Введение:
Плотины, насыпи и другие противопаводковые сооружения подвержены внешним нагрузкам, вызывающим деформацию и протечки, как самих сооружений, так и их оснований. Появление признаков деформации говорит о возникновении существенной угрозы безопасности конструкции [1]. Мониторинг нагрузок на конструкцию и ее реакцию на них может помочь в определении ненормального поведения этой конструкции. В целом мониторинг состоит как из измерений, так и из визуальных осмотров [2]. Для облегчения наблюдения за гидротехническими сооружениями они должны быть постоянно оборудованы соответствующими контрольно-измерительными приборами и/или пунктами наблюдения в соответствии с целями наблюдения, типом и размером сооружения, а также условиями площадки. Должно быть интуитивно понятно, что деформации и периодические наблюдения будут варьироваться в зависимости от типа конструкции [3,4,5]. Поэтому периодические наблюдения обычно ведутся за относительно долгосрочными тенденциями движения. Обычных методов геодезической съемки с внешних точек и с точностью до сантиметра достаточно для отслеживания этих долгосрочных тенденций. Реже требуются наблюдения за кратковременными отклонениями или относительными перемещениями между монолитными конструкциями из-за изменения температуры или гидравлической нагрузки. Они могут включать измерения трещин или относительные перемещения между монолитными конструкциями при различных гидравлических нагрузках. Относительные отклонения перемещения до уровня точности +/- 0,254 мм являются обычным явлением [3,6,7]. Долгосрочный мониторинг движения конструкции обычно требует наблюдения за реперами на конструкции с внешних опорных точек. Эти внешние ориентиры устанавливаются на устойчивом грунте, удаленном от сооружения и вне зоны взаимного влияния с исследуемом объектом. Эти внешние опорные точки взаимосвязаны и называются «эталонной сетью». Эталонная сеть также должна контролироваться с более редкими интервалами, чтобы убедиться, что эти опорные точки сами по себе не перемещаются. Аппаратура GPS/ГЛОНАСС и традиционные инструменты и методы геодезической съемки могут использоваться для установления и мониторинга опорных точек сети [8,9].
Методы исследования деформации:
Общие процедуры наблюдения за деформацией конструкции и ее основания включают измерение пространственного смещения выбранных точек объекта (реперов) от внешних опорных точек, которые зафиксированы в положении. Для измерения этих геопространственных смещений используются как наземные, так и спутниковые методы [10]. При расположении опорных точек в конструкции определяется только относительная деформация. Абсолютная деформация или смещение возможны, если реперные точки расположены вне фактической конструкции, в фундаменте или окружающем рельефе и за пределами зоны, на которую может воздействовать плотина или водохранилище [11,12]. Фиксированные контрольные точки, расположенные в непосредственной близости от плотины, но за пределами зоны ее воздействия, необходимы для определения деформационного поведения конструкции. Таким образом, сети мониторинга в плоскости плотины должны быть дополнены и связаны с сетями триангуляции и вертикального контроля [13].
Управление жизненным циклом объекта:
Исследования по оценке структурной устойчивости необходимы на протяжении всего жизненного цикла проекта, во многих случаях охватывающего десятилетия. На ранних этапах планирования проекта следует разработать комплексный план мониторинга, в котором учитываются требования к обследованиям на протяжении всего жизненного цикла проекта с целью устранения дублирующих или избыточных обследований в максимально возможной степени [14,15].
Требования к точности выполнения замеров деформации бетонных конструкций плотин:
В Таблице 1 показаны приблизительные требования к точности для проведения исследований деформаций. Они представляют либо абсолютную, либо относительную точность измерения реперов, которая должна быть достигнута на основе наблюдений из внешних опорных точек. Она должна превышать точность, с которой периодически генерируется и контролируется внешняя эталонная сеть [8,16,17].
Таблица 1. Требования к точности целевой конструкции для проведения изысканий по расчету деформаций бетонных плотин.
|
№ |
Тип мониторинга |
Требования к точности для целевых точек |
среднеквадратичное значение |
|
1 |
Долгосрочное движение |
± 5-10 мм |
95% |
|
2 |
Относительные краткосрочные отклонения (в том числе контроль трещин и др.) |
± 0.2 мм |
95% |
|
3 |
Вертикальная устойчивость/осадка |
± 2 мм |
95% |
Методология мониторинга:
Каждое контролируемое сооружение должно иметь технический паспорт, содержащий актуальную информацию об объекте и данные обследований. При этом должна быть описана методика типового обследования (мониторинга), содержащая информацию о конструкции прибора и/или карту обследования, документирующую план мониторинга и предполагаемые характеристики. Должны быть разработаны схема измерений для конкретного проекта и рабочие процедуры для системы мониторинга, как показано на рисунке 1.
Рис.1. Методология
Проект опорных сетей:
Наличие нескольких контрольных станций в эталонной сети имеет решающее значение для повышения надежности съемок деформации и для проверки стабильности эталонных параметров во времени. Геометрию и надежность эталонной сети можно улучшить, добавив станции управления вверх или вниз по течению сверху [18].
Глобальная система позиционирования (GPS):
Спутниковая система глобального позиционирования предлагает преимущества по сравнению с обычными наземными методами. Взаимная видимость между станциями не является строго обязательной, что обеспечивает большую гибкость при выборе местоположения станций, чем при наземных геодезических съемках [21]. Измерения можно проводить ночью или днем, при различных погодных условиях, что делает GPS-измерения экономичными, особенно когда во время съемки на конструкции можно разместить несколько приемников. Благодаря недавно разработанным методам быстрого статического позиционирования время измерений сокращается до нескольких минут [22].
Дифференциальное нивелирование:
Дифференциальное выравнивание обеспечивает измерение разницы высот между рядом реперных точек. Вертикальное положение определяется с очень высокой точностью (±1 мм) на коротких расстояниях (10-100 метров) с использованием прецизионных уровней. Двумя основными классами прецизионных уровней, обычно используемых для измерения деформации, являются автоматические уровни и цифровые уровни [23,24].
Тахеометр и тригонометрические отметки:
Высокоточные электронные теодолиты и оборудование позволяют заменить геодезическую нивелировку более экономичными тригонометрическими измерениями высоты. Точность лучше 1 мм может быть достигнута при определении разницы высот между двумя целями, находящимися на расстоянии 200 м друг от друга, с использованием прецизионных электронных теодолитов для измерения вертикального угла и прибора EDM. Измерения должны выполняться либо взаимно, двумя теодолитами одновременно, либо с вспомогательной станции на равном расстоянии от двух целей, чтобы свести к минимуму влияние атмосферной рефракции [25].
Анализ данных:
Геометрическое моделирование используется для анализа пространственных перемещений. Общие тренды движения описываются с помощью достаточного количества дискретных перемещений точек (dn):
Смещения точек рассчитываются путем разности скорректированных координат для самой последней съемочной кампании (f) от координат, полученных в какой-то контрольный момент времени (i), например:
Сравнение величины рассчитанного смещения и связанной с ним точности съемки показывает, является ли сообщаемое движение более вероятным из-за ошибки съемки:
½dn½ < (en) ….(6), ½dn½= для точки n - величина смещения
½dn½ = 
(Dx2 + Dy2 + Dz2) ….(7)
(en) = (1.96) sqrt (σf2 + σi2) …. (8), σf = стандартная ошибка положения для (последней) или самой последней съемки, σi = стандартная ошибка положения для (начальной) или эталонной съемки
Наблюдения за углом и расстоянием:
При проведении процесса мониторинга с использованием традиционных методов съемки (тахеометры и уровни) есть некоторая информация, которая должна быть предоставлена и подтверждена в формах мониторинга геодезистами, как показано ниже.
- Наблюдения за углом и направлением.
как показано в предложенной форме на рисунке 2.
Рис.2. Предлагаемая форма точек, контролируемых тахеометром.
- Контролировать уровни.
как показано в предложенной форме на рисунке 3.
Рис. 3. Предлагаемая форма точек, контролируемых уровни.
исследовательский случай:
- Рабочий сайт: Плотина Аль-Шамия расположена к северу от города Аль-Шамия в провинции Эль-Дивания. Это один из четырех регуляторов на реке Евфрат между городом Кифл и городом Шамия.
- Важность изучения: Изучение и оценка движения изучаемой плотины и окружающих ее территорий, а также определение объемов и тенденций этих движений в четырех измерениях (X, Y, Z и время) путем слияния традиционных методов съемки и GPS. Особенно после появления трещин в окружающем его грунте и наблюдения подвижек в некоторых швах и краях трещин.
- Работа на месте: Область исследования была определена, а основные опорные точки сети и сеть точек на теле плотины были установлены на основе спутникового снимка и программы ГИС, как показано на рисунке 4.
Рис. 4. Сеть основных контрольных точек, и Сеть контрольных точек на теле плотины.
- Обсуждение результатов наблюдений: При ежемесячном мониторинге в точках (6, 7, 9, 10, 19 и 24) наблюдалось четкое движение, величина движения в вертикальном направлении колебалась от -2 до +3 мм (вниз и вверх) а также Наличие движения в горизонтальном направлении в обоих направлениях (х и у) в точках (6, 7, 9, 10, 23 и 24) величина этого движения в направлении х колеблется в пределах + 2 до +12 мм, а по оси Y от -4 до 15 мм. Уравнения с 1 по 8 были применены к точкам, которые показали наличие движения во время операций мониторинга, чтобы узнать и убедиться, что эти наблюдаемые значения являются результатом фактического движения плотины или они являются результатом ошибок в расчетах. процесс мониторинга, как показано в Таблице 2.
Таблица 2. На нем показаны значения, полученные путем применения уравнений с 1 по 8 к точкам, показавшим движение во время наблюдений.
|
станция |
σX |
σY |
σZ |
½d hor.½ |
e hor. |
½d ver.½ |
e ver. |
|
6 |
0.0015 |
0.0015 |
0.0005 |
0.004243 |
0.004158 |
0.001 |
0.00098 |
|
7 |
0.0015 |
0.002 |
0.0015 |
0.005 |
0.0049 |
0.003 |
0.00294 |
|
9 |
0.001 |
0.0035 |
0.0005 |
0.00728 |
0.007135 |
0.001 |
0.00098 |
|
10 |
0.006 |
0.0075 |
0.0005 |
0.019209 |
0.018825 |
0.001 |
0.00098 |
|
19 |
0 |
0 |
0.001 |
0 |
0 |
0.002 |
0.00196 |
|
23 |
0.003 |
0.005 |
0 |
0.011662 |
0.011429 |
0 |
0 |
|
24 |
0.0015 |
0.002 |
0.0015 |
0.005 |
0.0049 |
0.003 |
0.00294 |
Заключение:
Исследование показало технические рекомендации по проведению точных исследований структурной деформации плотин и гидравлических систем защиты от наводнений. Где определены стандарты точности, процедур и контроля качества для мониторинга перемещений в гидротехнических сооружениях.
Для того чтобы мониторинг был успешным, а полученные от него данные точными, основное внимание должно быть уделено техническим процедурам проведения точных мониторинговых обследований и периодических проверок. В исследовании были представлены общие стандарты планирования, процедуры реализации на местах и в офисе, методы сокращения данных, методы модификации и требования к точности, необходимые для проведения исследований деформаций конструкций. Начиная с определения контрольных точек, метода создания сети мониторинга, методов мониторинга, форм ввода данных, механизма мониторинга и учетных записей.
Пример исследования (плотина Аль-Шамия в городе Аль-Дивани в Республике Ирак) показал успешность и точность предложенного механизма и метода интеграции традиционных устройств мониторинга (тахеометров и уровня) и глобальной системы позиционирования. (GPS), так как показало, что вместе они составляют точную и экономичную систему контроля за жизненным циклом плотин.
