Дамбы как гидродинамически опасные объекты 

Дамба – гидротехническое сооружение (ГТС) напорного фронта, представляющее собой грунтовую насыпь или бетонное (железобетонное) сооружение трапециевидной формы сечения, предназначенное для регулирования протекания водных потоков (реже селевых потоков, снежных лавин) и защиты местности, расположенной близко к воде, от наводнений и разрушений, а также защиты берегов и дна рек, каналов, водохранилищ. 

Дамбы относятся к гидродинамически опасным промышленным объектам, поскольку, располагаясь, как правило, выше по течению от крупных населенных пунктов, промышленных объектов, обширных хозяйственных территорий, создают разницу уровней воды (напор или подпор) от верхнего бьефа, находящегося расположенного выше подпорного сооружения, до нижнего бьефа, который расположен ниже. 

По данным отраслевой статистики, наибольшее число аварий ГТС связано с полным или частичным разрушением грунтовых дамб: из 1170 случаев разрушений напорных гидротехнических сооружений, зафиксированных в 35 странах мира, 37 % - это повреждения грунтовых дамб и их оснований. 

Опыт эксплуатации грунтовых дамб показывает, что основными деструктивными процессами, приводящими к деформациям и разрушению этих ГТС ОПО, являются: сосредоточенная фильтрация с признаками суффозии, перелив воды через гребень дамбы и рост избыточного порового давления в водонасыщенном грунтовом массиве. 

Наиболее распространенной причиной аварий также является отсутствие системы непрерывного динамического мониторинга и контроля технического состояния дамбы, которое не дает возможности своевременно фиксировать деструктивные процессы, вследствие чего происходят различные деформации. 

Основные поражающие факторы гидродинамических аварий на дамбах:

• волны прорыва, которые становятся причиной катастрофических затоплений населенных пунктов, объектов экономики, массовой гибели людей;
• прорывные паводки, приводящие к длительному прекращению судоходства, сельскохозяйственного и рыбного промыслов;
• смыв плодородных почв или отложение наносов на обширных территориях. 

Последствия затоплений могут также усугубляться разрушением (размыванием) потенциально опасных объектов, расположенных в затопленной зоне:

- систем водоснабжения, канализации, сливных коммуникаций;

- мусорные свалки, котлованы;

- места захоронений (полигоны, бункеры) токсичных промышленных отходов. 

В результате катастрофические наводнения и попадание опасных веществ в зоны затопления приводят к чрезвычайным ситуациям от локального до федерального характера. 

Общие принципы и проблематика мониторинга дамб 

Поскольку дамбы, в зависимости от высоты, характеристик грунта оснований объекта, и некоторых других факторов, являются ГТС I и II классов опасности, в соответствии с СТО 70238424.27.140.035-2009 и ГОСТ Р 55260.1.4-2012 их необходимо оснащать системами непрерывного мониторинга и контроля технического состояния для предотвращения аварий и обеспечения безопасной эксплуатации сооружения. 

Разработанные в настоящее время общие методы мониторинга безопасности ГТС, включающие визуальные и инструментальные наблюдения с использованием контрольно-измерительной аппаратуры, в целом позволяют контролировать состояние грунтовых дамб, как объектов повышенного риска с учетом свойств слагающих их грунтов, интенсивности фильтрационных и деформационных процессов, происходящих в теле и основании объектов. 

Комплекс инструментальных наблюдений, включающий контроль положения контрольно-измерительной аппаратуры, высотных отметок гребня, осадок и горизонтальных смещений дамб, фильтрационного режима и порового давления в мониторинговых точках внутри объектов и в их основании, обеспечивается геодезическими методами установления местоположения контролируемого объекта в пространстве. 

Наряду с этим, в системах мониторинга дамб общего характера отсутствуют взаимосвязи между напряженно-деформированным состоянием конструкций дамб, испытывающих нагрузки природного и техногенного характера, и точно установленными (смоделированными) количественно-качественными критериями безопасности этих гидротехнических сооружений. А виды и методы контроля не обусловлены требованиями к точности определения пространственно-временного местоположения конкретных элементов грунтовых дамб (которые собственно и должны являться объектами мониторинга) и установленных на них датчиков. 

Основные перспективные задачи в части обеспечения промышленной безопасности дамб связаны:

• с анализом риска гидродинамических аварий;
• моделированием системы контроля безопасности;
• уточнением контролируемых показателей и точности их измерений;
• выработка требований к критериям мониторинга напряженно-деформированного состояния конструктивных параметров грунтовых дамб с учетом реальных нагрузок и воздействий.

Решение по динамическому мониторингу состояния дамбы 

Наиболее опасные геодинамические явления, представляющие высокую потенциальную угрозу для грунтовых дамб и целого ряда подобных гидротехнических сооружений (в том числе водоподводящие, водозаборные и водосбросные сооружения) в зонах с высокой сейсмической активности:

- тектонические землетрясения и связанные с ними движения земной коры и разжижение грунтов;

- извержения вулканов;

- природные воздействия на берега водохранилищ;

- русловые и гидрогеодинамические процессы;

- обвалы, оползни, осыпи, сели, камнепады;

- карст, просадки, суффозия;

- термокарст. 

Руководствуясь требованиями Федерального закона от 21.07.1997 г N 117-ФЗ «О безопасности гидротехнических сооружений», Сводом правил СП 58.13330.2012 «Гидротехнические сооружения. Основные положения, а также актуализированной редакцией СНиП 33-01-2003, компания «СМИС Эксперт» разработала комплексное решение по динамическому мониторингу состояния напорных грунтовых дамб (плотин), водозащитных дамб и ряда ГТС напорного фронта, которое включает в себя несколько функциональных блоков: 

• блок сейсмометрического мониторинга – комплекс инженерно-сейсмометрических наблюдений за работой напорных гидротехнических сооружений и их береговых примыканий;
• блок сейсмологического мониторинга – комплекс инженерно-сейсмологических наблюдений в зоне ложа водохранилищ вблизи створа вышеуказанных ГТС и на прилегающих к ним территориях;
• динамическое тестирование - проведение тестовых испытаний по определению динамических характеристик гидротехнических сооружений;
• составление динамических паспортов грунтовых дамб и других напорных ГТС ОПО. 

Решение позволяет владельцам и управленцам ГТС ОПО (дамбы и др.) обеспечить: 

- Безопасную эксплуатацию в соответствии с действующими нормами и правилами промышленной безопасности указанных гидротехнических сооружений;

- Прогнозный анализ состояния конструкций ГТС, основанный на исторических данных, накопленных по контролируемым параметрам;

- Оперативное принятие управленческих решений в целях обеспечения безопасности;

- Планирование капитальных затрат на ремонт и модернизацию ГТС. 

Алгоритм внедрения решения по динамическому мониторингу дамбы 

1. Проведение технического обследования и инженерно-геологических изысканий:

- Проведение визуально-измерительного контроля ГТС в объеме необходимого для создания системы сейсмологического и сейсмометрического мониторинга.

- Создание опорной и съемочной геодезических сетей на объектах в результате проведения инженерно-геодезических изысканий;

• выполнение топографической съемки плотин, дамб, береговых примыканий;
• выполнение съемки подземных инженерных коммуникаций;
• промеры глубин в полосе 20 м от подошвы сооружения с сечением изобат через 0,5 м. Система координат – СК-63, система высот Балтийская. 

2. Проведение программы инженерно-геологических изысканий:

- Перед началом работ программы изысканий согласуются с заказчиком

- Сбор и обобщение инженерно-геологических материалов;

- Бурение скважин с построением не менее одного створа);

- Определение физико-механических характеристик грунтов (плотность, влажность, показатель текучести, коэффициент пористости, угол внутреннего трения, удельное сцепление, модуль деформаций);

- Определение фильтрационных свойств грунтов;

- Построение геоэлектрических разрезов по гребню, бермам и в основании плотины способом электротомографии;

- Установление и прослеживание зон тектонических нарушений и трещиноватости в районе исследований. 

3. Определение напряженно-деформированного состояния дамбы.

- Определение зон разуплотнения, сосредоточенной фильтрации и анизотропии электропроводности грунтов в теле дамбы (после выполнения работ скважины тампонируются); 

4. Выполнение обмеров конструкций сооружений и исследования неразрушающими методами в объеме необходимого для создания системы сейсмологического и сейсмометрического мониторинга. 

5. Построение компьютерной информационно-расчетной модели методом конечных элементов.

- Выполнение моделирования с использованием информации о действительных механических и геометрических характеристик грунтовых дамб, определенных в техническом задании;

- Выполнение расчета, проведения анализ напряженно-деформированного состояния и собственных частот колебаний ГТС при их разных формах.

• При этом задаются возбуждающие динамические нагрузки, в том числе сейсмические;

- Подбор величин динамических нагрузок гармонического и одиночного воздействия;

- Определение критических точек мониторинга, их перемещения и ускорения при динамических процессах.

• Характеристики определяются при различных уровнях заполнения водохранилищ водой. 

6. Предоставление отчетов на основании технического задания по каждому комплексу ГТС:

- отчет о проведение визуально-измерительного контроля ГТС;

- отчет об инженерно-геодезических изысканиях с промерами глубин;

- отчет об инженерно-геологических изысканиях с геофизическими исследованиями;

- отчет о построении и моделировании компьютерной информационно-расчетной модели ГТС.

7. Проведение динамического тестирования с составлением динамических паспортов на семь объектов - тестовых испытаний по определению динамических характеристик гидротехнических сооружений.

- Проведение тестовых испытаний по определению динамических характеристик ГТС.

• Для определения динамических характеристик сооружений применяются подвижные нагрузки, способные вызвать появление устойчивых колебаний (в том числе свободных), создаваемые движением автотранспорта по неровностям и опусканием на поверхность конструкций тяжелой сосредоточенной нагрузки (с заданной скоростью опускания).
• При тестировании определяется текущий уровень наполненности водохранилищ водой. 

- Оценка состояния дамб и конструкций под динамическим воздействием осуществляется на основании

• сопоставления величин фактических и проектных динамических коэффициентов,
• сравнения измеренных величин периодов собственных колебаний с расчетными и нормируемыми,
• выявления неблагоприятных видов колебаний,
• рассмотрения характера затухания колебаний и др. 

8. Составление динамических паспортов сооружений, которые должны включать следующие разделы:

- Раздел 1. Источники динамических воздействий на ГТС и параметры воздействий (динамических нагрузок).

- Раздел 2. Гидротехнические сооружения и их динамические характеристики.

- Раздел 3. Динамические нагрузки на ГТС и параметры нагрузок (допустимые и фактические), контроль за динамическими нагрузками.

- Раздел 4. Сведения об экстремальных динамических воздействиях, их характеристики, последствия воздействий.

- По результатам исследования информационно-расчётной модели и тестовых испытаний определяются собственные частоты колебаний конструкций и интенсивность их затухания.

- Определяются перемещения и ускорения колебаний по критическим точкам с учетом микросейсмического воздействия, граничные значения срабатывания системы мониторинга. 

8. Разработка методики автоматизированного мониторинга конструкций, которая должна включать:

- цели мониторинга,

- структуру системы мониторинга,

- функции мониторинга,

- основные методологические принципы построения системы мониторинга,

- задачи сигнальной подсистемы мониторинга,

- контролируемые параметры состояния несущих конструкций, конструктивных элементов,

- требования к техническим средствам контроля основных параметров несущих конструкций и места их установки,

- программу производства работ по созданию системы мониторинга, включая этап тестовых геодинамических испытаний. 

9. Разработка и утверждение с заказчиком ТЗ на создание системы инженерно-сейсмологического и инженерно-сейсмометрического мониторинга. 

10. Разработка проектно-сметной документации на создание системы инженерно-сейсмологического и инженерно-сейсмометрического мониторинга (инженерно-технические решения), которая должна включать:

- описание опасных для гидротехнических сооружений геодинамических процессов и явлений;

- расчетные и нормативные критериальные показатели (сейсмические и сейсмологические) ГТС;

- состав методов наблюдений и диагностические показатели;

- схему размещения пунктов наблюдения (измерений и регистрации);

- аппаратуру и оборудование (типы и количество измерительных датчиков и регистрирующей аппаратуры, вспомогательные устройства);

- схему коммуникаций;

- методики и периодичность выполнения каждого вида наблюдений;

- форму сбора данных;

- систему хранения данных;

- программные средства обработки данных;

- регламент и форму представления данных;

- сценарии развития возможных чрезвычайных ситуаций.  

Закажите индивидуальный проект динамического мониторинга ГТС 

Функционал системы контроля промышленной безопасности конкретного ГТС разрабатывается индивидуально для каждого гидротехнического объекта в зависимости от его особенностей: размера, местоположения, назначения, класса безопасности, конструктивных особенностей и условий эксплуатации объектов, а также характера управления, инфраструктуры и интеграционных задач. 

Для получения бесплатной консультации, уточнения условий предоставления услуги, пожалуйста, обратитесь по телефону +7 (495) 532-52-62, по e-mail: info@smis-expert.com, закажите звонок или оставьте заявку на одной из контактных форм обратной связи на странице сайта.