Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska
Katedra Kształtowania i Ochrony Środowiska
Rozprawa doktorska
MOŻLIWOŚĆ WYKORZYSTANIA MODELU EDF
W PROGNOZOWANIU PRZEMIESZCZEŃ ZAPORY BETONOWEJ
NA PRZYKŁADZIE ZAPORY SOLINA
Aleksandra Bąk
Promotor:
dr inż. Leszek Opyrchał, prof. AGH
Pragnę złożyć najserdeczniejsze podziękowania dr hab. inż. Leszkowi Opyrchałowi, prof. AGH za zainteresowanie mnie tematyką przemieszczeń zapór oraz wskazanie problemu monitoringu wspomnianych przemieszczeń,
a także opiekę naukową, cierpliwość oraz cenne uwagi w trakcie realizacji niniejszej rozprawy doktorskiej.
Dziękuję także Kierownictwu Ośrodka Technicznej Kontroli Zapór IMGW za udostępnienie materiałów dotyczących pomiarów przemieszczeń,
wykorzystanych w analizach niniejszej rozprawy.
Ponadto serdecznie dziękuję wszystkim, których nie wymieniłam, a którzy wspierali mnie w trakcie realizacji rozprawy doktorskiej.
Spis treści
Streszczenie ... 5
Rozdział 1. Wprowadzenie ... 7
Rozdział 1.1. Awarie i katastrofy zapór ... 10
Rozdział 1.2. Bezpieczeństwo polskich budowli hydrotechnicznych ... 12
Rozdział 1.3 Metoda EDF ... 15
Rozdział 2. Cel oraz tezy opracowania ... 19
Rozdział 3. Materiały i metody ... 20
Rozdział 3.1. Zapora Solina ... 20
Rozdział 3.2. Metodyka prowadzonych badań ... 24
Rozdział 4. Wyniki ... 32
4.1. Dopasowanie ... 32
4.1.1. Filar działowy ... 32
4.1.2. Mur oporowy lewy ... 34
4.1.3. Mur oporowy prawy ... 37
4.1.4. Korona zapory... 40 4.1.5. Korpus zapory ... 43 4.1.5.1. Repery ... 43 4.1.5.2. Klinometry ... 46 4.1.5.3. Szczelinomierze ... 48 4.1.5.4. Wahadła ... 59 4.2. Predykcja przemieszczeń ... 66 4.2.1. Filar działowy ... 66
4.2.2. Mur oporowy lewy ... 73
4.2.3. Mur oporowy prawy ... 79
4.2.4. Korona ... 86
4.2.4. Korpus zapory ... 96
4.2.4.1. Repery ... 96
4.2.4.3. Szczelinomierze ... 125
4.2.4.3. Wahadła ... 147
Rozdział 5. Dyskusja ... 161
Rozdział 5.1 Filar działowy ... 163
Rozdział 5.2 Lewy mur oporowy ... 164
Rozdział 5.3 Prawy muru oporowy ... 166
Rozdział 5.4 Korona zapory ... 167
Rozdział 5.5 Korpusu zapory ... 168
5.5.1. Repery ... 168
5.5.2. Klinometry ... 171
5.5.3. Szczelinomierze ... 172
5.5.3. Wahadła... 173
Rozdział 5.6 Uwagi ogólne ... 175
Rozdział 6. Podsumowanie i wnioski ... 179
Literatura ... 182 Spis rysunków ... 191 Spis wykresów ... 194 Spis tabel ... 196 Spis załączników ... 199 Summary ... 200
Streszczenie
Celem postawionym przed niniejszą rozprawą doktorską było zbadanie czy statystyczny model EDF, znajdujący zastosowanie w interpretacji wyników pomiarów przemieszczeń pionowych betonowych zapór łukowych może być stosowany w prognozowaniu przemieszczeń betonowych zapór ciężkich. Do badań wybrano zaporę Solina, gdyż jest to najwyższa polska zapora betonowa oraz posiada ona długie ciągi obserwacyjne.
Ponieważ model EDF nie był wykonany dla zapory Solina dlatego badanie przeprowadzono w następujących krokach:
wykonanie i weryfikacja modelu przemieszczeń, wykonanie i weryfikacja prognozy przemieszczeń.
Zarówno modelowanie, jak i prognozy przeprowadzone zostały w oparciu o przemieszczenia pionowe elementów sieci kątowo – liniowej umieszczonych na filarze działowym, murach oporowych, korpusie oraz koronie zapory. Badaniami objęto także wartości przemieszczeń względnych obserwowanych z użyciem szczelinomierzy, wahadeł oraz klinometrów.
Uzyskane w wyniku modelowania średnie wartości współczynnika determinacji dla przemieszczeń pionowych obserwowanych na filarze działowym, murach oporowych oraz korpusie zapory wyniosły odpowiednio: 0,57, 0,65 oraz 0,36. Na etapie predykcji wiarygodne prognozy zostały postawione w przypadku 35% reperów kontrolowanych umieszczonych na filarze działowym, 14% punktów murów oporowych oraz 12% reperów umieszczonych na korpusie budowli. Wyniki te wykluczyły możliwość wykorzystania modelu EDF w przyjętej w analizie formie zarówno w modelowaniu, jak i predykcji przemieszczeń pionowych wskazanych elementów budowli.
Zadowalający stopień objaśnienia przemieszczeń pionowych reperów kontrolowanych umieszczonych na koronie zapory uzyskany został w 21 spośród 22 przeanalizowanych punktów. Podobnie analizy potwierdziły możliwość objaśnienia przemieszczeń względnych. Drugi etap analizy pokazał, że dla blisko 50% reperów korony zapory Solina możliwa jest predykcja przemieszczeń pionowych w oparciu o 18 – letni okres obserwacji.
Stosunkowo dużą liczbę prognoz obarczonych dopuszczalnym błędem postawiono także w oparciu o pomiary względne z użyciem szczelinomierzy oraz wahadeł umieszczonych w galerii korpusu zapory, gdzie było to odpowiednio: 43% oraz 67% punktów kontrolowanych. Analiza błędów prognoz punktowych prowadzonych w oparciu o szczelinomierze pozwoliła na potwierdzenie możliwości predykcji zmian obserwowanych z użyciem szczelinomierza położonego w sekcji 22, gdzie trafne prognozy postawiono w oparciu o 12 – letni okres obserwacji.
Praktyczne zastosowanie wyników niniejszej rozprawy doktorskiej pozwoli na wsparcie bieżącej kontroli zapory, wykrywanie nieciągłości pomiarów, czy też intensyfikacji zmian zachodzących w konstrukcji budowli, a tym samym na wczesne podejmowanie środków prewencyjnych oraz działań naprawczych.
Możliwość wykorzystania modelu EDF w prognozowaniu przemieszczeń zapory betonowej na przykładzie zapory Solina.
Akademia Górniczo – Hutnicza im. Stanisława Staszica Kraków, 2017
7
Rozdział 1. Wprowadzenie
Jedną z gałęzi gospodarki umożliwiającą stabilny rozwój kraju oraz odpowiadającą na zmieniające się potrzeby gospodarcze, jest budownictwo wodne. Planowa gospodarka, prowadzona w tym zakresie, pozwala na właściwe uregulowanie bilansu wodnego kraju, czyli zależności pomiędzy dostępnymi zasobami wspomnianego dobra, a jego potrzebną ilością. Kluczową rolę w zagospodarowaniu wód odgrywa budownictwo wodne, w ramach którego podejmowane są działania w zakresie: magazynowania wody, regulacji odpływów czy też stabilizacji koryt rzek i potoków. Ponadto podejmowane działania muszą zapewnić możliwość energetycznego wykorzystania wód płynących. Realizacja wskazanych zadań wymaga działań skierowanych na projektowanie oraz budowę przegród pozwalających na uzyskanie odpowiedniego piętrzenia wody oraz jej magazynowanie [Prochal P., 1968]. Tego typu obiektami są między innymi zapory, zaklasyfikowane do grupy budowli piętrzących, których podstawowym zadaniem jest uzyskanie odpowiedniej różnicy poziomów wody pomiędzy górnym i dolnym stanowiskiem. Piętrzenie to pozwala także na wykorzystywane wód płynących dla celów energetycznych [Zmigrodzki Z. i in., 1957]. Zapory z reguły są obiektami wielofunkcyjnymi. Zbiorniki wodne powstające w obszarze górnego stanowiska zapory pozwalają na wykorzystanie ich między innymi w celach zapewnienia zaopatrzenia w wodę dla przemysłu, rekreacyjnych, czy też wsparcia działań przeciwpowodziowych [Ambrożewski Z. J., 2006]. Korzyści wynikające z rozwoju budownictwa wodnego zaczęto dostrzegać w XX wieku, kiedy to odnotowano wyraźny wzrost liczby powstałych obiektów hydrotechnicznych [Wawręty R. i in., 2006].
Zapory tworzące zbiornik, jak rzadko która konstrukcja budowlana, pracują w niestabilnych warunkach, rozumie się przez to czasoprzestrzenną zmienność zarówno nośności, jak i obciążeń na nie oddziałujących [Janusz J., Janusz W., 2004]. Ma to istotne znaczenie dla stanu technicznego zapór, jak i bezpieczeństwa ich pracy. Należy pamiętać także, że katastrofa budowli piętrzących niesie za sobą poważne straty nie tylko materialne ale i ludności zamieszkującej zalany teren oraz środowiska naturalnego [ICOLD, 2005].
Możliwość wykorzystania modelu EDF w prognozowaniu przemieszczeń zapory betonowej na przykładzie zapory Solina.
Akademia Górniczo – Hutnicza im. Stanisława Staszica Kraków, 2017
8
Podobnie, jak w przypadku budowli lądowych, tak i na zapory oddziałują czynniki reologiczne, czyli zjawiska bezpośrednio związane z upływem czasu oraz starzeniem się materiałów, z których powstała budowla [Kledyński Z., 2011]. Ponadto, o bezpieczeństwie tego typu obiektów decydują także: błędy na etapie projektowania obiektu oraz jego wykonawstwa, a także trudne do przewidzenia, ekstremalne zjawiska naturalne, czy też wpływ czynników meteorologicznych. Liczne opracowania wskazują ponadto na istotę niedostatecznego rozpoznania podłoża oraz materiału gruntowego [[ICOLD, 2006]; [Głodek J., 1965]], jako jedną z przyczyn katastrof budowli piętrzących. Dodatkowo, z racji konstrukcji zapór oraz ich funkcji, istotne znaczenie dla bezpieczeństwa budowli, ma także wpływ nadmiernej filtracji przez podłoże, czy też oddziaływanie zmiennego poziomu zwierciadła wody w górnym zbiorniku. Wskazane zjawiska mogą być przyczyną powstawania przemieszczeń, odkształceń, rys oraz szczelin w strukturze budowli, które potęgowane działaniem czynników zewnętrznych mogą spowodować poważne awarie, a nawet katastrofę obiektu [ICOLD, 1999]. Celem minimalizowania ryzyka Ustawa Prawo Budowlane [Dz. U. Nr 89 poz. 414] nakłada obowiązek prowadzenia regularnych kontroli zapór przez właścicieli bądź zarządców obiektów, zaś zakres prowadzonych kontroli celem oceny bezpieczeństwa uściśla art. 64, pkt. 3 Ustawy Prawo Wodne [Dz. U. Nr 155 poz. 1229].
Statystyczne analizy awarii i katastrof [ICOLD, 2000] wyraźnie wskazują, iż największe zagrożenie związane z eksploatacją zapory występuje w pierwszych kilku latach od zakończenia budowy. Obserwuje się jednocześnie ponowny wzrost ryzyka wystąpienia niepożądanych awarii i katastrof, bezpośrednio związany z długością okresu eksploatacji zapory [Lebiecki P., 2013]. Z przeprowadzonych analiz jednoznacznie wynika, że większe narażenie na awarie oraz zniszczenia obiektu dotyka zapory, których okres eksploatacji przekracza 50 lat. Ponadto, aktualnie za poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa zapór uważa się także ich nieprawidłową eksploatację. Wyniki przeprowadzonych analiz [Bryś H., Przewłocki S., 1998] wskazują, że w przypadku większości awarii i katastrof zapór mających miejsce w ostatnim czterdziestoleciu, zdarzenia te poprzedzone były widocznymi zmianami w samej budowli, a także podłożu
Możliwość wykorzystania modelu EDF w prognozowaniu przemieszczeń zapory betonowej na przykładzie zapory Solina.
Akademia Górniczo – Hutnicza im. Stanisława Staszica Kraków, 2017
9
czy strefie zboczy, których właściwa kontrola pozwoliłaby na odpowiednio wczesne podjęcie działań naprawczych, zminimalizowanie strat, a nawet uniknięcie katastrofy obiektu. W tym celu stworzony został system monitoringu i kontroli zapór, który stanowi istotny element zapewnienia bezpieczeństwa, nie tylko samych obiektów budowlanych, ale także okolicznych mieszkańców oraz przyległych terenów. Zapory wyposaża się w specjalistyczną aparaturę kontrolno – pomiarową, dostosowaną do panujących warunków, funkcji oraz konstrukcji budowli [[Machajski J., Rędowicz W., 2010]; [Lazzarini T. i in. 1977]; [Cacoń S. 2001]]. Kluczową rolę w pozyskiwaniu danych dotyczących geometrycznej zmienności struktury zapór odgrywają pomiary geodezyjne.
Dane gromadzone w wyniku regularnych kontroli obiektu wykorzystywane są celem analizy oraz interpretacji obserwowanych zmienności w czasie. Istnieje szereg metod wspierających proces analizy zmian zachodzących w konstrukcji budowli hydrotechnicznych. W przypadku zapór powszechnie stosowane są metody numeryczne, choć wykorzystywane są one głównie na etapie projektowania obiektu oraz metody statystyczne, wspierające proces oceny bezpieczeństwa zapory w trakcie jej wieloletniej eksploatacji. Odpowiednio skonstruowany system pomiarowo – decyzyjny, odpowiadający funkcjom oraz konstrukcji budowli inżynierskiej, pozwala na wykrywanie nieciągłości pomiarów, intensyfikacji niepokojących zmian na przykład pochyleń, które mogą być symptomem awarii. Tym samym umożliwia on wczesne podejmowanie środków prewencyjnych oraz działań naprawczych.
