УСТРОЙСТВО НАБЛЮДЕНИЯ ЗА НАПОРНОЙ ДАМБОЙ ИЛИ ПЛОТИНОЙ

Полезная модель относится к устройствам наблюдения за напорными дамбами или плотинами с целью определения возникновения фильтрационного «выхода» жидкости на низовой откос из чаши дамбы и перелива через гребень дамбы и может быть использована для последующей своевременной разработки и принятия мер предупреждения (устранения), возможного осложнения состояния дамбы, а также для оценки ее состояния безопасности при значительном удалении инфракрасной камеры наблюдения от наблюдаемой дамбы.
Известна «Погружаемая в скважину оснастка для проверки водопроницаемости грунта и способ такой проверки» JP 3388144 В2 11043928 А, 7 Е02Д 1\00 (Япония) [1]. Она содержит пакер, спускаемый в скважину выше испытуемого интервала на бурильных трубах. По внутреннему объему труб в испытуемый интервал спускается датчик давления. По буровым трубам нагнетается в испытуемый интервал жидкость и регистрируются парные значения расхода нагнетания и соответствующее ему давление. Обработкой парных значений расхода и давления жидкости определяют водопроницаемость грунта. Недостаток метода и устройства для его осуществления заключается в его неоперативности, которая объясняется тем, что для определения водопроницаемости грунта необходимо проведение скважинных исследований. При этом усиление процесса фильтрации в ограждающем напорном сооружении, например, в дамбе, с которым связано увеличение водопроницаемости грунта дамбы, не может быть определено дистанционно путем наблюдения связанных с процессом фильтрации других его признаков.
Таким же недостатком обладают скважинные геофизические методы и технические средства для их осуществления, которые используют для определения в т.ч. изменения фильтрации в напорном сооружении, например, метод скважинной термометрии (Василевский А.Г. Инструментальный контроль за состоянием гидротехнических сооружений. Библиотечка гидротехника. Безопасность гидротехнических сооружений (приложение к журналу «Гидротехническое строительство». Вып.2(6). НТФ «Энергопрогресс», «Гидротехническое строительство», М., 2001 - 101 с., [2]), геоэлектрический метод, а также использование пьезометров (там же).
С не оперативностью определения усиления фильтрации связана несвоевременность проведения последующих мероприятий по нормализации связанных с усилением фильтрации осложнений состояния ГТС.
Более оперативными являются визуальные наблюдения.
Известно устройство наблюдения за напорной дамбой или плотиной (Устройство наблюдения за напорной дамбой или плотиной. Патент РФ на полезную модель №57297, приоритет 28.09.2005 г. Авторы А.Д.Елисеев, О.А.Елисеева, [3]), применение которого позволяет оперативно визуально наблюдать за ограждающими дамбами или плотинами, наиболее близкое предлагаемому и принятое за прототип.
Устройство наблюдения за напорной дамбой или плотиной, принятое за прототип, включает камеры наблюдения, температурные индикаторы положения критических уровней безопасности дамбы и ее гребня, выполненные в виде установленных в изолирующей оболочке электронагревательных проводов, включенных в цепь источника электроэнергии, предназначенные для установки на низовом откосе дамбы, при этом камерами наблюдения являются инфракрасные камеры.
Достигаемое с использованием устройства повышение оперативности определения возникновения «выходов» жидкости из чаши дамбы или плотины на низовом откосе и с которыми часто связаны последующие более серьезные осложнения состояния дамбы, например, образование ее разрушений - проранов, позволяет оперативно (своевременно) принять меры для предупреждения последующих (развивающихся) осложнений и предотвратить возможные (вероятные) аварии. Этим повышается безопасность дамбы или плотины, снижаются затраты на ликвидацию возможных аварий, вероятность возникновения которых при этом (при повышении оперативности определения выходов фильтрации или переливов через гребень и достигаемой при этом своевременности принятия соответствующих мер), уменьшается.
Кроме того, при использовании устройства достигается снижение трудоемкости осуществления наблюдений. Снижение трудоемкости выполнения наблюдений при использовании полезной модели позволяет уменьшить количество наблюдателей и этим уменьшить связанные с их осуществлением текущие затраты.
Однако, принятое за прототип устройство имеет недостаток. В большей степени это касается вариантов осуществления наблюдений при значительной удаленности камеры наблюдения от дамбы. Принимая во внимание экономические соображения, в качестве температурного индикатора целесообразно использовать недорогой электронагревательный провод, устанавливаемый на низовом откосе дамбы, например. типа ПНСВ (Провод нагревательный типа ПНСВ (1,0; 1,2; 1,4). ТУ 16.К71-013, [4]) (цена
е
его на 20.10.2006 г. составляет 1,5 руб/п.м). Наружный диаметр типоразмеров провода составляет от 1,0 до 1,4 мм, близко к этим размерам и образуемое вокруг провода тепловое поле, так как окружающий его воздух, особенно в ветреную погоду, минимизирует тепловое поле и наблюдаемый его размер. На значительных расстояниях такие размеры наблюдаемого провода (температурного индикатора) часто оказываются неразличимыми - ниже разрешающей способности камеры наблюдения (разрешающая способность характеризуется минимальным углом наблюдения, при котором различается удаленная точка наблюдения (Большая Советская энциклопедия. Гл. ред. A.M.Прохоров. Изд. 3. Т.21. М., Изд-во «Советская энциклопедия», 1975 г., стр.430, [5]). От этого недостатка можно освободиться, например, увеличением разрешающей способности камеры наблюдения. Но это очень дорого.
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в обеспечении видимой различимости температурного индикатора - электронагревательного провода при значительной удаленности камеры наблюдения от дамбы при ее неизменной разрешающей способности.
Указанный результат достигается тем, что в принятом в качестве прототипа устройстве наблюдения за напорной дамбой или плотиной, включающем камеры наблюдения, температурные индикаторы положения критических уровней безопасности дамбы и ее гребня, выполненные в виде установленных в электроизолирующей оболочке электронагревательных проводов, включенных в цепь источника электроэнергии, предназначенные для установки на низовом откосе дамбы, при этом камерами наблюдения являются инфракрасные камеры, объем между электроизолирующей оболочкой и электронагревательным проводом, формирующий размер наблюдаемого температурного индикатора, заполнен воздухом.
Электроизолирующая оболочка может быть выполнена в виде полихлорвиниловой трубки.
Электроизолирующей оболочке при аналогичном диаметре ее круглой формы может быть придана эллиптическая форма.
Оболочка вокруг электронагревательного провода позволяет сформировать и «удерживать» вокруг него тепловое поле, которое определяется размером электроизолирующей оболочки, независимо от того обдувается ли она воздухом (ветром), т.е. создать заявляемый температурный индикатор. Выполнение электроизолирующей оболочки придает ему возможность принимать температуру теплового поля существующего вокруг электронагревательного провода и «делать его видимым» для
инфракрасного наблюдения. При этом, чем больше размер электроизолирующей оболочки температурного индикатора, установленного на низовом откосе дамбы, тем под большим углом он наблюдается инфракрасной видеокамерой.
Придание температурному индикатору, электроизолирующая оболочка которого выполнена их полихлорвиниловой трубки (ПХВ-трубка) формы эллипса, позволяет при одном и том же диаметре ПХВ-трубки наблюдать температурный индикатор под большим углом наблюдения.
Увеличение угла наблюдения позволяет, при одной и той же разрешающей способности инфракрасной видеокамеры, различать температурные индикаторы с большими размерами на больших расстояниях от них (и «делать их видимыми»).
Увеличение диаметра оболочки электронагревательного провода, достигаемого за счет увеличения размера воздушного зазора и теплового поля температурного индикатора, при неизменной разрешающей способности, превышающей минимально различимый угол наблюдения, позволяет наблюдать электронагревательный провод в оболочке - температурный индикатор, установленный на низовом откосе дамбы, на большем удалении от него инфракрасной камеры.
На фиг.1 приведена схема наблюдения за низовым откосом дамбы при не обеспечении разрешающей способности (известное устройство); на фиг.2 - схема наблюдения за низовым откосом дамбы при обеспечении разрешающей способности (предлагаемое устройство), в том числе, фиг.2.1 - оболочка электронагревательного провода круглой формы и фиг.2.2 - оболочка электронагревательного провода (аналогичного что и на фиг.2.1 диаметра, но) эллиптической формы.
На фиг.1; 2; 2.1 и 2.2 введены следующие обозначения: 1 - тело ограждающей дамбы; 2 - верховой откос дамбы; 3 - низовой откос дамбы; 4 - жидкость, заполняющая объем дамбы; 5 - депрессионная кривая в сечении тела дамбы (в сечении тела дамбы - линия А-В); 6 - увлажненная фильтрующейся из дамбы жидкостью поверхность низового откоса дамбы (в сечении дамбы, линия В-С); 7 - точка пересечения депрессионной кривой с поверхностью низового откоса; 8 - электронагревательный провод (жила), установленный на низовом откосе дамбы вдоль нее в точке пересечения с ней критической депрессионной кривой (пунктирная линия А-В'); 9 - электроизолирующая оболочка; 10 - воздушный зазор (объем); 11 - инфракрасная камера наблюдения.
1
2
L - расстояние от инфракрасной камеры наблюдения 11 до электронагревательного провода; α - разрешающая способность инфракрасной камеры наблюдения; α - угол наблюдения применяемого (по ТУ 16.К71-013, [4]) электронагревательного провода; α - угол наблюдения предлагаемого электронагревательного провода круглого сечения
2
оболочки; α' - угол наблюдения предлагаемого электронагревательного провода с аналогичным круглому диаметром оболочкой но эллиптической формы.
Работает устройство наблюдения за напорной дамбой или плотиной, далее УННДП, следующим образом.
Сущность определения выходов фильтрации («высачивания») на низовой откос дамбы с использованием устройства заключается в том, что температуры сухой поверхности низового откоса и влажной, от профильтровавшейся через дамбу жидкости, различны, а на изображении низового откоса инфракрасной камеры наблюдения указанные поверхности отображаются различными изохромными цветами, которым соответствуют их температуры.
Осуществляют наблюдение за дамбой или плотиной либо по всему периметру, либо на интересуемом участке. Для этого инфракрасную камеру (фиг.1) 11 устанавливают так, чтобы обеспечивалось наблюдение низового откоса и гребня дамбы.
При не осложненном состоянии дамбы (выходы фильтрации на низовом откосе дамбы соответствуют нормированному значению) на экране инфракрасной камеры отображены области тепловых полей (как правило, изохроматические изображения) соответствующими цветами - а) сухой поверхности низового откоса 3, б) влажной поверхности низового откоса 6 и в) электронагревательного провода 8, которые имеют различные температуры. При этом граница 7 влажной поверхности 6 находится ниже положения электронагревательного провода 8 (температурного индикатора критического положения депрессионной кривой на ее пересечении с поверхностью низового откоса).
В случае, когда фильтрация превышает критическое значение, на мониторе инфракрасной камеры соответствующее положению влажной поверхности низового откоса (верхняя граница) изохромное изображение на участке превышения находится выше положения электронагревательного провода 8, имеющего соответствующий цвет. Эта ситуация соответствует превышению фильтрации допустимого уровня и при ее возникновении должны быть приняты меры для нормализации процесса фильтрации.
При переливе через гребень дамбы на мониторе инфракрасной камеры, соответствующее влажной поверхности низового откоса ее изохромное изображение наблюдается от гребня дамбы до ее основания на низовом откосе, прерывая изображение электронагревательного провода 8 потоком, переливающимся через гребень дамбы.
Инфракрасная камера наблюдения 11 установлена на расстоянии L=730 м от наблюдаемого низового откоса ограждающей дамбы (фиг.1), на котором установлен температурный индикатор - электронагревательный провод 8 (по ТУ 16.К71-013) с наружным диаметром равным 1,0 мм. Диаметр образуемого вокруг проводника теплового
1
объема не превышает 1,5 мм. При этом угол наблюдения ей составляет 23'. Разрешающая способность камеры инфракрасного наблюдения а составляет 44'. Т.е. α<α и электронагревательный провод, установленный на низовом откосе дамбы, с использованием инфракрасной камеры наблюдения неразличим (невидим).
2
1
2
2
1
В предлагаемом УННДП электронагревательный провод 8, собственно его жила из нихрома, установлена в электроизолирующей оболочке 9 - ПХВ-трубке, диаметр которой равный 30 мм, многократно превышает диаметр жилы. Между жилой 8 и оболочкой 9 находится воздух (воздушный зазор) 10. При работе (включении в цепь питания) электронагревательного провода по жиле 8 протекает ток и последняя нагревается, нагревается и воздушный объем 10, заполняющий пространство между жилой 8 и электроизолирующей оболочкой 9, а также саму оболочку из теплопроводящего материала - ПХВ. Объем и размер температурного индикатора предлагаемого УННДП (фиг.2.1) больше размера известного температурного индикатора (фиг.1) - по прототипу. При этом угол наблюдения α (фиг.2.1) больше угла наблюдения α (фиг.1). В рассматриваемом примере α=52'. α>α и электронагревательный провод 8 (фиг.2.1), установленный на низовом откосе дамбы, различим и хорошо виден. Видимой является и соответствующая критериальному значению линия на низовом откосе дамбы, относительно которой оценивается положение фильтрующей площади откоса.
2
2
2
Бо'льший угол наблюдения α' (при аналогичном диаметре оболочки) может быть получен, если ей (оболочке) придать эллиптическую (более плоскую) форму (фиг.2.2), в сравнении с круглой формой (фиг.2.1). При этом α'>α и температурный индикатор, установленный на низовом откосе дамбы различим (видим).
Следует отметить, что при длине дамбы 730 м аналогична и длина электронагревательного провода 8. Дополнительно для осуществления предлагаемого устройства в качестве оболочки требуется полихлорвиниловая (ПХВ) трубка диаметром 12 мм длиной 730 м, цена которой составляет 1,2 руб·м. Таким образом, стоимость предлагаемого устройства увеличивается на величину С=730 м · 1,2 руб·м = 876 руб.
Предлагаемое решение экономически более выгодно в сравнении, например, с приобретением инфракрасной видеокамеры с лучшей разрешающей способностью (Инфракрасная видео камера TVS-600. Рекламный проспект фирмы NIPPON AVIONICS CO., LTD совместно с компанией «Диагност», г.Москва, а\я 10, [6]), имеющей стоимость большую на 2-3 тыс. долларов США. Менее экономичными являются и другие, альтернативные по назначению и технической сущности решения, например, связанные с увеличением сечения электронагревательных проводников, которые более дороги
(Белоруссов Н.И., Саакян А.Е., Яковлева А.И. Электрические кабели, провода и шнуры. Справочник, М., Энергия, 1979 г [7]) или образования из них жгутов и др.
Устройство позволяет определить оперативно (практически мгновенно) возникновение выхода фильтрации на низовом откосе дамбы или перелива через ее гребень и, как следствие, оперативно (своевременно) принять меры для нормализации ситуации и этим уменьшить риск возникновения и развития более серьезных осложнений на дамбах, например, проранов, и связанных с их ликвидацией затрат и потерь.
Использование предлагаемого устройства позволяет снизить материальные затраты и трудоемкость наблюдений.
При осуществлении регистрации результатов наблюдения предлагаемое устройство может быть средством объективного контроля состояния и режима работы напорного гидротехнического сооружения (дамба, плотина), а результаты регистрации использоваться для анализа состояния напорных дамб или плотин, в т.ч. на протяжении интересуемых интервалов времени, например, предшествующих аварийным ситуациям.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ
1. Патент Японии «Погружаемая в скважину оснастка для проверки водопроницаемости грунта и способ такой проверки». JP 3388144 В2 11043928 А, 7 Е02Д 1\00.
2. Василевский А.Г. Инструментальный контроль за состоянием гидротехнических сооружений. Библиотечка гидротехника. Безопасность гидротехнических сооружений (приложение к журналу «Гидротехническое строительство». Вып.2(6). НТФ «Энергопрогресс», «Гидротехническое строительство», М., 2001 - 101 с.
3. Устройство наблюдения за напорной дамбой или плотиной. Патент РФ на полезную модель №57297, приоритет 28.09.2005 г. Авторы А.Д.Елисеев, О.А.Елисеева - прототип.
4. Провод нагревательный типа ПНСВ (1,0; 1,2; 1,4). ТУ 16.К71-013.
е
5. Большая Советская энциклопедия. Гл. ред. A.M.Прохоров. Изд. 3. Т.21. М., Изд-во «Советская энциклопедия», 1975 г., стр.430.
6. Инфракрасная видео камера TVS-600. Рекламный проспект фирмы NIPPON AVIONICS CO., LTD совместно с компанией «Диагност», г.Москва, а\я 10.
7. Белоруссов Н.И., Саакян А.Е., Яковлева А.И. Электрические кабели, провода и шнуры. Справочник, М., Энергия, 1979 г.