CC BY
42
528.482
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ДЕФОРМАЦИЙ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО СООРУЖЕНИЯ ГРЭС - ДВУХСТУПЕНЧАТОГО ПЕРЕПАДА
Антон Викторович Никонов
АО «Сибтехэнерго», 630032, Россия, г. Новосибирск, ул. Планировочная, 18/1, кандидат технических наук, ведущий инженер, e-mail: [email protected]
Ирина Николаевна Чешева
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, ст. преподаватель кафедры инженерной геодезии и маркшейдерского дела, тел. (383)343-29-55
Надежда Михайловна Рябова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры инженерной геодезии и маркшейдерского дела, тел. (383)343-29-55
В статье представлены сведения о конструктивных особенностях двухступенчатого перепада - гидротехнического сооружения отводящего тракта. Данное сооружение представляет собой лоток из монолитного железобетона длиной 33,1 м с расстоянием между стенками в свету 1,5 м. С целью мониторинга деформаций двухступенчатого перепада предложено установить в его конструкциях деформационные марки, а вблизи заложить три глубинных свайных опорных пункта. Все измерения предполагается выполнять электронным тахеометром, в частности отметки деформационных марок находить из тригонометрического нивелирования. По результатам предрасчета установлено, что средняя квадратическая ошибка определения планового положения деформационной марки относительно опорного пункта не превышает 1,5 мм, высотного положения - 0,5 мм, что соответствует заданной точности измерений II класса.
Ключевые слова: двухступенчатый перепад, электронный тахеометр, тригонометрическое нивелирование, точность, деформация сооружений, деформационная марка, ошибка измерения.
DEVELOPMENT OF THE PROGRAM OF GEODESIC MONITORING OF DEFORMATIONS OF HYDRAULIC ENGINEERING STRUCTURE - A TWO-STAGE FALL
Anton V. Nikonov
Sibtechenergo, 18/1, Planirovochnaja St., Novosibirsk, 630032, Russia, Ph. D., Leading Engineer, e-mail: [email protected]
Irina N. Chesheva
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Senior Lecturer, Department of Engineering Geodesy and Mine Surveying, phone: (383)343-29-55
Nadezhda M. Ryabova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D., Associate Professor, Department of Engineering Geodesy and Mine Surveying, phone: (383)343-29-55
The article presents information on the design features of the two-stage fall - the hydraulic structure of the outflow tract. This structure is a tray of monolithic reinforced concrete with a length of 33.1 m with a distance between the walls of 1.5 m. In order to monitor the deformations of the two-stage fall, it is proposed to install deformation marks in its structures, and lay three deep pile bearing points nearby. All measurements are supposed to be performed by an electronic total station, in particular marks of deformation marks can be found from trigonometric leveling. According to the results of the calculation, it is established that the average quadratic error in determining the planned position of the deformation mark relative to the reference point does not exceed 1.5 mm, the altitude position is 0.5 mm, which corresponds to the specified accuracy of class II measurements.
Key words: two-stage fall, total station, trigonometric leveling, accuracy, deformation of structures, deformation mark, measurement error.
В главном корпусе тепловой электростанции имеется различное технологическое оборудование, требующее охлаждения. В частности конденсатор паротурбинной установки играет роль холодного источника - в нем происходит конденсация отработанного пара. В качестве теплообменной среды, как правило, используется вода. Для того чтобы температура холодного источника была постоянной, необходимо, чтобы циркуляционная вода имела постоянную температуру. Для этих целей охлаждающая вода непрерывно поступает из водоема (пруда-охладителя, озера или бассейна градирни) в теплообменные устройства, и, приняв тепло, сбрасывается обратно для охлаждения. Такая система водоснабжения называется оборотной.
На рассматриваемой ГРЭС охлаждение циркуляционной воды осуществляется в естественном водохранилище, в качестве которого выступает озеро. По сливным циркводоводам через оголовок слива теплая вода от энергоблока поступает в сифонный колодец и далее по открытому отводящему каналу до котлована, а из последнего через двухступенчатый перепад в водохранилище. Перепад уровня воды отводящего земляного канала и уровня водохранилища составляет 4,70 м.
Двухступенчатый перепад (рис. 1) является одним из сооружений отводящего тракта и располагается в 1,2 км от главного корпуса ГРЭС. В конструктивном отношении перепад выполнен в монолитном железобетоне прямоугольной доковой конструкции с расстоянием между стенками в свету 1,5 м. Толщина стенок изменяется от 500 мм у основания до 300 мм в верхней части. Высота стенок перепада переменная: высота первой ступени 2,35 м, второй 2,65 м. Длина первой ступени составляет 12,10 м, второй - 12,50 м. Общая длина перепада равна 33,1 м. На первой ступени предусмотрена водобойная стенка высотой 0,80 м, на второй ступени предусмотрен водобойный колодец глубиной 0,30 м. С целью предотвращения фильтрационных деформаций грунта вдоль стен перепада предусмотрена противофильтрационная диафрагма длиной 2,0 м с каждой стороны.
Рис. 1. Конструкция двухступенчатого перепада
Сопряжение двухступенчатого перепада с верховой и низовой частью отводящего канала выполнено посредством подпорных стенок из монолитного железобетона. Длина верховых подпорных стенок 12,0 м, низовых - 8,5 м. Между подпорными стенками и двухступенчатым перепадом, а также между участками двухступенчатого перепада имеются деформационные швы.
Согласно СП 58.13330.2012 [1], сооружения отводящего тракта (в том числе и перепад) относятся ко II классу, как гидротехнические сооружения ТЭС установленной мощностью от 300 до 1000 МВт. Сооружения отводящего тракта рассчитаны на расход 22 000 м /ч.
В соответствии с Правилами [2] в установленные сроки и в предусмотренном объеме на всех ГТС должны вестись наблюдения за осадками и смещениями сооружений и их оснований, деформациями сооружений и облицовок, трещинами в них, состоянием деформационных и строительных швов.
В СП 23.13330.2011 [3] указано, что при проектировании оснований сооружений 1-111 классов необходимо предусматривать установку контрольно-измерительной аппаратуры (КИА) для проведения натурных наблюдений за состоянием сооружений и их оснований как в процессе строительства, так и в период их эксплуатации. Также отмечается, что в проектах оснований сооружений должна быть предусмотрена программа мониторинга, главной задачей которого является обеспечение безопасности строительства и эксплуатации сооружений, включая выявление опасных процессов и явлений для разработки предупреждающих и защитных мероприятий [3].
В действительности проектной документацией не была предусмотрена установка КИА в конструкциях двухступенчатого перепада, поэтому после визуального выявления деформаций возникла необходимость в разработке программы мониторинга сооружения.
В 2015 г. сотрудниками НИИЖБ им. А. А. Гвоздева проводилось инструментальное обследование двухступенчатого перепада. Установлено, что сте-
пень уплотнения земляной насыпи вокруг перепада соответствует проектным значениям. Были измерены расстояния между стенками перепада в свету, которые по проекту должны составлять 1500 мм. В среднем расстояние между стенками оказалось уменьшенным на 110 мм, что вероятно связано с деформацией стенок, обусловленной давлением грунта с внешней стороны лотка. Выявлено, что стенки двухступенчатого перепада имеют наклон вовнутрь, что свидетельствует о наличии именно деформационных процессов, а не строительного дефекта.
Научно-исследовательской организацией также был выполнен расчет конструкции двухступенчатого перепада, который показал недостаточное проектное горизонтальное армирование на отдельных участках стен лотка. Было рекомендовано усилить лоток горизонтальными металлическими распорками (рис. 2).
Рис. 2. Общий вид двухступенчатого перепада с установленными распорками
При проведении мониторинга положения строительных конструкций наиболее ответственных гидротехнических сооружений (судоходных шлюзов, плотин и пр.) в последнее время все чаще применяются непрерывные методы наблюдений с использованием датчиков углов наклона, автоматизированных электронных тахеометров, ГНСС-приемников [4-8]. Измерительная информация с данной аппаратуры посредством каналов связи передается на управляющий компьютер, где производится ее анализ и принятие решения.
Учитывая конструктивные особенности двухступенчатого перепада (небольшие размеры; установленные стальные распорки, предотвращающие дальнейшее перемещение стенок лотка вовнутрь) нами было принято решение выполнять контроль планово-высотного положения его конструкций периодически - циклами (1-2 цикла в год). В соответствии с требованиями п.4.6 ГОСТ 24846-2012 [9] был принят II класс точности измерений: допустимая погрешность измерения вертикальных перемещений - 2 мм, горизонтальных - 5 мм.
Поскольку величины перемещений определяют по результатам наблюдений в двух циклах, то в каждом отдельном цикле погрешность не должна превышать 1 мм по высоте и 2,5 мм в плане.
Для выполнения измерений в верхних частях стенок лотка и подпорных стенок в тело бетона были заложены деформационные марки в виде стальных болтов с кернением точки для установки мини-вешки. Схема размещения деформационных марок и их внешний вид представлены на рис. 3.
Рис. 3. Деформационные марки: а) схема мест установки; б) внешний вид марок, установленных по обе стороны от деформационного шва
Для определения величин абсолютных перемещений деформационных марок было принято решение запроектировать три исходных опорных пункта в виде железобетонных свай, с устройством металлической тумбы для принудительного центрирования прибора. Минимум три пункта необходимо для выполнения анализа их устойчивости перед каждым циклом измерений. Подобная конструкция исходного пункта показана в статье [10]. Расчет сваи выполнялся с учетом фактических геологических и климатических условий участка работ. Установлено, что силы морозного пучения не окажут влияние на стабильность сваи при ее длине £=12 м. Исходные опорные пункты (Яр-1, Яр-2, Яр-3) для обеспечения их устойчивости были запроектированы на расстоянии порядка 100 м от гидротехнического сооружения. В непосредственной близости от
двухступенчатого перепада было принято решение разместить бетонную плиту Пм1 для того, чтобы устанавливать на ней электронный тахеометр во время измерений. В противном случае, установка прибора на песчаное основание не позволила бы выполнить измерения на заданном уровне точности вследствие его оседания (рис. 4).
Рис. 4. Расположение исходных опорных пунктов и плиты Пм1
Установлена следующая последовательность выполнения геодезических измерений в каждом цикле:
- определение устойчивости опорных геодезических пунктов путем измерений углов и расстояний в образованном ими треугольнике, а также проложе-нием между ними нивелирных ходов по методике I класса [9];
- определение плановых координат рабочей станции (тахеометра на штативе, установленного на плите Пм1) посредством измерения расстояний и углов в треугольнике, образованном Пм1 и двумя пунктами Лр-1 и Яр-2 (измерения по трехштативной системе);
- определение высотного положения рабочей станции путем измерения превышения между Пм1 и Лр-1 методом тригонометрического нивелирования из середины [11-13];
- определение координат и отметок деформационных марок полярным способом с рабочей станции.
Предрасчет точности определения плановых координат рабочей станции (Пм1) выполнялся в программном продукте Сгеёо_ёа1. При выполнении пред-расчета предполагалось, что в треугольнике измеряются все три угла и расстояния со средней квадратической ошибкой (СКО) шр=2" и ш$=2 мм соответствен-
но. Расчетная ошибка положения рабочей станции в плане составила шрс. =1 мм (Р=0,68).
На рис. 5 показана схема измерений полярным способом. Таким образом, положение всех деформационных марок определяется с одной установки электронного тахеометра (рабочей станции). Помощник геодезиста последовательно устанавливает визирную цель (мини-вешку с отражателем) на контрольных точках.
Рис. 5. Схема измерения координат и высот деформационных марок полярным
способом с рабочей станции
Предрасчет точности определения положения деформационной марки полярным способом относительно рабочей станции (Пм1) производился по известной формуле (1).
I ш2
шу ^ш2 ^2. (1)
Принимая максимальное расстояние от тахеометра до марки 5=30 м, ошибку измерения угла шр=2,0", ошибку измерения расстояния длиной до 30 м -ш5 =1,0 мм [14] была получена СКО определения координат деформационной марки в плане шху=1,0 мм. Ошибка Мху положения деформационной марки в плане относительного опорного пункта (с учетом ошибки определения рабочей станции) составила
М =Л/ш2 + ш2 =у112 +12 «1,4мм (2)
ХУ \ р.с. ху * 9 ? V /
что не превышает ранее установленного критерия (2,5 мм).
Аналогичным образом рассчитывалась точность высотных определений. Для определения отметки рабочей станции тахеометр на втором штативе уста-
навливают посредине между Пм1 и £р-1. Точность передачи высоты определяется по формуле
2 2
2 ч 2 2 S m
m "
h ст"л l(2SÍn а) mS +-Г^ • (3)
Р
Принимая в формуле (3) угол наклона а=5°, ошибку расстояния ш5=1,5 мм, ошибку измерения угла наклона ша=2,0" и длину плеча 5=45 м ошибка измерения превышения на станции составит ши ст =0,64 мм. Выполняя передачу отметки четырьмя приемами, окончательная СКО передачи высоты на рабочую станцию равна шир.с.=0,32 мм.
Ошибка измерения превышения между осью вращения зрительной трубы и деформационной маркой находится по формуле
i о о ^^^ о о о о
mh = íms sin ал—а-S cos а + m¡ + ms, (4)
Р
где m/- ошибка измерения высоты визирной цели; ms - ошибка за наклон визирной цели.
Ошибкой определения высоты визирной цели можно пренебречь (при использовании мини-вешки из комплекта тахеометра фиксированная высота принимается /=100 мм), ошибка за наклон визирной цели при отклонении вешки от вертикали 8=15', S=25 м, угле наклона а=15°, высоте визирной цели / = 100 мм составит ms = 0,11 мм [15].
Подставляя в формулу (4) величины ma =2,0'', mS =1,0 мм, а=15°, S=25 м, ms=0,11 мм СКО измерения превышения одним приемом составит
2,02
mh = J1,02 sin 152 + 2 250002 cos152 + 0,112 = 0,37 мм. (5)
2062652
Тогда окончательно СКО высотного положения деформационной марки относительно опорного пункта (Яр-1) будет вычисляться как
M,
H
рс + ml =40,322 + 0,372 « 0,49 мм, (6)
что не превышает ранее установленного критерия (1,0 мм) и подтверждает возможность успешного применения тригонометрического нивелирования при наблюдении за осадками и деформациями сооружений [16-18].
Таким образом, в статье рассмотрена последовательность выполнения геодезического мониторинга конструкций двухступенчатого перепада. Выполнение измерений по предложенной схеме с использованием электронного тахеометра позволяет определять положение деформационных марок относительно
опорного пункта в каждом цикле с ошибкой: в плане МХУ=1,4 мм, по высоте -Мн=0,5 мм, что соответствует точности II класса.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. СП 58.13330.2012 «Гидротехнические сооружения. Основные положения» (актуализированная редакция СНиП 33-01-2003).
2. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации : Утв. Минэнерго России 19.06.03: Ввод. с 01.10.03 СПб : ДЕАН, 2003. - 332 с.
3. СП 23.13330.2011 «Основания гидротехнических сооружений» (актуализированная редакция СНиП 2.02.02-85).
4. Козлов Р.В., Ли В, Моргунов К.П. Использование современных средств измерения деформаций при исследовании сооружений Волгоградского гидроузла // Вестник гос. унив-та морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. - 2017. - Т. 9. № 1. - С. 95-110.
5. Скрипников В. А., Скрипникова М. А. Геодезические наблюдения за горизонтальными смещениями плотин // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Ме-ждунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т. 1. - С. 9-12.
6. Скрипников В. А., Скрипникова М. А. Совершенствование схем планового обоснования для определения горизонтальных смещений гидротехнических сооружений // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск : СГГА, 2011. Т. 1, ч. 1. - С. 97-100.
7. Резник Б. Е. Непрерывные геодезические измерения деформаций строительных конструкций эксплуатируемых сооружений // Геопрофи. - 2008. - № 4. - С. 4-10.
8. Резник Б. Е. Методика контроля фундаментов ВЭУ при непрерывном мониторинге // Геопрофи. - 2016. - № 6. - С. 40-47.
9. ГОСТ 24846-2012. Грунты. Методы измерений деформаций оснований зданий и сооружений [Электронный ресурс] : Межгос. стандарт. - Введ. 01.07.2013.- М.: Стандартин-форм, 2014. - 22 с.
10. Создание геодезической основы для строительства объектов энергетики // Г. А. Уставич, Г. Г. Китаев, А. В. Никонов, В. Г. Сальников / Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2013. - №4/С. - С.48-54.
11. Никонов А. В. Исследование точности тригонометрического нивелирования способом из середины с применением электронных тахеометров // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 2 (22). -С.26-35.
12. Никонов А. В. Технологические схемы при проложении ходов тригонометрического нивелирования // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 1. - С. 77-83.
13. Никонов А. В. Исследование влияния вертикальной рефракции на результаты тригонометрического нивелирования короткими лучами способом из середины // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2014. -№1. - С.28-34.
14. Никонов А. В. Исследование точности измерения расстояний электронными тахеометрами в безотражательном режиме // Вестник СГУГиТ. - 2015. - Вып.1 (29). - С. 43-53.
15. Пискунов М. Е. Влияние наклона рейки на точность тригонометрического нивелирования короткими лучами из середины // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 1972. -№3. - С.9-14.
16. Никонов А. В. Опыт применения тригонометрического нивелирования с использованием электронных тахеометров для наблюдений за осадками сооружений // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинфор-
матика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск : СГГА, 2013. Т. 1. - С. 78-86.
17. Никонов А. В. Особенности применения современных геодезических приборов при наблюдении за осадками и деформациями зданий и сооружений объектов энергетики // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 4 (24). - С. 12-18.
18. Никонов А. В. Методика тригонометрического нивелирования первого и второго разрядов // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2015. - №5/С. - С. 39-45.
© А. В. Никонов, И. Н. Чешева, Н. М. Рябова, 2018
