Введение
Несущая способность эксплуатируемых причальных сооружений в большинстве случаев существенно отличается от проектного значения. Причинами этого являются несовершенство использованных методов расчетов, отличие геометрических и других параметров возведенного сооружения от заложенных в проект, несоответствие расчетных и действительных физико-механических характеристик грунтов и конструкционных материалов, наличие различных локальных повреждений конструкций.
В практике эксплуатации часто возникает необходимость оценки действительной несущей способности набережных для уточнения требуемого режима использования причалов. В большинстве случаев это связано с задачей выявления резервов пропускной способности действующих причалов.
Накопленный исследовательскими и проектными организациями опыт позволил сформулировать основные положения методики определения несущей способности существующих причальных набережных различных типов с учетом их действительного технического состояния, имеющейся по ним технической документации и т. д.
Рекомендуемая действующими нормативными документами методика прошла многолетнюю проверку на основании чего установлено, что многие положения не удовлетворяют современным требованиям и не дает возможность оценить действительные эксплуатационные качества сооружений с такой степенью достоверности и надежности, при которой возникновение аварий или аварийных ситуаций можно считать исключенным.
В настоящее время основными методами по обнаружению каких-либо дефектов (разрушений, пробоин, износа элементов) подводной части ГТС являются визуальное обследование сооружения, проводимое водолазами и видеофиксация с помощью подводных телевизионных систем [1, 2, 3]. Геометрические параметры определяются примитивными методами. Например, отклонения подводной части стенки от вертикали измеряются при помощи отвеса с грузом, опущенного в воду и закрепленного на поверхности. На отвесе через каждый метр завязаны мусинги, к которым водолаз прикладывает рейку и измеряет расстояние до стенки. Измерения, как правило, проводятся лишь в 3–5 створах по длине стенки.
Нормативная репрезентативность обследования лицевой стенки больверка
Если техническое состояние сооружения и инженерно-геологические условия являются примерно одинаковыми вдоль всего причального фронта, опытные элементы рекомендуется выбирать равномерно по длине набережной. При этом удаление крайних из них от торцов набережной следует принимать не менее 3hст, где hст — свободная высота стенки [3, 4].
При наличии существенной разницы в техническом состоянии участков причала по длине и в инженерно-геологических условиях в случае, если причальный фронт представляет собой только один причал или длина отдельных участков набережной менее протяженности одного причала, опытные элементы выбираются на участках с наихудшим техническим состоянием и геологическими условиями; в остальных случаях набережная по длине разбивается на отдельные зоны, каждая из которых рассматривается самостоятельно.
Потребное количество однотипных элементов, на которых необходимо выполнить измерения, рекомендуется определять по формуле:
где σ — среднеквадратичное отклонение; δ —требуемая точность измерений; А — параметр, учитывающий требуемую доверительную вероятность результатов измерений; Ω — общее количество однотипных элементов во всем сооружении (σ, δ, А — см. табл.1).
Таблица 1
Параметры к определению потребного количества элементов, на которых необходимо выполнить измерения
При количестве однотипных опытных элементов не более 4 несущая способность конструкции оценивается по наибольшему значению измерявшегося параметра ее напряженно-деформированного состояния (напряжения, прогибы, смещения и т. д.) и наименьшему значению прочности конструкционного материала.
При количестве однотипных опытных элементов более 4 несущая способность конструкции оценивается по величине математического ожидания (среднему арифметическому) измеренных параметров напряженно-деформированного состояния сложенной с тройным среднеквадратичным отклонением. Физико-механические параметры конструкционных материалов принимаются равными математическому ожиданию за вычетом тройного среднеквадратичного отклонения [5].
Допустимые деформации и смещения конструкций причальных сооружений
Предельно допустимые смещения и деформации портовых гидротехнических сооружений за период их эксплуатации приведены в таблицах 2 и 3
Таблица 2
Предельно допустимых смещений и деформаций портовых гидротехнических сооружений
Примечания
1) Н — высота стенки от уровня дна перед ней до верха оголовка; h — высота стенки от точки крепления анкера до верха оголовка.
2) Назначение предельно допустимых горизонтальных смещений оградительных сооружений вертикального профиля и величин компонентов предельно допустимых смещений берегоукрепительных сооружений должно производиться с учетом нормируемых значений ширины раскрытия швов между отдельными элементами.
Величину допускаемого смещения лицевой стенки причального сооружения в сторону акватории на уровне дна перед сооружением
(м), из условия недопустимости навала борта расчетного судна на лицевую стенку (рис. 1), следует определять по формуле
Uдоп = (dотб сж − hсуд·tgα − b) · hотб/hсуд2 (2)
Uдоп = (dотб сж − hсуд·tgα − b) · hотб/hсуд2 (2)
где dотб сж — поперечный размер отбойного устройства в сжатом состоянии, м;
hсуд — осадка расчетного судна, м; α — угол крена судна;
b — допускаемый зазор между бортом расчетного судна и лицевой стенкой; b≥0,15 м;
hотб — высота лицевой стенки от уровня установки отбойных устройств до уровня дна перед сооружением, м.
Рис. 1 Схема определения допускаемого смещения лицевой стенки причального сооружения [1, 2] на условия навала расчетного судна. 1 — лицевая станка причального сооружения; 2 — уровень дна перед сооружением; 3 — расчетное судно; 4 — отбойное устройство в сжатом состоянии.
Таблица 3
Допустимые деформаций и смещения конструкций причалов
Современные технологии обследования лицевой стенки больверка и операционной акватории
Как было отмечено, причальные сооружения включают в свой состав как подводную, так и надводную части. Наиболее трудоемким и затратным является процесс определения технического состояния подводной части сооружения и операционной акватории. В состав работ по освидетельствованию подводной части причалов входят фиксация разрушения конструкции, прогиба лицевой стенки, сверхнормативных горизонтальных смещений, размывов дна, выносов грунта засыпки, определение коррозионного износа и т. д.
Организация работ по обследованию подводных частей причальных сооружений выполнятся инженером-гидротехником с непосредственным привлечением предприятий, которые обладают необходимым оборудованием, квалифицированным персоналом для водолазных работ и применения телеуправляемых подводных аппаратов. Само обследование можно разделить на [7]:
- визуальный метод (органолептический анализ), который позволяет выявить поверхностные коррозии, обрастания конструкций, трещины, и других видов разрушений бетонных конструкций, размывов грунтовых оснований, оползневых явлений на откосах, накоплений иловых отложений и посторонних предметов на дне сооружений, при отсутствии прямого безопасного доступа водолаза к обследуемому объекту применяются телеуправляемые подводные аппараты;
- приборно-инструментальным методом, которым производится контроль поверхности дна, определение месторасположения посторонних предметов на дне; при общем удовлетворительном состоянии конструкций производится исследование прочности бетона выборочно (не менее чем у 10 % конструкций) неразрушающими методами контроля с использованием ультразвуковых и ударно-импульсных приборов.
Определяющим документом проведения таких обследований является техническое задание, в котором отражается цель и объем работы. Организацией осуществляющей подводное обследование сооружения в зависимости от поставленной задачи выбирается методика осмотра, в которой учитывается специфика подводных погружений и применение оборудования. Ввиду того что, стоимость работ под водой весьма велика (смена в 4 часа нормативно оплачивается в 35-45 тыс. рублей) наиболее используемым является предварительный осмотр, который занимает меньше времени но в какой-то степени дает возможность оценить общее состояние сооружения что позволяет в дальнейшем определить необходимость детального осмотра и последовательности работы.
Как уже было отмечено нормативная база с прошлого века остается неизменной, такая же ситуация при водолазном обследовании где перечень оборудования применяемого при обследовании не меняется порядка 30 последних лет [6] выполняется при помощи водолазных метров, в качестве которых используются обычные пластиковые, металлические или инструментальные линейки. Замеры зазоров, швов между конструкциями осуществляется водолазным равнобедренным клином. Для особой точности применяется рычаговый щелемер где соотношение рычагов 1:4 позволяет выявить изменение ширины шва с точностью -+ 0,5 мм
Одной из самых трудоемких операций обследований является определение наклона вертикальной конструкции, где практически всегда ввиду экономичности для замера используется линь или водолазная линейка. Измерения наклона выполняются согласно рис. 3б с привязкой к базисной линии, закрепленной на сооружении вдоль линии кордона. Положение базисной линии определяется относительно опорных пунктов геодезической сети планово-высотного обоснования, в которой определено положение линии кордона сооружения по проекту [ГОСТ Р 54523 — 2011]. Для автоматизации проведения работ «Санкт-Петербургским государственным университетом водных коммуникаций» был разработан НИДС-1 для измерения деформации упругой оси шпунтовых стенок (рис 2).
Рис. 2 Контрольно-измерительная аппаратура: а) — ручной водолазный уклономер; б) — измерительный прибор НИДС-1
Прибор состоит из четырех рельсовых направляющих и жесткой штанги. Процесс измерения довольно прост, штанга закрепляется на шпунтовой стенке, где каретка устанавливается в строго фиксированной точке, соответственно упорная головка вводится в контакт со шпунтовой стенкой. Использование данного прибора также возможно и на как на металлических, так и бетонных лицевых стенках. При этом для более точного измерения применяются электронные подводные уклономеры.
Данный состав обследований имеет существенные недостатки, такие, как малая информативность и точность, что обусловлено как несовершенством методики, так и наличием целого ряда неблагоприятных факторов, ухудшающих видимость: мутность, волнение, необходимость нахождения рядом с конструкцией, малый угол обзора и другие. В связи с этим, выводы о состоянии подводной части сооружения, как правило, носят качественный декларативный характер, а результаты обследований ввиду отсутствия количественной оценки не могут быть использованы в системе мониторинга.
На сегодняшний день проведено достаточное большое количество обследований причалов в рамках проведения паспортизации и комплексных оценок технического состояния причалов по рассмотренным выше нормативным методикам. Для корректного обоснования перспективных направлений развития или смены технологий рассмотрим результаты проведения водолазных обследований ведущими изыскательскими измерительными центрами РФ, например ООО «Балтморпроект» СПб.
В результате анализа результатов 20-ти летней работы водолазов испытательного центра ООО «Балтморпроект» по обследованию подводной части причалов европейских регионов РФ, проведенного по методике [ГОСТ Р 54523 — 2011] установлено, что:
- для металлических причальных набережных типа больверк при глубинах у причала 6-13 м упругая линия шпунта носит криволинейное очертание качественно удовлетворительно согласующееся с результатами лабораторных экспериментов В.Н. Ренгача (рис.3 а).
Рис 3. Результаты измерения упругой линии шпунта Причал №101 Морской порт «Большой порт Санкт-Петербург» Стальной шпунт Ларсен-V с экраном из ж/б свай
- для железобетонных причальных набережных типа больверк при глубинах у причала 4-8 м ввиду большой жесткости шпунта и небольшой свободной высоты стенки упругая линия шпунта имеет практически линейное очертание.
Рис. 4 Результаты измерения упругой линии шпунта. Берегоукрепление головы Невских ворот (участок ПК 300,0-408,0м) железобетонный шпунт сечением 50×35 см.
По результатам проведенного анализа следует отметить, что:
— практически во всех случаях, повторные измерения, которые проводились через 3-5 лет, давали несовпадающие результаты, что существенно затрудняет оценку генезиса процесса изменения НДС конструкции;
— невозможно организовать процесс мониторинга технического состояния металлического шпунта, базируясь на нормативной методике, в которой работоспособность определяется по изменению уклона, так как упругая линия стенки представляет собой выпуклую кривую и понятие уклона не определено;
— процесс мониторинга технического состояния железобетонного шпунта следует проводить с фиксацией изменения уклона электронными уровнемерами, причем в случае необходимости в двух направлениях для оценки отклонения от вертикали и смещения шпунтин относительно друг друга.
Для проведения верификационных расчетов больверка важнейшим параметром является глубина забивки шпунта. Этот параметр корректно определяется проведением сейсмо-акустических испытаний одиночных свай, однако, для свай объединенных в стенку, решения не существует, поэтому при построении 3-D численной модели «сооружение — основание» необходимо провести калибровку по горизонтальным перемещениям и деформациям.
Технология технического контроля в зоне переменного уровня воды
Практически все методы технического контроля и восстановления конструкций в зоне переменного уровня воды и в подводной зоне требуют широкого использования труда водолазов. Применяемые при обследовании специальные измерительные средства и приспособления дают большие погрешности из-за отрицательного влияния водной среды. Во всех случаях приходится производить тщательную расчистку обследуемых элементов от обрастания, следов коррозии и других продуктов разрушения материалов вручную с помощью скребков и карчеток. Часто обследуемые зоны конструкций располагаются в труднодоступных местах с опасной для водолазов концентрацией различных загрязнений. В ряде случаев невозможно получить приемлемые результаты из-за неблагоприятных природных условий в районах расположения причалов (мутность воды, быстрое течение).
Рис. 5 Схема шпунтовой гермокамеры [8]
Новые природоохранные технологии обследования и ремонта причальных сооружений, разработаны д. т. н. И.О. Алексеевым АО ГТ «Морстрой» с учетом результатов критического анализа и теоретического обобщения отечественных и зарубежных примеров обследования и ремонта разнообразных гидросооружений.
Основой новых технологий являются специальные устройства — гермокамеры (рис. 5). Под гермокамерами понимаются корпусные устройства с незамкнутой рабочей камерой, обладающие собственными запасами плавучести и способные прикрепляться к конструкциям портовых ГТС для выполнения работ в зоне переменного уровня воды [8].
Эти устройства доставляются к месту проведения работ, спускаются с помощью крана на воду, далее наплаву (или на плавсредствах) транспортируются к сооружению, крепятся к конструкциям сооружения, герметизируются и осушаются. Таким образом, обеспечивается свободный доступ к подводным частям сооружений для осмотра, проведения инструментальных исследований и последующего превентивного ремонта.
Данные технологии обладают следующим основным преимуществами:
- обеспечивается проведение качественного обследования и ремонта шпунтовых стенок портовых ГТС в суховоздушных условиях;
- используются безопасные для рабочего персонала методы с минимально короткими сроками исследований без вывода сооружений из эксплуатации;
- исключаются загрязнения окружающей водной и воздушной среды;
- используется компактное и высокомобильное оборудование с возможностью его быстрого перебазирования от одного сооружения к другому.
Направление совершенствования методик определения технического состояния тонких причальных стенок
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о несоответствии используемых методик обследования современным требованиям. В связи с этим необходима разработка экономически обоснованных решений с целью внедрения технологий по фиксации геометрических параметров подводной части сооружения и идентификации дефектов.
Решение данных задач возможно с использованием лазерных систем подводного видения (ЛСПВ), излучающих в сине-зеленой области спектра.
В настоящее время подводные телевизионные системы, как обычные, так и лазерные, широко используются для самых разнообразных целей [9]. Для подводно-технических работ применяют следующие основные типы телевизионных систем:
- малогабаритные переносные водолазные камеры (на глубинах до 30–40 м);
- стационарная подводная аппаратура (на дне моря);
- установки для подводного поиска, помещаемые на буксируемых снарядах (скорость буксировки обычно составляет 1–2 узла);
- подводные самоходные телевизионные камеры.
По характеру способов развертки и различию характеристик направленности передающего и приемного устройств возможны три варианта построения ЛСПВ (рис. 6):
Рис. 6. Классификация систем подводного телевидения по диаграммам направленности: И — точка расположения источника излучения; О — оптический центр приемной оптической системы; Д — фотодетектор; S — плоскость предмета наблюдения
1 — источник подсветки имеет узкую диаграмму направленности, а оптический приемник — широкую, 2 — источник имеет широкую диаграмму направленности, а приемник — узкую. 3 — обе диаграммы узкие. Частным случаем системы 2 является телевизионная система, в которой источником подсветки является естественное излучение.
В системе 1 фотодетектором служит фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Изображение формируется в результате сканирования пространства узким (лазерным) пучком света и последующего воспроизведения мощности поступающего на ФЭУ сигнала как функции направления оси пучка.
Размер элементов, на которые разлагается изображение, определяется углом начальной расходимости пучка подсветки (2Δφ), а угол обзора ограничивается апертурным углом приемника (2Δψ), равным 2Δψ=2arctg (dфк/2f), где dфк — диаметр рабочей части фотокатода ФЭУ, f – фокусное расстояние объектива (см. рис. 1).
Система типа 2 может быть выполнена на основе передающей телевизионной трубки или электронно-оптического преобразователя (ЭОП), работающего в режиме усилителя яркости. Источник излучения равномерно освещает плоскость предмета в пределах угла обзора (2Δφ). Разложение изображения в системе с передающей телевизионной трубкой осуществляется «бегущим» электронным пучком после предварительного накопления сигнала на мишени, а в ЭОП — за счет параллельного приема на большое число независимых диаграмм. Ширина приемной диаграммы в обоих случаях определяется формулой 2Δψ=2arctg (dэл/2f), где dэл — размер элемента изображения в плоскости фотокатода. Число элементов в кадре в системах типов 1 и 2 определяется соотношением N = d2фк/ d2эл.
В системе 3 фотодетектором служит ФЭУ. Она отличается от системы 1 только тем, что приемник имеет узкую диаграмму направленности, которая сканируется синхронно с пучком подсветки так, чтобы ее ось «следила» за точкой пересечения оси пучка с плоскостью объекта. Угол обзора в этой системе определяется углом сканирования, а число элементов в кадре — соотношением между телесными углами обзора и диаграммы направленности приемника.
Во всех типах рассматриваемых систем могут использоваться как непрерывные, так и импульсные системы подсветки.
Наибольшую дальность видимости (при наблюдении объектов на фоне толщи воды или темной подложки) обеспечивают импульсные системы типа 1 и 2 за счет подавления помехи обратного рассеяния в результате стробирования. Импульсная система 1 имеет большую дальность видимости, чем импульсная система 2 за счет больших размеров входного зрачка, однако условием практической реализации такой системы является создание промышленных образцов сине-зеленых лазеров с высокой средней мощностью и большой частотой повторения импульсов.
Сравнительный анализ характеристик ЛСПН различных типов, позволил сделать вывод о том, что для организации электронно-оптической системы мониторинга (ЭОСМ) состояния видимых подводных частей ГТС наиболее простой для практической реализации является система типа 2.
Для определения возможностей такой ЛСПВ и выявления особенностей их применения в натурных условиях была разработана и исследована лабораторная модель такой системы [10].
Структурная схема ЛСПВ приведена на рис. 7. Работа лазера осуществляется в импульсно-периодическом режиме с частотой следования импульсов до 10 Гц от встроенного генератора. Возможно осуществление запуска от внешнего генератора.
Рис. 7. Структурная схема ЛСПВ
Световой импульс, пройдя светоделитель и формирующую оптическую систему, осуществляет подсветку объекта. На данном этапе предполагается использовать сменные объективы для осуществления режима наблюдения и распознавания.
Незначительная часть светового потока (~ 0.5 %) отражается светоделителем на фотоприемник, с помощью которого формируется сигнал синхронизации для управления работы стробируемой камеры «Nanogate GS», подаваемый на Вход «Пуск». В качестве фотоприемника используется скоростной pin-диод с полосой ~ 500 МГц. Камера Nanogate GS связана с ЭВМ кабелем, по которому осуществляется обмен сигналами для управления временем открытия камеры и передача видеосигнала для обработки.
Для оперативного наблюдения изображения объекта и принятия решения оператором, видеосигнал отображается на TV мониторе. Оптическая система приемного тракта, также как и лазерная, использует сменную оптику.
В видеосистеме была предусмотрена возможность ввода изображения в компьютер для дальнейшей обработки видеоизображения. Обработка информации производилась с помощью специально разработанного программного обеспечения.
Компьютерное управление работы ЛСПВ дает возможность реализовать оптимальный алгоритм подсвета объекта, приема и обработки сигнала, минимизирующего действие сильного рассеяния в воде.
Внешний вид элементов системы и её внешний вид в процессе натурных испытаний показаны на рис.8 (а,б).
Рис.8 Видеокамера в боксе и общий вид смонтированной установки.
Пример изображения получаемого с помощью систем лазерного видения показан на рис. 9. Для сравнения на рис.10 приведено это же изображение, полученное с помощью обычной видеокамеры.
Проведенные в СПбПУ и СПБГУВК (ГУМРФ) исследования разработанной лабораторной модели импульсной ЛСПВ позволяют сделать выводы о том, что предложенная модель ЛСПВ позволяет:
1. Получать достаточно качественное изображение подводной поверхности исследуемого объекта с точной фиксацией геометрических параметров и идентифицированием дефектов этой поверхности.
2. Проводить работу на удалении от объекта исследования до 10 метров, в зависимости от состояния водной среды.
Из существующих зарубежных технологий можно отметить разработанный Финской компанией VRT Finland Oy метод проведения обследования акваторий и подводных сооружений, который основан на использовании многолучевого гидролокатора с боковым обзором в комплексе с эхолотом и последующей обработкой результатов, где применяется информационная платформа, разработанная также в Финляндии на базе 3D-CAD и BIM-технологии [11].
Рис. 11 Визуализация изображения причального сооружения по результатам обследования []
Технология компании VRT Finland Oy основана на том, что исследования проводятся с использованием многолучевого гидролокатора с боковым обзором (работающего с частотой 700 кГц) установленного на судне или со стационарной базы на причале с использованием фиксированного эхолота (с частотой 1300 кГц). По окончанию обследований составляется детальный отчет, в котором обозначаются различные повреждения, которые требуют ремонта, сам результат имеет привязку к системе координат. Основная решаемая задача – определение качественной ситуации для составления алгоритма более детального обследования для определения действительного технического состояния конструкций.
Выводы
Практика показывает, что качественно проведенный технический осмотр причальных сооружений, достоверно отражающий текущую ситуацию, способствует превентивному проведению ремонтно-строительных работ, а также обеспечивает оптимальные финансовые и временные затраты.
За последние годы проводится достаточно много исследований связанных с обследованиями отдельно взятых конструктивных элементов или модернизации в целом, при этом отсутствуют работы, в которых анализируются последствия неправильной оценки технического состояния и возможные методы отслеживания корреляции между результатами технического осмотра и ранее проведенных осмотров. То есть результаты исследований или не сопоставимы или образуют нерепрезентативный ряд.
Устранить этот существенный недостаток возможно за счет широкого использования информационных технологий и организации непрерывного мониторинга.
Для мониторинга технического состояния подводной части сооружения наиболее перспективным является использование лазерных систем подводного видения.
Литература
1. ГОСТ Р 54523-2011 Портовые гидротехнические сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния. — Введ. 2012-03-01. — М.: Стандартинформ, 2012.
2. ГОСТ Р 55561-2013 Внутренний водный транспорт. Портовые гидротехнические сооружения. Требования безопасности М.: Стандартинформ, 2015 год
3. Технический регламент «О безопасности объектов внутреннего водного транспорта», утвержденный постановлением Правительства РФ № 623 от 12.08.2010 г.;
4. Технический регламент «О безопасности объектов морского транспорта», утвержденный постановлением Правительства РФ № 620 от 12.08.2010 г.
5. Методические указания по определению несущей способности существующих причальных набережных. Ленинград, ЛО «Транспорт», 1978г.
7. Гарибин П. А., Егоров С. В., Федяшов А. В. Срок службы ГТС водного транспорта и проблемы их рациональной эксплуатации.// Гидротехника. XXI век №3(50) 2021г. с 38-43
8. Алексеев И. О. Ремонт портовых гидротехнических сооружений. СПб.: Изд-во
ОАО «ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева», 2001. 141 с.
9. Основы импульсной лазерной локации / Под ред. В.Н. Рождествина – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 512 с.
10. Аксенов Е. Т., Гарибин П.А., Камаев Р. С. Электронно-оптические системы мониторинга (ЭОСМ) технического состояния подводной поверхности ГТС. Техника для строительства и эксплуатации ГТС. Серия специализированных каталогов «Техника 100 процентов»., 2008, С 18-22.
11. https://www.vrt.fi/