Изследване състоянието на язовири

Язовирите осигуряват електроенергия, вода за напояване, индустриални и битови нужди, като същевременно смекчават последствията от сухи и дъждовни периоди. Експлоатацията на тези съоръжения продължава много дълго, което определя нуждата от редовни инспекции и навременна поддръжка. Издръжливостта им се определя от редица фактори, чието отчитане се извършва чрез системи от уреди и датчици. Събирането и анализирането на тези потоци от информация позволява да се направи оценка на комплексното състояние на обекта в реално време. В тази статия ще разгледаме някои от уредите и методите за обследване на язовирните стени.

Язовирните стени са сред най-мащабните строежи на човечеството. По вида си и използваните строителни материали се делят на няколко вида – насипни и масивни, които от своя страна биват гравитационни или сводови. Задържаните от тях водни маси се използват за напояване в земеделието, в индустриални процеси, за питейна вода, за балансиране на сезонните и краткосрочни вариации в течението на дадена река, породени от топене на снеговете, дъждовни и сухи периоди, както и поройни дъждове. Множеството им роли определят значението на тези басейни за обществото. Броят на всички язовири в България е около 2200, като много от тях са построени в периода до 1966 г. Липсват данни за точната бройка, която ще се изясни след съставянето на т.нар. Воден кадастър – единен регистър с информация за водните тела. Предлага се попълването му да започне с язовирите. Голяма част от тях са малки според международната система за класификация на ICOLD (с обем под 3 млн.m3 и/или стена с височина до 15m). Те обслужват предимно локални нужди за напояване и питейна вода, но в случай на авария могат да представляват сериозна опасност за населението. Броят на определените за значими и комплексни язовири в страната е 52 (според МОСВ), съдържащи 87% (6692,03 млн. m3) от язовирния обем на България. За 47 от тях се изготвят месечни графици, базирани на актуална информация, за разпределяне на водните обеми между различните потребители. В резултат на това, нивото на водата, съответно и напорът върху стената, постоянно се променят. Съоръженията изпитват променливи натоварвания и са проектирани с особено дълъг период на експлоатация. Нуждата от спазване както на конструктивни, така и на икономически условия за изграждането и управлението на язовирите, обуславя нуждата от редовни инспекции. Важно е да се отбележи, че скъсването на язовирна стена носи много по-лоши последствия отколкото излизането от коритото на не завирена река. Състоянието на бентовете и водните басейни се следи, за да се осигури безопасното им и продължително използване, като акцентира върху оптималното и гъвкаво управление на водния обем.

Държавни програми и регулации
Контролът върху състоянието на язовирите започва със събиране на информация относно началните параметри на съоръженията, времето за изграждане и извършени ремонти. Следващата стъпка е регламентирането на стопанисването. Наредба №13 за „Условията и реда за осъществяване на техническа експлоатация на язовирните стени и съоръженията към тях” от 2004 г. на Министерството на околната среда и водите, Министерството на регионалното развитие и благоустройството, Министерството на земеделието и горите и Министерството на енергетиката и енергийните ресурси определя условията и изискванията към собствениците и лицата, осъществяващи поддръжката на хидротехническите съоръжения. Националната електрическа компания (НЕК) стопанисва 40 язовирни стени (50,1% от регулирания обем на водохранилищата в България) чрез предприятието Язовири и каскади. Неговите специалисти се грижат за безопасността на съоръженията съгласно наредбата и „Правилник за техническа експлоатация на язовирни стени и ХТС при ВЕЦ, ТЕЦ и АЕЦ” на НЕК от 2002 г.

155 язовира, много от които малки, се стопанисват от Напоителни системи, чийто предмет на дейност е осигуряване на вода за селскостопански цели. Основната част от малките язовири са общинска собственост, като биват давани на частни концесионери. С оглед на нарастващото притеснение от старите и опасни язовирни стени, се планира след създаването на единния регистър, държавата да упражнява контрол върху всички съоръжения, независимо чия собственост са те. В началото на 2011 г. експерти от ГД „Пожарна безопасност и защита на населението” разработиха проекта „Подобряване на превенцията и осъзнаването на опасността от наводнения, чрез разработване на стандартизиран модел за оценка и управление на риска от малките язовири, базиран на Европейски добри практики и обмяна на опит” (DAMSAFE). Сред заложените цели са още изследването на възможността за използването на малки язовири само с ретензионна цел и полагане на основите на бъдещи дискусии относно нужните правни мерки за намаляване риска от наводнения. Публикуването на резултатите от проекта се очаква да започне през Октомври 2012 г. Финалната конференция ще се проведе в избрания за пилотен район Плевен, през февруари 2013 г.

Методи за обследване
Поради размерите и сложността на язовирните стени се изисква едновременното следене на голям брой параметри. Промяната в някой от тях може да сигнализира за нужда от промяна в нивото на язовира или спешен ремонт.

Визуално обследване и геодезични методи
Визуалните методи се свеждат до търсенето на видими признаци за отслабване на конструкцията като пукнатини, деформации, ерозия, деградация на повърхностния слой. Тези изследвания могат да бъдат извършвани както от въздушната, така и от водната страна на стената. За целта могат да се потърсят услугите и на екипи от професионални водолази.

Геодезичните методи за изследване се състоят от измервания на отклоненията на определени точки спрямо построена координатна система. Това става чрез пускане на прави и обратни отвеси към и от точки от короната, тялото, основата и опорните блокове на язовирната стена. Анализът на получените данни позволява да се оцени техническото състояние на съоръжението, посредством откриване на геометрични деформации. Тези измервания изискват много голяма прецизност, като тя може да бъде различна за язовири от първостепенна и друга важност. Особени мерки се предприемат, за да се осигури нужната точност – достатъчно разстояние от стената за да се избегне влиянието на водния напор върху основата за измервания, изпълнение на изследването само при благоприятни метеорологични условия, избиране на втора триангулачна база и други.

Контролно-измервателни системи
Всяка масивна язовирна стена е оборудвана с контролно-измервателни системи. В зависимост от нуждите на обекта те могат да включват голям брой разнообразни датчици. Характерно за тези системи е прилагането на дистанционно отчитане и събирането на информацията в общ център, който я анализира и предоставя своевременна информация за комплексното състояние на обекта. Това се обуславя и от характера на част от датчиците. Местата на които се поставят не позволяват достъпа на персонал, както за отчитане, така и за поддръжка.

Отвеси
Отвесите спадат към т.нар. полу-геодезически методи и се делят на два основни вида – прави и обратни. Правите отвеси представляват махала, окачени на жици от отправни точки в тялото на стената, минаващи през шахти. Служат за измерване на наклона на стената и основата като се следи отклонението между отвеса и вертикалната права.

Обратните отвеси са фиксирани за скалната основа под язовирната стена, като жицата е опъната нагоре под определено натоварване. Често горният край на отвеса се закача за плаващ във вода елемент. Дават информация както за наклона на стената, така и за хоризонтални измествания между стената и основата. Използването на комбинация от прави и обратни отвеси дава най-пълна представа за състоянието на язовирната стена.

Отчитането им може да се извършва ръчно – чрез коордиметър, или дистанционно чрез уред, наречен телелот. Коордиметрите са оптични приспособления, с механична или електронна скала за измерване. Гледайки през визьорите на уреда, техникът го центрира върху жицата на отвеса, след което снема данните.

Телелотът е оптично устройство за постоянно следене на промени в отклонението. Използват се светлинни източници, които осветяват жицата и хвърлят сянка върху светлочувствителни датчици. Информацията се събира от уреда и се изпраща по електронен път до главния комуникационен възел на контролната система. Измерванията се извършват бързо, което позволява получаване на информация за състоянието на стената в реално време.

Екстензометри
Използват се за измервания на вертикалното движение на язовирната стена. Уредът представлява жица, от материал с нисък коефициент на термично разширение, опъната между две фиксирани точки. Според начина на отчитане на информацията са познати контактни и безконтактни екстензометри, като първите са обичайният избор при такива приложения заради по-ниската им цена и по-лесното им прилагане.

За измерване на локалните измествания на стената спрямо заобикалящия я скален масив и бетонния тампон се използват сондажни екстензометри. Инсталират се в сондажи, започващи от инжекционната галерия на язовира и обикновено са мултианкерни, фиксирани на няколко различни дълбочини.

Фугомери (дилатометри)
Това са уреди, които служат за измерване на относителните измествания между два съседни блока. Разрастването на фугите води до филтрирането на повече вода през бетона, което има неблагоприятен ефект върху якостта му.

Тензомери и телепресметри
Тензометрите се използват за следенето на напрегнатото състояние на бетона в определени зони от стената. Обикновено се поставят 2,3 или повече датчика в розетка. Телепресметрите измерват натискови напрежения в бетона. Разпределят се на различни коти в съоръжението.

Клинометри
Клинометрите служат за измерване на изменението на ъгъла между две точки (спрямо хоризонтална или вертикална ос). За означение на точките се фиксират със специални болтове. Уредите са преносими, което позволява да се отчитат точки на различни места в стената (в различни контролни галерии).

Пиезометри
Пиезометрите следят за налягането на филтрираща се през земните слоеве под и около язовирната стена. Тези, монтирани в инжекционната галерия, измерват филтрационното противоналягане под основата.

Тръбни пиезометри, поставени по скатовете на язовира или склоновете на реката след стената, дават информация за режима на подпочвените води и поровото налягане в почвените слоеве. Наблюдението на тези параметри дава възможността да се оцени устойчивостта на склоновете около язовира.

Дълбочинен сензор
Дълбочинният сензор следи за дълбочината на водата в язовира. Отчита се хидростатичното налягане в основата на стената. Количеството вода в язовира може да бъде пресметнато независимо от нивото на запълване на мъртвия обем.

Нивомерни преливници
Порьозността на бетона и хидростатичното налягане позволяват движението на вода през стената. Съпътстващата химическа и механична суфозия действа неблагоприятно върху устойчивостта на материала. За следене количеството на филтрираната през тялото и основата вода може да се използва комбинация от нивомер и преливник. Преливникът може да бъде с правоъгълен или триъгълен профил в зависимост от изискванията. Нивомерът използва тежест, потопена във водата, чието ниво се мери. Отчитат се промените в измереното тегло на тежестта, откъдето се пресмята водното ниво в реално време.

Телетермометри
Използват се за следене температурата в бетона. Много ниските температури могат да сигнализират, че част от филтриращата се вода е замръзнала. Разширяването на водата при превръщането й в лед е фактор, който силно може да повлияе здравината на материала.

Сеизмична система
Предназначена е да засича и записва земните колебания. Обикновено присъстват две части – акселерометър и рекордер. Модерните системи са пригодени да започнат записване на редовни замервания след засичане на трус с определена сила.

Метеорологични и хидрометрични изследвания
Изграждането на метеорологична станция е задължителна част от контролната система на големите язовири. Метеорологичните условия (количество валежи и изпарения, температура, относителна влажност, скорост и посока на вятъра, атмосферно налягане) в района на стената оказват влияние върху съоръжението и условията на експлоатацията. Наблюдението на тези параметри позволява отчитане на промените във водния обем под действието на валежи и изпарения. Данните се събират и анализират, след което става възможно формирането на статистически компютърен модел на язовира. Чрез него се повишава ефективността в управлението на водния ресурс.

Земномеханични и инженерно-геоложки проучвания
От голямо значение е следенето на състоянието на земния насип (в случай на земно-насипна или каменно-насипна язовирна стена) и на скатовете от двете страни на съоръжението. Наличието на набъбващи глини е предпоставка за формирането на пукнатини при билото и сухия откос на насипа при продължително засушаване. Информацията за извършени ремонти на прорязан от преливане насип е важна стъпка от следенето на конструктивната му издръжливост. При попълването на отвор в стената трябва да се спазват специални условия за контакт между новия и стар насип, както и за уплътняването на новите почвени пластове.

Изследва се инженерно-геоложката основа на стената. Следи се за установени филтрации в основата и през земния насип, обрушване и хлъзгане в основата на откосите. Наблюдава се развитието на геоложкото състояние на скатовете, особено в случай на зони с повишен риск от свличане.