Лекция 3. Метод исследования осадок и деформаций 2 страница

- затраты вре­мени и денежных средств на их производство

- достоверность получаемых результатов.

Однако во мно­гих случаях точность измерений задается или принимается без достаточного обоснования. Кроме того, для наблюдений, охва­тывающих различные по характеру периоды, или для различ­ных по режиму объектов одного и того же сооружения принимается одинаковая точность и соответственно методика изме­рений.

Хотя для всех случаев практики на сегодняшний день стро­гого математического решения этого вопроса дать нельзя, од­нако установить принципы обоснования точности измерений, возможно. Для этого необходимо исходить из сформулирован­ных выше целей наблюдений.

Степень деформации определяется величиной и скоростью, т. е. изменением процесса за выбранный интервал времени. По-видимому, необходимо, чтобы точность измерений отвечала принципу «практической уверенности» в получении как самой величины деформации на определенный момент времени, так и скорости ее изменения. Существенное значение здесь имеет выбор интервала времени между последовательными наблюде­ниями (циклами). Разумно потребовать, чтобы частота систе­матических наблюдений обеспечивала возможность суждения о неизменности характера процесса деформации, с одной стороны, и не пропустить момента его изменения – с другой.

При этом условии величина скорости деформации будет играть более существенную роль с точки зрения суждения о происходящем процессе, чем абсолютная величина деформации. Отсюда приходим к выводу, что при назначении точности измерений, прежде всего, следует исходить из величины скорости дефор­мации. Это условие можно записать в виде

∆Ф=Ф(ti)–Ф(ti-1)≥σε (14)

где Ф (t) - величина деформации на момент времени t;

σ - стандарт определения деформации, статистической оценкой которого в практике геодезических измере­ний обычно служит средняя квадратическая ошибка;

ε - коэффициент, зависящий от вида распределения ошибок и уровня доверительной вероятности.

Величина скорости деформации может быть установлена или по расчетным данным, или на основе динамического прогнозирования, когда для определения величин деформаций на какой-то период необходимо знать их значения в предшествую­щий период. Отсюда следует, что первоначальная точность измерений, назначенная по предварительным расчетным данным или на основе аналогий, должна корректироваться в процессе наблюдений в зависимости от их результатов. Дифференциро­ванный подход к назначению точности измерений может быть обусловлен также этапами наблюдений или различной предста­вительностью (ответственностью) отдельных элементов в ком­плексном объекте.

К примеру, в строительный период дефор­мации больше, чем в эксплуатационный, а для ключевого се­чения арочной плотины они менее опасны, чем в береговом примыкании.

Как видно из формулы (14), требуемая точность измерения деформаций, характеризуемая стандартом, зависит от коэффициента ε. Для его определения необходимо принять априорное решение по поводу вида распределения ошибок измерений и доверительной вероятности, характеризующей надежность по­лучения искомых величин. Как правило, закон распределения ошибок геодезических измерений близок к нормальному, а для таких ответственных работ, как наблюдения за деформациями, доверительная вероятность принимается в пределах

β = 0, 955 ÷0, 997.

В этом случае ε будет соответственно изменяться от 4,0 до 6,0. Произведение σε характеризует доверительный ин­тервал, попадание в который с принятой вероятностью возможно для ошибок данного ряда.

Выбор доверительной вероят­ности определяется требованиями надежности и ответственно­сти результатов измерений, т. е. чем эти требования выше, тем большей должна быть доверительная вероятность.

В зависимости от ответственности результатов наблюдений определяется и оптимальное соотношение между назначаемой ошибкой и ожидаемым результатом деформаций.

В практике это отношение принимают равным от 0,25 до 0,1. Но, как следует из вышесказанного, для β = 0,955÷0,997 при соот­ношении, равном соответственно 0,25, величины деформаций будут находиться в пределах доверительного интервала оши­бок измерений. Это означает, что принимаемые за деформации величины могут на самом деле оказаться ошибками их изме­рения. Чтобы избежать этого, целесообразно поставить условие.

(15)

Тогда, в зависимости от выбранной в интервале 0,955÷0,997 доверительной вероятности, соотношение между ошибкой и ожидаемым результатом измерения деформации следует при­нимать меньшим .

Так, например, если скорость осадки сооружения ∆S за установленный интервал времени ∆t характеризуется средней величиной в 5 мм, то стандарт ее измерения для доверительной вероятности β =0,955 должен быть не более 1,2 мм.

В современной практике известны случаи, когда характер деформаций влияет на нормальный режим технологического процесса. Примером могут служить ускорители заряженных частиц, для которых важны не отдельные величины деформа­ций несущих конструкций, а их функциональное возмущающее влияние.

Допустимые искажения описываются вполне определенным математическим выражением, на основании которого и может быть установлена необходимая точность измерений. Она подсчитывается как ошибка функции допустимых искажений.

Когда по условию задачи требуется определить законы деформации с целью их прогнозирования, то вопрос о точности измерений может быть решен двумя путями:

1. Первый путь ана­логичен тому, что был рассмотрен выше для обычного случая наблюдений. Здесь лишь необходимо повысить надежность изме­рений за счет увеличения доверительной вероятности и соответ­ственного уменьшения соотношения между ошибкой и резуль­татами измерений.

2. Во втором случае ставится условие дости­жения «максимально возможной» точности измерений. Для этого специально разрабатываются методика и средства изме­рений, соответствующие самому высокому современному уров­ню науки и техники. Большие затраты в этом случае должны быть оправданы целью, ради которой организуются наблюде­ния. Подобным же образом решается вопрос о точности наблю­дений за деформациями для уникальных и особо важных объ­ектов.

Точность и периодичность измерений указываются в техническом задании на производство работ или в нормативных документах.

В особых случаях эти требования могут быть получены путем специальных расчетов. В нормативных документах требования к точности определения осадок или горизонтальных смещений характеризуется средней квадратической погрешностью:

1 мм - для зданий и сооружений, возводимых на скальных или полускальных грунтах;

3 мм - для зданий и сооружений, возводимых на песчаных, глинистых и других сжимаемых грунтах;

10 мм - для зданий и сооружений, возводимых на насыпных, просадочных и других сильно сжимаемых грунтах;

15 мм - для земляных сооружений.

На оползневых участках осадки измеряются со средней квадратической погрешностью 30 мм, а горизонтальные смещения – 10 мм.

Крены дымовых труб, мачт, высоких башен измеряются с точностью, зависящей от высоты H сооружения и характеризуемой величиной 0,0005 H.

Установить необходимую точность измерения деформаций расчетным путем довольно сложно. Однако для многих практических задач можно пользоваться следующей формулой:

(16)

где - средняя квадратическая погрешность измерения деформаций;

- величина деформации за промежуток времени между циклами измерений.

Выбор времени между циклами измерений зависит от вида сооружения, периода его работы, скорости изменения деформации и других факторов.

В среднем в строительный период систематические наблюдения выполняют один-два раза в квартал, в период эксплуатации - один-два раза в год.

Осн.: [1], [132-140]

Доп.: [3], 265-267]

Контрольные вопросы:

1. Чем определяется степень деформации.

2. Какую роль играет выбор интервала времени между последовательными наблюде­ниями.

3. В каких пределах принимается доверительная вероятность.

4. Как может быть установлена величина скорости

5. Какая формула используется для установки необходимой точности измерения деформаций

Лекция 7. Створные измерения

Общие сведения

Под створными измерениями понимают совокупность действий по определению положения одной или нескольких точек относительно прямой линии, задающей створ. При этом рассматриваются два случая: когда требуется зафиксировать положение точки на створе и когда требуется найти ее отклонение от створа. В практике второму случаю отдается предпочтение как более точному.

Если принять створную линию, соединяющую конечные точу 1 створа, за ось абсцисс, то измеряемые уклонения (нестворности) промежуточных точек — суть их ординаты. Причем абсцис­сы створных точек всегда значительно больше их ординат.

Классифицировать створные измерения целесообразно по сле­дующим признакам: какие элементы измеряют, в какой последо­вательности и с помощью каких средств.

Первый признак характеризует методы, второй схемы, третий — способы измерений.

Створные измерения — комбинации разнотипных шагов. Шаг представляет собой частный створ, от крайних точек K и j которого одним из известных методов определяется нестворность промежуточной точки i (рис. 7).

Рисунок 7- Створные измерения

Такой шаг можно описать тройкой чисел K, i и j, соответствующих номерам точек в створе. Тогда схема створных измерений может быть одноз­начно описана последовательностью троек чисел, определяющей между и уклонениями , и от общего створа (О, п + 1).

Все существующие способы створных измерений по типу реализации створной линии можно условно разделить на две труппы. К первой группе относятся способы, в основе которых лежит использование оптических средств и принципов физической оптики, ко второй - оптико-механических средств.

Методыстворных измерений

Методы створных измерений рассматривают в основном применительно к наиболее распространенным оптическим средства измерений. В настоящее время величины уклонений от частных створов в шаге определяют четырьмя методами: подвижной марки, подвижного приемника света, малых углов и методом полигонометрии.

Метод подвижной марки.

Величина нестворности измеряется с помощью подвижной марки. Для чего в точке К устанавливается алиниометр, коллимационная плоскость которого, ориентируясь по марке в точке j, задает створную лини. Алиниометр - оптический прибор, задающий прямую линию. Подвижная марка, установленная в определяемой точке i, вводится в створ. Положение подвижной марки, когда ось симметрии ее мишени находится в створе, фиксируется по отсчетному устройству. Одно или несколько таких введений составляют один полуприем. Второй полуприем производится по той же схеме, но при другом положении алиниометра и концевой марки. Нестворность в полуприеме, в зависимости от конструкции подвижной марки и приня­того правила знаков, вычисляется по формуле

или , (17)

где - средний отсчет по шкале марки в полуприеме;

(МО) - место нуля марки, или отсчет по ее шкале, соответст­вующий совпадению оси симметрии мишени с осью вращения.

Место нуля марки обычно определяют заранее. Окончательное значение нестворности вычисляют как среднее из двух полуприемов. В полуприеме целесообразно делать не более четырех введе­ний марки в створ.

Метод подвижного приемника света.

Нестворность можно вычислить, если измерить величину r на точке К и расстояния и . Величину r измеряют с помощью алиниометра, имеющего возможность перемещаться перпендикулярно створу относительно центра знака. Вычисления производят по формуле

(18)

Точность измерения расстояний и в зависимости от требуемой точности определения нестворности выражается формулой

(19)

При всех равных условиях метод подвижного приемник света несколько точнее метода подвижной марки. Однако применение его ограничено диапазоном отсчетного устройства алиниометра.

Метод малых углов.

В этом методе нестворность определяют путем измерения угла между линией створа и направле­нием на определяемую точку и измерения расстояния от уг­ломерного инструмента до определяемой точки.

Величину нестворности вычисляют по формуле

(20)

или, по малости угла ,

(21)

Точность измерения расстояний в зависимости от требуемой точности определения нестворности выражается формулой

(22)

Метод полигонометрии. В этом методе измеряют угол при определяемой промежуточной точке i и расстояния и с нее до точек K и j, задающих створ. Так как угол незначительно отличается от 180°, то с ошибкой, не превышающей , нестворность вычисляют по формуле

(23)

Точность измерения расстояний и в зависимости от требуемой точности определения нестворности выражается формулой

(24)

При всех равных условиях метод полигонометрии точнее метода малых углов, особенно для точек, расположенных в середине створа. Однако для достижения необходимой точности определения угла требуются более сложные методика и средства измерений.

Схемы створных измерений.

В практике створных измерений обычно определяют нестворности целого ряда точек на одном створе. В зависимости от условий и применяемых средств последовательность их определения может быть различной. Эта последовательность реализуется в виде схемы. Известны четыре основные схемы створных измерений: полного створа, частей створа, последовательных частных створов (рис 8).

Рисунок 8 – Схемы створных измерений

В дальнейшем будем считать, что точки створа, включая крайние, занумерованы слева направо от 0 до п + 1. В тройке (K, i и j), описывающей шаг створных измерений, в схеме на первом месте стоит номер точки стояния инструмента, на втором — номер определяемой точки и на третьем номер точки визирования. Так как определяемая точка почти всегда расположена между точками стояния инструмента и визирования, то либо <i<j, либо >i>j. В первом случае тройку назовем возрастающей, во втором - убывающей. С помощью последовательности таких троек произведем описание указанных выше схем.

В схеме полного створа нестворности точек с 1 по п (рис.8, а) измеряют от створа (0, п+1). Для этой схемы по­следовательность троек чисел будет иметь вид: (0, i, n+1).

Схема частей створа предусматривает деление его на несколько частей. Нестворности точек, делящих створ на части, определяют от створа (0, п+1). Затем между ними по схеме пол­ого створа определяют нестворности остальных точек. Так, например, для схемы полустворов (рис.8, б), где от основного створа определяется нестворность средней точки с номером,

(25)

получим следующую последовательность:

(0, S, n+1) (0, i,S), i= 1, 2,…, (S - 1);

(S, i, n+1), i = S + 1,…. п.

В схеме частных створов (рис.8,в) створ делится на (п+1) части и в обычном случае нестворность точки 1 определяют от створа (0, 2), отклонение точки 2 - от створа (1,3) и так далее. Для этой схемы будем иметь:

(i — 1, i, п+ 1), i= 1, 2...п.

Схема последовательных створов (рис.8,г) предусматривает определение нестворности точки 1 от створа (0, л+1); нестворности точки 2 от створа (1, п+1) и так далее. Для этой схемы получим

(i — 1, i, п+ 1), i= 1, 2...п.

В схемах частных и последовательных створов определение двух точек и более на частном створе дает возможность получения избыточных данных. Как показано, наличие более чем трех точек на частном створе не приводит к заметному увеличению точности результатов измерений.

Существуют и другие схемы створных наблюдений, однако все они являются той или иной комбинацией приведенных выше.

Независимо от того, какие элементы измеряются в схеме, конечной задачей является определение уклонений точек от основного створа (0, п+ 1). В связи с этим для всех схем, исключая схему полного створа, требуется выполнить соответствующие вычисления.

Проектирование и обработка результатов створных измерений при сложных схемах требуют большого объема вычислений. Для применения в этих целях ЭВМ разработан универсальны алгоритм, учитывающий все особенности створных измерений.

Осн.: [1], [33-41]

Доп.: [3], [265-267]

Контрольные вопросы:

1. По каким признакам можно классифицировать створные измерения.

2. Какие действия понимают под створными измерениями.

3. Какие методы створных измерений существуют.

4. Какая формула применяется для оценки точности в методе малых углов.

5. Какие бывают схемы створных измерений.

Лекция 8. Особенности наблюдений за деформациями гидротехнических сооружений

К крупным гидротехническим сооружениям, требующим на­турных наблюдений, относят: плотины, здания ГЭС, водоподводящие комплексы, шлюзы, причалы для судов, судоподъемники и др.

Рассмотрим наиболее важные и сложные с точки зрения организации работ и точностных требований современные гигантские бетонные плотины гидроузлов. По конструктивным признакам бетонные плотины подразделяются на гравитацион­ные, арочные и арочно-гравитационные.

Гравитационные плотины представляют собой массивные сооружения, сопротивляющиеся собственным весом сдвигаю­щим силам. Поперечное сечение плотины (рис.9, а) близко к прямоугольному треугольнику с гипотенузой, обращенной к нижнему бьефу.

Рисунок 9 - Поперечные сечения плотин

Арочные плотины имеют в плане и в поперечном сечении криволинейную форму (рис.9, б). Работая как свод или арка, такие плотины передают гидростатическую нагрузку преимуще­ственно берегам.

Арочно-гравитационные плотины работают одновременно как арки и как гравитационные плотины.

По своим размерам современные плотины достигают 300 м в высоту и около километра в длину.

Бетонные плотины состоят из отдельных секций, разделен­ных между собой температурными швами.

В теле плотины и в береговых примыканиях устраиваются продольные и поперечные потерны (смотровые галереи) и це­ментационные штольни.

Под действием вертикальных и горизонтальных сил, возни­кающих от собственной массы сооружения, давления воды и льда, удара волн, температурных влияний и других факторов, плотины претерпевают различного рода деформации. Характер и величины деформаций зависят от многих факторов: геологи­ческого строения основания под плотиной, конструкции плоти­ны, высоты напорного уровня воды и его колебания, суточного и сезонного колебания температуры, периода жизни сооруже­ния и т. п. Влияние большинства из этих факторов практически не поддается точному расчету и в естественных условиях отли­чается от наблюденных на моделях. Поэтому только периоди­ческие натурные измерения позволяют судить об устойчивости подобного рода сооружений.

Объектами натурных измерений являются сама плотина, ос­нование под плотиной в границах активной зоны его работы и береговые склоны на участках примыкания плотины.

Осадки и горизонтальные смещения определяются относи­тельно опорных пунктов, расположенных вне зоны возможных деформаций сооружения и пород основания. Полученные при этом величины деформаций принято называть абсолютными. Для измерения абсолютных деформаций требуется доволь­но продолжительное время, поэтому проводятся они сравнитель­но редко — от 2 до 6 раз в год. В то же время необходимость постоянного контроля за состоянием самого сооружения и от­дельных его частей вынуждает проводить измерения деформа­ций более часто. В этом случае от пунктов, расположенных на сооружении или вблизи него, определяют относительные деформации. Кроме того, определяют взаимные смещения и локальные деформации (например, наклоны) отдельных частей (секций) сооружения. Относительные деформации определяют от 1 до 30 раз в месяц. При применении автоматизированных средств измерения могут вестись непрерывно.

Натурные наблюдения за деформациями на уникальных плотинах гидроузлов проводятся не только с практической це­лью, но и с научной, поскольку полученные результаты позво­ляют уточнять принятые методы расчетов и используются для последующих проектных решений. Этим определяются высо­кие требования к точности выполняемых измерений. Так, если наставление предписывает определять осадки и горизон­тальные смещения бетонных сооружений, возводимых на скаль­ном основании, со средней квадратической ошибкой 1 мм, то в практике по требованию проектировщиков добиваются мак­симальной точности, соответствующей возможностям сегодняш­него уровня измерительной техники.

Отмеченные особенности и научная постановка решаемых задач предопределяют выбор схем, методов и средств измере­ний. В качестве примера приведена схема наблюдений за де­формациями гравитаци­онной плотины Красноярской ГЭС на р. Енисее.

Плотина Красноярской ГЭС высотой 120м имеет длину по гребню 1065 м и состоит из 75 секций (рис. 10), разделенных температурными швами. В теле плотины расположен ряд продольных и поперечных потерн, используемых для организации геодезических работ. Высотная геодезическая основа состоит из фундаментальных реперов, расположенных в нижнем бьефе в1,8 км от створа плотины по обоим берегам Енисея, и рабочих скальных реперов.

Рисунок 10- Схема наблюдений за де­формациями гравитаци­онной плотины Красноярской ГЭС

Наблюдения за осадками плотины ведутся па трех горизонтах: по основанию (цементационная потерна) и в потернах 20 и 40 м выше основания. Для нивелирования используются прецизионные нивелиры Hi-004 и трехметровые инварные рейки. В потернах применяются подвесные рейки с инварной штриховой полосой. Ходы прокладываются в прямом и обрат­ном направлениях при двух горизонтах инструмента. Длина визирного луча на поверхности составляет 35 м, а в теле плотины -10 м. Превышение на станции определяется со средней квадратической ошибкой 0,1 мм.

Осадки плотины определяются также с помощью стационарной электроконтактной гидростатической системы, оборудован­ной вдоль плотины в потерне, имеющей ломаный профиль по высоте, и в семи поперечных потернах. Продольная потерна общей длиной 795 м разделена на 10 участков, в каждом из которых установлена самостоятельная система. Связь систем осуществляется через пары перекрывающихся марок, осадки которых считаются одинаковыми. Системы, расположенные в поперечных потернах секции, связаны с гидростатическими системами крайних участков продольной потерны. Эти же поперечные потерны имеют наружные выходы, через которые вся система гидростатического нивелирования привязывается к фундаментальным реперам высотной основы высокоточным геометрическим нивелированием. Точность передачи высоты по всей гидростатической системе характеризуется средней квадратической ошибкой 0,1 мм.

Прямолинейная конфигурация напорного фронта Красноярской ГЭС позволила применить для наблюдений за горизонтальными смещениями створные измерения, дополненные измерениями по прямым и обратным отвесам.

Створы 1, 2 и 3 оборудованы соответственно в потерне основания, в потерне на высоте 40 м от основания (основной створ) и на гребне плотины.

Для створных измерений в основном принят струнно-оптический способ. На створе между секциями 5 и 60 на длине 825м натянута струна диаметром 1,2 мм. Струна покоится на 13 поплавковых опорах и располагается в 0,5 м от потолка потерны. Натяжение струны с помощью рычажного приспособления осуществляется с силой 200 кг. На потолке потерны по створу за­креплено 110 контрольных марок с миллиметровой шкалой, по две марки в каждой секции. Для установки инструмента оборудовано 14 знаков, закрепленных в полу потерны. С каждого знака наблюдаются по восемь контрольных марок. Отклонения марок от створа струны определяются теодолитом ОТ-02, снаб­женным оптическим микрометром с плоскопараллельной пла­стинкой, надетой на объектив и повернутой на 90°. Точность на­блюдений характеризуется средней квадратической ошибкой 0,3 мм.

Принцип плавающей струны позволил оборудовать створ и в потерне с ломанным по высоте профилем.

Положение концевых точек створов контролируется обрат­ными отвесами 4, якори которых заглублены от 20 до 46 м в скалу и могут практически считаться неподвижными. Кусты об­ратных отвесов располагаются также в водосливной (секции 12 и 22) и в станционной (секции 37, 45, 52, 54) частях плотины. Каждый куст состоит из двух обратных отвесов, якорь од­ного из которых закреплен в месте контакта плотины со ска­лой, а другого — в скале на глубине 10 м. Оголовки этих отве­сов располагаются на горизонте основного створа. Для связи основного створа с гребнем плотины в секциях 37 и 54 распо­ложены прямые отвесы 5. Кроме того, в секции 22 установлен сквозной многоярусный обратный отвес 6, якорь которого за­глублен в скалу, а оголовок расположен вблизи гребня. Отсче­ты по проволоке этого отвеса производятся на всех ярусах пло­тины, что позволяет определить наклон ее в различных частях.

Ведутся также наблюдения за раскрытием межсекционных и межстолбчатых швов по одноосным и трехосным щелемерам, а с помощью клинометров регистрируются локальные накло­ны. Результаты многолетних измерений осадок, горизонтальных смещений и наклонов хорошо согласуются между собой и дают ценный материал для интерпретации поведения плотины и ее основания.

Осн.: [1], [140-144]

Доп.: [3], 267-270]

Контрольные вопросы:

1. Как ведутся наблюдения за плотинами.

2. Где размещают репера и марки для определения деформации плотин.

3. Какие бывают виды плотин.

Дата добавления: 2014-12-23