Способ определения резонансной частоты грунтовой плотины Советский патент 1983 года по МПК E02B7/00 

2. Способ по п.1, отличаю щ и и с я тем, что плотность грунта плотины определяют из следующей зависимости

2ftH

fpgi резонансная частота плотины, Гц р - средняя плотность грунта

плотины, г/см} а - постоянный коэффициент; Н - высота плотины, м;

- длина плотины по гребню, м; - коэффициент формы каньона, который равен

1 + К

-1

2 1 + К + К

I

где К Ьо

где L - длина плотины по основанию,м.

3. Способ по пп. 1и2, отличающийся тем, что спектральный анализ посредством преобразова:ния Фурье осуществляют в диапазоне частот 0,5-2,0 ориентировочно определенной резонансной частоты.

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЫ ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ, включающий регистрацию колебаний, направленных перпендикулярно гребнюплотины на осциллограмму с.одновременной подачей на. нее меток времени. спектральный анализ колебаний и определение по максимальной ординате спектральной плотности частот резонансной частоты, отличающий с я тем, что, с целью, раслиирения функциональных возможностей путем обеспечения контроля состояния плотины в процессе ее эксплуатации, регистрацию колебаний, спектральный анализ и определение по максимальной ординате спектральной плотьости частот резонансной частоты производят периодически, причем разница значений меток времени при каждом опыте составляет не более 0,5%, а спектральный анализ осуществляют с помощью преобразования Фурье с шагом счета j спектра по частоте, равным 0,002 СО 0,003, ориентировочно определенной резонансной частоты, после чего по изменению резонансной частоты судят об изменении плотности грунта : плотины.

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано для контроля за состоянием земляных плотин в процессе их эксплуатации. Прочность и устойчивость этих плотин определяется, в основном, свойствами слагающих их грунтов, причем в наибольшейстепени таким их свойством как плотность.

Уменьшение этого параметра даже на отдельном участке тела плотины на 1-2% означает, что в плотине возникли зоны разуплотнения и трещинооб разования, хотя и неопасные о ;точки зрения немедленного прорыва напор- . ного фDoнтa однако могущке повлечь развивающиеся во времени процесссы размыва тела плотины фильтрационным потоком.

Известен способ определения динамических характеристик плотины, в частности ее резонансной частоты, включающий запись колебаний основани плотины при землетрясениях и определение по этой записи частотной характеристики плотины l .

Этот пособ основан на известных соотношениях, связывающих спектральные характеристики входного и выходного сигналов объектов с их динамическими свойствами.

В качестве входного сигнала принимается запись колебаний ее основания при землетрясениях, а выходным сигналом служит запись колебаний одной из точек сооружения. Оценки частотной характеристики плотины получают, в .частности, делением спектра выходного сигнала на спектр входного, с последующим выявлением из этой характеристики частоты резонансных колебаний (далее резонансной Частоты).

Однако спектральные особенности сейсмическогосигнала приводят к тому, что значения резонансных частот, определенные по записям различных землетрясений,различаются на, 10-15%,

Известен также способ определения резонансной частоты грунтовой плотины, включающий регистрацию колебаний, направленных перпендикулярно гребню плотины на. осциллограмму с одновременной подачей на нее меток времени, спектральный анализ коле-; баний и определение по максимальной ординате спектральной плотности частот резонансной частоты 2Д ;

Способ предусматривает периодическую регистрацию микроколебаний магнитоэлектрическими сейсмоприемниками с осциллографами и гальванометрами. При этом регистрацию проводят в нескольких точках основания . и гребня плотины, а разница значений меток времени, подаваемых на осциллограмму в каждый сеанс регистрации, составляет 1-2%.

Во всех точках запись ведут по трем составляющим: параллельной оси плотины - Y, перпендикулярной оси плотины - X и вертикальной - Z, Затем результаты регистрации подвергаю спектральному анализу, для чего визуально определяют периоды колебаний на отрезке продолжительностью 30 с, все значения периодов разбивают на интервалы так, чтобы их средние значения для каждого интервала различались между собой на 20%. После этого строят графики повторяемости периодов и зависимости максимальной амплитуды от периода.

По полученным графикам определя|ют основную резонансную частоту плотины, выделяя в спектре частоту, соответствующую максимальной ординате спектральной плотности.

Известный способ не может быть при менен для контроля за изменением характеристик грунтов тела плотины в процессе ее эксплуатации и, как следствие, не позволяет прогнозировать возможность развития опасных деформаций плотины.

Это обусловлено следующим. Средняя плотность грунта р связана со скоростью распространения в нем поперечных волн в гоунте Vg эмпирическим соотношением:

0,12

2,2 V В свою очередь Vg связана с резонансной частотой плотины соотношениемV.Tlab (1мг7 где резонансная частота; 3; - постоянный коэффициент; Н - высота плотины, м; LO - длина плотины по гребню, м; 2 - коэффициент форм каньона, который определяется из соотношения 30

1 + к

ф

1 + к + К2

L (длина плотины по основ ани10у,м)

где К

В итоге fpeъ AVj , где А - коэффи:циент, учитывающий форму каньона и Геометрию плотины.

Следовательно, изменение плотноети грунта приведет к изменению резонансной частоты плотины, а плотность является основным условием прочности земляных плотин. При этом изменение плотности на +0,2% приводит к изменению резонансной частоты на +0,9%. Из этого следует, что ошибка определения резонансной частоты должна быть не более 1% (или иначе: точность определения должна составлять не менее 1%).

В известном способе упоминавшиеся выше факторы - визуальное определение периодов и 20%-ная разница средних значений периодов, на которые рэзбиты интервалы, позволяют получит точность измерения, равную лишь 20-30%.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей способа обеспечения контроля состояния плотины в процессе ее эксплуатации.

Эта цель достигается тем, что регистрацию колебанийJспектральный

анализ и определение по максимгшьноя ординате спектральной плотности частот резонансной частоты производят периодически, причем разница значений меток времени при каждом опыте составляет не более 0,5%, а спектральный анализ осуществляют с помощью преобразования Фурье с шагом счета спектра по частоте, равным 0,002-0,003, ориентировочно определенной резонансной частоты, после чего по из.менению резонансной частоты судят об изменении плотности грунта плотины.

Плотность грунта плотины определяют из следующей зависимости 20

где К

где L - длина плотины по основанию,м

Кроме того, спектральный анализ посредством преобразования Фурье осуществляют в диапазоне частот О,.5-2,0 ориентировочно определенной резонансной частоты.

На фиг. 1 изображена схема плотины с измерительными точками (ИТ), в которых установлена сейсмометрическа аппаратура; на фиг. 2и 3 - синхронные записи микроколебаний, полученные в разных опытах, относящиеся к точкам ИТ4 и ИТ2 соответственно; на фиг. 4 - 7 - то же, относящиеся к точкам ИТ6, ИТ5, ИТ4, ИТЗ соответственно; на фиг. 8 - спектры колебаний плотины, полученные по записям сделанным в смотровых галереях первого и второго ярусов; на фиг. 9-11 то же, в точках ИТЗ, ИТ4, ИТ5 соответственно; на фиг. 12-15 - спектры, выполненные по записям, сделанным в разных опытах; на фиг. 16 - спектры колебания плотины при различной плотности грунта, которые характеризуют зависимость изменения резонансной частоты при возможном изменении плотности грунта ),5%.

Способ реализу тся следующим oft разом.

Сначала по имеющимся проектным данным рассчитывают ориентировочное резонансная частота, Гц; р - средняя плотность грунтов, г/см; а, - постоянный коэффициент; Н - высота плотины, м; LO - длина плотины по гребню,М} 5 - коэффициент формы каньона, который определяется из соотношения Q4 1 + к + к 2 приближенное значение fj,пользуясь соотношением (1), после чего присту .пают к регистрации мцкроколебаний плотины. Для этого в различных точках устанавливают сейсмометрическую аппаратуру, причем сейсмометры орие тируют для записи колебаний плотины направленных поперек ее гребня. Отм чик времени маркируют с помощью генератора для получения меток времени с необходимой точностью, после чего начинают запись. Все указанные действия производят при каждом опыте регистрации, повторяющийся многократно. Полученные записи подвергают спектральному aн JIИзy для выделения частоты гармо нических колебаний. Спектральный ан ЛИЗ осуществляют посредством преобр зования Фурье в диапазоне частот 0,5-2,0 реэ с шагом счетаспектра по частоте,, равным 0,002-0,003 fpe. выделяя участок записи с. Расчет интеграла Фурье осуществ ляют на основе алгоритма-быстрого преобразования Фурье непрерывной функции, заданной в виде числовой последовательности ординат в N 2 точках. Затем на каждом из полученных спектров выделяют частоту, соот ветствующую значению наибольшей ординаты спектральной плотности, ко торая и является искомой резонансной частотой - fpgy Сопоставление двух последователь ных значений Грд позволяет судить об изменениях плотности грунта за время, прошедшее между опытами . регист рации, соответствующими этим значениям, на основании зависимости . о,пГ-7ГР f А 1 ГТ Значительное (в пределах 1,0%) изменение плотности должно служить сигнсшом о необходимости уточнения состояния плотины с последующим изменением условий ее работы. Для этого можно, например, понизить уровень воды в водохранилище и провести контрольный отбор проб грунта из шурфов с целью .определения абсолютных значений его плотности извест ными методами. Уменьшение разброса значений меток времени до 0,5% Повышает достоверность результатов определения ре нансной частоты плотины. Селективность преобразования позволяет йьщелить из колебаний, которы рассматриваются как сумма гармоничНого и стационарного случайного процессов, гармоническую компоненту. Использование зависимости, связывающей резонансную частоту и плот Ность, позволяет, контролировать их изменения не только в качественном, но и в количественном плане. Использование составляющей вектора колебаний плотины направленной поперек ее гребня, позволяет наиболее точно (по сравнению с использованием других составляющих) фиксировать значение резонансной частоты. Выделение определенного участка регистрационной записи и ограничение величины шага счета.-спектра по частоте позволяет дополнительно повысить точность определения fpe, за счет усиления вьоразительности рельефа спектра; ограничение диапазона, частот, в котором осуществляют преобразование, позволяет упростить определение резонансной частоты для конкретного сооружения. Использование преобразования Фурье наиболее просто (по сравнению с другими преобразованиями) для осуществления спектрального анализа, в силу того, что алгоритм этого преобразования является одним из наиболее разработанных. Предварительное ориентировочное определение резонансной частоты позволяет осуществить упомянутые ограничения, что, в конечном итоге,ведет к оптимизсщии спектрального анализа. Пример. Определение динамической характеристикиплотины Нурекской ГЭС. Проектные данные плотины: LO - 600 м, Н - 290 м, 9 - 3/2, а - 2,5, УЗ - 700 м/с. Конструкция плотины включает центральное водоупорное суглинистое ядро,, опирающееся на бетонную пробку, переходные зоны, упорные прйэмы из галечника и каменные пригрузки верхового и низового откосов. В теле ядра на разных уровнях устроены две смотровые галереи, которые располагаются по ее Оси от борта к борту (фиг. 1). Источником микроколебаний плотины служит, в основном, водосброс через туннели комплекса водосбросных сооружений. Расчет резонансной частоты плотины по формуле (1) дает значение 1,55 Гц (после подстановки-проектных данных)., Регистрацию колебаний осуществляют с помощью сейсмометров СМ-3 и гальванометров ГБ-1У-С-10 со светлолучевымиосциллографами ПОБ-12. Скорость протяжки фотобумаги составляет 4 см/с. Аппаратура резмещается в следующих измерительных точках (ИТ) - в бетонной пробке под ядром плотины - ИТ1, в смотровых галереях первого - ИТ2 и второго - ИТЗ, ИТ4, ИТ5 ярусов, а также на скальном массиве ИТ6. Размещение измерительных точек показано на фиг.1. Сейсмометры ориентируют

для регистрации горизонтальных колебаний плотины поперек ее гребня. Синхронизацию записей в ггшереях ведут с помощью отдельной магистрали, в которую во время записи с периодичностью 5-6 с подают синхронизирующие импульсы« Длительность записи составляет 1,5-2,0 мин. Регистрация проводится на протяжении двух месяцев в течение 20 сеансов-опытов.

На фиг. 2-7 в качестве примера приведены синхронные записи микроколебаний, полученные в разных опытах, причем записи (фиг. 2 и 3) относятся к точкам ИТ4 и ИТ2 соответственно, а записи (фиг. 4-7) относятся к точкам ИТ6, ИТ5, ИТ4, ИТЗ соответственно.

После проявления и закрепления изображения кривых/на фотобумаге, каждая аналоговая запись, длительностью не менее 30 с, дискретизирует ся и табулируется вручную с помощью специальной палетки и четырехкратной лупы; шаг цифровки составляет 0,1 с. Полученная таким образом числовая последовательность используется для расчета спектра Фурье исходной функции , которая проводится с помощью вычислительной машины.

Виспользуемой программе диапазон частот, в котором осуществляется пре Образование, составляет 0,75-3J1 Гц, шаг счета спектра по частоте принимается равным 0,004 Гц.

На фиг, 8 представлены спектры (Колебаний плотинй, полученные по записям, сделанным в смотровой галерее второго яруса - кривая А и первого

яруса - кривая Б. Аналогичность рельефа обоих спектров говорит о том, что колебания плотины носят не локальный характер, а что в движение вовлекается вся ее масса. Это позволяет считать частоту, соответствующую максимальной ординате спектральной плотности, резонансной частотой. Ангшогично получены спектры (фиг, 9-15).

Из полученных спектров определяют основную резонансную частоту плотины; она соответствует максимальному значению ординаты спектральной плотности и составляет 1,025-1,035 Гц. Разница значений находится в пределах ошибки измерения - 0,4%, Это позволяет сделать вывод о том, что за исследуемый период времени состояние плотины оставалось неизменным.

На фиг, 16 приведены спектры коле.баний плотины при различной плотности уклёшки- грунта, которые Характеризуют зависимость изменения резонансной частоты при возможном изменении плотности на +0,5%,

Применение предлагаемого способа дает возможность прогнозировать -деформации земляных плртин, возникающие при резком изменении уровня водохранилища, а также в результате землетрясений, поскольку амплитуды сейсмических колебаний при землетрясениях Дс1же в 2-3 балла в 100 раз больше .микроколебаний. Это особенно важно ввиду того, что визуальные и геодезические оценки повреждений плотины при этом могут оказаться недостаточными.

i.ObS

0,9

0,8

Фиг.8

5 {Аитота.щ

i2

iflbS

Фиг.12

t/acmofr a, гц

1 асто/77аг,

acmo/na.zif

ify}fcnf}O/ffa,iK