CC BY
79
ВОДНЫЕ ПУТИ, ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ И ПОРТЫ
УДК 627.059.1:502.5 П. А. Гарибин,
д-р техн. наук, проф., СПГУВК;
В. Е. Марлей,
д-р техн. наук, проф., СПГУВК;
Г. Г. Рябов,
СПГУВК
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОНТРОЛЕСПОСОБНОСТИ СООРУЖЕНИЙ —
ОДИН ИЗ ЭТАПОВ ПОСТРОЕНИЯ ПРОГНОЗНЫХ МОДЕЛЕЙ
MAINTENANCE OF SUPERVISING ABILITY OF CONSTRUCTIONS —
ONE OF STAGES OF CONSTRUCTION OF LOOK-AHEAD MODELS
Предложен оперативный метод калибровки математических моделей для адекватного описания работы гидротехнических сооружений, взаимодействующих с окружающей средой. Результаты работы необходимы для разработки обоснованных критериев безопасности строительной части судоходных гидротехнических сооружений и отслеживания текущего уровня технического состояния в режиме реального времени.
The operative method of calibration of mathematical models for the adequate description of work of the hydraulic engineering constructions co-operating with environment is offered. Results of work are necessary for working out of well-founded criteria of safety of a building part of navigable hydraulic engineering constructions and tracing of current level of a technical condition in a mode of real time.
Ключевые слова: контролеспособность гидротехнических сооружений, адекватность математических моделей, техническое состояние
Key words: supervising ability of hydraulic engineering constructions, adequacy of mathematical models, technical condition
КАК ИЗВЕСТНО, математический аппарат, используемый в настоящее время при выполнении поверочных расчетов строительных конструкций, настолько развит, что вычисление напряженно-деформированного состояния (НДС) сооружений не вызывает непреодолимых трудностей [1]. Это подтверждается многочисленными работами, посвященными решению тех или иных задач механики грунтов, гидродинамики, термических процессов, строительной механики, в том числе вычисление усилий и напряжений от воздействия гидростатического давления воды на сооружения, давления грунта засыпки на подпорные стены, определение общей и местной устойчивости сооружений и т. д.
В основе таких расчетов лежит метод конечных элементов (МКЭ). При этом накопленный опыт выполнения расчетов имеющимися математическими пакетами, в которых возможно учесть даже особенности расположения арматуры в конструкции и параметры существующих в бетоне трещин, позволяет решать задачи с гораздо меньшим количеством вводимых допущений и ограничений.
Однако высокая точность проводимых расчетов не может гарантировать достоверности полученных результатов ввиду наличия в их основе, как правило, недостаточного количества и не всегда точных исходных данных. Для корректного определения технического состояния гидротехнического сооружения требуется адекватная формализация
происходящих явлений, ориентированная на диагностику уникальных сооружений с использованием методов теории идентификации систем [2].
Под адекватной формализацией происходящих с сооружением явлений понимается математическое описание взаимодействия сооружений с окружающей средой, которое может быть получено только лишь после статистической [3] обработки данных наблюдений за сооружением. Действительно, учесть влияние изменения количественных значений исходных (натурных) случайных величин на окончательный уровень системы в целом представляется возможным только с использованием вероятностного метода оценки надежности, оперирующего реальными статистическими характеристиками параметров системы.
Более тщательный анализ данных натурных наблюдений, полученных эксплуатирующими организациями при мониторинге сооружений, позволяет сделать вывод о некорректности использования большинства традиционно контролируемых параметров при создании прогнозной математической модели сооружения. Для судоходных гидротехнических сооружений — шлюзов наиболее контролеспособными являются результаты створных наблюдений за отклонением верха стен камер.
Проиллюстрируем вышеизложенные соображения на примере Воткинского шлюза на реке Каме. Напор на шлюз составляет 23 м. Наблюдения за состоянием стен камер ведутся регулярно с 1963 г. Ввиду уникальности конструкции на шлюзе было размещено большое количество контрольно-измерительной аппаратуры (грунтовые и арматурные динамометры, дистанционные термометры, пьезометры, щелемеры), которую предполагалось использовать в основном для совершенствования методов расчета доковых конструкций. Расстановка аппаратуры была произведена только на двух секциях без постановки диагностических задач. Используемая первичная аппаратура не представляла собой измерительную систему с гарантируемыми метрологическими характеристиками. Оценка надежности первичных преобразователей, входящих в измерительную систему и работающих столь
продолжительный период времени, в отечественной практике отсутствует.
За период эксплуатации камеры Вот-кинского шлюза четырежды подверглись изменениям проектных условий статической работы:
— первый (1963) — ввод шлюза в эксплуатацию при не полностью засыпанных стенках камеры и пониженном напоре;
— второй (1964-1966) — завершение засыпки и устройство разгрузочных ящиков, наполнение водохранилища до НПУ (проектный режим);
— третий (1967-1976) — включение в статическую работу камер гарантийных анкеров;
— четвертый (1977 г. — и по настоящее время) — снятие натяжения анкеров и возвращение в проектный режим.
Анализ результатов обработки измерений показал, что наиболее правильным принципом формирования выборки данных является объединение показаний в два периода: за 1964-1976 гг. и 1977 г. и далее. Было установлено, что для парных шлюзов с небольшим межшлюзовым пространством необходимо учитывать предысторию створных наблюдений, т. е. отдельно рассматривать, из какого состояния камера пришла в исходное состояние при проведении измерений (рис. 1). Поэтому были рассмотрены 12 случаев работы шлюза в зависимости от возможных комбинаций изменения уровней воды в обеих камерах.
Подтверждением сказанного служат и результаты сравнительного анализа горизонтального смещения речной стенки Усть-Каменогорского шлюза [4] от переменного гидростатического воздействия и стенок Вот-кинского шлюза, который, кроме того, показал необходимость отдельной группировки результатов, полученных при наполнении и опорожнении камеры.
Замеры производились при изменении уровня воды на 1 м. Отдельно стоящая не засыпанная грунтом стенка Усть-Каменогорского шлюза стабильно возвращалась в начальное положение после процесса шлюзования, графики деформаций при наполнении и опорожнении фактически совпадают (рис. 2). В то же время, как показывает график смещения вер-
Рис. 1. Горизонтальные смещения верха стен камер шлюза от переменного гидростатического воздействия левой камеры Воткинского шлюза
ха стен камер Воткинского шлюза (см. рис. 1). их значения при наполнении и опорожнении камеры заметно отличаются друг от друга, имеются остаточные деформации (1,8 мм для створа № 1 и 0,75 мм для створа № 2).
Анализ результатов измерений показал, что средние отклонения в пределах одного створа мало отличаются друг от друга (разброс составлял 1,5-2,0 мм) за исключением крайних пунктов, расположенных на примы-
расчетные значения отклонений
Рис. 2. Горизонтальные смещения верха стен камер шлюза от переменного гидростатического воздействия речной стенки Усть -Каменогорского шлюза
кающих к головам секциях, отличающихся от остальных условиями защемления. Таким образом, для обработки данных в рассмотрение вводился массив всех измерений по секциям. Необходимый объем выборки (репрезентативность ряда) определялся по номограмме достаточно больших чисел в зависимости от меры изменчивости ряда и допустимой ошибки, принимаемой равной 0,05.
Известно, что вся информация об объекте содержится в его распределении вероятностей. Исходя из этого, основной целью статистической обработки данных является установление закона распределения случайных величин, который производился при помощи критерия согласия Пирсона, полученного на основании обработки гистограмм результатов проведенных комплексных исследований (рис. 3).
a
б
Рис. 3. Распределение вероятностей и интегральная кривая распределения вероятностей отклонения верха стенки створа № 2 Воткинского шлюза: а — при наполнении левой камеры; б — при опорожнении левой камеры
Для всех створов были построены интегральные кривые распределения, по которым, зная детерминированное значение предельного допустимого отклонения верха стенки, определялось, превысят ли текущие значения отклонения предельно допустимые значения.
Следует отметить, что вся диагностическая информация была получена с помощью геодезических измерений и промеров инварной проволокой, что наблюдения за сооружением производились дискретно — не чаще чем один раз в месяц. Качество исходной информации не всегда было удовлетвори-
тельным, так как ввиду объективных причин часто было невозможно учесть многие данные об окружающей среде (уровни грунтовых вод, температуру воздуха, колебания уровней воды в бьефах и т. д.).
Из приведенного примера видно, что именно получение увязанных между собой статистических данных о деформациях сооружения и действующих на него нагрузок является первоочередной задачей при создании адекватной математической модели сооружения, которая позволит, в конечном итоге, получить достоверную информацию о текущем уровне безопасности сооружения.
Для решения такой задачи необходимо разработать современную систему непрерывного контроля за техническим состоянием сооружения, основными элементами которой должны быть подсистемы измерений, наблюдений и сбора и обработки данных.
Система измерений, призванная повысить контролеспособность сооружения, должна включать в себя датчики уровня воды в камере, бьефах и в засыпке, датчики температуры, датчики деформаций.
Наиболее сложной составляющей системы измерений с технической точки зрения является датчик наблюдений за деформациями сооружения, происходящими в двух направлениях. Выполнение такой сложной задачи с достаточной степенью точностью возможно современными приборами путем измерения величин отклонений сооружения от вертикали (либо другой условной плоскости) электронными уклономерами (инклинометрами). Такой косвенный способ контроля за техническим состоянием строительных конструкций получил широкое распространение на особо опасных объектах.
Несмотря на то что все уклономеры выполняют одни и те же функции, их необходимо условно разделить на две группы. К первой группе следует отнести инклинометры, предназначенные для отслеживания критических отклонений элементов сооружений от их проектного положения. Они довольно распространены и имеют точность порядка 0,1°, что позволяет измерять перемещения от 35 мм при длине (высоте) элемента порядка 20 м.
Безусловно, такие параметры не могут быть приемлемыми при контроле судоходных гидротехнических сооружений (СГТС), так как даже обычные критериальные значения фиксируемых на СГТС деформаций (10^30 мм) ниже минимального предела измерений таких приборов.
Ко второй группе приборов относятся высокоточные инклинометры, точность которых не дает усомниться в возможности их применения. Минимальный предел измерений высокоточных инклинометров составляет при той же длине (высоте) контролируемого элемента порядка 20,0 м — 0,1^2,0 мм, что, безусловно, дает корректные результаты, как
при определении текущего уровня безопасности СГТС, так и при создании статистической модели. Инклинометры второй группы имеют ряд достоинств, к которым можно отнести стойкость к негативным воздействиям окружающей среды, виброустойчивость, стабильность показаний в течение длительного времени, возможность одновременного измерения перемещений в двух направлений и др.
Основным недостатком таких приборов является их стоимость, обусловленная, прежде всего, как нам кажется, отсутствием отечественных аналогов. Стоимость импортных приборов составляет примерно 3,5 тыс. евро за один инклинометр для измерения перемещений в одном направлении. Учитывая, что минимальное число таких датчиков, необходимых для оснащения одной секции камеры шлюза — 4 шт., а шлюзы ЕГС имеют, как правило, 8^10 секций, очевидно, что использование системы измерений с импортными инклинометрами будет нерентабельным.
Традиционно в СПГУВК (ЛИВТ) проводились многочисленные исследования в области определения гидродинамического воздействия потока воды на судно в процессе наполнения (опорожнения) камеры судоходного шлюза. Как известно, при проведении лабораторных работ, когда имеет место уменьшение масштаба сооружения по сравнению с натурой, измерение любой силы требует повышенной точности используемых первичных преобразователей. В связи с этим ЛИВТом была разработана контрольно-измерительная аппаратура, в состав которой входил первичный преобразователь уровневого типа, позволяющий измерять уклоны судна в процессе наполнения, т. е. косвенно определять гидродинамическую силу воздействия потока жидкости на плавающий объект.
В рамках поставленной задачи — построения прогнозной модели камеры шлюза — уклономер ЛИВТа вызывает интерес ввиду его точности порядка 15” (угловых секунд), которая позволит проводить изменения положения элементов конструкции с разрешением порядка 1,5 мм/20,0 м. Конечно, прибор, созданный в XX в., морально устарел. Для использования прибора в составе современной диагностической системы требуется его модернизация
в части снятия данных с первичного преобразователя с их последующей оцифровкой, разработка стойкого к негативным воздействиям окружающей среды корпуса и др.
Развитие аппаратных средств, сотовой связи, информационных технологий и, как уже отмечалось, математических методов открывает новые перспективы в организации мониторинга СГТС [5]. Многие задачи создания современного интерфейса уже успешно решены и апробируются в настоящее время в гидравлической лаборатории им. В. Е. Тимонова.
Однако уже сейчас ясно, что при положительных результатах апробаций и пуске серийного производства таких датчиков их стоимость будет на порядок ниже зарубежных аналогов.
Проводимые в учебно-научном центре безопасности гидротехнических сооружений (УНЦ БГТС) СПГУВК работы по определению возможности и эффективности создания измерительного узла на базе модернизированного уклономера ЛИВТа позволяют сделать положительные выводы о целесообразности его использования в составе системы измерений (для определения перемещений верха стен камер шлюзов) при определении текущего уровня безопасности сооружений и при построении прогнозных моделей СГТС. При этом предварительная оценка по укрупненным показателям доработки прибора и его внедрения показывает, что стоимость организации мониторинга будет на порядок ниже, чем при использовании в составе системы высокоточных импортных инклинометров.
Систему для фиксации перемещений верха стен камер шлюзов необходимо дополнить системой наблюдений, которая обеспечит профилометрический контроль за состоянием и выявлением изменений поверхности элементов сооружения. С использованием современных методов распознавания изображений это возможно осуществить в автоматическом режиме, используя, например, технологию лазерного сканирования, которая успешно применяется на Новосибирском шлюзе. Сведения о физико-механических характеристиках конструкционных материалов строительной части СГТС могут быть успешно получены с помощью неразрушающих методов контроля, например ультразвукового.
Использование современных методов статистической обработки данных позволит определить вероятность значения рассматриваемого параметра при определенном наборе внешних воздействий, которые будут использоваться в качестве исходных данных при построении прогнозной модели СГТС. Ввиду того, что с течением времени база данных будет пополняться, будет уточняться математическая модель, которая, в свою очередь, будет дополнять прогнозную модель сооружения.
Важно отметить, что использование такого подхода позволит отказаться от выполнения дорогостоящих геологических изысканий, так как данная методика позволит более точно определить взаимосвязь между деформациями камеры и действующими на нее нагрузками путем подбора характеристики грунтов, используя в качестве первой итерации их проектные значения.
Поскольку изложенный подход определения уровня безопасности СГТС с использованием прогнозных моделей является новым, то для его апробации и внедрения необходимо провести комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ:
— разработку структуры системы контроля состояния СГТС;
— создание модернизированной модификации уклономера ЛИВТа;
— приобретение и наладку всех элементов системы измерений;
— отладку системы интерфейса и информационного обеспечения наблюдений (передача данных на расстояние, мониторинг состояния сооружения на расстоянии, выбор методики статистической обработки данных, разработка программного обеспечения обработки данных);
— апробацию системы сбора и обработки данных на натурном объекте;
— создание математической модели (анализ статистических данных, верификация модели для нескольких вариантов внешних воздействий);
— создание многофакторной прогнозной модели, взаимосвязанной с системой контроля за техническим состоянием СГТС для отслеживания текущего уровня безопасности сооружения.
Список литературы
1. Гарибин П. А., Моргунов К. П., Рябов Г. Г. Построение прогнозных моделей камер судоходных шлюзов // Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление: материалы науч.-практ. конф., посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта. — СПб.: СПГУВК, 2009.
2. Параметрическая идентификация расчетных моделей гидротехнических сооружений / Д. А. Ивашинцев [и др.]. — СПб.: Изд-во ОАО «ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева», 2001. — С. 432.
3. Гарибин П. А. Вероятностный метод оценки состояния камер шлюзов по данным створных наблюдений // Гидротехническое строительство. — М.: Энергопрогресс, 1998. — № 11. —
С. 21-24.
4. Гарибин П. А., Мошков А. Б. Исследования в обоснование реконструкции Усть-Каменогорского шлюза // Материалы Всероссийской науч.-метод. конф. [тез. докл.]. — СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1994.
5. Балонин Н. А., Гарибин П. А., Марлей В. Е. Новые информационные технологии мониторинга гидротехнических сооружений // Журнал университета водных коммуникаций. — СПб.: СПГУВК, 2009.
УДК(626:626.421.4)001.2 А. М. Гапеев,
д-р техн. наук, проф, СПГУВК;
В. В. Кононов,
канд. техн. наук, доц., СПГУВК
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ НАПОЛНЕНИЯ КАМЕРЫ СУДОХОДНОГО ШЛЮЗА С ГОЛОВНОЙ КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМОЙ ПИТАНИЯ
HYDRAULICS PARAMETERS FOR FILLING OF NAVIGATION LOCK CHAMBER OF COMBINED HEAD SYSTEM FOR FEEDING
Рассматривается головная комбинированная система питания судоходного шлюза с наполнением камеры через отверстие между порогом верхней головы и консолью опускных ворот и через верх ворот, имеющий очертание в виде водослива вакуумного профиля.
Combined head system for feeding of navigation lock, functioning with water feeling, through opening between step of upstream end of lock and crest of cantilever of drop gate shaped like a vacuumed profile weir has been examined.
Ключевые слова: судоходный шлюз, комбинированная головная система питания, наполнение камеры, гидравлические характеристики, опускной затвор, гребень затвора
Key words: navigation lock, combined head system feeding, lock chamber filling, hydraulics characteristics, drop gates, crest of spillway
Н
А СУДОХОДНЫХ шлюзах России малого и среднего напора наибольшее распространение получила головная система наполнения камеры через отверстие между порогом верхней головы и нижней
кромкой плоских рабочих ворот при их подъеме (шлюзы ВДСК, ВБВП и др.). После подъема на расчетную высоту ворота останавливаются и остаются неподвижными до выравнивания уровней воды в камере и верхнем бьефе.
