УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ГРУНТОВОГО МАССИВА И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ
DEVICE FOR DETECTION OF DEFORMATIONS OF SOIL MASSIF AND METHOD OF ITS OPERATION

Изобретение относится к области гидротехнического строительства, а именно к определению деформаций грунтового массива.
Известны способ наблюдений за деформациями грунтовой плотины и устройство для его осуществления, включающие натяжку троса между базовыми сваями, прикрепление троса к поверхности откоса плотины хрупкой известково-цементной облицовкой-шлейфом, регистрацию с помощью светозвуковой сигнализации смещений грунта по изменению длины троса и определение места смещения грунта по трещинам, возникающим в облицовке [1].
Недостатками такого способа непрерывного наблюдения и такого устройства, предлагаемых для регистрации подвижки элементов плотины, являются
- отсутствие возможности проводить наблюдения за перемещениями внутренних элементов плотины (противофильтрационного элемента, переходных зон и т.д);
- отсутствие возможности получить сведения о величине и скорости деформации, а соответственно и отсутствие возможности оценить опасность зарегистрированной деформации;
- высокая вероятность ложных срабатываний устройства в период до затухания допустимых проектом деформаций.
Известен способ определения вертикальных деформаций грунтового массива, насыщенного покоящейся водой, с использованием датчиков для дистанционного измерения давления воды, включающий установление вертикальных положений заложенных при строительстве в тело грунтового массива датчиков давления, используемых в качестве осадочных марок, путем одновременного определения положения уровня грунтовых вод в массиве, регистрации давления грунтовой воды в местах установки датчиков давления (марок) и вычисления высотного положения датчиков давления (марок) как разности между высотным положением уровня грунтовых вод в массиве и пьезометрических напоров грунтовой воды в местах установки датчиков давления (марок) [2].
Такой способ периодических наблюдений за вертикальными деформациями, реализуемый с использованием одних только датчиков давления (марок), имеет следующие недостатки:
- отсутствует возможность определить деформации вне зоны насыщения грунтового массива водой;
- для своевременной регистрации начала подвижки грунтового массива, например, связанной с зарождением оползня, требуется поддерживать высокую частоту замеров, при этом интенсивная эксплуатация датчиков давления снижает срок их эксплуатации;
- точность определения деформаций снижается как в случае возникновения фильтрации в грунтовом массиве, так и при изменении с течением времени метрологических характеристик датчиков давления, извлечь которые после их закладки в грунтовый массив для выполнения калибровки уже невозможно.
Известно устройство для гидростатического нивелирования, основным рабочим органом которого является оснащенный чувствительным элементом для измерения давления напорный сосуд, гидравлически сообщающийся по шлангу с гидроемкостью, заполненной жидкостью [3].
Данное устройство для гидростатического нивелирования наиболее близко к предлагаемому устройству, обеспечивающему определение деформаций грунтового массива. Очевидно, что устройство для гидростатического нивелирования [3] может быть использовано и при наблюдениях за вертикальными деформациями грунтового массива, в том числе и за вертикальными деформациями его внутренних элементов. Для этого напорный сосуд устройства, оснащенный чувствительным элементом для измерения давления, закладывается в тело грунтового массива, а его гидроемкость, соединенная шлангом с напорным сосудом, устанавливается у откоса грунтового массива на более высокой отметке, в месте, наименее подверженном деформациям от давления грунтового массива и удобном для привязки гидростатической системы к наружной нивелирной сети. При таком использовании указанного устройства [3] его недостатки будут заключаться в следующем:
- для своевременной регистрации начала подвижки грунтового массива, например, связанной с зарождением оползня, требуется поддерживать высокую частоту замеров, при этом интенсивная эксплуатация чувствительных элементов для измерения давления снижает срок их эксплуатации;
- при изменении с течением времени метрологических характеристик чувствительных элементов для измерения давления, которые после закладки напорных сосудов в грунтовый массив уже невозможно извлечь для выполнения калибровки, снижается точность определения деформаций;
- жидкость в заложенном в грунтовый массив напорном сосуде и в гидроемкости, установленной на дневной поверхности или с некоторым заглублением в грунты основания, а также в соединяющем их шланге будет иметь разную температуру, а соответственно и разную плотность, что снизит точность вычисления пьезометрического напора жидкости в напорном сосуде и точность определения деформации грунтового массива, особенно в периоды сезонного изменения его температуры.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении достоверности результатов автоматизированных наблюдений за деформациями грунтового массива, а тем самым и в повышении объективности оперативной оценки уровня безопасности грунтового массива. Достигаемый при этом технический результат заключается в обеспечении непрерывного во времени автоматизированного контроля состояния грунтового массива с использованием простого и надежного устройства для определения деформаций.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для определения деформаций грунтового массива, согласно изобретению содержит гидростатическую систему, включающую заложенные в грунтовый массив и используемые в качестве осадочных марок напорные сосуды, в полость которых установлены чувствительные элементы для дистанционного измерения давления, пьезометрическую камеру, возвышающуюся над напорными сосудами и оснащенную дистанционным уровнемером, и гидролинию, гидравлически сообщающую пьезометрическую камеру с напорными сосудами, удлинение при растягивании которой не приводит к существенному уменьшению площади ее поперечного сечения, причем противоположный от пьезометрической камеры конец гидролинии выведен из грунтового массива в место, доступное для слива жидкости, гидролиния и пьезометрическая камера оснащены чувствительными элементами для дистанционного измерения температуры, пьезометрическая камера заполнена жидкостью до уровня, превышающего отметку размещения напорных сосудов, не более чем на высоту h, равную
h=Δдоп/Δ,
где Δдоп - допустимая погрешность определения высотного положения осадочной марки, мм;
Δ - основная погрешность чувствительного элемента для дистанционного измерения давления, д.ед.
Дополнительно:
- в зонах неравномерных местных деформаций грунта гидролиния выполнена из сильфонной трубки;
- по крайней мере, на пересечениях с поверхностью сдвига грунта, имеющей минимальный запас устойчивости, гидролиния снабжена сильфонным компенсатором с площадью поперечного сечения, превышающей площадь поперечного сечения пьезометрической камеры;
- гидролиния и пьезометрическая камера снабжены теплоизоляцией;
- напорные сосуды заложены в тело грунтового массива поярусно, друг над другом, причем на каждом ярусе они последовательно присоединены к гидролиниям, каждая из которых подключена к своей собственной пьезометрической камере, работающей независимо от других гидролиний;
- в качестве осадочной марки использован герметичный корпус датчика давления;
- в полости герметичного корпуса датчика давления дополнительно к чувствительному элементу для измерения давления установлен и чувствительный элемент для измерения температуры.
Указанный технический результат достигается также тем, что в способе эксплуатации устройства для определения деформаций грунтового массива, включающем установление вертикальных положений заложенных в тело грунтового массива и используемых в качестве осадочных марок напорных сосудов, оснащенных чувствительными элементами для дистанционного измерения давления и чувствительными элементами для дистанционного измерения температуры, гидравлически сообщающихся с пьезометрической камерой по гидролинии, противоположный от пьезометрической камеры конец которой выведен из грунтового массива в место, доступное для слива жидкости, согласно изобретению высотное положение каждого напорного сосуда определяют по зависимости
ср.взвеш
∇M=∇H-P/(k*γ),
где ∇M - высотное положение напорного сосуда, м;
∇H - высотное положение уровня жидкости в пьезометрической камере, м;
2
Р - давление жидкости в гидролинии в месте присоединения напорного сосуда, т/м;
k - поправочный коэффициент, определенный эмпирическим путем при эксплуатации устройства;
ср.взвеш
i
i
3
γ=Σ(γ*Δh) / h - средняя арифметическая взвешенная величина плотности жидкости в ее столбе над напорным сосудом, т/м;
i
3
γ - средняя плотность жидкости в i-ом интервале высоты столба жидкости над напорным сосудом, определенная по зависимости плотности жидкости от ее температуры, т/м;
i
Δh - высота i-го интервала столба жидкости над напорным сосудом, м;
i
h=ΣΔh - высота столба жидкости над напорным сосудом, м,
причем периодически гидролинии опорожняют от жидкости и путем измерения в напорных сосудах атмосферного давления воздуха и избыточного давления воздуха, закаченного в гидролинию под давлением, близким к номинальному для чувствительных элементов, определяют поправки, необходимые для получения правильных результатов измерений давления жидкости в напорных сосудах, и после замены жидкости в пьезометрической камере и в гидролинии до выравнивания ее температуры путем измерения температуры жидкости всеми чувствительными элементами для измерения температуры определяют поправки, необходимые для получения правильных результатов измерений температуры жидкости, и после замены жидкости в пьезометрической камере и в гидролинии до выравнивания ее температуры выполняют контрольное определение высотного положения напорных сосудов и (или) определяют поправки для вычисления высотного положения напорных сосудов в случаях проведения измерений при переменной температуре жидкости в пьезометрической камере и гидролинии, т.е при эксплуатации устройства периодически проводят калибровку как чувствительных элементов для измерения давления и чувствительных элементов для измерения температуры жидкости, так и всего устройства в целом.
Именно оснащение устройства пьезометрической камерой и гидролинией, удлинение при растягивании которой не приводит к существенному уменьшению площади ее поперечного сечения и один конец которой подключен к пьезометрической камере, а второй выведен из грунтового массива в место, доступное для слива жидкости, обеспечивает решение поставленной задачи и достижение указанного технического результата.
В настоящей заявке на выдачу патента соблюдено требование единства изобретения, поскольку устройство и способ его эксплуатации решают одну и ту же задачу - повышение объективности результатов автоматизированных наблюдений за деформациями грунтового массива.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены плотина и оползневой склон, оснащенные устройством для определения деформаций.
На фиг.1 изображен план плотины и прилегающего оползневого склона, оснащенных устройством для определения деформаций; на фиг.2 - разрез по А-А фиг.1; на фиг.3 - схема подключения датчика давления к гидролинии.
Заложенное в тело плотины 1 при ее строительстве и в прилегающий к плотине 1 оползневой склон 2 гидростатическое устройство для определения деформаций в качестве основных элементов включает датчики давления жидкости 3 и пьезометрические камеры 4, поярусно гидравлически сообщающиеся между собой посредством гидролиний 5.
Датчики давления 3 использованы в качестве осадочных марок и имеют полые герметичные корпуса 6, оснащенные чувствительными элементами для измерения давления 7 и последовательно присоединенные к гидролиниям 5.
На каждом ярусе каждая из гидролиний 5 выведена в нижний бьеф плотины 1 и присоединена к своей собственной пьезометрической камере 4, работающей независимо от других гидролиний 5.
В качестве гидролиний 5 преимущественно использованы теплоизолированные, устойчивые к смятию под воздействием внешнего давления грунта и грунтовой воды сильфонные трубки, растягивание которых не приводит к существенному уменьшению площади их поперечного сечения, или теплоизолированные круглые трубки с сильфонными вставками. На пересечениях гидролиниями 5 зон, требующих особого внимания, например на пересечении расчетной поверхности обрушения откоса плотины 1, имеющей минимальный коэффициент запаса устойчивости, на гидролиниях 5 дополнительно установлены сильфонные компенсаторы 8 с площадью поперечного сечения, превышающей площадь поперечного сечения пьезометрических камер 4.
Пьезометрические камеры 4 размещены в нижнем бьефе плотины 1, в месте, наименее подверженном деформациям и удобном для привязки гидростатической системы к наружной нивелирной сети; возвышаются над датчиками давления 3 не более чем на высоту измеряемого ими номинального пьезометрического напора жидкости; оснащены устройствами для дистанционного измерения уровня жидкости (не показаны); посредством гидролиний 9, оснащенных задвижками 10, гидравлически сообщаются с гидроемкостями 11, обеспечивающими заполнение гидролиний 5 и пьезометрических камер 4 жидкостью.
Противоположные от пьезометрических камер 4 концы всех гидролиний 5 выведены к сливным емкостям 12, установленным в нижнем бьефе плотины 1 на более низкой отметке, чем отметка установки датчиков давления 3. У сливных емкостей 12 все гидролинии 5 оснащены задвижками 13.
Гидролинии 5 в местах присоединения к ним датчиков давления (марок) 3 и у сливных емкостей 12 оснащены датчиками для измерения температуры жидкости (не показаны). Кроме того, датчиками для измерения температуры жидкости оснащены пьезометрические камеры 4 и гидроемкости 11.
Кабели 14 питания чувствительных элементов 7 датчиков давления 3 и кабели питания датчиков температуры жидкости (не показаны) выведены на блок (не показан), снабженный измерительным пультом, на который также выведены и кабели датчиков уровня жидкости (не показаны) в пьезометрических камерах 4.
На чертежах обозначены и другие элементы устройства для определения деформаций грунтового массива и среды, а именно:
15 - диафрагма из геотекстиля, предотвращающая контактную суффозию грунта вдоль гидролиний 5 [4];
16 - тройник (для присоединения датчика давления 3 к гидролинии 5);
17 - расчетная поверхность обрушения откоса плотины, имеющая минимальный коэффициент запаса устойчивости.
Устройство работает следующим образом.
Наблюдения за деформациями выполняют периодически отдельными циклами измерений в определенные сроки.
Наблюдения начинают сразу же после монтажа датчиков давления 3 очередного яруса, определения геодезическими методами их начального высотного положение и заполнения гидролиний 5 и пьезометрических камер 4 жидкостью из гидроемкостей 11, например, незамерзающим водным раствором на основе глицерина. Заполнение гидролиний 5 выполняют поочередно, при открытых задвижках 13, которые закрывают после вытеснения пузырьков воздуха из гидролиний 5. Задвижки 10 закрывают после заполнения жидкостью пьезометрических камер 4 до заданной высоты.
Установление вертикальных положений датчиков давления 3, используемых в качестве осадочных марок, производят путем одновременного определения положения уровня и температуры жидкости в пьезометрической камере 4 и регистрации давлений и температуры жидкости в подключенной к ней гидролинии 5, при этом высотное положение каждого датчика давления (марки) 3 определяют по следующей зависимости:
ср.взвеш
∇М=∇Н-Р/(k*γ),
где ∇M - высотное положение датчика давления (марки) 3, м;
∇H - высотное положение уровня жидкости в пьезометрической камере 4, м;
2
Р - давление жидкости в гидролинии 5 в месте присоединения датчика давления (марки) 3, т/м;
k - поправочный коэффициент, определенный эмпирическим путем при эксплуатации устройства;
ср.взвеш
i
i
3
γ=Σ(γ*Δh) / h - средняя арифметическая взвешенная величина плотности жидкости в ее столбе над датчиком давления (маркой) 3, т/м;
i
3
γ - средняя плотность жидкости в i-ом интервале высоты столба жидкости над датчиком давления (маркой) 3, определенная по зависимости плотности жидкости от ее температуры, т/м;
i
Δh - высота i-го интервала столба жидкости над датчиком давления (маркой) 3, м;
i
h=ΣΔh - высота столба жидкости над датчиком давления (маркой) 3, м.
Вычисления высотного положения датчиков давления (марок) 3 выполняются методом последовательных приближений.
При использовании устройства заданная точность определения вертикальных деформаций обеспечивается применением высокоточных датчиков давления 3 и ограничением высоты возвышения пьезометрических камер 4 над гидравлически сообщающимися с ними датчиками давления 3. Так, при установке, например, универсальных (пригодных для измерения давления как жидкостей, так и газов) датчиков давления серии DMP 331i [5] с диапазоном измерения от 0,00 до 0,17 бар, имеющих погрешность измерения 0,1% от диапазона измерения, и заполнении пьезометрических камер 4 жидкостью на 1700 мм выше отметок установки датчиков давления 3, погрешность определения высотного положения датчиков давления (марок) 3 не превысит ±1,7 мм, что допустимо при наблюдениях как за оползнями, так и за грунтовыми плотинами [6].
Непрерывный контроль состояния грунтового массива в периоды времени между циклами измерений обеспечивается путем регистрации падения уровня жидкости в пьезометрической камере 4, при отсутствии утечек жидкости из гидростатической системы устройства возможного только при удлинении гидролинии 5 и свидетельствующего о начале подвижки грунтов. Причем чувствительность устройства будет тем выше, чем меньше отношение площади поперечного сечения пьезометрической камеры 4 к площади поперечного сечения гидролинии 5. Дополнительно чувствительность устройства может быть повышена путем установки в прогнозируемой зоне подвижки грунта на гидролинии 5 сильфонного компенсатора 8 большого диаметра. Так, при пьезометрической камере диаметром 20 мм и использовании сильфонного компенсатора диаметром 100 мм раскрытие компенсатора на 1 мм вызовет падение уровня жидкости в пьезометрической камере на 25 мм.
Так как в грунтовых массивах горизонтальные деформации в основном всегда сопровождаются вертикальными деформациями, при внезапном падении уровня жидкости в пьезометрической камере 4 место подвижки грунта устанавливается путем проведения внеочередного цикла определения высотного положения датчиков давления (марок) 3. При этом опасность зарегистрированной подвижки устанавливается путем определения величины и скорости вертикальной деформации грунтового массива и величины и скорости падения уровня жидкости в пьезометрической камере 4, свидетельствующего о величине и скорости местной относительной деформации грунтового массива вследствие просадки и (или) сдвига.
Способ эксплуатации описанного в примере устройства для определения деформаций грунтового массива, включающий установление вертикальных положений датчиков давления (марок) 3, заложенных в тело грунтового массива и поярусно гидравлически сообщающихся с пьезометрическими камерами 4 по гидролиниям 5, путем одновременного измерения положения уровня жидкости в пьезометрических камерах 4, регистрации давлений жидкости в гидролиниях 5 и определения высотного положения датчиков давления (марок) 3 как разности между высотным положением уровня жидкости в пьезометрических камерах 4 и пьезометрических напоров в местах подключения к гидролиниям 5 датчиков давления (марок) 3, вычисленных с учетом температуры жидкости, заключается в следующем.
При проведении наблюдений периодически определяются погрешности и (или) поправки, необходимые для получения правильных результатов измерений, т.е. выполняется калибровка датчиков давления 3, датчиков температуры и всего устройства в целом.
Калибровка устройства выполняется с целью уменьшения погрешности определения высотного положения датчиков давления (марок) 3 при сезонном изменении температуры жидкости в гидролиниях 5 и в пьезометрических камерах 4. Для этого после очередного цикла измерений и вычисления высотного положения датчиков давления (марок) 3 производится замена неравномерно прогретой (охлажденной) жидкости на жидкость из гидроемкостей 11. После выравнивания температуры жидкости по высоте пьезометрических камер 4 и по длине подключенных к ним гидролиний 5 производятся контрольные измерения температуры и давлений жидкости в гидролиниях 5 и повторное вычисление высотного положения датчиков давления (марок) 3. При этом теплоизоляция, предусмотренная на гидролиниях 5 и на пьезометрических камерах 4, позволяет существенно снизить время, необходимое для замены жидкости до выравнивания ее температуры. По результатам проведенных замеров и вычислений в формулу для определения высотного положения датчиков давления (марок) 3 для каждой гидролинии 5 вводится свой поправочный коэффициент.
Периодическая калибровка неизвлекаемых после закладки в грунтовой массив датчиков давления (марок) 3 и датчиков температуры выполняется для исключения влияния на результаты измерений дрейфа их метрологических характеристик.
Калибровка датчиков температуры выполняется путем проведения контрольных измерений после замены неравномерно прогретой (охлажденной) жидкости в пьезометрических камерах 4 и в гидролиниях 5 на жидкость из гидроемкости 11 до выравнивания ее температуры.
Калибровка датчиков давления 3 выполняется после опорожнения гидролиний 5 от жидкости и их продувки воздухом при помощи компрессора (не показан) путем измерения всеми датчиками давления 3 сначала атмосферного давления наружного воздуха в гидролиниях 5, а затем и избыточного давления воздуха, закаченного в гидролинии 5 при помощи компрессора под давлением, близким к номинальному для датчиков 3.
Достижение технического результата, а именно обеспечение непрерывного во времени автоматизированного контроля состояния грунтового массива с использованием простого и надежного устройства для определения деформаций грунтового массива, наиболее полно обеспечивается при взаимосвязанном выполнении всех существенных признаков заявляемых устройства и способа его эксплуатации. Действительно, непрерывный во времени автоматизированный контроль обеспечивается регистрацией падения уровня жидкости в пьезометрической камере 4, свидетельствующего о начале подвижки грунтов, и своевременным определением высотного положения всех датчиков давления 3 (устройство), а достоверность результатов измерений давления жидкости в гидролинии 5 и ее температуры, а также результатов определения высотного положения датчиков давления 3 обеспечивается периодическим проведением калибровки датчиков давления, датчиков температуры и всего устройства в целом (способ). При этом суммарный эффект одновременного использования двух заявляемых изобретений существенно превышает простую сумму эффектов от использования каждого изобретения отдельно.
Кроме указанного достигаемого технического результата и преимуществ заявленных объектов, следует отметить также дополнительные их достоинства, а это простота и доступность известных средств и методов, воплощающих изобретения, и их очевидная способность обеспечить получение указанного технического результата. Все это указывает на соответствие заявляемых изобретений условию патентования «промышленная применимость».
Использованные источники
1. Патент Российской Федерации №2393290, кл. Е02В 7/06, опубл. 20.06.2010.
2. Авторское свидетельство СССР №1778213, кл. Е02В 1/00, опубл. 30.11.92.
3. Инструкция по эксплуатации NIVCOMP™ / Dietzsch & Rothe MSR-Technik OHG, www.dirotec.com.
4. Патент Российской Федерации №2377364, кл. Е02В 7/06, опубл. 14.07.2008.
5. Техническая документация на датчик давления DMP 331i / ООО «БД Сенсор РУС», www.bdsensors.ru.
6. Руководство по натурным наблюдениям за деформациями гидротехнических сооружений и их оснований геодезическими методами / П-648. Гидропроект. - М: Энергия, 1980. Стр.13-14, табл.1.3.