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 [1]. Базовым методом диагностики структурных нарушений является визуальный осмотр. В настоящий момент с этой же целью применяются беспилотные летательные аппараты [2], способные выявить и даже определить местоположение нарушения [3]. 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
[4][5][6][7]
Помимо этого, достаточно простыми и перспективными являются методы, основанные на анализе динамических характеристик конструкций
[8]
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. [8]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
[9]
Количество исследований, посвященных изучению динамических характеристик плотин, значительно меньше, чем количество аналогичных исследований мостов. В работе
[10][11]
В статье
[12]
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.
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
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
[13][14]
Что же касается температурного фактора влияния на собственные частоты плотины, то здесь не все так однозначно. Ранее в работах для 14-этажного кирпичного дома
[15][16][17][18][19][20][21][22]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.
Зависимости частот собственных колебаний плотины от уровня верхнего бьефа (УВБ) и температуры
Зависимости частот собственных колебаний плотины от уровня верхнего бьефа (УВБ) и температуры
Зависимости частот собственных колебаний плотины от уровня верхнего бьефа (УВБ) и температуры
Зависимости частот собственных колебаний плотины от уровня верхнего бьефа (УВБ) и температуры
Зависимости частот собственных колебаний плотины от уровня верхнего бьефа (УВБ) и температуры
Зависимости частот собственных колебаний плотины от уровня верхнего бьефа (УВБ) и температуры
[1].
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 что выбранный метод дистанционного обладает для идентификации структурных нарушений в теле плотины Саяно-Шушенской ГЭС.
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
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
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.