В отечественной практике активное развитие строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений началось в конце XIX и начале XX веков. После строительства десяти гидроэлектростанций, предусмотренных планом ГОЭЛРО, службу эксплуатации гидротехнических сооружений поставили на новый, более высокий уровень.
Такое бурное развитие гидроэнергетики привело к необходимости в организации системы регулярных инструментальных и визуальных наблюдений за показателями работы и техническим состоянием сооружений. Вводится такое понятие, как мониторинг технического состояния гидротехнических сооружений, формируется нормативная база.
Начиная с 60-х годов на базе проектно-изыскательского и научно-исследовательского института «Гидропроект» имени С. Я. Жука и Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники имени Б. Е. Веденеева была разработана широкая номенклатура различных датчиков, которые монтировались тысячами на все гидроэлектростанции I, II и III классов в СССР. Большая часть установленных с 60-х годов датчиков до сих пор находится в работоспособном состоянии.
Традиции мониторинга ответственных гидротехнических сооружений в СССР были полностью унаследованы и усовершенствованы в ногу с развитием передовых технологий. Сформированы отраслевые стандарты, отражающие минимальный объём контролируемых параметров и средств измерений для различных классов и типов сооружений. Возникает требование о наличии программно-аппаратного комплекса автоматизированного контроля за основными параметрами сооружений.
Состав контрольно-измерительной аппаратуры для выполнения «ручных» инструментальных наблюдений принципиально остался неизменным.
В настоящий момент большинство гидроэлектростанций, гидроузлов и плотин водохозяйственного назначения I, II и III классов оснащены автоматизированной контрольно-измерительной аппаратурой и информационно-диагностическими системами.
Для контроля массивных бетонных гидротехнических сооружений, таких как бетонные плотины, водосбросы, а также здания гидроэлектростанций, применяется геодезическая, фильтрационная, закладная и специальная контрольно-измерительная аппаратура.
Геодезические устройства, такие как поверхностные и боковые марки, опорные пункты, плановые или планово-высотные знаки предназначены для определения вертикальных и горизонтальных перемещений секций бетонных сооружений классическими геодезическими способами.
Для определения взаимных перемещений секций бетонных сооружений, включающих раскрытие температурно-осадочных швов, применяются щелемеры. Данная контрольно-измерительная аппаратура может быть как одноосевой, то есть контролировать взаимное перемещение секций лишь по одной оси, так и двух- или трёхосевой, позволяющей выполнять измерения по всем трём осям (смещение по потоку, осадка, раскрытие).
В таких сооружениях есть и свои особенности. Так, для передачи отметки и планового положения с поверхности бетонных сооружений в галерею применяются специальные устройства и контрольно-измерительная аппаратура. К такому оборудованию относится элеватор высот и прямой отвес.
Элеватор позволяет с точностью первого класса нивелировки перенести отметку с поверхности бетонных сооружений до галереи без использования множества ходов по лестничным проёмам, техническим помещениям и шахтам, что очевидно снижает точность измерения. Данное устройство на сегодняшний день осталось практически неизменно, однако с развитием технологий появились и иные средства передачи данной отметки.
Для передачи планового положения точки, расположенной на поверхности бетонных сооружений на глубину, до необходимых отметок галереи применяется прямой отвес. Данное оборудование представляет собой груз, подвешенный на проволоке. Зацеп проволоки располагается в верхней части сооружения со свободным доступом измерения его планового положения. На другом конце проволоки располагается груз в резервуаре с маслом, которое необходимо для исключения колебаний раскачивания груза. На отметках, куда необходимо передать плановое положение струны, устанавливаются специальные столики для оптических приборов, с помощью которых оператор определяет положение струны по двум осям. Дальнейшие измерения смещений плановых знаков в галереях выполняют от известной координаты на установочном столике.
Для определения горизонтальных перемещений внутри линейных протяжённых объектов, таких как галереи или полости контрфорсных сооружений, применяются струнные створы, представляющие собой натянутую струну горизонтально на протяжении всей галереи. Данный метод позволяет выполнять измерения горизонтальных перемещений промежуточных секций бетонных сооружений относительно крайних секций, на которых располагаются зацепы струны. Измерения проводятся на специальных контрольных площадках (точках наблюдения) всё теми же оптическими приборами.
Для измерений вертикальных перемещений в галереях бетонных сооружений также применяются гидростатические нивелиры. Они представляют собой длинную трубу, закреплённую на стене. Труба гидростатического нивелира заглушена с обоих концов, а в её верхней части (в контрольных точках) располагаются отверстия. Внутрь трубы заливается жидкая среда, как правило, это дистиллированная вода. Принцип работы гидронивелира основан на том, что зеркало воды, заполняющей его полость, в конечном итоге примет неподвижное, абсолютно горизонтальное положение, фактически являющееся уровнем, а измерения вертикальных перемещений секций сооружения выполняются по боковым маркам относительно этого уровня.
Зачастую при мониторинге гидротехнических сооружений гидроэлектростанций, необходимо выполнять мониторинг смещения основания относительно сооружения. Для выполнения данных измерений применяются обратные отвесы, конструктивно схожие с прямыми отвесами. Обратный отвес представляет собой якорь, закреплённый в скважине в основании сооружения, соединённый проволокой с поплавком. Конструкция поплавка натягивает струну и приводит её в абсолютно вертикальное положение. Таким образом передаётся плановое положение якоря отвеса на доступную для наблюдателя отметку. Наблюдения по прямым и обратным отвесам ведутся в специально оборудованных точках с помощью оптических приборов.
С развитием технологий описанные выше классические способы определения вертикальных и горизонтальных перемещений секций бетонных сооружений, раскрытие температурно-осадочных швов, фильтрационная контрольно-измерительная аппаратура, а также закладные датчики, определяющие напряжённо-деформированное состояние, могут быть автоматизированы.
Немалую роль в развитии автоматизированных систем мониторинга сыграл появившийся в 2012 году ГОСТ Р № 55260.1.4-2012 «Гидроэлектростанции. Часть 1–4. СООРУЖЕНИЯ ГЭС ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ. Общие требования по организации и проведению мониторинга». Он обязал эксплуатирующие организации проводить автоматизацию «ручных» измерений на гидроэлектростанциях I, II и III классов, а также разворачивать на них информационно-диагностические системы.
Появление данного документа в значительной степени подтолкнуло отрасль к проведению модернизации и дооснащению контрольно-измерительной аппаратуры автоматическими средствами измерения контролируемых величин, а также к развитию отечественной отрасли приборостроения в целом.
Для автоматизации трёхосевых щелемеров, контролирующих взаимные перемещения секций бетонных сооружений, применяют преобразователи линейных перемещений, закреплённых на специальных конструкциях в трёх взаимно перпендикулярных плоскостях.
Данное оборудование широко себя зарекомендовало как в отечественной, так и в зарубежной практике и позволяет выполнять измерения с высочайшей точностью до долей миллиметра в непрерывном режиме. Стоит отметить, что аналогичным способом автоматизируются измерения одноосевых щелемеров, а также двухосевых.
Гидростатические нивелиры, установленные на гидроэлектростанциях, автоматизировали путём подключения измерительного прибора гибким шлангом к существующей конструкции гидронивелира, тем самым его автоматизация не требует существенной доработки существующего на объекте гидронивелира. Оптический прибор автоматически определяет положение зеркала воды и выполняет измерение его расстояния до неподвижно закреплённой на бетонной поверхности точки внутри прибора.
С широким распространением автоматизации гидронивелиров сама конструкция претерпела некоторые изменения. В связи с необходимостью автоматизировать данные измерения, длинная труба превратилась в изящные полипропиленовые или иные трубки маленького диаметра, закреплённые на стене и имеющие открытые ревизионные ёмкости для выполнения ручных измерений. Эти же трубки соединены с приборами для автоматических измерений.
Пристальное внимание при автоматизации гидронивелиров стоит уделить жидкости, которая заполняет систему, и материалам, которые применяются в качестве магистрали в гидронивелире. В большинстве случаев недостаточная чистота воды, приводит к наличию отложений и сгустков, препятствующих естественному перемещению жидкости в системе, тем самым приводит к недостоверным показаниям.
Также хочется отметить практику применения силиконовых шлангов от сомнительных производителей, в которых, несмотря на чистую воду в системе, со временем отмечалось потускнение и отслаивание комьями внутренних слоёв полости шлангов, что засоряло систему. В зарубежной практике данные контролируемые параметры сооружений, определяются в автоматическим режиме аналогичным оборудованием, однако есть небольшие различия.
Как следует из описанной конструкции гидронивелира, вода в измерительном приборе сообщается с воздушной средой. В зарубежной практике, кроме такого типа приборов, существуют и полностью замкнутые системы, представляющие собой датчики давления воды с замкнутой системой циркуляции жидкости и воздуха.
У данной системы есть как достоинства, так и недостатки. К достоинствам можно отнести отсутствие необходимости выставлять контролируемые точки в одной горизонтали. С применением датчиков давления в конструкциях некоторых западных гидронивелиров расширяется диапазон измерения приборов, что позволяет устанавливать контролируемые точки не в одной горизонтальной плоскости, а на разных отметках в пределе диапазона измерений устройства. В зависимости от производителя и модели разброс может составлять от 0,5 до 2 метров.
Недостатком данного подхода является искажение результатов измерений при неравномерном изменении температуры завоздушенной гидромагистрали. Это диктует особые требования при заполнении линии, а также защиты магистрали от её неравномерного нагрева.
Струнные отвесы, а также струнные створы автоматизируются путём установки на те же столики, применяемые для установки оптического прибора при ручных измерениях.
Данное оборудование представляет собой два окуряра, расположенных под углом в 90 градусов, которые автоматически определяют положение струны по двум осям. На практике возникают трудности в обеспечении контрастности фона, попадающего в объектив, и струны.
Так, например, если фоном является тёмный объект, такой как защитная труба отвеса или тёмная стена, требуется подкрасить белой краской нить струны для корректного определения её положения. Звучит как разовая операция, однако если речь идёт про возрастные сооружения с уже имеющимся отвесом, проволока может оказаться ржавеющая, а помещение сырым, что потребует регулярно повторять процедуру окрашивания. Закономерной рекомендацией в таком случае является замена струны на нержавеющую.
Для автоматизации процесса измерения вертикальных и горизонтальных смещений гидротехнических сооружений и их элементов чаще всего применяются роботизированные тахеометры и оборудование ГННС.
Роботизированные тахеометры позволяют выполнять геодезические наблюдения по расположенным на объекте отражателям с точностью, соответствующей первому классу триангуляции. Они применяются для определения плановых смещений, а также осадок на грунтовых гидротехнических сооружениях.
Очевидным критерием выбора данного способа автоматизации геодезических измерений является наличие прямой видимости между тахеометром и отражателем, что достигается не всегда, а увеличение количества устанавливаемых тахеометров для охвата всех измерительных точек следует оценивать в сравнении с альтернативными способами автоматизации геодезических измерений.
Спутниковая система навигации ГННС, требующая размещения на объекте приёмников, позволяющих с достаточной для мониторинга грунтовых гидротехнических сооружений точностью определять горизонтальные и вертикальные смещения гидротехнических сооружений, не требует прямой видимости между измерительным оборудованием. Также оборудование является более неприхотливым, чем роботизированный тахеометр с отражателями, требующим уход.
Окончательный выбор технологий или их комбинации при автоматизации процесса измерения вертикальных и горизонтальных смещений гидротехнических сооружений зависит от множества факторов и требует внимательного рассмотрения в каждом отдельном случае.
Помимо геодезической контрольной измерительный аппаратуры, бетонные сооружения оснащаются фильтрационной контрольно-измерительной аппаратурой. К данному типу относятся: пьезометры, уровнемеры, расходомеры.
Для определения падения напора на различных элементах подошвы гидротехнических сооружений применяются закладные и опускные, как правило, напорные пьезометры. Закладной пьезометр представляет собой различного типа фильтр, расположенный в основании сооружения, соединённый водоподъёмной трубой с оголовком пьезометра. На оголовке размещают манометр для измерения контролируемой величины. Автоматизация измерений выполняется путём установки на их оголовок помимо манометра, датчика давления воды, выполняющего те же функции, что и манометр, только в автоматическом режиме.
Для измерения уровня воды в зависимости от конкретных условий эксплуатации могут быть использованы различные типы датчиков, таких как: погружные датчики, поплавковые или бесконтактные (лазерные, ультразвуковые, радарные). Все типы датчиков при правильно выбранном диапазоне способны обеспечить крайне высокую точность измерения уровня воды. Выбор же типа применяемого оборудования зависит от целого ряда факторов, учитываемых при проектировании.
Для автоматизации измерений расходов воды применяются принципиально разные подходы: с применением мерных водосливов или без них. Применение мерных водосливов различного профиля позволяет путём математического пересчёта получать величину расхода воды, измеряя её уровень. В случае измерения расходов без мерного водослива требуется установка комплекса измерительного оборудования, выполняющего измерение скорости и уровня воды. Оба подхода имеют свои достоинства и недостатки.
Хочется дать небольшую ремарку в терминологии касаемо пьезометров. В зарубежной практике пьезометром называют средства измерения уровня воды в автоматическом режиме, то есть датчик. В отечественной же практике в технической литературе и нормативной документации со времён СССР пьезометром именуется контрольно-измерительная аппаратура, состоящая из трубы с фильтром и отстойником, водоподъёмной части и оголовка. В зарубежной же терминологии такие пьезометры называются «open pipe». В нашей статье мы будем придерживаться терминологии, принятой в РФ и основанной на отечественных практиках со сложившимися традициями и историей.
Бетонные сооружения гидроэлектростанций советского времени насыщены большим количеством закладных датчиков деформации в массиве бетона, измерения по которым проводилось с использованием специальных переносных устройств.
С течением времени ситуация кардинально не изменилась, особо ответственные гидротехнические сооружения гидроэлектростанций и по сей день оборудуются большим количеством закладной контрольно-измерительной аппаратуры для определения деформаций в сооружениях и их элементах, однако измерения по ним автоматизируются и выполняются без участия человека.
Всё вышесказанное было применимо к бетонным сооружениям гидроэлектростанций. Что касается грунтовых сооружений, неизменными для них остаются горизонтальные и вертикальные перемещения марок, опорных пунктов, плановых и планово-высотных знаков, которые могут быть автоматизированы выше указанными способами.
Положение кривой депрессии в теле грунтовых плотин является важнейшим параметром, характеризующим проектную безопасную работу сооружений. Подавляющее большинство гидротехнических сооружений хвостохранилищ в той или иной степени оснащено опускными безнапорными пьезометрами, а измерения уровня воды выполнятся вручную. Очевидно, что положение кривой депрессии неразрывно связано с уровнями воды в бьефах, в связи с чем для формирования полной картины наблюдаемых процессов автоматизация пьезометров должна быть совмещена с автоматизацией измерений уровня воды в бьефах.
Для автоматизации измерений уровней воды в безнапорных пьезометрах широкое распространение получили погружные датчики уровня воды. При автоматизации существующего пьезометра достаточно установить комплект аппаратуры опроса на устье скважины и поместить в пьезометр погружной датчик уровня воды. Стоимость измерительного оборудования для автоматизации уровней воды в пьезометрах в сравнении с другими технологиями мониторинга не высока. Ввиду отсутствия ощутимого объёма строительно-монтажных работ, автоматизация измерений уровня воды в пьезометрах может быть организована в максимально сжатые сроки.
Датчики порового давления предназначены для точных измерений порового давления воды в полностью или частично водонасыщенном грунте при помощи скважин или труб небольшого диаметра. Измерение порового давления помогает оценить поведение грунтов до, во время и после строительства, а также определить потенциально опасные условия, которые могут негативно повлиять на устойчивость сооружений.
Для автоматизации процесса измерения послойных вертикальных и горизонтальных смещений грунтовых гидротехнических сооружений и их элементов чаще всего применяются скважинные инклинометры и экстензометры.
Данные технологии позволяют поэтапно внедрять новые контролируемые параметры в процесс мониторинга. Для выполнения ручных измерений послойных вертикальных и горизонтальных смещений гидротехнических сооружений достаточно устроить в теле грунтовой плотины специальные скважины, измерения по которым могут выполняться с помощью ручных измерительных инструментов. В дальнейшем эти скважины могут быть оснащены автоматизированным оборудованием.
Бюджетная установка инклинометрических скважин и приобретение комплекта измерительного оборудования для ручных измерений в значительной степени повысит безопасность гидротехнических сооружений и предоставит аналитикам важную недостающую информацию о работе сооружения.
На сегодняшний день на рынке контрольно-измерительного оборудования представлена широкая линейка датчиков, позволяющих контролировать практически все параметры гидротехнических сооружений.
Распределённые оптические датчики температуры представляют собой оптические кабели специального исполнения, позволяющие с высокой точностью регистрировать температуру в любой своей точке, что позволяет применять их для решения самых разных задач мониторинга, в том числе для контроля протечек. Так, для контроля протечек бассейна суточного регулирования Зарамагских ГЭС была применена и успешно апробирована оптическая технология контроля протечек.
Автоматизированная система контроля фильтрационного состояния с использованием современных оптических кабелей представляет собой уложенный определённым образом в тело или основание плотины распределённый датчик температуры. Такая система позволяет определить место протечки и зону намокания. На основе распределённых волоконно-оптических датчиков также производится термомониторинг скважин.
В зависимости от типов применяемых датчиков, наличия или отсутствия электроснабжения и условий эксплуатации измерительного оборудования, формируется оптимальная для каждого конкретного случая структура автоматизированной системы опроса контрольно-измерительной аппаратуры.
Основными требованиями, предъявляемыми к системе, являются:
Система SODIS Building M позволяет в режиме реального времени получить оперативные сведения о текущем техническом состоянии контролируемых элементов объекта и измерительных подсистем, а в случае его изменения — оперативно принять необходимые меры.
Система онлайн-мониторинга обладает простым и интуитивно понятным интерфейсом и предоставляет оператору полную информацию о расположении контролируемых элементов сооружения, измерительных подсистемах и их компонентах, включая фотографии, инструкции по эксплуатации, регламенты технического обслуживания.
SODIS Building M выводит на экран диспетчера трёхмерное изображение объекта мониторинга, построенное с использованием технологии информационного моделирования со всем комплексом технических средств СМДС.
Система SODIS Building M предназначена для: