Технические средства контроля и контролируемые показатели

Плотины Саяно-Шушенской ГЭС

Плотина Саяно-Шушенской ГЭС — арочно-гравитационного типа. Арочные пояса — круговые трехцентровые арки. Напорная грань — цилиндрическая поверхность с вертикальной образующей. Каньон трапецеидальный. Высота плотины 242 м, длина плотины по гребню 1070 м, по подошве — 400 м, толщина плотины по гребню 25 м, максимальная толщина по подошве — 105 м. Вдоль потока плотина разделена на четыре столба толщиной 25 м каждый, поперек потока плотина разделена на 68 секций протяженностью 15 м каждая.

Технические средства контроля

Система контроля включает следующие подсистемы.

1. Подсистема контроля НДС (напряженно-деформированного состояния), включающая в себя около 6000 датчиков струнного типа для измерения температур и деформаций в различных точках плотины. Сбор измерений с 2400 датчиков автоматизирован.

2. Подсистема фильтрационного контроля, включающая 250 пьезометров в основании плотины и берегах, а также более 50 точек измерения фильтрационных расходов (сбор данных ручной).

3. Подсистема геодезического контроля, обеспечивающая измерение плановых (вдоль и поперек потока) и вертикальных перемещений (осадок), а также взаимных перемещений элементов сооружений относительно внутренней и внешней каркасных сетей. Для измерения вертикальных перемещений во внешней каркасной сети подсистема включает 4 куста фундаментальных реперов, 1360 рабочих реперов, более 100 глубинных реперов. Для измерения относительных вертикальных перемещений (относительных осадок) подсистема содержит систему гидростатических нивелиров с общим числом марок 550. Для измерения плановых смещений служат система знаков триангуляции, плановых марок, система светодальномерных измерений, а также система прямых и обратных отвесов, позволяющая контролировать плановые перемещения 66 точек плотины. Для контроля взаимных смещений установлено более 100 трехосных щелемеров.

4. Подсистема контроля внешних воздействий (уровней бьефов, расходов, температур окружающего воздуха, состава воды и т.д.).

5. Автоматизированная подсистема сейсмометрического контроля.

1.2. Основные измеряемые параметры:

подсистема контроля НДС — компоненты тензора деформаций и температуры в характерных точках плотины и основания;

подсистема фильтрационного контроля — пьезометрические напоры и фильтрационные расходы (суммарные и на отдельных участках);

подсистема геодезического контроля — перемещения плановые (радиальные и тангенциальные) и вертикальные (осадки), а также взаимные смещения отдельных элементов конструкций;

подсистема контроля внешних воздействий — уровни верхнего и нижнего бьефов, температура воды в водохранилище, температура окружающего воздуха.

1.3. Основные вычисляемые параметры:

напряжения, вычисляемые по деформациям и температуре бетона подсистемы НДС;

нормальные и перерезывающие силы, изгибающие и крутящие моменты в характерных сечениях, вычисляемые по напряжениям;

углы поворота горизонтальных сечений плотины, вычисляемые по относительным осадкам поперечных гидростатических нивелиров (см. ниже);

равнодействующие эпюр противодавления, суммарные фильтрационные расходы по всему сооружению и отдельным его частям, вычисляемые по данным измерений подсистемы фильтрационного контроля;

производные от измеряемых параметров по координатам, УВБ и времени — градиенты и скорости изменения контролируемых показателей при росте УВБ, тренды — необратимые составляющие измеряемых параметров (в первую очередь необратимые перемещения).

Выбор диагностических показателей

Плановые перемещения и их приращения

При оперативном эксплуатационном контроле практически невозможно контролировать абсолютные перемещения, определенные в проекте, так как измерительные системы вступают в эксплуатацию после того, как плотина частично возведена и нагружена. Поэтому при оперативном контроле контролируются не сами перемещения, а их приращения по сравнению с некоторым начальным (нулевым) циклом измерений. Для плотины Саяно-Шушенской ГЭС в качестве начального принят цикл измерений, соответствующий УМО (отм. 500 м) в 1989 г., так как в следующем 1990 г. водохранилище было наполнено до НПУ, и началась работа плотины в нормальном технологическом режиме наполнения - сработки: ветвь наполнения — минимальный УВБ (УМО отм. 500 м) в конце апреля — начале мая; максимальный УВБ (НПУ отм. 540 м) — в октябре, ветвь сработки от НПУ до УМО ноябрь - апрель.

Выбор диагностических показателей из всех контролируемых перемещений осуществлялся в соответствии с рекомендациями п. 2.11 «Методики».

Покажем, что радиальные перемещения и их приращения обладают необходимыми качествами диагностического показателя.

На плотине Саяно-Шушенской ГЭС с помощью системы прямых и обратных отвесов измеряются (контролируются) плановые перемещения (радиальная Х и тангенциальная Z компоненты) в 66 точках, во внутренней и во внешней каркасной сетях.

Во внутренней каркасной сети в качестве условно неподвижных приняты точки закрепления якорей обратных отвесов (лежащие вблизи горизонтальной плоскости на отм. 270 м, то есть на 40 м ниже подошвы плотины).

Погрешность измерения контролируемых перемещений. Суммарная величина погрешности во внутренней каркасной сети складывается из инструментальной погрешности отвесов и погрешности внешних условий, включающей возможное отклонение струны под действием потоков воздуха и отклонения за счет изменения массы водохранилища при различных НПУ. Суммарная среднеквадратическая погрешность измерения плановых смещений X (радиального) и Z (тангенциального) точек плотины относительно якорей обратных отвесов (во внутренней каркасной сети) составила 0,52 мм.

Во внешней каркасной сети в качестве условно неподвижных взяты точки стояния светодальномеров, расположенные в 1,5 км ниже створа плотины. Среднеквадратическая погрешность измерения X и Z во внешней каркасной сети существенно больше и равна 1,6 мм.

В таблице П.П.1 приведены данные измерений приращений радиальных перемещений dХ в части точек плотины СШ ГЭС при изменении УВБ от УМО отм. 500 м до НПУ 540 м за 1993 - 1995 гг.

Из таблицы П.П.1 видно, что:

приращения радиальных перемещений плотины dХ растут при росте УВБ;

во всех точках, начиная от отм. 344 м и выше, dX превышают величину 6 мм, что в несколько раз больше среднеквадратичной погрешности измерений как во внутренней (0,52 мм), так и во внешней каркасной сетях (1,6 мм);

прослеживающаяся по таблице, даже визуально, устойчивая закономерность измерений dХ по годам, а также по высоте и фронту плотины позволяют рассчитывать на то, что X (dХ) поддаются прогнозу как с помощью статических расчетов, так и путем статистической обработки данных натурных измерений.

Это подтверждает целесообразность принятия радиальных перемещений X и их приращений в точках плотины на отметках не менее 344 м в качестве диагностических параметров.

Таблица П.П.1