Глава_4.1

4. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА
ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ
СМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
(на примере ГК гидротехнических сооружений
технического водоснабжения ТЭС-2400 МВт)
4.1. Общая технологическая схема
ГК горизонтальных смещений
Контроль горизонтальных смещений некоторых видов сооружений и технологического оборудования промышленных предприятий имеет специфические особенности среди других видов контроля геометрических параметров.
К таким особенностям, прежде всего, относят специфические способы, методы
и средства измерений, присущие, как правило, контролю данного типа параметров.
Технология ГК горизонтальных смещений состоит из трех основных процессов, которые, в свою очередь, включают в себя определенные этапы.
1. Проектирование технологии контроля:
- выбор объектов, параметров, разработка методов, назначение точности
и периодичности контроля;
- выбор схемы и метода контроля параметра с разработкой схемы размещения геодезической КИА, расчетом точности измерения элементов геометрической схемы, назначением метода и средств измерений;
- разработка методов обработки результатов измерений и форм отчетной
документации по контролю горизонтальных смещений.
2. Проведение геодезического контроля на объекте:
- изготовление и установка геодезической КИА;
- подготовка персонала, приборов, приспособлений;
- разработка правил техники безопасности и пожарной безопасности при
проведении контроля;
- выполнение измерений.
3. Обработка и анализ результатов измерений:
- проверка и обработка первичной документации;
- уравнивание результатов измерений;
- вычисление отклонений параметров;
- построение графиков;
- заполнение паспорта объекта или составление технического отчета.
99
4.2. Выбор объектов, геометрических параметров,
разработка методов, назначение точности
и проектирование периодичности контроля
Контроль горизонтальных смещений в процессе строительства и эксплуатации в проектах назначают, как правило, для объектов, испытывающих силовые
горизонтальные нагрузки или температурные воздействия, приводящие к изменению формы самого объекта или его пространственного положения в горизонтальной плоскости относительно основания и других взаимосвязанных объектов.
К таким объектам относятся:
1) постоянные гидротехнические сооружения:
- плотины;
- устои и подпорные стены, входящие в состав напорного фронта;
- крупные дамбы обвалования;
- берегоукрепительные (внепортовые), регуляционные и оградительные сооружения;
- водосбросы;
- водоприемники и водозаборные сооружения;
- каналы деривационные, судоходные, водохозяйственных и мелиоративных систем, комплексного назначения и сооружения на них;
- напорные бассейны и уравнительные резервуары;
- гидравлические, гидроаккумулирующие электростанции, насосные станции и малые гидроэлектростанции;
- судоходные сооружения (шлюзы, судоподъемники и судоходные плотины);
- гидротехнические сооружения портов (пристани, набережные, пирсы),
судостроительных и судоремонтных предприятий;
- гидротехнические сооружения тепловых и атомных электростанций;
- рыбопропускные сооружения, входящие в состав напорного фронта;
- сооружения, входящие в состав инженерной защиты городов, сельскохозяйственных и народнохозяйственных угодий и других народнохозяйственных
объектов;
- морские нефтегазопромысловые гидротехнические сооружения;
- сооружения навигационной обстановки;
2) сооружения на оползнях;
3) подпорные стенки, служащие опорой для зданий и сооружений;
4) некоторые виды точного технологического оборудования, горизонтальные смещения частей которого влияют на качество выпускаемой продукции.
Наиболее сложным в техническом отношении является контроль горизонтальных смещений гидротехнических сооружений и, особенно, плотин 1 и 2 классов.
Это связано прежде всего с тем, что каждое гидротехническое сооружение
возводится по индивидуальному проекту. Условия строительства и эксплуатации этих сооружений (особенно плотин) столь разнообразны, а надежность не100
которых из них должна быть настолько высока, что для подтверждения при
проектировании правильности расчетов на прочность и устойчивость, производят сложные испытания на моделях малого масштаба (СНиП 2.06.01-85). Для
оценки технических состояний таких сооружений в процессе их строительства
и эксплуатации проектами предусматривают не только контроль известных параметров, но и специальные исследования и наблюдения за состоянием основания, бортов и самих объектов.
В связи с вышесказанным, следует иметь ввиду, что для сооружений, в проектах которых предусмотрены специальные исследования и наблюдения и отсутствуют допуски на геометрические параметры, следует руководствоваться
программами этих исследований и наблюдений, в которых должны быть прописаны точность, периодичность, методы и средства измерений, о чем говорилось в разделе 2.
Для указанных выше технических объектов, как правило, применяют
сплошной, активный, периодический контроль. Категорию контроля для гидротехнических сооружений, кроме признаков, оговоренных табл. 2.2, рекомендуется назначать в зависимости от класса сооружения (табл. 4.1, 4.2). Класс основных сооружений, входящих в состав напорного фронта, должен устанавливаться по сооружению, отнесенному к более высокому классу и более высокому значению из указанных таблиц.
Деформация гидротехнического сооружения, ее характер и размер зависят от
нагрузок, свойств грунта, конструкции сооружения и его температурного режима.
Огромные массы воды, заполняющие водохранилище, пригружают своим
весом поверхность грунта в верхнем бьефе и приводят к образованию фильтрационного потока в основании сооружения, что влечет за собой существенное
изменение напряженного состояния основания и наклон его поверхности в сторону верхнего бьефа. Теоретические исследования и результаты натурных
наблюдений за осадкой и сдвигом возведенных сооружений показывают, что,
несмотря на значительные горизонтальные нагрузки, возникающие при наполнении водохранилища, наклон гравитационных плотин в процессе этого наполнения в большинстве случаев происходит в сторону верхнего бьефа.
Таким образом, нагрузка на поверхность грунта верхнего бьефа весом воды и возникновение фильтрационного потока в основании оказывают преобладающее влияние на величину и направление наклона сооружения в процессе
наполнения водохранилища.
В период эксплуатации основным фактором, влияющим на изменение
напряженного состояния основания гидротехнического сооружения, является
сезонное колебание горизонта воды в верхнем и нижнем бьефах, которое связано как с прохождением паводковых вод, так и со сработкой горизонта воды в
водохранилище. Вследствие этого изменяется горизонтальная и вертикальная
нагрузки на основание, а также интенсивность гидродинамического давления
фильтрационного потока. Сезонные колебания воды приводят к появлению
преимущественно упругих деформаций основания, величина которых меньше
полных деформаций.
101
Таблица 4.1
Класс основных постоянных гидротехнических сооружений в зависимости
от их высоты и типа грунтов основания (выписка из СНиП 2.06.01-85)
Тип грун- Высота сооружений, м, при их классе
Сооружения
тов осноI
II
III
IV
вания
1. Плотины из грунтовых матеА
более 100 от 70 до от 25 до менее 25
риалов
100
70
Б
« 75
« 35 « 75 « 15 « 35
« 15
В
« 50
« 25 « 50 « 15 « 25
« 15
2. Плотины бетонные и железоА
более 100 от 60 до от 25 до менее 75
бетонные; подводные кон100
60
струкции зданий гидроэлектроБ
« 50
« 25 « 50 « 10 « 25
« 10
станций; судоходные шлюзы;
В
« 25
« 20 « 25 « 10 « 20
« 10
судоподъемники и другие сооружения, участвующие в создании напорного фронта
3. Подпорные стены
А
более 40 от 25 до от 15 до менее 15
40
25
Б
« 30
« 20 « 30 « 12 « 20
« 12
В
« 25
« 18 « 25 « 10 « 18
« 10
4. Морские причальные сооруА, Б, В более 25 от 20 до менее 20
жения основного назначения
25
(грузовые, пассажирские, судостроительные, судоремонтные и
т. д.)
5. Морские внутрипортовые
А, Б, В
более 15 15 и меоградительные сооружения; бенее
реговые укрепления пассивной
защиты; струенаправляющие и
наносоудерживаюшие дамбы и
др.
6. Оградительные сооружения
А, Б, В более 25 от 5 до 25 менее 5
(молы, волноломы и дамбы);
ледозащитные сооружения
7. Сухие и наливные доки;
А, Б, В
более 15 15 и меналивные доккамеры
нее
« 10
10 «
8. Стационарные буровые платА, Б, В более 25 25 и меформы на шельфе для добычи
нее
нефти и газа; эстакады в открытом море; искусственные острова
102
Примечания: 1. Грунты: А – скальные; Б – песчаные, крупнообломочные
и глинистые в твердом и полутвердом состоянии; В – глинистые, водонасыщенные
в пластичном состоянии.
2. Высоту гидротехнического сооружения и оценку его основания следует определять в соответствии со СНиП по проектированию отдельных видов гидротехнических сооружений и оснований.
3. В поз. 4 и 6 настоящей таблицы вместо высоты сооружения принята глубина
у сооружения, в поз. 8 – глубина в месте установки.
Таблица 4.2
Класс основных постоянных гидротехнических сооружений
в зависимости от последствий нарушения их эксплуатации
(социально-экономической ответственности) (выписка из СНиП 2.06.01-85)
Объекты гидротехнического строительства
1. Гидротехнические сооружения гидравлических, гидроаккумулирующих и тепловых электростанций мощностью, млн. кВт:
1,5 и более
менее 1,5
2. Гидротехнические сооружения атомных электростанций независимо от мощности
3. Гидротехнические сооружения и судоходные каналы на внутренних водных путях (кроме сооружений речных портов):
сверхмагистральных
магистральных и местного значения (см. примеч. 1 к таблице)
4. Гидротехнические сооружения мелиоративных систем при площади орошения и осушения, обслуживаемой сооружениями, тыс. га:
свыше 300
свыше 100 до 300
свыше 50 до 100
50 и менее
5. Подпорные сооружения водохранилищ мелиоративного назначения при объеме, млн. м3:
свыше 1 000
свыше 200 до 1 000
свыше 50 до 200
50 и менее
6. Каналы комплексного водохозяйственного назначения и сооружения на них. Суммарная годовая стоимость валовой продукции водопотребителей:
св. 1 млрд. руб.
103
Класс
сооружений
I
II – IV
I
II
III
I
II
III
IV
I
II
III
IV
I
от 500 млн. до 1 млрд. руб.
от 100 млн. до 500 млн. руб.
менее 100 млн. руб.
II
III
IV
Окончание табл. 4.2
7. Морские оградительные сооружения и гидротехнические сооружения морских каналов, морских портов при объеме грузооборота
и числе судоходов:
свыше 6 млн. т сухогрузов (св. 12 млн. т наливных) и 800 транспортных судов в навигацию
от 1,5 до 6 млн. т сухогрузов (от 6 до 12 млн. т наливных)
от 600 до 800 транспортных судов
менее 1,5 млн. т сухогрузов (менее 6 млн. т наливных) и менее
600 транспортных судов
8. Морские оградительные сооружения и гидротехнические сооружения морских судостроительных и судоремонтных предприятий
и баз в зависимости от класса предприятия
9. Морские причальные сооружения, гидротехнические сооружения
железнодорожных переправ, лихтеровозной системы при грузообороте, млн. т:
0,5 и более
менее 0,5
10. Причальные сооружения для отстоя, межрейсового ремонта
и снабжения судов
11. Причальные сооружения судостроительных и судоремонтных
предприятий для судов с водоизмещением порожнем, тыс. т:
3,5 и более
менее 3,5
12. Судоподъемные и судоспусковые сооружения при наибольшей
подъемной силе, кН:
свыше 300
от 35 до 300
менее 35
13. Сооружения континентального шельфа:
а) при высоте волны, м:
свыше 3
до 3
б) при толщине льда, м:
0,5 и более
до 0,5
14. Стационарные гидротехнические сооружения знаков навигационной обстановки
I
II
II
III
II, III
II
III
III
II
III
I
II
III
I
II
I
II
I
Примечание. Сверхмагистральными являются водные пути, относимые ГОСТ
26775-85 к I и II классам; магистральными – относимые к III и IV классам; водными
путями местного значения – все остальные внутренние водные пути.
104
Примечание автора к табл. 4.1 и 4.2. Номер категории контроля рекомендуется
приравнивать к номеру соответствующего класса сооружения, оговоренного табл. 4.1.
В случае специальных указаний в проекте следует учитывать требования табл. 4.2.
Под влиянием гидрометеорологических условий непрерывно меняется температура самого гидротехнического сооружения, вызывая температурные
напряжения и деформации.
Вот почему исследования и контроль определенных проектом параметров
гидротехнических сооружений на соответствие заданным допускам должны
проводиться в комплексе, включая измерение осадок и сдвигов, наклонов, изгибов и других геометрических параметров; измерение противодавления и фильтрации; измерение раскрытий температурно-осадочных швов и измерений
напряжений в арматуре и бетоне и др.
Согласно СНиП 2.06.01-86, СНиП 2.06.05-84, СНиП 2.06.06-85, горизонтальные смещения плотин при проектировании определяют путем расчета
напряженно-деформированного состояния с учетом изменения сжимаемости
грунтов при повышении их влажности, а в северной строительноклиматической зоне – при изменении их температурно-влажностного состояния.
Для плотин II – IV классов допускается оценивать горизонтальные смещения на основе аналогов плотин, построенных в подобных условиях и такой же
конструкции.
При расчетах плотин всех классов должны устанавливаться предельно допустимые значения (ПДЗ) параметров состояния плотин и их оснований. Значения предельно допустимых параметров в виде отдельной таблицы включают
в проект.
Предельно допустимые значения параметров (CНиП 2.06.01-85) состояния
плотины принимаются равными расчетным значениям для основного и особого
сочетаний нагрузок и могут уточняться в процессе строительства и эксплуатации.
Для предварительных оценок горизонтальных смещений гребня грунтовых
плотин (СНиП 2.06.05-84) следует принимать их равными осадке гребня после
наполнения водохранилища.
На основании выбранной для каждого объекта категории и процессов контроля, для каждого объекта назначают сначала точность контроля параметров
и, исходя из требуемой точности контроля, назначают методы и средства измерений.
Необходимо также отметить, что при выполнении специальных исследований, где необходимо устанавливать причины и связь между изменением нагрузок
и перемещениями, точность измерений последних увеличивается по сравнению
с контрольными измерениями. Так как зачастую для контроля и исследования
геометрических параметров используется одна и та же контрольно-измерительная
аппаратура и методы измерений, то при разработке проектов и назначении точности измерений следует ориентироваться на более высокие требования.
Вот почему при контроле и исследовании деформаций уникальных плотин
часто применяют самую точную измерительную технику, а цикличность измерений, особенно в строительный период и начальный период эксплуатации, ко105
гда действуют переменные нагрузки, значительно увеличивают по сравнению
с контролем обычных промышленных зданий и сооружений. При частых измерениях на таких гидроузлах целесообразно автоматизировать процессы измерений, что будет экономически оправдано.
Для гидротехнических сооружений, где не проектируются специальные
исследования, а таких большинство, целесообразно выполнять проектирование
геодезического контроля по установленной технологической схеме, приведенной в разделе 2.
Пусть, например, предстоит контролировать горизонтальные смещения и деформации сооружений оборотной системы технического водоснабжения типовой ТЭС-2400 с прудом-охладителем (водохранилищем).
Согласно рекомендаций нормативных документов [134, 138, 160 и др.],
проектом предусмотрено комплексное использование водохранилища ТЭС,
включающее его использование не только для технического водоснабжения, но
и для нужд рыбного хозяйства, орошения и отдыха.
Общий вид размещения гидросооружений представлен на схеме генплана
(см. рис. 3.1). Гидроузел включает две береговые насосные станции технического водоснабжения, бетонную водосливную плотину для пропуска паводковых вод, левобережную и правобережную глухие земляные плотины.
Общая длина напорного фронта, состоящего из бетонной водосливной и глухих земляных плотин, составляет 220 м. Наибольшая величина напора приходится
на водосливную плотину и составляет 38 м. Грунты основания под сооружениями
напорного фронта относятся по классификации СНиП 2.06.01-85 к типу Б – глинистые, песчаные и мелкообломочные в полутвердом состоянии (см. табл. 4.1).
Насосные станции с типовыми камерами расположены на левом берегу реки. Они совмещены с водоприемниками и заглублены на 14 м.
Бетонная плотина (рис. 4.1) состоит из двух секций: одна – водосливная,
другая – водосбросная с донным отверстием. Обе секции пролетом по 12 м
имеют общий понур, водобойный колодец и рисберму. Регулирование стока
воды осуществляется плоскими затворами. Поднятие и опускание затворов
производится портальным краном.
Согласно СНиП 2.06.01-85, класс этого сооружения, в зависимости от высоты и типа грунтов основания, относится к II (см. табл. 4.1), а в зависимости от
последствий нарушения их эксплуатации (по социально-экономической ответственности) – к I (см. табл. 4.2). Согласно указаниям того же СНиП, окончательное значение класса сооружения принято 1 - как наивысшего из обеих таблиц.
Левобережная земляная плотина имеет переменную высоту от 0 до 36 м
(в месте примыкания ее к водосливной плотине), длина плотины по гребню –
50 м. Правобережная земляная плотина также имеет переменную высоту от 0 до
35 м и длину по гребню 130 м.
Конструктивно обе плотины одинаковы. Плотины состоят из верховой
и низовой призм из мелкообломочного материала, диафрагмы, переходных слоев из суглинка (рис. 4.2). Для увеличения пути фильтрации выполнена цементационная завеса на глубину 20 м. С верховой стороны плотин до берм устроен
железобетонный экран. Смотровые шахты устроены в суглинистом ядре по од106
ной в каждой плотине. Класс земляных плотин по высоте и типу грунтов – II,
по ответственности – I. Сопряжение земляных плотин с водосливной плотиной
осуществляется с помощью бетонных диафрагм. По гребню всех сооружений,
участвующих в напорном фронте, проложена автодорога второй категории.
УВБ
1
27
2
26
28
3
УНБ
25
20 21 22 23
5
29
24
6
9
7
8
4
10
19 17
13
18
16
15
13
12
14
11
Рис. 4.1. Отдельные части и элементы водосливной плотины
с анкерным понуром на полускальном основании:
1 – паз ремонтного затвора; 2 – паз рабочего затвора; 3 – промежуточный бык;
4 – дренажная галерея; 5 – низовой участок фундаментной плиты; 6 – гасители
энергии; 7 – водобой; 8 – рисберма; 9 – предохранительный ковш; 10 – переходное деформируемое крепление; 11 – горизонтальный дренаж водобоя и рисбермы;
12 – дренажные колодцы; 13 – обратный фильтр; 14 – вертикальный дренаж основания; 15 – горизонтальный дренаж фундаментной плиты; 16 – верховой подплотинный шпунт; 17 – горизонтальный дренаж понура; 18 – понурный шпунт;
19 – надшпунтовая балка; 20 – крепление пригрузки; 21 – пригрузка понура;
22 – анкерный понур; 23 – гибкий участок анкерного понура; 24 – верховой участок фундаментной плиты; 25 – водослив; 26 – гребень водослива; 27 – портальный кран; 28 – автодорога; 29 – потерна
УВБ
9
7
1
8
6
3
5
4
10
2
107
УНБ
Рис. 4.2. Отдельные части и элементы глухой земляной плотины:
1 – суглинистое ядро; 2 – цементационная завеса; 3 – диафрагма; 4 – верховая
призма; 5 – низовая призма; 6 – берма; 7 – смотровая шахта; 8 – бетонный экран;
9 – автодорога; 10 – смотровая потерна
Согласно СНиП 2.06.06-85, СНиП 2.02.01-83 и проекта строительства бетонной гравитационной плотины приведенной на рис. 4.1, контрольные измерения должны осуществляться за следующими геометрическими параметрами:
осадками, горизонтальными смещениями и раскрытием швов. Специальные исследования, ввиду конструктивных решений близких и опробованных в эксплуатации на других гидроузлах, не предусмотрены.
Так как, согласно п. 1 обязательного прил. 2 СНиП 2.06.01-85, класс основных сооружений должен быть назначен по наибольшему значению, определяемому по табл. 4.1 и 4.2, то окончательно класс бетонной и земляных плотин
принят 1.
Для 1 класса объектов напорного фронта гидроузла, из геометрических параметров, характеризующих напряженное состояние плотин от горизонтальных
нагрузок, проектом на основании вышеназванных нормативных документов
предусмотрены следующие виды и предельные допустимые значения (ПДЗ)
деформаций:
а) для бетонной плотины
1) горизонтальное смещение плотины по основанию с ПДЗ
 э   осн.  qосн.  20 мм ;
2) наклон плотины с ПДЗ
 э   нак.  Kотн.  0,004 ;
б) для земляных плотин
1) горизонтальные смещения плотин по основанию с ПДЗ
 э   осн.  qосн.  20 мм ;
2) горизонтальные смещения плотин по бермам с ПДЗ
 э   см.  qберма  170 мм
мм;
3) горизонтальные смещения плотин по гребню с ПДЗ
 э   см.  qгребень  340 мм;
4) горизонтальные смещения диафрагмы с ПДЗ
- на уровне бермы
 э   см.  qдиаф.  170 мм ,
108
- на уровне гребня
 э   см.  qдиаф.  340 мм .
Для указанного типа плотин, контролируемых видов геометрических параметров, технико-экономических показателей и категории объектов и условий
их эксплуатации (признаки выбора см. в разделе 2), назначены следующие методы контроля: по объемной характеристике – сплошной, по временной характеристике – периодический, по управляющему воздействию – активный.
Исходя из общих качественных свойств объектов, по табл. 2.2 назначаем
категорию контроля – 1; а в табл. 2.7 по назначенной категории контроля выбираем значение коэффициента точности для пассивного контроля c п  0,2 и выписываем его значение в графу 6 таблицы прил. 2.
Согласно формулы (2.4), производим сначала расчет коэффициента точности для активного контроля
c ак
с п2
0,2 2


 0,033,
1  с п 1  0,2
(4.1)
а затем точности контроля параметров:
а) для бетонной плотины
1) горизонтальное смещение плотины по основанию
δг( а ) = сак × δосн = 0,033 × 20 мм = 0,66 мм;
(4.2)
mг( а ) = δг( а ) / 3 = 0,22 мм;
(4.3)
δг( а ) = сак × δнак . = сак × Котн × Н = 0,033 × 0,004 × 38 000 мм = 5,0 мм;
(4.4)
mг( а ) = δг( а ) / 3 = 1,7 мм;
(4.5)
2) наклон плотины
б) для земляных плотин
1) горизонтальное смещение плотины по основанию
δг( а ) = сак × δосн = 0,033 × 20 мм = 0,66 мм;
(4.6)
mг( а ) = δг( а ) / 3 = 0,22 мм;
(4.7)
2) горизонтальные смещения плотин по бермам
δг( а ) = сак × δсм = 0,033 ×170 мм = 5,6 мм;
109
(4.8)
mг( а ) = δг( а ) / 3 = 1,9 мм;
(4.9)
3) горизонтальные смещения плотины по гребню
δг( а ) = сак × δсм = 0,033 × 340 мм = 11,2 мм;
(4.10)
mг( а ) = δг( а ) / 3 = 3,7 мм;
(4.11)
4) горизонтальные смещения диафрагмы
- на уровне основания
δг( а ) = сак × δосн = 0,033 × 20 мм = 0,66 мм;
(4.12)
mг( а ) = δг( а ) / 3 = 0,22 мм;
(4.13)
δг( а ) = сак × δсм = 0,033 ×170 мм = 5,6 мм;
(4.14)
mг( а ) = δг( а ) / 3 = 1,9 мм;
(4.15)
δг( а ) = сак × δсм = 0,033 × 340 мм = 11,2 мм;
(4.16)
mг( а ) = δг( а ) / 3 = 3,7 мм.
(4.17)
- на уровне бермы
- на уровне гребня
Минимальное число циклов измерений смещений, рассчитанное по формуле (2.6), составило 7. На основании методики планирования сроков проведения циклов измерений, изложенной в разделе 2, характеристики грунтов основания бетонной плотины (см. таблицу прил. 2), а также календарного графика
строительства, составлен график геодезического контроля деформаций объектов гидроузла, фрагмент которого приведен в табл. 4.3.
4.3. Проектирование схем размещения КИА,
схем измерений смещений, расчет точности
измерений элементов схем, выбор методов
и средств измерений
Согласно СНиП 2.06.01-85, СНиП 2.06.05-84 и СНиП 2.06.06-85, в бетонных и железобетонных плотинах I, II, III классов необходимо предусматривать
установку контрольно-измерительной аппаратуры для проведения натурных
наблюдений и исследований за состоянием сооружений и их оснований как
110
в период строительства, так и в процессе эксплуатации. Для плотин IV класса
и их оснований установку КИА следует обосновывать.
111
Таблица 4.3
Фрагмент календарного графика геодезического контроля горизонтальных смещений и деформаций плотин
Наименование
объектов
1. Бетонная
и земляные плотины (контроль
деформаций от
наружной сети)
1999
1
2
3
2000
4
1
2
3
2001
4
1
2
H
возведение плотины
2002
3
4
1
2
1 2 3
4
5
6
2003
3
4
1
2
3
2004
4
1
2
3
2005
4
1
2
3
4
7
стадия эксплуатации
наполнение
до проектной отметки водохранилища
Д (через
Д (ежегодно в одно и то же время)
10 м напора)
2. Бетонная
и земляные плотины (контроль
деформаций от
внутренней сети)
H
возведение плотины
1
2 3
4
5
6
7
стадия эксплуатации
наполнение
до проектной отметки водохранилища
Д (два раза в год в одно и то же время)
Д (через
5 м напора)
Примечания:
Турбоагрегат
№1
1. Принято:
Н
– начальный цикл;
1
– основные циклы;
Д
– дополнительные циклы.
2. Начальный цикл для всех объектов напорного фронта – перед заполнением водохранилища.
3. Первый основной цикл измерений для всех объектов – после заполнения водохранилища до проектной отметки (принятия полТурбоагрегат
ной
нагрузки).№2
4. Дополнительные циклы связаны с процессами наполнения водохранилища и стабилизацией деформаций.
5. Число основных циклов измерений расcчитано по формуле с  0, 2; n  1 / c  2  7; (см. раздел 2).
п
п
Проект размещения и установки КИА должен включать:
а) пояснительную записку с изложением цели, задач, состава и объема
с указанием сроков закладки, номенклатуры и технических характеристик КИА;
б) общие схемы и рабочие чертежи размещения и монтажа КИА в плотине,
основании, береговых примыканиях и отдельных элементах, прокладки и коммутации кабельных линий и устройства измерительных пультов;
в) рабочие чертежи закладных деталей и монтажных приспособлений для
установки КИА;
г) спецификации устанавливаемой КИА, вторичных приборов, вспомогательного оборудования, кабелей;
д) инструкцию по установке КИА, прокладке кабельных линий и оборудованию пультов;
е) смету на приборы, вспомогательное оборудование, кабельную продукцию, проведение наблюдений, обработку и анализ результатов.
Места закладки геодезической КИА, ее конструктивные чертежи и методы установки составляются проектной организацией в соответствии с «Указаниями по составлению проектов размещения контрольно-измерительной аппаратуры» [148].
Проектирование КИА осуществляется в две стадии: 1 – проектное задание;
2 – рабочие чертежи. Перечень контрольно-измерительных геодезических
приборов и устройств для контроля и специальных исследований гидротехнических сооружений приведен в прил. 3. Эскизы такой аппаратуры приведены
в [7, 8, 92, 95, 106, 122, 125, 132, 156].
КИА для измерения горизонтальных смещений гидротехнических сооружений подразделяют на три группы [132]: исходные знаки, опорные знаки и контрольные точки.
Исходные знаки закладываются за пределами зоны возможных деформаций. Относительно исходных знаков определяют смещения опорных и контрольных знаков. Опорные знаки – знаки, закладываемые вблизи объекта в зоне
возможных деформаций грунта и служащие для измерения смещений контрольных знаков. При небольших воронках оседания грунтов исходные и опорные знаки совмещены.
Контрольными точками (точками съема первичной информации) при измерении горизонтальных смещений могут служить как характерные точки самого объекта, так и специальные деформационные знаки – контрольные знаки
и центры, устанавливаемые на конструкциях бетонных сооружений или в тело
земляных плотин.
Контрольные точки первого типа применяют, как правило, при пассивном
контроле параметра объекта и четких геометрических формах самого объекта,
позволяющих идентифицировать положение точки с положением проверяемой
оси объекта с точностью, не вносящей значительных ошибок в результат контроля параметра.
Контрольные точки второго типа применяют при активном контроле параметра и отсутствии четкой идентификации положения точки с объектом. В этих
113
случаях на конструкциях объекта предусматривают специальную визирную
цель или закладку контрольных знаков, по которым выполняется съем первичной информации. Выбор конкретного способа закрепления исходной опорной
основы и контрольных точек решается в процессе проектирования с учетом
конструктивных решений объекта, метода контроля по управляющему воздействию, требуемой точности измерений. Наиболее характерные конструкции
геодезической КИА приведены в [7, 8, 92, 95, 106, 122, 125, 132, 160 и др.].
При составлении проектов размещения контрольно-измерительной аппаратуры следует руководствоваться «Указаниями ВНИИГ» [162], которые составлены на основании опыта работ на Каховской, Новосибирской, Бухтарминской,
Ладжанурской, Братской, Красноярской, Ингури и других ГЭС.
Общие правила выбора схемы, методов и средств измерений горизонтальных смещений технических объектов изложены в разделе 2. Однако при
выборе конкретного метода и средства измерений важно учитывать уже наработанные практикой рациональные решения, краткое описание которых изложено ниже.
Схемы измерений горизонтальных смещений и сопутствующих им геометрических параметров, а также конструкция и схема размещения геодезической КИА, как было отмечено выше, зависят, в первую очередь, от конструктивного решения гидротехнического сооружения; нагрузок, передаваемых на него в процессе строительства и эксплуатации, и характеристики грунтов основания.
В практике геодезического контроля и исследований горизонтальных смещений гидротехнических сооружений просматриваются три основные схемы
измерений и размещения КИА [7, 8, 44, 85, 95, 106, 132, 138-141, 160 и др.].
1. Схема контроля горизонтальных смещений и деформаций бетонных
и железобетонных гравитационных и контрфорсных плотин, глухих земляных
плотин, а также подводных конструкций зданий гидроэлектростанций, судоходных шлюзов, судоподъемников и других сооружений, участвующих в создании напорного фронта, высотой до 50 м – от наружной сети опорных
пунктов.
2. Схема контроля горизонтальных смещений высоких бетонных и железобетонных гравитационных, арочно-гравитационных и арочных плотин, а также
подводных конструкций зданий гидроэлектростанций, судоходных шлюзов, судоподъемников и других сооружений, участвующих в создании напорного
фронта, высотой более 50 м – от внутренней сети опорных пунктов.
3. Схема контроля смещений и деформаций высоких плотин – от внешней
и внутренней сетей опорных пунктов.
Первая схема контроля (рис. 4.3) предусматривает, как правило, контроль
горизонтальных смещений секций плотины и других объектов напорного фронта высотой до 50 м на уровне подошвы (смещение по основанию) и на уровне
гребня от наружной сети опорных пунктов.
114
ТП2
Правобережная Щитовая
плотина
стенка
Б1
Водосливная Левобережная
плотина
плотина
Т28
Б2
ТП1
ТШ1
Т4
Отводящий
канал
шлюз
Т2
Рис. 4.3. Первая схема контроля смещений сооружений
(от наружной сети исходных пунктов):
– пункт триангуляции;
– опорный пункт створа;
– контрольный пункт
По результатам полученных горизонтальных смещений определяют деформации основания, наклон секций и их взаимное положение. На плотинах
с скальным основанием часто определяют смещения только по гребню. Особенностью схемы измерения смещений таких плотин является размещение исходных опорных пунктов на небольшом удалении от сооружения. Это возможно вследствие незначительной области (воронки оседания) деформации грунтов
береговых склонов, особенно со стороны нижнего бьефа. В этих случаях необходимая точность измерения величин «абсолютных» горизонтальных смещений может быть достигнута применением традиционных высокоточных методов и средств геодезических измерений (створные измерения, триангуляция,
трилатерация, линейно-угловые сети и т. п.).
Контрольные пункты створа размещают таким образом, чтобы в каждой
секции был один (по центру) или два (по краям блока) пункта. В галереях
створ, как правило, проектируется струнным, на гребне – оптическим.
Измерения относительных перемещений элементов сооружения и углов поворота отдельных элементов сооружения осуществляются щелемерами и клинометрами.
Указанные схемы контроля применялись и применяются до сих пор в России на большом числе гравитационных плотин, построенных в 1940 – 1960 гг.
(Цимлянская, Каховская, Усть-Каменогорская, Иркутская ГЭС и др.)
Вторая схема контроля (рис. 4.4) предусматривает, как правило, контроль
горизонтальных смещений секций плотины и других объектов напорного фронта высотой более 50 м на уровне подошвы (смещение по основанию), на уровне
гребня и промежуточном уровне от внутренней сети опорных пунктов. На основании полученных горизонтальных смещений определяют деформации основания, наклон и изгиб секций и их взаимное положение.
115
5
10
15
– прямой отвес;
20
25
30
35
– обратный отвес;
40
45
50
55
60
65
70
– станция отсчета по отвесу;
– створные линии
Рис. 4.4. Вторая схема контроля горизонтальных смещений сооружений
(от внутренней сети)
Особенностью схемы измерения смещений таких плотин является размещение исходных опорных пунктов створов в специальных штольнях береговых
массивов, а также в глубине основания сооружения в виде обратных отвесов.
Решение закрепления опорных знаков на глубине в основании крупных сооружений и в коренных берегах вызвано большой областью деформаций грунтов
вокруг сооружения и водохранилища (на крупных гидроузлах воронка оседания
достигает 2 – 3 км). Это обстоятельство делает невозможным надежно закреплять исходные опорные пункты вблизи сооружений, как в первой схеме. При
закреплении же пунктов за зоной деформации сложно обеспечить заданную
точность измерений горизонтальных смещений бетонных сооружений. Контрольные пункты створа размещают таким образом, чтобы в каждой секции
было два пункта (по краям блока). В галереях створ, как правило, проектируется струнным, а на гребне – оптическим. Передача координат (смещений) опорных пунктов створа осуществляется прямыми отвесами.
Перемещения элементов сооружения относительно друг друга и углов поворота блоков измеряют щелемерами, клинометрами, прямыми отвесами с координатомерами, гидростатическими нивелирами и т. д.
Указанная схема применялась и применяется на крупных бетонных гравитационных плотинах, построенных в 1960 – 1980 гг. (Красноярская, Братская,
Усть-Илимская ГЭС).
Третья схема контроля (рис. 4.5) представляет собой совокупность двух первых схем. В ней измерения горизонтальных смещений характерных секций сооружения определяют из измерений по внешней и внутренней сети. Такая схема
116
применяется на крупных толстостенных арочных и арочно-гравитационных плотинах, которые строятся на скальных основаниях, а также земляных и бетонных
гравитационных плотинах, где заранее проектом предусмотрена установка
прямых и обратных отвесов.
а)
б)
Рис. 4.5. Третья схема контроля смещений сооружений:
а) наружная сеть; б) внутренняя сеть
117
При сооружении арочных бетонных плотин на скальных основаниях в горной местности воронка оседания местности меньше, чем у бетонных гравитационных плотин, строящихся на равниной части реки. Следовательно, опорные знаки закладывают не только в основании и береговых штольнях, но и на
горных склонах со стороны нижнего бьефа. Здесь используются преимущества обеих схем измерений и достигается более высокий уровень контроля параметров.
Характер деформации арочных плотин и их оснований иной, чем гравитационных. Горизонтальное смещение подразделяют на радиальное и тангенциальное, первое направлено по радиусу, второе – по касательной к дуге арки.
Геодезическую контрольно-измерительную аппаратуру размещают как в потернах и прилегающих к плотине штольнях, образующих измерительные горизонты, так и на гребне и низовой грани плотины со стороны нижнего бьефа.
Измерительные горизонты располагают через 30 – 50 м.
Измерение горизонтальных смещений на горизонтах в потернах и штольнях производят методом высокоточной полигонометрии или вытянутых треугольников между опорными знаками, заложенными в глубине длинных штолен или между обратными отвесами, также заложенными в коротких штольнях. Связь ходов полигонометрии между горизонтами осуществляют с помощью прямых отвесов. Прямые отвесы обычно размещают в ключевых секциях
так, чтобы они являлись продолжением обратных отвесов, что дает возможность не только контролировать смещение плотины по основанию, но и получить из измерений по отвесам горизонтальные смещения плотины, близкие к абсолютным.
Измерение горизонтальных смещений арочных плотин выполняется в данной схеме также от пунктов внешней опорной сети. Опорные пункты располагают на коренных берегах со стороны нижнего бьефа. Неподвижность их между циклами измерений контролируют по неизменности углов и расстояний
в треугольниках. Контрольные пункты закладывают в характерных местах
гребня и низовой грани (в ключе, береговых устоях и в серединах полуарок).
Измерения выполняют методами засечек, створов (отдельных точек гребня),
триангуляции, трилатерации, линейно-угловых построений.
Измерение горизонтальных смещений сооружений напорного фронта гидроузла технического водоснабжения ТЭС-2400 МВт, учитывая 1 класс сооружений и 1 категорию контроля, запроектировано выполнять по третьей схеме.
Сравнительно небольшой напор на сооружения и небольшой объем водохранилища, а, следовательно, и нагрузка на основание, а также близкое залегание
слежавшихся песчаных и гравелисто-песчаных грунтов, позволяют создать
надежное исходное плановое обоснование и часть геометрических параметров
контролировать от внешней сети. Другую часть параметров, характеризующую
смещения плотин по основанию, проектируется выполнять от внутренней сети,
для чего использовать смотровые шахты и потерны. Такое сочетание измерений
целесообразно применять при требуемой первой категории контроля, когда
118
требуется не только высокая точность и периодичность контроля, но и его высокая полнота.
Исходная наружняя линейно-угловая локальная сеть состоит из 4 пунктов,
расположенных на береговых склонах реки (рис. 4.6). Измерения смещений
контрольных знаков проектируется производить, ввиду их небольшого количества, линейно-угловой засечкой с базовой линии, состоящей из исходных знаков А и В. Неподвижность знаков А и В, как более близких к водохранилищу,
будет контролироваться от более удаленных исходных знаков линейно-угловой
сети – С и D.
500
600
700
10
8
400
7
р. Белая
20 м
300
6
4
60 м
Правобережная
земляная плотина
130 м
D
9
30 м
20 м
70 м
Левобережная
земляная плотина
A
5
3
X
2
Бетонная
водосливная плотина
плотина
Измерительное
сечение
1
Y
200
C
B
Рис. 4.6. Размещение КИА и схема контроля горизонтальных смещений
сооружений напорного фронта гидроузла от наружной сети:
– исходные пункты наружной сети;
– контрольные пункты на земляных плотинах;
– контрольные пункты на водосливной бетонной плотине;
линейно-угловая исходная сеть;
линейно-угловые засечки;
119
– смотровая шахта
Места размещения исходных пунктов наружной сети и контрольных пунктов выбраны, исходя из конструктивных особенностей плотин, с учетом требований, описанных выше, а также требований нормативных документов [132,
160, 162]. Ввиду близкого расположения полускальных пород (1,5 – 2 м от поверхности) конструкция исходных знаков запроектирована в виде армированной бетонной тумбы с уширенным армированным основанием сечением не менее 2  2 м. Высота знака над землей 1 200 мм.
Все контрольные геодезические знаки группируются в измерительные сечения, в которых размещаются также приборы контроля фильтрационного потока, слежения за температурным режимом и напряжением в бетоне.
Контрольные знаки 5 – 8 на бетонной плотине для контроля ее наклона
размещены на пилонах на гребне и низовой грани плотины (см. рис. 4.6 и 4.7).
Они представляют собой армированную бетонную тумбу высотой 1 200 мм, заделанную в штрабу бетонной водосливной плотины (по образцу рис. 3.4 [132]).
Контрольные знаки 1, 3, 9 на бермах земляных плотин для контроля горизонтальных смещений (см. рис. 4.6) представляют собой армированную бетонную тумбу, возвышающуюся над поверхностью земли на 1 200 мм, и на 500 мм
ниже глубины промерзания грунта. Тумба жестко заделана в опорную бетонную плиту, размером не менее 2  2 м (по образцу рис. 3.5 [132]).
Контрольные знаки 2, 4, 10 на гребне земляных плотин для контроля горизонтальных смещений (см. рис. 4.6 и 4.7) представляют собой армированную
бетонную тумбу, возвышающуюся над поверхностью земли на 1 200 мм и
жестко заделанную в штрабу бетонной диафрагмы.
Все исходные и контрольные знаки снабжены одинаковыми центрировочными устройствами для установки в них высокоточных геодезических приборов отечественного или зарубежного производства (через переходные втулки
или шпильки), позволяющими добиваться погрешности центрирования не более 0,1 мм.
575
Левобережная
плотина
1
Измерительное
сечение
6
4
2 Гребень плотины
8
10
Правобережная
плотина
556
3
Берма
Водосливная
бетонная
плотина
9
549
5
7
Рис. 4.7. Схема размещения контрольных знаков
(вид со стороны нижнего бьефа):
– на бетонной плотине;
– на берме;
120
– на гребне
Внутренняя локальная сеть (рис. 4.8) состоит из трех обратных отвесов
конструкции СГС. Якоря отвесов заглублены на 20 м в основание плотин.
Водосливная
бетонная
плотина
575
Гребень плотины
Левобережная
земляная
плотина
ст3
556
Смотровая
шахта
541
ст7
ст2
ст1
ст4
574
Правобережная
земляная
плотина
ст6
ст5
520
Смотровая
потерна
Рис. 4.8. Размещение КИА и схема контроля смещений сооружений
от внутренней сети:
– обратный отвес;
– станция отсчета по отвесу
Обратные отвесы земляных плотин служат для контроля смещения плотин
по основанию и смещения диафрагмы. Они размещены в смотровых шахтах
в отдельных защитных трубах. Оголовки отвесов выводятся на отметку верха
смотровых шахт. Станции наблюдений расположены на отметках 541, 556
и 574 м.
Обратный отвес водосливной бетонной плотины служит только для контроля смещений плотины по основанию. Оголовок отвеса выведен в смотровую
потерну. Станция наблюдения размещена на отметке 541 м.
Требуемая точность измерений смещений плотин по основанию (см. формулы (4.3), (4.7), (4.13)) не превышает точности измерений по применяемым
в России обратным отвесам. Все отвесы и координатомер будут изготавливаться по чертежам Гидропроекта (см. прил. 3).
Точность измерений углов и линий в наружной линейно-угловой сети и засечках определялась расчетом. Теория расчета изложена в [82].
Расчет требуемой точности угловых и линейных элементов в сети произведен на персональном компьютере по программе TOPOGRAD. Расчеты произведены для двух вариантов измерений линий и углов:
1) измерения всех углов и линий (прямо и обратно) на каждом пункте
(сплошная сеть);
2) измерения всех углов и линий в исходной сети (сплошная сеть) и только прямых измерений линий и углов на контрольные пункты (линейно-угловые
засечки).
121