Геодезические приборы для измерения деформаций сооружений

Задача, связанная с изучением горизонтальных деформаций, возникает, например, при наблюдении за смещением плотины в процессе заполнения водохранилища и эксплуатации ГЭС.

Традиционные методы контроля смещения плотины довольно трудоемки и не позволяют автоматизировать процесс измерений, а также не обеспечивают оперативность получения информации в текущий момент времени. Поэтому для автоматического контроля таких сооружений в некоторых случаях используются лазерные автоматические системы. В СССР была создана такая система, которая использовалась для контроля смещений арочной плотины Чиркейской ГЭС.

Лазерная автоматическая система (ЛАС) состоит из излучателя, в качестве которого используют лазерный центрир (ЛЗЦ), снабженный жидкостным компенсатором. Он обеспечивает отвесное положение лазерного пучка, который является опорным. Пучок проходит через все тело плотины по специальной трубе (рис. 5.50).

Рис. 5.50. Схема размещения излучателя и фотоприемников в теле арочной плотины Чиркейской ГЭС
1 — лазерный зенит-прибор; 2 — лазерный луч; 3, 5 — фотоприемники; 4 — труба в теле плотины

На десяти горизонтах в плотине установлены кассеты со специальными фотоприемниками, позволяющими измерять смещения плотины относительно пучка. Информация с фотоприемников поступает в блок управления обработки и записи информации. Измерение смещения плотины осуществляется относительно линии нулевого отсчета в направлении потока (рис. 5.51):

X_i = X'_i + D_п/2,

где X_i — координаты центра пучка, мм; X'_i — величина перемещения фотоэлемента от точки нулевого отсчета до момента засветки фотоэлемента лазерным пучком, мм; D_п — поперечное сечение пучка, измеренное от начала до конца засветки фотоэлемента, мм.

Рис. 5.51. Определение координат центра пучка

Для того чтобы определить величину смещения плотины в момент заполнения водохранилища, измеряют величину X_0i до заполнения водохранилища, тогда величина смещения плотины в данном сечении:

∆X_i = X'_i — X_0i.

Линейное смещение фотоэлемента осуществляется с помощью электродвигателя и винтовой пары, приводящей в движение каретку с фотоэлементом. Шаг винтовой пары составляет 8 мм; цена деления квантующего импульса — 0,1 мм. Линейное смещение каретки преобразуется в соответствующее число импульсов. При движении каретки импульсы поступают в процессор, работой которого управляют с помощью фотоэлемента.

Процессор выполняет операцию:

X = А + В/2,

где X, А и В — число импульсов, соответствующих координате Х_i, смещению каретки от точки нулевого отсчета до границы пучка и поперечному сечению пучка.

На рис. 5.52 показана структурная схема ЛАС.

Рис. 5.52. Структурная схема ЛАС:
1-10 — фотоприемные устройства; 11 — блок питания; 12 — блок обработки информации и управления; 13 — цифровой индикатор; 14 — цифропечатающее устройство; 15 — блок питания

К выходу процессора подключены цифровой индикатор и цифропечатающее устройство. Цифровой индикатор служит для визуального контроля результатов измерений, цифропечатающее устройство — для непрерывной фиксации результатов измерений, а также номера опрашиваемого фотоприемного устройства.

Включение ЛАС осуществляется с пульта управления. Программное устройство системы обеспечивает работу в непрерывном, циклическом и выборочном режимах. Время готовности системы к работе составляет 5 мин., время одного цикла измерений по всей высоте сооружения — 10 мин. Повторение каждого цикла измерений может осуществляться в пределах 0,5-4 ч. При непрерывном режиме работы производится последовательный опрос фотоприемных устройств с первого по десятый, и затем снова с первого и т. д. При выборочном режиме работы ЛАС можно измерять смещения на любом горизонте в произвольной последовательности.

Для одновременного определения сдвига и крена крупных сооружений находят применение прямые и обратные отвесы (рис. 5.53 и рис. 5.54), положение которых определяют с помощью видеокоординатомера (рис. 5.55).

Рис. 5.53. Прямой отвес
1 — проволока; 2 — груз; 3 — шахта; 4 — основание

Рис. 5.54. Обратный отвес
0 — якорь отвеса; 1 — проволока; 2 — поплавок; 3 — ванная; 4 — штифт; 5 — устройство для натяжения отвеса; 6 — мягкая вставка

Рис. 5.55. Видеокоординатомер
1 — струна отвеса; 2, 3 — видеодатчики; 4, 5 — светодиоды для подсветки струны отвеса; 6 — компьютер; X, У — координатные оси

Прямой отвес (рис. 5.53) представляет собою проволоку 1 с грузом 2 на конце, подвешиваемую в шахте или скважине 3. Проволока под действием груза натягивается и располагается отвесно. Чтобы гасить колебания отвеса, груз 2 опускают в сосуд с жидкостью.

Обратный отвес (рис. 5.54) также представляет собой проволоку 1, но закрепленную якорем 0 в нижней части наблюдаемого сооружения. К верхнему концу проволоки с помощью мягкой вставки 6, прикреплен оголовок, включающий кольцевой поплавок 2, плавающий в кольцевой ванне 3, наполненной жидкостью, и штифт 4, соосный с проволокой. Под действием подъемной силы поплавка (порядка 50-60 кг) проволока натягивается, занимая отвесное положение, и служит той базовой линией, относительно которой производятся все измерения. Над оголовком расположен координатный столик, скрепленный с исследуемым сооружением. Определение координат штифта 4 относительно координатного столика осуществляется с помощью видеокоординатографа. Изменение его положения свидетельствует о деформации верхней части сооружения (при условии, что точка 0 неподвижная). Для определения крена измеряют расстояния ∆1_в вверху, ∆1_и внизу между нитью отвеса и поверяемым сооружением. Изменение разности (∆1_в — ∆1_и) с течением времени свидетельствует о продолжающемся крене сооружения. Величина крена ε может быть определена из соотношения:

ε = (∆1_в — ∆1_и)/h,

где h — расстояние по вертикали между контролируемыми верхней и нижней точками.

Для определения сдвига основания 4 нужно определить координаты точки 0 подвеса проволоки, а также координаты в нижней и верхних точках, как показано на рис. 5.54.

Тогда изменение координат точки 0 со временем и изменение разности (∆1_в — ∆1_и) дают информацию для вычисления сдвига основания. Прямые отвесы могут иметь длину не более 40-50 м, т. к. из-за дрожания проволоки в воздушном потоке и раскачивания отвеса, даже если он помещен, как это показано на рис. 5.54, в сосуд с жидкостью, возможны значительные ошибки.

Точность, даваемая прямым отвесом, находится в пределах 2-7 мм и зависит также от типа координатомера, технические характеристики которого приведены в табл. 5.9.

Таблица 5.9 Технические характеристики координатомеров

Сдвиг и крен сооружения могут быть определены значительно точнее с помощью обратного отвеса системы М.С. Муравьева (рис. 5.55). Обратный отвес состоит из проволоки 1, якорь которой О закреплен в недеформируемых коренных породах в основании сооружения.

Деформации сооружения могут также измеряться путем измерения координат проволоки на любом горизонте, где имеется доступ к струне. Наибольшая точность при измерении струны отвеса достигается при использовании видеокоординатомеров, которые позволяют не только повысить точность и скорость, но и автоматизировать процесс измерений (см. табл. 5.9).

Как уже отмечалось, наиболее значительные динамические деформации наблюдаются у сооружений башенного типа, характерным представителем которых является Останкинская телебашня. Изучение динамических деформаций Останкинской телебашни началось с момента ее пуска в эксплуатацию. Башня, имеющая высоту 533 м, представляет собой железобетонный ствол 1, на который установлена стальная антенна 2 (рис. 5.56).

Рис. 5.56. Схема Останкинской телебашни

Антенна имеет телескопический контур и состоит из отдельных цилиндрических труб переменного диаметра. Ствол состоит из нижнего опорного конуса А, имеющего 10 опор, конусообразной средней части Б и цилиндрической верхней части В. Масса башни — 55 тыс. т.

Вследствие ветровой нагрузки башня отклоняется от вертикали по кривой, близкой к квадратной параболе. Так как направление и сила ветра хаотически меняются, то башня колеблется с некоторой амплитудой и частотой, зависящей от высоты определяемой точки и скорости ветра. Кроме того, из-за нагрева солнцем и рассеянной солнечной радиации происходит температурная деформация ствола башни, что ведет к ее изгибу в сторону, противоположную нагреву.

При оценке динамических деформаций необходимо определить амплитуду колебаний относительно вертикали для точек, находящихся на различной высоте. На первом этапе исследований деформаций башни наблюдения на марки выполнялись одновременно двумя высокоточными теодолитами, установленными на точках, находящихся на двух взаимно перпендикулярных осях на расстоянии 300 м и 600 м от башни. Марки для наблюдений были установлены на телебашне на высотах 20, 237, 385, 420 и 520 метров. Средняя квадратическая ошибка определения координат марки составляла 15 мм. Как показали исследования, максимальное отклонение телебашни от вертикали на высоте 530 м, вызываемое ветровыми нагрузками и тепловыми деформациями, составляет 2,5 м. Так как этот процесс наблюдений достаточно сложен и трудоемок, позднее была разработана оптоэлектронная система, позволяющая автоматизировать процесс измерений.

В настоящее время для этой цели используются видеосистемы, основанные на видеоизмерениях, которые обрабатываются с помощью компьютеров, причем структура и алгоритм обработки могут гибко меняться в зависимости от решаемой задачи и требуемых параметров измерений.

Для геодинамического мониторинга сооружений также может быть использована автоматизированная система с использованием видеодатчиков. Это устройство содержит видеощелемеры, лазерные датчики смещений и видеоизмерительную гидростатическую систему. На работу устройства в целом не влияет количество датчиков, которое практически не ограничено и определяется только характером решаемых задач. Задание параметров измерений, сбор, обработка, архивирование и документирование полученных данных осуществляются с помощью центрального компьютера с использованием прикладного программного обеспечения.