способ определения динамических характеристик основания и тела плотины гэс под воздействием импульсов, возникающих при запуске гидроагрегатов

Формула изобретения

Способ определения динамических характеристик основания и тела плотины ГЭС под воздействием импульсов, возникающих при запуске гидроагрегатов, заключающийся в том, что регистрацию колебаний плотины осуществляют одновременно группой последовательно перемещаемых в теле плотины трехкомпонентных вибродатчиков и одновременно идентичными трехкомпонентными вибродатчиками в двух опорных точках, одну из которых располагают в теле плотины, а другую в основании гидроагрегатов, отличающийся тем, что определение динамических характеристик основания и тела плотины осуществляют под воздействием импульсов ударного типа, возникающих в процессе запуска гидроагрегатов и вызывающих повышенный уровень амплитуд колебаний основания и тела плотины, и получают на базе опорной точки, в которой регистрируют импульсы, излучаемые основание гидроагрегатов, поле упругих волн в основании и теле плотины, нормированное на амплитуду импульсного источника, по которому определяют скорости упругих волн, динамические модули упругости и сдвига пород основания и бетона тела плотины, затухание волн в основании и теле плотины по мере удаления от источника, переходные характеристики основание - тело плотины, а на базе опорной точки в теле плотины, где регистрируют свободные затухающие колебания плотины, определяют амплитуды и частоты собственных форм свободных затухающих колебаний, логарифмические декременты затухания в точках измерения по компонентам на частотах собственных форм в зависимости от величины деформаций, энергетические взаимосвязи компонент свободных затухающих колебаний плотины на частотах собственных форм, которые позволяют оценить влияние импульсного воздействия на физико-механические свойства пород основания и бетона тела плотины, отображающие физическое состояние плотины и основания в целом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области гидротехнических сооружений и может быть использовано для определения динамических и упругих характеристик основания и тела плотины гидроэлектростанции путем неразрушающего инженерно-сейсмологического обследования физического состояния основания и тела плотины гидротехнических сооружений посредством измерения колебаний объекта под воздействием импульсов ударного типа, возникающих при запуске гидроагрегатов

Существуют способы определения динамических характеристик зданий и сооружений с использованием импульсных воздействий от взрывов с соответствующими, в связи с использованием взрывчатых веществ, отрицательными факторами

Например, известен способ динамических испытаний зданий и сооружений [1] , по которому возбуждают колебания испытуемого объекта на собственных частотах воздействием на него последовательных ударных импульсов, генерируемых путем подрыва групп зарядов ВВ, устанавливаемых на разных уровнях, регистрируют колебания объекта и по измеренным параметрам судят о динамических характеристиках испытуемого объекта.

Известен способ определения динамических характеристик основания сооружения [2]. "...Способ основан на контроле за колебаниями сооружений при работе технологического оборудования например гидроагрегатов ГЭС, или при сбросе воды через водосбросы, или при волновом воздействии. Схему наблюдения строят так, чтобы регистрировать колебания сооружений, возбуждаемые упругими волнами, которые генерируются в основании...". Приборы, например виброизмерительные преобразователи для регистрации колебаний, устанавливают не на грунт, а непосредственно на сооружение.

С их помощью регистрируют колебания сооружений как твердого тела на упругом основании и определяют скорости распространения упругих волн в основании сооружений, например волн Релея - V_R" [2].

В статье [3] тех же авторов способа [2[ изложены некоторые результаты апробирования этого способа, условно названного ими вибропросвечиванием.

Апробирован способ при натурных исследованиях на Красноярской и Братской гидроэлектростанциях в 1973 - 1976 г.г. В качестве виброгенератора использованы работающие гидроагрегаты

"Измерениями охватывают поочередно все секции сооружения, причем синхронно регистрируют колебания не менее 5 - 7 секций" [3] "в нижней части плотины, ...постоянно контролируя в 1 - 2 - 3 точках стабильность колебаний, чтобы получить осциллограммы, пригодные для количественных оценок фазовых скоростей распространения упругих волн и их отождествления" [3].

"Поочередно измерялись два основных (наибольшие амплитуды) компонента виброперемещений: вертикальный и горизонтальный" [3].

Для определения по осциллограммам фазовой скорости упругих волн использованы известные приемы корреляционного и спектрального анализа. Вычислялись взаимнокорреляционные функции колебаний, зарегистрированные в двух точках, или фазовый сдвиг между фазочастотными характеристиками взаимного спектра записей в двух точках.

Основным недостатком этих измерений является поочередная синхронная однокомпонентная запись колебаний, поскольку она не позволяет достоверно разделить сложное гармоническое интерференционное волновое поле на типы волн разной поляризации (продольные, поперечные Релея и т.п.)

Синхронная запись колебаний группой однокомпонентных вибродатчиков "в потернах плотины на высоте 40 - 60 м от подошвы" [3] позволяет констатировать некоторую разность фаз сложного гармонического интерференционного волнового поля, но соотнести ее с типом волны не представляется возможным.

Поэтому, способ определения скорости укрутой волны, представленный в [2 и 3], вызывает определенные сомнения.

Следует отметить, что указание об определении динамических характеристик основания и тела плотины под воздействием импульсов ударного типа, возникающих при запуске гидроагрегатов ГЭС, в тексте описания способа [2] и в статье [3] по результатам апробирования способа [2] отсутствует.

Наиболее близким (прототипом) к предлагаемому способу является способ определения динамических характеристик основания и тела плотины гидротехнических сооружений [4] посредством регистрации микроколебаний объекта под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в том числе полимонохроматического вибрационного излучения функционирующих гидроагрегатов ГЭС или излучения управляемого вибрационного источника.

В способе [4] с помощью одновременной регистрации группой перемещаемых в теле плотины последовательно по схеме наблюдений трехкомпонентных вибродатчиков и идентичными трехкомпонентными вибродатчиками в двух опорных точках, одна из которых расположена в основании функционирующих гидроагрегатов, а другая - в теле плотины, определяют скорости упругих волн на ряде монохроматических частот, излучаемых функционирующими гидроагрегатами, динамические модули упругости и сдвига пород основания и бетона тела плотины, затухание амплитуд волн в основании и теле плотины по мере удаления от источника, а также динамические характеристики плотины, в том числе частоты и формы собственных колебаний, декременты затухания, переходные характеристики.

При изучении динамических характеристик основания и плотины по способу [4] исследуют вынужденные колебания плотины на частотах собственных форм и частотах, производных от оборотной частоты гидроагрегатов. При этом, как известно, логарифмический декремент затухания из-за постоянной "подкачки" энергии в собственные формы колебаний, определяют кажущийся с заниженной абсолютной величиной.

Кроме того, на вынужденных колебаниях на частотах собственных форм не удается в должной мере исследовать энергетические взаимосвязи между различными компонентами колебаний плотины.

Под воздействием микросейсмического фона и полимонохроматического излучения гидроагрегатов величины амплитуд смешения микроколебаний плотины и основания изменяются в пределах от сотых долей до нескольких микрон [4], в то время как при импульсном воздействии на плотину, при запуске гидроагрегата, амплитуды смещений колебаний возрастают на порядок и более.

Предлагаемый способ определения динамических характеристик основания и тела плотины, осуществляемый посредством регистрации воздействия на основание и тело плотины импульсов ударного типа возникающих при запуске гидроагрегатов, позволяет изучить собственные затухающие колебания плотины при повышенном уровне амплитуд, определить декремент затухания и исследовать энергетические взаимосвязи между компонентами свободных затухающих колебаний плотины на собственных формах, что дополняет возможности способа [4].

Техническим результатом настоящего изобретения является способ определения динамических характеристик основания и тела плотины ГЭС под воздействием импульсов, возникающих при запуске гидроагрегатов, путем регистрации волнового поля в теле плотины от импульсов ударного типа, что позволяет далее определить амплитуды и частоты собственных форм, свободных затухающих колебаний плотины, декременты затухания на частотах собственных форм переходные характеристики, скорости упругих волн, модули упругости и сдвига, затухание амплитуд упругих волн по мере удаления от источника, а также исследовать характер энергетической взаимосвязи между различными компонентами колебаний плотины на собственных формах при свободных затухающих колебаниях плотины.

В свою очередь полученные динамические характеристики позволяют оценить физико-механические свойства пород основания и бетона тела плотины, которые отображают физическое состояние основания и плотины в целом.

Технический результат достигают тем, что в способе определения динамических характеристик основания и тела плотины ГЭС под воздействием импульсов, возникающих при запуске гидроагрегатов, заключающемся в том, что регистрацию колебаний плотины осуществляют одновременно группой последовательно перемещаемых в теле плотины трехкомпонентных вибродатчиков и одновременно идентичными трехкомпонентными вибродатчиками в двух опорных точках, одну из которых располагают в теле плотины, а другую в основании гидроагрегатов, согласно изобретению определение динамических характеристик основания и тела плотины осуществляют под воздействием импульсов ударного типа, возникающих в процессе запуска гидроагрегатов и вызывающих повышенный уровень амплитуд колебаний основания и тела плотины, и получают на базе опорной точки, в которой регистрируют импульсы, излучаемые основанием гидроагрегатов, поле упругих волн в основании и теле плотины, нормированное на амплитуду импульсного источника, по которому определяют скорости упругих волн, динамические модули упругости и сдвига пород основания и бетона тела плотины, затухание волн в основании и теле плотины по мере удаления от источника, переходные характеристики основание-тело плотины, а на базе опорной точки в теле плотины, где регистрируют свободные затухающие колебания плотины, определяют амплитуды и частоты собственных форм свободных затухающих колебаний, логарифмические декременты затухания в точках измерения по компонентам на частотах собственных форм в зависимости от величины деформаций, энергетические взаимосвязи компонент свободных затухающих колебаний плотины на частотах собственных форм, которые позволяют оценить влияние импульсного воздействия на физико-механические свойства пород основания и бетона тела плотины, отображающие физическое состояние плотины и основания в целом.

Суть способа заключается в следующем.

При запуске гидроагрегатов гидроэлектростанций, из-за гидродинамического воздействия неравномерного потока воды на лопасти турбины, возникают импульсные воздействия ударного типа на основания гидроагрегатов, вызывающие повышенный уровень амплитуд колебаний основания и тела плотины. При этом основание гидроагрегата излучает упругие волны разной поляризации, которые распространяются через основание плотины в тело плотины и вызывают, дополнительно к вынужденным, свободные затухающие колебания плотины на собственных формах.

Регистрируют упругие волны от импульсов ударного типа в нижних потернах и галереях плотины группой перемещаемых трехкомпонентных вибродатчиков и одновременно идентичным трехкомпонентным вибродатчиком в опорной точке в основании гидроагрегатов.

Посредством пересчета по способу [5] приводят регистрационные записи ряда разновременных с различными амплитудами импульсных воздействий ударного типа к единому импульсному воздействию по времени (фазе) и определенному уровню амплитуды колебаний оснований гидроагрегатов в опорной точке и получают волновое поле, равнозначное полю одновременной регистрации в точках наблюдения единого импульсного ударного воздействия на основания гидроагрегатов и, следовательно, на основание и тело плотины

Далее известным способом, по волновому полю, нормированному к определенному уровню амплитуды импульсного воздействия определяют скорости продольных и поперечных упругих волн, динамические модули упругости и сдвига пород основания и бетона тела плотины, затухание амплитуд упругих волн в основании и теле плотины по мере удаления от источника, а также переходные характеристики основание-тело плотины.

Регистрируют упругие волны от импульсов ударного типа группой перемещаемых в галереях и потернах тела плотины трехкомпонентных вибродатчиков и одновременно идентичными трехкомпонентными вибродатчиками в опорной точке, расположенной в теле плотины, и в опорной токе, расположенной в основании функционирующих гидроагрегатов.

Посредством пересчета по способу [5] приводят колебания плотины к единому времени регистрации (фазе) и определенному уровню амплитуды свободных затухающих колебаний плотины в опорной точке в теле плотины под воздействием импульса ударного типа.

Далее определяют амплитуды и частоты собственных форм свободных затухающих колебаний плотины, логарифмический декремент затухания по компонентам на частотах собственных форм в зависимости от величины деформаций и характер энергетической взаимосвязи между различными компонентами при свободных затухающих колебаниях плотины.

Полученный комплекс динамических характеристик позволяет определить физико-механические свойства пород основания и бетона тела плотины, отображающие физическое состояние основания и тела плотины, и оценить излияние импульсного воздействия запуска гидроагрегатов ГЭС на указанные выше свойства и плотину в целом

Способ осуществляют следующим образом.

Измерения колебаний основания и тела плотины под воздействием импульсов ударного типа, возникающих в процессе запуска гидроагрегатов, осуществляют трехкомпонентными вибродатчиками одновременно в двух опорных точках и группой идентичных трехкомпонентных вибродатчиков перемещаемых в галереях и потернах тела плотины последовательно по схеме наблюдений.

Первую опорную точку располагают в основании гидроагрегатов и регистрируют в ней первичные импульсы ударного типа, излучаемые основанием гидроагрегатов при их запуске.

Далее регистрационные записи группы трехкомпонентных вибродатчиков перемещаемых в теле плотины и ее нижней части, полученные от ряда разновременных с различными амплитудами импульсных воздействий ударного типа, с помощью записей в опорной точке в основании гидроагрегатов по известному способу [5] , приводят к единому импульсному воздействию по времени (фазе) и определенному уровню амплитуды колебаний оснований гидроагрегатов. Таким образом, получают волновое поле, равнозначное одновременной регистрации в точках наблюдения в теле плотины, от единого импульсного воздействия ударного типа.

Упругие волны, зарегистрированные в потернах и галереях нижней части тела плотины, просвечивают основание плотины и несут информацию о физико-механических свойствах пород основания плотины.

По волновому полю от единого импульсного воздействия известным способом определяют скорости продольных и поперечных волн по галереям и потернам нижней части плотины. Они характеризуют скорости упругих волн в основании плотины и в остальных точках регистрации в теле плотины. По скоростям упругих волн определяют динамические модули упругости и сдвига пород основания и бетона собственно тела плотины в ее нижней части.

Определяют затухание амплитуд продольных и поперечных волн в основании и теле плотины по мере удаления от источника импульсного воздействия, которое также характеризует свойства пород основания и бетона тела плотины а также переходные характеристики основание-тело плотины.

Вторую опорную точку располагают в теле плотины и регистрируют в ней свободные затухающие колебания плотины на собственных формах. Опорную точку в теле плотины используют для приведения по способу [5] разновременных регистрационных записей группы трехкомпонентных вибродатчиков, перемещаемых в теле плотины к единому времени регистрации и определенному уровню амплитуды свободных затухающих колебаний в опорной точке. То есть, записи от разновременного ряда импульсных воздействий с различными амплитудами приводят к единому импульсному воздействию ударного типа по времени (фазе) и определенному уровню амплитуды колебаний в опорной точке в теле плотины. Это позволяет по регистрационным записям в теле плотины определить амплитуды и частоты собственных форм свободных затухающих колебаний плотины, логарифмический декремент затухания по трем компонентам в точках измерения на частотах собственных форм в зависимости от величины деформаций.

При вынужденных колебаниях плотины под воздействием микросейсмического фона техногенного происхождения, как известно, логарифмический декремент затухания получают из-за "подкачки" энергии кажущимся и заниженным.

Кроме того, временное представление свободных затухающих колебаний плотины по трем компонентам позволяет изучить энергетические взаимосвязи между различными компонентами колебаний плотины, то есть оценить последовательность и степень перераспределения во времени энергии свободных затухающих колебаний плотины по компонентам, что исключено при установившихся вынужденных колебаниях плотины.

Пример. Способ определения динамических характеристик основания и тела плотины ГЭС под воздействием импульсов ударного типа, возникающих при запуске гидроагрегатов, был сформулирован и обоснован в процессе обработки результатов измерений двух проведенных детальных инженерно-сейсмологических обследований арочно-гравитационной плотины Саяно-Шушенской ГЭС (СШГЭС) трехкомпонентными вибродатчиками в 1200 и 1500 точках соответственно.

Перечень графических иллюстраций применения предлагаемого способа.

Фиг. 1. Изменение амплитуд скорости смещения колебаний плотины по трем компонентам в опорной точке при запуске 3-го гидроагрегата ГЭС (абс. отм. 521 м, УВБ 500 м):

а) фрагмент регистрационной записи, включающий импульсное воздействие;

б) фрагмент записи момента вступления импульсного воздействия.

Фиг. 2. Изменение амплитуд скорости смещения колебаний плотины по трем компонентам в опорной точке при запуске гидроагрегата ГЭС (абс. отм. 521 м, УВБ 539 м):

а) фрагмент регистрационной записи, включающий импульсное воздействие;

б) фрагмент записи момента вступления импульсного воздействия.

Фиг. 3. Изменение спектров скорости смещения колебаний плотины в опорной точке при запуске 3-го гидроагрегата ГЭС (абс. отм. 521 м, УВБ 500 м):

а) спектры до запуска гидроагрегата;

б) спектры в процессе запуска;

в) спектры в расчетном режиме работы гидроагрегата

Фиг. 4. Изменение амплитуды огибающей скорости смещения колебаний плотины по трем компонентам в опорной точке при пуске 3-го гидроагрегата ГЭС (абс. отм. 521 м, УВБ 500 м):

а) огибающая второй собственной формы радиальных колебаний;

б) огибающая четвертой собственной формы радиальных колебаний.

Фиг. 5. График изменения соотношения энергии колебаний по x- и y-компонентам собственных форм свободных радиальных колебаний плотины при запуске 3-го гидроагрегата ГЭС (абс. отм. 521 м, УВБ 500 м):

а) вторая собственная форма радиальных колебаний;

б) четвертая собственная форма радиальных колебаний;

в) шестая собственная форма радиальных колебаний.

Зимой 1997 г. и весной 1998 г. проведены два инженерно-сейсмологических обследования плотины Саяно-Шушенской ГЭС при уровне верхнего бьефа (УВБ) с абсолютной отметкой 539 и 500 м соответственно.

Цель обследований - определить и сопоставить динамические характеристики микроколебаний плотины, отображающие ее физическое состояние, и установить зависимость этих характеристик от УВБ.

В процессе обследования плотины СШГЭС на микросейсмических шумах в галерее плотины на абсолютной отметке 521 м в опорной точке были зарегистрированы несколько мощных импульсов ударного типа, вызванных запуском гидроагрегатов.

Импульсное воздействие ударного типа, возникающее при запуске гидроагрегатов, вызывает свободные затухающие колебания плотины на частотах собственных форм с повышенным уровнем амплитуд на всех компонентах. Свободные затухающие колебания плотины происходят на фоне установившихся вынужденных микроколебаний плотины под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в том числе функционирующих гидроагрегатов ГЭС.

На фиг. 1a представлены графики, характеризующие изменение амплитуд колебаний плотины во времени по x-, y- и z-компонентам, зарегистрированные при запуске 3-го гидроагрегата СШГЭС 17.04.98 г. (17 часов местного времени) при уровне верхнего бьефа 500 м.

Как видно на фиг. 1а под воздействием импульса ударного типа возникают свободные затухающие колебания плотины на частотах собственных форм радиальных колебаний, при этом амплитуды колебаний плотины по трем компонентам существенно возрастают (особенно радиальные).

Уровень колебаний на регистрационных записях до прохода импульса ударного типа соответствует уровню микроколебаний плотины под воздействием микросейсмического фона.

На фиг. 1б представлен фрагмент записи момента вступления импульсного воздействия, где проявляются первые вступления упругих колебаний от импульса ударного типа в основании гидроагрегатов по x-, y- и z-компонентам. Кроме того, наблюдается перераспределение во времени энергии колебаний плотины между компонентами.

Аналогично проявление импульсного воздействия ударного типа, возникающее при запуске гидроагрегата, на плотину ГЭС представлено на фиг. 2, где приведены графики изменения амплитуд скорости смещения колебаний плотины по трем компонентам в опорной точке (абс. отм. 521 м) при запуске гидроагрегата ГЭС, зарегистрированном при проведении обследования зимой 1997 г. при УВБ 539 м.

По регистрационным записям в опорной точке в теле плотины (абс. отм. 521 м) определены спектры скорости смещений колебаний плотины по x-, y- и z-компонентам в течение 64 сек, предшествующих запуску 3-го гидроагрегата (фиг. 3а); в течение 64 сек, соответствующих времени запуска гидроагрегата (фиг. 3б); в течение 64 сек после выхода гидроагрегата на расчетный режим работы (фиг. 3в) и начала перехода свободных затухающих колебаний плотины к установившимся вынужденным микроколебаниям.

Спектры на фиг. 3а характеризуют вынужденные микроколебания плотины на собственных формах, обусловленные микросейсмическим фоном естественного и техногенного происхождения.

Спектры на фиг. 3б характеризуют амплитуду свободных затухающих колебаний плотины на собственных формах радиальных колебаний по трем компонентам на фоне вынужденных микроколебаний плотины под воздействием микросейсм. Из сопоставления спектров следует, что частоты собственных форм свободных затухающих радиальных колебаний плотины с погрешностью 0.005 Гц совпадают с собственными частотами вынужденных колебаний плотины под воздействием микросейсмического фона.

По свободным затухающим колебаниям плотины на собственных формах определен логарифмический декремент затухания, который для УВБ 500 - 539 м изменяется в пределах 0.15 - 0.30.

Спектры на фиг. 3в характеризуют затухание свободных колебаний плотины на собственных формах радиальных колебаний после импульсного воздействия на фоне вынужденных микроколебаний плотины под воздействием микросейсм.

Кроме того, из первичных регистрационных записей свободных затухающих колебаний плотины, возникающих в результате импульсного воздействия, были выделены колебания плотины по x-, y- и z-компонентам на частотах второй (фиг. 4а) и четвертой (фиг. 4б) собственных форм радиальных колебаний. Представленные графики отражают характер и величину изменения амплитуды огибающей скорости смещения колебаний плотины по трем компонентам в зависимости от времени.

На графиках фиг. 5 представлено изменение соотношения энергии колебаний по x- и y-компонентам для второй, четвертой и шестой собственных форм свободных затухающих радиальных колебаний плотины. Анализ этих графиков позволяет получить представление о процессы распределения и перераспределения энергии колебаний между компонентами при свободных затухающих колебаниях плотины от импульсного воздействия.

Предлагаемый способ позволяет использовать импульсы ударного типа, возникающие при запуске гидроагрегатов ГЭС, и определять частоты собственных затухающих колебаний плотины, логарифмический декремент затухания при повышенном уровне амплитуд колебаний плотины, скорости упругих волн, динамические модули упругости и сдвига пород основания и бетона тела плотины, энергетическую взаимосвязь между компонентами при свободных колебаниях плотины.

Таким образом, полученные данные о свободных затухающих колебаниях плотины под воздействием импульсов ударного типа, возникающих при запуске гидроагрегатов ГЭС, подтверждают возможность и целесообразность изучения динамических характеристик основания и тела плотины при импульсном воздействии на плотину, поскольку получают при этом виде инженерно-сейсмологического обследования комплекс динамических характеристик, который позволяет определить физико-механические свойства пород основания и бетона тела плотины, отображающие физическое состояние основания и тела плотины, и оценить влияние импульсного воздействия запуска гидроагрегатов ГЭС на указанные свойства и плотину в целом.

Инженерно-сейсмологическое обследование по предлагаемому способу может осуществляться как независимо, так и в процессе проведения обследования по способу [4].

Литература

1. Способ динамических испытаний зданий и сооружений. Патент Российской Федерации N 2011174, кл. G 01 M 7/00, 1994.

2. Способ определения динамических характеристик основания сооружения. Авторское свидетельство СССР N 515053, кл. G 01 N 3/32, 1976.

3. Л.А. Гончаров, Л.Д. Лентяев, В.М. Семенков Контроль поведения плотины и основания Красноярской ГЭС методом вибропросвечивания. Материалы конференций и совещаний "Натурные исследования как средство оперативного контроля". Ленинград изд-во Энергия, 1980, с. 67 - 73.

4. Способ определения динамических характеристик основания и тела плотины гидротехнических сооружений. Заявка на патент РФ, регистрационный N 98119664. МКИ E 02 B 7/00, G 01 N 3/32, G 01 M 7/00, приоритет от 03.11.1998.

5. Способ приведения к единому времени регистрации разновременных записей измерений. Заявка на патент РФ, регистрационный N 98116428, приоритет от 26.08.1998.