Потеря устойчивости грунтового основания верхового откоса плотин происходит вследствие изменения состояния грунтов и потери прочности бетона железобетонных плит, происходящих в результате динамического воздействия волн на крепление откоса гидротехнических сооружений. Развитие этих негативных процессов может привести к образованию серьезных повреждений, а иногда и к разрушению бетонных креплений, провоцирующих полный выход из строя гидротехнического сооружения. Для оценки надежности креплений необходимо осуществлять систематический эксплуатационный контроль их состояния. [2]
Внутри насыпного тела плотин протекают скрытые негативные процессы (Рис. 1): образование локальных зон деструкции (полостей, зон разуплотнения грунта земляного полотна), инфильтрация грунтовых вод по деформационным и межплитовым швам, своевременное выявление которых позволило бы вовремя принимать соответствующие меры, позволяющие продлить срок службы креплений откосов плотин. Многоальтернативная георадиолокационная модель откоса гидротехнического сооружения включает четыре вида деформаций (Рис. 1):
- Нормальное состояние откоса: донная поверхность плит ровная; грунты основания плит однородны.
- Дефектное состояние откоса: под донной поверхностью плит дефекты в виде пустот и мест разуплотнения грунта.
- Дефектное состояние плит: швы бетонирования, трещины, локальные неровности донной поверхности плит, изгибы арматурной сетки.
- Неоднородности грунтов: под донной поверхностью плит локальные неоднородности, линзы щебня, смена гранулометрического состава песков, изменения влажности, зоны разуплотнения грунтов.
Рис. 1 – Многоальтернативная георадиолокационная модель откоса гидротехнического сооружения
Моделирование сложных, неоднородных сред, включая многофазовые, базируется на точной схеме вычислений, основанной на методе конечных разностей. Моделирование методом конечных разностей позволяет учесть все особенности излучения и распространения ЭМ волн в исследуемой модели среды. Синтез волновых ЭМ полей модели выполнен на основе решения уравнений Максвелла во временной области методом конечных разностей. Результатом расчета являются составляющие полей E, H в каждом узле рассматриваемых элементарных ячеек. Это делает возможность визуализации поля, что важно для понимания закономерностей распространения ЭМ волн в изучаемой среде.
Так как полости гидротехнических сооружений формируются на небольшой глубине, поэтому для синтезирования базовых моделей полостей необходимо выбрать центральную частоту зондирующих ЭМ импульсов, обеспечивающую высокую детальность исследования особенностей распространения ЭМ волн. Детальность исследований определяется длинной ЭМ волны в исследуемой среде и радиусом первой зоны Френеля при определенной центральной частоте. Чем меньше длинна волны и радиус первой зоны Френеля, тем выше детальность исследований. На рисунке 2 построена зависимость длин ЭМ волн, (λ) радиусов первых зон Френеля (Rф) при глубине расположения полости 30 см (характерна для плотин ГТС), от центральной частоты зондирующих импульсов в средах (f), характеризующих основные материалы заполнения полостей. Как видно из рисунка 2 для обеспечения исследований полостей максимальной детальностью необходимо выбирать высокочастотные антенные системы, однако для сред с затуханием 1-2 дБ/м глубина исследований для частот выше 1200 МГц не превышает 1 метра, что не соответствует требованиям глубинности [1].
Рис. 2 – Зависимость длин ЭМ волн (а) и радиусов первых зон Френеля (б) от частоты для различных материалов заполнения полостей
Частота, равная 700 МГц, обеспечивает необходимую детальность и глубинность изучения реальных инженерных объектов и аппаратурно реализована в комплекте отечественных георадаров серии «ОКО». Исходя из этого, базовые модели полостей рассчитаны для данной центральной частоты.
Электрофизические свойства полостей определяются материалом заполнения полости. В зависимости от условий формирования полостей в инженерный объектах можно выделить основные материалы заполнения полости: вода, воздух, видоизмененная порода. С целью построения базовых моделей, характеризующих строение волновых ЭМ полей отражающих особенностей разрешающей способности метода георадиолокации выполнено математическое моделирование полостей с вариаций геометрических параметров полости, при этом электрофизических свойства полости считаются постоянными. Геологическая среда, вмещающая полость, при расчете базовых моделей считается изотропной без дополнительных помех и заполненной песком (ε`1=9; σ1=0.001см/м), так как песок является наиболее благоприятной геологической средой для формирования локальных полостей.
При построении базовых моделей вариаций геометрических свойств полостей в волновых ЭМ полях за основу была взята полость заполненная водой, так как в данной среде скорость распространения ЭМ волн минимальна, что позволяет обеспечить синтезирование моделей с высокой разрешающей способностью по глубине и повысить наглядность результатов моделирования. Электрофизические свойства полости и вмещающей среды, а также центральная частота зондирующих импульсов (700МГц) постоянны на всем протяжении моделирования. Геометрические свойства полостей объединяют протяженность полости (расстояние по горизонтали) и ее мощность (∆h) (расстояние по вертикали). Исходя из разрешающей способности метода георадиолоакиции, целесообразно синтезировать две группы моделей вариаций геометрических свойств полостей. Первая группа моделей учитывает вариации мощности полости относительно длины волны в среде, характеризующей материал заполнения полости, а вторая группа моделей учитывает вариации протяженности полости относительно радиуса первой зоны Френеля в среде.
В рамках группы моделей, учитывающей вариации мощности полости (∆h), были построены три базовых модели для ∆h= λ/2; λ; 4λ с целью установления различий волновых электромагнитных полей (Рис. 3). Из рисунка 3 видно, что в зависимости от мощности полости меняется время прихода отраженной волны от подошвы полости, а при ∆h≤ λ/2 невозможно выделить отражение от подошвы полости.
Для второй группы моделей, учитывающих вариации протяженности (∆Х) полости были построены три модели для ∆Х= Rф; 2Rф; 4Rф (Рис. 4).
Из рисунка 4 видно, что в зависимости от протяженности полости меняются координаты вершин дифрагированных волн (квазигипербол) от краевых эффектов полости. Координаты вершин образования квазигипербол совпадают и координатами начального и конечного пикета полости. Соответственно, исходя из разности в координатах вершин «краевых» квазигипербол, возможно определить истинную протяженность полости. Когда ∆Х≤ Rф формируется одна квазигипербола, поэтому в данном случае затруднительно определить протяженность полости.
Исследование полостей в условиях реальных откосов гидротехнических сооружений осложняется наличием отражений от ж/б плит, арматурных прутьев. На рисунке 5 представлена электрофизическая модель формирования полости под ж/б плитами откоса плотины и соответствующая этой модели теоретическая георадарограмма.
Рис. 5 – Модель формирования пустоты под ж/б плитами откоса плотины (а) и соответствующие ей теоретическая георадарограмма (б)
Как видно из теоретической георадарограммы полости (Рис. 5б) интерференционная структура волнового поля осложнена наличием осей синфазности отраженных волн от подошвы ж/б плиты и дифрагированных волн от арматурных прутьев. Волновое ЭМ поле от полости, расположенной под ж/б плитами откоса плотин, соответствует представлениям в рамках синтезированных базовых моделей полостей и соответствует полученным представлениям о разрешающей способности метода георадиолокации.
В заключении можно сделать следующие выводы:
-Синтезированы базовые модели полостей гидротехнических сооружений, учитывающие вариации геометрических свойств, позволяющие дать оценку разрешающей способности метода георадиолокации. Базовые модели служат основой для выбора оптимальной методики полевых георадиолокационных наблюдений гидротехнических сооружений. Анализ волнового ЭМ поля базовых моделей позволил выделить целевые волны, соответствующие полости и позволяющие определить её параметры.
-Выявленные на базовых моделях особенности ЭМ волн от полостей гидротехнических сооружений позволяют сформулировать предельные возможности локализации полостей методом георадиолокации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
- Данильев С.М. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук// [Горный университет] — Санкт-Петербург, 2011.
- Опыт применения георадиолокации для оценки состояния верхового откоса земляных плотин Воткинской ГЭС/ С.М. Данильев, В.В. Глазунов, И.Н. Гусакова, В.Ф. Фисенко // Известия ВНИИГ. СПб. ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева. 2011. Т. 261 С.53-60.[schema type=»book» name=»ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МЕТОДА ГЕОРАДИОЛОКАЦИИ ПРИ ЛОКАЛИЗАЦИИ ПУСТОТ ПОД ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫМ КРЕПЛЕНИЕМ ГРУНТОВЫХ ОТКОСОВ ПЛОТИН НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ» author=»Данильев Сергей Михайлович, Данильева Наталья Андреевна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-04-28″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 28.03.2015_03(12)» ebook=»yes» ]