CC BY
103
2/2006
ИНФОРМАЦИОННО-ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ ПРОГРАММА «ШЕРШНЕВСКИЙ ГИДРОУЗЕЛ»
В.В. Малаханов, В.В. Толстиков, Д.В.Кузнецов
ольшинство гидротехнических сооружений в России имеют срок эксплуатации более 30-40 лет, т.е. эти сооружения по возрасту находятся в периоде износовых отказов, для которого характерно возрастание интенсивности повреждений и аварий, увеличение объемов ремонтных работ и работ по их реконструкции. На сооружениях в таком возрасте начинают проявляться в значительной мере результаты физического износа и влияния деструктивных процессов коррозии, деформаций, фильтрации, трещинообразования. В этой ситуации особую актуальность приобретают вопросы диагностики состояния гидротехнических сооружений на основе анализа результатов инструментальных наблюдений и визуальных обследований, выполняемых на сооружениях в соответствии с требованиями СНиП'а, ПТЭ и других нормативных документов. Четкое определение эксплуатационного состояния, в котором находится гидросооружение, является необходимым условием для выработки обоснованных мероприятий по поддержанию надлежащего уровня надежности и безопасности гидротехнических сооружений: от изменения периодичности и состава натурных наблюдений до принятия срочных мер по предотвращению аварий сооружений и проведению ремонтов.
Действующая на большинстве гидроузлов система контроля состояния гидротехнических сооружений сложилась в 50-60 годы прошлого века и включает в себя инструментальные и визуальные наблюдения за процессами
деформации, фильтрации, коррозии. Основными недостатками такой системы контроля является:
а) отсутствие критериев безопасности для диагностических показателей инструментальных и визуальных наблюдений, на основе анализа которых и оценивается реальное состояние сооружений;
б) отсутствие сценариев возможных аварий на гидросооружениях и перечня симптоматики их развития, что не позволяет своевременно выявлять аварийно опасное развитие контролируемых процессов,
в) не использование для обработки результатов натурных наблюдений современных методов математической статистики (дисперсионного, регрессионного и корреляционного анализов, методов оптимизации инженерных экспериментов), позволяющих более углубленно интерпретировать результаты наблюдений и на более ранних стадиях выявлять признаки развития аварийно опасных процессов [1]. В этих условиях особую значимость приобретают вопросы развития теоретических основ технической диагностики гидросооружений и создание компьютерных информационно-диагностических программ контроля и диагностики их эксплуатационного состояния.
Информационно-диагностическая программа (ИДП) «Шершневский гидроузел» предназначена для сбора, хранения, обработки и анализа результатов инструментальных и визуальных наблюдений. Программа выполняет количественную оценку эксплуатацион-
ного состояния гидротехнических сооружений Шершневского гидроузла и классифицирует его. В зависимости от оценок состояния гидросооружений в программе даются рекомендации эксплуатационному персоналу по принятию необходимых технических и организационных мер.
Шершневский гидроузел является нижней ступенью каскада из четырех гидроузлов на реке Миас на территории Челябинской области. Шершневский гидроузел I класса обеспечивает водоснабжение г. Челябинска с населением более 1 млн. человек и развитой промышленностью и расположен в черте города. Гидроузел эксплуатируется с 1967 года и нуждается в развитии оперативного контроля надежности и безопасности гидросооружений. В состав гидроузла входит здание ГЭС и насосной станции, паводковый водосброс и земляная плотина.
Земляная плотина Шершневского гидроузла отсыпана из суглинка, имеет длину 760 м, ширина по гребню - 17 м, максимальная высота - 17 м, максимальный напор - 12,75 м. Верховой откос плотины имеет уклон 1:3 и укреплен железобетонными плитами, уложенными по слою песка; низовой откос имеет уклон 1:3 и укреплен посевом трав по слою песка. Делювиальные, аллювиальные и элювиальные грунты в основании грунтовой плотины перерезаны до скалы суглинистым замком. На левобережной части плотины устроен комбинированный дренаж - дренажная призма с трубчатым дренажом.
Паводковый водосброс - бетонная водосливная плотина практического профиля, имеет три пролета с напором 6 м и с шириной пролета 12 м, затворы сегментные. Максимальный расчетный сбросной расход равен 1210 м3/с. Имеется донный водовыпуск - две стальные трубы диаметром 1 м, что обеспечивает сброс максимального расчетного расхода 0 = 7,0 м3/с или санитарный попуск с расходом 4,9 м3/с.
Здание ГЭС и насосной станции:
длина по напорному фронту 32,5 м, высота 16,5 м. В настоящее время ГЭС и насосная станция не работают, оборудование демонтировано, здание является частью напорного фронта гидроузла.
В основании здания ГЭС и насосной станции и паводкового водосброса залегают граниты и гранодиориты. В основании грунтовой плотины залегают делювиальные, аллювиальные и элювиальные грунты в виде перемежающихся слоев суглинков, глины, песка, гравийного, дресвяного и щебенистого грунтов общей мощностью от 2-3 м до до 4-5 м, отложенные на гранитах и гранодиоритах.
Контрольно-измерительная аппаратура на гидроузле включает в себя сеть опорных реперов (19 шт.) для наблюдений за вертикальными осадками и сеть пьезометров (59 шт.), три водомерных устройства на дренажных канавах. Контролируются также уровни воды в дренажных колодцах трубчатого дренажа грунтовой плотины.
Научно-нормативная основа ИДП «Шершневский гидроузел»
В основу ИДП «Шершневский гидроузел» заложен ряд нормативных и научных положений, представленных в Законе РФ «О безопасности гидротехнических сооружений», в ГОСТ Р 22.1.11-2002 «Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Мониторинг состояния водоподпорных гидротехнических сооружений (плотин) и прогнозирование возможных последствий гидродинамических аварий на них», в СНиП II и III части, «Методике определения критериев безопасности гидротехнических сооружений» РАО «ЕЭС России», «Методике определения критериев безопасности гидротехнических сооружений III и IY классов, поднадзорных МПР России» (проект) и авторские научные разработки. Основные научно-практические положения ИДП «Шершневский гидроузел» (рис.1) бы-
ли апробированы в процессе создания и эксплуатации ИДП «Гидробезопасность» для контроля эксплуатационной надежности гидросооружений Можайского гидроузла, которая успешно эксплуатируется с 1997 года [1, 2,3].
Гидротехнические сооружения в процессе длительной эксплуатации изменяют свои свойства под действием природных, технологических и техногенных нагрузок и воздействий и развития деструктивных процессов: износа, коррозии, старения, деформации, фильтрации, трещинообразования и т.п., в результате чего состояние эксплуатируемого сооружения может в значительной мере отличаться от проектного. На основе требований ГОСТ и СНиП в данной работе была использована следующая классификация возможных эксплуатационных состояний гидротехнических сооружений: работоспособное (нормальное), предельно допустимое, предаварийное и недопустимое (аварийное) [1].
Работоспособное (нормальное) состояние - состояние, при котором сооружение находится под действием нагрузок и воздействий равных или меньше проектных нагрузок основного сочетания (при НПУ и ниже), а величины контролируемых параметров и характеристики качественных признаков соответствуют прогнозируемым, отвечающим нормативным и (или) проектным требованиям.
Предельно допустимое состояние - потенциально опасное состояние, при котором:
- сооружение, находящееся под воздействием нагрузок основного сочетания (при НПУ и ниже), вследствие износа и влияния других деструктивных процессов изменило свои свойства (качества) так, что не выполняется хотя бы одно из нормативных требований на восприятие нагрузок основного сочетания, но при этом выполняются нормативные требования на восприятие нагрузок особого сочетания,
Рис.1 Вид стартового окна ИДП «Шершневский гидроузел»
- или сооружение находится под воздействием нагрузок особого сочетания (при уровнях воды выше НПУ до ФПУ), предусмотренных проектом, и соответствует нормативным требованиям на восприятие нагрузок особого сочетания.
Предаварнйное состояние - состояние, при котором:
- сооружение, находящееся под воздействием нагрузок основного сочетания (при НПУ и ниже), вследствие износа и влияния других деструктивных процессов имеет такие повреждения и дефекты, при которых оно не соответствует нормативным требованиям на восприятие хотя бы одной из нагрузок особого сочетания,
- или сооружение находится под воздействием нагрузок особого сочетания, превышающих величины допускаемые проектом, но при этом отсутствует непосредственная угроза аварии (выше ФПУ, но значительно ниже гребня плотины),
- и (или) имеются признаки про-грессаруюгцего (без ускорения) развития деструктивных процессов, ведущих к аварии.
Недопустимое (аварийное) состояние - состояние, при котором:
- сооружение, находящееся под воздействием нагрузок основного сочетания (при НПУ и ниже), имеет такие повреждения и дефекты, при которых оно не может эксплуатироваться при воздействии нагрузок основного сочетания ввиду явной угрозы аварии;
- или сооружение находится под воздействием нагрузок особого сочетания, превышающих величины допускаемые проектом, с явной угрозой аварии (выше ФПУ и близко к гребню);
- и (или) имеются признаки ускоряющегося развития деструктивных процессов, необратимо ведущих к аварии.
Для определения четырех состояний необходимы три группы критериев безопасности (критериев состояния): К1 - предупреждающий, К2 - предельный, К3 -критический. Предупреждающее значение (К1) диагностического показателя или нагрузки соответствует границе перехода сооружения из работоспособного состояния в предельно допустимое и определяется на основе нормативного требования по восприятию нагрузок основного сочетания с использованием прогнозных моделей, полученных путем обработки результатов натурных наблюдений. Предельное значение (К2) диагностического показателя определяет границу перехода сооружения из предельно допустимого состояния в предаварийное состояние на основе соответствия требованию норм на восприятие особого сочетания нагрузок. Критическое значение (К3) диагностического показателя определяет границу перехода сооружения из пре-даварийного состояния в недопустимое (аварийное) состояние и назначаются как величины, характеризующие такой износ материала или сооружения в целом, при котором сооружение становится аварийно опасным при действии нагрузок основного сочетания (при НПУ).
Величины критериев безопасности К1, К2, КЗ назначались на основе следующих принципов.
1. Переход сооружения из одного состояния в другое может произойти по двум причинам:
- в результате изменения действующих нагрузок (уровня воды в водохранилище, волновых и транспортных нагрузок и др.), в том числе и при действии сверхнормативных нагрузок (паводков, штормов с превышением проектных значений нагрузок особого сочетания, например при уровнях воды выше ФПУ);
- и (или) вследствие износа сооружения под влиянием деструктивных процессов: деформации, износа, коррозии, фильтрации, трещинообразования и т.п.
2. При переходе по диагностическому показателю через критерий К1 сооружение перестает соответствовать нормативному требованию по восприятию основного сочетания нагрузок (при НПУ) и требует текущего ремонта. А при переходе по диагностическому показателю через критерий К2 сооружение перестает соответствовать нормативному требованию по восприятию особого сочетания нагрузок (при ФПУ), не может эксплуатироваться при нагрузках особого сочетания ввиду явной угрозы аварии и требует выполнения капитального ремонта. При переходе через критерий КЗ сооружение реально ввиду явной угрозы аварии не может эксплуатироваться при нагрузках основного сочетания (при НПУ) и требует незамедлительного выполнения капитального ремонта или реконструкции.
Для определения количественной оценки эксплуатационного состояния гидросооружения использован метод, согласно которому все количественные и качественные диагностические показатели состояния гидросооружения оцениваются по единой непрерывной шкале, значения которой изменяются от нуля до шести. Эти оценки представляют собой штрафные баллы. Оценке «0» соответствует идеальное исправ-
ное состояние гидротехнических сооружений. Оценкам от «0» до «3» соответствует работоспособное (нормальное) состояние, а оценкам от»3» до «4» предельно допустимое состояние. При несоответствии сооружения требованиям строительных норм и правил (СНиП) оценкам от «4» до «5» соответствует предаварийное состояние, при котором сооружение вследствие износа и наличия дефектов не может эксплуатироваться при особом сочетании нагрузок, а оценкам от «5» до «6» соответствует недопустимое (аварийное) состояние, при котором сооружение не может эксплуатироваться при основном сочетании нагрузок (табл.1).
Введение количественной шкалы позволяет привести к единому масштабу оценки самых разнообразных диагностируемых показателей: показателей средств измерений, качественных признаков, отдельных видов наблюдений. Обобщение оценок выполняется по отдельным видам наблюдений, по сооружениям и по гидроузлу по максимальной оценке, которая и определяет состояние сооружения или гидроузла в целом. Полученная по результатам анализа диагностических показателей оценка состояния гидросооружения однозначно определяет его состояние
(табл.1), что позволяет эксплуатационному персоналу обоснованно оценивать эксплуатационное состояние сооружения и его изменение в процессе эксплуатации (рис.2)
В программе предусмотрен анализ результатов следующих инструментальных наблюдений: уровня воды в верхнем бьефе; пикетажного контроля отметок гребня плотин; осадок поверхностных и глубинных марок; пьезометрических наблюдений; фильтрационных расходов.
Рис.2 Вид окна программы при начале работы с блоком «Контроль эксплуатационного состояния сооружений»
Таблица 1
Ранжирование диагностических показателей по соответствию нормативным
(проектным) требованиям
Диапазон количественной шкалы Соответствие величины диагностического показателя ДП критерию безопасности К Соответствие диагностического показателя нормативным требованиям Эксплуатационное состояние гидротехнического сооружения
0 < а < 1 К1 > ДП полное работоспособное
1 < а < 2 практически полное
2 < а < 3 приемлемое
3 < а < 4 К1< ДП < К2 предельно допустимое предельно допустимое
4 < а < 5 К2< ДП < К3 предельное предаварийное
5 < а < 6 К3 < ДП несоответствие недопустимое (аварийное)
Шйг
' N 4 V ?
Оценка состояния гидроузла по уровню воды в верхнем бьефе
Наблюдения за уровнем воды в водохранилище является первоочередным видом наблюдений на всех подпорных сооружениях, т.к. оценивает основную действующую нагрузку - гидростатическое давление воды, они обеспечивают также контроль основного технологического параметра водохранилища - его объем и обобщенно оценивают целостность и водопроницаемость сооружения и его основания, ложа водохранилища. Оценка состояния гидроузла по уровню воды в водохранилище выполняется на основе оценки уровня воды в верхнем бьефе (УВБ) и скорости его изменения при наполнении ин и при сра-ботке ис водохранилища.
В блоке «Контроль уровня воды в водохранилище» приняты следующие критерии безопасности для уровня воды в водохранилище:
при наполнении верхнего бьефа: К1 = УНПУ; К2 = У ФПУ; КЗ = УКПУ = УГ (ПФУ)- Н,
где УКПУ - критический подпорный уровень, при котором возникает явная опасность аварии при фильтрации воды поверх ядра плотины, УГ (ПФУ) отметка верха суглинистого ядра плотины, Н =0,5 м - принятый нормативный допуск;
при сработке верхнего бьефа: К1= УМРУ; К2=УГВ; КЗ = УПВ, где УМРУ - минимальный рабочий уровень, УГВ - минимальный уровень для функционирования питьевого водозабора на водохранилище; УПВ - отметка порога водослива паводкового водосброса.
Для сравнения наблюдаемых скоростей изменения уровня воды в водохранилище приняты следующие критерии безопасности для скорости: при наполнении водохранилища ин =0.50 м/сут; при сработке водохранилища ис =0.05 м/сут. Эти скорости с некоторым запасом отвечают максимально наблюден-
ным скоростям за последние годы экс-
,-^макс А ,0 , ТТ макс
плуатации: и н =0.42 м/сут и и с
=0.012 м/сут.
Так как грунтовая плотина Шерш-невского гидроузла отсыпана из суглинка, то для нее возможна опасность обрушения верхового откоса при сра-ботке водохранилища. Для оценки этой опасности были выполнены расчеты устойчивости верхового откоса грунтовой плотины для самого неблагоприятного случая быстрой (мгновенной) сра-ботки водохранилища. Расчеты показали, что при всех рассмотренных случаях сработки (от ФПУ, от НПУ) коэффициенты запаса устойчивости откосов отвечают нормативным требованиям. В связи с этим оценка состояния гидроузла по уровню воды корректировалась только для ситуаций наполнения водохранилища: при уровнях воды выше НПУ и ФПУ, а при превышении скорости наполнения ин =0.50 м/сут оценка повышается на единицу.
Всего в блоке «Контроль уровня воды в водохранилище» учтено 25 возможных ситуаций в зависимости от уровня воды и скоростей его изменения при наполнении и сработке водохранилища и разработаны рекомендации по действию персонала гидроузла в каждой их них.
Пикетажный контроль геодезических отметок гребня плотины
Пикетажный контроль геодезических отметок гребня грунтовой плотины служит для контроля соответствия реальной геодезической отметки гребня проектной отметке. Пикетажный контроль позволяет выявлять локальные зоны просадки гребня плотины, оценивать и предупреждать опасность перелива воды через гребень при пропуске нормативных и сверхнормативных паводков.
По СНиП [4] реальная отметка гребня грунтовой плотины не должна отличаться от проектной отметки более чем на величину строительного допуска
Б=50 мм., а кроме того также по СНиП [5] проектная отметка гребня грунтовой плотины имеет нормативный запас #=0.50 м превышения гребня над точкой вскатывания волны по откосу. С учетом этого, а также на основе определений эксплуатационных состояний грунтовых плотин, для пикетажного контроля геодезических отметок гребня грунтовой плотины приняты следующие критерии безопасности: К1 = УГ - Б; К2 = УГ - Н; КЗ = УНПУ.
В блоке «Пикетажный контроль геодезических отметок гребня грунтовой плотины» в зависимости от величины отклонения от проектной измеренной геодезический отметки гребня учтены 5 возможных ситуаций и разработаны рекомендации по действию персонала гидроузла в каждой их них (рис.3).
Контроль деформаций грунтовой плотины поверхностными марками
Измерение деформаций грунтовой плотины поверхностными марками позволяет эксплуатационному персоналу определять величины осадок тела плотины в измерительных створах, характер их изменения во времени и своевременно выявлять и предупреждать неблагоприятное развитие осадок и связанных с ними аварийных опасностей в виде понижения гребня плотины, поперечных (к оси плотины) трещин в грунте и обрушений откосов при потере их устойчивости.
Для определения критериев безопасности для каждой марки необходимо знать характер изменения осадки во времени, что можно сделать лишь при наличии надежных геодезических измерений в течение всего периода эксплуатации. Для нормально развивающегося процесса консолидации грунтов тела плотины характерен затухающий характер осадок, для описания которого могут быть использованы функции, имеющие горизонтальную асимптоту, например:
5 = г / (а г + Ь),
Шершневский гидроузел
Профиль гребня грунтовой плотнны
| Справка I | ; Выиод; |
Профиль гребня плотины от ПК-0 до ПК-17
35.0 17.8 716
\ П£Х 0&КГН1 ОТ И 81 гка гребня 223.00 и
\
отмела 227.50 [
ГСМ ПК-: ПК-: ПК4 ПК-; ПК-с' ПК-7 ПК-? ПК-? ПК-1С' ПК-11 ПК-11 1Ш-13 ПК-14 ПК-1; ПК-15 ПК-Т7
[[всетн
Минимальная геодезическая отметка гребня плотины 227.65 м. пикет: ГЖ- 11 Дата пикетажной съёмки 1989.08.25
Ранжированная оценка 3.67
Рис.3 Профиль гребня плотины с указанием критерия
К1 = отметка 227.95 (линия салато-вого цвета) и критерия К2 =227.50 отметка (линия красного цвета)
£ = аг(1 - 10-'/(<"+*)). (1) Здесь I - время эксплуатации, отсчитываемое от даты первой геодезической съемки, мес., а, Ъ - эмпирические коэффициенты, определяемые путем обработки результатов измерений методом наименьших квадратов.
В ИДИ «Шершневский гидроузел» в блоке «Контроль деформаций грунтовой плотины поверхностными марками» использованы формулы (1) как дающие наилучшее совпадение с результатами измерения осадок грунтовых плотин. В блоке предусмотрена одноразовая отбраковка результатов, имеющих отклонения от прогнозируемых по формуле на величину превышающую величину доверительного интервала погрешностей геодезических измерений Д=15 мм при доверительной вероятности Р = 0,997.
После двадцати-тридцати лет эксплуатации характер изменения осадок во времени носит линейный характер и может быть аппроксимирован линейной функцией:
сИ + Ъ, (2) в которой величина коэффициента а
равна скорости изменении осадки в см/мес. При дальнеИшеИ эксплуатации осадки постепенно прекращаются и тогда величина осадки для каждоИ марки не зависит от времени и представляет собоИ константу:
S = b = const, (3) с доверительным интервалом А =15 мм.
В блоке «Контроль деформации грунтовоИ плотины поверхностными марками» предусмотрен выбор (из указанных выше формул 1, 2, 3) формулы, которая наилучшим образом аппроксимирует результаты натурных геодезических наблюдениИ и позволяет получать прогнозируемую величину осадки Su на момент следующего очередного измерения осадок. Критерии безопасности определяются индивидуально для каждоИ марки на основе следующих положениИ.
Рис.4. Прогнозные модели изменения осадок земляной плотины во времен
Критерий К1 соответствует величине осадки £ равной величине затухающей прогнозируемой (по формуле 1 или 3) осадки £п плюс-минус величина доверительного интервала погрешностей геодезических измерений Д=15 мм при доверительной вероятности Р = 0,997, т.е. К1 = £ = £п±1,5 см.
Критерий К2 соответствует такой величине измеренной осадки £, при ко-
торой впервые диагностируется незатухающий характер осадки (или подъема) по формуле (2) с учетом величины доверительного интервала погрешностей геодезических измерений Д=15 мм при доверительной вероятности Р = 0,997,
т.е. К2 = £ = £п±1,5 см.
Критерий К3 соответствует такой величине измеренной осадки £, при которой впервые диагностируется ускоряющийся характер осадки (или подъема) по формуле (2) с учетом величины доверительного интервала погрешностей геодезических измерений Д=15 мм при доверительной вероятности Р = 0,997,
т.е. К3 = Б > £¿±1,5 см.
В блоке «Контроль деформаций грунтовой плотины поверхностными марками» в зависимости от погрешностей геодезических измерений и характера изменения осадки марки во времени (затухающая, прекратившаяся, линейная и ускоряющаяся) рассмотрено 14 возможных ситуаций и разработаны рекомендации по действию персонала гидроузла в каждой их них (рис.4).
Контроль пьезометрами фильтрации воды в грунтовой плотинеи в ее основании
Пьезометрами измеряют гидродинамические напоры в грунтовой плотине и в ее основании, определяют положение кривой депрессии в теле грунтовой плотины и тем самым оценивают опасность выхода фильтрационного потока на откос или подъем его в зону промерзания грунта. Фильтрующаяся через грунтовую плотину и основание вода постоянно контролирует их состояние, поэтому пьезометрические наблюдения являются одним из самых необходимых, позволяющих судить о стабильности или изменчивости фильтрационной прочности грунтовой плотины и основания.
Распределение гидродинамического давления (напора, выраженного в метрах водяного столба в пьезометре) зависит от многих факторов: уровня
воды в водохранилище и скорости его изменения, от конструкции и материала тела плотины, от геологических условий залегания горных пород в основании, времени эксплуатации, температуры воды.
Для определения критериев безопасности необходимо для каждого пьезометра знать характер изменения гидродинамического напора (высоты водяного столба в пьезометре) от главных факторов: от уровня воды в водохранилище и от времени, что можно сделать при наличии надежных геодезических измерений и пьезометрических наблюдений в течение всего периода эксплуатации. В блоке «Контроль пьезометрами фильтрации воды в грунтовой плотине и в ее основании» предусмотрена обработка результатов геодезических измерений уровня воды П в каждом пьезометре методом наименьших квадратов с их аппроксимацией линейной функцией:
П = а X + Ь, (4)
и константой:
П = Ь = сопб!
тельных интервалов определяется на основе критерия Фишера Е. Для этого вычисляют критерий Фишера Е=а2 / ал2
как отношение дисперсии а2 при аппроксимации функцией (5) к дисперсии ал2 при аппроксимации линейной функцией (4), а затем сравнивают его с критической (табличной) величиной критерия Фишера Екр. Критические величины критерия Фишера Екр принимают по справочным данным при известном числе наблюдений и при принятой доверительной вероятности Р=0,997. Если Е > Екр, то линейная функция (4) лучше отражает реальную зависимость уровня воды в пьезометре от уровня воды в водохранилище. В противном случае предпочтение отдается формуле (5), которая показывает, что уровень воды в пьезометре не зависит от уровня воды в водохранилище. Эта ситуация может быть следствием либо слабого влияния уровня воды в водохранилище на уровень воды в пьезометре либо заилением (забивкой) пьезометра (рис.5).
(5)
в которых а, Ь - эмпирические коэффициенты; величина коэффициента а оценивает степень влияния отметки уровня воды в водохранилище X на отметку уровня воды П в пьезометре. В блоке предусмотрена одноразовая отбраковка результатов, имеющих отклонения от прогнозируемых по формуле на величину, превышающую величину доверительного интервала аппроксимации Дп=3а при доверительной вероятности Р = 0,997, где а - среднеквадратическое отклонение.
Из двух формул (4) и (5) для дальнейшего анализа выбирают ту, которая дает наименьший разброс точек, т.е. имеющую меньшую величину доверительного интервала Дп и при значимом отличии доверительных интервалов. Значимость отличия величин довери-
Рис.5. Пример отсутствия реакции пьезометра на изменение уровня воды в
водохранилище
Рис. 6 Пример временного анализа показаний пьезометра 1ТП- 2 (синяя прямая - зависимость уровня воды в пьезометре от напора за период наблюдений 1995-1996 г.г., салатовая линия -то же за период наблюдений 1998-1999 г.г, фиолетовая линия -то же за период наблюдений 2001- 2002 г.г.)
Шершневский гидроузел
Ж.
Фильтрапиоппып рсжом плотниы
Положение кршюм лелиеисли и снюуе 1 ш данным за 15 12_2002].
Т8 < £1гнтяш
* ¿15 - иг-рии
•та.. «*■
•»-МЦМ....... .»
г? к* - сю
* 35*224-+!
■ ^^ .
1ЙЙ"
Просмотр з-=ппсс{4
Прибор Отм. УВ (м| НН 223.62 Отк. ВБ (я) 224.41 Ив пр [н) 222.85 У В мая 223. Е7 (и) р.очсны 1.ЙВ
г 1ТП-2 224.1 224.41 22216 224.43 1.65
3 1ТТ1-3 220.83 224.41 220 54 222.55 .5«
Рис.7 Положение кривой депрессии в створе 1
При уровнях воды в водохранилище ниже НПУ критерий К1 соответствует геодезической отметке уровня воды П в пьезометре равной прогнозируемой геодезической отметке уровня воды Пп в пьезометре (по формуле 4 или 5) плюс-минус величина доверительного интервала аппроксимации Ап=3а при доверительной вероятности Р = 0,997, т.е. К1 = Пп ± Ап, м.
При уровнях воды в водохранилище между НПУ и ФПУ критерий К2 соответствует геодезической отметке
уровня воды П в пьезометре равной прогнозируемой геодезической отметке уровня воды Пп в пьезометре (по формуле 4 или 5) плюс-минус величина доверительного интервала аппроксимации Ап=3а при доверительной вероятности Р = 0,997, т.е. К2 = Пп ± Ап, м.
При уровнях воды в водохранилище выше ФПУ, но не выше КЗ = УГ (ПФУ) - Н критерий К3 соответствует геодезической отметке уровня воды П в пьезометре равной прогнозируемой геодезической отметке уровня воды Пп в пьезометре (по формуле 4 или 5) плюс-минус величина доверительного интервала аппроксимации Ап=3а при доверительной вероятности Р = 0,997, т.е. К3 = Пп ± Ап, м.
Дополнительно программа выполняет анализ показаний пьезометров за различные периоды эксплуатации и дает оценку их возможных отличий. Это позволяет эксплуатационному персоналу своевременно отслеживать изменение реакции пьезометра на изменение уровня воды в водохранилище, что может быть следствием заиления пьезометра или изменения характера фильтрации (рис.6).
Программа позволяет сравнивать зафиксированное пьезометрами положение кривой депрессии с ее теоретическим положением и максимальными показаниями пьезометров во всех створах (рис.7).
В блоке «Контроль пьезометрами фильтрации воды в грунтовой плотине и в ее основании» в зависимости от уровня воды в верхнем бьефе и от изменения во времени реакции пьезометра на изменение уровня воды в верхнем бьефе рассмотрено 22 возможных ситуации и разработаны рекомендации по действию персонала гидроузла в каждой их них.
Контроль фильтрационных расходов воды в дренажных канавах
Фильтрующаяся через грунтовую плотину и основание вода постоянно контролирует их состояния, поэтому
величина фильтрационного расхода является важнейшим показателем состояния грунтовой плотины и ее основания.
На Шершневском гидроузле измерение фильтрационного расхода воды осуществляется на трех водомерных узлах, установленных на дренажных канавах в нижнем бьефе левобережной части грунтовой плотины. Два водомерных узла установлены на открытых дренажных канавах и контролируют расход фильтрующейся воды в основном через основание грунтовой плотины. А один водомерный узел в основном контролирует расход воды в трубчатом дренаже грунтовой плотины и контролирует состояние тела грунтовой плотины. В связи с тем, что водомерные узлы установлены на открытых дренажных канавах, на величину фильтрационного расхода оказывают влияния атмосферные осадки в виде дождя и снега (до ледостава), а также таяние снега на низовом откосе весной. Влияние поверхностных вод искажает (завышает) величины фильтрационных расходов через тело плотины и их основание, поэтому измерения фильтрационных расходов на водомерных узлах весной и в период дождей и снегопада (до ледостава) не дают правдивой информации о состоянии грунтовой плотины. Водомерный пост, контролирующий фильтрационный расход в трубчатом дренаже, является наиболее надежным источником информации о состоянии грунтовой плотины в течение круглого года.
Для анализа результатов измерения фильтрационных расходов в информационно-диагностической программе (ИДП) предусмотрено несколько этапов обработки.
Для обработки результатов измерения фильтрационных расходов в ИДП предусмотрено введение следующей исходной информации:
дата измерения (01.01.2003 в обычной ситуации и с указанием часа при из-
мерении расхода в режиме чрезвычаИноИ ситуации, например 01.01.2003 10-35);
величина фильтрационного расхода в л/с;
уровни верхнего и нижнего бьефов.
Обработка имеющегося массива исходноИ информации о фильтрационных расходах позволяет получить прогнозную математическую модель зависимости фильтрационного расхода от напора в виде степенного одночлена (типичноИ для плотин в работоспособном состоянии):
Q м = a Hв, (6)
где а и в эмпирические коэффициенты, которые определяют методом наименьших квадратов после линеаризации функции путем логарифмирования:
lg Q = lg а + lg H,
или Y = А + X.
Здесь Y = lg Q, А = lg и X = lg H. В блоке «Контроль фильтрационных расходов воды в дренажных канавах» предусмотрена одноразовая отбраковка результатов, имеющих отклонения от прогнозируемых по формуле на величину превышающую величину доверительного интервала погрешностеИ измерения фильтрационных расходов воды Aq=3<j ( где а - среднеквадратичес-киИ разброс показаниИ) при довери-тельноИ вероятности Р = 0,997 (Рис.8.)
Для углубленного анализа изменения фильтрационных расходов воды во времени в блоке имеется возможность аппроксимации результатов наблюдениИ следующими формулами:
константоИ Q = b = const, (7)
линеИноИ функциеИ Q = a t + b, (8) показательноИ функциеИ Q = bea t (9).
Полученные прогнозные модели с учетом доверительного интервала Q служат для сравнения каждого последующего измерения с прогнозируемым по формуле и для получения численноИ оценки измерения по величине отклонения измеренного расхода от прогно-зируемоИ величины (табл.2.2).
Таблица 2.2
Критерии безопасности для фильтрационных расходов
Эксплуатационное состояние Диапазон оценки аф Сравнение измеренного расхода 0 с прогнозируемым 0м
Работоспособное аф < 1 0 - 0м < а при УВБ < НПУ
1 < аф < 2 а < 0 - 0м < 2а при УВБ < НПУ
2 < аф < 3 2а < 0 - 0м < 3а при УВБ < НПУ
Предельно допустимое 3 < аф < 4 1 0 - 0м 1 < Дд при НПУ <УВБ< ФПУ
Предаварийное 4 < аф < 5 1 0 - 0м 1 < Д0 при ФПУ <УВБ< КПУ, или | 0 - 0м 1 > Др и расход стабилен или увеличивается без у скорения (формула 8)
Недопустимое аварийное 5 < аф < 6 1 0 - 0м 1 < Д<2 при КПУ<УВБ<УГ или | 0 - 0м 1 > Д0 и расход увеличивае тся с ускорением (формула 9). Здесь УГ - отметка гребня земл яной плотины.
Таким образом, в блоке «Контроль фильтрационных расходов воды в дренажных канавах» приняты следующие критерии безопасности для фильтрационных расходов с учетом доверительного интервала погрешностей измерений Дд=3а (а - среднеквадратическая погрешность измерений расходов:
К1 = Qм ± Дд, л/с; при уровнях воды в водохранилище ниже НПУ;
К2 = дм + Дд, л/с; при уровнях воды в водохранилище выше НПУ и не выше ФПУ;
или |д - дм| > Дд и впервые наблюдается линейно пропорциональное увеличение расхода (без ускорения);
К3 = дм + Дд, л/с; при уровнях воды в водохранилище выше ФПУ и не выше КПУ;
или |д - д м| > Дд и впервые наблюдается увеличение расхода с ускорением. В зависимости от уровня воды в водохранилище и от характера изменения фильтрационных расходов во времени (формулы 6, 7, 8, 9) рассмотрено 12 возможных ситуаций и разработаны рекомендации по действию персонала гидроузла в каждой их них.
Количественная оценка эксплуатационного состояния гидросооружений на основе визуального контроля
В настоящее время все более совершенными становятся различные технические средства контроля за состоянием гидротехнических сооружений, однако визуальные наблюдения не теряют своего значения и по-прежнему остаются самым
Рис.8. Зависимость фильтрационного расхода от напора
оперативным и действенным методом оценки их состояния. Это объясняется значительными преимуществами зрительного контроля перед приборным и в первую очередь точностью зрительного контроля, его оперативностью и широкими возможностями. Так, по данным чешских гидротехников около 70% дефектов и неисправностей на плотинах были выявлены в результате визуальных наблюдений [1].
В соответствии с требованиями Закона РФ «О безопасности гидротехнических сооружений» для ответственных гидротехнических сооружений необходимо определять перечень потенциально возможных гидродинамических аварий, сопровождающихся неконтролируемым сбросом воды в нижний бьеф. На основе обобщения опыта эксплуатации грунтовых плотин и нормативной литературы по их эксплуатации были определены четыре потенциально возможные сценария развития гидродинамических аварий на грунтовой плотине Шершневского гидроузла:
1. Потеря прочности плит крепления верхового откоса плотины и устойчивости верхового откоса с разрушением гребня плотины;
2. Потеря устойчивости низового откоса плотины с разрушением гребня плотины;
3. Потеря прочности гребня и низового откоса плотины в результате образования трещин или оврагов на низовом откосе с разрушением гребня плотины;
4. Развитие фильтрационных деформаций грунтов основания и тела плотины, контактного выпора и размыва суглинка тела плотины на контакте с устоями водосливной плотины.
Для каждого сценария аварии была определена симптоматика: признаки ее развития от первых до непосредственно предшествующих моменту аварии.
В блоке ИДП «Визуальный контроль грунтовой плотины» предусмотрена количественная оценка состояния
плотины для каждого сценария. Оценка определяется путем сравнения наблюдаемых на плотине признаков (повреждений, дефектов) со шкалой оценок от 0 до 6 и соответствующих им признакам. В целях получения большей точности определения количественной оценки для каждого из шести диапазонов оценок четко прописаны степень развития признаков и появление новых признаков. При этом оценкам от 0 до 3 соответствуют такие повреждения и дефекты, которые не оказывают влияния на соответствие плотины нормативным требованиям на восприятие нагрузок основного сочетания - оценка 3 соответствует предельной границе работоспособного состояния и отвечает критерию К1. Оценкам от 3 до 4 соответствуют такие повреждения и дефекты, которые указывают на несоответствие плотины нормативным требованиям на восприятие нагрузок основного сочетания - оценка 4 соответствует предельной границе предельно допустимого состояния и отвечает критерию К2. Оценкам от 4 до 5 соответствуют такие повреждения и дефекты, которые указывают на несоответствие плотины нормативным требованиям на восприятие нагрузок особого сочетания, что указывают на невозможность плотиной воспринимать нагрузки особого сочетания в виду явной угрозы аварии. Оценка 5 соответствует предельной границе предаварийного состояния и отвечает критерию КЗ. Оценкам от 5 до 6 соответствуют такие повреждения и дефекты, которые указывают на невозможность плотиной воспринимать нагрузки основного сочетания в виду явной угрозы аварии (рис.9).
Обходчик после очередного обследования грунтовой плотины сравнивает обнаруженные им повреждения и дефекты с повреждениями и дефектами шкалы оценок и устанавливает оценку состояния плотины для каждого сценария потенциально возможной аварии.
Рис.9. Вид окна программы при начале работы с блоком визуального контроля земляной плотины
Итоговая оценка состояния грунтовой плотины на основе визуального контроля определяется путем сравнения оценок для каждого сценария и равна максимальной оценке для определенного сценария.
На основе обобщения опыта эксплуатации водосливных бетонных плотин на скальном основании и нормативной литературы по их эксплуатации были определены потенциально возможные сценарии развития гидродинамических аварий на водосливной плотине Шершневского гидроузла с учетом ее конструктивных особенностей:
1. Потеря устойчивости водосливной плотины на опрокидывание при разрушении или потери устойчивости плит рисбермы, водобойной плиты, при размыве скалы под водосливом и при возрастании фильтрационного давления на подошву водослива при коррозии цемзавесы и (или) заилении вертикального дренажа, и (или) заилении плоского дренажа под водосливом;
2. Потеря устойчивости водосливной плотины на сдвиг по строительному шву между водосливом и фунда-
ментной плитой и устоями при развитии коррозии бетона;
3. Потеря прочности верховых сопрягающих стен (устоев), быков и опор сегментных затворов и их обрушение в нижний бьеф;
4. Потеря прочности и устойчивости низовых сопрягающих стен (устоев) и опор сегментных затворов и их обрушение в нижний бьеф.
Для каждого сценария аварии были определены признаки ее развития - от первых до непосредственно предшествующих моменту аварии.
В блоке ИДИ «Визуальный контроль водосливной плотины» предусмотрена количественная оценка состояния плотины для каждого сценария. Оценка определяется путем сравнения наблюдаемых на водосливной плотине признаков (повреждений, дефектов) со шкалой оценок от 0 до 6 и соответствующих им признакам. Обходчик после очередного обследования водосливной плотины сравнивает обнаруженные им повреждения и дефекты с повреждениями и дефектами в шкале оценок и устанавливает оценку состояния плотины для каждого сценария потенциально возможной аварии аналогично тому, как он это делает при обследовании грунтовой плотины.
Здание ГЭС и насосной станции на Шершневском гидроузле представляет собой единую бетонную конструкцию. В настоящее время все оборудование ГЭС и насосной станции демонтировано и ни ГЭС ни насосная станция не работают. Верховая стена здания входит в состав напорного фронта. В процессе эксплуатации наибольшую опасность представляет развитие единственно потенциально возможной гидродинамической аварии, связанной с потерей прочности напорной стены здания ГЭС и насосной станции. На основе обобщения опыта эксплуатации были определены признаки ее развития - от первых до непосредственно предшествующих моменту аварии.
Результаты оценки состояния гидросооружений Шершневского гидроузла
Анализ результатов инструментальных и визуальных наблюдений с помощью информационно - диагностическая программы позволил выявить:
- участки гребня плотин с понижениями ниже проектной отметки на величину строительного допуска 5 см и более (до 16 см), что соответствует предельно допустимому состоянию;
- выявить зоны повышения кривой депрессии в теле грунтовой плотины, вызванного заилением трубчатого дренажа, что соответствует предельно допустимому состоянию и требует выполнения работ по промывке дренажа;
- недостатки в методике контроля фильтрационных расходов - измерение расходов выполнялись во время снеготаяния и дождей, а также на при пропуске части расхода под или в обход мерного водослива;
- выявить пьезометры потерявшие чувствительность вследствие заиления;
- большую погрешность выполняемых на гидроузле геодезических наблюдений.
Выводы
1. Информационно-диагностическая программа контроля эксплуатационного состояния гидротехнических сооружений Шершневского гидроузла на основе количественной оценки результатов инструментальных и визуальных наблюдений, выполняемых на гидроузле, позволяет дать количественную оценку каждому гидросооружению и определять одно из возможных эксплуатационных состояний: работоспособное при оценках меньше трех, предельно допустимое при оценках свыше трех, но меньше четырех, преда-варийное при оценках свыше четырех, но меньше пяти, и недопустимое (аварийное) при оценках свыше пяти, но меньше шести. Программа позволяет не только оценивать эксплуатационное состояние гидротехнических сооруже-
ний Шершневского гидроузла, но и дает рекомендации по действию эксплуатационного персонала при всех возможных изменениях показаний приборов и визуальных признаков. По итогам каждого планового обследования гидросооружений дается оценка показаний каждого прибора и каждого визуального признака, а также обобщенная оценка состояния каждого сооружения и акт оценки эксплуатационного состояния сооружений гидроузла.
2. На основе обработки результатов натурных наблюдений, выполняемых на гидроузле, определены критерии безопасности для всех приборов, контролирующих состояние гидросооружений, и для всех признаков визуального контроля; разработаны сценарии потенциально возможных гидродинамических аварий на грунтовой плотине, на бетонном водосбросе и на здании ГЭС и насосной станции.
3. На основе анализа результатов визуального контроля состояния гидросооружений и обработки результатов инструментальных наблюдений, выполняемых на гидроузле, получена оценка состояний грунтовой плотины равная 3,24 и обобщенная оценка состояния водосливной плотины и здания ГЭС и насосной станции равная 2.
Литература
1. Малаханов В.В. Техническая диагностика грунтовых плотин, Энерго-атомиздат. М.,1990
2. Малаханов В.В. Классификация состояний и критерии эксплуатационной надежности гидротехнических сооружений, Гидротехническое строительство, №11 , 2000
3. Малаханов В.В., Ермаков И.В. Можайский гидроузел: сорок лет эксплуатации гидросооружений, Мелиорация и водное хозяйство, №3, 2002
4. СНиП 3.02.01 - 87. Земляные сооружения. Основания и фундаменты
5. СНиП 2.06.05-84. Плотины из грунтовых материалов
