Обстеження геодезичної мережі та автоматизованої системи моніторингу просторових зміщень гідротехнічних споруд Дніпровської ГЕС
директор Інституту геодезії д.т.н., проф.Третяк К.Р.
Вступ
Комплексні обстеження гідроспоруд гідроектростанцій ПрАТ «Укргідроенерго» проведено з метою оцінки стану та для визначення заходів забезпечення їх надійної та безпечної експлуатації. У представленому звіті відображено результати обстеження геодезичних мереж та матеріалів комплексного аналізу стану гідротехнічних споруд за даними натурних спостережень Дніпровської ГЕС
- Загальна інформація про споруди Дніпровської ГЕС.
Дніпровський гідровузол, до напірного фронту якого, крім гребель ГЕС, входять також два шлюзи, розташований на р. Дніпро в м. Запоріжжя вище о. Хортиця, у порівняно вузькій долині. Дно і береги річної долини в цьому районі складає масив середньо- і крупнозернистих архейських гранітів. До складу контрольованих напірних гідротехнічних споруд Дніпровської ГЕС входять (справа наліво) такі споруди і вузли:
1) Правобережне примикання.
2) Глуха бетонна гребля.
3) Щитова стінка ГЕС-1.
4) Спрягаючий стоян між щитовою стінкою і водозливною греблею.
5) Водозливна бетонна гребля.
6) Щитова стінка ГЕС-2.
7) Лівобережна глуха гребля.
Також контрольованими об’єктами є будівлі ГЕС-1 і ГЕС-2, які безпосередньо не входять в напірний фронт. Схематичний план гідровузла показаний на рис. 1.1, основні споруди показані на рис 1.2.
Правобережне примикання включає примикаючі до врізки бетонної греблі берегові скельні масиви, в яких відбувається обхідна фільтрація з водосховища в відвідний канал ГЕС-1. У правобережному примиканні влаштована протифільтраційна шпора довжиною близько 120 м у вигляді ряду бетонних секцій довжиною по 6 м кожна. Всі секції засипані грунтом. Бетонна шпора примикає до глухої греблі і є її продовженням. Глуха гребля, як напірна споруда, розташована уздовж правого берега аванкамери.
Має довжину близько 130 м і складається з 24 секцій. Основна частина греблі в поперечному перерізі має трикутний профіль з вертикальною напірною гранню.
Щитова стінка ГЕС-1 по довжині розбита на 9 секцій . В бетонних масивах секцій стінки розташовані криволінійні в поперечному перерізі водоводи, по яких вода з аванкамери надходить в спіральні камери гідроагрегатів будівлі ГЕС. Основою напірного фронту є масивна бетонна водозливна гребля загальною
довжиною 760,5 м, яка в плані має дугову форму радіусом 600 м. Початкова конструкція греблі (до реконструкції) включала 47 водозливних прогонів, шириною 13 метрів кожний, розділених бичками товщиною по 3,25 м.
Верхова, напірна, грань греблі вертикальна, а низова – виконана криволінійною по формі практичного водозливу. Максимальна висота водозливного масиву складає порядку 40-42 м, а бичків – до 63 метрів. Ширина греблі по підошві в найвищих прогонах досягає 40 метрів. Водозливний масив греблі розділений температурними швами посередині кожного прогону на два півпрогони, які також відділені швами від бичків по їх бічних гранях.
В тілі греблі, влаштовані дві оглядові галереї (потерни), які також забезпечують збирання і відведення фільтраційних і дренажних вод.
Рис 1.1 План-схема споруд Дніпровської ГЕС
Рис 1.2 Основні споруди Дніпровської ГЕС
Основою споруд Дніпровської ГЕС є кристалічні породи запорізького блоку, представлені в основному гранітами (рідше гранітогнейсами), слабо вивітрилими, які іноді мають підвищену тріщинуватість. Кристалічний масив розчленований тектонічними тріщинами і глибинними розламами і розбитий кількома системами тріщин на окремості. Характерною особливістю поздовжніх і поперечних тріщин масиву є їх значна протяжність і витриманість напрямку. Найбільші тектонічні зони є під прогонами 16-17, дещо менші під прогонами 3, 11-13, 20, 25-26, 33-34, 39-40.
- Геодезичні та геотехнічні методи контролю просторового положення та деформацій ГТС.
В довоєнний період проводився певний контроль споруд. Відомо, що споруди були оснащені п’єзометрами та іншими вимірювальними приладами. Але конкретні дані щодо складу, об’єму і результатів контролю не збереглися. В роки війни контрольно- вимірювальна апаратура (КВА) була практично знищена. В період відновлення станції після війни був впроваджений значний за обсягом інструментальний контроль показників фільтрації та інших показників. Інструментально контролювали наступні показники:
1) Осадки секцій бетонних споруд – по висотних марках. Проводили епізодично, результати неповноцінні.
2) Горизонтальні переміщення споруд – по створних і контрольних марках. Спостереження проводили тільки в 1970-1980-х роках.
3) Відносні переміщення суміжних секцій гребель і розкриття будівельних швів – по щілиномірах. Спостереження за розкриттям будівельних швів проводити на декількох секціях водозливної греблі і щитової стінки ГЕС-2 з використанням дистанційних одновісних щілиномірів.
Загальна оцінка минулого контролю греблі Дніпровської ГЕС така:
а) В цілому минулий інструментальний контроль був неповним, показники напруженого стану і загальні деформації греблі зовсім не контролювались, що суперечить вимогам норм. Переміщення контролювались деякий час, але повноцінні результати не були одержані.
б) Із точки зору сучасних вимог інструментальний контроль, що проводився ручними методами, був недостатньо надійним, дуже трудомістким і недостатньо оперативним. Фактичний контроль і стан споруд протягом останніх десятиліть експлуатації оцінювався в цілому, як задовільний.
Станом на 2019 р. на Дніпровській ГЕС проводять регулярні натурні спостереження, що включають візуальні, інструментальні та інші. Інструментально контролюють такі показники:
1) Осідання секцій бетонних споруд. Спостереження проводять із часів будівництва, по висотних марках, методом геометричного нівелювання з прокладкою ходів від опорних реперів. Протягом останніх 20 років виконувалися епізодично.
2) Горизонтальні (планові) переміщення споруд - методами класичної геодезії по створних і контрольних знаках, встановлених в 1970-х роках у верхній потерні. Спостереження проводилися тільки в 1970-1980-х роках.
3) Просторові переміщення верху бичків греблі - по контрольних знаках із застосуванням методики GPS і використанням, як допоміжних, лінійно-кутових вимірювань. Проведено кілька циклів спостережень в 1990-2000-х роках. Із 2016 року функціонує автоматизована система контролю просторових переміщень.
4) Відносні переміщення суміжних секцій бетонних гребель, що характеризують роботу вертикальних деформаційних і температурних швів. Нерегулярні спостереження проводять вручну по двовісних щілиномірах, розташованих на стінках потерни, із застосуванням переносного індикаторного вимірювача. В рамках АСК ГТС проводяться часті автоматичні вимірювання по дистанційних щілиномірах, розміщених на верховій стінці верхньої потерни греблі та на інших конструкціях Після впровадження АСК ГТС працює автоматична метеостанція, безпосередньо включена в систему. Додатково в рамках АСК ГТС впроваджений контроль загальних деформацій і показників напружено-деформованого стану споруд. Контролюються такі узагальнені показники:
А. Вертикальнідеформаціїгребліпогоризонтальнихконтрольнихлініях–іздопомогою гідронівелірних систем і груп балочних датчиків.
Б. Вертикальні деформації греблі і її основи по вертикальних контрольних лініях – іздопомогою одиночних і групових екстензометрів.
В. Горизонтальні деформації греблі і її основи по вертикальних контрольних лініях –із допомогою гірлянд двовісних інклинометрів.
Г. Точкові відносні деформації (напруги) в тілі греблі - із допомогою тензометрів різних видів.
Після впровадження АСК повнота інструментального контролю ГТС значно покращилася.
З початку експлуатації споруди Дніпровської ГЕС були оснащені контрольно- вимірювальною апаратурою згідно з початковим проектом. У роки війни КВА була практично знищена. У період відновлення станції, після війни, була встановлена в період будівництва ДніпроГЕС-2 геодезична КВА. . Всі поверхневі марки, контрольні і створні знаки розміщені по довжині верхньої потерни і закріплені в підлозі або в стінах. Поверхнева марка являє собою металевий анкер зі сферичною головкою. Анкер закріплений в бетоні на дні верхньої потерни. Головка марки трохи виступає з бетону. Контрольний або створний знак являє собою заповнену цементним розчином трубу, обладнану оголовком для встановлення геодезичного приладу. Контрольний пункт закладений в підлогу потерни, а створний знак кріпиться до кронштейну, закріпленого в стінці потерни. Двовісний щілиномір складається з двох металевих стрижнів, замурованих у бетон по обидві сторони шва (на сусідніх секціях). Кожен стрижень має по два круглих отвори для почергової установки вимірювального приладу в різних площинах. У одновісному щілиномірі кожен стрижень має по одному отвору для установки вимірювального приладу. Причому в двовісних щілиномірах в зазначені отвори запресовані спеціальні втулки з вороненої сталі. В одновісних щілиномірах отвори виконані в пластинках нержавіючої сталі, приварених до стрижнів. Вимірювання по двовісних щілиномірах проводять переносним інструментом - індикатором годинникового типу з межею вимірювання 10 мм (ІЧ-10). Всього було встановлено близько 170 двовісних і близько 100 одновісних щілиномірів - в основному в водозливній греблі і в щитовій стінці ГЕС-2.
Геодезичні марки і знаки знаходяться у верхній потерні водозливної греблі і щитової стінки ГЕС-2. Вони розташовані на підлозі та на стінках і розподілені по довжині греблі. Контрольні знаки GPS установлені на окремих бичках греблі у їх верхній частині. Двовісні щілиноміри знаходяться у верхній потерні. Вони розташовані по всіх швах на низовій стінці потерни.
Стан КВА на 2018 рік характеризується наступним: По мережі КВА регулярно проводяться роботи по догляду та профілактиці. Всі висотні марки ПМ в основному знаходяться в працездатному стані і можуть використовуватися при спостереженнях за осіданнями. Стан значної частини двохмарочних щілиномірів після тривалої експлуатації в несприятливих умовах значно погіршився.
До складу засобів автоматизованого контролю АСК ГТС входять: первиннідатчики,встановленівприладахКВА,атакожвнових контрольних точках; локальнісистемизборуданих(іншимисловами-комутаційно-вимірювальні пункти), що включають мультиплексори, концентратори даних і допоміжне обладнання; індивідуальнікабельнілінії,щоз’єднуютьпервиннідатчикизлокальними системами; центральний пульт АСК ГТС, в якому знаходяться: серверне та інше обладнання, комп’ютерні засоби, автоматизовані місця персоналу; магістральнікабельнілінії,щоз’єднуютьлокальнісистемизцентральним пультом; спеціальне програмне забезпечення (СПЗ) для управління процесом автоматичних вимірювань, первинної обробки даних і запису значень контрольованих показників; автоматизовані робочі місця і підготовлений персонал, що обслуговує систему і працює з нею (адміністратори, інженери і оператори).
На рис.2.3 зображено схему розташування контрольних моніторингових точок Дніпровської ГЕС. В точках МР1 – МР16 (на рис 2.3 показано червоними крапками) встановлені ГНСС антени Leica AR10. Поряд з точками нап стоянах закріплені кутникові відбивачі для контролю їх місцеположення за допомогою роботизованих тахеометрів.
На точках R1, R2, МР17 встановлені роботизовані тахеометри TM-30 та ГНСС антени Leica AR10 з круговими відбивачами Leica GRZ122, а на точках РР1 та РР2 лише кругові відбивачі Leica GRZ122. На рис 2.4 представлено загальний вид пілон з нанесеною армованою алюмінієвою стрічкою (а – R1, R2; б – моніторингові МР1 – МР17; в – моніторингові РР1 – РР2).
Рис.2.3 Схема розташування контрольних моніторингових точок Дніпровської ГЕС.
|
а |
б |
в |
Рис.2.4 Пілон з нанесеною армованою алюмінієвою стрічкою (а – R1, R2; б – моніторингові МР1 – МР17; в – моніторингові РР1 – РР2).
У 2017 році з метою покращення стабільності просторового положення апаратури була проведена за допомогою спеціальних матеріалів термоізоляція пілонів. Протягом двох років ізоляція зберіглась у належному стані,
3. Результати виконаних геодезичних та геотехнічних спостережень по бетонних спорудах
Такі спостереження проводилися тільки по водозливній греблі і щитовій стінці ГЕС-2. Вони були розпочаті в 1971 році перед початком розробки котловану для будівлі ГЕС-2 і мали завдання контролю вертикальних і горизонтальних зсувів секцій греблі в умовах ведення будівельних робіт (влаштування глибокого котловану у низового носка греблі, ведення вибухових робіт при його розробці, влаштування примусового дренажу в котловані). КВА для геодезичних спостережень розміщена у верхній потерні, розміщення її показано на рисунках 2.1 і 2.2.
Висотні марки для спостережень за осадками бичків і напівпрогонів на прогонах 25-47 в кількості 96 шт. були встановлені в 1971 році, на інших прогонах - в 1985 році (52 штуки). Раніше було виконано 9 циклів спостережень за осадками: шість циклів протягом 1971-1972 р.р., два цикли в 1985 році і один цикл в 1988 році. Останній цикл був виконаний в 2012 році. Значення вертикальних переміщень (осадок) секцій за період проведених спостережень знаходилися в межах точності спостережень. Тобто, осідання споруд за період спостережень з 1971 року не зазначені. За даними спостережень, виконаних в 2007 році, в значній більшості контрольних точок зміни відміток марок не вийшли за межі точності спостережень. Тільки в окремих точках отримана осадка в кілька міліметрів. Однак її важко визнати абсолютно достовірною, враховуючи дуже великі перерви між циклами спостережень. КВА для спостережень за горизонтальними переміщеннями була встановлена в 1971 році: контрольні знаки в кількості 10 штук, створні знаки в кількості 8 штук і опорні знаки в кількості 4 штук. У зв’язку з криволінійним контуром осі греблі виявилося можливим визначати лише відносні горизонтальні переміщення. Вони визначалися двома методами: методом прокладання кутомірних ходів по контрольних знаках і методом створів спостережень по створних знаках. Переміщення контрольних знаків відносно знака К-1, встановленого на нульовому бичку, характеризувала різниця між кутами, вимірюваними в циклах. Переміщення кожного створного знака визначалися створним методом щодо двох найближчих контрольних знаків з точністю до 0,1 мм. Всього було виконано 9 циклів спостережень: вісім циклів - протягом 1971-1972 р.р. і один цикл в 1988 році. На підставі результатів спостережень відзначено, що горизонтальні переміщення знаків перебували в межах точності спостережень. Спостереження просторових переміщень методами космічної геодезії По верху десяти бичків греблі встановлені контрольні знаки у вигляді сталевих триног з столиками. Перші два цикли спостережень були виконані в червні-липні і в листопаді-грудні 1997 року фахівцями організації НПП «Укрінжгеодезія». Координати десяти контрольних знаків на бичках греблі визначені за методикою GPS-вимірів, крім того, як допоміжні, використовувалися лінійно-кутові вимірювання. Порівняння координат контрольних знаків на бичках, отриманих в двох циклах, показало, що в другому циклі контрольні точки верху бичків отримали зсув на 3,8-9,7 мм, в порівнянні з першим циклом. В цілому вектор зміщення спрямований в бік нижнього б’єфу. Характер переміщень контрольних точок за період, що минув, між серединою літа (період наближення до максимальних температур) і кінцем року (період наближення до мінімальних температур) виглядає закономірним. В кінці липня – на початку серпня 2010 року, в рамках комплексного обстеження греблі і автодорожнього моста, було виконано визначення координат уцілілих контрольних знаків на верхніх гранях бичків водозливної греблі НДЛ (інститутом геодезії) НУ «Львівська політехніка». Виміри проведені за методикою GPS за спеціально розробленою програмою. На кожному пункті проведено по три п’ятигодинні сесії спостережень. Використовувалися чотири двочастотних GPS-приймача. Обробка даних вимірювань виконувалася за допомогою сучасного програмного пакета з урахуванням всіх необхідних поправок. Застосовані технічні засоби і технології дозволили досягти максимально високої точності визначення координат контрольних точок. Були визначені координати семи збережених контрольних точок (з 10 раніше використовуваних) на бичках №№ 5, 8, 12, 16, 12, 26, 29. Порівняння з результатами першого контрольного циклу показало, що на початок серпня 2010 року, в порівнянні з червнем 1997 року, верх контрольованих бичків отримав переміщення в верхній б’єф на 3,7...9,5 мм, з деяким поворотом векторів в сторону правого берега. На перший погляд, такі результати можна охарактеризувати як суперечливі, оскільки і в першому і в третьому циклах спостереження проводилися в літній період. Однак, необхідно враховувати такі обставини: 1) Третій цикл проводився приблизно на місяць пізніше, ніж перший, тому бетонні масиви низової частини тіла греблі були більш прогрітими. 2) Літо 2010 було надзвичайно спекотним (температура повітря в період вимірювань становила від +30 до +38°С). Тому процес прогрівання бетонних масивів відбувався більш інтенсивно і глибоко. З урахуванням вищевикладених міркувань, отриманий результат можна вважати логічним і закономірним. Такий висновок підтверджує і результат порівняння з другим циклом спостережень. У порівнянні з координатами, визначеними в листопаді - грудні 2007 року, в третьому циклі отримано переміщення в той же бік (до ВБ) на 7...15 мм, тобто в середньому майже в два рази більші. Таким чином, результати GPS-спостережень показали, що верх греблі має закономірні циклічні переміщення протягом року, що спрямовані в цілому уздовж потоку і відображають температурні деформації всього масиву тіла греблі. Діапазон цих переміщень можна встановити в результаті подальших спостережень. Наявні дані не дають підстав припускати наявність залишкових горизонтальних переміщень водозливної греблі Дніпровської ГЕС. Моніторинг просторових переміщень греблі в рамках автоматизованої системи, що працює із 2016 року Система працює і накопичує первинні дані. Але, при відсутності розвинутого інтерфейсу обробки і аналізу первинних даних, на даному етапі неможливо представити узагальнені показники, які б відображали вектори просторових переміщень.
4.Аналіз стабільності положення опорних станцій АСК просторових зміщень.
Згідно даних звіту компанії Leica geosystems подготовленного НУ «Львівська політехніка» TECHNICAL REPORT PROCESSING OF THE RESULTS OF GNSS MONITORING OF KANIV HPS, DNIESTER HPS,DNIPRO-HPS, MIDI-DNIPRO-HPS. В програмному продукті BERNESE за допомогою щоденних розв’язків починаючи з 01.01 2018 року до 31.03.2019 року обчислено середні координати у геоцентричній системі ITRF-2014 опорних станцій R1 i R2. Координати визначені з врахуванням координат середнього полюсу Землі, точних ефемерид супутників GPS i GLONASS. Середня епоха визначення координат для двох пунктів несуттєво відрізняється. Це викликано різною кількість щоденних розв’язків на кожному пункті. Середня квадратична похибка визначення просторових координат є у межах 1,2 мм. В таблиці 4.1 приведені швидкості руху опорних станцій згідно їх координат за моделлю ITRF-2014 .
Таблиця 4.1 Швидкості опорних станцій за геоцентричною моделлю ITRF-2014
|
Назва станції |
швидкості ITRF2014 |
||
|
Vx, м/рік |
Vy, м/рік |
Vz, м/рік |
|
|
R1 |
-0.0213 |
0.0150 |
0.0080 |
|
R2 |
-0.0213 |
0.0150 |
0.0080 |
В таблиці 4.2 приведені швидкості руху опорних станцій за даними щоденних розв’язків у геоцентричній системі координат ITRF-2014 Слід зауважити, що розбіжності між визначеними швидкостями з щоденних розв’язків та їх модельними значеннями перевищують 5 мм/рік. Це свідчить про суттєвий вплив локальних, або регіональних геодинамічних факторів на стійкість опорних станцій. У таблиці 4.3 представлено швидкості руху опорних станцій за даними щоденних розв’язків у топоцентричній системі координат з виключеним вектором руху Євразійської тектонічної плити.
Таблиця 4.2 Швидкості опорних станцій та їх оцінка точності за даними щоденних розв’язків у геоцентричній системі координат ITRF-2014
|
Назва станції |
Швидкості ITRF2014 |
Ср. кв. похибки швидкостей |
||||
|
VX, м/рік |
VY, м/рік |
VZ, м/рік |
mVX, м/рік |
mVY, м/рік |
mVZ, м/рік |
|
|
R1 |
-0.0193 |
0.0104 |
0.0110 |
0.0093 |
0.0037 |
0.0049 |
|
R2 |
-0.0239 |
0.0208 |
0.0102 |
0.0086 |
0.0027 |
0.0053 |
Таблиця 4.3 Швидкості опорних станцій та їх оцінка точності за даними щоденних розв’язків у топоцентричній системі координат
|
Назва станції |
Швидкості |
Ср. кв. похибки швидкостей |
|||||
|
VN, м/рік |
VE, м/рік |
VH, м/рік |
mVN, м/рік |
mVE, м/рік |
mVH, м/рік |
||
|
R1 |
0.0118 |
0.0210 |
-0.0048 |
0.0050 |
0.0010 |
0.0099 |
|
|
R2 |
0.0081 |
0.0312 |
-0.0085 |
0.0039 |
0.0006 |
0.0097 |
|
На рис. 4.1-4.2 показано часові ряди зміни координат опорних станцій R1, R2 у геоцентричній системі координат ITRF-2014. На рис. 4.3-4.4 показано часові ряди зміни координат опорних станцій R1, R2 у топоцентричній системі координат з виключеним вектором руху Євразійської тектонічної плити. Слід зауважити що зміна планових координат опорних станцій R1, R2 має гармонічний вигляд, що очевидно свідчить про вплив сезонних факторів. Амплітуда горизонтальних коливань досягає 2-3 мм, а по висоті до 5мм. Причиною цього можуть бути сезонні зміни стійкості фундаменту під дією гідрологічних та температурних факторів На рис 4.5 та 4.6 представлено часові серії зміни горизонтальної відстані та перевищення між опорними точками R1, R2. Зміна горизонтальної відстані між опорними пунктами має систематичний характер. За період спостережень горизонтальна відстань між точками зросла до 25 мм. Це свідчить нестабільність опорних точок, що вимагає додаткових досліджень, а також врахування їх положення у АСК моніторингу просторових зміщень. Перевищення між точками практично стабільне в межах 2-3 мм.
Геодинамічний моніторинг опорних станцій повинен бути продовжений і необхідно своєчасно вносити поправки в систему про зсув цих станцій. Крім цього враховуючи значні відстані, які вимірюються роботизованими тахеометрами, необхідно розробити модель рефракції і впровадити її у АСК моніторингу просторових зміщень.
|
Рис. 4.1 Часова серія опорної станції R1 (геоцентрична ITRF-2014) |
Рис. 4.2 Часова серія опорної станції R2 (геоцентрична ITRF-2014) |
|
Рис. 4.3 Часова серія опорної станції R1 (топоцентрична система координат) |
Рис. 4.4 Часова серія опорної станції R2 (топоцентрична система координат) |
|
|
|
Рис. 4.5 Часова серія зміни довжини горизонтальної відстані між опорними станціями R1 – R2 |
|
|
|
Рис. 4.6 Часова серія зміни перевищення між опорними станціями R1 – R2
|
Геодинамічний моніторинг опорних станцій повинен бути продовжений і необхідно своєчасно вносити поправки в систему про зсув цих станцій. Крім цього враховуючи значні відстані, які вимірюються роботизованими тахеометрами, необхідно розробити модель рефракції і впровадити її у АСК моніторингу просторових зміщень.