СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОСНОВАНИЯ И ТЕЛА ПЛОТИНЫ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ Российский патент 2000 года по МПК E02B1/02 G01M7/00 

Изобретение относится к области гидротехнических сооружений и может быть использовано для неразрушающего инженерно-сейсмологического обследования физического состояния основания и тела плотины гидротехнических сооружений посредством измерения микроколебаний объекта под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в том числе полимонохроматического вибрационного излучения функционирующих гидроагрегатов ГЭС или излучения управляемого вибрационного источника.

Существуют способы контроля физического состояния основания и тела плотины. Это методы изучения пород основания и бетона плотины путем отбора проб, сейсмоакустические, ультразвуковые и т.п. Полученные параметры имеют локальный характер, описывают свойства в ограниченной зоне проведения измерений, практически исследуются отдельные элементы основания и тела плотины, поскольку методы большей частью не соответствуют масштабу объекта.

Известен способ определения динамических характеристик основания сооружения [1]. "...Способ основан на контроле за колебаниями сооружений при работе технологического оборудования, например гидроагрегатов ГЭС, или при сбросе воды через водосбросы, или при волновом воздействии. Схему наблюдения строят так, чтобы регистрировать колебания сооружений, возбуждаемые упругими волнами, которые генерируются в основании. Приборы, например виброизмерительные преобразователи для регистрации колебаний, устанавливают не на грунт, а непосредственно на сооружение.

С их помощью регистрируют колебания сооружений как твердого тела на упругом основании и определяют скорости распространения упругих волн в основании сооружений, например волн Релея - V_R" [1].

В статье тех же авторов [2) изложены некоторые результаты апробирования этого способа, условно названного ими вибропросвечиванием.

Апробирован способ при натурных экспериментальных исследованиях на Красноярской и Братской гидроэлектростанциях в 1973 - 1976 г.г. В качестве виброгенератора использованы работающие гидроагрегаты.

Согласно авторам "Измерениями охватывают поочередно все секции сооружения, причем синхронно регистрируют колебания не менее 5-7 секций" [2] "в нижней части плотины, ... постоянно контролируя в 1-2-3 точках стабильность колебаний, чтобы получить осциллограммы, пригодные для количественных оценок фазовых скоростей распространения упругих волн и их отождествления" [2].

"Поочередно измерялись два основных (наибольшие амплитуды) компонента виброперемещений: вертикальный и горизонтальный" [2].

Для определения по осциллограммам фазовой скорости упругих волн использованы известные приемы корреляционного и спектрального анализа. Вычислялись взаимнокорреляционные функции колебаний, зарегистрированные в двух точках, или фазовый сдвиг между фазочастотными характеристиками взаимного спектра записей в двух точках.

Основным недостатком этих измерений является поочередная синхронная однокомпонентная запись колебаний, поскольку она не позволяет достоверно разделить сложное гармоническое интерференционное волновое поле на типы волн разной поляризации (продольные, поперечные, Релея и т.п.).

Синхронная запись колебаний группой однокомпонентных вибродатчиков в потернах нижней части плотины позволяет констатировать некоторую разность фаз сложного гармонического интерференционного волнового поля, но соотнести ее с типом волны не представляется возможным.

Поэтому способ определения скорости упругой волны, представленный в [1 и 2], вызывает определенные сомнения.

Наиболее близким (прототипом) к заявляемому способу является способ определения физического состояния зданий и сооружений [3] с помощью регистрации микроколебаний зданий и сооружений под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения посредством группы трехкомпонентных вибродатчиков, обеспечивающих регистрацию величин колебаний объекта по трем координатам, и последующего определения комплекса динамических характеристик зданий и сооружений, отображающих физическое состояние обследуемых объектов.

Возможности способа [3] существенно расширяет использование способа [4] приведения к единому времени регистрации разновременных записей измерений. Этот способ позволяет в течение необходимого времени выполнить детальное обследование объекта с помощью нескольких последовательно перемещаемых трехкомпонентных вибродатчиков и одновременных записей аналогичным трехкомпонентным вибродатчиком в опорной точке. Затем, используя записи в опорной точке, привести путем пересчета способом [4] разновременные записи группы перемещаемых вибродатчиков к единому времени регистрации и определенному уровню сигнала в опорной точке для любого количества точек наблюдения на объекте с помощью ограниченного числа датчиков и каналов регистрирующей аппаратуры и получить представление о трехмерных колебаниях объекта, равнозначное одновременной многоканальной регистрации в тех же точках объекта.

Использование способов [3] и [4] совместно позволяет детально обследовать в масштабе объекта здания и сооружения, в частности плотины гидротехнических сооружений, и получить комплекс динамических характеристик, отображающих физическое состояние плотины.

Однако при этом не удается изучить физическое состояние основания плотины, что имеет большое значение при оценке состояния плотины гидротехнического сооружения в целом.

Для определения динамических модулей упругости и сдвига, затухания упругих волн при прохождении ими основания и тела плотины необходимо использовать метод исследования с помощью внешнего источника упругих волн.

Техническим результатом настоящего изобретения является способ определения динамических характеристик основания и тела плотины гидротехнических сооружений - метод инструментального неразрушающего инженерно-сейсмологического обследования с целью определения комплекса динамических характеристик основания и тела плотины, отображающих физическое состояние гидротехнического сооружения.

В качестве внешнего источника сейсмических волн для исследования основания и тела плотины в предлагаемом способе используют полимонохроматическое вибрационное излучение функционирующих гидроагрегатов ГЭС, расположенных обычно на уровне основания плотины, или излучение управляемого источника вибраций, если на плотине отсутствует подобное гидроагрегатам технологическое оборудование.

Кроме того, при регистрации данных измерений микроколебаний плотины используют одновременно две фиксированные опорные точки, в которых устанавливают трехкомпонентные вибродатчики, и группу перемещаемых в теле плотины трехкомпонентных вибродатчиков.

В результате обработки способом [4] записей, зарегистрированных группой перемещаемых в теле плотины вибродатчиков, определяют динамические характеристики тела плотины, в том числе частоты и формы собственных колебаний плотины, декременты затухания, переходные характеристики, динамические деформации и напряжения в точках измерения, а также скорости распространения упругих волн, динамические модули упругости и сдвига, затухание волн в основании и теле плотины по мере удаления от источника.

Таким образом получают комплекс динамических и упругих характеристик, отображающих физическое состояние основания и тела плотины гидротехнического сооружения.

Технический результат достигается тем, что в способе определения динамических характеристик основания и тела плотины гидротехнических сооружений в соответствии с предлагаемым изобретением измерения в масштабе обследуемого объекта микроколебаний тела плотины осуществляют под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в том числе полимонохроматического вибрационного излучения функционирующих гидроагрегатов ГЭС или управляемого вибрационного источника, путем регистрации микроколебаний группой перемещаемых последовательно трехкомпонентных вибродатчиков и одновременно двумя трехкомпонентными вибродатчиками в двух фиксированных опорных точках. Одну из которых располагают в теле плотины и регистрируют в ней микроколебания плотины, а в другой опорной точке регистрируют первичное полимонохроматическое вибрационное излучение функционирующих гидроагрегатов ГЭС или излучение управляемого вибрационного источника. Записи этих опорных точек используют для приведения разновременных регистрационных записей группы перемещаемых в теле плотины трехкомпонентных вибродатчиков в точках измерения к единому времени регистрации и определенному уровню сигнала в соответствующей опорной точке.

Затем осуществляют обработку записей, зарегистрированных группой перемещаемых последовательно трехкомпонентных вибродатчиков в теле плотины, и определяют на базе регистрационных записей в опорной точке в теле плотины динамические характеристики тела плотины, в том числе частоты и формы собственных колебании плотины, декременты затухания, переходные характеристики, динамические деформации и напряжения в точках измерения, а на базе регистрационных записей во второй опорной точке определяют скорости распространения упругих волн полимонохроматического вибрационного излучения функционирующих гидроагрегатов ГЭС или излучение управляемого виброисточника, динамические модули упругости и сдвига, затухание волн в основании и теле плотины по мере удаления от источника и получают комплекс динамических и упругих характеристик, отображающих физическое состояние основания и тела плотины гидротехнического сооружения.

Суть способа заключается в следующем.

Как каждому сооружению гидротехнической плотине присущи индивидуальные частоты и формы собственных колебаний по трем компонентам и другие динамические характеристики микроколебаний, определяемые ее типом (арочная, гравитационная, арочно-гравитационная и т.д.), геометрическими соотношениями, конструктивными особенностями, свойствами и состоянием пород основания, контакта плотины с берегами, условиями строительства, эксплуатации и т.п.

Плотина и основание гидросооружения находятся в условиях длительного воздействия статических и знакопеременных нагрузок от гидростатического давления и присоединенной массы воды со стороны верхнего бьефа, действия водоводов, сбросов воды, функционирующих гидроагрегатов, землетрясений, взрывов и т.п.

Под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения плотина совершает вынужденные колебания на собственных частотах и формах, присущих данной плотине, с индивидуальными динамическими характеристиками: логарифмическим декрементом затухания, динамическими модулями упругости и сдвига. При этом динамические характеристики являются функцией частот собственных форм, номера последних и амплитуд колебаний, а также координат точек объекта, то есть предлагаемый способ позволяет изучить пространственно-частотное распределение динамических характеристик.

Изменение прочностных свойств бетона тела плотины и пород основания в процессе эксплуатации, в результате циклических изменений уровня верхнего бьефа, фильтрации, воздействия вибраций техногенного происхождения (функционирующие гидроагрегаты, водоводы, водосбросы и т.п.) или землетрясений соответственно отражаются на частотах и формах собственных колебаний тела плотины, декрементах затухания, динамических модулях упругости и сдвига пород основания и бетона тела плотины.

Таким образом, посредством предлагаемого способа инженерно-сейсмологического обследования представляется возможность детально исследовать и с высокой точностью определить исходные значения динамических характеристик.

Способ осуществляют следующим образом.

Измерения микроколебаний плотины под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в том числе полимонохроматического вибрационного излучения функционирующих гидроагрегатов или управляемого источника вибраций, осуществляют в штатных эксплуатационных условиях без вмешательства в режим функционирования ГЭС трехкомпонентными вибродатчиками одновременно в двух фиксированных опорных точках (в теле плотины и на основании гидроагрегатов) и группой периодически перемещаемых трехкомпонентных вибродатчиков по галереям и потернам тела плотины в соответствии с заданной схемой наблюдений.

Опорную точку в теле плотины располагают, как правило, в основании, либо в верхней части, что зависит от назначения обследования.

Обследование плотин гидротехнических сооружений осуществляют обычно в частотном диапазоне 0.5 - 100 Гц или более узком диапазоне. Если используют полимонохроматическое вибрационное излучение функционирующих гидроагрегатов или управляемый вибрационный источник, верхний уровень частотного диапазона может быть повышен до 150 Гц.

После проведения измерений в теле плотины на микросейсмах разновременные записи группы вибродатчиков, перемещаемых в галереях и потернах плотины, используя способ [4], приводят на базе регистрационных записей в опорной точке в теле плотины к единому времени регистрации и определенному уровню сигнала в опорной точке, специальным образом обрабатывают и определяют динамические характеристики микроколебаний плотины:
величины смещений, скорости смещений и ускорений в каждой точке измерений в теле плотины с координатами x_i, y_i, z_i;
частоты и формы собственных колебаний плотины по трем компонентам;
логарифмические декременты затухания по трем компонентам на частотах собственных форм;
передаточные характеристики основание - элементы плотины на частотах собственных форм;
компоненты динамических деформаций" и напряжений, которые позволяет определить схема наблюдений.

Вторую опорную точку располагают рядом с источником вибраций (функционирующие гидроагрегаты или управляемый вибрационный источник) и одновременно с проведением измерений в теле плотины на микросейсмах регистрируют в ней трехкомпонентным вибродатчиком первичное полимонохроматическое вибрационное излучение функционирующих гидроагрегатов или излучение управляемого вибрационного источника.

При работе гидроагрегатов ГЭС с фиксированной основной частотой вращения (оборотная частота f_0d), основание гидроагрегатов излучает упругие волны различной поляризации на монохроматических частотах, которые являются производными от оборотной частоты f_0d.

Каждый гидроагрегат излучает при вращении с оборотной частотой три группы монохроматических частот: гармоники оборотной частоты n • f_0d; гармоники от поля вихря воды, действующего на неподвижные конструкции гидроагрегата, f_н=f_0d(0.8k±0.2); гармоники относительной частоты вращения лопастей турбины и поля вихря воды f_отн = 0.8 • f_0d • k, где n и k = 1,2,3,..

Упругие волны на этих монохроматических частотах практически непрерывно просвечивают основание и тело плотины в широком диапазоне частот от 0.2 • f_0d до 100-150 Гц, что используют в предлагаемом способе для определения не выявленных при обработке результатов измерений на микросейсмах динамических характеристик основания и тела плотины.

Широкий частотный диапазон рядов монохроматических частот, излучаемых функционирующими гидроагрегатами, существенно повышает детальность обследования в масштабе объекта и достоверность полученных динамических характеристик основания и тела плотины.

В случае работы с управляемым вибрационным источником используют режим излучения монохроматического сигнала заданной частоты, либо сигнал с частотой, изменяющейся по определенному закону.

Повторно используя первичные разновременные регистрационные записи группы вибродатчиков, перемещаемых в галереях и потернах плотины, полученные при обследовании тела плотины на микросейсмах, содержащие в своем составе присутствующие при этом сигналы полимонохроматического вибрационного излучения функционирующих гидроагрегатов или излучение управляемого вибрационного источника, путем пересчета по способу [4] на регистрационные записи во второй опорной точке приводят к единому времени регистрации и определенному уровню сигнала, излучаемого источником вибраций, и получают записи, нормированные на этот сигнал.

На базе регистрационных записей трех компонент микроколебаний в точках измерений в теле плотины на каждой из множества монохроматических частот, излучаемых функционирующими гидроагрегатами, интерференционное волновое поле или поле управляемого вибрационного источника известными в геофизике методами разделяют на типы волн и по годографам определяют скорости волн и изменение их амплитуд по галереям и потернам плотины, то есть определяют затухание волн в основании и теле плотины по мере удаления от источника.

По скоростям продольных и поперечных волн определяют динамические модули упругости и сдвига, которые отображают физическое состояние основания (при наблюдениях в нижней части плотины) и собственно тела плотины (при наблюдениях по всей плотине).

Динамические характеристики, в свою очередь, определяют физико-механические свойства и структуру пород основания и бетона тела плотины.

Пример. Способ определения динамических характеристик основания и тела плотины гидротехнических сооружений был разработан и апробирован при проведении двух этапов инженерно-сейсмологического обследования арочно-гравитационной плотины Саяно-Шушенской ГЭС (СШГЭС).

Перечень графических иллюстраций апробирования предлагаемого способа.

Фиг. 1. Общий вид плотины Саяно-Шушенской ГЭС.

Фиг. 2. Поперечный разрез плотины и машинного зала СШГЭС.

Фиг. 3. Карты амплитуд скорости смещения собственных радиальных колебаний плотины СШГЭС на отметке 521 м в зависимости от частоты и расстояния от левого берега:
а) уровень верхнего бьефа 539 м;
б) уровень верхнего бьефа 500 м.

Фиг. 4/ Карты абсолютных амплитуд смещений (в микронах) и фаз собственных форм радиальных колебаний плотины СШГЭС (УВБ 539 м):
а) амплитуды;
б) фазы.

Фиг. 5. Осредненные спектры амплитуд скоростей смещений радиальных колебаний плотины в опорной точке на отметке 521 м (УВБ 500 м).

Фиг. 6. Спектры колебаний основания гидроагрегата N 3 Саяно-Шушенской ГЭС на отметке 310 м (УВБ 500 м) в диапазоне частот 0 - 64 Гц.

Фиг. 7. Спектры колебаний основания гидроагрегата N 3 Саяно-Шушенской ГЭС на отметке 310 м (УВБ 500 м) в диапазоне частот 0 - 20 Гц.

Зимой 1997 г. и весной 1998 г. проведены два этапа инженерно-сейсмологического обследования плотины Саяно-Шушенской ГЭС при уровне верхнего бьефа (УВБ) с абсолютной отметкой 539 м и 500 м соответственно.

Цель обследований - определить и сопоставить динамические характеристики микроколебаний плотины, отображающие ее физическое состояние и установить зависимость этих характеристик от УВБ.

Микроколебания плотины на собственных частотах и формах происходят под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения. Основными техногенными источниками колебаний плотины являются функционирующие гидроагрегаты, их водоводы, водосбросы и т.д.

Измерения уровней микроколебаний проведены по девяти горизонтальным продольным и трем поперечным потернам плотины на абсолютных отметках от 332 м до 521 м включительно, а также по шести штольням на левом и правом берегах.

С целью обеспечения обследования плотины в масштабе объекта измерения трех компонент микроколебаний выполнены в 1200 и 1500 точках соответственно.

Регистрация колебаний осуществлена одновременно четырьмя трехкомпонентными вибродатчиками, последовательно перемещаемыми по галереям и потернам в теле плотины, и аналогичным вибродатчиком, установленным в фиксированной опорной точке на отметке 521 м.

Шаг измерений 7.5 м, время регистрации (накопления) в каждой точке 5-10 минут.

Регистрационные записи в опорной точке на каждом этапе обследования использованы для приведения по способу [4] разновременных записей измерений в галереях и потернах к единому времени регистрации и определенному уровню сигнала в опорной точке.

В результате обработки специальным образом приведенных к единому времени регистрации и определенному уровню сигнала в опорной точке записей измерений в галереях и потернах на каждом этапе получены динамические характеристики микроколебаний плотины.

В качестве примера на фиг. 3 представлены карты амплитуд и скорости смещения собственных радиальных колебаний плотины СШГЭС на отметке 521 м в зависимости от частоты и расстояния от левого берега: а) УВБ 539 м и б) УВБ 500 м.

На фиг. 4 представлены карты абсолютных амплитуд смещений (в микронах) и фаз собственных радиальных колебаний плотины СШГЭС (УВБ 539 м): а) амплитуды, б) фазы.

В результате регистрации колебаний в опорной точке в теле плотины на микросейсмическом фоне, а также регистрации колебаний основания гидроагрегата на отметке 310 м установлено присутствие в спектрах колебаний оборотной частоты вращения гидроагрегатов (2.38 Гц) и трех групп монохроматических частот: гармоник оборотной частоты (в том числе лопастная частота - 38.12 Гц), гармоник от поля вихря воды, воздействующего на неподвижные конструкции гидроагрегата и гармоник относительной частоты вращения лопастей турбины и поля вихря воды (см. фиг. 5, 6 и 7).

Отмеченное обстоятельство указывает на присутствие в первичных разновременных регистрационных записях группы вибродатчиков, перемещаемых в галереях и потернах, колебаний плотины как под воздействием микросейсмического фона, так и от воздействия вибрационного излучения функционирующих гидроагрегатов.

Поэтому первичные разновременные регистрационные записи группы перемещаемых в теле плотины вибродатчиков позволяют при пересчете и нормировании по способу [4] на регистрационные записи в опорной точке в теле плотины получить динамические характеристики тела плотины, а при пересчете и нормировании по тому же способу на регистрационные записи в опорной точке на основании гидроагрегата - источника полимонохроматического излучения получить динамические модули упругости и сдвига, определяющие физико-механические свойства и структуру пород основания и бетона тела плотины.

Литература
1. Способ определения динамических характеристик основания сооружения. Авторское свидетельство СССР, N 515053, кл. G 01 N 3/32, 1976.

2. Л. А. Гончаров, Л.Д. Лентяев, В.М. Сименков. Контроль поведения плотины и основания Красноярской ГЭС методом вибропросвечивания. Материалы конференций и совещаний "Натурные исследования как средство оперативного контроля". - Л.: Энергия, 1980, с. 67-73.

3. Способ определения физического состояния зданий и сооружений. Заявка на патент РФ, регистрационный N 98102539, кл. G 01 М 7/00, приоритет от 17.02.98.

4. Способ приведения к единому времени регистрации разновременных записей измерений. Заявка на патент РФ, регистрационный N 98116428, приоритет от 26.08.1998.

Изобретение относится к области гидротехнических сооружений и может быть использовано для неразрушающего инженерно-сейсмологического обследования физического состояния основания и тела плотины гидротехнических сооружений посредством измерения микроколебаний объекта под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в том числе полимонохроматического вибрационного излучения функционирующих гидроагрегатов ГЭС или излучения управляемого вибрационного источника. Способ позволяет выполнить инженерно-сейсмологическое обследование основания и тела плотины посредством группы последовательно перемещаемых трехкомпонентных вибродатчиков и одновременных записей микроколебаний аналогичными трехкомпонентными вибродатчиками в двух опорных точках, одну из которых располагают в теле плотины, а в другой регистрируют первичное полимонохроматическое вибрационное излучение функционирующих гидроагрегатов ГЭС или излучение управляемого вибрационного источника. Таким образом, получают возможность определить на базе регистрационных записей в первой опорной точке динамические характеристики плотины, в том числе частоты и формы собственных колебаний, декременты затухания, переходные характеристики, динамические деформации и напряжения в точках измерения, а на базе регистрационных записей во второй опорной точке - определить скорости распространения упругих волн, затухания волн в основании и теле плотины, динамические модули упругости и сдвига и получить комплекс динамических и упругих характеристик, отображающих физическое состояние основания и тела плотины гидротехнического сооружения. 7 ил.

Способ определения динамических характеристик основания и тела плотины гидротехнических сооружений, заключающийся в том, что измерения в масштабе обследуемого объекта вынужденных микроколебаний тела плотины осуществляют под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, отличающийся тем, что измерения микроколебаний тела плотины под воздействием полимонохроматического вибрационного излучения функционирующих гидроагрегатов ГЭС или излучения управляемого вибрационного источника осуществляют путем регистрации микроколебаний группой перемещаемых последовательно в теле плотины трехкомпонентных вибродатчиков и одновременно двумя трехкомпонентными вибродатчиками в двух фиксированных опорных точках, одну из которых располагают в теле плотины и регистрируют в ней микроколебания плотины под воздействием микросейсмического фона, и определяют на базе регистрационных записей в ней динамические характеристики плотины, в том числе и формы собственных колебаний, декременты затухания, переходные характеристики, динамические деформации и напряжения в точках измерения, а на базе регистрационных записей во второй опорной точке первичного излучения используемого вибрационного источника определяют скорости распространения упругих волн, затухание волн в основании и теле плотины, динамические модули упругости и сдвига и получают комплекс динамических и упругих характеристик, отображающих физическое состояние основания и тела плотины гидротехнического сооружения.