CC BY
14
/36 Civil SecurityTechnology, Vol. 15, 2018, No. 4 (58) УДК 627.8
Новая технология повышения эффективности контроля безопасности гидротехнических сооружений
ISSN 1996-8493
© Технологии гражданской безопасности, 2018
М.С. Бабусенко, А.И. Вялышев, В.М. Добров, С.В. Дунчевская
Аннотация
Предложен новый подход к обследованию вертикальных стен гидротехнических сооружений при предде-кларационных и текущих технических обследованиях. Он позволяет существенно увеличить производительность обследования и является единственным способом, для проведения обследования стен высоких плотин с заданной точностью.
Ключевые слова: гидротехнические сооружения; декларация безопасности; телеуправляемые подводные аппараты; гидролокаторы бокового обзора; многолучевые эхолоты.
A New Technology to Improve the Safety Control of Hydraulic Structures
ISSN 1996-8493
© Civil Security Technology, 2018
M. Babusenko, А.Vialyshev, V. Dobrov, S. Dunchevskaya
Abstract
The paper gives a new approach to inspecting vertical walls of hydraulic structures before developing a safety declaration and while routine inspections. The approach helps improve inspection performance and it is the only way to inspect high dam walls with a desired accuracy.
Key words: mhydraulic structures; safety declaration; remotely operated underwater vehicles; side-scan sonars; multibeam echo-sounders.
Статья поступила в редакцию 18.09.2018.
Безопасность гидротехнических сооружений (далее — ГТС) в первую очередь определяется состоянием частей сооружений, подверженных напору воды. К таким сооружениям, в том числе, относятся плотины, дамбы, подводные части других гидросооружений. В соответствии с Федеральным законом «О безопасности гидротехнических сооружений» (№ 117-ФЗ от 21 июля 1997 года) для оценки состояния ГТС разрабатывается декларация безопасности сооружения.
По данным Российского регистра ГТС, поднадзорных Ростехнадзору сооружений промышленности, энергетики и водохозяйственного комплекса составляет около 30 тысяч, в том числе сооружений 1 класса (высота более 80 м) — 90 сооружений, 2 класса (высота от 50 м до 80 м) — 300 сооружений, 3 класса (высота от 20 м до 50 м) — 510 сооружений. Кроме того, имеется 11 атомных теплоэлектростанций, которые требуют обязательного обследования подводной части сооружения. В России находится две арочные плотины высотой более 200 метров. В мире таких плотин чуть более 20.
В соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 06.11.1998 № 1303 «Об утверждении Положения о декларировании безопасности гидротехнических сооружений» разработке декларации безопасности ГТС, находящихся в эксплуатации, консервируемых или ликвидируемых, предшествует их обследование. Декларация безопасности представляется декларантом в орган надзора не реже одного раза в 5 лет, с даты ввода ГТС в эксплуатацию.
Основной задачей технического обследования является своевременное выявление аварийно опасных дефектов и повреждений и принятие технических решений по восстановлению надежной и безопасной эксплуатации [1].
В ходе декларирования безопасности ГТС и специальных гидротехнических сооружений при проведении преддекларационных обследований наиболее трудоемкой и сложной является оценка технического состояния подводной части сооружения.
Кроме того, на всех ГТС должны вестись наблюдения за:
осадками и смещением сооружений и их оснований;
деформацией сооружений и облицовок, трещинами в них, состоянием деформационных и строительных швов, креплениями откосов грунтовых плотин, дамб, каналов и выемок;
воздействием потока на сооружение, в частности, на истирание и коррозию облицовок;
воздействием льда на сооружения.
Проблемой является получение детальной информации о вертикальных конструкциях ГТС с требуемой подробностью при работе на больших гидроэлектростанциях со значительными глубинами (более 40-50 м). Особую сложность и даже опасность представляют работы с напорной стороны водонапорных ГТС. При этом вблизи ГТС необходимо соблюдать большую осторожность.
Полученная информация о состоянии поверхности бетонных стенок ГТС позволяет оценить собственные деформации бетона и прогнозировать дальнейшее развитие установленных дефектов [2, 3].
Работы при проведении преддекларационных обследований обычно выполняются с привлечением водолазов со специальной подготовкой и оборудованием, во многом зависящей от мутности воды и освещенности, а также специальных технических средств.
Такими средствами являются телеуправляемые необитаемые подводные аппараты, многолучевые эхолоты и гидролокаторы бокового обзора.
Работы с помощью водолазов обычно проводятся до глубин не более 40-50 метров, но даже на меньших глубинах водолаз ограничен зоной видимости стенки гидротехнического сооружения и вследствие этого обладает малой производительностью.
Используемые многолучевые эхолоты и гидролокаторы бокового обзора при проведении подводно-техни-ческого обследования устанавливаются, как правило, на плавсредстве, перемещающемся по поверхность водоема. При большой высоте подводной части стенки ГТС пространственное разрешение становится низким и даже при самом высоком разрешении используемого оборудования с шириной луча до 0,2о — 0,3° невозможно получить требуемую детализацию [4].
Применение 2D и 3D многолучевых эхолотов (типа BlueView), устанавливаемых на жесткой опоре на дно вблизи стенки ГТС, а также гидролокаторов кругового обзора, позволяет получить качественное изображение только участков, непосредственно примыкающих к дну.
Получение высококачественного изображения или численной информации с использованием многолучевых эхолотов и гидролокаторов бокового обзора, установленных на телеуправляемых необитаемых подводных аппаратах, на практике представляется крайне сложным, так как в реальных условиях не удается обеспечить соблюдение двух основных необходимых условий: прямолинейное и равномерное движение носителя и высокоточное (с сантиметровой точностью) позиционирование носителя и определение параметров его пространственного положения.
Для повышения точности, рабочей глубины и существенного повышения производительности преддекларационных обследований предлагается использовать многофункциональный гидроакустический сканер (МГС).
Основным элементом МГС является универсальный гидроакустический модуль, в состав которого входит гидролокатор бокового/вертикального обзора, датчики ориентации и перемещения, дополнительные датчики относительного положения. Существенной особенностью модуля является то, что он может быть использован не только в составе МГС, но и установлен на телеуправляемые и автономные необитаемые подводные аппараты и другие носители с незначительным изменением конфигурации. В составе необитаемого подводного аппарата модуль может быть использован для обследования других типов подводных объектов (дно водоемов, подводные трубопроводы и т.п.) и поисковых работ.
Специализированный носитель для вертикального перемещения модуля представляет собой подводный носитель, перемещающийся в вертикальном направлении по тросовой опоре, на котором размещены модуль,
/38 См! SecurityTechnology, Vol. 15, 2018, N0. 4 (58)
вспомогательные гидроакустические датчики, датчики позиционирования и перемещения, система корректировки положения носителя в пространстве, блок гидрофизических и гидрохимических датчиков, подводная видеокамера с осветителем.
Перемещение носителя по тросовой опоре осуществляется с использованием механического устройства и/или винтовых движителей.
Питание устройства и обмен данными происходят с использованием кабель-троса. При проектировании специализированного носителя и его систем используются современные технологии, применяемые в подводных робототехнических комплексах [5].
Положение МГС в пространстве определяется с применением различных датчиков, показания которых сопоставляются, обрабатываются и позволяют увеличить результирующую точность (датчики крена-дифферента, компас, инерциальная система, система гидроакустического позиционирования).
Камера с осветителями с изменяемым углом установки позволяет получить видеоизображение зоны установки якоря или видеоизображение сканируемой поверхности (при наличии достаточной видимости). Сменный блок гидрофизических и гидрохимических датчиков обеспечивает получение информации по вертикальному распределению гидрофизических и гидрохимических параметров водной среды (рис. 1).
Рис. 1. Общий вид многофункционального гидроакустического сканера
Существенные улучшения существующих решений, планируемые в реализации МГС.
Для обеспечения возможности получения гидроакустической информации с постоянной высокой детализацией по всей высоте стенки, независимо от глубины, носитель перемещается по тросовой опоре, натянутой вертикально на небольшом расстоянии от стенки от поверхности до дна.
Прямолинейность и равномерность движения носителя обеспечивается винтовым движителем или механическим движущим устройством.
Носитель модуля может быть зафиксирован в любых точках на вертикальной траектории, что позволит использовать его не только при работе с гидролокатором, но и при работе с многолучевыми 2D и 3D эхолотами и звуковизорами.
При наличии достаточной видимости на носитель может быть установлено фото-видео-оборудование для выполнения визуальной съемки.
Плановая координата в процессе съемки каждого профиля остается постоянной и может быть определена с сантиметровой точностью с использованием приемника глобальной навигационной спутниковой системы, установленного на буйке. Положение носителя на профиле определяется с сантиметровой точностью с использованием датчика давления.
Пространственное положение носителя определяется с использованием комплекса датчиков (датчики микроэлектромеханической системы, инерциальная система, высокочастотные альтиметры, фиксирующие расстояние до конструкции). Сохранение необходимой ориентации в пространстве (параллельно обследуемой конструкции) обеспечивается применением корректирующих подводных двигателей, вращающих носитель вокруг тросовой опоры.
Использование гидролокатора бокового обзора позволяет при однократном проходе обследовать полосу стены гидротехнического сооружения, ширина которой представляет, ориентировочно, шестикратное расстояние от носителя модуля до стены, что многократно повышает производительность работ.
Для выполнения более детализированной съемки может быть уменьшено расстояние от тросовой опоры до стенки гидротехнического сооружения, при этом съемка выполняется по параллельным вертикальным профилям с уменьшенной шириной полосы обзора, с более высоким разрешением и перекрытием полос обзора. При этом гидроакустические изображения элементов стенки могут быть получены с разных профилей под разными углами обзора [6], что позволит максимально детально различить дефекты с невысокой акустической контрастностью (рис. 2). Одновременно могут быть получены данные о загрязнении водной среды.
Для повышения эффективности обнаружения дефектов стенок ГТС планируется использовать современные методы роботизированных технологий компьютерной обработки изображений [7] и различные алгоритмы улучшения качества гидроакустических изображений [8].
Рис. 2. Общее построение изображения вертикальной стены гидротехнического сооружения
Ключевые отличия МГС от существующих решений: наличие носителя модуля, позволяющего использовать различные варианты гидроакустического и прочего оборудования;
Рис. 3. Агрегатная стенка подводящего канала гидроэлектростанции с фиксацией участков с нарушением структуры поверхностного слоя бетона и межблочными горизонтальными швами
возможность реализации различных вариантов движения носителя — равномерное движение, фиксация в требуемых точках;
возможность контроля и корректировки положения носителя в пространстве для обеспечения получения качественных данных;
наличие дублирующих систем позиционирования и определения положения носителя в пространстве позволяет выполнять пространственную привязку получаемых данных с сантиметровой точностью.
Возможность получения детальной информации о состоянии поверхности стены гидротехнического
Литература
1. ВайнбергА. И. Оценка нормативного риска возникновения аварий на бетонных плотинах // Известия Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. Б. Е. Веденеева. 2008. Т. 250. С. 108-119.
2. Дурчева В. Н., Загрядский И. И. Анализ собственных деформаций бетона на эксплуатируемых плотинах по данным натурных наблюдений // Известия Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. Б. Е. Веденеева. 2000. Т. 237. С. 54-62.
3. Козлов Д. В., Кругов Д. А. Анализ собственных деформаций бетона по данным натурных наблюдений на плотине богучанского гидроузла // Гидротехническое строительство. 2005. № 1. С. 31-36.
4. Марчук А. Н. Некоторые уроки натурных наблюдений на высоких бетонных плотинах // Гидротехническое строительство. 2018. № 4. С. 2-12.
Сведения об авторах
Бабусенко Михаил Владимирович: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), с. н. с.
121352, г. Москва, ул. Давыдковская, 7. e-mail: mik6377@yandex.ru SPIN-код — 1352-7271.
Вялышев Александр Иванович: д. физ.-мат. н., ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), г. н. с. научно-исслед. центра. 121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. e-mail: vialyshev@rambler.ru SPIN-код — 1070-5547.
Добров Владимир Михайлович: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ),
с. н. с. научно-исслед. центра.
121352, Москва, ул. Давыдковская, 7.
е-mail: dobrov007@mail.ru
SPIN-код — 1235-0759.
Дунчевская Светлана Викторовна: ООО НПП «Форт XXI», ген. дир.
141074, г. Королев, ул. Пионерская, д. 4. E-mail: svd@fort21.ru
Рис. 4. Придонный участок стенки гидроэлектростанции с фиксацией участков с межблочными горизонтальными швами
сооружения с использованием высокочастотного гидроакустического оборудования показана на следующих фрагментах изображений (рис. 3, 4):
Таким образом, предлагаемый многофункциональный гидроакустический сканер позволит существенно повысить эффективность контроля безопасности гидротехнических сооружений, сочетая многофункциональность, высокую разрешающую способность с высокой производительностью, и в ряде случаев для высоких плотин, явится единственным средством проведения текущих обследований подводной части сооружений.
5. Инзарцев А. В., Киселев Л. В., Костенко В. В., Матвиенко Ю. В., Павин А. М., Щербатюк А. Ф. Подводные робототехнические комплексы: системы, технологии, применение. Владивосток, 2018.
6. Панов Д. И., Амнинов Д. В. Восстановление изображения объекта по различным ракурсам // Известия ТРТУ. 2001. № 3 (21). С.50-51.
7. Тупиков В. А., Павлова В. А., Севбо В. Ю., Крюков С. Н., Фролов В. Н., Шульженко П. К. Повышение эффективности автоматического обнаружения морских объектов гидроакустической системой путем внедрения роботизированной технологии компьютерной обработки изображений // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. № 3. С. 70-79.
8. Сущенко А. А. Параллельный алгоритм улучшения качества гидроакустических изображений // Сб. «Научный сервис в сети Интернет: поиск новых решений»: Труды Международной суперкомпьютерной конференции. 2012. С. 684-687.
Information about the authors
Babysenko Mihail S.: All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Leading Research Center Researcher.
7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. e-mail: mik6377@yandex.ru SPIN-scientific — 1352-7271.
Vyalyshev Aleksandr I.: Doctor of Physical and Mathematical Sciences, All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Chief Researcher of the Research Center. 7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. e-mail: vialyshev@rambler.ru SPIN-scientific — 1070-5547.
Dobrov Vladimir M.: All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Senior Researcher of the Research Center.
7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. e-mail: dobrov0o7@mail.ru SPIN-scientific — 1235-0759.
Dunchevskaya Svetlana V.: "Fort 21" Ltd, General Director. 4, Pionerskaya, Korolev, 141074, Russia. E-mail: svd@fort21.ru
