Мониторинг гидротехнических сооружений

Ранее мы рассказывали о применении лазерного сканирования и 3D-моделирования для определения массы многотонных камней в составе одного гидротехнического сооружения. Спустя полгода после описанных событий к нам обратился тот же заказчик. Однако на этот раз задача состояла в повторном определении массы камней, а также нужно было вычислить долговечность построенного сооружения и степень его работоспособности.

Результаты исследования стали для всех неожиданностью. Но обо всём по порядку.

Немного истории объекта

Напомним историю этого сооружения.

На территории приморского объекта построили защитное гидротехническое сооружение из крупных камней-четырёхтонников. Спустя год после возведения сооружение начинает разрушаться — произошло расслоение породы камней и её осыпание. Тогда у заказчика возникают вопросы к качеству выполненных работ и соответствию массы камня проектным значениям.

Проведённое нами обследование выявило, что масса валунов не соответствует заявленной в проектной документации. Кроме того, материал камня — известняк — не подходил для строительства гидросооружения.

Но определить при первичном обследовании долговечность и срок службы сооружения, а также сделать выводы о его работоспособности без серьёзных допущений было невозможно.

Не хватало информации.

И тут инженеры уже могут почувствовать подвох: марки, установленные точечно, не могут со стопроцентной гарантией показать реальное состояние всего гидротехнического сооружения. Для получения комплексной информации о состоянии объекта необходимо провести повторное обследование сооружения наземным лазерным сканированием и сравнить полученные результаты с данными предыдущего раза.

Это и будет сплошным мониторингом объекта.

Полевые работы

Итак, наши коллеги вновь взяли BLK360 и отправились сканировать объект.

Интересный факт: повторное сканирование проводилось спустя год с момента первичного обследования сооружения. Чистота эксперимента соблюдена.

На объекте команду ждал сюрприз — отлив. Часть сооружения, ранее недоступная из-за толщи воды, теперь была отчётливо видна, и её можно было отсканировать. Уже тогда стали очевидными изменения в состоянии камней: наиболее повреждённые валуны крошились под ногами и осыпались слоями, остальные же либо раскололись, либо сместились в пространстве.

Более точно об изменениях расскажет сравнение двух облаков точек, но это будет позже. А на тот момент необходимо было установить марки и провести первичное сканирование. Сложностей на этом этапе не возникло. Но, приняв во внимание значительное ухудшение состояния сооружения, коллеги решили увеличить плотность облаков точек, чтобы обнаружить даже незначительные на первый взгляд детали.

И не зря.

По мере сканирования и обследования сооружения удалось заглянуть под толщу блокирующих камней и посмотреть на некоторые части ядра объекта. Повреждения внутренней части сооружения соответствовали характеру повреждений его внешней части.

Моделирование

Коллеги закончили обследование, зафиксировали дефекты камней и вернулись в Москву для обработки данных и построения 3D-модели сооружения.

В первую очередь сравнили результаты нынешнего сканирования и обследования, проведённого год назад. Координатная привязка в обоих случаях совпадала, и это позволило без особого труда наложить облака точек друг на друга. Куда сложнее оказалось зафиксировать отклонения между ними. Не потому, что их не было, а потому, что их было очень много. Сооружение начало разъезжаться и терять форму.

Вот только некоторые из зафиксированных отклонений:

• смещение двухтонных валунов на расстояние от 20 до 30 сантиметров в год;
• потеря массы камня на 5–10% в результате его расслоения и осыпания;
• разделение и смещение массы камня как следствие его раскола на несколько частей под воздействием карстовых процессов.

Анализ и сравнение данных

Напоминаем: в тело сооружения были уложены камни, основной породой которых является известняк.

Согласно ГОСТ Р 54523-2011, предельным состоянием наличия дефектов в защитном покрытии откоса, свидетельствующим об аварийном состоянии конструкции, будет «более 20% площади поверхности покрытия сооружения».

ГОСТ Р 54523-2011 «Портовые гидротехнические сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния», стр. 152.

Чтобы вычислить процент повреждения всех камней, пришлось повторно определять их массу. Тем более что отлив дал возможность определить объём камня, ранее скрытого под водой. Но даже с учётом отлива новых четырёхтонных валунов обнаружено не было.

Подробно о методике определения массы камня мы рассказывали в одной из предыдущих статей.

В результате изысканий было установлено, что процентное соотношение дефектных камней ко всем определённым составляет почти 25%. Однако лазерное сканирование не позволяет определить состояние внутренней части сооружения без его разбора, а значит, не даёт стопроцентной точности в оценке аварийности объекта. Но полученные данные и зафиксированный характер повреждений позволили сделать вывод, что сооружение находится в неработоспособном состоянии.

И для этого есть несколько причин:

• первая — характер смещения камней. Если валуны, стоящие во фронте волны, могут смещаться под действием удара волн из-за своей недостаточной массы, то камни, на которые не оказывается прямое динамическое воздействие, смещаются в пространстве в результате разрушения нижележащих слоёв;
• вторая причина неработоспособного состояния сооружения — скорость образования дефектов. Только в течение одного года процент дефектных камней вследствие выветривания, карста и осыпания увеличился почти на 10%. Это не что иное, как прогрессирующее разрушение конструкции из-за неправильного использования строительного материала — в нашем случае известняка, подверженного влиянию агрессивной среды;
• но главная причина — ошибка проектной организации, которую позже усугубил подрядчик в ходе строительных работ: вся конструкция гидротехнического сооружения была возведена в нарушение рекомендаций выполненного ранее физико-математического моделирования объекта.

Рекомендации НИР

Перед проектированием и строительством идёт этап сбора исходно-разрешительной документации, проводится научно-исследовательская работа (далее — НИР). Она позволяет определить оптимальные параметры будущего сооружения с учётом особенностей местоположения объекта путём физико-математического моделирования условий работы конструкции.

Во время проведения НИР учитываются подводные течения, колебания морских волн до 8 баллов, сезонные изменения окружающей среды. На основе полученных данных подбираются оптимальная форма, размеры и тип конструкции гидротехнического сооружения. В НИР указываются последствия несоблюдения рекомендаций по подбору характеристик объекта. Это может быть и вымывание камней, и потеря формы, и разрушение конструкции в результате выноса её частей на сушу во время сильного шторма.

На нашем объекте первым критическим недостатком стал некорректный угол поворота сооружения, поэтому нагрузка на всю конструкцию распределялась неравномерно.

Второй недостаток заключался в укороченном варианте исполнения конструкции — вместо длины в 25 метров оголовок сооружения оказался длиной всего 18 метров. Это привело к вымыванию внутренней части сооружения, а недостаточная масса верхнего слоя камней оказалась неспособна не только удержать ядро конструкции, но и частично способствовала разрушению, не распределяя динамическую нагрузку от волн должным образом.

Ситуацию усугубил и выбор неподходящего для сооружения известняка, который стремительно снижал работоспособность всей конструкции.

Последствия

Другими словами, объект был неработоспособным ещё на момент приёмки в эксплуатацию: свою основную задачу — защиту пляжной зоны от волнового воздействия — он не выполнял из-за нарушения рекомендаций по форме сооружения.

Выводы нашего исследования подтвердились спустя три месяца после его окончания и через неделю после того, как отчёт был сдан заказчику: на побережье, где расположен объект, прошёл шторм силой около 8 баллов по шкале Бофорта. В результате сооружение оказалось частично разрушено. Часть камней выбросило на берег, часть унесло в море. Многие дефектные валуны окончательно раскололись и рассыпались. Что и требовалось доказать.

Заказчик же принял решение подать иск в арбитражный суд. Этот процесс нас уже не касался, но ситуация заставила задуматься.

Хотя наша команда проводила исследования и мониторинг сооружения на этапе эксплуатации, ошибки, приведшие к разрушению конструкции, были заложены на каждом из предыдущих этапов жизненного цикла и накапливались с каждым разом.

Предотвращение ошибок

По идее, предотвратить такие ситуации должен ТИМ, но он на это не способен, как бы сильно его ни продвигали и ни продавали. ТИМ нужен для управления ресурсами и деньгами, но никак не для контроля качества и технологических процессов.

Однако в советской строительной практике существовало одно научно-практическое направление, отвечающее за вопросы рационального распределения ресурсов и предупреждения ошибок как на этапе проектирования, так и на этапе строительства. И называлось оно — организационно-технологическая надёжность подготовки строительства.

Эта дисциплина описывала и моделировала, как организационно-технологические решения, принятые на предшествующих этапах жизненного цикла, влияют на изменение сроков и расход ресурсов в дальнейшем. Это направление появилось на 15 лет раньше западной концепции BIM и западного представления о жизненном цикле зданий и сооружений.

Сейчас же исследования по этому научному направлению почти не ведутся. Как вы знаете, ТИМ всё решит, надо только передать в ИСУП исполнительную документацию. Но давайте оставим эту тему для отдельного выпуска. Перейдём к итогам.

Итоги

Когда дело касается массивных конструкций, точечный эпизодический мониторинг — не всегда хорошее решение. Сооружение может рухнуть, а метка останется на месте.

Сплошной мониторинг с помощью лазерного сканирования позволяет выявить отклонения и дефекты на ранних стадиях деформации конструкции и таким образом предотвратить нежелательные последствия.

Но главное — не стоит игнорировать рекомендации, полученные в ходе натурных испытаний, не надо делать всё по-своему, пытаясь сэкономить. Экономический ущерб, наступление неработоспособности конструкции, предпосылки к её аварийному состоянию станут закономерным итогом накопленных ошибок.

Более подробно об этом — в нашем ролике ниже.