Несмотря на то, что в СССР, начиная с 60-х годов, вводится такое понятие, как мониторинг технического состояния гидротехнических сооружений, и формируется нормативная база, регламентирующая применение современных для своего времени измерительных устройств для мониторинга гидроэлектростанций, ситуация с мониторингом гидроузлов неэнергетического назначения принципиально не менялась. В то время как созданная в институте «Гидропроект» и Всероссийском научно-исследовательском институте гидротехники база измерительных приборов монтировалась тысячами на всех гидроэлектростанциях I, II и III классов в СССР, на неэнергетических гидроузлах продолжали выполнять элементарные инструментальные наблюдения по минимальному набору марок и пьезометров или вовсе без них.
В настоящее время уже десятилетие действуют отраслевые стандарты и ГОСТы, отражающие минимальный объём контролируемых параметров и средств измерений для различных классов и типов сооружений гидроэлектростанций, а также необходимость развёртывания программно-аппаратного комплекса информационно-диагностической системы для автоматизированного и непрерывного контроля за основными параметрами сооружений.
Состав контрольно-измерительной аппаратуры для выполнения так называемых «ручных» инструментальных наблюдений принципиально остался неизменным. Подавляющее большинство гидроэлектростанций I, II и III классов оснащены автоматизированной контрольно-измерительной аппаратурой и информационно-диагностическими системами, тогда как неэнергетические гидротехнические объекты в своё время эта тенденция обошла стороной. Конечно, при строительстве новых крупных гидроузлов, а также при комплексных реконструкциях существующих, зачастую выполняется установка всего перечня требуемой аппаратуры, однако это зачастую происходит после полученного замечания от Главгосэкспертизы об отсутствии соответствующего раздела при проектировании.
Именно «большая» гидроэнергетика, а также инициативы ведущих научно-исследовательских и проектных институтов в своё время приложили немалые усилия для формирования и формализации подходов к мониторингу гидротехнических сооружений ГЭС. Именно подробная нормативная документация, разработанная для гидроэлектростанций, вывела отечественный мониторинг ГЭС на высокий уровень, в то время как размыто описывающая конкретные требования к развёртыванию таких систем нормативная документация, применяемая для неэнергетических гидротехнических сооружений, привела к снижению безопасности таких объектов.
С точки зрения мониторинга гидроузлы неэнергетического назначения очень схожи с гидроэлектростанциями. Очевидно, что у таких объектов отсутствует машинный зал и есть множество других отличительных особенностей, но принципиальный состав сооружений и их конструкции очень схожи с гидроэлектростанциями. Далее, при упоминании гидроузлов, мы будем иметь в виду именно сооружения неэнергетического назначения. В состав основных сооружений гидроузлов могут входить бетонные гравитационные плотины, бетонные водосбросные плотины, а также грунтовые плотины с различными противофильтрационными элементами. Мониторинг таких сооружений принципиально не отличается от мониторинга аналогичных сооружений в составе гидроэлектростанций. Для выполнения мониторинга применяется та же самая контрольно-измерительная аппаратура и те же методики выполнения измерений. Очевидно, что и автоматизация таких измерений с целью создания автоматизированной системы мониторинга гидротехнических сооружений основана на тех же самых принципах. Современные технологии позволяют контролировать абсолютно любые параметры сооружений в режиме реального времени, а полнота и своевременность получения таких данных напрямую влияют на безопасность гидротехнических сооружений гидроузла.
Использование систем автоматизированного мониторинга на этапе эксплуатации позволит повысить безопасность и надёжность гидроузла, а также своевременно проводить ремонтные мероприятия на ранних стадиях формирования дефектов, не допуская их развитие. Современные программные платформы в связке с аппаратной частью измерительной системы позволяют регистрировать изменения всех основных характеристик сооружения, а также оценивать влияние различных комбинаций нагрузок на основные элементы гидроузла и его основание.
Размещение системы автоматизированного мониторинга на гидроузле позволяет в режиме реального времени наблюдать за текущим техническим состоянием сооружений, действующими на них нагрузками, а также процессами, являющимися следствием этих нагрузок. Система оперативно информирует ответственных лиц о превышении допустимых нагрузок или о наличии результатов измерений, выбивающихся из общих трендов.
При выполнении достоверной и точной оценки состояния основных сооружений гидроузла, а также при прогнозировании поведения основных параметров, влияющих на безопасность сооружений, необходима полная информация о протекающих в сооружениях процессах, а также внешних факторах, влияющих на их состояние. Подход к обеспечению безопасности гидроузла с применением автоматизированных систем заключается в единовременном непрерывном мониторинге таких параметров с контролем достоверности получаемых в автоматическом и ручном режиме измерений.
Ключевыми моментами в принятии правильного решения при развитии негативных процессов в сооружениях являются:
- оперативность их регистрации;
- достаточность данных для правильной оценки ситуации и подготовки компенсационных мероприятий;
- оперативность проведения компенсационных мероприятий.
Именно развёртывание на гидротехнических сооружениях автоматизированной системы диагностического контроля позволяет мгновенно реагировать на неблагоприятные события, развивающиеся в сооружениях, и формировать полный отчёт о текущем состоянии в автоматическом или полуавтоматическом режиме для передачи лицам, разрабатывающим компенсационные мероприятия.
На территории России существует множество возрастных гидроузлов, требующих особого внимания к их состоянию, и, как говорилось ранее, в зависимости от класса сооружений, их реконструкция включает в себя развёртывание автоматизированных систем мониторинга.
В связи с тем, что основные гидротехнические сооружения гидроузлов очень схожи с сооружениями гидроэлектростанций, в данной статье мы не будем задерживаться на мониторинге таких сооружений. С ними можно подробно ознакомиться, перейдя в соответствующую статью.
Отличительной особенностью гидроузлов является наличие в них таких сооружений, как причалы и шлюзы. Мониторинг направляющих пал выполняется классическим способом с применением геодезической контрольно-измерительной аппаратуры, в связи с чем подробно на нём останавливаться не будем. Далее подробно поговорим о принципах построения автоматизированных систем мониторинга на причалах и шлюзах.
В зависимости от конструкции шлюза применяются различные подходы к мониторингу таких сооружений. Неизменным в обоих случаях является их режим эксплуатации — систематически меняющийся уровень воды в камере шлюза и, как следствие, постоянное изменение нагрузок на основные его элементы. При построении системы автоматизированного мониторинга таких объектов крайне важно организовать работу системы таким образом, чтобы однозначно понимать, при каком уровне воды в камере шлюза выполняются измерения деформаций его элементов. Очевидно, что данная задача легко решается путём установки датчика уровня воды, непрерывно определяющего уровень воды в камере шлюза. На программном уровне, при построении системы, измерения деформаций шлюза могут быть приурочены к определённым ситуациям, циклам, уровням воды или расчётным случаям. В таком случае проводится более точная диагностика состояния сооружений камеры шлюза, так как работа его элементов может быть оценена не только путём сопоставления с критериальными значениями, превышение которых уже само по себе говорит о развитии негативных, вероятно необратимых процессов, но и путём регистрации несвойственных проектным решениям отклонений от нормальной работы сооружения, предшествующих таким событиям.
Далее предлагаем рассмотреть автоматизированный мониторинг камеры шлюза на примере наиболее распространённых вариантов: железобетонная камера шлюза и со шпунтовой стенкой.
Рассмотрение построения автоматизированного мониторинга железобетонной камеры шлюза предлагается начать с её видимой части на поверхности. По аналогии с бетонными сооружениями гидроэлектростанций, на гребне стенки камеры шлюза размещаются плановые знаки, поверхностные или боковые марки и щелемеры на швах. В последнее время всё чаще плановые, планово-высотные знаки и марки заменяются на стационарно устанавливаемые отражатели (L-призмы). Данный подход упрощает выполнение геодезических наблюдений за контролируемыми точками, однако усложняет жизнь службе эксплуатации, так как содержание отражателей в чистоте требует дополнительных трудозатрат. С целью автоматизации измерений вертикальных и горизонтальных перемещений на любых бетонных сооружениях гидроузлов рекомендуется установка вышеупомянутых отражателей и роботизированного тахеометра. Измерения за перемещением отражателей будут выполняться в автоматическом режиме с заданной частотой измерений.
Роботизированные тахеометры позволяют выполнять геодезические наблюдения по расположенным на объекте отражателям с точностью, соответствующей первому классу триангуляции. Роботизированные тахеометры применяются для определения плановых смещений, а также осадков на грунтовых и бетонных 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. Поскольку роботизированные тахеометры располагаются на открытой поверхности и подвержены внешним воздействиям, в зависимости от их состава, необходимо обеспечить сохранность измерительного оборудования. Роботизированные тахеометры, как правило, оборудуются специальными защитными кожухами двух типов: с остеклением и без него. Световой или лазерный луч, проходя через стекло, преломляется, что негативно влияет на точность измерений, защищённых остеклёнными конструкциями роботизированных тахеометров. При выборе защитной конструкции следует избегать преломления светового потока и не использовать остеклённые конструкции. Необходимо оценить все возможные внешние воздействия и риски повреждения оборудования для выбора целесообразной степени защиты прибора. При отсутствии сильной запылённости можно ограничиться устройством защитного козырька, при наличии рисков вандализма устраивают защитные клетки для тахеометров. Наиболее комплексный подход к защите, широко распространённый на объектах Германии, заключается в устройстве сплошного кожуха цилиндрической формы вокруг тахеометра с последующей разметкой и сверлением отверстий под расположенные на объекте мониторинга визирные цели. Данная конструкция наиболее надёжно защищает прибор от внешних воздействий, при этом не оказывает ощутимого влияния на точность измерения и работу прибора.
Стоит отметить, что ГНСС-роверы для мониторинга бетонных сооружений не подходят, так как имеют низкую точность измерений (±4–10 мм). Важным параметром при выборе стоянки роботизированного тахеометра является его удалённость от отражателей. Для нормальной работы тахеометра эта величина не должна превышать 600 м. Также требуется организация укрытия роботизированного тахеометра от атмосферных осадков.
Для автоматизации одноосевых, двухосевых и трёхосевых щелемеров, контролирующих взаимные перемещения секций бетонных сооружений, применяют преобразователи линейных перемещений, закреплённых на специальных конструкциях в трёх взаимно перпендикулярных плоскостях. Данное оборудование широко зарекомендовало себя как в отечественной, так и зарубежной практике и позволяет выполнять измерения с высочайшей точностью, до долей миллиметра в непрерывном режиме.
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 невысока. Ввиду отсутствия ощутимого объёма строительно-монтажных работ автоматизация измерений уровня воды в пьезометрах может быть организована в максимально сжатые сроки.
Таким же образом автоматизируются и закладные пьезометры в стенках камеры шлюза или под днищем, причём для последнего датчик устанавливается только на вертикальном участке пьезометра. В случае отсутствия возможности установки в процессе строительства закладных пьезометров, имеющих достаточно сложную конструкцию, возможна установка датчиков порового давления под камерой шлюза. В данном случае датчики порового давления будут регистрировать противодавление на основание камеры шлюза. Принято считать, что физический пьезометр надёжнее, чем датчик, однако статистика разнится. За рубежом же предпочтение отдают датчикам.
Ниже приведена типовая схема установки закладных датчиков на железобетонной камере шлюза.
Данная группа закладной контрольно-измерительной аппаратуры предназначена для автоматизированного мониторинга за напряжённо-деформированным состоянием камеры шлюза. Кабели от датчиков выводятся на гребень стенок камеры шлюза, где размещается шкаф сбора и передачи данных.
Мониторинг шпунтовых камер шлюзов существенно отличается от бетонных. Геодезические наблюдения по поверхности сооружения выполняются схожим образом, за исключением отсутствия температурно-осадочных швов, то есть могут привариваться к стальной обвязке или устанавливаться на бетонную, те же плановые, планово-высотные знаки и марки или отражатели. С целью регистрации деформаций лицевой шпунтовой стенки предлагается применение скважинного инклинометра, позволяющего регистрировать горизонтальные смещения грунта в каждой точке по вертикали. Скважину в таком случае рекомендуется располагать максимально близко к стенке. Таким образом, прибор будет регистрировать совместные перемещения грунта и стенки. Данная технология позволяет предусмотреть поэтапный ввод в эксплуатацию мониторинг новых контролируемых параметров. Для выполнения ручных измерений послойных горизонтальных смещений лицевой стенки камеры шлюза достаточно устроить 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 недостающую и очень важную, ранее отсутствовавшую, информацию о работе сооружения.
Вторым важным моментом в подобных конструкциях камеры шлюза является мониторинг усилия на анкерных тягах. Существует два различных подхода в решении данной задачи: установка приварных датчиков деформации на тягу (аналог арматурного датчика деформации, рассмотренного выше) или использование датчика силы в месте сопряжения тяги с распределительным поясом. Приварные датчики деформации позволяют выполнить измерения относительной деформации анкерных тяг, а датчик силы, расположенный на распределительном поясе, отражает численное значение величины натяжения тяг. На схеме ниже приведён пример размещения данного измерительного оборудования на камере шлюза с шпунтовыми стенками.
Схожим образом выполняется мониторинг за причалами типа больверк, однако он может быть дополнен множеством дополнительных измерений; об этом у нас выходила отдельная статья.
В причальных сооружениях с шпунтовой или иной лицевой стенкой, поддерживаемых анкерными тягами, мониторинг сводится к геометрическому контролю положения шпунтовой или иной стенки способами, аналогичными описанным выше. Относительные деформации анкерных тяг и сила их натяжения регистрируются описанными выше датчиками деформации и силы. Ниже приведена схема размещения данного оборудования на причале со шпунтовой лицевой стенкой.
