Корнилій Третяк: результати моніторингу за допомогою космічної геодезії підтверджують високу стійкість гребель

Корнилій Третяк: результати моніторингу за допомогою космічної геодезії підтверджують високу стійкість гребель

09-07-2020
Укргідроенерго впроваджує нові й важливі проєкти, які спрямовані на забезпечення безпечної експлуатації гідротехнічних споруд і обладнання гідроелектростанцій. Зокрема, компанією здійснюється спостереження за станом гребель за допомогою космічної геодезії. Що таке космічна геодезія та яка її роль у забезпеченні безпечної експлуатації гідроспоруд розповів пресслужбі Укргідроенерго в інтерв’ю український геодезист, професор, доктор технічних наук, директор Інституту геодезії Національного університету «Львівська політехніка» Корнилій Третяк.

Корнилію Романовичу, Інститут геодезії давно співпрацює з Укргідроенерго?

Співпраця Інституту з Укргідроенерго триває майже 15 років. Розпочалась вона з проведення періодичних вимірів Глобальних навігаційних супутникових систем (далі – ГНСС, прим. редактора), що проводилися на створених опорних мережах гідроелектростанцій.

Що це за виміри?

За допомогою цих вимірів можна було визначити зміщення інженерних споруд гідроелектростанцій. Точність у них була високою, але вони мали і недолік. Ці результати не надавали змоги проводити безперервний просторово-часовий аналіз зміщень і деформацій інженерних об’єктів, оскільки їх потрібно було проводити з інтервалом у декілька років.

І після цього розпочалось встановлення стаціонарних систем моніторингу?

Так. У 2011 році на Канівській, Дніпровській, Середньодніпровській та Дністровській ГЕС розпочалась реалізація масштабного проєкту – створення стаціонарних систем моніторингу просторових зміщень споруд.

А яка взагалі роль Вашого інституту в забезпеченні безпечної експлуатації гідроспоруд?

Загалом, проєкт встановлення стаціонарних систем моніторингу був особливим, оскільки в одну систему впроваджувалися сенсори різного призначення. Так, виникла потреба постійного незалежного тестування системи та врахування впливу атмосферних змін на роботу даних сенсорів. Але для цього необхідно було розробити нові методи врахування атмосферної рефракції і наукові підходи для незалежної оцінки роботи системи.

Роботи виконувала всесвітньо відома швейцарська компанія Leica Geosystems, яка і запросила нас для виконання робіт з наукового супроводу. Зазначу, що на той час за кордоном на великих об’єктах вже були реалізовані подібні проєкти.

Звичайно, після введення в дію систем виникли нові напрямки наукових досліджень, які повинні дати відповідь на питання впливу природних факторів, як от вплив сейсмічності, глобальних й регіональних рухів, а також деформацій земної кори. Окрім того, необхідно дослідити техногенні впливи на стійкість гідроспоруд. Ось цим і займається Інститут геодезії.

Поясніть, будь ласка, що таке космічна геодезія.

Загалом, космічна геодезія – це розділ геодезії, у якому розв’язуються такі ж задачі, що і у традиційній геодезії. Тільки для цього використовуються штучні супутники Землі та позагалактичні радіоджерела, так звані квазари.

Космічна геодезія вивчає форми, гравітаційне поле та моніторинг обертового руху нашої планети. Окрім того, область космічної геодезії охоплює визначення точного часу, створення загальноземних систем координат та прецизійне визначення координат точок.

А де ще використовуються методи космічної геодезії?

Методи космічної геодезії мають широке використання у суміжних природничих науках, зокрема геофізиці, геології та метеорології. Зазначу, що методи космічної геодезії мають прикладне значення для навігації рухомих об’єктів, точного землеробства, будівництва і моніторингу зміщень і деформацій інженерних споруд.

А ще потрібно підкреслити, що з використанням ГНСС можна практично безперервно повністю автоматизованим способом контролювати просторове положення закріплених на поверхні греблі точок. Це надає нам можливість оцінювати напружено-деформаційний стан споруд та визначати їх зміщення, викликане різними природними та техногенними чинниками у часі.

геодезія
Система ГНСС сенсорів Дністровської ГЕС-1

У чому полягає принцип спостереження за станом гідроспоруд за допомогою космічної геодезії?

Космічна геодезія дозволяє постійно, з інтервалом в 1 секунду, визначати просторові координати та зміщення закріплених на греблях точок.

Для визначення координат використовуються прецизійні ГНСС приймачі, які на постійній основі встановлені над кожною точкою. Приймачі опрацьовують сигнали від навігаційних супутників. Так, приймач на основі отриманого від супутника сигналу та закодованої у ньому інформації вимірює до нього відстань, а також визначає координати супутника на момент виміру відстані у загальноземній системі.

А вже на основі одночасно виміряних відстаней до супутників та їх координат приймач виконує математичні розрахунки і визначає свої координати. Далі ця інформація телекомунікаційними засобами передається на сервер системи, де відповідним чином опрацьовується і накопичується у базі даних. Водночас, на моніторі комп’ютера відразу візуалізується зміщення точок.

А які саме дані отримуються? Наскільки вони є точними?

Результатом роботи системи є миттєві й усереднені добові, тижневі, місячні й річні зміщення точок, що закріплені на греблі. Також отримуються дані щодо швидкості зміщення точок. Що стосується похибок, то середня похибка визначення координат точок становить 2-3 мм.

Отримані під час спостереження дані відправляються на дослідження. Які саме дослідження проводять науковці «Львівської політехніки»?

Перш за все, хочу сказати, що результати вимірів системи і визначені миттєві координати усіх точок на сервер «Львівської політехніки» поступають щодобово.

Ще один момент, який варто підкреслити: до складу системи входять не тільки ГНСС приймачі, але інші прилади та сенсори. Наприклад, приймачі неможливо встановити та використовувати на майже вертикальних бічних поверхнях греблі. У такому випадку для контролю таких точок використовують закріплені на них спеціальні відбивачі.

Що стосується досліджень, то їх існує декілька напрямів. По-перше, на відстані кілька сотень метрів від греблі встановлено спеціальні роботизовані тахеометри, які за допомогою лазерного імпульсу вимірюють відстань та кутові величини напрямку на відбивач. Водночас координати тахеометра безперервно контролюються встановленим над ним ГНСС приймачем, а вже за координатами тахеометра і виконаними вимірами визначаються координати відбивачів та їх зміщення.

Зазначу, що на точність цих вимірів суттєво впливає атмосферна рефракція, яка може спотворювати виміряні кутові величини напрямків та змінювати швидкість поширення лазерного імпульсу. Це, в свою чергу, вносить похибку у виміряні відстані та кути, а у результаті – у виміряні координати відбивачів. Окрім того, особливо на точність цих вимірів впливає вологість повітря, яка на гідроелектростанціях протягом доби суттєво змінюється.

геодезія 1
Виміри параметрів гравітаційного поля на пунктах Дністровської ГАЕС

І як у цьому випадку враховуються результати вимірювання?

У нашому інституті є розроблені спеціальні методики врахування атмосферної рефракції у лінійні та кутові виміри, які постійно удосконалюються з врахуванням особливостей добових змін метеопараметрів на кожній гідроелектростанції. Розраховані поправки за атмосферну рефракцію автоматично вводяться у результати вимірів. Виправлені за рефракцію результати вимірів повертаються на сервер Укргідроенерго і опрацьовуються для визначення зміщень точок.

Які ще є напрями дослідження?

Другий напрям досліджень – це оцінка впливу регіональних та глобальних геодинамічних процесів на стійкість гребель. Так, за допомогою спеціального програмного забезпечення визначаються зміни положення базових точок, де встановлено роботизовані тахеометри, відносно постійно діючих ГНСС станцій, розташованих на відстанях у 1000 і більше кілометрів від гідроелектростанцій.

Що дослідження такого типу дозволяють оцінити?

Ці дослідження дозволяють оцінити вплив геодинамічних факторів, тобто рухів земної кори, зміщень тектонічних блоків на стійкість споруд. Зазвичай, більшість тектонічних розломів проходить вздовж русел рік. Відповідно їх вплив може бути вагомим на деформації гребель.

Ну, і нарешті, ще одним напрямком досліджень є аналіз виявлених зміщень і деформацій гідроелектростанцій за період тестового режиму роботи систем. У тестовому режимі системи ми працювали біля трьох років і за цей період виявлено певні їх недоліки, які усувались в процесі тестової роботи систем. Звичайно, накопичені за цей період дані вимагають детального аналізу, фільтрації помилкових вимірів і узагальнення отриманих результатів.

А Ви використовуєте міжнародний досвід під час спостережень за станом гідроспоруд за допомогою космічної геодезії?

Звичайно. Загалом, розробкою систем автоматизованого моніторингу інженерних гідроспоруд займається багато інноваційних компаній та науково-дослідних інститутів. Крім автоматизованих систем компанії Leica Geosystems відомими є також розробки американської компаній Trimble, які побудовані на базі програмного забезпечення 4D control та системи «Cyclops» та «Centaur», розроблені провідною французькою компанією SOLDATA. До речі, ця система призначена для високоточного моніторингу складних об’єктів спостереження за деформаціями будівель і споруд у режимі реального часу.

Варто зазначити, що на сьогоднішній день у світі практично на всіх потужних гідроелектростанціях встановлено системи моніторингу просторових зміщень гребель. Особлива увага приділяється станціям з великими водосховищами, або тим, які розташованими у сейсмоактивних зонах. На таких об’єктах встановлені мультисистемні комплекси з інтегрованими ГНСС технологіями і геотехнічними сенсорами. Все це працює в режимі реального часу.

А які існують критерії вибору тієї чи іншої системи?

Основними критеріями вибору тієї чи іншої системи є точність і надійність результатів. Ну, і вартість самої системи потрібно враховувати. Серед вітчизняних розробок необхідно відзначити автоматизовану система контролю стану споруд «Титан», яка розроблена АТ «Банкомзв’язок». Ця система призначена для вимірювання відносних переміщень бетонних конструкційних інженерних споруд за допомогою щілемірів.

До речі, Інститутом геодезії на Теребле-Ріцькій ГЕС у Закарпатській області впроваджено власну систему моніторингу напірного трубопроводу гідроелектростанції з використанням роботизованого тахеометра та спеціально розробленого програмного забезпечення. І можу сказати, що результати підтверджують високу точність визначення деформацій у режимі реального часу. Окрім того, ця система є у рази дешевша від зарубіжних аналогів.

Корнилію Романовичу, на сьогоднішній день системи космічної геодезії встановлено на всіх гідроелектростанціях Укргідроенерго?

Наразі такі системи встановлено на Канівській, Дніпровській, Середньодніпровській та Дністровській ГЕС.

геодезія 3
Базова ГНСС станція з роботизованим тахеометром

І які висновки? Наскільки греблі цих ГЕС є безпечними та надійними?

Попередній аналіз роботи систем моніторингу просторових зміщень гідроелектростанцій підтверджує високу стійкість гребель. Виявлені певні аномальні зміщення, які не мають впливу на безпечну роботу станцій.  

Проте, підкреслю, що ці процеси вимагають постійного моніторингу, особливо в умовах глобальних кліматичних змін. Адже, зміна рівня води у водосховищах, яка викликана періодами засухи і повеней, приводить до коливань тиску водосховища на геологічне середовище та появи напружень у геологічних пластах. А це може викликати наведену сейсмічну активність. Наприклад, такі випадки зафіксовані у минулому столітті на водосховищах Греції, Замбії та Індії.

В Україні існує загроза сейсмічної активності?

Суттєву загрозу для території України несе сейсмоактивна зона Вранча, оскільки впродовж 2014-2019 років сейсмічною мережею України зареєстровано майже 700 румунських землетрусів різної потужності. А ці землетруси можуть мати вплив на стійкість інженерних споруд Дністровської ГЕС та інших гідротехнічних об’єктів. Також існує ризик небезпечних деформацій земної поверхні на рівнинних територіях, які раніше вважалися «асейсмічними».

Окрім того, велику загрозу становлять ослаблені ґрунти, де під впливом «наведених» або локальних землетрусів з малою глибиною вогнищ можуть виникнути коливання з інтенсивністю в епіцентрі 6-7 балів. Взагалі, сейсмічними станціями центральної частини території України за останні роки зареєстровано понад 3000 регіональних землетрусів. Інтенсивність сейсмічних струшувань в епіцентральній зоні досягала 6-7 балів. При частих та тривалих сейсмічних впливах з'являються динамічні напруги, що приводять до «втоми» ґрунтів, матеріалів і конструкцій споруд. Тому, навіть відносно слабкі сейсмічні впливи можуть приводити до серйозних негативних наслідків.

Звичайно, за історичними даними, безпосередньо в Україні ще не спостерігалися великі землетруси. Серед сейсмічних подій, які зареєстровані безпосередньо на платформній частині території України, викликають увагу сейсмічні події в Криворіжському залізорудному басейні. Також, 3 січня 2002 року зафіксовано землетрус біля смт Микулинці в Тернопільській області з магнітудою 4 бала, який в епіцентрі мав інтенсивність 6-7 балів на ослаблених ґрунтах. До цього вказана територія вважалася 5-ти бальною.

Проте, підкреслю, що, незважаючи на можливі ризики, сьогоднішні результати моніторингу підтверджують надійну і безпечну експлуатацію гребель.

Які Ваші плани на майбутнє, зокрема у співпраці з Укргідроенерго?

В перспективі Інститут геодезії пропонує розробити інтегровану мережу з чотирьох взаємопов’язаних сегментів. Це сенсори, які, встановлені на греблях гідроелектростанцій, мережа сейсмічних станцій та мережа перманентних ГНСС станцій «Львівської політехніки» «Geoterrace», яка доповнена кластерами навколо гідроелектростанцій. Ну, і ще програмний комплекс, який необхідний для збору, фільтрації й опрацювання інформації з перших трьох сегментів, а також оцінки можливого накопичення критичних зміщень та деформацій гребель.

Нова інтегрована мережа покращить якість спостереження за гідроспорудами?

Скажу так, сейсмічні, геодинамічні та техногенні процеси можуть викликати короткоперіодичні зміщення і деформації гребель. Але вони не можуть бути визначені тільки на підставі опрацювання даних ГНСС сенсорів, які встановлені на греблях. Так ось інтегрована мережа зможе постійно проводити моніторинг та диференціювати саме такі короткоперіодичні зміщення і деформації, що покращить якість спостереження.

Корнилію Романовичу, дуже Вам дякуємо за розмову. Ви надзвичайно цікаво розповідаєте. Бажаємо Вам успіхів у всіх Ваших розробках та дослідженнях.

Дякую. Сподіваюся, наші напрацювання і надалі допомагатимуть безпечно експлуатувати гідроспоруди, а співпраця з Укргідроенерго буде ще більш ефективною.

Пресслужба Укргідроенерго

Читайте також:

Безпека та надійність гідроспоруд: в якому стані знаходяться великі греблі України

Задля безпечної експлуатації гідроспоруд у майбутньому необхідно розробити нову нормативну базу

Поділитися: