Геодезические методы. Наблюдения за общими деформациями сооружений

Наблюдения за вертикальными деформациями сооружений производятся путем периодического определения высотного положения реперов и контрольных марок. Для этого применяются различные методы: геометрическое нивелирование, гидростатическое нивелирование, тригонометрическое нивелирование, стереофотограмметрический способ и др. В районе сооружений создается опорная высотная сеть, состоящая из фундаментальных и рабочих реперов, а в сооружении закладываются контрольные марки.

Суммарные осадки бетонного сооружения определяются нивелированием контрольных марок, заложенных на поверхности блоков или секций, а деформация основания - нивелированием глубинных марок, заложенных в основание у подошвы сооружения, или с помощью обратных отвесов. Одновременно с производством нивелирования фиксируются все факторы, влияющие на осадки сооружения, а именно: а) ход кладки бетона по блокам, столбам и наличие сосредоточенных нагрузок от оборудования, механизмов и производства работ; б) колебания уровня воды в бьефах, противодавление; в) изменения уровня горизонта воды в котловане; г) очередность цементации основания; д) температурный режим тела самого сооружения и окружающей среды; е) другие факторы, оказывающие влияние на осадки основания и самого сооружения.

Горизонтальные смещения могут возникнуть вследствие сдвига сооружений или их оснований, и прогиба под действием давления воды и сезонного колебания температуры внешней среды.

При исследовании могут быть выявлены абсолютные и относительные смещения. Абсолютные смешения характеризуются полной величиной горизонтального смещения по отношению к неподвижным геодезическим опорным знакам. Относительные смещения представляют собой разность перемещений одних частей сооружения (секций) относительно других. Полученные результаты относительных смешений позволяют более правильно проектировать уплотняющие устройства в осадочных швах сооружений, размещать силовое оборудование и др.

Как показывает опыт, наблюдения за общими деформациями крупных плотин (осадками, горизонтальными смещениями, прогибами, наклонами и др.) позволяют достаточно точно и надежно оценить статическую работу сооружения совместно с основанием, как в период наполнения водохранилища, так и при последующей эксплуатации. Методов измерений горизонтальных смещений сооружений достаточно много. Наиболее известные и чаще других применяемые следующие: способ створов, триангуляции, прямых и обратных отвесов, комбинированный метод (сочетание триангуляционного метода с методом створов) и др.

Створный способ наиболее распространен в практике наблюдений за смещениями на прямолинейных участках, где имеется возможность расположить наблюдаемые точки в один створ и примерно на одном уровне. В практике чаще всего створные наблюдения выполняют с помощью измерений малых параллактических углов или с использованием подвижной марки.

Способ триангуляции применяется в том случае, когда для создания створа нет условий, например для наблюдения контрольных марок, устанавливаемых на арочных плотинах со стороны низовой грани на разных ярусах.

Способ отвесов применяется за последние годы на строительстве крупных гидроузлов для определения смещений, прогибов и крена сооружений. Широкое применение находят отвесы различных видов, которые по конструктивным,признакам могут быть разделены на две группы: прямые и обратные.

Прямые отвесы лучше приспособлены для наблюдений за поведением части плотины, особенно в процессе строительства; обратный отвес используется для определения смещений оснований сооружений. В необходимых случаях обратные отвесы, заложенные на конечных точках створа в галерее плотины на значительную глубину, где положение якоря отвеса практически неподвижно, можно использовать в качестве опорных пунктов для определения смещений контрольных точек, расположенных на бетонных блоках сооружения. В практике наблюдений смещений оснований крупных плотин используется обратный поплавковый отвес конструкции М. С. Муравьева.

Для определения прогибов и крена сооружения используются прямые отвесы, устанавливаемые, как правило, в опытных секциях и располагаемых от основания (подошва) до гребня. Кроме того, для определения крена может использоваться гидростатическое нивелирование, а также клинометры. Действие клинометра основано на использовании цилиндрического уровня или отвеса.

В прямолинейных потернах плотины, в которых резкие продольные и поперечные потоки воздуха исключены, горизонтальные смещения сооружения рекомендуется наблюдать по натянутой струне и определять уклонения контрольных марок от створа механическим (электроконтактным) или оптическим способом.

Из опыта работ установлено, что наибольший интерес вызывают перемещения основания плотины, так как они позволяют правильно судить о влиянии гидростатической нагрузки на сооружение. Поэтому наблюдения за горизонтальными смешениями следует производить по возможности ближе к основанию сооружения.

Ленгидропроектом на Красноярской ГЭС были отработаны оригинальные методы определения относительных смещений элементов (секций) бетонных сооружений с использованием натянутой струны и гидростатического нивелирования с помощью стационарных установок, которые давали весьма стройную картину "дыхания" плотины.

НИС Гидропроекта им. С. Я. Жука разработал методику дистанционного определения с большой точностью относительных смешений с помощью системы натянутых нитей и струнных тензометров.

Опыт работы на Красноярском гидроузле показал, что протяженность натянутой струны, без снижения точности измерений, может быть доведена до 800 м. Причем струну можно натягивать участками по мере готовности потерны.

При применении способа натянутой струны в стене потерны каждой секции плотины на равной высоте от ее пола (до 2 м) по обеим сторонах: осадочного шва закладываются контрольные пункты в виде консолей из швеллера, на которые устанавливается ванна с поплавком, наполненная жидкостью. На поплавках закреплена проволока (струна). Струна натягивается на одном опорном пункте грузом до 100 кг (при длине створа до 800 м ), перекинутым через блок, а на другом конце -специальной лебедкой. Натянутая таким образом струна свободно плавает на поплавках. По отношению к этой струне определяются смещения контрольных пунктов, а концевые точки самой струны контролируются по обратным отвесам. Измерение горизонтальных смешений контрольных марок производится либо с помощью электроконтактного устройства на микрометренном винте, либо, в случае расположения струны у потолка потерны, с помощью теодолита и шкал укрепленных на потолке потерны над струной.

Комбинированный способ применяют, когда опорные пункты створа подвержены смешениям или форма сооружения непрямолинейна. Комбинированный способ - триангуляция в сочетании со створным способом. При этом смещения на контрольных знаках сооружения должны быть определены с учетом происшедших перемещении, концевых знаков створа. На основании полученных данных строятся графики по времени нарастания нагрузок и осадок, перекосы (наклоны) секции сооружения. Следует отметить, что в настоящее время в отечественной и зарубежной практике наблюдаются попытки разработать новые, более эффективные способы определения абсолютных перемещений сооружения. Заслуживает, например, внимания оптическое устройство, испытываемое на французской арочной плотине Абен и позволяющее одновременно измерить все 6 составляющих (3 линейных и 3 узловых) смешения контролируемой точки сооружения, что неосуществимо известными способами. Устройство основано на свойстве прикрепленных к объекту 3 плоских зеркал отклонять при его смешении отраженные лучи света, падающие на специальный приемный экран. Источники света и приемный экран могут быть значительно удалены от контролируемого сооружения. При расстояниях порядка 100 м предлагаемый оптический способ позволяет фиксировать смешения с точностью + 2 мм, что вполне достаточно для практических целей.

Второе предложение (Австрия) базируется на использовании системы телерок-метров. Из подошвенной потерны бурятся 4 скважины (одна вертикальная и три наклонных) на глубину 1-1,5 Н, в которые устанавливаются телерокметры. По измеренным ими изменениям длины в каждом направлении можно вычислить абсолютные смешення (плановые и высотные) выбранной опорной точки, к которой привязана вся наблюдательная система.

Следует также отметить применение в последнее время новых приборов и устройств: оптического отвеса на базе лазера (Чиркейская ГЭС), гидростатического нивелира и др. Принципиальное отличие оптического отвеса от обычного (проволочного) в том, что вертикаль, относительно которой определяются горизонтальные смешения контролируемых точек сооружения, за-дается интенсивным и узким лучом монохроматического света, излучаемого лазером. Отклонение точки от луча фиксируется специальным дистанционным устройством.

А.Б. Гаджиев, Деформационные швы гидротехнических сооружений, Л., Энергия, 1975