Название: Исследование деформаций плотины Ататюрка

Авторы: Yunus Kalkan, Reha M. Alkan and Serdar Bilgi

Перевод: Черных Олег Игоревич

Описание: В статье приведена характеристика плотины, описаны геодезические и негеодезические методы измерений. Кроме того, приведены особенности геодезического мониторинга, новые техники измерений и рекомендации к ним.

Источник (англ.): Deformation Monitoring Studies at Ataturk Dam

Исследование деформаций плотины Ататюрка

Yunus Kalkan, Reha M. Alkan and Serdar Bilgi, Turkey

Ключевые слова: плотина Ататюрка, мониторинг деформаций, геодезические и негеодезические методы.

Резюме

Значение воды и водных структур растёт в последнее время. Эта ситуация имеет более важное значение для таких стран как Турция, которые находятся средней полосе. Плотины являются одними из самых важных инженерных сооружений, использующих воду для питания, борьбы с наводнениями, сельскохозяйственного использования, водоснабжения и получения электричества. В Турции находится примерно 550 крупных плотин. Плотины – крупные и важные сооружения, и они требуют точные методы наблюдения на регулярной основе. Мониторинг является важным этапом после строительства самой плотины, и в процессе эксплуатации должно быть обеспечено своевременное обнаружение любого поведения плотины, которые может ухудшить состояние и привести к её отключению или отказу. Значения горизонтальных и вертикальных движений могут быть определены на основе долгосрочных измерений с их постобработкой и анализом. В этом исследовании приведена краткая характеристика плотины Ататюрка. Кроме того приведены геодезические и негеодезические методы измерений. Также приведены особенности геодезического мониторинга, новые техники измерения и рекомендации.

Исследование содержит несколько важных результатов. Один из них, который был предметов данной статьи – определить, деформация плотины связана с уровнем воды водохранилища или нет.

Введение

Необходимость в воде растёт день ото дня, в зависимости от численности населения, повышения уровня жизни и ухудшения окружающей среды. Задачей гидросооружений является управление водными ресурсами и производство энергии. Плотины одни из важных гидросооружений, которые используются для водоснабжения, борьбы с наводнениями, ведения сельского хозяйства, для водоснабжения и промышленных целей, таких как гидроэлектростанции.

В связи с увеличением потребности в энергии, плотины строятся более высокие. Это привело к возникновению риска для населения, проживающего вблизи плотины. В целях обеспечения безопасности, также планируется и осуществляются геодезический и негеодезический мониторинг.

Сегодня плотины строятся высотой более 300 метров и объёмом водохранилищ более 200 млн.м³. Самая высокая плотина – рогунская плотина в Таджикистане с высотой гребня 335 метров. Плотина Synrude Tailings имеет самый большой объём водохранилища – 540 млрд. м³. Itaipu Dam, на границе Бразилии и парагвая, имеет самую большую потенциалmye. Мощность электроэнергии. Тем не менее, Three Gorges Dam в Китае, будет в ближайшем будущем самой крупной в мире. В Турции около 550 плотин, имеющих международные уровни. Крупнейшие плотины приведены в таблице 1.

Таблица 1

Измерения деформаций играют важную роль в инженерных изысканиях. Результаты измерений имеют прямое отношение к безопасности человека. Земляная плотина подвержена внешним нагрузкам, которые вызывают деформации сооружения и основания. Собственный вес плотины и давление воды являются основными факторами повышения напряжения в теле плотины, которые, со временем, приводят к горизонтальным и вертикальным смещениям, носящим постоянный характер.

В исследовании приведена краткая информация о плотине Ататюрка, а также геодезических и негеодезических методах мониторинга, которые были применены Стамбульским техническим университетом и Департаментом Геодезии с мая 2006 года при сотрудничестве с турецкой Генеральной дирекцией государственных гидротехнических сооружений. Некоторые геодезические методы рекомендуются для исследований и на них делался упор.

Плотина Ататюрка.

Плотина Ататюрка является самой большой плотиной в Турции. Она является частью проекта GAP (юго-восточный анатолийский проект) и построена около города Шанлиурфа, на реке Фират (рис. 1). Это одна из пяти плотин, построенных на реке. Плотина играет важную роль для ирригации и производства электроэнергии. Сооружение является каменно-насыпным. Некоторые характеристики приведены в таблице 2.

Рисунок 1 – расположение дамбы Ататюрка в Турции.

Таблица 2 – некоторые характеристики дамбы Ататюрка

3. Мониторинг деформаций

Плотины испытывают на себе влияние многих факторов. Деформации могут распространяться как на плотине, так и вокруг неё. Причинами деформаций являются: вес плотины, давление воды, изменение температуры, движения земной коры. Эти факторы могут привести к изменениям геометрии путём вертикальных и горизонтальных небольших конструктивных смещений и физических изменений. Они должны быть выявлены и определена степень их опасности. Таким образом, безопасность, эффективность и срок службы сооружения может быть увеличен.

3.1. Методы мониторинга деформаций.

Для наблюдений за деформациями используются геодезические и негеодезические методы. Геодезические методы включают в себя следующие, приведённые в таблице 3.

Таблица 3 – геодезические методы мониторинга деформаций, геодезические инструменты и оборудование.

Как правило, деформационные сети используются для контроля горизонтальных и вертикальных деформаций. Изменения положений пунктов на плотине и её окрестностях определяются относительно точки отсчёта. Эти пункты устанавливаются в тех местах, где не ожидаются деформации. Деформационные сети включают в себя исходные точки и точки наблюдения за деформациями. (рис. 2)

Рисунок 2 – геодезическая деформационная сеть.

Тип измерений, период наблюдений и допуски геодезических методов отличаются в зависимости от типа плотин и характера деформаций. Кроме горизонтальных и вертикальных смещений негеодезическими методами контролируются изменение массы, изменение уровня грунтовых вод, изменения температуры (табл. 4). Приведённые ниже методы известны как струнные.

Таблица 4 – негеодезические методы и измерительные приборы

4. Геодезический мониторинг деформаций.

Опорная сеть создана в окресностях плотины и содержит 32 точки триангуляции (столбы). Деформационная сеть имеет 360 марок. Кроме того, существуют две высотные сети на гребне плотины (36 марок) и на электростанции (45 марок).

GPS-сеть: в дополнение к обычной геодезическим наблюдениям производится GPS наблюдения, которые формируются на начальной стадии проекта наблюдения за деформациями. GPS пункты устанавливаются вдалеке от окрестностей плотины на плотных грунтах. Они располагаются в области 7×9 км (рис. 3а). другие 25 марок были запроектированы для обычных наблюдений. Они располагаются на площади 4×5 км, как правило, на откосах плотины и в её окрестностях. Некоторые из этих марок используются также для наблюдения за откосами и окрестностями.

Деформационная сеть (формируется из точек на объекте): деформационная сеть состоит из 400 марок, предназначенных для мониторинга откосов плотины, боковых уступов и галерей (технический отчёт 2004). На откосах закреплено более 200 марок (рис. 4).

Рис. 3а – GPS-сеть

Рис. 3б – обычная сеть

Рис. 4 – марки на откосах плотины

Точные высотные сети: одна высотная сеть расположена на плотине и содержит 36 марок по гребню плотины. Вторая сеть нивелирования расположена внутри и снаружи электростанции и включает в себя 45 марок (рис. 5а и 5б). Точное геометрическое нивелирование было применено для определения разностей высот между марками на электростанции. Эти исследования были выполнены в течение месяца. Марки на электростанции представляют собой стенные реперы и расположены в несущих колонах. Измерения по стенным реперам выполняется два раза в год точным геометрическим нивелированием.

Рис. 5а – откосы плотины

Рис. 5б – электростанция.

Рис. 5 – сеть точного геометрического нивелирования.

Для наблюдений использовались высокоточные теодолиты и светодальномеры, двухчастотные спутниковые приёмники, точный цифровой нивелир для высотных наблюдений. Используемые инструменты приведены в таблице 5а и 5б.

Таблица 5а – геодезические и GPS-приборы

Таблица 5б – другое оборудование

4.1. GPS измерения

Сегодня GPS технологии эффективно используются во многих инженерных проектах. Они могут быть использованы для измерений деформаций поверхности, вызванные землетрясениями, постоянным притоком огромных масс льда, для прогнозирования погоды, для измерений быстрых и медленных деформаций земной коры. Система глобального позиционирования (GPS) представляет собой ценный инструмент для мониторинга геопространственной информации, и тем самым помогает в понимании сложных структурно-тектонических механизмов, связанных с взаимодействием водохранилища и тела плотины. Высокая точность может быть достигнута при относительно небольших трудозатратах, в отличие от обычных наземных методов.

В дополнение к традиционным геодезическим измерениям, GPS измерения производится с мая 2007 года. Первые измерения производились между пунктами 125 – 130. GPS измерения выполнялась в шесть этапов по шесть дней каждый. Для объединения шести этапов, некоторые станции были измерены более одного раза. Длительность измерений составляла 8 часов каждый день, с интервалом записи 5 секунд. Каждая станция наблюдалась не менее одного дня. Интервал записи 5 секунд и маска возвышения 10° использовались в течение всех измерений. Для того чтобы получить точную высоту антенны, на каждой станции выполнялось четырёхкратное измерение высоты. GPS приёмники и прочее оборудование, используемые в проекте, перечислены в таблице 5а. некоторые фотографии GPS измерений приведены на рисунке 6.

После завершения процесса настройки GPS измерений, были получены координаты в системе WGS-84 с точностью несколько мм.

Для тестирования возможности применения GPS метода выполнялись статические наблюдения на 55 различных точках плотины. Были получены удовлетворительные результаты. Статический метод наблюдений с 4-х исходных точек выполнялся практически на всех точках плотины в последующих периодах наблюдений (рис 7).

Рисунок 6 – GPS измерения и схема измерений.

Рисунок 7 – схема GPS измерений для марок.

4.2 Традиционные наблюдения

Точное измерения горизонтальных и вертикальных углов, а также расстояний проводились в более чем 200 точках объекта с использованием 9 станций, для связи традиционных наблюдений и исходных точек. После построения соответствующей стохастической модели для каждого периода наблюдений была получена точность в несколько миллиметров. Точность положения пункта составила менее 1 см для деформаций на плотине.

Результаты шести периодов измерения были сравнены. Стохастическая тестовая модель была применена для двойного набора измерений, будь то один набор или нет. M1 и M2 являются среднеквадратическими погрешностями единицы веса между первым и вторым периодом. Тестовое значение f=m₁²/m₂² за счёт распределения Фишера рассчитывается с вероятностью 0.05. F является табличным значением (f_n<F_N) для триангуляционной сети (f_t<F_T) ? рассчитываемой для всей сети. При сравнении двух периодов был протестирован один и тот же набор. Точность определения векторов смещения была рассчитана путём двойного анализа периодов между наблюдениями. Значения (dPi>Ti или dRi>Ti), и полученные из теста значение T_i= 2,5*(2)^0.5*(M_pi) сравнивались и определялась их существенность. Вектора смещений приведены на рисунке 8. Результаты наблюдений 3го периода (май 2007) и 5го периода (ноябрь 2008) были сопоставлены и определены смещения практически для всех точек. Результаты изменений положения приведены графически на рисунке 9.

Рис. 8 – вектора смещений между 3м и 5м периодами наблюдений.

Рис 9 – сравнение положения точки в период с мая 2007 по ноябрь 2008.

4.3. Точность нивелирования

Точное нивелирование гребня плотины производятся ежемесячно, результаты периодов представлены на графике (рис 10).

Рис 10 – график осадок гребня плотины на период с мая 2006 по ноябрь 2008.

Отделы 0–230 имеют наибольшие осадки. В зависимости от изменения уровня воды, вертикальное перемещение и среднемесячные скорости на гребне плотины приведены в таблице 6, и отображены на рисунке 11 графически.

Таблица 6 – зависимость вертикальных перемещений и средней скорости от уровня воды в водохранилище.

Общее вертикальное перемещение и ежемесячная скорость в зависимости от уровня воды в течение 30 месяцев определена и показана ниже

Рисунок 11 – средний уровень воды и среднемесячные значения осадок за 6 месяцев в период с мая 2006 по ноябрь 2008 года.

Заключение

Плотина Ататюрка, которая имеет мощное основание постоянно контролировалось при помощи геодезических и негеодезических методов с 1990 года. По итогам 6-го периода, выполненного в ноябре 2008 года, были определены полные перемещения в период мая 2006 по ноябрь 2008. Горизонтальные перемещения составляют 63%, вертикальные – 31%, а радиальное смещение 59% от общих деформаций. Самое большое смещение по горизонтали составляет 9.9 см (в радиальном направлении 9.8 см) и вертикальном направлении 11.6 см в период с мая 2006 по ноябрь 2008 годов. Наибольшие значения векторов смещений представлены в таблице 7.

Трехмерные координаты точек могут быть определены точно, используя GPS приёмники. Результаты, полученные из традиционных и GPS наблюдений были совместимы друг с другом. GPS технология может использоваться вместо традиционных технологий. Для мониторинга плотины и её окрестностей, точность позиционирования менее 1 см достаточна для каменно-набросной плотины, такой как плотина Ататюрка. Однако трудно что-то говорить применительно к точности по высоте.

В соотоветствии с результатами, полученными из измерений в период с мая 2006 по ноябрь 2008 года в течение трёх лет, вертикальное перемещение (расчётные) не зависит от уровня воды на водохранилище. Этот важный результат будет учитываться при новых измерениях в дальнейшем.

Особая благодарность директорам и команде турецкого генерального директората государственных гидротехнических сооружений (DSI), и академики Стамбульского технического университета (ITU), департаменту геодезии за их помощь.

Источники

Bilgi, S., Kalkan, Y., Yalın, D., Yavaşoğlu, H., (2006). Geodetic Monitoring in the Biggest

Dam of Turkey: Atatürk Dam. International Symposium on “Modern Technologies, Education

and Professional Practice in Geodesy and Related Fields”, 2006 November 9-10, Sofia-

Bulgaria

Gikas, V., Sakellariou, M., (2008), Horizontal Deflection Analysis of a Large Earthen Dam

by Means of Geodetic and Geotechnical Methods, 13th FIG Symposium on Deformation

Measurement and Analysis/4th IAC Symposium on Geodesy for Geotechnical and Structural

Engineering, LNEC, 2008 May 12-15, Lisbon, Portugal.

Gikas, V., Paradissis, D., Raptakis, K., Antonatou, O., (2005), Deformation Studies of the

Dam of Mornos Artificial Lake via Analysis of Geodetic Data, FIG Working Week 2005 and

GSDI-8, 2005April 16-21, Cairo, Egypt.

Kalkan, Y., (2009). Monitoring Studies on Atatürk Dam Geodetic Methods, 2nd National Dam

Safety Symposium, 2009, May 13-15, pp 239-250, Eskişehir-Turkey (in Turkish).

Kalkan, Y., (2007). Geodetic Monitoring on Atatürk Dam, Technical Report, General

Directorate of DSI, Ankara-Turkey (in Turkish).

Kalkan, Y., Alkan,R. M., (2006). Deformation Survey on Engineering Structures, 2nd National

Engineering Surveying Symposium, 2006 November 23-25, pp 64-74, İstanbul-Turkey (in

Turkish).

Kalkan, Y., Baykal, O., Alkan, R.M., Yanalak, M., Erden, T., (2003). Deformation

Monitoring of Landslides with Geodetic and Geotechnical Methods a Case Study in Ambarlı

Harbour, 1st National Engineering Surveying Symposium, 2003 October 30-31, İstanbul-

Turkey (in Turkish).

Kalkan, Y., Baykal, O., Alkan, R. M., Yanalak, M., (2002). Deformation Monitoring with

Geodetic and Geotechnical Methods a Case Study in Ambarlı Region, International

Symposium on Geographic Information Systems, 2002 September, İstanbul-Turkey.

Technical Report, (2004). Atatürk Dam and Hydroelectric Power Plant Geodetic Dam

Monitoring May 2004. Electrowatt Engineering Ltd., Zurich. Dolsar Engineering, Ankara-

Turkey.

USACE, (2002). Engineering and Design Structural Deformation Surveying (EM 110-2-

1009) Department of the Army US Army Corps of Engineers, Washington, DC 20314-1000.

URL 1, Bureau of reclamation web page, http://www.usbr.gov

URL 2, World’s largest dams, http://www.infoplease.com/ipa

URL 3, General Directorate of State Hydraulic Works (DSI) web page, http://www.dsi.gov.tr

URL 4, Water Foundation web page, http://www.suvakfi.org.tr

URL 5, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics web page, http://cfa-www.harvard.edu.

URL 6, The University of South Wales, School of Surveying and Spatial Information Systems

web page, http://www.gmat.unsw.edu.au.