Дистанционное изучение плотины Саяно-Шушенской ГЭС на основе анализа частот собственных колебаний
Дистанционное изучение плотины Саяно-Шушенской ГЭС на основе анализа частот собственных колебаний
Аннотация
В работе рассматривается методика диагностики структурной целостности крупных гидротехнических сооружений, таких как Саяно-Шушенская ГЭС, путем анализа изменений их частот собственных колебаний. Описывается применение сейсморегистраторов, расположенных на расстоянии нескольких километров от изучаемого объекта, для регистрации микросейсмических колебаний и их последующего преобразования в спектрограммы. Особое внимание уделяется влиянию внешних факторов, таких как уровень наполнения водохранилища и температура окружающей среды, на динамические характеристики плотины. На основе данных, собранных в период с 2016 по 2024 годы, анализируются зависимости частот третьей и четвертой мод колебаний от воздействия водной массы и температуры. Показано, что уровень наполнения плотины оказывает обратное влияние на собственные частоты, тогда как температурный эффект демонстрирует неоднозначные зависимости, требующие дальнейшего изучения. Результаты подчеркивают необходимость учета множества факторов, включая промокание бетона и ремонтные работы, для точной интерпретации изменений частот и выявления потенциальных дефектов.
1. Введение
Поддержание функциональности зданий и сооружений напрямую связано с диагностикой их структурной целостности. В условиях прогрессирующего старения конструкционных материалов значимость данной задачи существенно возрастает. Особую озабоченность вызывает тот факт, что значительная часть критически важных сооружений по всему миру представлена бетонными конструкциями, чей проектный срок службы уже подходит к концу . Базовым методом диагностики структурных нарушений является визуальный осмотр. В настоящий момент с этой же целью применяются беспилотные летательные аппараты , способные выявить и даже определить местоположение нарушения . Однако в аспекте выявления скрытых дефектов существует вероятность, что повреждения могут остаться незамеченными. Кроме того, при внушительных габаритах конструкции процесс обследования значительно усложняется, требуя комплексного подхода.
В то же время, если к изучаемому сооружению отсутствует непосредственный доступ, а сооружение является критически важным, необходимо использовать дистанционные методы исследования. Существуют различного рода дистанционные методы исследования, например, с помощью спутникового радиолокационного интерферометрического зондирования, которые довольно точно могут отслеживать перемещения плотин
, а также с использованием наземных радаров , .Помимо этого, достаточно простыми и перспективными являются методы, основанные на анализе динамических характеристик конструкций
, позволяющие производить диагностику изучаемого строения с помощью сейсморегистраторов, находящихся даже на расстоянии нескольких километров от объекта исследования. Основная идея такой диагностики заключается в том, что дефекты изменяют физические параметры конструкции, что, в свою очередь, влияет на ее динамические характеристики, такие как частоты собственных колебаний, возбуждаемые естественными и техногенными факторами. Таким образом, повреждение можно выявить, анализируя изменения значений собственных частот во времени, где аномально резкое отклонение частоты будет являться индикатором происходящих изменений в объекте.2. Методы и принципы исследования
Целью настоящей работы является изучение технического состояния крупных гидротехнических сооружений, для выявления возможных структурных нарушений. Критерием оценки служит анализ изменений частот собственных колебаний объекта. Методика исследования основана на преобразовании сейсмических записей, зарегистрированных на расстоянии в несколько километров от обследуемого объекта в спектрограммы, согласно
. При этом сейсмическая запись разбивается на определенные по времени участки, вычисляются спектры этих участков записи и с заданным сдвигом спектры выстраиваются в единую картину. На полученном графическом представлении хорошо выделяются монохроматические колебания с разной добротностью, показывающей насколько пик на конкретной частоте шире или уже в частотном диапазоне. Таким образом, регистрируются как собственные частоты колебания зданий и сооружений, так и сигналы от работающего оборудования точно также, как и от вибрационных источников сейсмических волн. Точность определения частот связана с длиной отрезка сейсмограммы, в нашем случае она составляет 0,005 Гц, с выбираемыми отрезками по 200 с.В качестве объекта текущего исследования выбрана Саяно-Шушенская ГЭС, являющаяся крупнейшей гидроэлектростанцией России. Она расположена на реке Енисей, на границе Красноярского края и Республики Хакасия. Безопасная эксплуатация столь значимого объекта требует обеспечения его постоянного контроля. Поэтому для отслеживания изменений частот собственных колебаний плотины СШ ГЭС, с мая 2024 года, на расстоянии 3 км от плотины была установлена сейсмологическая станция «Филиал» (ориентация осей датчика: N-север, E-восток, Z-вертикаль). Сейсмостанция осуществляет непрерывную передачу микросейсмических записей на сервер СЕФ ФИЦ ЕГС РАН. Частоты собственных колебаний плотины ранее уже определялись методом стоячих волн при разных уровнях наполнения водохранилища и были зарегистрированы на сейсмостанции «Черемушки», расположенной на удалении 4,4 км от самой гидростанции
.Количество исследований, посвященных изучению динамических характеристик плотин, значительно меньше, чем количество аналогичных исследований мостов. В работе
отмечается, что для уверенного обнаружения повреждения моста необходимо, чтобы собственная частота изменилась примерно на 5%. Однако значительные изменения частоты сами по себе не означают наличие повреждения, поскольку сдвиги частоты (более 5%) наблюдались из-за изменений условий окружающей среды, как для бетонных, так и для стальных мостов. Таким образом, одного лишь сдвига собственных частот может не хватить для контроля целостности, если только повреждение не находится в важном несущем элементе. Аналогичные выводы представлены в работе , авторы указывают, что условия окружающей среды и эксплуатации неизбежно влияют на поведение конструкции.В статье
, с помощью математического моделирования, показаны примеры расчета изменений собственных частот плотины СШ ГЭС при возникновении дефектов в ее конструкции, которые могут составлять величину порядка сотых долей Гц, что является довольно малым значением. Учитывая, что рассматриваемая система, объединяющая совокупность сооружений не является изолированной, то на значения частот собственных колебаний плотины могут оказывать воздействие внешние факторы, такие как температурные колебания, что требует необходимости их учета.3. Основные результаты
Рассмотрим возможность анализа влияния температуры окружающей среды на частоты собственных колебаний ГЭС. На рисунках 1 и 2 представлены зависимости для третьей и четвёртой мод плотины, отражающие их изменение в зависимости от уровня наполнения водохранилища и температурных условий в периоды 2016–2018 и 2022–2024 годов.
Рисунок 1 - Зависимости частот собственных колебаний плотины на примере 3-й моды (фиолетовый цвет), от уровня водохранилища (синий цвет) и температуры (оранжевый цвет), по данным за 2016-2018 годы (а), 2022-2024 годы (б), E-компонента
Рисунок 2 - Зависимости частот собственных колебаний плотины на примере 4-й моды (фиолетовый цвет), от уровня водохранилища (синий цвет) и температуры (оранжевый цвет), по данным за 2016-2018 годы (а), 2022-2024 годы (б), E-компонента
Что же касается температурного фактора влияния на собственные частоты плотины, то здесь не все так однозначно. Ранее в работах для 14-этажного кирпичного дома
и 22-этажного железобетонного можно было наблюдать увеличение значений частот собственных колебаний с ростом температуры и наоборот. Схожая картина зависимости частот от температуры можно наблюдается и для бетонной плотины в работе , где авторы наблюдают увеличение собственных частот в теплый период, объясняя это смыканием вертикальных швов, приводящее к общему увеличению жесткости, а похолодание вызывает противоположный эффект. Но в ряде работ, исследующие мосты , , , отмечается обратный эффект, где частоты возрастают с понижением температуры и падают с повышением. Такой же эффект наблюдается для каменных строений , а также для шестиэтажного деревянного дома , где более высокие частоты отмечаются в условиях повышенной влажности и низкой температуры, что может быть связано с уплотнением деревянных соединений из-за разбухания древесины. В нашем же случае мы можем наблюдать как прямую, так и обратную зависимость частот, также нужно учесть, что измерения взяты с метеостанции, расположенной в нескольких километрах от плотины, а не непосредственно на ней.Ниже проведем рассмотрение влияния на частоты собственных колебаний плотины уровня наполнения водохранилища (уровня верхнего бьефа) СШ ГЭС и температуры окружающий среды, для каждого года отдельно. Дополнительно построена первая производная функции наполнения, отражающая скорость изменения гидростатической нагрузки.
Рисунок 3 - Зависимости частот собственных колебаний плотины от уровня верхнего бьефа (УВБ) и температуры
Примечание: 2016 год, 3-я мода, E-компонента
Рисунок 4 - Зависимости частот собственных колебаний плотины от уровня верхнего бьефа (УВБ) и температуры
Примечание: 2017 год, 3-я мода, E-компонента
Рисунок 5 - Зависимости частот собственных колебаний плотины от уровня верхнего бьефа (УВБ) и температуры
Примечание: 2018 год, 3-я мода, E-компонента
Рисунок 6 - Зависимости частот собственных колебаний плотины от уровня верхнего бьефа (УВБ) и температуры
Примечание: 2022 год, 3-я мода, E-компонента
Рисунок 7 - Зависимости частот собственных колебаний плотины от уровня верхнего бьефа (УВБ) и температуры
Примечание: 2023 год, 3-я мода, E-компонента
Рисунок 8 - Зависимости частот собственных колебаний плотины от уровня верхнего бьефа (УВБ) и температуры
Примечание: 2024 год, 3-я мода, E-компонента
Согласно имеющимся данным, факты раскрытия трещин фиксировались в периоды достижения максимальных отметок наполнения водохранилища, поэтому нас интересует не весь диапазон графиков, а только тот, где уровень воды максимален. Здесь мы можем наблюдать нетипичное поведение частоты, которое можно связать с процессом раскрытия трещин в плотине СШ ГЭС. Однако установить однозначную корреляцию на основании доступной информации не представляется возможным, поскольку за это время, производились процессы ремонта, устраняя последствия трещинообразования.
4. Заключение
На основании проведенного исследования можно сделать вывод о том, что выбранный метод дистанционного изучения обладает хорошим потенциалом для идентификации структурных нарушений в теле плотины Саяно-Шушенской ГЭС. Качество материалов, полученное с сейсмических станций, расположенных на расстоянии 3–4,4 км от водохранилища позволяют успешно выделять по ним частоты собственных колебаний плотины.
В ходе анализа установлено, что частоты третьей и четвертой мод собственных колебаний плотины демонстрируют высокую взаимную корреляцию. При этом четвертая мода является более интенсивной и, следовательно, более предпочтительной для наблюдений. Показана устойчивая обратная корреляция собственных частот с уровнем наполнения водохранилища, что объясняется присоединенной массой воды. Взаимосвязь с температурой оказалась не столь однозначной, проявляя как прямую, так и обратную корреляцию. Это может быть связано с комбинацией факторов: температурным расширением материала, изменением влажности бетона, а также возможными неучтенными локальными процессами, что требует дополнительного анализа.
Кроме того, выявлено различие в значениях частот собственных колебаний плотины при одинаковых уровнях воды в фазах заполнения и уменьшения уровня водохранилища, что указывает на нелинейность поведения конструкции.
Важным результатом является выявление аномального поведения частот в периоды максимального наполнения водохранилища, что можно связать с процессом раскрытия трещин в плотине. Однако установить однозначную корреляцию на основании доступной информации не представляется возможным. К тому же в эти периоды на самой плотине ГЭС также проводились ремонтные работы, направленные на устранение последствий трещинообразования.
Для разрешения выявленных неоднозначностей необходимо проведение дальнейшего исследования, перспективными направлениями которого являются:
1. Получение данных о температуре, непосредственно с плотины СШ ГЭС.
2. Учет дополнительных факторов, таких как ветровые и снеговые нагрузки, влажность, сейсмическая активность и пр., которые также оказывают влияние на поведение частот собственных колебаний плотины.
3. Полученные экспериментальные данные представить в виде математической модели.