ТЕХНИЧЕСКИЙ ДИРЕКТОР
ООО К2 ИНЖИНИРИНГ
ДОКТОР ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК, АКАДЕМИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ ТРАНСПОРТА, АКАДЕМИК МЕЖДУНАРОДНОЙ АКАДЕМИИ ТРАНСПОРТА
АНДРЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ БЕЛЫЙ
Введение
Морские и речные пути издревле использовались человечеством как наиболее бюджетный способ логистики (доставки) грузов и людей в любые отдалённые места. В текущее время объём речных и морских грузоперевозок в структуре российского грузо- и пассажирооборота составляет всего 2% при 63% объёма общемировых морских грузоперевозок. В современных условиях Правительство Российской Федерации начинает уделять большое внимание модернизации современной инфраструктуры портов, её реконструкции, внедрению современных цифровых технологий и методов перевалки грузотоваров. Порты приобрели возможность к активному развитию речных и морских причалов и, как следствие, других сопутствующих гидротехнических сооружений.
Регулярное постоянное воздействие неблагоприятных природно-климатических факторов (таких как сильный ветер, шторм, шквал, льдообразование и сопутствующие явления и пр.), а также техногенные воздействия судов при швартовке и стоянке на ограждающие поверхности причалов приводят к нарушению их целостности, к вымыванию заполняющего их материала, к разрушению вертикальных причальных стенок, внезапному проседанию асфальтовых покрытий автотранспортных и крановых путей, деформации опор трубопроводных коммуникаций, резервуаров хранения транспортируемых сжиженных продуктов и пр.
Возникновение внезапных деформаций инфраструктуры гидротехнических сооружений порта приводит к авариям и экологическим катастрофам, таким как разлив топлива в Норильске в 2019 г., авария в порту Усть-Луга, прорыв дамбы в Брумадинью (Бразилия) на железорудной шахте и др.
Очистка территорий загрязнения требует значительных людских усилий, больших финансовых затрат и наносит непоправимый вред окружающей среде, что, в свою очередь, негативно сказывается на качестве жизни, здоровье и благосостоянии граждан.
Как известно, мониторинг — это инструмент долгосрочных наблюдений, позволяющий значительно повысить точность, достоверность и эффективность системы контроля за деформациями и иными параметрами. Примерами использования их в современных реалиях являются различные объекты промышленно-гражданского и транспортного назначений, также как и гидротехнических сооружений и, в частности, портовых сооружений.
Целью статьи является обоснование и предложение современных решений по повышению уровня технического состояния подобных конструкций.
Задачи, которые можно сформулировать в развитие цели статьи, сводятся к следующему:
- краткое описание конструкций причалов и анализ проблем их эксплуатации;
- предложение и описание сконструированной авторами системы мониторинга;
- предложения по эксплуатации и обеспечению стабильности работы системы мониторинга.
Требования нормативных документов (методы исследования)
Согласно ГОСТ Р 54523–2011, для обеспечения безопасной эксплуатации объектов портовых гидротехнических сооружений создается система наблюдений и контроля сооружения, проводимых по определенной программе в процессе его эксплуатации в целях оценки технического состояния:
- «Мониторинг технического состояния сооружений проводят для обеспечения их безопасной эксплуатации и… принятия мер по устранению данных дефектов и нарушений» (п. 3.11.14).
- «Мониторинг технического состояния сооружений проводится… путем их регулярных и периодических технических осмотров» (раздел 6).
- «Методика и объем технических осмотров и наблюдений при мониторинге… должны обеспечивать… достоверность и полноту… информации для заключения о текущем техническом состоянии сооружений и их… безопасной эксплуатации».
- «При обследовании сооружений должны проверяться… геометрические размеры конструктивных элементов и их пространственное положение… которые не должны выходить за установленные проектом или нормативными документами пределы».
Автоматизированная система деформационного мониторинга (АСДМ) относится к инструментальному, детальному контролю.
Описание конструкции причалов
Космический снимок двух причалов, на которых была установлена автоматизированная система деформационного мониторинга причала (АСДМ причала), приведен на рис. 1 слева, поперечный разрез причала — на рис. 1 справа.
Из-за требований заказчика о неразглашении здесь не названы порт и номера причалов; отметим лишь, что гидротехнические сооружения портовой инфраструктуры расположены в Северо-Западном регионе России. Как видно из представленных схем и снимков, причал представляет собой сложную инженерную конструкцию, установленную на трубах диаметром 1220×12 с шагом 4 м, с использованием стальных анкеров по типу 63.5 ES670 по деревянным балкам и укрепленным железобетонным оголовком размером 1500×6000 мм в плане. Внутренняя полость причала заполнена песком. Для предотвращения вымывания наполнителя причал огражден металлическим шпунтом Ларсен L607n длиной 28 м, погруженным в дно акватории на 10 м. На внутреннюю часть причала нанесено гидроизоляционное покрытие из геотекстиля. По верху (в уровне проезжей/прохожей части) причалы имеют асфальтовое покрытие на щебеночном основании.
Проблемы эксплуатации причалов
Как было ранее описано, природные и техногенные воздействия на причалы (причальную стенку) приводят к деформации ограждающих конструкций из шпунта Ларсен L607n, образованию «свищей» (расхождению-разрыву соединительных замков), разрушению соединительного пояса, разрыву дренажных мембран, вымыванию песчаного наполнителя, образованию скрытых полостей и деформаций поверхности причала, транспортных путей и т. п. Это негативно сказывается на уровне безопасности портового сооружения в целом и на бесперебойном функционировании инфраструктуры портового сооружения в частности. Кроме того, не обеспечиваются требуемый режим работы транспорта, трубопроводов, безаварийность работы персонала, сохранность жидкостей в емкостях. В таких условиях становится сложнее предотвратить возможные разливы нефтепродуктов, что может привести к снижению общего уровня экологической безопасности порта.
Для постоянного контроля технического состояния причалов необходимо непрерывно проводить измерение линейных размеров и планово-высотного положения элементов конструкции причалов. Для этого на контролируемых причалах устанавливаются высотные марки для нивелирования и высокоточные марки (призмы) для планово-высотных отметок.
Описание организации и проведение типовых работ по геодезическому сопровождению (контрольные измерения) объектов в данной статье не приводятся. При выполнении этих работ требуется постоянный контроль работ исполнителями (прежде всего, за полученными данными, надлежащим состоянием измеряемого оборудования и качеством проведенного последующего анализа).
Описание установленной системы
Для снижения рутинных операций по деформационному контролю конструкций причала, повышения оперативности получения актуальной информации, своевременного принятия решений по обеспечению безопасности грузоперевалочных операций и эксплуатации инфраструктуры порта была разработана и затем реализована концепция АСДМ причала.
АСДМ причала была спроектирована и выполнена на оптоэлектронном принципе измерения расстояния P в газовой среде на отражающую поверхность геодезической марки (знака). Для увеличения точности АСДМ на контролируемые элементы были установлены специальные высокоточные светоотражающие (световозвращающие) призмы.
В основе определения прямоугольных координат наблюдаемых (контролируемых) точек электронными тахеометрами лежит полярный метод, в котором измеряются расстояние P от места расположения тахеометра до наблюдаемой точки и угол Ф. Затем вычисляются координаты по формулам:
X = P ∙ cos Ф, Y = P ∙ sin Ф.
Электронные тахеометры-автоматы имеют встроенное специальное программное обеспечение (СПО), осуществляющее в автоматическом режиме определение плановых координат и высот наблюдаемых точек. Управляющее СПО системы дает возможность многократно переопределять координаты наблюдаемых точек в течение времени и на основании накопленных данных вычислять трехмерные изменения координат (смещения, деформации), скорость смещения и другие величины. По результатам анализа изменения положения групп наблюдаемых (контролируемых) точек делаются выводы о состоянии как отдельных конструктивных элементов, так и о причалах в целом.
Для обеспечения надежности получаемых результатов выполняются многократные измерения при обязательном контроле стабильности положения электронных тахеометров-автоматов. Для контроля стабильности положения тахеометров применяются периодическое переопределение координат тахеометра методом «обратной засечки» от стабильных пунктов, закрепленных точными призмами, и при необходимости при значительном изменении положения тахеометра перерасчет его текущих координат.
Для работы АСДМ на причале установлены два тахеометра на пилонах с приборными шкафами (рис. 2).
На наблюдаемых зонах причалов — различных участках колесоотбойного бруса — установлено 36 мониторинговых призм. АСДМ причала осуществляет несколько циклов измерений в сутки по назначенным группам точек. В начале каждого цикла измерений тахеометры TS1 и TS2 уточняют свое положение методом обратной засечки относительно установленных на пунктах ПВО призм (MT1…MT6). Это обеспечивает получение реальных данных с учетом коррекции (drift смещения) положения прибора.
Функциональная схема представлена на рис. 6.
На следующем этапе производятся измерения трех координат мониторинговых призм, расположенных на различных участках колесоотбойного бруса и элементах технологических эстакад. Для удобства измерений и последующей обработки призмы объединены в наблюдаемые группы.
Полученные данные в ходе циклов мониторинга от датчиковой аппаратуры после автоматизированной первичной обработки размещаются в реляционной базе данных MS QL.
При смещении какой-либо из наблюдаемых точек на величину более заданного предельного значения АСДМ причала направляет информационное сообщение. Механическая защита наблюдаемых (мониторинговых) призм от повреждения (швартовые тросы, наезд грузопогрузочной техники, изменения положения призмы-марки из-за внешних причин и пр.) осуществляется специальными металлическими укрытиями (рис. 3).
Для контроля устойчивости тахеометров устанавливаются вне зоны возможных деформаций пункты планово-высотного обоснования (ПВО) с призмами обратной засечки (рис. 4).
Около каждого тахеометра установлен датчик температуры и атмосферного давления в защитном кожухе (рис. 5). Кожух, защищающий датчик от прямых солнечных лучей, выполнен из специального пластика и обеспечивает точное измерение температуры и атмосферного давления.
В штатном режиме функционирования АСДМ причала осуществляет информационное сообщение соответствующим специалистам и представителям заказчика по заранее утвержденному алгоритму.
На основе этих данных создается автоматизированное рабочее место геодезиста (АРМ Геодезия), которое обеспечивает специалистов полным спектром координат наблюдаемых точек и дополнительной информацией о значении фиксируемых величин.
Выполняются также следующие процедуры:
- определение превышения предельных состояний конструкции;
- оповещение персонала о приближении и/или предельных значениях наблюдаемых параметров;
- строятся графики для визуализации процессов;
- представляются данные в табличных и/или градиентных формах, удобных для восприятия информации;
- накапливается и архивируется информация для последующего проведения постпроцессового анализа с оценкой направления и величины смещения элементов наблюдаемого объекта.
Пример табличных форм представлен на рис. 7 и графиков — на рис. 8.
Обеспечение стабильности пунктов ПВО
Стабильность пунктов ПВО проверяется периодическими (раз в полгода) контрольными измерениями от пунктов геодезической сети 1-го или 2-го класса. Это особенно необходимо в начальные периоды эксплуатации АСДМ, когда происходят незначительные деформации, связанные с обустройством («закладкой») пунктов ПВО.
Также необходимо обеспечить температурную защиту пунктов ПВО от природно-климатических и погодных воздействий (прямая солнечная радиация, резкая смена температуры и др.). Для этого пилоны изолируют термозащитным материалом с последующей установкой пластиковой оболочки.
Точность системы
Точность определения системой местоположения призм складывается из нескольких факторов:
- внутренняя точность ATRplus тахеометра;
- угловая точность прибора;
- тип и точность центрирования призмы (это расстояние точного соотношения оптического центра призмы с вертикальной осью держателя призмы);
- выбранная программа измерения EDM;
- внешние условия измерений — влияния погодных факторов на процесс измерения и возможность внесения дополнительных ошибок в получаемые данные.
В описываемом в настоящей статье проекте АСДМ причала были применены современные тахеометры фирмы Leica Geosystems концерна «Hexagon TS16 A R1000 1», которые имеют типовую точность ±1 мм + 1,5 ppm, с угловой точностью 1» на стандартную призму. Примененные мониторинговые призмы GMP104 и GMP101 обеспечивают эту точность.
Значительное воздействие на точность измерений оказывает рефракция света, вызывая преломление световых лучей в атмосфере и проявляясь в кажущемся смещении удаленных объектов. Вследствие того что атмосфера является средой оптически неоднородной, лучи света распространяются в ней не прямолинейно, а по некоторой кривой линии. Для значительного снижения влияния рефракции при выполнении измерений выбирается такой период времени, когда этот эффект минимален.
По результатам предварительных расчетов было установлено, что предельные плановые поперечные расчетные смещения шпунта причальной стенки могут составлять 1/200 (17,6 м × 1/200) = 88 мм, не нарушая работоспособности причала. Приборная точность определения координат для тахеометров серии TS16A R500 1 при длине визирного луча до 100–150 м составит менее ±1 мм. Исходя из вышеизложенного, можно заключить, что примененный тип оборудования, приборов, а также расположение и закрепление призм, программное обеспечение GeoMoS полностью обеспечат требуемую точность измерений для определения деформаций конструкций причальной стенки.
Эксплуатация системы, выводы
Основные итоги статьи состоят в фиксации того, что система автоматизированного мониторинга работает штатно, нарушения в получении и передаче данных отсутствуют, система обеспечивает требуемую точность и периодичность измерений, позволяя прогнозировать деформационный тренд. Редкие нарушения в измерениях обусловлены исключительно внешними природно-климатическими и техногенными (человеческими) факторами.
В ходе эксплуатации системы были выявлены следующие недостатки, которые требуется устранить при дальнейшем тиражировании системы.
1. Более надежно защитить деформационные марки от техногенных воздействий.
В качестве решения этой проблемы в будущем предлагается изменить конструкцию укрытия марок таким образом, чтобы отражатель был полностью скрыт. Также необходимо сделать деформационные марки легко съемными. Для этого предлагается изменить крепление самой марки к укрытию (например, использовать разборный кронштейн или стандартный геодезический штырь Wild-Leica).
2. В межсезонье при резкой смене температуры стеклянный колпак — укрытие тахеометра — запотевает изнутри.
Чтобы избежать запотевания укрытия изнутри, необходимо выполнить (изготовить) технологические отверстия для обеспечения принудительной вентиляции.
3. Рекомендуется также пересмотреть форму укрытия для тахеометра с кубической на цилиндрическую. В таком случае исчезают «слепые зоны» в углах укрытия.
Решение вышеописанных нюансов предложенными способами позволит сэкономить на закупке дополнительных расходных материалов и сократить внеплановые дополнительные трудозатраты сотрудников на обследование и переустановку геодезической сети, закрепленной на объекте деформационными марками.
Авторы:
Ященко Андрей Иванович, заместитель генерального директора ООО «Фирма Г.Ф.К.»;
Белый Андрей Анатольевич, кандидат технических наук, доцент, технический директор ООО «К2 Инжиниринг»;
Никитчин Андрей Андреевич, кандидат технических наук, доцент, генеральный директор ООО «АЕМ ГЕО»;
Бернд Оттомар Хиллер, кандидат технических наук, генеральный директор ООО «Фирма Г.Ф.К.».