2.3 Назначение, конструкция и размещение реперов, мирок и приборов для наблюдения за перемещениями сооружений
Инструментальные наблюдения за перемещениями конструкций проводятся с помощью геодезических приборов и следующих приспособлений: реперов, марок, створных знаков и указанием.
Реперы - исходные знаки высотной основы, практически неподвижные в течение всего периода эксплуатации. Они служат для определения высотного положения отдельных точек сооружений с помощью нивелирования. Марки - устройства с фиксированной в плане точкой, закладываемые в исследуемое сооружение или основание и перемещающиеся совместно с ним. По перемещениям марок относительно реперов судят о перемещении сооружений. Указатели - наземные знаки, указывающие оси вооружений, места их поворота, начало и конец скрытых конструкций и устройств (дренажей, экранов, креплений осей промеров, мерных створов и т. п.). Створные знаки - указатели, устанавливаемые для фиксирования расстояний по длине сооружения. Реперы, используемые при строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений, можно разделить следующим образом (рис. 2.1): по капитальности - фундаментальные реперы Управления геодезии и картографии СССР, исходные и рабочие; по местоположению - поверхностные, глубинные и стенные; и возведению - устроенные путем рытья котлована и бурения скважин, заделанные в стены и другие конструкции; по климатическим условиям — работающие в обычном климате и в условиях многолетней мерзлоты.
Исходные реперы называют также опорными. Для сооружений I и II класса их располагают обычно в нижнем бьефе и удалении от створа на 1,5...3 км на разных берегах кустами по 3 репера (см. рис. 2.1). В плане реперы размещают по прямой или треугольником с расстоянием между реперами в кустах 20...30 м. Для сооружений III класса при незначительном их удалении от репера. Управления геодезии и картографии СССР разрешается вместо куста устраивать один репер. Расстояние от куста исходных реперов до марок, расположенных на сооружениях, принимают обычно не более 1км, при этом важно, чтобы деформации на сооружениях не вызывали перемещения реперов. В некоторых случаях исходные реперы могут быть удалены и на большее расстояние.
На глубину закладки исходных реперов влияют колебания температуры грунтов, уровни грунтовых вод, а так же глубина залегания коренных пород. В средней полосе территории СССР для ответственных сооружений сезонными колебаниям и температуры можно пренебречь лишь при глубине закладки исходных реперов в скальные породы свыше 6...7 м. Если ниже уровня грунтовых вод залегают скальные или полускальные породы, то якорь репера закладывают ниже уровня грунтовых вод на три амплитуды его колебания [40]. На менее ответственных сооружениях исходный репер Гидропроекта при глубине промерзания до 1,5 м закладывают не менее чем на 2,5м, более 1,5м – на 1,0м ниже максимального промерзания. Исходный репер в глинистых и песчаных грунтах (рис. 2 .2 ,а) состоит из стальной трубы 4 диаметром не менее 80мм, забетонированной в усеченную четырехугольную пирамиду 5. На трубе приваривают три марки: на верхнем срезе 2, на ее боковой поверхности 4 и третья замоноличивается в верхнюю грань пирамиды 5. Эти марки изготавливают из нержавеющего и не окисляющегося металла прокрашивают в красный цвет. Трубу внутри заполняют бетоном или битумом, а снаружи защищают от коррозии асфальтовым лаком, кузбасслаком или другими антикоррозийными покрытиями и обертывают мешковиной или стеклотканью (2...3 сл о я), пропитанной битумом.
Исходный репер при близком залегании скальных грунтов закладывают в скважину диаметром 120...160 мм (рис.2.2,б ). Якорь, имеющий длину 60...80 см, должен располагаться в прочной скале. В скважину помещается реперная труба с нивелировочной маркой (головкой) из нержавеющего материала. Внизу труба имеет перфорацию. Нижнюю часть скважины заполняют бетоном. В верхней части скважины устанавливают защитную трубу и колодец из одного или нескольких железобетонных колец, накрытых сверху крышками. Свободное пространство скважины и колодца заполняют термоизоляционным материалом, например, шлаковатой, опилками с битумом и т.п.
Исходные реперы на крупных гидроузлах в условиях глубокого заложения коренных пород и отсутствия скальных закладывают на значительную глубину до15...25м (рис. 2.2, в). Недостаток глубинных реперов – изменение длины реперной трубы при температурных колебаниях.
Рис.2.2 Поверхностные исходные реперы. а - в глинястых и песчаных грунтах; б,в – на ответственных сооружениях соответственно при близком залегании скальных грунтов и глубоком заложении коренных пород; г - на менее ответственных сооружениях при близком расположении скалы к дневной поверхности; 1— кювет; 2—нивелировочные марки; 3 насыпной холмик, 4—стальная труба; 5 — бетонная четырехугольная пирамида (т ум б а); 6—защитная труба; 7 —крышки; 8 —колодец; 9—термоизоляционный материал; 10 —якорь; 11— прокладки; 12— бетонная подушка; 13 — диафрагм а; 14 — сальник;15 — пакляный тампон;16— башмак. Размеры в м.
Имеются предложения по размещению исходных реперов в специальных штольнях, пройденных на 10...15 м от берега вглубь склона. В таком случае репер может быть выполнен по типу обычной поверхностной марки. В случае расположения прочной скалы близкой к поверхности земли (до 3...3,5 м) на менее ответственных сооружениях может быть применена упрощенная конструкция исходного репера (рис. 2.2, г). Для условий многолетней мерзлоты применяют глубинные реперы струнного типа, представляющие собой инварную проволоку толщиной 1,5... 1,7 мм, натянутую в скважине между якорем, то есть бетонным массивом с заделанным в него штоком, и устройством с грузом, расположенным на поверхности в защитной трубе, оборудованной окошком для наблюдения за шкалой[40].
Рабочие реперы, иногда называемые грунтовыми, устанавливают произвольно, ближе к сооружениям . В мягких грунтах их подошву располагают на 0,5...0,7 м ниже максимальной глубины промерзания. Как и исходные, рабочие реперы устраивают путем рытья котлована (рис. 2.3, а) или бурения скважины (рис. 2.3, б)[40]. Существуют и другие конструкции рабочих реперов: например, в нижней их части может быть установлен бетонный массив(тумба) (рис. 2 .3 ,в). Стенные исходные реперы располагаются на стенах массивных бетонных или железобетонных сооружений, находящихся поблизости и имеющих заложение фундамента значительно ниже глубины промерзания. Их применяют редко, так как не всегда имеется поблизости строение, удовлетворяющее вышеуказанным требованиям. Стенной рабочий репер и стенная марка - это одно и тоже. Только первое устанавливают на сооружения, осадки которых практически стабилизировались, а второе - на элементы сооружения, осадки которых необходимо выявить в процессе наблюдений. Головка стенного рабочего репера (марки) (рис. 2.4) может быть сферической или полусферической. Она обычно отстоит от стены на 3...4 см и делается в местах, удобных для установки рейки. Для защиты стенного репера (м арки) от воздействия атмосферных осадков его закрывают крыш кой 1(см. рис. 2.4, а) или устраивают съемным (рис. 2 .4 ,6 ). Стенной потайной репер (см. рис. 2.4, а) разработан в Гидропроекте имени С.Я. Жука и представляет собой марку, защищенную завинчивающейся крышкой. Основание марки прикрепляется с помощью винтов к швеллеру, выступающему из стены, или к анкерной плите.
Марки, устанавливаемые на сооружениях для измерения их деформаций (обычно осадок), подразделяются: по размещению - на поверхностные и глубинные; по местоположению - грунтовые, стенные; по назначению - на постоянные и временные.
Поверхностные марки служат для измерения суммарных осадок тела плотины и основания. Их располагают на гребне, откосах или бермах грунтовых сооружений. Основанием поверхностных марок могут служить бетонные тумбы в виде усеченных четырехугольных пирамид (рис. 2.5, а) или металлические опорные фланцы, приваренные косынками (рис. 2 .5 ,6 ). Подошву марки (основание) закладывают на 0,5 м ниже глубины наибольшего сезонного промерзания.
Подошву марки (основание) закладывают на 0,5 м ниже глубины наибольшего сезонного промерзания. Для защиты марки от повреждения в верхней части ее устраивают колодец, оборудованный крышкой. Верх колодца, выполненного из трубы диаметром 200...250 мм, выступает над поверхностью земли на 0,3 м. Применяют также поверхностные грунтовые марки, выполненные из бревен диаметром 18...20 см и длиной 2 м, служащие для наблюдения за выпором грунта у подошвы низового откоса грунтовой плотины. Точкой наблюдения служит металлический штырь, забитый в верхний торец бревна, представляющий полусферическую марку.
С помощью глубинных марок измеряют осадки оснований. Конструкции их различаются в зависимости от условий их возведения. На рисунке 2.6. а показана глубинная марка, которую можно монтировать на сухих участках. Она состоит из железобетонной плиты размером 1,5 X 1,5 X 0,5 м, к которой прикрепляется металлическая штанга диаметром 40...50мм с приваренной наверху маркой в виде полусферической головки из неокисляющегося металла. Такая штанга защищена телескопическим звеном из двух труб, снабженных направляющими дисками (шайбами) из материала, не подверженного коррозии. Для удобства монтажа телескопическое звено собирается на свинцовых или алюминиевых заклепках, которые при подвижках слоен грунта срываются, не влияя на показания деформации марки. В случае возведения гидротехнического сооружения в русле удобнее монтировать марку, снабженную металлической перфорированной плитой размером 0,8 X 0,8 м и толщиной 6...8 мм, усиленной косынками (рис. 2 .6 ,6). К металлической плите также прикрепляется труба марки диаметром 40...50 мм и кусок защитной трубы. Высота ее должна быть такой, чтобы при монтаже в защитную трубу не попадала вода. Предохраняет трубу марки от повреждений также телескопическое звено из нескольких труб. Все металлические части марок должны быть надежно обработаны антикоррозийными составами как с внутренней, так и с наружной стороны.
При необходимости измерения осадок отдельных слоев основания, тела плотины или того и другого устанавливают телескопические многоярусные марки (рис. 2,6, в). Марка состоит из нескольких металлических труб разного диаметра, размещенных одна в другой и снабженных в основании металлическими плитами. Верхние обрезы труб выводят на поверхность и закрывают защитной крышкой. Плиты, уложенные в тело плотины, в зависимости от осадок грунта замеряемого слоя, перемещаются, увлекая за собой трубу. По величине смещения обреза трубы, снабженной маркой, судят об осадках. Наблюдения проводятся путем нивелирования. Многоярусная телескопическая марка применяется на низко- и средненапорных плотинах (до 50м )
Для измерения перемещений отдельных слоев тела плотины применяют также гидравлические марки (рис. 2.6, г ), работающие на использовании принципа сообщающихся сосудов. При этом один сосуд располагается в теле плотины (в металлическом ящике или бетонном массиве), а другой сосуд представляет собой пьезометрическую трубку, закрепленную в смотровом колодце, расположенном у откоса сооружения. Между собой оба сосуда соединены смонтированной во время строительства трубой. Систему заполняют водой с помощью насоса. После слива излишек воды из металлического ящика, где расположен сосуд, берут отсчет по мениску пьезометра, установленного в смотровом колодце, и судят о величине осадки сооружения. Такие приборы установлены на ряде зарубежных (Мессауле, Оровилл и др.) и отечественных плотинах, например Широковской. Точность определения осадок до 1см.
Относительные деформации тела плотины в различных точках и любых направлениях определяют с помощью глубинных марок (рис. 2.7, а) , состоящих из неэлектропроводных труб, уложенных в заданном направлении, вокруг которых в определенных местах вмонтированы металлические пластины.
Рис. 2.6. Глубинные марки для измерения осадок в теле грунтовой плотины:
а- с железобетонной плитой; 1 — крышка; 2 — труба диаметром 150 мм; 3 — марка; 4- центрирующая крышка; 5 — свинцовые заклепки; 6 — защитная труба; 7 — штанга; 8-кольцевая прокладка; 9—направляющий диск штанги; 10 — телескопическое звено защитной трубы ; 11—железобетонная плита; б — с металлической плитой; 1 — труба диаметром 200 мм с люком ; 2 — защитная крышка; 3 — марка; 4— плита; 5 — направляющий диск; 6 — труба марки; 7— сальник из просмоленной веревки; 8 — винт –шпонка; 9- вкладное кольцо; 10 — защитная труба; 11 — внутренняя труба; 12 — направляющее кольцо; 13 — плита основания;14 — р ебра жесткости; 15 — алюминиевые пленки; в — многоярусные телескопические: 1 — защитная крышка; 2 — марки; 3-винт; 4 — труба; г- гидравлические: 1— защитный кожух (металлический ящик);
внутренний сосуд; 3 — сливная труба; 4 — соединительная труба; 5 — пьезометр; 6-насос.
При изменении положения этих пластин на 3...4 мм зонд 4 , проходящий внутри этих труб, подает электрический сигнал. Таким образом фиксируются горизонтальные подвижки грунта. Изменение электрического сигнала во времени свидетельствует о подвижках в направлении уложенных неэлектропроводных труб. Конструкции зондов могут быть различными, в том числе электромагнитными (рис. 2 .7 ,6 ), фиксирующими положение изотопов и т.д. Инклинометр с тензодатчиком, приклеенным к гибкой пластине, на которой подвешен груз, разработан за рубежом. Перемещая инклинометр по трубе, фиксируют изменение электрического сигнала, подаваемого с тензометра в зависимости от смещения трубы относительно вертикали. Для измерения горизонтальных перемещений применяют также инклинометр, основанный на принципе маятника, фотоустройств или конструкций, используемых принцип натяжения струн. Струнные марки устанавливают в СССР на высоких плотинах (Чарвакская , Нурекская и др.), маятниковые и фотоинклинометры - за рубежом. Относительные перемещения измеряют экстензометрами, основанными на использовании электрического сигнала, зависящего от расположения пластин. Размещая пластины в разных плоскостях, можно измерять перемещения в трех направлениях. Схема прибора приведена на рисунке 2.7, в. Существуют и другие способы измерения перемещений в теле грунтовых плотин. На плотине ДюнВалей используют колодцы, соединенные с асфальтобетонной диафрагмой посредством специальных патрубков, в которых были установлены марки для замеров горизонтальных и вертикальных перемещений.
Наблюдения за плановыми перемещениями гребня или берм выполняют методами створов, триангуляции и комбинированным [40]. За перемещениями плотин, имеющих прямолинейные оси, наблюдают методом створов. Если створ плотины состоит из нескольких прямолинейных участков, то применяют комбинированный метод - на прямолинейных участках используют метод створов, а точки излома оси фиксируют методом триангуляции. Метод триангуляции осуществляют на гидроузлах в горных районах на арочных плотинах. На крупнейшей Нурекской плотине для проведения наблюдения за горизонтальными и высотными перемещениями используют галереи, устроенные на трех уровнях в ядре. Эти же галереи и колодцы служат для выводов коммуникаций, размещения пультов управления КИА, наблюдений за фильтрацией через ядро и т.д.
Горизонтальные смещения происходят чаще по руслу реки в сторону верхнего или нижнего бьефа. Отдельные массы плотин смещаются под влиянием собственного веса на крутых склонах. Максимальные смещения достигают 15...30% осадки плотины в этом же месте и находятся от основания на 0,3...0,5 ее высоты. Причем в процессе строительства, наполнения водохранилища и эксплуатации плотин горизонтальные перемещения происходят по-разному в зависимости от конкретных условий. Для фиксирования положения осей различных коммуникаций, проложенных в теле плотины (дренажей, экранов, крепления, диафрагм и т.п.), применяют знаки -указатели и створные знаки (рис. 2.8), выполненные из различных материалов (дерева, металла, железобетона, пластмассы) и обозначенные соответствующими надписями. Число высотных марок и их размещение зависят от размеров и конструктивных особенностей гидротехнического сооружения, а также от геологического строения его тела и основания. При размещении марок учитывают также цель наблюдений. Когда требуется изучить состояние сооружения в натуре, чтобы выявить достоверность теоретических или других расчетных зависимостей, применяемых при проектировании, число марок устанавливают существенно больше, и местоположение их определяется не эксплуатационными потребностями, а условиями, позволяющими достичь цель поставленной исследовательской задачи.
Для эксплуатационных целей высотные марки располагают строго по продольным или поперечным осям (рис. 2.9): продольные - по гребню, бермам и у подошвы низового откоса, поперечные - на расстоянии 100...250 м в пойменной части и 50...100м в русловой, в местах поворотов плотин, если угол поворота больше 15°. Кроме того, их устанавливают за низовым откосом для определения выпора грунта. Обычно марки продольных
створов по расположению совпадают с поперечными. Глубинные и телескопические марки размещают в тех же створах на расстоянии 1... 1,5 м от поверхностных. Их располагают также через 20...30 м по высоте в местах излома очертания профиля тела плотины, на границах изменения конструкции и в местах с различным геологическим строением. Обычно на поперечнике устанавливают несколько марок (не менее трех) примерно через
10...20 м по высоте. На верховом откосе марки размещают на участке от гребня до НПУ и на 1...2 м выше УМО.
Заложенный (установленный) репер используется по истечении 10... 15 сут. Поверхностные марки закладывают непосредственно после окончания возведения сооружения, в противном случае не будет возможности оценить первоначальные осадки. Глубинные марки делают в два приема. Во время возведения плотины укладывают плиты, а после отсыпки сооружения бурят
скважины и монтируют марки. Такой метод их закладки определяется
удобством технологии возведения сооружения и гарантированной
сохранностью марки. Технологические марки наращивают по мере возведения плотины. Устья, на которых располагаются марки, имеют различные отметки, чем ниже плита, тем тоньше труба, фиксирующая ее местоположение, и выше ее марка. Марки обычно окрашивают красной краской, смазывают вазелином и закрывают крышками. Реперы, марки и другие знаки фиксируют актами, в которых указывают: дату установки,
координаты, срок службы, отметку якоря или башмака , геологический разрез скважины. Установленные и отнивелированные реперы подвергают контрольному нивелированию высококвалифицированным специалистом. Нивелирование повторяют через год. Нарушенный знак восстанавливают с индексом «a», а при повторном нарушении - с индексом «б». Иногда нарушенному знаку присваивают индекс «н», а вторично нарушенному «нн».
Оформление результатов наблюдений за осадками удобно проводить в виде графиков: по оси ординат - осадки, а по оси абсцисс - время (декады, месяцы). С графиком осадок приводят график изменения температуры или уровня воды в водохранилище во времени. Графически представляют также осадки по различным створам, по длине плотины.
Наблюдения за осадками заключаются в периодических нивелировках
марок, определении осадок и анализе результатов. Периодичность нивелирования зависит от ряда факторов: от геологического строения тела плотины и основания; от продолжительности срока эксплуатации; условий работы сооружения и т. д. На основе опыта эксплуатации грунтовых сооружений рекомендуется следующая ориентировочная периодичность замеров осадок: в первый год эксплуатации - 2 раза в месяц, а в
дальнейшем - 1 раз в квартал. По истечении двух лет эксплуатации
осадки замеряют весной и осенью, а при стабилизации осадок - 1 раз в год. Осадки сооружений из песчаных грунтов; происходят в основном в период строительства, в то время как: глинистые грунты осаждаются более медленно.
Отечественный и зарубежный опыт строительства и эксплуатации
плотин свидетельствует о широком использовании различной КИА. При исследованиях, проводимых для сопоставления расчетных данных с натурными, приборы дублируют. В Мексике, например, в последние годы осадки плотин измеряют инклинометрами и гидравлическими уровнями (плотины Джозе Мореюс, Гваделупа, Нетцуалькойотль и др.).
Осадки оснований плотин достигают различных величин. Например, на плотине Кременчугской ГЭС осадки составили 200...610 мм и находились в проектных пределах. Каменно-набросная плотина в Гваделупе (Мексика) дала осадку 2,1 м при высоте около 30 м. Грунтовая плотина Табка (Сирия) высотой 58 м в русле осела всего лишь на 80 мм, а в береговых примыканиях - на 550 мм. Плотина выполнена из доломита с ядром.
Полученные результаты наблюдений за перемещениями грунтовых гидротехнических сооружений обрабатывают. При этом учитывают, что в строительный период перемещения трудно поддаются четким закономерностям. Однако при постоянной эксплуатации и нормальной работе сооружения перемещения носит закономерный характер. Отклонения от закономерностей изменения состояния сооружения обычно указывают на то, что надо тщательно разобраться и при необходимости принимать
экстренные меры. Нарушение идентичности осадок в однотипных сечениях свидетельствует о плохом качестве выполнения работ, повышенной фильтрации, об укладке мерзлого грунта, появлении оползней и т. д. Незатухающий характер осадок возникает при появлении повышенной механической или химической суффозии.