В результате деятельности центра разработан и введён в эксплуатацию комплекс программно-аппаратных и технических средств сейсмодиагностики плотины Токтогульской ГЭС. C 2005 года ведутся круглосуточные наблюдения за плотиной. Кроме этого с помощью данного оборудования ведутся наблюдения за региональной сейсмичностью в районе Токтогульской ГЭС с оценкой параметров землетрясений.
Комплекс может быть использован для контроля состояния плотин гидротехнических сооружений, мостов, зданий. Все сооружения, испытывающие при своей эксплуатации большие динамические нагрузки от природных явлений или техногенного воздействия человека и оборудования, можно контролировать с помощью данной разработки.
Некоторые результаты деятельности центра
Система сейсмомониторинга работает круглосуточно и ведёт регистрацию землетрясений, пусков гидроагрегатов, микросейсм, а также событий, не связанных с пусками и землетрясениями.
Рис. 1. Структурная схема системы сейсмомониторинга Токтогульской ГЭС.
Возможности системы мониторинга и комплекса программных средств
- Нет обслуживающего персонала. Дистанционный контроль работы оборудования и программ. Калибровка и расчёт частотных характеристик сейсмодатчиков автоматический. Непрерывная автоматическая передача данных и обработка данных в центре обработки.
- Непрерывная регистрация данных с частотой опроса 1000 Гц. 24 разрядным АЦП. Выделение из потока данных событий землетрясений, событий техногенного характера и событий вызванных собственными колебаниями плотины под действием изменений уровня воды в водохранилище. Время записи события 30 сек с предысторией 10сек. Первичная обработка данных: устранение трендов и постоянной составляющей, нормирование данных, коррекция данных по положению плотины, переход от скоростей к смещениям, ускорениям и энергии.
- Непрерывное накопление почасовых максимальных и осреднённых спектров микросейсм. Сохранение данных наблюдений в виде почасовых спектров. При частоте оцифровки 1000Гц. значительно сокращает объём передаваемых данных по каналам связи и сохраняет информативность. Эти данные используются для анализа состояния плотины после землетрясения. Кроме этого ведётся контроль работы оборудования, так как основная доля в спектре принадлежит самой плотине.
- Расчёт балльности, магнитуд и энергии сейсмических событий , визуализация пространственного распределения их по плотине. Расчёты можно вести в баллах: MSK-64, МСССС 1973, MMSK-92, СНРК В.1.1-3 98, спектральная магнитуда, относительная энергия.
- Поиск максимумов скоростей, ускорений и смещений в теле плотины.
- Оценка раскрытия швов между блоками, бортами и основанием плотины (выполняется только для относительно сильных воздействий).
- Томография плотины. Отражает свойства плотины – однородность, сплошность, похожесть свойств.
- Спектральный анализ землетрясений представлен шестью основными видами анализа FFT, PSD, Cross PSD, TFE (Частотная передаточная функция из любой точки плотины, в том числе из 10 опорной точки, АЧХ плотины), Когеренция и Спектрограмма. Построение распределения интенсивности амплитуды резонансных частот по телу плотины. Это позволяют анализировать свойства плотины и временные изменения в теле плотины.
- Определение направление подхода сейсмических волн и эпицентра землетрясения, наблюдение за сейсмичностью в районе плотины (в радиусе 500 км.). Построение карты эпицентров землетрясений. Необходимость этой работы обусловлена необходимостью оперативно определить эпицентр, его параметры. Сейсмологи не всегда фиксируют землетрясения в районе плотины, точность их показаний +/- 10 км. А хоть и слабые, но близкие землетрясения наиболее опасны для сооружения.
Рис. 2. Карта эпицентров землетрясений зафиксированных системой наблюдений с 2005 по 2019 годы. Слева общая карта, справа район Токтогульской ГЭС.
Рис.3. Распределение бальности MSK-64 (слева) и спектральной магнитуды (справа)по телу плотины для землетрясения 2015-12-01 12:13:32, Черная линия – контур плотины. Цифрами показаны пункты наблюдений. По осям – высота плотины над уровнем моря, ширина плотины в метрах.
Рис.4. Томографический снимок плотины из 9 и 10 (опорной точки).
Рис.5. Распределение амплитуды колебания резонаной частоты плотины 3.7 герца
Программное обеспечение позволяет наблюдать динамику движения сейсмических волн по сооружению плотины, определять задержки распространения волн между точками наблюдений, строить передаточные функции, оценивать раскрытие швов сооружения, деформацию центрального блока плотины и относительное движение бортов каньона во время землетрясения, определять максимумы смещений и деформаций, выполнять спектральный и корреляционный анализ.
Анализ микросейсм и шумов плотины даёт информацию о состоянии сооружения. Для этого используются частоты, генерируемые оборудованием ГЭС и гидроагрегатами. Кроме этого анализ частот вибрации гидрогенераторов также даёт информацию о состоянии гидроагрегатов и позволяет проводить их контроль во время работы при реальной нагрузке.
Рис.6. Почасовые спектры (слева). При работе третьего гидроагрегата отмечается повышенная вибрация. На рисунке справа представлены спектры вибраций при испытании второго агрегата после ремонта на различных нагрузках
Особенную актуальность система наблюдений приобретает к концу срока эксплуатации ГЭС, когда исчерпан ресурс надежности и необходимо принять меры для усиления конструкции плотины. Методика может быть использована для наблюдений за крупными сооружениями, мостами и зданиями.
В решение указанной задачи, как составная часть, включается прогнозирование состояния плотины с целью предотвращения катастрофических ситуаций.
В центре ведется работа по совершенствованию методов обработки и анализа данных. Накоплена огромная база данных.
