Новые алгоритмы и методика оптимизации состава систем мониторинга бетонных плотин Загрядский Иван Игоревич

Введение к работе

Актуальность темы исследования. В РФ построено много больших бетонных плотин (далее - плотины): Саяно-Шушенская, Чиркейская, Миатлинская, Красноярская, Братская, Усть-Илимская, Зейская, Мамаканская, Бурейская, Богу-чанская и проч. Срок их эксплуатации, как правило, превышает 25 лет. В некоторых плотинах начали развиваться деструктивные процессы, которые необходимо наблюдать и контролировать в соответствии с требованиями Федерального закона “О безопасности гидротехнических сооружений” от 21.07.1997. Увеличение размеров плотин и гидроузлов, усложнение их конструкции, их старение, изменение строительных технологий, средств измерений, вычислительной техники и математических алгоритмов приводит к необходимости модернизации и замены средств мониторинга.

Для повышения надежности и безопасности гидроузлов и входящих в них плотин, эффективности их систем мониторинга следует применять передовые и хорошо зарекомендовавшие себя общие методы и принципы разработки, создания и эксплуатации сложных технических систем. Сейчас подобными стандартами являются CALS {непрерывная логистическая и информационная поддержка сложных технических систем на протяжении их жизненного цикла - далее НПЖЦ). Недооценка важности НПЖЦ плотин и их систем мониторинга не раз приводила к катастрофическим последствиям, человеческим жертвам и громадным убыткам. Согласно стандартам ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207-2010, ГОСТ Р ИСО/МЭК 15504 (части 1-9), ГОСТ Р ИСО 15704-2008, ГОСТ Р ИСО/МЭК 25010-2015, ГОСТ Р 57100-2016/ISO/IEC/IEEE 42010:2011, ГОСТ Р 57193-2016 и проч. на начальной стадии проектов гидроузлов, плотин и систем мониторинга должна ставиться задача оптимизации затрат на них с учетом всех этапов жизненного цикла: менеджмента, проектирования, закупки, изготовления, эксплуатации и ликвидации. Непрерывная информационная поддержка плотин, к которой относятся указанные в названии диссертации новые алгоритмы и упрощенная методика оптимизации состава их систем мониторинга, означает доставку нужной информации в необходимом количестве необходимого качества в нужное время в нужное место с минимальными затратами для обеспечения нормального функционирования плотины. При упрощенном подходе допустимы проектирование и оптимизация системы мониторинга на основе минимизации затрат только на нее на протяжении всего ее жизненного цикла при условии ее проектного функционирования. Важным элементом НПЖЦ плотин и их систем мониторинга является менеджмент качества действующих средств мониторинга плотин и их предлагаемых новых альтернатив на основе объективного оценивания их качества.

Степень разработанности темы исследования. Исследования относятся к следующим областям специальности 05.23.07:

совершенствование методов математического моделирования условий работы бетонных гидротехнических сооружений (далее - ГТС);

разработка новых направлений прогнозирования напряженно-деформированного состояния (далее - НДС) напорных ГТС;

разработка новых критериев безопасности ГТС, новые системы контроля и наблюдений за сооружениями, совершенствование методов технической диагностики и мониторинга водных систем и объектов.

Большой вклад в развитие этих областей внесли гидротехники, чьи имена пе-

речислены ниже в обзоре главы 1. Анализ существующей теоретической и методической базы (см. ниже обзор главы 1) показал следующее. Не в полной мере разработаны средства непрерывного мониторинга плотин на многолетних интервалах с учетом как обратимых, так и необратимых изменений их НДС. Для обеспечения непрерывной информационной поддержки плотин средствами мониторинга, выполнения требований стандартов РФ и ИСО необходимы разработка и усовершенствование следующих алгоритмов и методик: для оперативных и непрерывных обработки и анализа данных наблюдений; для оценки и прогнозирования НДС плотин и их диагностики; для оптимизации состава и архитектуры систем мониторинга и оценки их качества (см. Рисунок 1).

Цель диссертационной работы состоит в разработке комплекса научно-технических решений для непрерывной информационной поддержки жизненного цикла плотин средствами мониторинга путем совершенствования методов: непрерывных обработки и анализа данных наблюдений; математического моделирования, оценки и прогнозирования НДС плотин и их диагностики; оптимизации состава и архитектуры систем мониторинга плотин и оценки их качества.

Задачи исследований

1. Обеспечение непрерывности процесса мониторинга плотин и учет изменчивости во времени системы «плотина-основание» при ее математическом моделировании.

2. Выявление моментов резко увеличивающейся необратимой податливости плотин под действием нагрузок. Использование количественных характеристик этой податливости в качестве новых критериев безопасности плотин.

3. Учет погрешности измерения внешних воздействий и контролируемых параметров плотин при оценке погрешности статистических моделей для прогнозирования их НДС.

4. Уточнение способов учета ползучести бетона при расчетах и прогнозировании НДС плотин, при анализе необратимых изменений их НДС.

5. Усовершенствование метода технической диагностики плотин (тензомет-рический метод определения напряжений) для уточненной оценки по показаниям датчиков НДС плотин и физико-механических свойств бетона.

6. Разработка методики оценивания качества средств мониторинга плотин:
алгоритмов, способов аппроксимации данных, процессов, средств измерений, си
стем и подсистем для использования указанных оценок в процедурах менеджмен
та качества и оптимизации. Разработка методики упрощенной оптимизации со
става и архитектуры систем мониторинга плотин на основе оценок их качества.

7. Демонстрация преимуществ новых предложений на примерах внедрения.

Научная новизна работы

1. Разработан комплекс научно-технических решений для непрерывного мониторинга плотин на основе математического моделирования их НДС и совершенствования методов их технической диагностики согласно стандартам РФ и ИСО. Новизна комплекса состоит: в непрерывной информационной поддержке бетонных плотин на протяжении всего их жизненного цикла; в оценивании качества сопоставляемых входящих в него альтернативных систем, процессов и алгоритмов мониторинга плотин, а также в выборе для использования оптимальных из них с лучшими оценками. Предложенные способы оценки качества алгоритмов, прогнозных моделей, систем мониторинга плотин и учета физико-механических свойств бетона имеют самостоятельную научную и практическую ценность.

1.1. Нормативные документы. ГОСТ Р 22.1.12-2005, ГОСТ Р 55260.1.4-2012, ГОСТ Р 57793-2017, ГОСТ Р 50779.0-95, ГОСТ Р ИСО/ТО 10017-2005, СТО 17330282.27.140.004-2008, СТО 70238424.27.140.003-2010,

1. Средства

мониторинга

бетонных плотин

СТО70238424.27.140.021 -2008, СТО 70238424.27.140.035-2009, СТО 70238424.27.140.042-2009 и проч.

1.2. Датчики и прочие первичные средства измерений (СИ)

1.4.1. Методы статисти
ческого анализа пове
дения плотин

2. Детерминистские и смешанные модели поведения плотин

3. Анализ временных рядов, нейронные сети и проч.

1.3. Средства сбора, передачи, хранения данных и

управления потоками данных в сети

1.4.4. Расчет показателей состояния плотин на основе измеренных данных. В

частности, расчет напряжений в бетоне на основе его измеренных деформаций (тензометрический метод определения напряжений)

_{^ ТМОН}

1.4. Средства интерпретации данных натурных измерений и диагностики плотин

1.4.5. Оценка вклада ползучести бетона в общие перемещения бетонных плотин на основе лабораторных и натурных исследований ползучести бетона

Ползучесть и

.перемещения

1.5. Служебный персонал системы мониторинга бетонных плотин

1.4.6. Диагностика плотины на основе данных натурных наблюдений:

Диагностические показатели состояния плотины (ДП) и их критериальные значения (КЗ). Зависимости ДП от нагрузок на плотину

Рисунок 1. Средства мониторинга и диагностики бетонных плотин (красным цветом выделены направления, развиваемые диссертантом)

2. Разработаны алгоритмы стыковки отдельных участков статистических мо
делей и построения этих моделей в смещающемся временном окне, что позволяет
осуществлять непрерывные мониторинг, статистический анализ данных и диагно
стику плотин и обеспечивает их преемственность. Оригинальными способами с
использованием математического аппарата сезонных и несезонных функций вли
яния смоделированы сезонность и нелинейность зависимостей контролируемых
параметров плотин от нагрузок, состояния плотин и режимов эксплуатации гид
роузлов. Предложенные алгоритмы часто превосходят и уточняют традиционные
методы анализа и прогнозирования НДС плотин и их диагностики.

3. Разработана методика определения критериев безопасности плотин по данным натурных наблюдений с помощью статистических моделей, включающих изменяющиеся скачками необратимые составляющие контролируемых параметров плотин. Рекомендовано использование величин скачков и скорости изменения таких необратимых составляющих в качестве критериев безопасности плотин. Обосновано, что подобная методика позволяет отслеживать процессы развития многих типичных аварийных сценариев плотин точнее, чем традиционные способы. Методика позволяет выделять скачкообразные необратимые изменения НДС плотин из общих необратимых изменений их НДС.

4. Пересмотрена и уточнена методика выбора объективных и адекватных статистических моделей для прогнозирования НДС плотин. Новизна уточнений состоит в приведении сопоставляемых моделей к единой структуре для объективного оценивания их качества, а также в явном учете погрешностей измерений данных натурных наблюдений при прогнозировании.

5. Пересмотрена и уточнена методика учета физико-механических свойств бетона при мониторинге плотин и математическом моделировании их НДС на длительных временных интервалах. Усовершенствованы способы аналитического задания функций ползучести и релаксации гидротехнического бетона молодого возраста, и уточнены зависимости между ними. Методика позволяет более корректно выделять вызванные ползучестью бетона плавные необратимые изменения НДС плотин из общих необратимых изменений их НДС.

6. В рамках совершенствования методов технической диагностики плотин модифицирован тензометрический метод определения напряжений для оценки по показаниям датчиков: НДС плотин при раскрытии трещин в бетоне, при длительных пропусках в данных наблюдений и при динамических воздействиях на плотину на основе измеренных с частотой более 1,0 Гц деформаций бетона; модуля упругости бетона и вклада его ползучести и релаксации в НДС плотин.

7. Разработана методика упрощенной оптимизации состава и архитектуры систем мониторинга плотин на основе стандартов РФ и ИСО, изучения аналогов таких систем, а также алгоритмов квалиметрии и теории оптимизации.

Теоретическая и практическая значимость работы

1. Разработан комплекс научно-технических решений для непрерывного мониторинга плотин на основе математического моделирования их НДС и совершенствования методов их технической диагностики по стандартам РФ и ИСО.

2. Разработаны статистические алгоритмы, предназначенные для непрерывных мониторинга и диагностики плотин, а также для прогнозирования их НДС. Уточнено аналитическое описание функций ползучести и релаксации бетона для объективной оценки влияния его реологических свойств на НДС плотин.

3. Разработана методика определения критериев безопасности плотин по

данным натурных наблюдений с помощью статистических моделей, включающих изменяющиеся скачками необратимые составляющие контролируемых параметров плотин. Рекомендовано использование величин скачков и скорости изменения таких необратимых составляющих в качестве критериев безопасности плотин.

4. В рамках совершенствования методов технической диагностики плотин модифицирован тензометрический метод определения напряжений.

5. На длительных временных интервалах оценены характер и величины необратимых изменений НДС плотин: Зейской ГЭС с 2002 по 2017 гг.; Саяно-Шушенской ГЭС с 1990 по 2012 гг.; Чиркейской ГЭС с 1991 по 2017 гг. На основе анализа данных наблюдений выявлены следующие новые особенности изменения НДС плотины Саяно-Шушенской ГЭС:

скачкообразное изменение необратимых составляющих многих из выборочно исследованных контролируемых параметров;

зависимость выявленных скачков необратимых составляющих контролируемых параметров от сезона, ремонтных мероприятий и температуры бетона.

6. При проектировании новых систем контроля и наблюдений за сооружени
ями научно обоснован выбор состава и архитектуры систем мониторинга при раз
работке проекта реконструкции контрольно-измерительной аппаратуры (КИА) на
плотинах Дагестанского Филиала ПАО «РусГидро», проекта мониторинга бетон
ной плотины ГЭС Шон Ла во Вьетнаме и предложений по проведению монито
ринга ГТС Зейской ГЭС.

Методология и методы исследований. Для решения поставленных задач использовались: метод наименьших квадратов (МНК), МНК с ограничениями в виде неравенств, статистический и регрессионный методы, теория ползучести бетона и вязкоупругих тел, алгоритмы квалиметрии и теории оптимизации. Преимущества статистических алгоритмов диссертанта продемонстрированы на данных натурных наблюдений за плотинами Зейской, Саяно-Шушенской и Чиркей-ской ГЭС. Эффективность предложений по уточнению аналитической аппроксимации функций ползучести и релаксации бетона и по модификации тензометри-ческого метода определения напряжений в бетоне оценивалась на тех же данных натурных наблюдений и типовых значениях мер ползучести и модуля упругости бетона, заданных в СП 41.13330.2012. При решении задач исследований применялся единый подход, основанный на требованиях стандартов РФ и ИСО.

Положения, выносимые на защиту

1. Разработанный комплекс научно-технических решений для непрерывного мониторинга плотин на длительных временных интервалах на основе совершенствования методов математического моделирования их НДС и технической диагностики согласно стандартам РФ и ИСО. Комплекс предназначен для непрерывной поддержки жизненного цикла (НПЖЦ) плотин и их систем мониторинга.

2. Уточненные методы анализа и прогнозирования НДС плотин, а также их диагностики при помощи следующих новых алгоритмов: стыковки смежных участков статистических моделей; построения статистических моделей в смещающемся временном окне; использования математического аппарата сезонных и несезонных функций влияния.

3. Разработанная методика определения критериев безопасности плотин по
данным натурных наблюдений с помощью статистических моделей, включающих
изменяющиеся скачками необратимые составляющие контролируемых парамет
ров плотин. Предложено использовать величины скачков и средние скорости из-
5

менения таких необратимых составляющих в качестве критериев безопасности плотин. Методика позволяет выделять скачкообразные необратимые изменения НДС плотин из общих необратимых изменений их НДС.

4. Уточненные методы анализа и прогнозирования НДС плотин в результате пересмотра и уточнения методики выбора объективных и адекватных прогнозных статистических моделей контролируемых параметров плотин.

5. Уточненные методы анализа и прогнозирования НДС плотин путем пересмотра и уточнения методики учета физико-механических свойств бетона при математическом моделировании плотин на длительных временных интервалах, что повышает корректность выделения вызванных ползучестью бетона плавных необратимых изменений НДС плотин из общих необратимых изменений их НДС.

6. Усовершенствованный метод технической диагностики плотин в результате модификации тензометрического метода определения напряжений для решения следующих задач: учета раскрытия трещин в бетоне и длительных пропусков в данных наблюдений; оценки по показаниям закладных датчиков величин модуля упругости бетона и вклада его ползучести и релаксации в НДС плотин; определения напряжений в бетоне при динамических воздействиях на плотину на основе его измеренных с частотой более 1,0 Гц деформаций.

7. Методика упрощенной оптимизации состава и архитектуры систем мониторинга плотин на основе алгоритмов квалиметрии и теории оптимизации, стандартов РФ, ИСО и изучения аналогов таких систем, предназначенная для разработки новых систем контроля и наблюдений за сооружениями.

Достоверность предложенных алгоритмов, методик и сделанных выводов подтверждается следующим. Использовались апробированные теории и методы решения задач. Алгоритмы решений проверялись при помощи тестовых примеров. Многие полученные результаты соответствовали общепризнанной схеме работы плотин и подтверждены данными многолетних натурных наблюдений.

Личный вклад автора состоит в постановке и решении им вынесенных на защиту новых задач мониторинга плотин по оценке, прогнозированию и диагностике их состояния, а также по менеджменту качества их систем мониторинга. Использование в диссертации результатов совместных работ согласовано с соавторами и сопровождается ссылками на эти работы.

Апробация работы. Материалы работы были доложены на трех Научно-технических конференциях «Фундаментальные исследования в технических университетах» в Санкт-Петербургском государственном техническом университете в 1997-1999 гг.; на Конференции молодых специалистов РАО «ЕЭС России» (г. Солнечногорск, Московская обл., 2001 г.); на 4-й Международной конференции «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения» (Санкт-Петербург, СПбГТУ, 2001 г.); на 9-м Международном семинаре по численным методам расчета плотин (Санкт-Петербург, 2007 г.); на 7-й Научно-технической конференции «Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии» (Санкт-Петербург, 2012 г.); на 11-й Научно-технической конференции «Гидроэнергетика. Гидротехника. Новые разработки и технологии» (Санкт-Петербург, 2017 г.).

Внедрение результатов работы. Результаты исследований применены для оценки и прогнозирования НДС, а также диагностики по данным натурных наблюдений многих бетонных плотин: Чиркейской, Миатлинской, Саяно-Шушенской, Братской, Бурейской, Зейской, Токтогульской, Бухтарминской и

Усть-Каменогорской ГЭС. Разработаны новые системы контроля и наблюдений за сооружениями: проект реконструкции КИА на плотинах Дагестанского Филиала ПАО «РусГидро», проект мониторинга плотины ГЭС Шон Ла во Вьетнаме и предложения по проведению мониторинга безопасности ГТС Зейской ГЭС. Справки о внедрении разработок диссертанта на Зейской ГЭС, Чиркейской ГЭС, ГЭС Шон Л а и проч. приведены в приложении В к диссертации.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 2 монографии и 30 статей, из которых 23 статьи (13 авторских и 10 - с соавторами) опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка терминов, списка литературы и трех приложений. Общий объем диссертации составляет 291 страницу (в том числе 16 страниц приложений), 83 Рисунка, 35 Таблиц. Список литературы включает 308 наименований, в том числе 90 - на иностранном языке.