книги из ГПНТБ / Донских, И. Е. Створный метод измерения смещений сооружений

Г Л А В А I

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СМЕЩЕНИЯХ СООРУЖЕНИЙ, МЕТОДАХ

ИОШИБКАХ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

§1. Горизонтальные смещения гидротехнических сооружений

Разработка строительных котлованов уменьшает нагрузку на основание будущих сооружений, приводит к разуплотнению грунта и подъему оснований. Глинистые грунты подвержены максимальному, а скальные — минимальному разуплотнению. Абсолютная величина разуплотнения грунта зависит от состава горных пород, слагающих основание будущих сооружений, глу­ бины котлована, мощности потока грунтовых вод, интенсивности глубинного водоотлива и ряда других факторов. Так, например,

42см *.

С начала производства бетонных работ происходит постепен­ ное наращивание нагрузок на основание. Прекращение глубин­ ного водоотлива и затопление строительного котлована корен­ ным образом изменяют режим грунтовых вод, установившийся

впроцессе строительства сооружения. В связи с этим возникает фильтрационное давление воды на подошву сооружения, гори­ зонтальное и вертикальное давление воды нижнего бьефа и

водохранилища. Наряду с осадками, сооружение начинает испы­ тывать горизонтальные смещения.

Наполнение водохранилища сопровождается ростом горизон­ тальных нагрузок на сооружение, а вертикальных — на понур **. На участке понура образуется «воронка проседания», а соору­ жение, оказавшись на склоне воронки, наклоняется в сторону верхнего бьефа.

* По результатам наблюдений инженерно-геодезической экспедиции ин­ ститута «Гидропроект», выполненных под техническим руководством автора данной работы.

* * Понур — железобетонная плита, примыкающая к сооружению в верх­ нем бьефе.

10

.Последующие циклы наблюдений выполняются по графику, со­ ставленному для данного сооружения.

Под створом понимают закрепленную на местности, на сооружении, или в сооружении прямую линию, относительно которой определяют нестворности контрольных пунктов, т. е. отстояние их от прямой, измеряемое по перпендикуляру к этой прямой. Как правило, этот метол применяют для определения

.смещений сооружений, имеющих прямолинейное очертание в плане. Он находит широкое применение в инженерно-геодези­ ческих работах, когда требуется с высокой точностью определить нестворности точек или построить прямую линию значительной протяженности: при установке и выверке технологического обо­ рудования, при разбивке центров опор канатно-подвесных дорог и т. п.

Горизонтальные смещения наблюдают по нормали к основ­ ной (продольной) оси сооружения, т. е. в сторону нижнего и верхнего бьефов. Если L; и L\ — нестворности некоторого кон­ трольного'пункта, полученные соответственно в /-ом и первом

то наряду с определением нестворностей контрольных пунктов определяют смещения пунктов закрепления створа. Тогда створ в первом цикле наблюдений принимают за ось абсцисс, условной системы координат (см. § 6) и, используя величины пестворностей, вычисляют ординаты всех контрольных пунктов. Величину горизонтального смещения контрольного пункта получают по формуле

где у 1 и і/і — ординаты контрольного пункта, полученные в пер­ вом II в /-ом циклах наблюдений.

Причины смещений других сооружений будут иными. Так, смещения рельсов подкрановых путей обусловлены кренами ко­ лонн, стенок камер шлюза — изменением уровня воды в каме­ рах и влиянием изменений температуры железобетона и т. д.

ренцировать и после перехода к средним квадратическим ошиб­ кам. получить

12

где nil и nii — средние квадратические ошибки определения нестворности контрольного пункта соответственно в первом и і-ом циклах наблюдений, уИі и Мі — средние квадратические ошибки определения горизонтального смещения контрольного пункта относительно начала координат в первом и і-ом циклах наблюдений *.

При

тх = т1= М, Мх — М; = Му,

где М и.Му — заданные средние квадратические ошибки опре­ деления соответственно нестворности и ординаты контрольного пункта, формулы (1.3) и (1.4) примут вид

здесь Мг и МТу — заданные средние квадратические ошибки определения горизонтального смещения сооружения относи: тельно створа и относительно начала условной системы коор­ динат.

При наблюдении горизонтальных смещений гидротехнических сооружений нестворности контрольных пунктов определяют со средними квадратическими ошибками, приведенными в табл. 1 (составленной по данным А. И. Улитина [56]).

В научно-технической литературе смещения сооружений представляют графически: на одной из осей показывают место-

Таблица 1

ками следует понимать стандарты соответствующих величин, вводя понятие

13

положения контрольных пунктов, на другой откладывают вели­ чины нестворностей каждого контрольного пункта, а полученные точки соединяют плавной кривой. По разностям положения этих кривых, проведенных для каждого цикла наблюдений, судят о величинах смещения сооружения. В тексте указывают макси­ мальные и минимальные значения смещений отдельных кон­ трольных пунктов. Такое представление смещений оказывается весьма наглядным, но по нему нельзя судить о количественном смещении сооружения в целом и отдельных частей его, располо­ женных в однородных инженерно-геологических условиях или получивших примерно одинаковые величины смещений.

Как будет показано в главах II—IV данной работы, опре­ деления нестворностей отдельных контрольных пунктов сопро­ вождаются вычислением средних квадратических ошибок, а по

положены в однородных инженерно-геологических условиях, или величины смещений примерно одинаковы, то по формулам типа (1.7) —(1.9) следует вычислить ДL или Ду и М0 для этих частей, сооружений.

Имея численные значения смещений отдельных контрольных пунктов, частей сооружения, сооружения в целом, графическое изображение этих величин и средние квадратические ошибки определения их, можно получить полное представление о гори­ зонтальных сдвигах сооружения и надежности определения их.

Если в формуле (1.7) величины ДЕ,- заменить величинами осадок марок ДА,, то она может быть применена для вычисле­ ния ДА — осадок сооружения в целом и отдельных частей его и ошибок определения этих осадок.

14

§ 2. Методы и способы определения смещений сооружений

Методы определения горизонтальных смещений сооружений подразделяются на полигонометрический, триангуляционный, стереофотограмметрический и створный.

В полигонометрический метод определения смещений соору­ жений можно включить способы с приближенным и высокоточ­ ным измерением длин сторон хода. На сооружениях, имеющих криволинейное очертание в плане, возможно применение только способа с высокоточным измерением длин сторон хода. В этом случае величины смещений получают по направлениям двух осей координат. На сооружениях, имеющих прямолинейное очер­ тание в плане, можно применять оба способа, т. е. с прибли­ женным и высокоточным измерением длин сторон хода, хотя более точные результаты и с меньшей затратой сил и средств обеспечивает применение створного метода. При применении способа с приближенным измерением длин сторон величины сме­ щений получают только по нормали к оси сооружения, т. е. по одной из осей координат.

Триангуляционный метод включает способы собственно три­ ангуляции, трилатерации, направлений, прямых и обратных угловых, комбинированных и линейных засечек. Область при­ менения этого метода — сооружения, имеющие криволинейные очертания в плане, когда нельзя применить более точный створ­ ный метод. Смещения получают по двум осям координат. В СССР этот метод не получил широкого распространения по­ тому, что исследуемые сооружения, например гидротехнические, как правило, имеют прямолинейное очертание в плане, а строя­ щиеся гидроузлы с арочными плотинами (Токтогульский и др.) по размерам велики, что исключает возможность получения смещений с достаточной степенью точности. Он нашел широкое применение в странах, где предпочитают строить небольшие высоконапорные арочные плотины.

Стереофотограмметрический метод, основанный на примене­ нии результатов обработки снимков фототеодолитной съемки, позволяет получать смещения по трем осям координат. Наличие фотографических изображений исследуемого объекта обеспечи­ вает получение смещений любой изобразившейся точки сооруже­ ния со сколь угодно большим разрывом во времени производства съемки и обработки снимков. Потенциальные возможности этого метода велики, но они не реализуются полностью по причине малой длины фокусного расстояния выпускаемых фототеодоли­ тов, что не обеспечивает достаточной точности определения смещений. Поэтому он применим только при исследовании со­ оружений небольших размеров.

Створный метод подразделяется на группы способов прямого (непосредственного) и косвенного (посредственного) измерения нестворностей. К прямым относятся способы бокового нивели­

15

фиксирования (ЛИСТ), коллиматорный, измерения малых углов, наблюдения обратных биполярных засечек и др. Способ изме­ рения малых углов рассмотрен в главах II—IV, наблюдения обратных биполярных засечек, подвижных марок и ЛИСТ — в главе V. Краткое изложение сущности остальных способов дано ниже.

С п о с о б б о к о в о г о н и в е л и р о в а н и я состоит в сле­ дующем. На одном конце створа устанавливают теодолит, на другом — визирную марку, а в контрольном пункте — шашечную реечку в горизонтальном положении перпендикулярно к створу. Если визирную плоскость трубы теодолита ориентировать вдоль створа, то по реечке можно будет произвести отсчет. Зная отсчет по реечке и место нуля ее, можно вычислить величину нестворкости. Точность этого способа значительно повышается, если теодолит снабдить плоскопараллельной пластинкой, отклоняю­ щей визирный луч в горизонтальной плоскости, а обычную реечку заменить штриховой реечкой [22]. Способ бокового нивелирования с горизонтально установленными шашечными рейками применялся автором в производственных условиях при испытаниях на сдвиг сооружений, находящихся под непрерыв­ ным воздействием горизонтально направленных и дискретно действующих вертикально направленных сил. Смещения соору­ жения были велики, а простота способа позволяла производить фиксацию через весьма короткие промежутки времени.

В с т р у н н о м с п о с о б е створных наблюдений вместо визирного луча теодолита используется струна, натянутая между пунктами закрепления створа. Измерению подлежат расстояния от струны до контрольных пунктов. Результаты измерений сво­ бодны от влияния горизонтальной рефракции. Для гашения колебаний струны ее располагают на поплавках, опущенных в ванночки с водой. Имеется пять новых разновидностей этого способа, подвергшихся испытанию при исследовании сооружений Красноярской гидроэлектростанции и получивших названия струнно-оптических способов с применением: оптического центрира фирмы К. Цейсса; прибора «Лотметр»; теодолита ОТ-02 с плоскопараллельной пластинкой; ломаного профиля струны по вертикали и стационарного способа с изолированием струны от влияния внешних факторов [67].

Струнный способ в сочетании с индуктивными датчиками применялся МИИГАиК в работах на Большом серпуховском ускорителе, а позже под названием механцко-электрического способа — в Германской Демократической Республике. [79].

Д и ф р а к ц и о н н ы й с п о с о б определения нестворностей основан на интерференционном опыте Юнга с дифракцией света от двух щелей. Комплект прибора состоит из источников света Q, однощелевой AK и двухщелевой Мі марок и приемника

16

В Польской Народной Республике [82] испытывался фото­ электрический способ определения смещений. На пунктах за­ крепления створа устанавливали источник и приемник света, а в контрольных пунктах — диафрагмы. О смещении судили по электрическим сигналам, фиксируемым в приемнике света.

По сообщениям англо-американской печати [85, 86], испыта­ ниям подвергаются створные способы, основанные на примене­ нии светодальномера и лазера. При длине створа свыше 1 км рекомендуется применять способ трилатерации с измерением длин сторон светодальномером.

Можно заключить, что основным методом, лрменяемым для определения смещений сооружений и находящимся в стадии непрерывного развития и совершенствования, является створный метод. Определения смещений сооружений при малой длине створа и наличии хорошей видимости между пунктами закреп­ ления створа выполняются сравнительно легко. При большой же длине и плохой видимости между пунктами закрепления створа они сопряжены с преодолением ряда трудностей, обуслов­ ленных конструктивными особенностями применяемой аппара­ туры и серьезным искажением результатов измерений действием внешней среды, в частности действием боковой рефракции. Заметим, кстати, что и луч лазера, получающий все возрастаю­ щее применение в створных способах, не свободен от действия боковой рефракции. Многие из этих трудностей могут быть преодолены применением более совершенных программ створ­ ных наблюдений.

§ 3. Схемы определения горизонтальных смещений гидротехнических сооружений

Из опыта работ известны следующие схемы определения горизонтальных смещений гидротехнических сооружений.

С х е м а 1. Створ расположен на гребне сооружения, а пунк­ ты закрепления его вынесены за пределы воронки осадок, установлены в недеформирующихся грунтах и принимаются за неподвижные на весь период исследований.

С х е м а 2. Контрольные пункты створа расположены на гребне сооружения, а пункты закрепления створа — в деформи­ рующихся грунтах (например, в земляной плотине) или на исследуемом сооружении, подверженном смещению. Смещения пунктов закрепления створа наблюдаются с пунктов триангу­ ляции. Такая схема была применена в 1953 г. МИИГАиК при определении горизонтальных смещений сооружений Цимлян­ ского гидроузла. В некоторых циклах измерений наблюдалась только часть пунктов триангуляции, непосредственно связанных с пунктами закрепления створа.

Существенный недостаток схем 1 и 2 определения смещений сооружений состоит в том, что контрольные пункты створа,

18

расположенные на гребне сооружения, подвержены горизонталь­ ным смещениям вследствие наклонов сооружения, обусловлен­ ных изменением уровня воды в водохранилище и непрерывным изменением температурного режима бетона сооружения. Эта смещения зависят также и от инженерно-геологических свойств основания, высоты сооружения и других факторов.

Дело в том, что в летнее время бетон верхней стенки соору­ жения, соприкасаясь с водой водохранилища, имеет более низ-

кую температуру по сравнению с температурой бетона нижней стенки, открытой для воздействия солнечных лучей. В зимнее время температура бетона верхней стенки, омываемой водой водохранилища, всегда имеющей положительную температуру, выше нуля, а бетона нижней стенки, подверженной воздействию холодной атмосферы, на значительной территории СССР — ниже нуля. Поэтому можно ожидать, что д летнее время плотина должна наклоняться в сторону верхнего, а зимой — в сторону нижнего бьефа [23].

Из опыта наблюдений горизонтальных смещений сооружений ряда гидроузлов установлено, что смещения верхней грани со­ оружения в сторону верхнего и нижнего бьефа могут достигать 20 мм и более, что в десятки раз превышает величины сме­ щений, определяемых в данном цикле наблюдений.

С х е м а 3. Наблюдения горизонтальных смещений здания Волжской им. В. И. Ленина гидроэлектростанции выполнялось по створу, расположенному в потерне (рис. 2 и 3). В районе гидроэлектростанции была создана триангуляция, в состав кото­ рой были включены пункты А и В, расположенные на крыше здания. Связь пунктов А и В с пунктами 1 и 25 закрепления створа осуществлялась «прямыми» отвесами. Положение отве­ сов фиксировалось на линейках координатомеров. Одна из линеек ориентировалась по створу, а вторая — по нормали к створу. Смещения пунктов закрепления створа принимались равными смещениям соответствующих координатомеров [27]. Малые изменения температуры и близость потерны к основанию

19