В настоящей статье описан опыт проведения трехмерного лазерного сканирования одной из стен камеры шлюза №2 канала имени Москвы. Работа была выполнена для оценки возможностей современных способов проведения геотехнического мониторинга с целью определения текущего технического состояния восточной стены камеры шлюза №2 Канала имени Москвы. При проведении работ была создана объемная модель поверхности восточной стены камеры и частично здания башни верхней головы, по которой оценивались дефекты, деформации и другие повреждения.

Ключевые слова: гидротехническое сооружение, лазерное сканирование, геотехнический мониторинг, камера шлюза, подпорная стена, наблюдение за перемещениями, облако точек, деформации, дефекты, осадки.

Введение

Наблюдение за состоянием основных несущих конструкций как уже существующих, так и строящихся сооружений является одной из важных задач, обеспечивающих безопасность эксплуатации, а также сохранность жизни и здоровья людей, которые находятся в инженерном сооружении.

С развитием нормативной базы [1-4] контроль технического состояния инженерного сооружения (мониторинг) носит обязательный характер как в строительный, так и в эксплуатационный периоды. При этом в последние 5-10 лет значительно развилось современное оборудование для измерения геометрического положения объекта в пространстве. Так в дополнение к автоматическим тахеометрам, способным определять координаты отдельных точек без участия оператора, появились приборы, способные совершать тысячи таких измерений в секунду, позволяя фактически снять ограничения по количеству наблюдаемых точек, что в свою очередь позволило сканировать сооружения, получая их объемные высокоточные компьютерные модели. Все это позволило оценивать динамику перемещений не по отдельным деформационным маркам, а в целом, опираясь на смещения инженерного сооружения.

Особенно интересно применение такого подхода при наблюдении за сложными инженерными сооружениями, в которых тесно переплетаются технологические процессы с их конструктивом и архитектурой. Без сомнения, к таковым относятся различные гидротехнические сооружения и, в частности, камеры шлюзов. Тем более, применение современных способов мониторинга за состоянием становится актуальным, когда рассматривается такое гидротехническое сооружение как Канал имени Москвы, который функционирует уже более 80 лет, и при этом отдельные его части представляют собой памятники архитектуры и инженерного искусства, которые необходимо сохранить и содержать в достойном состоянии.

В мае 2016 года, по просьбе службы эксплуатации Канала имени Москвы, сотрудниками НИИОСП им. Н.М. Герсеванова было проведено обследование восточной стены камеры шлюза №2 для определения состояния бетона лицевой поверхности стены и локализации дефектов. Работы выполнялись на безвозмездной основе. В ходе обследования осуществлено сканирование восточной стены и башен верхней и нижней голов в общем виде. Детальное обследование (сканирование), по данным которого можно подробно сделать вывод о состоянии лицевой поверхности стены, выполнено на четырех секциях камеры. В состав обследуемых секций вошли секции с наихудшим состоянием бетона.

Краткая характеристика основных конструкций камеры шлюза №2

В настоящее время Канал имени Москвы является одним из крупнейших каналов на территории Российской Федерации.

Судоходные сооружения  Канала находятся  в эксплуатации почти 80 лет. За долгие годы эксплуатации на стенах камер шлюзов наблюдаются множественные деструктивные изменения в поверхностном слое бетона (трещины, каверны с обнажением арматуры, очаги фильтрации). Первые дефекты в бетонном массиве камер были выявлены в зоне переменного уровня воды, а в последующие годы, получили распространение по всей площади стен. Общий вид камеры шлюза №2 представлен на рисунке 1.

По наблюдениям, проведенным за время эксплуатации на рассматриваемом в данной статье, шлюзе №2, наблюдаются незатухающие перемещения стен в сторону камеры шлюза, интенсивность которых составляет до 2 мм/год.

Незатухающие перемещения стен и образование трещин привели к необходимости принятия мер для восстановления разрушений бетона и прекращения прогрессирующих деформаций, а именно: разгрузке стен от обратной засыпки, установке дополнительных армоэлементов, установке составных наклонных и вертикальных нагелей в районе тыловой грани стен, закреплению стен анкерными тягами, ремонту лицевого бетона стен.

Выполненные мероприятия не лишены недостатков, но в совокупности они повышают возможность более надежной эксплуатации шлюзов.

В настоящее время наибольшую обеспокоенность вызывает состояние восточной стены камеры шлюза №2, незатухающие перемещения которой продолжаются и в настоящее время. Также именно шлюз № 2 стал первым, где в самом начале эксплуатации были обнаружены перемещения стен в камеру шлюза и применены различные мероприятия по повышению безопасности его эксплуатации.

Шлюз №2 – однокамерный, докового типа, общая длина шлюза - 367,0 м, полезная длина камеры – 290,0 м, полезная ширина камеры – 30,0 м. Минимальная глубина на пороге – 5,52 м. Камера разделена на 15 секций. Толщина днища 4,0 м, толщина стен по низу 6,0 м, по верху 1,0 м. Высота стен камеры 16,0 м. Схема камеры шлюза №2 представлена на рисунке 2.

Стены камеры шлюза выполнены из железобетона проектной марки В15 (М200). Проектом предусмотрена разбивка стен по высоте на четыре блока бетонирования. Максимальный расчетный напор составляет 11,31 м. Напор при НПУ равен 6,00 м.

В основании камеры залегает преимущественно суглинок с гравием и валунный суглинок. Пазухи за стенами камеры шлюза засыпаны моренным суглинком и частично супесью в смеси с песком. Западная пазуха засыпалась талым грунтом, восточная с примесью мерзлого грунта, т. к. отсыпка производилась в зимний период, засыпка грунта производилась без уплотнения[5].

Методика проведения работ. Приборы и оборудование

Для получения объемной модели восточной стены камеры шлюза было применено лазерное сканирование, выполненное с базовых точек, закрепленных на противоположной стороне камеры. Общий вид оборудования в процессе проведения сьемки представлен на рисунке 3.

Лазерное сканирование – технология, позволяющая создать цифровую трехмерную модель объекта, представив его набором точек с пространственными координатами. Технология основана на использовании современных геодезических приборов – лазерных сканеров, измеряющих координаты точек поверхности объекта с высокой скоростью порядка нескольких десятков тысяч точек в секунду. Полученный набор точек называется «облаком точек» и впоследствии может быть представлен в виде трехмерной модели объекта, плоского чертежа, набора сечений, поверхности и т.д.

В основе технологии трехмерного лазерного сканирования лежит метод определения множества трехмерных координат X, Y, Z отдельных точек на снимаемом объекте. Измерения выполняются с помощью высокоскоростного лазерного дальномера. Для перехода на следующий узел мнимой сетки луч лазерного дальномера после каждого замера разворачивается системой зеркал на некоторый заданный угол.

Для выполнения  инженерно-геодезических работ  по фасадной съёмке (трёхмерному лазерному сканированию) применялся электронный сканирующий тахеометр Leica MS60 (рисунок 3). Технические характеристики используемого оборудования представлены в [6]. Был принят шаг сканирования: 5мм х 5мм на расстояния от 50м до 200м; точность определения расстояния до точки сканирования равна 1,5-3 мм; скорость сканирования была определена как высокоскоростная до 1000 точек за 1 секунду на расстоянии до 200 метров.

Основные результаты, полученные при проведении сканирования стенки камеры шлюза

В результате проведения работ по сканированию была получена объемная модель восточной стены камеры шлюза №2 общий вид, которой представлен на рисунках 4-7.

Выводы

Выполненное обследование показало, что лазерное сканирование позволяет в достаточно короткие сроки и с высокой достоверностью получить модель сооружения с точным расположением на ней выявленных дефектов, оценить пространственные деформации сооружения.

По результатам обследования восточной стены получены данные о точном расположении дефектов лицевой поверхности, их размерах и площади. Полученные материалы позволяют с большей достоверностью выполнить оценку технического состояния сооружения и рассчитать объемы материалов для выполнения ремонтных работ.

Список литературы

 

1.        ГОСТ 24846-2012 «Грунты. Методы измерения деформаций оснований зданий и сооружений»/ НИИОСП им. Н.М. Герсеванова и НИЦ «Строительство»./М.:2013 г.;

2.        СВОД      ПРАВИЛ       СП      22.13330.2011     ОСНОВАНИЯ      ЗДАНИЙ      И      СООРУЖЕНИЙ Актуализированная     редакция      СНиП      2.02.01-83*      Москва      2011      МИНИСТЕРСТВО РЕГИОНАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ/М.:2011 г;

3.        Свод Правил СП 47.13330.2012 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 11-02-96. МИНИСТЕРСТВО РЕГИОНАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ/М.:2012 г;

4.        ГОСТ Р 22.1.13-2013 Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Мероприятия по гражданской обороне, мероприятия по предупреждению чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений. Требования к порядку создания и эксплуатации

5.        Материалы Правительственной комиссии по приему Канала Москва-Волга. Гидротехническая секция. Бетонная группа. 1937 г., стр. 12-20 http://leica-geosystems.com/products/total-stations/multistation