технической документации, в том числе - метрологической экспертизы.

Поэтому, зачастую, изготовление КИА происходит неадекватно по некорректной конструкторской документации и в условиях исключающих изготовление надежной КИА, обеспечивающей получение достоверной информации о состоянии сооружений.

Учитывая сложившуюся практику в разработке и изготовлении не дистанционной КИА, в Российской Федерации разработана и изготавливается следующая КИА (ОАО «НИИЭС»):

• марки поверхностные грунтовые;

• марки поверхностные бетонные;

• марки щелемерные;

• специальные штангенциркули и штангенщелемеры;

• обратные отвесы и координатомер;

• мерные водосливы, закладные и мерные водосливы переносные;

• пьезометры напорные и безнапорные.

Дистанционная КИА

Дистанционная КИА — это закладные датчики, преобразующие входную физическую величину в выходной электрический сигнал и измерительные приборы для их регистрации.

В общем виде технические средства и методы инструментальной оценки состояния гидросооружений, включают:

• контрольно-измерительную аппаратуру КИА, которой оснащаются гидросооружения I - III классов;

• измерительные приборы для регистрации измерительной информации от КИА;

• средства автоматизированного сбора измерительной информации.

В настоящее время для контроля состояния сооружений и их оснований объекты оснащают, в зависимости от класса сооружений и необходимого объема получаемой информации, тремя видами диагностических и автоматизированных систем мониторинга сооружений.

• измерительными системами контроля (ИСК), включающими датчики, кабельные линии связи, коммутаторы и измерители выходных сигналов. Такие системы позволяют дистанционно получать измерительную информацию от датчиков и вручную регистрировать ее в журналах наблюдений. Эти системы целесообразно использовать на гидротехнических сооружениях, оснащенных не более чем 50 датчиками;

• автоматизированными системами эксплуатационного контроля (АСЭК) состояния сооружений, осуществляющими сбор, обработку и сравнения измерительной информации с предельно допустимыми значениями контролируемых параметров состояния сооружений. Такие системы включают датчики контролируемых физических величин, кабельные линии связи, коммутаторы, измерители выходных сигналов датчиков и вычислительную технику с программным обеспечением. Эти системы целесообразны на объектах, представляющих опасность для населения или объектов инфраструктуры в нижнем бьефе и оснащенных до 400 датчиков;

• автоматизированные системы диагностического контроля (АСДК) мониторинга сооружений с более развитым программным обеспечением и выполняющим сбор, обработку и анализ измерительной информации с принятием решений о состоянии контролируемого объекта. АСДК включает установленную в сооружения КИА, кабельные линии связи, многоканальный программируемый терминал «МПТ» (разработанный ОАО «НИИЭС»), витую пару, соединяющую МПТ и ПК. АСКД целесообразно оснащать объекты, представляющие серьезную опасность для населения в нижнем бьефе при резерве времени на устранение аварийной ситуации один или два часа.

Целесообразность использования одной из вышеперечисленных систем на конкретном объекте определяется на стадии разработки технического задания на систему.

На начальном этапе создания системы мониторинга состояния сооружений, необходимо провести обследование объекта и действующей КИА. При этом должно быть выяснено и учтено в проекте:

• количество датчиков, планируемых к установке;

• расстояние от датчиков до планируемого помещения расположения пульта системы;

• наличие готовых кабельных линий связи от датчиков до помещения расположения пульта;

• возможность непосредственно на объекте спроектировать и проложить экранированные и защищенные от «вандализма» линии связи от датчиков до пульта;

• готовность помещения расположения пульта к установке электронного оборудования системы, ПК, принтера и т.д.;

• учитывается возможная необходимость ручного ввода измерительной информации, получаемой от закладной КИА и информации, полученной геодезическими способами;

необходимость передачи измерительной информации по модемам

Анализ современного рынка, предлагающего технические средства

Анализ проспектов ведущих производителей КИА за рубежом свидетельствует о том, что все эти фирмы производят вышеперечисленную не дистанционную КИА или аналогичную ей.

Технические средства мониторинга состояния сооружений, комплектующие системы контроля АСЭК и АСДК в основном дистанционные и в значительной степени используют струнные датчики. В крупных ГТС их количество может достигать нескольких тысяч. Например, на Саяно-Шушенской ГЭС установлено 2270 датчиков.

Функциональные характеристики современной КИА позволяют широко использовать средства автоматизированного сбора информации, составляющие основу современных систем мониторной оценки состояния гидросооружений. Номенклатура современной КИА позволяет контролировать практически все основные физические па­раметры состояния гидросооружений.

Анализ современной дистанционной КИА, изготавливаемой фирмами таких индустриально развитых стран, как Россия, США, Франция, Германия, Япония и другие, показывает, что в практике натурных исследований состояния гидросооружений в основном находят при­менение датчики с частотным выходным сигналом и в первую очередь со струнным резонатором. Это обусловлено рядом значительных преимуществ струнных датчиков перед другими:

• очень высокой стабильностью метрологических характеристик датчиков. Наши исследования метрологической надежности струнных датчиков показывают, что они могут сохранять заданные метрологические характеристики в течение 20 и более лет эксплуатации;

• высокой эксплуатационной надежностью, так как установка их на место производится зачастую в рабочих условиях строительной площадки;

• струнные датчики с частотным выходным сигналом обладают большой помехозащищенностью в условиях воздействия внешних мощных электромагнитных полей;

• использование струнного резонатора позволяет унифицировать основные преобразовательные элементы струнных датчиков и параметры выходного информативного сигнала

Выпускаемые в нашей стране струнные датчики обеспечивают инструментальный контроль всех основных физических величин, определяющих состояние гидросооружений и в первую очередь:

- линейные и угловые перемещения;

- параметры фильтрационных потоков;

• компоненты напряженно-деформированного состояния сооружений.

Отечественные струнные датчики работают совместно со специализированным портативным периодомером типа ПЦП-1 или ПЦС, а также в составе информационных систем мониторинга состояния сооружений с многоканальным программируемым терминалом типа МПТ.

Номенклатура современных отечественных датчиков (выпускаются ОАО «НИИЭС)

Контролируемые величины	Назначение	Тип	Диапазон измерений
Линейные и угловые перемещения	Измерение взаимных смешений конструктивных элементов сооружений	плпс ПЛПС-С	0...10мм 0...320мм
	Измерение пространственных перемещений конструктивных элементов сооружений	плкпп	0,4...40,0мм
	Измерение отклонений от вертикали прямыми и обратными отвесами	плпск	0...10мм
	Измерение осадок сооружений в системе гидростатического ниве­лирования	ПУЖС-М	0...500мм
	Измерение изменений углов наклона конструкций сооружений	ПУНС	0...40мрад
Параметры фильтрации	Измерение гидростатического давления в конструкциях и основании сооружений	пдс	0...1,0Мпа
	Измерение порового давления в конструкциях и основании сооружений	пдсп	0...1,0Мпа
	Прецизионное измерение гидро­статического давления	ПДСП-П	0...0,2Мпа
	Измерение температуры в филь­трационных потоках в сооружениях и их основаниях	птс-п	-1... + 19
Компоненты напряженно-деформированного состояния	Измерения растягивающих усилий в арматуре железобетонных конструкций	ПСАС	0,..320кН
	Измерения растягивающих и сжимающих усилий в арматуре железобетонных конструкций	ПСАС-М	-200...+400кН
	Измерение силы натяжения арматурного пучка в преднапряженных строительных конструкция:	ипс	0...1.6МН
	Измерение нормальных компонентов тензора напряжений в грунте	пнгс	0...3Мпа
	Измерение нормальных напряжений в каменной наброске	пнкн	0...6,4 па
	Измерение линейных компонентов тензора деформаций в бетоне и на поверхности металлоконструкций и бетона	плдс	-2000...+2000МПа
	Измерение температуры в конструктивных элементах сооружений	птс	-2...+60

Анализ современного рынка, предлагающего технические средства для инструментальной оценки состояния гидросооружений показывает, что многие индустриально развитые страны изготавливают их в значительном количестве и широкой номенклатуры. Среди фирм-производителей этих технических средств наиболее авторитетны сле­дующие: Telemac (Телемак, Франция), Maihak (Майхак, Германия), Rostest (Ростест), Sinko (Синко) и Geokon (Геокон, Америка), Geonor (Геонор, Норвегия), Kyowa (Кийова, Япония) и др.

Сравнение КИА, изготавливаемой зарубежными фирмами, показывает, что принципы действия и основные технические характеристики КИА, изготавливаемой этими фирмами, в основном идентичны. Причем наиболее широкий ассортимент КИА предлагает фирма «Telemac» (Франция), и это не случайно, т.к. эта фирма одна из старейших в мире по изготовлению КИА. Она присутствует на рынке с середины 20-х годов нашего века и является своеобразным «законодателем мод» в области разработки, изготовления и применения КИА для оценки состояния крупных инженерных сооружений. Поэтому представляет интерес сравнение продукции «Telemac» с отечественной. Следует сказать, что номенклатура КИА, изготавливаемой «Telemac», и отечествен­ной в основном идентичны.

Основными различиями являются:

Фирма «Telemac» предлагает малогабаритные инклинометрические измерительные торпеды и необходимые для ее использования аксессуары. Эти инклинометры предназначены для контроля внутренних зон тела грунтовых плотин, как в строительный, так и эксплуатационный период. В России аналогичных инклинометров не производят.

Отечественные производители КИА предлагают датчики силы арматурные, типа ПСАС; зарубежные фирмы, в том числе «Telemac», их не изготавливают.

Фирма «Telemac» изготавливает датчики не только частотные со струнным резонатором, но и другие. Например, для измерения линейных перемещений используют датчики «так назы­ваемые дистофоры» с LC-генератором. Для измерения гидростатического давления – тензорезистивные и пневматические. Для измерения отклонения нити прямых и обратных отвесов – индукционные датчики. Изготавливают очень удобные переносные мерные водосливы для измерения расходов сосредоточенных источников фильтрации.

Фирма изготавливает и поставляет по требованию Заказчика все аксессуары, необходимые для установки датчика на месте и монтажа линии связи.

Существенным отличием зарубежных фирм от отечественных является то, что зарубежные фирмы поставляют не отдельные датчики, а измерительные комплекты, включающие датчики с экранированным кабелем в полиэтиленовой оболочке мерной длины, аксессуары для установки и вторичный измерительный прибор или компьютер в зависимости от желания Заказчика. От такой поставки выгадывает и фирма, и Заказчик, т.к. фирма гарантирует качество линии связи, а Заказчик получает очень надежный измерительный комплект при установке датчика на месте.

По параметрам выходных сигналов имеется принципиальное отли­чие струнной КИА зарубежных фирм и отечественных. По этой причине, отечественные струнные датчики несовместимы с измерительной аппаратурой «Telemac» и наоборот, датчики «Telemac» несовместимы с нашими измерительными приборами.

Сравнение метрологических и технических характеристик дат­чиков «Telemac» и отечественных затруднительно, однако можно констатировать, что отечественные датчики инструментального контроля состояния сооружений по своим метрологическим и техническим характеристикам не уступают зарубежным.

Сравнение стоимости дистанционной КИА фирмы «Telemac» и отечественной КИА показывает, что в на­стоящее время стоимость одного струнного датчика колеблется от 300 до 500 долларов США, а стоимость наших датчиков примерно в 3 раза ниже. При этом следует учесть, что стоимость датчика в полиэтиленовой оболочке, входящего в комплект поставки, на порядок дороже наших кабелей в резиновой оболочке.

В плане возможностей изготовления отечественной КИА нужно отметить следующее. Начало изготовления КИА для строящихся гидросооружений было положено в 50-е годы в НИСе Гидропроекта им. С.Я.Жука. Количество изготавливаемых датчиков не превышало 1200...1300 штук в год. В 1975 году было организовано промышленное производство КИА в Днепропетровске, к 1990 году количество изготавливаемой КИА достигало 6...7 тысяч в год. Начиная с 1991 года резко упала потребность в КИА, и завод в Днепропетровске был перепрофилирован. Изготовление КИА взяло на себя выделившееся из состава НИСа АО «ДИГЭС» - дочернее предприятие РАО «ЕЭС России». Возможности ДИГЭС не превышали 200...300 датчиков в год. В 1998 году правление РАО «ЕЭС России» приняло решение о присоединении АО «ДИГЭС» к АО «НИИЭС». Этот процесс к настоящему времени не завершен. Следует отметить, что техническая база АО «ДИГЭС» физически и морально устарела, т.к. станочное оборудование не заменялось с 60-х годов, образцовые средства измерений пришли в негодность, сами датчи­ки нуждаются в существенной переработке, для того чтобы могли выйти на международный рынок.

Инвестирование денежных средств для модернизации технической базы ОАО "НИИЭС" предусмотрено ОНТП «Безопасность энергетических сооружений». Актуальность этой проблемы отмечена во многих высоких совещаниях и конференциях. К сожалению, вопрос окончательно не решен.

Инструментальные наблюдения за грунтовыми сооружениями

Инструментальные наблюдения ведутся за вертикальными отметками гребня и других горизонтальных поверхностей конструкции плотины, горизонтальными смещениями и вертикальными смещениями плотины и основания

Инструментальные наблюдения ведутся с помощью следующих геодезических специальных приборов и приспособлений:

Реперы

–исходные знаки высотной основы, практически неподвижные в течение всего периода эксплуатации. Они служат для определения высотного положения отдельных точек сооружения с помощью нивелирования.

Реперы классифицируются:

по капитальности – фундаментальные , управления геодезии и картографии; исходные или опорные; рабочие;

Для сооружений I и II классов они устанавливаются в НБ в 1,5-2,0 км от створа,

для сооружений III класса – обычно устанавливают 1 репер.

по местоположению – поверхностные, глубинные, стенные;

по возведению – путем рытья котлована, бурения скважин, заделки в стены;

по климатическим условиям – в обычном климате, в условиях вечной мерзлоты.

На глубину закладки репера влияет уровень грунтовых вод, коренных пород, глубина промерзания (закладка производится на 1м ниже глубины промерзания).

Конструкция рабочего репера на нескальных грунтах (глинистых и песчаных):

Труба d  80 мм; основание – бетонная усеченная пирамида; марки – на верхнем срезе, на боковой поверхности и на верхней грани пирамиды; внутри трубы – бетон, снаружи – антикоррозийное покрытие, гидроизоляция.

Конструкция репера на скальных грунтах:

Скважина d 120-160 мм; якорь в прочной скале; низ скважины залит бетоном, в который заделана труба из нержавеющей стали; сверху скважина закрыта колодцем.

На ответственных гидроузлах глубина скважины до 25 м.

Недостатком является температурное изменение длины трубы.

Иногда реперы устанавливают в штольнях в берегах на глубине 10…15 м.

В условиях вечной мерзлоты устанавливаются глубинные реперы струнного тина: проволока 1,5…1,7 мм, натянутая в скважине между бетонным якорным устройством с грузом, перемещающимся по шкале на поверхности в защитной трубе с окошком.

Конструкция стенного репера

Стенные - устанавливаются на массивных стенах сооружений, осадки которых стабилизировались (не всегда есть).

Марки

–устройства с фиксированной в плане точкой, закладываемые в сооружение или основание и перемещающиеся совместно с ним.

по размещению - поверхностные, глубинные;

поверхностные – устанавливаются на гребне, откосах, бермах для измерения суммарных осадок плотины и основания;

• для измерения осадок основания; для измерения осадок отдельных слоев в многослойном основании – телескопические многоярусные марки;

• для измерения относительных деформаций тела плотины: марки изготавливаются из неэлектропроводных труб, зонд касается электропроводных пластин и замыкает их. Так можно определить, на какой глубине произошло смещение.

• для измерения горизонтальных перемещений: инклинометр по принципу маятника или по принципу натяжения струны (Чарвакская, Нурекская ГЭС и др.).

по местоположению – грунтовые, стенные;

по назначению – постоянные и временные.

Указатели –

наземные знаки осей сооружения, поворота, начала и конца открытых конструкций (дренажей, экрана и т.п.).

Створные знаки –

указатели для фиксирования расстояния по длине сооружения.

Осадки основания Кременчугской плотины достигали 200…600 мм (в проектных пределах); каменно-набросной плотины в Гваделупе (Мексика) 2,1 м при высоте 30 м; грунтовой плотины Табка (Сирия) из доломита с ядром – 80 мм при высоте 58 м.