Эксплуатационные наблюдения за состоянием плотин

Наблюдения    за    состоянием и работой земляных плотин имеют большое практическое значение, вместе с тем систематизированный материал наблюдений представляет научную ценность. Обработка и обобщение такого материала позволяют внести коррективы в теоретические формулы по расчету плотин, уточнить опытные коэффициенты, входящие в формулы, а в некоторых случаях и получить новые экспериментальные зависимости.

Эксплуатационные наблюдения за земляными плотинами делятся на визуальные и инструментальные, в задачу которых входят наблюдения за режимом водохранилища и обоими бьефами, за фильтрацией в теле и основании плотины, за осадкой плотины и ее основания, за общим состоянием плотины.

Визуальные наблюдения, под которыми понимают общий осмотр сооружений с применением самых простейших измерительных приборов, заключаются в глазомерной оценке явлений и записи их в специальные полевые журналы. Непременным условием визуальных наблюдений при эксплуатации гидротехнических сооружений наряду с записями являются также эскизные зарисовки деформированных участков с указанием размеров, высотной и плановой привязкой к пикетажу или каким-либо постоянным знакам, а при возможности и фотографирование.

При помощи визуальных наблюдений прежде всего осуществляется общий контроль за состоянием плотины и ее отдельных частей, выявляются отклонения в работе сооружений от режима, установленного проектом и эксплуатационными инструкциями, а также фиксируются происшедшие деформации. Визуальные наблюдения производят регулярно в течение всего года, причем в период особо напряженного состояния плотины, например при пропуске паводка через водосбросные сооружения, наблюдения проводят чаще и внимательнее. Кроме того, независимо от установленных сроков плотину и прилегающие к ней участки осматривают во время и после бурь, сильных ливней и продолжительных дождей.

На основании визуальных наблюдений составляют план предупредительного и текущего, а в необходимых случаях и капитального ремонта. Если же визуально установлено прогрессивное распространение деформаций, угрожающих устойчивости плотины или отдельным ее частям, ремонтно-восстановительные работы производят немедленно дежурные бригады рабочих под руководством технического персонала эксплуатационного штата.

Инструментальные наблюдения осуществляются при помощи контрольно-измерительной аппаратуры, местоположение которой дается в проекте, а установку ее выполняют в процессе возведения плотины или перед началом заполнения водохранилища водой. Строительная организация закладывает контрольно-измерительную аппаратуру и передает ее службе эксплуатации по акту одновременно со сдачей законченного объекта.

Инструментальные наблюдения и записи по ним проводятся регулярно по заранее составленной программе или инструкциям. Следует иметь в виду, что только непрерывные наблюдения в строго установленное время представляют интерес для последующего обобщения и выводов о работе земляных плотин как с теоретической, так и практической стороны. Исходя из этого, записывать наблюдения нужно систематически и в установленной последовательности.

Поскольку все явления, фиксируемые контрольно-измерительной аппаратурой, активно протекают в начальный период эксплуатации плотин, интервалы наблюдений не остаются постоянными и меняются со временем. Точно так же регулярность наблюдений меняется в пределах года в связи с изменением факторов, влияющих на показания приборов. Периодичность наблюдений устанавливают проектом или инструктивными указаниями и корректируют, исходя из местных условий.

Инструментальные наблюдения за режимом водохранилища сводятся к измерению уровней воды во времени при помощи водомерных реек или самописцев уровней - лимниграфов. Устанавливать эти приборы нужно в местах, защищенных от волнобоя и воздействия льда, с удобными подходами для снятия показаний и отсчетов.

Основные уровни воды в водохранилище четко обозначают на рейках яркой краской; черта должна быть хорошо видна на расстоянии. Нуль отсчета приборов, от которого измеряют уровни воды, размещается ниже отметки мертвого объема, что дает возможность всегда оперировать только с положительными числами. Отсчеты по рейкам и лимниграфам переводят в абсолютные или относительные отметки, принятые для всех частей плотины. Для этого нуль отсчета измерительных приборов   привязывают  двойной   нивелировкой   к   опорному реперу. Контроль за положением нуля отсчета осуществляется не реже одного раза в месяц.

Наблюдения за уровнями воды в водохранилище проводятся ежедневно в одни и те же часы. В период кратковременного изменения уровней, наблюдаемого при весеннем снеготаянии, ливнях или быстрой сработке водохранилища, отметки уровней воды записывают не менее трех раз в сутки, а в случае необходимости и чаще.

Одновременно с наблюдением в верхнем бьефе производят наблюдения за уровнем воды и в нижнем бьефе. Особенно часто (через каждые 2 часа) ведут наблюдения за уровнями во время пропуска паводковых вод через водосбросные сооружения.

В этот же период обязательно должно быть отмечено максимальное поднятие уровня Обычно пик паводка проходит ночью, поэтому места измерения уровней оборудуют освещением.Подъем воды выше черты, соответствующей МПУ, следует рассматривать как состояние, угрожающее устойчивости плотины, и принимать все меры к увеличению сброса воды из верхнего бьефа в нижний, а в отдельных случаях выполнять аварийные работы по наращиванию высоты гребня плотины, с тем чтобы не допустить перелива воды через него.

Скорость подъема или понижения уровня воды в водохранилище, а по возможности и в нижнем бьефе не должна превышать 0,5 м/сек. Увеличение сработки уровня сверх этого предела допустимо, если только оно подтверждено расчетом и обеспечена устойчивость откоса. К эксплуатации водохранилищ относятся и мероприятия по предупреждению быстрого заиления мертвого объема, особенно когда он небольшой. Эти мероприятия сводятся к следующему:

-запрещению распашки склонов на расстоянии не менее 200 м от уреза воды и поперечной распашки склонов за пределами этого расстояния;

-уходу за лесопосадками по периметру водохранилища, а в необходимых случаях дополнительной посадке их;

-выполнению работ по закреплению действующих органов на водосборной площади водохранилища.

Составной частью инструментальных наблюдений являются наблюдения за фильтрацией в теле и основании земляной плотины, а также за фильтрационными напорами в отдельных точках плотины и сооружениях, примыкающих к ней. Такие наблюдения осуществляются при помощи пьезометров, которые позволяют установить положение кривой депрессии в теле плотины, вычислить скорости и градиенты фильтрационного потока на отдельных участках, а в напорном потоке установить пьезометрические давления. Исходя из назначения пьезометров, они подразделяются на глубинные, точечные и шахтные.

Независимо от конструктивных особенностей и назначения пьезометров все они достоят из следующих основных частей: водоприемника с фильтром, трубы пьезометра, устья и концевого устройства - сборника.

Для наблюдения за положением кривой депрессии в теле земляной плотины применяют шахтные пьезометры, выполняемые из металлических газовых труб обычно диаметром 50 мм (рис. 124). Нижняя часть пьезометра- сборник длиной 200-300 мм - является емкостью для осаждения прошедших через фильтр мелких частиц грунта. Торец трубы концевого устройства закрыт резьбовой крышкой с приваренной к ней тарелкой (диском). Труба пьезометра выше сборника, на длине в пределах возможного изменения кривой депрессии перфорирована: круглые отверстия диаметром 8-10 мм расположены в шахматном порядке через 100-120 мм. В пределах перфорированной части трубы устроен фильтр, подобно тому, как это сделано в скважинах водоснабжения. Конструкций фильтров существует много, ниже приводится одна из них, рекомендуемая для шахтных пьезометров.

При устройстве таких фильтров по образующей перфорированной части трубы наматывается спиралевидно оцинкованная проволока диаметром 2-2,5 мм, с шагом 10 мм, концы которой особыми зажимами закрепляют на трубе. Поверх проволочной намотки натягивается латунная сетка с мелкими отверстиями, припаиваемая к трубе по продольному шву и концам. На латунную сетку укладывают слой сфагнового мха толщиной 25-30 мм и обвязывают шпагатом. После этого всю перфорированную часть трубы обертывают двойным слоем мешковины, закрепляемой на концах проволочными хомутами, а по длине винтовой проволочной обвязкой.

 


Рис.    124.    Шахтный пьезометр:
1 - крышка; 2 - устье; 3 - мостовая; 4 - суглинок; 5 - муфта; 6 - фильтр d = 60-75 мм; 7 - засыпка из песка или гравия; 8 - обсадная труба d = 150 - 200 мм; 9 - отстойник; 10 - пробка; 11 - гравийная подушка; h - глубина промерзания +0,20 м; l - длина фильтра в зависимости от положения депрессиоиной кривой.

Подготовленный таким образом пьезометр опускают в пробуренную скважину большего диаметра, с обсадными трубами. На дно скважины насыпают промытый гравий с диаметром зерен 0,8-1 мм, слоем 15-20 см. Отметка верха гравийной насыпи должна соответствовать расчетному положению низа пьезометра.  Кольцевое пространство между фильтром и обсадной трубой засыпают просеянным песком с диаметром частиц 1-2 мм. Выше фильтра кольцевое пространство засыпают грунтом тела плотины с ручным тщательным уплотнением. Засыпку и уплотнение грунта после установки пьезометра ведут небольшими ступенями, причем обсадные трубы постепенно поднимают. Конструкция фильтра шахтного пьезометра приведена на рисунке 125.

Рис.  125.   Фильтр шахтного пьезометра   (размеры в мм):
1 - труба пьезометра; 2 - обвязка из железной проволоки; 3 - мешковина в два слоя; 4 - очес сфагнового мха; 5 - шпагат диаметром
мм; 6 - латунная сетка; 7 - нижняя крышка  трубы пьезометра

Для невысоких плотин и при кратковременных фильтрационных наблюдениях за положением кривой депрессии применяют пьезометры малого диаметра конструкции В. П. Бомбчинского. Такие пьезометры имеют более легкие фильтры и забиваются в грунт ручной бабой или опускаются с подмывом забоя.

Размещение пьезометров  по  поперечному  профилю земляной плотины дается в проекте. Количество пьезометрических створов принимают, исходя из протяженности плотины по гребню, состава грунта тела плотины и геологических условий основания. Створы располагают в наиболее характерных профилях плотины. Расстояние между створами допускают не более 100 м. Вотдельных случаях при длинной плотине и однотипности профиля и грунтов основания это расстояние может быть увеличено до 200-300 м. Для плотин, длина которых не превышает 300 м, принимают три створа и редко ограничиваются  двумя.   В каждом   створе  однородной   земляной плотины  устанавливают  не  менее   трех   пьезометров. С повышением класса капитальности плотин и наличием сложного грунтового   строения   основания   количество пьезометров увеличивают и доводят до пяти и больше. Пьезометры устанавливают в местах предполагаемого перелома депрессионной кривой, причем первый пьезометр располагают по   вертикали,   проходящей   через бровку верхового откоса, а  последний - на  расстоянии 1-5 мот подошвы низового откоса непосредственно за дренажем. Следует иметь в виду, что с практической стороны наиболее желательно иметь наблюдение за положением кривой депрессии в средней части профиля плотины и у дренажей. Примерная схема расположения пьезометров в створе приведена на рисунке 126.


Рис.  126 Схема   размещения   пьезометров   в   поперечном   профиле
плотины: №  1  - № 6 -  номера  пьезометров

Для плотин с противофильтрационными препятствиями, типа экранов и понуров, а также в однородных плотинах, когда требуется установить положение пьезометрического уровня в зоне, примыкающей к верховому откосу, устройство шахтных пьезометров затруднительно. Эти затруднения вытекают из условия обеспечения водонепроницаемости по стыку трубы с грунтом экрана, размещения устья пьезометров в верхнем бьефе и устройства подходов к ним. В таких случаях применяют пьезометры ломаного   очертания,   состоящие   из наклонной части и стояка. Фильтровую часть пьезометров, обычно точечных,   размещают  в начале  наклонного  участка и подводят к заранее выбранной точке, а стояк располагают в таком месте, где устье его удобно вывести на поверхность плотины. Совершенно очевидно, что такие ломаные пьезометры (рис. 126)  можно установить только в процессе возведения плотины, в то время как обычные шахтные пьезометры устраивают после  возведения насыпи.

Верхняя часть пьезометра располагается над поверхностью земли. Для предотвращения выступающей части трубы от деформаций и проникновения загрязненной воды по стыку трубы с грунтом верхняя часть ее заделывается в бетонную подушку, как показано на рисунке 127. Оголовки пьезометров малого диаметра размещают в патрубке-колодце, сверху закрываемом крышкой.

Для замера уровней воды в пьезометрах применяют хлопушки, лот-свистки, поплавки с противовесом и электроконтактные приборы.   Эти   измерительные   приборы подвешивают и опускают в трубу пьезометра на тонком шнуре или стальной ленте, которые служат одновременно и мерными устройствами для определения расстояния от фиксированной точки на обрезе трубы до уровня воды в пьезометре.

Из числа перечисленных приборов для фиксирования уровней воды в пьезометрах широко распространен лот-свисток, по которому точность измерения расстояния равна 1 см. Лот-свисток представляет собой пустотелый цилиндр из нержавеющего материала длиной 170-180 мм, диаметром 40-45 мм (рис. 128, а). По длине цилиндра на расстоянии 10 мм друг от друга расположены тарелочные кольцевые желобки. Верхняя часть лот-свистка закрыта пробкой, в которой прорезана щель. Выше этой пробки навинчен малый гладкий цилиндр длиной 45 ммс косым срезом, примыкающим к щели. Щель и косой срез вместе представляют собой воздушный свисток.

Лот-свисток прикрепляется к шнуру или ленте и опускается в трубу пьезометра обычно при помощи рулеточного     устройства      (рис.128,6).   При   погружении   нижней части лот-свистка в воду происходит вытеснение

Рис.       127       Конструктивное оформление      верхней      части
пьезометра:
1 - крышка;    2 - труба;    3 - отверстие в боковой стенке трубы; 4 - бетонный столб;  5 - дренаж;  6 - верхнее   покрытие   сооружения.

воздуха из Цилиндра и воздушный свисток даёт звуковой сигнал. В этот момент по мерной ленте берут отсчет и определяют расстояние от постоянной занивелированной точки на трубе до точки подвеса прибора. К этому расстоянию прибавляют заранее известную длину лот-свистка с учетом части, погруженной в воду. Абсолютные или относительные отметки уровней воды в пьезометре вычисляют с учетом полученного превышения над фиксированной точкой на трубе, которая связывается двойным нивелировочным ходом с опорными реперами.


Рис. 128. Приборы для измерения уровней воды в пьезометрах   (размеры в мм):
а - лот-свисток;  б - рулеточное устройство  для  замера  уровня  воды.

Наблюдения за уровнем воды в пьезометрах начинают с момента наполнения водой водохранилища и в первые два года эксплуатации плотин проводят через 5- 10 дней, в последующие годы реже (один раз в 15 дней), а для неответственных плотин один раз в месяц. Периодичность наблюдений устанавливается проектом или инструкциями. Во всех случаях, когда будет замечено повышение кривой депрессии против ранее стабилизированной, наблюдения за положением уровней, воды в пьезометрах производят чаще. Одновременно выясняют причину такого отклонения и выполняют аварийные работы, обеспечивающие снижения уровня до стабилизированного.

Верх трубы пьезометра закрывают крышкой с замком. Каждый пьезометр нумеруют, для чего на лицевой стороне крышки выбивается номер. Периодически пьезометры прочищают и проверяют работу фильтра путем откачки воды. По скорости восстановления уровня воды делают вывод о его заилении. Пришедшие в негодность пьезометры заменяют новыми.

При помощи контрольно-измерительной аппаратуры ведут наблюдения за вертикальной осадкой тела плотины и основания. Горизонтальные деформации плотин редко наблюдаются службой эксплуатации, такую работу выполняют обычно лишь по программе научно-исследовательских организаций.

Наблюдения за вертикальной осадкой производят путем нивелирования контрольных реперов, установленных в основании плотины и по внешнему контуру ее. Для определения суммарной осадки тела плотины и основания служат поверхностные реперы, а для осадки только основания - глубинные. Для замера послойной осадки применяют телескопические реперы, установленные в теле плотины на различных высотах. Поверхностные реперы размещают на гребне плотины, откосах и у подошвы основания. Глубинные реперы закладывают в основании плотины перед началом ее возведения.

Поверхностный репер представляет собой бетонный массив, внутри которого забетонирована труба с крестообразно приваренными к ней коротышами (рис. 129).


Рис. 129. Поверхностный репер (размеры в мм):
1-крышка люка; 2 - труба колодца люка; 3- нивелировочная площадка; 4 -косынка: 5 - фланец; 6 -труба репера; 7 - бетонная призма; 8 - коротыши.

Верх трубы возвышается над бетонным массивом и закрывается резьбовой крышкой, которая и служит нивелировочным знаком. Для предотвращения повреждений от внешних воздействий верхнюю часть трубы устанавливают ниже поверхности земли в трубе-люке, закрываемом сверху крышкой.  При  установке таких  реперов  в маловодопроницаемых грунтах под бетонным массивом укладывают дренаж из песчано-гравелистой смеси, от которой должен быть обеспечен свободный отвод воды.

Глубинные реперы состоят из металлической или железобетонной плиты размером в плане 1,5х1,5 м, на которую опирается трубчатая штанга, заключенная в защитную трубу с телескопическими звеньями (рис. 130).


Рис.   130.   Глубинный  репер:
1 - крышка; 2 - нивелировочная точка; 3 - штанга плиты; 4 - косынка; 5 - фланец; 6 - направляющий диск штанги; 7 - кольцевая прокладка; 8 - защитная труба; 9 - телескопическое звено защитной трубы.

Наличие такой защитной трубы исключает передачу нагрузки на плиту при осадке грунта тела плотины совместно с трубой. Верх такого глубинного репера, подобно поверхностному реперу, заключают в трубу-люк. Устройство глубинных реперов при возведении тела плотины сопряжено с неудобствами производственного процесса, связанного с уплотнением грунта и наращиванием звеньев защитных труб и штанги.
Более приемлемым является метод раздельного выполнения репера, когда вначале закладывают плиту, а после окончания земляных работ в теле плотины над центром плиты бурят скважину и устанавливают остальную часть репера. Следует, однако, отметить, что раздельное выполнение глубинных реперов не позволяет в процессе возведения плотины осуществлять контроль за вертикальными осадками.

Размещают поверхностные и глубинные реперы в створах с нормальным направлением к продольной оси плотины. Расстояние между створами принимают от 50 до 100 м, а при значительной протяженности плотины до 200 ми более. Для плотин небольшой длины количество створов не должно быть меньше трех. Расстояние между реперами в створе * принимают 10-12 м. Относительно продольной оси плотины реперы устанавливают в одну линию, что позволяет в необходимых случаях осуществлять контроль за деформациями откосов в плане. Поверхностные и глубинные реперы желательно устанавливать близко друг от друга, так как это дает возможность определить раздельно осадку тела плотины и основания в заданном створе. Местоположение створов относят к сечениям наибольшей высоты плотины и участкам, имеющим различное геологическое напластование.

Наблюдения за осадками по реперам в первые годы эксплуатации плотин проводятся через 15-30 дней, а для неответственных плотин один раз в квартал. В последующие годы по мере стабилизации осадок наблюдения проводят реже. Установленные сроки наблюдений за осадками могут быть изменены, если обнаружится резкое увеличение осадок относительно величин, ранее наблюдавшихся. В этом случае нивелировку реперов проводят чаще до того времени, когда осадки вновь стабилизируются, а причины, вызвавшие большие деформации, будут установлены. После этого наблюдения проводят реже. Наблюдения за осадкой поверхностных реперов позволяют установить соответствие отметки гребня плотины проектному положению. Если в результате наблюдений будет установлено, что гребень опустился ниже проектной отметки принимают эксплуатационные меры по наращиванию высоты плотины, причем эта работа должна быть закончена до очередного наступления половодья. Следует еще раз подчеркнуть, что нельзя допускать отметку гребня плотины ниже установленной проектом, так как это может привести к переливу воды через гребень с вытекающими отсюда последствиями.