Система мониторинга деформации несущих конструкций

Наибольшую опасность для олимпийских объектов и объектов горнолыжного кластера Красной поляны представляют подвижки грунта (оползневые явления). Ежегодно в горах Сочи сходят десятки небольших селей, однако при интенсивном увлажнении верхних слоев почвы случаются и крупные оползни. Так, в 2016 г. на курорте НАО "Красная поляна" сошел сель, в результате которого погиб спасатель. В 2019 г. более 1,5 тыс. куб. м грунта сошли на территории курорта "Роза Хутор". Комплекс объектов санно-бобслейной трассы построен на участке северного склона горы Аибга и имеет три оползнеопасных склона, причем один из них расположен непосредственно рядом со зданием аммиачно-холодильной станции.

Комплекс сооружений санно-бобслейной трассы включает в себя искусственно охлаждаемый железобетонный желоб, предназначенный для проведения спортивных соревнований по бобслею, скелетону и санному спорту.

Вдоль трассы, в соответствии со спортивной технологией, размещаются обслуживающие постоянные и временные здания и сооружения.
К постоянным зданиям и сооружениям относятся: санно-бобслейная трасса и здания старта бобов и саней (мужчины), старта саней (женщины), финиша, взвешивания и забора саней, операторской, аммиачной станции, пожарного депо и единого центра управления.

Желоб максимально повторяет существующий уклон местности. Длина желоба – 1814 м при длине покатого уклона 1450 м. Оставшаяся часть трассы имеет контруклон, без изгибов и поворотов, и предназначена для гашения скорости спортсменами. Для обеспечения максимального уровня зрительного восприятия соревнований вдоль трассы, на мужском и женском стартах и финишной петле располагаются зрительные трибуны.

При проектировании специалисты ориентировались на трассы, построенные в других странах, однако расположение в пределах Сочинского национального парка заставило заказчиков предъявлять более строгие требования к решению экологических вопросов создания трассы, а также соблюдать нормы законодательства в области строительства уникальных объектов.

Законодательные требования к строительству трассы

В соответствии с ФЗ № 310-ФЗ от 1 декабря 2007 г. "Об организации и о проведении XXII Олимпийских зимних игр и XI Паралимпийских зимних игр 2014 года в городе Сочи, развитии города Сочи как горноклиматического курорта и внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации" и постановлением Правительства РФ от 29 декабря 2007 г. № 991 "О Программе строительства олимпийских объектов и развития города Сочи как горноклиматического курорта" было принято решение о строительстве п. 4 Программы "Санно-бобслейная трасса с инженерной защитой и внеплощадочными сетями электроснабжения, водоснабжения и канализации (проектные и изыскательские работы, строительство)". На момент принятия решения о строительстве санно-бобслейной трассы в Российской Федерации действовало распоряжение Правительства Российской Федерации от 21 июля 2010 г. № 1047-р, которым был утвержден Перечень национальных стандартов и сводов правил (частей таких стандартов и сводов правил), в результате применения которых на обязательной основе обеспечивается соблюдение требований Федерального закона "Технический регламент о безопасности зданий и сооружений". Одними из обязательных к применению стандартов были ГОСТ Р 22.1.12–2005 "Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений. Общие требования" и ГОСТ Р 53778–2010 "Здания и сооружения.

Правила обследования и мониторинга технического состояния", которые требовали наличия на объекте автоматизированной системы мониторинга деформационного состояния несущих конструкций (СМК) как одной из частей структурированной системы мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений (СМИС).

В целях защиты объекта от оползневых процессов в соответствии с проектом и нормативной базой были построены 32 подпорные стены и организовано обеспечение объекта автоматизированной системой мониторинга деформационного состояния несущих конструкций для контроля технического состояния конструкций и выявления негативных изменений напряженно-деформированного состояния несущих конструкций объекта в ходе его эксплуатации.

Объектами мониторинга являются желоб, здание аммиачной станции, подпорные стены и грунты.

Ключевые показатели СМК

Мониторинг объекта осуществляется на основе контроля изменения контролируемых параметров, характеризующих напряженно-деформированное состояние несущих конструкций объекта и параметров геологического режима грунтового массива в районе трассы. К контролируемым параметрам СМК относятся:

• крен фундаментной плиты аммиачной станции и крен подпорных стен;
• взаимные перемещения соседних секций желоба санно-бобслейной трассы;
• подвижки грунтовых массивов на оползнеопасных склонах.
  

Работа СМК основывается на алгоритмах принятия решения о деформационном (техническом) состоянии несущих конструкций и прогноза их деформационного состояния.

Автоматизированная система мониторинга деформационного состояния несущих конструкций состоит из аппаратно-измерительной части и системы сбора и обработки информации.

Аппаратно-измерительная часть

Для визуального контроля оборудовано автоматизированное рабочее место диспетчера СМК, на экране которого в режиме реального времени в трехмерной и в табличной формах выводится информация о состоянии всех датчиков.

Управление системой осуществляется через серверы СМК с математическим и программным обеспечением.

Для измерения крена фундаментной плиты аммиачной станции и крена подпорных стен на этих объектах были установлены 55 двухкоординатных наклономеров. Наклономеры монтируются на стальном съемном листе, закрепленном анкерными болтами на поверхности железобетонного блока фундаментной плиты или подпорной стены, в специальных шкафах, которые обеспечивают отсутствие воздействия на датчик осадков, ветра и иных сил, которые могут повлиять на его показания.

Взаимные перемещения соседних секций желоба санно-бобслейной трассы измеряются с помощью 30 трехмерных трещиномеров, устанавливаемых на деформационных швах трассы.

Измерение подвижек грунтовых массивов на трех оползнеопасных склонах осуществляется с использованием 32 инклинометрических датчиков, установленных в восьми скважинах на территории склонов. Скважины обсажены специальными инклинометрическими трубами, в которых установлены стационарные инклинометрические зонды с диапазоном измерений ±20 град., обеспечивающие проведение наблюдений в скважине в автоматическом режиме. Зонды закреплены в скважине при помощи направляющей струны. Электропитание и передача данных от инклинометрических зондов осуществляется через блоки автоматической регистрации данных. Глубина скважин различна и зависит от толщины оползневого склона.

Схема расположения оползнеопасных склонов

Система сбора и обработки информации

Программное обеспечение предназначено для:

• сбора и хранения информации, получаемой от датчиков и оборудования, обеспечивающих измерение контролируемых параметров;
• обработки и анализа данных для определения деформационного состояния объекта;
• настройки спецпроцессора системы мониторинга и правил работы системы определения деформационного состояния объекта в автоматическом режиме;
• определения рекомендаций и управляющих решений по дальнейшей наиболее эффективной эксплуатации объекта;
• интеграции СМК с другими диспетчерскими системами объекта и внешними системами городских служб.

Сценарии при аварийных ситуациях

Контроль за состоянием компонентов измерительных систем (кренов конструкций, подвижек грунта, деформационных швов) СМК осуществляется в круглосуточном режиме.

Ведется проверка достоверности результатов измерений путем исключения неработоспособного состояния аппаратно-измерительной части СМК (датчиков), возможного повреждения линии связи для передачи информации от датчиков СМК к блокам приема информации, неработоспособного состояния серверного оборудования и автоматизированного места оператора ЭВМ.

При превышении одним или несколькими диагностическими показателями уровня критериальных значений К1, выходе диагностических показателей за пределы прогнозируемого при данном уровне нагрузок интервала значений (переход контролируемого элемента в предаварийное состояние – "желтое") или превышении одним или несколькими диагностическими показателями 2-го (предельного) уровня критериальных значений К2 (переход контролируемого элемента в аварийное состояние – "красное") осуществляется:

• проверка достоверности результатов измерений;
• анализ обоснованности принятых критериальных значений;
• анализ корректности существующей детерминистической модели на предмет соответствия ее набранной статистике наблюдений.
  

В случае наличия только статистической модели поведения объекта или выявленных несоответствиях воспроизводится или уточняется существующая детерминистическая модель поведения в расчетном конечно-элементном программном комплексе, для чего проводятся соответствующие полевые исследования (в том числе обследования и изыскания). Осуществляются мероприятия по восстановлению безопасного уровня эксплуатации. Устанавливаются уточненные показатели К1, К2 с внесением изменений в программно-диагностический комплекс.

При выявлении повреждений оборудования (до его замены) с целью контроля за состоянием контролируемых элементов (фундаментной плиты аммиачной станции, подпорных стен, деформационных швов между секциями U-балки, грунтового массива) необходимо проведение геотехнического мониторинга.

В случае подтверждения аварийной ситуации контролируемых элементов (фундаментной плиты аммиачной станции, подпорных стен, деформационных швов между секциями U-балки, грунтового массива) следует инициировать сбор технической комиссии для принятия решений, в состав которой должны войти ответственные представители административного, хозяйственного и финансового управления санно-бобслейной трассы, а также проектной и строительной организаций.

Положительный опыт для строительства любых объектов

Оползневые процессы являются самыми распространенными в горных районах нашей страны и в то же время наиболее сложными, длительными и многофакторными. Если раньше при строительстве объектов, тем более таких уникальных, как санно-бобслейная трасса, с использованием аммиака в качестве хладагента, для функционирования старались избежать строительства на участках оползневых склонов, то современные методы строительства и систем мониторинга деформационного состояния несущих конструкций позволяют возводить объекты всех типов практически на любых участках. Применение указанной системы позволяет в режиме реального времени контролировать поведение оползневых склонов, ежегодно вести анализ их состояния и при необходимости заблаговременно проводить мероприятия по их укреплению. Опыт создания и функционирования СМК на санно-бобслейной трассе может быть использован при строительстве подобных типов объектов в любом месте Российской Федерации.

Опубликовано в журнале "Системы безопасности" №3/2021

Фото: ru.freepik.com