Способ определения резонансной частоты грунтовой плотины

СОЮЗ СОВЕТСКИСОЦИДЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИК 1008346 53) Е 02 ОМИТЕТ СССРРЕТЕКИЙ И ОТКЫТИй ГОСУДАРСТВЕНПО ДЕЛАМ ИЗОБ АНИЕ ИЗОБРЕТЕН Бюл. Р 12вский и Н.М. Алекейсмостойкого стрмологии АН Таджик нд т с ейс оис.8)с Г Ваттс Д. Спеки его приложения. Мп, 2, с, 287.земляных плотин.рной сейсмологии".п. 11, М., "Наукпрототип). а"(54) (57) 1. СПО НАНСНОЙ ЧАСТОТЫ включающий реги направленных п плотины на осц меннойподачей СОБ ОПРЕ ГРУНТОВ страцию рпендику ллограмм на, нее м АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТ;спектральный анализ колебаний и определение по максимальной ординате спектральной плотности частот резонансной частоты, о т л и ч а ю щ и й . с я тем, что, с целью, расширения функциональных возможностей путем обеспечения контроля состояния плотины в процессе ее эксплуатации, регистрацию колебаний, спектральный анализ и определение по максимальной ординате спектральной плотьости частот резонансной частоты производят периодически, причем разница значений меток времени при каждом опыте составляет не более 0,5, а спектральный анализ осуществляют с помощью преобразования Фурье с шагом счета щФ спектра по частоте, равным 0,002 0,003, ориентировочно определенной резонансной частоты, после чего по изменению резонансной частоты су- С дят об изменении плотности грунта :плотины.100834 б а,+ - Я где 1 реаН 2, Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что плотность грунта плотины определяют из следующей зависимости резонансная частота плотины, Гц;средняя плотность грунтаплотины, г/смпостоянный коэффициентвысота плотины, м;. Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано для контроля за состоянием земляных плотин в процессе их эксплуатации, Прочность и устойчивость этих плотин определяется, в основном, свойствами слагающих их грунтов, причем в наибольшей степени таким их свойством как плотность.Уменьшение этого параметра даже на отдельном участке тела плотины на 1-2 означает, что в плотине возникли зоны разуплотнения и трещинооб разования, хотя и неопасные о точки зрения немедленного прорыва напор- . ного фронта, однако могущие повлечь развивающиеся во времени процесссы аэмыва тела плотины Фильтрационным потоком,Йзвестен способ определения динамических характеристик плотины, в частности ее резонансной частоты, включающий запись колебаний основания плотины при землетрясениях и определение по этой записи частотной ха" рактеристики плотины 1 .Этот пособ основан на известных соотношениях, связывающих спектральные характеристики "входного" и "выходного" сигналов объектов с их динамическими свойствами..В качестве "входного" сигнала принимается запись колебаний ее осно вания при земпетрясениях, а "выходным" сигналом служит запись колебаний одной из точек сооружения, Оценки частотной характеристики плотины получают, в частности, делением спектра "выходного" сигнала на спектр "входного", с последующим выявлением из этой характеристики частоты резонансных колебаний (далее резонансной частоты). длина плотины по гребню, м;Я - коэффициент Формы каньона, которыЯ равен.3 1+ КД= 1+К+КЕгде К = -огде Е - длина плотины по основанию,м.3. Способ по пп, 1 и 2, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что спектральный анализ посредством преобразования Фурье осуществляют в диапазоне частот 0,5-2,0 ориентировочно определенной резонансной частоты. Однако спектральные особенностисейсмического сигнала приводят ктому, что значения резонансных частот, определенные по записям раз личных землетрясений, различаютсяна 10-15.Известен также способ определения резонансной частоты грунтовойплотины, включающий регистрацию ко 101 лебаний, направленных перпендикулярно гребню плотины на, осциллограммус одновременной подачей на нее метоквремени, спектральный анализ колебаний и определение по максимальнойординате спектральной плотностичастот резонансной. частоты 2; Способ предусматривает периодическую регистрацию микроколебаниймагнитоэлектрическими сейсмоприемниками с осциллографами и гальванометрами. При этом регистрацию проводят в нескольких точках основания,и гребня плотины, а разница значений меток времени, подаваемых на осциллограмму в каждый сеанс регистрации, составляет 1-2,Во всех точках запись ведут потрем составляющим: параллельной осиплотины - У, перпендикулярной осиплотины - Х и вертикальной - Е, Затем результаты регистрации подвергаютспектральному анализу, для чего визуально определяют периоды колебанийна отрезке продолжительностью 30 с,все значения периодов разбивают наинтервалы так, чтобы их средние значения для каждого интервала различались между собой на 20, После этогостроят графики повторяемости перио 4 О дов и зависимости максимальной амплитуды от периода,По полученным графикам определяют основную резонансную частоту пло1008346 тины. выделяя в спектре частоту, соот. ветствующую максимальной ординате спектральной плотности,Известный способ не может быть при. менен для контроля за изменением характеристик грунтов тела плотины в процессе ее эксплуатации и, как следствие, не позволяет прогнозировать возможность развития опасных деформаций плотины.Это обусловлено следующим.Средняя плотность грунтасвязана со скоростью распространения в нем поперечных волн в грунте У зм 5 пиоическим соот ноше нием: 15 22 Ч Р ( В свою очередь ЧВансной частотой плотиемЧ1,Оое"- ГБ20 где 1 е- резонанссредняяг/см ана с р соотнош Ц)тов я частота,отность гру козффтины,ины пот форределя т; постоянны высота пл длина пло коэффицие который о соотношен а Н ицием;гремы кается деа Н Я 3 резонанснапостоянный высота пло длина плот козффициен который оп отношения тота;коэффициент;ины, м;ны по гребнюформ каньонаеделяется из я час 25 ню,мьона,из т 3 30+ де огде Е - длина плотины по основанию,м.Кроме того, спектральный анализпосредством преобразования Фурьеосуществляют в диапазоне частот0,.5-2,0 ориентировочно определеннойрезонансной частоты.4 О На фиг. 1 изображена схема плотины с измерительными точками (ИТ), вкоторых установлена сейсмометрическайаппаратура; на фиг. 2 и 3 - синхронные записи микроколебаний, получен 45 ные в разных опытах, относящиеся кточкам ИТ 4 и ИТ 2 соответственно;на фиг. 4 - 7 - то же, относящиесяк точкам ИТ 6, ИТ 5, ИТ 4, ИТЗ соответственно; на. фиг, 8 - спектры колебаний плотины, полученные по записям;сделанным в смотровых галереях первого и второго ярусов; на фиг. 9-11то же, в точках ИТЗ, ИТ 4, ИТ 5 соответственно; на фиг. 12-15 - спектры,выполненные по записям, сделаннымв разных опытах; на фиг, 16 - спектры колебаниЯ плотины при различнойплотности грунта, которые характеризуют зависимость изменения резонансной частоты при возможном изменении60 плотности грунта наффО,5,ос б ре ся следующим об А - коэффиканьона и лот нос ю резо отност очносизмене ит к сшиб алжточ авля способе упоминавшиеся визуальное определе-ная разница средодов, на которые 5позволяют получить я, равную лишь и 20 пери рвалы едрени ниенособастояплуаСп разом. Сна даннымализуЕт о тем, что ретральпый ь достигаетс колебанийсп о имеющимся пр итывают ориент ктиымовочное ала рас(длина плотины по основанию м) В итоге Ере= АЧ,,циент, учитывающий форгеометрию плотины. Следовательно, изменение и ти грунта приведет к изменени нансной частоты плотины, а пл является основным условием пр ти земляных плотин. При этом ние плотности на +0,2 привод изменению резонансной частоты+0,9. Из этого следует, что определения резонансной часто на быть не более .1 или инач ность определения должна сост не менее 1). В известном выше факторы -ние периодов них значений разбиты инте точность изм 20-30. Цель изобретения - расшире функциональных возможностей с пуФем обеспечения контроля со ния плотины в процессе ее экс тации, " Эта цел я гистрацию еканализ и определение по максимальнои ординате спектральной плотности час-. тот резонансной частоты производят периодически, причем разница значений меток времени при каждом опыте составляет не более 0,5, а спектральный анализ осуществляют с помощью преобразования Фурье с шагом счета спектра по частоте, равным 0,002-0,003, ориентировочно определенной резонансной частоты, после чего по изменению резонансной частоты судят об изменении плотности грунта плотины.Плотность грунта плотины определяют иэ следующей зависимостиприближенное значение Е пользуясь соотношением , после чего приступают к регистрации микроколебаний плотины. Для этого в различных точках устанавливают сейсмометрическую аппаратуру, причем сейсмометры ориентируют для записи колебаний плотины, направленных поперек ее гребня. Отмет чик времени маркируют с помощью генератора для получения меток времени с необходимой точностью, после 10 чего начинают запись.Все указанные действия производят при кажцом опыте регистрации, повторяющимся многократно. Полученные записи подвергают спектральному 5 анапизу для выделения частоты гармонических колебаний. Спектральный анализ осуществляют посредством преобразования Фурье в диапазоне частот 0 р 5 20 Юре с шагом счета спектра 20 по частоте равным 0 002 0003 фэф выделяя участок записи -у с.Расчет интеграла Фурье осуществляют на основе алгоритма быстрого преобразования Фурье непрерывной 25 функции, заданной в виде числовой последовательности ординат в Х2" точках, Затем.на каждом из полученных спектров выделяют частоту, соответствующую значению наибольшей ординаты спектральной плотности, которая н является искомой резонансной частотойСопоставление двух последовательных значений Г эпоэволяет судить об изменениях плотности грунта эа время, прошедшее между опытами: регистрации, ооответствующими этим значениям, на основании зависимости40 Значительное (в пределах 1,0) изменение плотности должно служить сигналом о необходимости уточнения состояния плотины с последующим изменением условий ее работы, Для этого можно, например, понизить уровень воды в водохранилище и прбвести контрольный отбор проб грунта из шурфов с целью Определения абсолютных значений его плотности извест. ными методами.Уменьшение разброса значений меток времени до 0,5% повышает достоверность результатов определения резо. нансной частоты плотины,Селективность преобразования поз воляет Выделить из колебаний, которые рассматриваются как сумма гармонич ного и стационарного случайного процессов, гармоническую компоненту.Использование зависимости, связывающей резонансную частоту и плот ность, позволяет, контролировать их 5,изменения не только в качественном,но и в количественном плане,Использование составляющей вектора колебаний плотины, направленнойпоперек ее гребня, позволяет наиболееточно (по сравнению с использованиемдругих составляющих) фиксировать значение резонансной частоты.Выделение определенного участкарегистрационной записи и ограничение величины шага счета, спектра почастоте позволяет дополнительно повысить точность определения 1 еэ эасчет усиления выразительности рельефа спектра; ограничение диапазона.частот, в которомосуществляют преобразование, позволяет упроститьопределение резонансной частоты дляконкретного сооружения,Использование преобразования Фурьенаиболее просто (по сравнению с другими преобразованиями) для осуществления спектрального анализа, в силутого, что алгоритм этого преобразования является одним из наиболее разработанных.Предварительное ориентировочноеопределение резонансной частоты позволяет осуществить упомянутые ограничения, что, в конечном итоге, ведетк оптимизации спектрального анализа,П р и м е р. Определение динамической характеристики плотины Нурекской ГЭС. Проектные данные плотины:1., - 600 м, Н - 290 м, Я - 3/2,а - 2,5, Ъэ - 700 м/с.Конструкция плотины включаетцентральное водоупорное суглинистоеядро,. опирающееся на бетонную пробку,переходные зоны, упорные прйэмы изгалечника и каменные пригруэки верхового и низового откосов, В телеядра на разных уровнях устроены двесмотровые галереи, которые располагаются по ее -бси от борта к борту(фиг. 1).Источником микроколебаний плотиныслужит, в основном, водосброс черезтуннели комплекса водосбросных сооружений.Расчет резонансной частоты плотины по формуле (1) дает значение1,55 Гц (после подстановки проектныхданных),Регистрацию колебаний осуществляют с помощью сейсмометров СМи гальванометров ГБУ-Ссо светлолучевыми осциллографами ПОБ. Скоростьпротяжки фотобумаги составляет 4 см/с,Аппаратура резмещается в следующихизмерительных точках (ИТ) - в бетонной пробке под ядром плотины - ИТ 1,в смотровых галереях первого - ИТ 2 ивторого - ИТЗ, ИТ 4, ИТ 5 ярусов, атакже на скальном массиве ИТ 6, Разме.щение измерительных точек показанона фиг.1. Сейсмометры ориентируют1008346 Фи для регистрации горизонтальных колебаний плотины поперек ее гребня. Синхронизацию записей в галереях ведут с помощью отдельной магистрали, в которую во время записи с периодичностью 5-б с подают синхронизирующие импульсы. Длительность записи составляет 1,5-2,0 мин. Регистрация прово-. дится на протяжении двух месяцев в течение 20 сеансов-опытов.На фиг. 2-7 в качсстве примера 0 приведены синхронные записи микроколебаний, полученные в разных опытах,причем записи (фиг. 2 и 3) относятся к точкам ИТ 4 и ИТ 2 соответственно, а записи (фиг. 4-7 относятся к точкам 15 ИТб, ИТ 5, ИТ 4, ИТЗ соответственно,После проявления и закрепления изображения кривыхна фотобумаге, каждая аналоговая запись, длительностью не менее 30 с, дискретизируетО ся и табулируется вручную с помощью специальной палетки и четырехкратной лупы; шаг цифровки составляет 0,1 с. Полученная таким образом числовая последовательность используется для расчета спектра фурье исходной функции, которая проводится с помощью вычислительной машины.В используемой программе диапазон частот, в котором осуществляется преобразование, составляет 0,75-3,1 Гц, шаг счета спектра по частоте принимается равным 0,004 Гц.На фиг, 8 представлены спектры колебаний плотины, полученные по записям, сделанным в смотровой галерее .второго яруса - кривая А и первого яруса - кривая Б, Аналогичность рельефа обоих спектров говорит о том, что колебания плотины носят не локальный характер, а что в движение вовлекается вся ее масса. Это позволяет считать частоту, соответствующую максимальной ординате спектральной плотности, резонансной частотой. Аналогично получены спектры (фиг. 9-15).Из полученных спектров определяют основную резонансную частоту плотины; она соответствует максимальному значению ординаты спектральной плотности и составляет 1,025-1,035 Гц. Разница значений находится в пределах. ошибки измерения " 0,4, Это позволяет сделать вывод о том, что эа исследуемый период времени состояние плотины оставалось неизменным.На фиг. 16 приведены спектры колебаний плотины при различной плотиос" ти укладки грунта, которые характеризуют зависимость изменения резонанс ной частоты при возможном изменении плотности на +0,5.Применение предлагаемого способа дает возможность прогнозировать деформации земпяных пластин, возникающие при резком изменении уровня водохра- нилища, а также в результате землетрясений, поскольку амплитуды сейсмических колебаний при землетрясениях даже в 2-3 балла в 100 раэ больше микроколебаний. Это особенно важно ввиду того, что визуальные и геодезические оценки повреждений плотины при этом могут оказаться недостаточными.гх О 4 ъ аслюза гщ ниип ент", г.Ужгород,ул.Проектна лиал. ПП Фиг Юакаэ 2288/40 Тираж 671 Подписи