СПОСОБ МОНИТОРИНГА БЕЗОПАСНОСТИ ГРУНТОВЫХ ПЛОТИН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MONITORING SAFETY OF EARTH DAM AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к плотиностроению и может быть использовано для контроля возникновения и распространения деформаций в теле грунтовой плотины, начальных сдвигов и перемещений, обусловленных потерей устойчивости откосов плотины. Оно может быть также использовано для контроля состояния откосов дорожных насыпей и бортов карьеров, котлованов и различных насыпных сооружений, применяемых в гидротехнике.
В способе на поверхности контролируемого откоса устраивается канавка в грунте на протяжении всего участка, требующего непрерывного наблюдения.
В начале и конце канавки забиваются сваи с погружением ниже отметки промерзания грунта. Между сваями натягивается стержень из проволоки, стального прута или стекловолокна. Один конец стержня закрепляется неподвижно в свае, а другой - через пружинный натяжитель, обеспечивающий его перемещение при различных воздействиях по изменению его длины.
После этого канавка с расположенным в нем стержнем заполняется известково-цементным раствором до полного контакта с грунтом откоса. При этом стержень предварительно покрывается битумом, чтобы обеспечивалась возможность - его независимого перемещения внутри известково-цементного наполнения. Система подвижного стержня и хрупкого материала заполнения канавки образует шлейф, который размещается строго прямолинейно в любой плоскости откоса грунтовой плотины, в зоне, охватывающей район возникновения деформаций при потере устойчивости. В зависимости от конструкции откоса грунтовой плотины, планового расположения, высоты и материала длина шлейфа может составлять сотни метров, то есть имеется возможность контролировать откос на большом протяжении и располагаться в любом направлении.
Мониторинг состояния откоса грунтовой плотины осуществляется следующим образом: при возникновении начальных деформаций в грунте откоса давление от него передается на стержень и изменяет его длину, что регистрируется специальным устройством, расположенным в трубчатой свае, в том числе замыканием контактов светового или звукового сигнализатора. Само место возникновения предельных деформаций в грунте откоса определяется по трещинам хрупкого заполнителя канавки шлейфа при осмотре на месте.
Таким образом, изобретение имеет признаки способа и устройства. Способ характеризуется тем, что предлагаемое изобретение позволяет вести непрерывный контроль откоса по любым видам его деформации: разуплотнения, пучения, оползания, трещинообразования и другим проявлениям.
Устройство позволяет определить сам участок возникновения деформаций, его границы и характер изменения во времени (нарастание, затухание деформаций или стабилизация).
Техническое решение относится к плотиностроению, предназначено для контроля возникновения и распространения расслоения, сдвига грунта в теле плотины, развития трещин и оползаний, пучения и просадок.
Известен способ контроля устойчивости откосов по авт. свид. СССР №1788239 А1, кл. Е21С 39/00, опубл. в БИ №2, 1993 г. В этом способе изучается структура массива откосов и намечаются блоки, разделенные потенциально опасными поверхностями ослабления массива. В границах каждого блока устанавливаются репера, монолитно связанные с блоками. Между соседними реперами помещают индуктивно-частотные датчики, ориентированные в направлении ожидаемого сдвига. Удлинение штока индуктивно-частотного датчика вызывает адекватное изменение частоты электрического тока, регистрируемое частотомером и специальным устройством. Подача частоты проводится посредством кабеля на диспетчерский пункт, система требует предварительной тарировки.
Этот способ требует предварительного выбора потенциально опасных поверхностей ослабления, которые могут не совпадать с фактическими, что приводит к недостоверным результатам. Кроме того, требуется тарировка нескольких датчиков, прокладка от них кабельных линий, что значительно удорожает систему контроля.
Наиболее близким по технологической сущности и совокупности существенных признаков является устройство, описанное в авт. свид. СССР №168891 А С, кл. Е21С 39/00, 1999 г. В этом устройстве для измерения деформаций массива горных пород устанавливаются два репера, соединенных измерительной тягой в направлении ожидаемого смещения пород. Измерительная тяга соединена с датчиком-преобразователем угловых поворотов в линейные перемещения реперов относительно друг друга. Считывающее устройство содержит сложную систему регистрации импульсов для передачи информации по проводной линии или через радиопередающее устройство на диспетчерский пункт, где осуществляется обработка данных о смещении горных пород.
Как и в предыдущем случае, размещение реперов проводится по очевидному направлению смещения горных пород. Для обеспечения работы устройства необходима сложная аппаратура и кабельные линии связи с диспетчерским пунктом.
Устройство не позволяет следить за образованием деформаций, возникающих в разных плоскостях, в том числе пучения и разуплотнения.
Известен способ определения параметров расслоения горных пород в массиве и устройство для его осуществления по авт. свид. РФ RU №2248446 С1, кл. Е21С 39/00 2004 г., опубл. в БИ №8, 2005 г. Способ включает бурение скважин и установку в них сигнальных линий в виде, заполняемых твердеющей массой, которая после твердения образует хрупкие электропроводящие стержни, жестко сцепленные со стенками скважин. При расслоении массива горных пород стержни разрушаются или испытывают деформации, которые регистрируются по изменению электрического сопротивления установленного электрода от каждого уровня контроля деформации в скважине и выводятся проводником на поверхность с подключением к регистрирующей аппаратуре. Стенка скважины по всей длине и до основания покрывается диэлектриком для изоляции электропроводящего стержня от грунта. Этот способ имеет несколько недостатков, основные из которых следующие:
- он применяется для контроля состояния массива горных пород и возникновения горизонтальных трещин, точность расположения которых зависит от количества размещаемых по вертикали электродов;
- при сдвиге пород по плоскости, перпендикулярной направлению скважин, происходит срез диэлектрика и проникновение в полость оболочки грунтовых вод, полностью нарушающих электрическое сопротивление всей системы, в результате чего установить место горизонта сдвига достоверно невозможно;
- способ требует устройства большого числа скважин на контролируемом массиве, так как расслоение массива в плане заранее неизвестно, что удорожает его применение, в том числе за счет большого объема кабельных прокладок;
- связные (глины, суглинки) и несвязные (пески, супеси) грунты, из которых выполняются откосы грунтовых плотин, испытывают деформации в результате промерзания и размораживания, которые способны разрушить хрупкую диэлектрическую оболочку стержней и нарушить работу устройства, что в то же время не приводит к нарушению устойчивости откоса. Поэтому рекомендуемое применение этого способа для контроля состояния ГЭС нельзя признать допустимым, тем более что скважины могут находиться в зоне фильтрации, то есть подвергаться коррозионному воздействию воды.
В целом описанное устройство трудоемко в изготовлении, возникают трудности в определении достоверности информации. Кроме того, изменение электрического сопротивления стержней должно быть тарировано на испытательном стенде для получения достоверной связи с возникающими напряжениями в массиве.
Разработанный и предлагаемый в заявке способ реализуется с помощью устройства следующим образом.
По низовому откосу 1 (фиг.1) грунтовой плотины прокладывается прямолинейная канавка 2, глубиной, превышающей толщину растительного грунта на 10-20 см. Длина канавки соответствует протяженности контролируемого участка плотины. В начале и конце канавки забиваются трубчатые сваи 3 и 4 до отметки, превышающей глубину промерзания на 0,5…1,0 м. Между сваями по дну канавки протягивается стальная проволока 5 (предварительно стабилизированный по длине трос, стекловолоконный жгут и т.д.).
Один конец троса закрепляется неподвижно в правой свае 4, а другой - через пружинный натяжитель в левой свае 3. Трос покрывается битумной или синтетической изоляцией, предотвращающей коррозию по всей его длине.
После этого канавка вместе с находящимся в ней тросом заполняется цементно-известковым раствором 6 (фиг.2) в распор со стенками канавки в грунте. Заполнение канавки раствором должно быть спланировано по поверхности откоса для предупреждения размыва дождевыми осадками. Для увеличения связи с грунтом откоса по дну канавки перед укладкой раствора забиваются стальные штыри 7 длиной 1,0…1,5 м.
Образованию подвижек грунта на низовом откосе грунтовой плотины предшествует возникновение плоскостей скольжения и потеря устойчивости массива грунта 8, ограниченного этими поверхностями. Давление грунта на участок канавки, заполненный затвердевшим раствором, может рассматриваться как неравномерно распределенная нагрузка 9 (фиг.3) на балку с защемленными концами. Под влиянием этой нагрузки в балке возникают изгибающие моменты с максимальным значением в ее середине 10 и в местах условного защемления 11, 12. В результате действия изгибающих моментов и при недостаточной прочности материала заполнения в нем возникают трещины 13, которые и ограничивают место возникшего оползания грунта или других его деформаций.
В левой свае располагается устройство, регистрирующее изменение длины троса, представленное на разрезах фиг.4, 5. Перед заполнением канавки раствором определяется минимальное изменение 14 длины троса, вызываемое перемещением его на предельно допустимую величину подвижки грунта в направлении, перпендикулярном оси троса.
Устройство, регистрирующее изменение длины троса, включает измерительную шайбу 15, закрепляемую на стержне 16 и образующую вместе с неподвижной гранью 17 измерительный зазор 14 и контакты включателя 18 светозвуковой сигнализации. При большом натяжении троса вследствие подвижки грунта 8 (фиг.2) на низовом откосе контакты включателя смыкаются и замыкают электрическую цепь на светозвуковой сигнал. Битумная изоляция троса 19 должна быть достаточной для того, чтобы не возникло его сцепление с материалом заполнения канавки.
Получив сигнал об изменении длины троса, обходчик плотины устанавливает место возникновение оползня и принимает меры по предупреждению аварийного прорыва сооружения.
При повседневном обходе сооружения по измерительному зазору могут проводиться наблюдения за перемещением троса, характеризующим накопление деформаций в откосе плотины. При большой высоте или протяженности плотины устанавливается несколько линий мониторинга.
Предлагаемый способ и устройство ведения мониторинга безопасности грунтовых плотин удовлетворяет следующим условиям:
- может регистрировать место возникновения предельных деформаций в грунтовой плотине как на всей протяженности, так и по высоте от подошвы до гребня;
- контроль за состоянием откоса должен проводиться непрерывно и в любое время года с мгновенной сигнализацией о возникновении каких-либо самых незначительных деформаций;
- место возникновения деформаций определяется с достаточной точностью для проведения ремонтных работ;
- устройство для мониторинга не является трудоемким в изготовлении, не содержать цветных металлов и дорогих изделий типа электрических кабелей, электронные элементы и др.;
- устройство может функционировать независимо от электроснабжения объекта и допускать передачу информации на большие расстояния;
- устройство доступно для эксплуатации лицам, не имеющим специального образования;
- устройство восстанавливается с минимальными затратами после очередного срабатывания.