Способ мониторинга состояния диафрагмы из буросекущихся глиноцементобетонных свай в грунтовой плотине методом электротомографии
METHOD OF MONITORING STATE OF DIAPHRAGM FROM BORON-CUTTING ALUMINA-CEMENT CONCRETE PILES IN EARTH DAM BY ELECTRICAL TOMOGRAPHY

Изобретение относится к способам мониторинга состояния противофильтрационных элементов гидротехнических сооружений, например, грунтовых плотин, с помощью электрометрии с использованием методов сопротивления.
Одной из составляющих безопасной эксплуатации гидротехнических сооружений является контроль фильтрационного, температурно-влажностного и гидравлического режима в сооружениях, их основаниях и береговых примыканиях.
Не редки случаи, когда в процессе многолетней эксплуатации возникают процессы (протечки, зоны повышенной фильтрации, подводные наносы грунта и т.д.), динамику которых невозможно отследить стационарной сетью наблюдательных скважин.
Известен способ косвенного определения целостности противофильтрационных элементов, например, ядер, диафрагм, экранов, путем контроля фильтрационного потока и положения кривой депрессии в теле грунтовых плотин с помощью метода естественного поля, основанного на измерении локальных естественных электрических полей электрокинетической и электрохимической природы. В результате определяют, что наиболее интенсивные поля возникают над объектами, обладающими электронной проводимостью, например над сульфидными и графитовыми залежами, участками интенсивной фильтрации вод (Электроразведка. Справочник геофизика, под редакцией доктора геолого-минералогических наук В.К. Хмелевского и доктора технических наук В.М. Бондаренко. - М. Недра, 1989 г., Книга 2 стр. 91-92, стр. 318).
Недостатком аналога является невозможность привязки по глубине из-за сложной геометрии объекта исследования и зачастую, высокого уровня электромагнитных помех.
Известен способ определения фильтрационного режима с помощью установки в гидротехническом сооружении пьезометров путем производственного измерения гидростатического или гидродинамического давления воды в теле плотины (Рекомендации по диагностическому контролю фильтрационного режима грунтовых плотин. П 71-2000. - ВНИИГ. СПб, 2000 г., п. 3.1).
Недостатками аналога являются невозможность прямой оценки состояния противофильтрационного элемента, сплошного контроля фильтрационного потока, поэтому контроль осуществляют только локально/дискретно с помощью сети пьезометров.
Известен способ мониторинга геофильтрационного режима геофизическим методом, через завесу из грунтового материала, осуществляемый методом вертикальное электрическое зондирование (Электроразведка. Справочник геофизика, под редакцией доктора геолого-минералогических наук В.К. Хмелевского и доктора технических наук В.М. Бондаренко, М. Недра, 1989 г., Книга 2 стр. 91-92, стр. 319) В данном способе, исходя из условий производства работ (наличие авто и ж/д дорог, коммуникаций и т.д.), выбирают контрольные точки, в которых выполняют вертикальные электрические зондирования. Период между циклами измерений может меняться от нескольких часов до нескольких месяцев. Построение кривых распределения удельного электрического сопротивления, по которым получают информацию о водонасыщении грунтов в точке зондирования и сравнивают их с ранее полученными. Информацию между точками получают методом интерполяции, в связи, с чем достаточно протяженные участки, десятки, а иногда сотни метров охарактеризованы по разнице показаний в двух точках.
По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Основным осложняющим недостатком прототипа при интерпретации данных вертикального электрического зондирования является учет переходного сопротивления в зоне заземления приемно-передающих электродов (изменение температурно-влажностного режима), т.к. при проведении зондирования заземление происходит каждый раз заново.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, состоит в определении мест сосредоточенной интенсивной фильтрации с точностью до 1 м, снижении сроков и затрат на их обнаружение и устранение.
Для достижения указанного технического результата в способе мониторинга состояния диафрагмы из буросекущихся глиноцементобетонных свай в грунтовой плотине методом электротомографии, включающем выполнение вертикального электрического зондирования в контрольных точках, построение кривых распределения удельного электрического сопротивления и сравнение их с ранее полученными, после возведения диафрагмы в грунтовой плотине, устанавливают питающие и приемные стальные электроды с шагом не менее 1 м, коммутируют электроды многожильным геофизическим кабелем, соединяют с блоком сбора и обработки данных, выполняют зондирование с использованием томографической системы наблюдения с последующим построением двумерной карты распределения удельного электрического сопротивления и сравнение ее с ранее полученной.
Кроме того, заявленное техническое решение имеет факультативный признак, характеризующий его частный случай, а именно:
- питающие и приемные стальные электроды 4 устанавливают непосредственно в тело диафрагмы по ее оси на глубину не менее 250 мм от верхней кромки для исключения искажающего эффекта от поверхностного слоя грунтовой массы над диафрагмой.
Отличительными признаками предлагаемого способа от указанного выше прототипа является установка питающих и приемных стальных электродов после возведения диафрагмы в грунтовой плотине, с шагом не менее 1 м, коммутирование электродов многожильным геофизическим кабелем, их соединение с блоком сбора и обработки данных, выполнение зондирования с использованием томографической системы наблюдения и последующее построение двумерной карты распределения удельного электрического сопротивления сравнение ее с ранее полученной. Это позволяет, измеряя распределение величины удельного электрического сопротивления по оси диафрагмы, с применением плотных томографических систем наблюдения, фиксировать малейшие изменения влажности/водонасыщения грунтового материала с высокой разрешающей способностью в плане и по глубине.
Поочередно пропуская ток известной величины через определенные пары электродов, согласно заранее подготовленному протоколу, в рамках одного профиля, с последующим измерением разности потенциала на паре других приемных электродов с учетом геометрического коэффициента, вычисляется величина удельного электрического сопротивления. С постепенным увеличением расстояния между питающими и приемными стальными электродами глубина исследования увеличивается до достижения необходимой. Результатом последовательного измерительного цикла являются геоэлектрический портрет - двумерная карта распределения удельного электрического сопротивления. Частота проведения циклов измерений зависит от изменчивости, оцененной при выполнении первых десяти циклов с шагом между ними - 1 сутки.
После выполнения каждого цикла измерений происходит сравнительный анализ получаемых геоэлектрических разрезов с последующим выявлением аномальных (контрастно отличающихся от предыдущих циклов) участков. Система автоматизирована, от момента запуска протокола измерений до визуализации, полученного в данный момент времени геоэлектрического разреза и последующего сравнительного анализа с данными, полученными ранее.
Заявляемый способ мониторинга состояния диафрагмы из буро-секущихся глиноцементобетонных свай в грунтовой плотине имеет ограничения, связанные с одной стороны с отсутствием нормативной базы, регламентирующей необходимость применения способов контроля с помощью геофизических методов на гидротехнических сооружениях, а с другой стороны необходимость вносить конструктивные изменения в сооружение при укладке геофизического кабеля (косы) и электродов.
Предлагаемый способ мониторинга иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-4.
На фиг. 1 показан поперечный профиль грунтовой плотины.
На фиг. 2 - продольный профиль грунтовой плотины.
На фиг. 3 - геоэлектрический разрез до появления зоны нарушения диафрагмы.
На фиг. 4 - геоэлектрический разрез после появления зоны нарушения.
Позициями на чертежах показаны:
1 - грунтовая плотина;
2 - диафрагма из буро-секущихся глиноцементнобетонных свай;
3 - переходная зона;
4- питающие и приемные стальные электроды;
5 - точка измерения удельного электрического сопротивления;
6 - зона нарушения диафрагмы 2;
7 - блок сбора и обработки данных (БСиОД);
8 - многожильный геофизический кабель;
ВБ - верхний бьеф;
НБ - нижний бьеф.
Способ осуществляется следующим образом.
Мониторинг состояния диафрагмы 2 из буросекущихся глиноцементобетонных свай (далее диафрагма) как и определение координаты зоны нарушения 6 диафрагмы 2, в грунтовой плотине 1 определяют на основе получения информации о распределении величины удельного электрического сопротивления в диафрагме 2 в точках измерений 5. При появлении зоны нарушения диафрагмы 2 объемная доля содержания воды в грунтовом материале значительно увеличивается, что неизбежно приводит к локальному понижению величины удельного электрического сопротивления в данном месте повреждения.
Для получения информации о распределении величины удельного электрического сопротивления в диафрагме 2, по заранее сформированному, в стандартных программных пакетах, предназначенных для сбора и обработки данных электротомографических измерений, протоколу, активированному блоком сбора и обработки данных 7, выполняют цикл измерений, который заключается в пропускании электрического импульса через определенную пару, заглубленных в грунт, питающих и приемных стальных электродов 4, соединенных многожильным геофизическим кабелем 8, и последующей регистрацией электрического потенциала на другой паре электродов.
Данная процедура повторяется до тех пор, пока не будут опрошены все возможные пары питающих и приемных стальных электродов 4, число которых определяется длиной и высотой диафрагмы 2.
После выполнения цикла измерений, в автоматическом режиме ведут построение геоэлектрического разреза (фиг. 3 и 4) с последующим сравнительным анализом с полученным ранее (предыдущий цикл) разрезом.
Если в пределах, какого-либо участка исследуемого массива полученные значения удельного электрического сопротивления отличаются от предыдущих более чем на 10-20%, данный участок считается аномальным.
Таким образом, предлагаемый способ мониторинга состояния диафрагмы из буро-секущихся глиноцементнобетонных свай 2 методом электротомографии в переходной зоне 3 грунтовой плотины 1 позволяет существенно повысить качество контроля ее целостности, определить место повреждения с точностью до 1 м, количество возникающих протечек, снизить сроки и затраты по их обнаружению и устранению.