Способ определения резонансной частоты грунтовой плотины

 

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЫ ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ, включающий регистрацию колебаний, направленных перпендикулярно гребнюплотины на осциллограмму с.одновременной подачей на. нее меток времени. спектральный анализ колебаний и определение по максимальной ординате спектральной плотности частот резонансной частоты, отличающий с я тем, что, с целью, раслиирения 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 j спектра по частоте, равным 0,002 СО 0,003, ориентировочно определенной резонансной частоты, после чего по изменению резонансной частоты судят об изменении плотности грунта : плотины.

,.Я0„„1008346 А

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК Д) Е 02 В 7/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPGH0MV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2 ) 2982333/29-15 (22) 15.09.80 (46) 30.03.83. Бюл. 9 12 (72) Ю.Л. Заславский и Н.M. Александ. рова . ;71) Институт сейсмостойкого строительства и-сейсмологии AH Таджикской ССР .(53) 627,82(088.8) (56) 1. Дженкинс Г., Ваттс Д. Спектральный анализ и его приложения. М., "мир", 1972 „ вып. 2, с. 287.

2. Колебания земляных плотин.

:"Вопросы инженерной сейсмологии".

iC5 AH СССР, вып. 11, M. "Наука", 1967, с. 20-43 (прототип). (54) (57) 1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЫ ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ, включающий регистрацию колебаний, направленных перпендикулярно гребню: плотины на осциллограмму с одновременной подачей на, нее меток времени, ;спектральный анализ колебаний и определение по максимальной ординате спектральной плотности частот резонансной частоты, о т л и ч а ю щ и йс 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 0,5Ъ, а спектральный анализ осуществляют с помощью преобразования Фурье с шагом счета Е

C 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.

100834б а,+ — Я

21? Н где а

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 плотиI u,; средняя плотность грунта плотины, г/см постоянный коэффициент высота 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 1-2Ъ означает, что в плотине возникли зоны разуплотнения и трещинооб разования, хотя и неопасные а точки зрения немедленного прорыва напор- . ного фронта, однако могущие повлечь развивающиеся во времени процесссы размыва 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 характеристики 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;

9, - коэффициент формы каньона, которыЯ равен.3 1 + К

1+ К+

L где К .о где L — длина плотины по основанию,м.

3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю шийся тем, что спектральный анализ посредством преобразования Фурье осуществляют в диапазоне частот 0,5-2,0 ориентировочно определенной резонансной частоты.

Однако спектральные особенности сейсмического сигнала приводят к тому, что значения резонансных частот, определенные по записям раз5 личных землетрясений, различаются на 10-15%.

Известен также способ определения резонансной частоты грунтовой плотины, включающий регистрацию коfQ лебаний, направленных перпендикулярно гребню плотины на, осциллограмму с одновременной подачей на нее меток времени, спектральный анализ колебаний и определение по максимальной ординате спектральной плотности частот резонансной. частоты (2g

Способ предусматривает периодическую регистрацию микроколебаний магнитоэлектрическими 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 1-2Ъ.

Во всех точках запись ведут по трем составляющим: параллельной оси плотины — Y, перпендикулярной оси плотины — Х и вертикальной — Z. Затем результаты регистрации подвергают спектральному анализу, для чего визуально определяют периоды колебаний на отрезке продолжительностью 30 с, все значения периодов разбивают на интервалы так, чтобы их средние значения для каждого интервала различались между собой на 20%. После этого строят графики повторяемости перио40 дов и зависимости максимальной амплитуды от периода. По полученным графикам определя ют основную резонансную частоту пло1008346 тины. выделяя в спектре частоту. соответствующую 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 грунта Р связана со скоростью распространения в нем поперечньх волн в грунте У зм5 пирическим соот ноше нием:

15 (3 = 2,2 V

В свою очередь УВ связана с резонансной частотой плотины соотношением п .Н 20 (1) э де рез а

Lo

Я резонансная частота; постоянный коэффициент; высота плотины, м; длина плотины по гребню, м; коэффициент форм каньона, который определяется иэ соотношения 30

3 1+к

1 + К + К

L где К о где L — длина плотины по основанию,м.

35 Кроме того, спектральный анализ посредством преобразования Фурье осуществляют в диапазоне частот

0,.5-2,0 ориентировочно определенной резонансной частоты.

4О На фиг. 1 изображена схема плотины с измерительными точками (ИТ), в которых установлена сейсмометрическая аппаратура; на фиг. 2 и 3 — синхронные записи микроколебаний, получен45 ные в разных опытах, относящиеся к точкам ИТ4 и ИТ2 соответственно; на фиг. 4 — 7 — то же, относящиеся к точкам ИТ6, ИТ5, ИТ4, ИТЗ соответственно; на. фиг. 8 - спектры колебаний плотины, полученные по записям; сделанным в смотровых галереях первого и второго ярусов; на фиг. 9-11 то же, в точках ИТЗ, ИТ4, ИТ5 соответственно; на фиг. 12-15 - спектры, выполненные по записям, сделанным в разных опытах; на фиг. 16 — спектры колебаниЯ плотины при различной плотности грунта, которые характеризуют зависимость изменения резонанс ной частоты при возможном изменении

60 плотности грунта на +0,5%.

Я =

1+ К

Способ реализуется следующим об. разом.

Сначала по имеющимся проектным у данным рассчитывают ориентировочное

L (длина плотины по основанию м) о

В итоге pg = АУ, где А — коэффи, циент, учитывающий форму каньона и геометрию плотины.

Следовательно, изменение плотнос ти грунта приведет к изменению резонансной частоты плотины, а плотность является основным условием прочности земляных плотин. При этом изменение плотности на +0,2% приводит к изменению резонансной частоты на

+0,9%. Из этого следует, что ошибка определения резонансной частоты должна быть не более .1% (или иначе: точность определения должна составлять не менее 1%).

В известном способе упоминавшиеся выше факторы — визуальное определение периодов и 20%-ная разница средних значений периодов, на которые разбиты интервалы, позволяют получить точность измерения, равную лишь

20-30%.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей способа

nyieM обеспечения контроля состояния плотины в процессе ее эксплуатации. "

Эта цель достигается тем, что регистрацию колебаний спектралы ый

/ анализ и определение по максимальнои ординате спектральной плотности 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 спектра по частоте, равным

0,002-0,003, ориентировочно определенной резонансной частоты, после чего IIo изменению резонансной частоты судят об изменении плотности грунта плотины.

Плотность грунта плотины определяют иэ следующей зависимости где f - резонансная частота, Гц; средняя плотность грунтов, г/см

a — постоянный коэффициент;

Н вЂ” высота плотины, м;

Š— длина плотины по гребню,м;

Я вЂ” коэффициент формы каньона, который определяется из соотношения

1006346 приближенное 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 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 5 2>0 lpga с шагом счета спектра 20 по частоте, рав 0.002-0i003 fp 3. 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 Х 2" точках. Затем.на каждом из полученных спектров выделяют частоту, соответствующую значению наибольшей .30 ординаты спектральной плотности, которая н является искомой резонансной частотой

Сопоставление двух последовательных э начений Ереэ позволяет судить об 35 изменениях плотности грунта эа время, прошедшее между опытами: регистрации, ооответствующими этим значениям, на основании зависимости

o„n

Значительное (в пределах 1,03) 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 известными методами.

Уменьшение разброса значений меток времени до 0,5% повышает достоверность результатов определения резонансной частоты плотины.

Селективность преобразования поз» воляет выделить из колебаний, которые рассматриваются как сумма гармонич- 60 ного и стационарного случайного процессов, гармоническую компоненту.

Использование зависимости, связывающей резонансную частоту и плот ность, позволяет. контролировать их 65,изменения не только в качественном, но и в количественном плане, Использование составляющей вектора колебаний плотины, направленной поперек ее гребня, позволяет наиболее точно (по сравнению с использованием других составляющих) фиксировать значение резонансной частоты.

Выделение определенного участка регистрационной записи и ограничение величины шага счета, спектра по частоте позволяет дополнительно повысить точность определения f е эа счет усиления выразительности рельефа спектра; ограничение диапазона. частот, в котором осуществляют преобразование, позволяет упростить определение резонансной частоты для конкретного сооружения.

Использование преобразования Фурье наиболее просто (по сравнению с другими преобразованиями) для осуществления спектрального анализа, в силу того, что алгоритм этого преобразования является одним из наиболее разработанных.

Предварительное ориентировочное определение резонансной частоты позволяет осуществить упомянутые ограничения, что, в конечном итоге, ведет к оптимизации спектрального анализа.

Пример. Определение динамической характеристики плотины Нурекской ГЭС. Проектные данные плотины:

L — 600 м, Н вЂ” 290 м, Я - 3/2, а„ вЂ” 2,5, V — 700 м/с.

Конструкция плотины включает центральное водоупорное суглинистое ядро,. опирающееся на бетонную пробку, переходные зоны, упорные прйэмы из галечника и каменные пригруэки верхового и низового откосов, В теле ядра на разных уровнях устроены две смотровые галереи, которые распола. гаются-по ее -Оси от борта к борту (фиг. 1).

Источником микроколебаний плотины служит, в основном, водосброс через туннели комплекса водосбросных сооружений.

Расчет резонансной частоты плотины по формуле {1) дает значение

1,55 Гц (после подстановки. проектных данных).

Регистрацию колебаний осуществляют с помощью сейсмометров СМ-3 и галь. ванометров ГБ-1у-С-10 со светлолучевыми осциллографами ПОБ-12. Скорость протяжки фотобумаги составляет 4 см/с, Аппаратура резмещается в следующих измерительных точках (ИТ) — в бетонной пробке под ядром плотины — ИТ1, в смотровых галереях первого - ИТ2 и второго — ИТЗ, ИТ4, ИТ5 ярусов, а также на скальном массиве ИТ6. Размещение измерительных точек показано на фиг.1. Сейсмометры ориентируют

1008346

Фил5 для регистрации горизонтальных колебаний плотины поперек ее гребня. Синхронизацию записей в галереях ведут с помощью отдельной магистрали, в которую во время записи с периодичностью 5-6 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 приведены синхронные записи микроколебаний, полученные в разных опытах, причем записи (фиг. 2 и 3) относятся к точкам ИТ4 и ИТ2 соответственно, а записи (фиг. 4-7) относятся к точкам 15

ИТ6, ИТ5, ИТ4, ИТЗ соответственно, После проявления и закрепления изображения кривых на фотобумаге, каждая аналоговая запись, длительностью не менее 30 с, дискретизирует-20 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 пре-3< образование, 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 A 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 нри различной плотности укладки грунта, которые характеризуют зависимость изменения резонансной частоты при возможном изменении плотности на +0,5Ъ.

Применение предлагаемого способа дает возможность прогнозировать .деформации земпяных плотин, возникающие при резком изменении уровня водохра- нилища, а также в результате эемпетрясений, 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 недостаточ- . ными.

xoosaes

ДУ д

- Ф та

ОУ

08

5 -1У

М у ф «

fd

1J 27

ФЫ7

/055

ФиЕв

,ф 44zomormr, Щ

ОУ.

/О

4Duz A

Фиг. /2

1008346

ОУ

Мымра ae

4085 tV f8

Фиг. D

Ф 4mmumu гц

Фиг 88

/О 05 ф

1 ф

ВНИИПИ Закаэ 2288/40 Тираж б 71 Подписное филиал. ППП "Патент", г.Ужгород,ул.Проектная,4