EP3186446A1 - Überwachung der strukturellen integrität von absperrbauwerken - Google Patents

Überwachung der strukturellen integrität von absperrbauwerken

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EP3186446A1
EP3186446A1 EP15757242.1A EP15757242A EP3186446A1 EP 3186446 A1 EP3186446 A1 EP 3186446A1 EP 15757242 A EP15757242 A EP 15757242A EP 3186446 A1 EP3186446 A1 EP 3186446A1
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EP
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crown
measurement signal
shut
absperrbauwerks
signal line
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Withdrawn
Application number
EP15757242.1A
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Inventor
Markus Aufleger
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02B—HYDRAULIC ENGINEERING
    • E02B3/00—Engineering works in connection with control or use of streams, rivers, coasts, or other marine sites; Sealings or joints for engineering works in general
    • E02B3/04—Structures or apparatus for, or methods of, protecting banks, coasts, or harbours
    • E02B3/10—Dams; Dykes; Sluice ways or other structures for dykes, dams, or the like
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    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0025—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings of elongated objects, e.g. pipes, masts, towers or railways
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0033—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by determining damage, crack or wear
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    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01M5/0091—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by using electromagnetic excitation or detection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35338—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using other arrangements than interferometer arrangements
    • G01D5/35354—Sensor working in reflection
    • G01D5/35358—Sensor working in reflection using backscattering to detect the measured quantity
    • G01D5/35364—Sensor working in reflection using backscattering to detect the measured quantity using inelastic backscattering to detect the measured quantity, e.g. using Brillouin or Raman backscattering

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for detecting structural changes in the crown of a shut-off structure, in particular a dam or a dam.
  • a shut-off structure as part of a dam, is a man-made structure, mostly constructed in the course of streams, to create a reservoir and generate electricity in power plants.
  • Conventional shut-off structures are dam, dam, barrage or weir.
  • shut-off structures at dams are designed either as dams or as dams. Very often they have considerable reserves with regard to their load-securing capacity, but also considerable risk potentials due to the usually very large energy contents stored in the water volumes of the storage compartments. Failure of these systems can not be excluded in principle. Breakage of barrier dams (dams and dams) is particularly possible due to failure of the structures (eg overflow, internal erosion) or acts of violence, ie essentially by human action, such as accidental or wanton destruction.
  • the structural integrity of shut-off structures can be monitored, for example, by regular inspections and surveys. Likewise, as a simplification, monitoring by video cameras and the like can be performed. take place, but still the video image must be monitored.
  • DE 195 06 180 C1 and DE 196 21 797 AI treat a method for monitoring dams using distributed temperature measurements. The objective here is the detection of increased leakage in the dyke area. Structural changes of the dike crown can not be recognized.
  • DE 10 2006 023 588 B3 describes a geotextile for Deichertrichung, which is equipped with sensor fibers for simultaneous dyke monitoring. The geotextiles are used to improve dike slopes, which are therefore only monitored. Structural changes of the dike crown can not be recognized.
  • JP 2001-082934 A and JP 2001-108493 A describe measuring systems which have individual, defined measuring points. Spatially coherent, continuous monitoring of shut-off structures is not possible. Also, structural changes of the dike crown can not be detected.
  • the invention provides a simple and inexpensive yet reliable way to continuously monitor the structural integrity of the crown of Absperrbauwerken locally and temporally, in order to respond in case of damage in particular early.
  • the damage development may possibly be stopped in time or at least limited in scope and effects and / or an emergency program, in particular evacuation measures, be started as soon as possible.
  • the invention achieves this by monitoring the crown of the shut-off building by means of evaluation or analysis of a measuring signal, which is transmitted via at least one running in the crown of the Absperrbautechniks measuring signal line in the form of a cable.
  • Cable is understood to mean a single or multi-core composite of conductors (cores or fibers) sheathed (eg with insulating and / or protective material).
  • the analysis of the transmitted measurement signal involves a distributed strain measurement, in particular by means of Brillouin Optical Time Domain Reflectometry
  • BOTDR Brillouin Optical Time Domain Analysis
  • BOTDA Brillouin Optical Time Domain Analysis
  • the emergency function to be activated is preferably selected from the group of alarming of one or more private or public authorities (operator, security, civil protection, police, fire brigade, rescue, relief organizations, etc.) or an operating function of the plant containing the barrier structure (for example dam), e.g. the opening of drains (e.g., bottom outlet, spillway), stopping power generation, etc.
  • the measurement signal line is routed on the crown or to a certain depth below the crown, so that structural changes of the crown (ie the top of the shut-off structure) can still be detected.
  • the depth is at most dimensioned such that the measuring signal line runs above the accumulation target.
  • the stowage target is the water level that is normally allowed for its normal use condition.
  • the depth is at most 2 m, 1.5 m, 1 m, 0.5 m, 0.4 m, 0.3 m, 0.25 m, 0.2 m, 0.1 m or 0.05 m or is between two of these values.
  • shut-off structures depend to a great extent on the time of detection of the failure.
  • the invention focuses on the timely recognition of significant structural changes in the area of the shut-off building crown.
  • the measurement signal generation unit and the measurement signal evaluation unit are expediently integrated in a common device.
  • the measurement signal generation unit and / or the one measurement signal evaluation unit are arranged at a distance from the shut-off structure, for example at an adjacent slope. This reduces the risk of damaging the unit (s), which could potentially lead to a malfunction.
  • the monitoring of the crown of Absperrbauwerks is linked to the measurement of the water level in the storage space (and thus with the risk potential).
  • an automatic evaluation of the hazardous situation can take place, wherein, depending on this, it is then preferably decided automatically about the type of emergency function to be triggered.
  • the measurement signal line runs between the measurement signal generation unit and the measurement signal evaluation unit, wherein the measurement signal generation unit is arranged at one end of the measurement signal line and the measurement signal evaluation unit at the other end of the measurement signal line.
  • the measurement signal line along the longitudinal direction of Absperrbauwerks i. transversely to the direction of flow of the jammed water, laid.
  • the course of the measurement signal line can be substantially horizontal just be. It can also be curved or angular horizontally and / or also have vertical components. In any case, in horizontal projection along the longitudinal direction of the shut-off structure, it has a length which is expediently a significant proportion (preferably at least 50%, 60%, 70%, 75%, 80%, 90% or 95% or exactly 100%) of the length of the Crown along the longitudinal direction of Absperrbauwerks corresponds, since essentially only this proportion is also monitored.
  • the measuring signal line is simply laid along the longitudinal direction of the shut-off building. This is a simple embodiment with minimal cable length.
  • the measuring signal line is reciprocated along the longitudinal direction of the shut-off building, i. relocated one or more times.
  • this increases the necessary line length, it also increases the monitored volume and the detection sensitivity.
  • the measuring signal line on the water side of the crown of the shut-off building can be laid in one direction and on the air side of the crown of the shut-off building in the other direction.
  • the measuring signal line may be laid in a first depth of the crown of the shut-off structure in one direction and in a second, differing from the first depth of the crown of Absperrbautechniks in the other direction.
  • the measuring signal line can be laid in a meandering manner in the plane and / or in the depth in a multiply reversing manner.
  • both ends of the measuring signal line are located on the same side of the shut-off building, which reduces the effort for signal feed-in and signal evaluation.
  • the measurement signal evaluation unit is set up to detect a structural change in the shut-off structure by evaluating the measurement signal. In the simplest case, this can be the absence of the measuring signal if the measuring signal line is damaged. Depending on the specific type of measurement signal line and the measurement signal generation, however, different variants are preferred here.
  • current e.g., control of the voltage of a large electrical loop, strain gauges
  • light control of fiber optic cable continuity or control of strain and temperature through distributed fiber optic strain and temperature measurements
  • a DC or AC signal is transmitted via a designed as a one, two or multi-core cable measurement signal line. Damage to the crown, which leads to damage to the cable, is detected as a change in the transmitted measurement signal.
  • an alternating current signal is transmitted via a measuring signal line designed as a coaxial cable or as a (in particular shielded) cable with twisted pairs (twisted pair). Damage to the crown, which leads to damage to the cable, is detected as a change in the transmitted measurement signal.
  • a light signal is transmitted via a measuring signal line designed as a glass fiber. Damage to the crown, which leads to damage to the cable, is detected as a change in the transmitted measurement signal.
  • the monitoring takes place, for example, by the constantly repeating or continuous control of the light transmission of the line with a suitable technology, in particular by means of laser technology, and / or by the constantly repeating or continuous Execution and automatic evaluation of distributed strain and temperature measurements with the help of a suitable laser technology.
  • Distributed fiber optic measurements allow the determination of temperature and strain changes along a fiber.
  • This type of fiber optic measurement is based on the Brillouin scattering of laser light and can advantageously be performed with a standard single-mode optical fiber. Because the Brillouin frequency depends on the elongation of the fiber, it is possible to correlate frequency shift and strain. However, since the strain distribution is indistinguishable from a change in temperature distribution, simultaneous measurement of the Brillouin frequency shift and the spontaneous Brillouin power is useful to avoid cross-sensitivity. This makes it possible to separate a strain change from a temperature change. This technique allows the measurement of temperature and strain in a fully distributed manner over the entire length of a standard singlemode optical fiber, for example, up to 30 km.
  • the local resolution is about 1.0 m, i. that a measured value can be determined approximately every meter along a glass fiber.
  • a device based on Brillouin Optical Time Domain Reflectometry (BOTDR) or Brillouin Optical Time Domain Analysis (BOTDA) is needed for distributed fiber optic strain measurement.
  • BOTDR devices are preferred because, unlike BOTDA devices, they do not require two-sided access to the fiber. Measurements are made by sending laser pulses from the device into a connected fiber and measuring the frequency shift of the backscattered light. The transit times between the emitted laser pulse and the received, backscattered light determine the location of the corresponding frequency shift in the fiber (local resolution).
  • the distributed fiber optic strain measurement offers the considerable advantage over other methods that deformations can be quantified. As a result, a significantly higher informative value and reliability with respect to the failure mechanisms to be detected is made possible. This makes it possible to report structural changes only if they go beyond the usual thermally induced deformations. Depending on the severity of the change, it is then preferable to automatically decide on the type of point to be notified (only operators, operators and civil protection, etc.).
  • shut-off structures Although the invention will be described essentially with reference to shut-off structures, it is also useful for monitoring other elongated structures, such as e.g. Bridge girders, roads, tracks, pipelines or similar can be used advantageously.
  • elongated structures such as e.g. Bridge girders, roads, tracks, pipelines or similar can be used advantageously.
  • Figure 1 shows a controlled according to a preferred embodiment of the invention dam in a cross-sectional view.
  • FIG. 2 shows the dam from FIG. 1 in a frontal view from the water side. Detailed description of the drawing
  • FIG. 1 shows a shut-off structure designed here as a dam wall 100 for damming a body of water 200 with a water level H in a cross-sectional view and FIG. 2 in a frontal view from the water side.
  • the dam 100 is bounded on its upper side by a crown ("crown") 101 and limits in turn a storage space (in the figure on the left).
  • a measuring signal line formed here as an optical waveguide or fiber optic cable 150 is laid at a distance A from the water side or bin side crown edge at a distance A, which extends substantially along a longitudinal direction L of the dam wall 100 extends horizontally over a length which, as is clear in Figure 2, substantially (here at least 95%) corresponds to the length of the dam 100 in the direction L.
  • the optical fiber cable 150 is connected to a signal generation and evaluation device 160, which is formed in the illustrated embodiment as a BOTDR device.
  • the frequency shift of the backscattered light is measured.
  • the transit time between the emitted laser pulse and the received, backscattered light determines the location of the corresponding frequency shift in the fiber optic cable 150.
  • the measure of the frequency shift is a measure of the elongation of the glass fiber at this point, which in turn is correlated with the elongation of the glass fiber surrounding dam wall material, in particular concrete.
  • the fiber optic cable 150 is already laid in the production of the dam 100, in particular poured into the concrete.
  • the dam can also be retrofitted, for example, by providing the dam with a recess, inserting the fiber optic cable 150 into the expanse and expediently potting it there in order to produce a strain-transmitting operative connection between the glass fiber cable and the dam wall.
  • the fiber optic cable in the recess or on the crown at several points fixed to the dam, so that in this way the strain between the points connected to the dam wall can be determined. Although this reduces the spatial resolution of the measurement, however, the mounting effort is reduced.
  • the dam consists of several separately manufactured blocks, there are usually more or less large expansion joints between these blocks.
  • the measurement signal line is arranged in the region of these joints so that a conventional thermally induced strain does not affect the measurement signal so that a structural change is assumed, but that the measurement signal line is attached and dimensioned at the joints between the individual dam blocks so that only at Significant measurement signals occur beyond the usual thermally induced deformations.
  • the fiber optic cable 150 is stretched or possibly interrupted at one or more points. Both alternatives are recognizable in the measurement signal, whereby in addition the extent of the frequency shift can be used to deduce the degree of elongation and thus the extent of the structural change. If, by evaluating the measurement signal in the BOTDR device 160, it is determined that a predetermined expansion threshold is exceeded, it will become automatic from the BOTDR device 160 (which is expediently arranged in a building) triggered a corresponding emergency function, in particular a warning signal or alarm signal transmitted to a competent authority. The selection of the receivers of the alarm signal preferably takes place as a function of the extent of the structural change.
  • the selection of the point to be alarmed is also made dependent on the water level H, so that at a low water level also only the operator and at a large water level also public places are alerted.
  • the alerting can be via wired or wireless transmission methods, such. As phone, wireless, mobile, satellite connection, etc. generate.
  • an embodiment of the invention relates to a method for detecting severe structural changes to dams or dams, wherein in the crown area of these structures at a suitable location typically above the storage target connected to an automatic measuring unit measurement signal line in a suitable manner over the entire length or a significant partial length of the Built structure is integrated so that in a serious structural change of the building a clear measurement signal is registered and thereby the structural change is detected.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von strukturellen Veränderungen einer Krone (101) eines Absperrbauwerks (100), wobei ein Messsignal durch eine im Bereich der Krone (101) des Absperrbauwerks (100) angeordnete Messsignalleitung (150) in Form eines Kabels übertragen wird und wobei eine strukturelle Veränderung der Krone (101) des Absperrbauwerks (100) anhand einer Analyse des übertragenen Messsignals erkannt wird, wobei die Analyse des übertragenen Messsignals eine verteilte Dehnungsmessung umfasst.

Description

Überwachung der strukturellen Integrität von Absperrbauwerken
Beschreibung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen von strukturellen Veränderungen der Krone eines Absperrbauwerks, insbesondere eines Staudamms oder einer Staumauer.
Stand der Technik
Ein Absperrbauwerk ist als Teil einer Stauanlage ein von Menschen geschaffenes Bauwerk, das zumeist im Lauf von Fließgewässern errichtet wird, um einen Stausee entstehen zu lassen und in Kraftwerken Elektrizität zu erzeugen. Übliche Absperrbauwerke sind Staudamm, Staumauer, Staustufe oder Wehr.
Insbesondere die Absperrbauwerke an Talsperren werden entweder als Staumauern oder als Staudämme ausgeführt. Sie verfügen sehr oft über erhebliche Reserven hinsichtlich ihrer Tragsicherheiten, aber auch über erhebliche Gefährdungspotentiale infolge der in der Regel sehr großen Energieinhalte, welche in den Was- servolumen der Stauräume gespeichert sind. Ein Versagen dieser Anlagen kann nicht grundsätzlich ausgeschlossen werden. Brüche von Talsperren- Absperrbauwerken (Staudämmen und Staumauern) sind insbesondere möglich durch Versagen der Bauwerke (z.B. Überströmen, Innere Erosion) oder Gewalteinwirkungen, d.h. im Wesentlichen durch menschliches Handeln, wie z.B. verse- hentliches oder mutwilliges Zerstören. Die strukturelle Integrität von Absperrbauwerken kann beispielsweise durch regelmäßige Begehungen und Besichtigungen überwacht werden. Ebenso kann als Vereinfachung eine Überwachung durch Videokameras u.ä. stattfinden, wobei jedoch weiterhin das Videobild überwacht werden muss. Da ein Bruch des Absperr- bauwerks kurzzeitig nach Auftreten einer sichtbaren Beschädigung erfolgen kann, sind die Intervalle der visuellen Überwachung relativ klein zu halten. Insgesamt sind die genannten Arten der Überwachung daher sehr aufwändig und teuer, und darüber hinaus fehleranfällig, wenn sie nicht gewissenhaft durchgeführt werden. Die DE 195 06 180 Cl und DE 196 21 797 AI behandeln ein Verfahren zur Überwachung von Dämmen mit Hilfe von verteilten Temperaturmessungen. Zielsetzung dabei ist das Erkennen von vermehrter Leckage im Deichsohlenbereich. Strukturelle Veränderungen der Deichkrone können damit nicht erkannt werden. Die DE 10 2006 023 588 B3 beschreibt ein Geotextil zur Deichertüchtigung, welches mit Sensorfasern zur gleichzeitigen Deichüberwachung ausgerüstet ist. Die Geotextilien dienen zur Ertüchtigung von Deichböschungen, welche dementsprechend auch nur überwacht werden. Strukturelle Veränderungen der Deichkrone können damit nicht erkannt werden.
Die JP 2001-082934 A und JP 2001-108493 A beschreiben Messsysteme, welche einzelne, definierte Messpunkte aufweisen. Eine räumlich zusammenhängende, kontinuierliche Überwachung von Absperrbauwerken ist nicht möglich. Auch strukturelle Veränderungen der Deichkrone können damit nicht erkannt werden.
Es ist wünschenswert, eine einfache und kostengünstige aber dennoch zuverlässige und möglichst automatische Möglichkeit zur Verfügung zu haben, die strukturelle Integrität der Krone von Absperrbauwerken zu überwachen, um im Schadensfall insbesondere frühzeitig reagieren zu können.
Offenbarung der Erfindung Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen von strukturellen Veränderungen der Krone eines Absperrbauwerks, insbesondere eines Staudamms oder einer Staumauer, mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Basierend auf umfassender Beschäftigung mit den verschiedensten Versagensformen von Staudämmen und Staumauern und der Berechnung der aus einem Bruch dieser Anlagen entstehenden katastrophalen Flutwellen ist die Erkenntnis entstanden, dass derzeit kein zuverlässiges Talsperrenbruchwarnsystem vorhanden ist und dass eine besonders vorteilhafte Anordnung aus einer im Bereich der Krone installierten Messsignalleitung zur verteilten Messung von Dehnungen bzw. Verformungen besteht. Vorteilhaft dabei sind die örtlich und zeitlich kontinuierli- che Messung und eine sehr robuste Betriebsweise.
Die Erfindung schafft eine einfache und kostengünstige aber dennoch zuverlässige Möglichkeit, um die strukturelle Integrität der Krone von Absperrbauwerken örtlich und zeitlich kontinuierlich zu überwachen, um im Schadensfall insbesondere frühzeitig reagieren zu können. Damit kann beispielsweise die Schadensentwicklung möglicherweise noch rechtzeitig gestoppt oder zumindest in ihrem Umfang und ihren Wirkungen begrenzt und/oder ein Notfallprogramm, insbesondere Evakuierungsmaßnahmen, frühestmöglich begonnen werden. Die Erfindung leistet dies durch Überwachung der Krone des Absperrbauwerks mittels Auswertung bzw. Analyse eines Messsignals, welches über wenigstens eine im Bereich der Krone des Absperrbauwerks verlaufende Messsignalleitung in Form eines Kabels übertragen wird. Unter Kabel wird ein (z.B. mit Isolier- und/oder Schutzmaterial) ummantelter ein- oder mehradriger Verbund von Ein- zelleitungen (Adern bzw. Fasern) verstanden. Die Analyse des übertragenen Messsignals beinhaltet eine verteilte Dehnungsmessung, insbesondere mittels Brillouin-Optical-Time-Domain-Reflektometrie
(BOTDR) und/oder Brillouin-Optical-Time-Domain-Analyse (BOTDA), so dass aus der Analyse des übertragenen Messsignals Informationen über die Unversehrtheit und den Verformungszustand der Messsignalleitung und deren unmittelbarer Umgebung erhalten werden. Die Übertragung und/oder Auswertung erfolgt kontinuierlich oder regelmäßig in vorzugsweise geringen zeitlichen Abständen, so dass eine kontinuierliche oder im Wesentlichen kontinuierliche Überwachung der strukturellen Integrität erfolgen kann. Zeigt das Messsignal eine strukturelle Ver- änderung der Krone des Absperrbauwerks an, kann dies unmittelbar zum Auslösen wenigstens einer Notfallfunktion führen. Die auszulösende Notfallfunktion ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe Alarmieren einer oder mehrerer privater oder öffentlicher Stellen (Betreiber, Wachdienst, Katastrophenschutz, Polizei, Feuerwehr, Rettung, Hilfswerke usw.) oder eine Betriebsfunktion der das Absperr- bauwerk enthaltenden Anlage (z.B. Talsperre), z.B. das Öffnen von Ablässen (z.B. Grundablass, Hochwasserentlastung), Beenden einer Stromerzeugung usw.
Es hat sich nämlich gezeigt, dass es bei nahezu allen bekannten Versagensursachen (u.a. bei Überströmen sowie Gründungsversagen / Innere Erosion, aber auch bei mutwilliger Beschädigung) in einem vergleichsweise frühen Stadium der Schadensentwicklung zu erheblichen Verformungen bzw. Strukturänderungen im Bereich der Krone des Absperrbauwerks kommt.
Im Bereich der Krone bedeutet, dass die Messsignalleitung auf der Krone oder bis zu einer bestimmten Tiefe unter der Krone verlegt ist, so dass strukturelle Veränderungen der Krone (d.h. der Oberseite des Absperrbauwerks) noch erkannt werden können. Vorzugsweise ist die Tiefe höchstens so bemessen, dass die Messsignalleitung oberhalb des Stauziels verläuft. Das Stauziel ist die Wasserspiegelhöhe, die nach ihrer Zweckbestimmung für den normalen Betriebszustand im Regelfall zulässig ist. Weiter vorzugsweise beträgt die Tiefe höchstens 2 m, 1,5 m, 1 m, 0,5 m, 0,4 m, 0,3 m, 0,25 m, 0,2 m, 0,1 m oder 0,05 m bzw. liegt zwischen zweien dieser Werte.
Die Folgen des Versagens von Absperrbauwerken sind in hohem Maße vom Zeit- punkt des Erkennens des Versagens abhängig. Die Erfindung konzentriert sich auf das rechtzeitige Erkennen von bedeutsamen strukturellen Veränderungen im Bereich der Absperrbauwerkskrone. Neben einer Messsignalleitung sind hierzu lediglich eine Messsignalerzeugungseinheit und eine Messsignalauswerteeinheit notwendig. Die Messsignalerzeugungseinheit und die Messsignalauswerteeinheit sind zweckmäßigerweise in einem gemeinsamen Gerät integriert. Zweckmäßigerweise sind die Messsignalerzeugungseinheit und/oder die eine Messsignalauswerteeinheit beabstandet vom Absperrbauwerk, beispielsweise an einem benachbarten Hang, angeordnet. Dadurch wird das Risiko einer Beschädigung der Einheit(en), die möglicherweise zu einem Funktionsausfall führen würde, reduziert.
Vorzugsweise wird die Überwachung der Krone des Absperrbauwerks mit der Messung des Wasserstands im Stauraum (und damit mit dem Gefährdungspotential) verknüpft. Dadurch kann eine automatische Bewertung der Gefährdungssituation erfolgen, wobei in Abhängigkeit davon vorzugsweise dann automatisch über die Art der auszulösenden Notfallfunktion entschieden wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform verläuft die Messsignalleitung zwischen der Messsignalerzeugungseinheit und der Messsignalauswerteeinheit, wobei die Messsignalerzeugungseinheit an einem Ende der Messsignalleitung und die Messsignalauswerteeinheit an dem anderen Ende der Messsignalleitung angeordnet sind. Dies führt zu einem einfachen Aufbau der Vorrichtung.
Vorteilhafterweise wird die Messsignalleitung entlang der Längsrichtung des Absperrbauwerks, d.h. quer zur Fließrichtung des gestauten Gewässers, verlegt.
Hierdurch lässt sich ein großer Bereich des Absperrbauwerks auf einfache Weise überwachen. Der Verlauf der Messsignalleitung kann im Wesentlichen horizontal gerade sein. Er kann auch kurvig oder eckig horizontal sein und/oder auch vertikale Anteile aufweisen. Er hat jedenfalls in horizontaler Projektion entlang der Längsrichtung des Absperrbauwerks eine Länge, die zweckmäßigerweise einem bedeutenden Anteil (vorzugsweise wenigstens 50%, 60%, 70%, 75%, 80%, 90% oder 95% oder genau 100%) der Länge der Krone entlang der Längsrichtung des Absperrbauwerks entspricht, da im Wesentlichen nur dieser Anteil auch überwacht wird.
Vorteilhafterweise wird die Messsignalleitung einfach entlang der Längsrichtung des Absperrbauwerks verlegt. Dabei handelt es sich um eine einfache Ausführungsform mit minimaler Leitungslänge.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Messsignalleitung entlang der Längsrichtung des Absperrbauwerks hin und zurück, d.h. ein- oder mehr- fach umkehrend verlegt. Dies erhöht zwar die nötige Leitungslänge, erhöht aber auch das überwachte Volumen und die Erfassungssensitivität. Beispielsweise kann die Messsignalleitung an der Wasserseite der Krone des Absperrbauwerks in eine Richtung und an der Luftseite der Krone des Absperrbauwerks in die andere Richtung verlegt sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Messsignalleitung in einer ersten Tiefe der Krone des Absperrbauwerks in eine Richtung und in einer zweiten, sich von der ersten unterscheidenden Tiefe der Krone des Absperrbauwerks in die andere Richtung verlegt sein. Weiter alternativ oder zusätzlich kann die Messsignalleitung in der Ebene und/oder in die Tiefe mäanderförmig mehrfach umkehrend verlegt sein.
Vorzugsweise ist die Messsignalleitung entlang der Längsrichtung des Absperrbauwerks eine ungerade Anzahl oft umkehrend hin und zurück verlegt. Somit befinden sich beide Enden der Messsignalleitung auf derselben Seite des Absperrbauwerks, was den Aufwand für die Signaleinspeisung und Signalauswertung re- duziert. Die Messsignalauswerteeinheit ist dazu eingerichtet, eine strukturelle Veränderung des Absperrbauwerks durch Auswerten des Messsignals zu erkennen. Dies kann im einfachsten Fall das Ausbleiben des Messsignals bei Beschädigung der Messsignalleitung sein. In Abhängigkeit vom konkreten Typ der Messsignalleitung und der Messsignalerzeugung sind hier jedoch unterschiedliche Varianten bevorzugt.
Als Messsignale können insbesondere Strom (z.B. Kontrolle der Spannung einer großen elektrischen Schleife; Dehnungsmessstreifen) und/oder Licht (Kontrolle der Durchgängigkeit von Glasfaserkabeln oder Kontrolle der Dehnung und Temperatur durch verteilte faseroptische Dehnungs- und Temperaturmessungen) verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Gleich- oder Wechselstrom- signal über eine als ein-, zwei- oder mehradriges Kabel ausgebildete Messsignalleitung übertragen. Eine Beschädigung der Krone, die zu einer Beschädigung des Kabels führt, wird als Veränderung des übertragenen Messsignals erkannt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Wechselstromsignal über ein als Koaxialkabel oder als (insbesondere geschirmtes) Kabel mit verdrillten Adernpaaren (Twisted Pair) ausgebildete Messsignalleitung übertragen. Eine Beschädigung der Krone, die zu einer Beschädigung des Kabels führt, wird als Veränderung des übertragenen Messsignals erkannt. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird ein Lichtsignal über eine als Glasfaser ausgebildete Messsignalleitung übertragen. Eine Beschädigung der Krone, die zu einer Beschädigung des Kabels führt, wird als Veränderung des übertragenen Messsignals erkannt. Die Überwachung erfolgt beispielsweise durch die sich ständig wiederholende bzw. kontinuierliche Kontrolle der Lichtdurchgän- gigkeit der Leitung mit einer geeigneten Technologie, insbesondere mittels Lasertechnik, und/oder durch die sich ständig wiederholende bzw. kontinuierliche Durchführung und automatische Auswertung von verteilen Dehnungs- und Temperaturmessungen mit Hilfe einer geeigneten Lasertechnik.
Verteilte faseroptische Messungen erlauben das Ermitteln von Temperatur- und Dehnungsänderungen entlang einer Glasfaser. Diese Art von faseroptischer Messung basiert auf der Brillouin-Streuung von Laserlicht und kann vorteilhafterweise mit einer Standard-Single-Mode-Lichtleitfaser durchgeführt werden. Weil die Bril- louin-Frequenz von der Dehnung der Faser abhängt, ist es möglich, eine Korrelation zwischen Frequenzverschiebung und Dehnung herzustellen. Da jedoch die Deh- nungsverteilung nicht von einer Änderung der Temperaturverteilung zu unterscheiden ist, ist eine gleichzeitige Messung der Brillouin-Frequenzverschiebung und der spontanen Brillouin-Leistung sinnvoll, um Querempfindlichkeit zu vermeiden. Dies ermöglicht, eine Dehnungsveränderung von einer Temperaturveränderung zu trennen. Diese Technik erlaubt die Messung von Temperatur und Deh- nung in einer vollständig verteilten Art und Weise über die gesamte Länge eines Standard-Singlemode-Lichtwellenleiters von beispielsweise bis zu 30 km. Bei der Dehnungsmessung beträgt die örtliche Auflösung ca. 1,0 m, d.h. dass entlang einer Glasfaser etwa jeden Meter ein Messwert ermittelt werden kann. Je nach Ausstattung eines Bauwerks oder Geländes lassen sich somit detaillierte, mehrachsige Dehnungsbilder und örtliche Anomalien aufzeigen und mit hoher Genauigkeit lokalisieren. Grundsätzlich wird zur verteilten faseroptischen Dehnungsmessung ein Gerät, welches auf der Brillouin-Optical-Time-Domain-Reflektometrie (BOTDR) oder der Brillouin-Optical-Time-Domain-Analyse (BOTDA) basiert, benötigt.
BOTDR-Geräte sind bevorzugt, da sie im Gegensatz zu BOTDA-Geräten keinen beidseitigen Zugang zur Glasfaser benötigen. Die Messungen erfolgen, indem von dem Gerät in eine angeschlossene Glasfaser Laserimpulse geschickt werden und die Frequenzverschiebung des rückgestreuten Lichts gemessen wird. Über die Laufzeiten zwischen ausgesandtem Laserimpuls und empfangenem, rückgestreutem Licht wird der Ort der entsprechenden Frequenzverschiebung in der Faser bestimmt (örtliche Auflösung). Die verteilte faseroptische Dehnungsmessung bietet gegenüber anderen Methoden den erheblichen Vorteil, dass Verformungen quantifiziert werden können. Hierdurch wird eine signifikant höhere Aussagekraft und Zuverlässigkeit hinsichtlich der zu detektierenden Versagensmechanismen ermöglicht. Hierdurch ist es möglich, strukturelle Veränderungen erst dann zu melden, wenn sie über die üblichen thermisch induzierten Verformungen hinaus- gehen. In Abhängigkeit von der Stärke der Veränderung wird vorzugsweise dann auch automatisch über die Art der zu alarmierenden Stelle entschieden (nur Betreiber, Betreiber und Katastrophenschutz usw.).
Wenngleich die Erfindung im Wesentlichen unter Bezugnahme auf Absperrbau- werke beschrieben wird, ist sie ebenso zur Überwachung anderer länglicher Bauwerke, wie z.B. Brückenträger, Straßen, Gleise, Pipelines o.ä. vorteilhaft einsetzbar.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben. Figurenbeschreibung
Figur 1 zeigt einen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung überwachten Staudamm in einer Querschnittsansicht.
Figur 2 zeigt den Staudamm aus Figur 1 in einer Frontalansicht von der Wasserseite her. Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im Folgenden unter Bezug- nähme auf die Figuren 1 und 2 beschrieben, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigt Figur 1 ein hier als Staumauer 100 ausgebildetes Absperrbauwerk zum Aufstauen eines Gewässers 200 mit einer Wasserhöhe H in einer Querschnittsansicht und Figur 2 in einer Frontalansicht von der Wasserseite her.
Die Staumauer 100 wird an ihrer Oberseite durch eine Krone ("Mauerkrone") 101 begrenzt und begrenzt ihrerseits einen Stauraum (in der Figur links). Im dargestellten Beispiel ist im Bereich der Krone in einem Abstand A von der wasserseiti- gen bzw. stauraumseitigen Kronenkante in einer Tiefe D eine hier als Lichtwellen- leiter bzw. Glasfaserkabel 150 ausgebildete Messsignalleitung verlegt, die sich entlang einer Längsrichtung L der Staumauer 100 im Wesentlichen horizontal über eine Länge erstreckt, die, wie in Figur 2 deutlich wird, im Wesentlichen (hier zumindest 95%) der Länge der Staumauer 100 in Richtung L entspricht. Das Glasfaserkabel 150 ist mit einer Signalerzeugungs- und Auswerteeinrichtung 160 verbunden, die im dargestellten Ausführungsbeispiel als BOTDR-Gerät ausgebildet ist. Von diesem BOTDR-Gerät werden in das Glasfaserkabel 150 Laserimpulse geschickt, wobei die Frequenzverschiebung des rückgestreuten Lichts gemessen wird. Über die Laufzeiten zwischen ausgesandtem Laserimpuls und empfangenem, rückgestreutem Licht wird der Ort der entsprechenden Frequenzverschiebung in dem Glasfaserkabel 150 bestimmt. Das Maß der Frequenzverschiebung gibt ein Maß für die Dehnung der Glasfaser an dieser Stelle an, welche wiederum mit der Dehnung des die glasfaserumgebenden Staumauermaterials, hier insbesondere Beton, korreliert ist. Vorzugsweise wird das Glasfaserkabel 150 bereits bei der Herstellung der Staumauer 100 verlegt, insbesondere in den Beton mit eingegossen. Sie kann jedoch ebenso nachträglich verlegt werden, indem beispielsweise die Staumauer mit einer Ausnehmung versehen wird, das Glasfaserkabel 150 in die Ausdehnung einge- bracht und dort zweckmäßigerweise vergossen wird, um eine dehnungsübertra- gende Wirkverbindung zwischen dem Glasfaserkabel und der Staumauer herzustellen. Alternativ dazu kann das Glasfaserkabel auch in der Ausnehmung oder auf der Krone an mehreren Punkten fest mit der Staumauer verbunden werden, so dass auf diese Weise die Dehnung zwischen den mit der Staumauer verbundenen Punkten ermittelbar ist. Dadurch sinkt zwar die Ortsauflösung der Messung, jedoch wird der Befestigungsaufwand reduziert.
Besteht die Staumauer aus mehreren separat hergestellten Blöcken, befinden sich zwischen diesen Blöcken üblicherweise mehr oder weniger große Dehnungsfugen. Zweckmäßigerweise wird die Messsignalleitung im Bereich dieser Fugen so angeordnet, dass eine übliche thermisch induzierte Dehnung das Messsignal nicht so beeinflusst, dass eine strukturelle Veränderung angenommen wird, sondern dass die Messsignalleitung an den Fugen zwischen den einzelnen Staumauerblöcken so befestigt und bemessen wird, dass erst bei über die üblichen thermisch induzier- ten Verformungen hinausgehenden Deformationen signifikante Messsignale auftreten.
Kommt es nun im Bereich der Krone 101 der Staumauer 100 zu einer strukturellen Veränderung, wird das Glasfaserkabel 150 gedehnt oder möglicherweise an einer oder mehreren Stellen unterbrochen. Beide Alternativen sind im Messsignal erkennbar, wobei zusätzlich aus dem Ausmaß der Frequenzverschiebung auf den Grad der Dehnung und damit das Maß der strukturellen Veränderung geschlossen werden kann. Wird durch Auswertung des Messsignals in dem BOTDR-Gerät 160 festgestellt, dass ein vorgegebener Dehnungsschwellwert überschritten ist, wird automatisch von dem BOTDR-Gerät 160 (welches in zweckmäßigerweise in einem Gebäude angeordnet ist) eine entsprechende Notfallfunktion ausgelöst, insbesondere ein Warnsignal bzw. Alarmsignal an eine zuständige Stelle übertragen. Die Auswahl der Empfänger des Alarmsignals erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit vom Aus- maß der strukturellen Veränderung. Bei einer geringen strukturellen Veränderung kann lediglich der Betreiber informiert werden, wohingegen bei einer größeren strukturellen Veränderung zweckmäßigerweise auch öffentliche Stellen wie z. B. Polizei, Feuerwehr oder Katastrophenschutz, alarmiert werden. Zweckmäßigerweise wird die Auswahl der zu alarmierenden Stelle auch von der Wasserhöhe H abhängig gemacht, so dass bei einer geringen Wasserhöhe ebenfalls lediglich der Betreiber und bei einer großen Wasserhöhe auch öffentliche Stellen alarmiert werden. Die Alarmierung kann über drahtgebundene oder drahtlose Übertragungsverfahren, wie z. B. Telefon, Funk, Mobilfunk, Satellitenverbindung usw. erzeugen.
Zusätzlich zur Alarmierung kann die auszulösende Notfallfunktion auch eine Betriebsfunktion der das Absperrbauwerk enthaltenden Anlage (z.B. Talsperre) sein, z.B. das Öffnen von Ablässen. Zusammenfassend betrifft eine Ausgestaltung der Erfindung ein Verfahren zum Erkennen von schwerwiegenden strukturellen Veränderungen an Staudämmen oder Staumauern, wobei im Kronenbereich dieser Bauwerke an geeigneter Stelle typischerweise über dem Stauziel eine mit einer automatischen Messeinheit verbundene Messsignalleitung in geeigneter Weise über die gesamte Länge oder eine bedeutende Teillänge des Bauwerkes integriert wird, so dass bei einer schwerwiegenden strukturellen Veränderung des Bauwerks ein eindeutiges Messsignal registriert wird und hierdurch die strukturelle Veränderung erkannt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erkennen von strukturellen Veränderungen einer Krone (101) eines Absperrbauwerks (100), wobei ein Messsignal durch eine im Bereich der Krone (101) des Absperrbauwerks (100) angeordnete Messsignalleitung (150) in Form eines Kabels übertragen wird und wobei eine strukturelle Veränderung der Krone (101) des Absperrbauwerks (100) anhand einer Analyse des übertragenen Messsignals erkannt wird, wobei die Analyse des übertragenen Messsignals eine verteilte Dehnungsmessung umfasst.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine Notfallfunktion ausgelöst wird, wenn eine strukturelle Veränderung der Krone (101) des Absperrbauwerks (100) erkannt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die wenigstens eine Notfallfunktion ausgewählt ist aus der Gruppe, die ein Alarmieren einer oder mehrerer Stellen oder eine Betriebsfunktion der das Absperrbauwerk enthaltenden Anlage umfasst.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei zusätzlich ein Wasserstand (H) in einem von dem Absperrbauwerk (100) begrenzten Stauraum gemessen wird und die wenigstens eine Notfallfunktion in Abhängigkeit von dem Wasserstand (H) ausgewählt wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Messsignal- leitung (150) auf der Krone (101) oder in einer Tiefe (D) unter der Krone (101) angeordnet ist, wobei die Tiefe höchstens so bemessen ist, dass die Messsignalleitung oberhalb des Stauziels verläuft.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Messsignalleitung (150) höchstens 2 m, 1,5 m, 1 m, 0,5 m, 0,4 m, 0,3 m, 0,25 m, 0,2 m, 0,1 m oder 0,05 m oder zwischen zweien dieser Werte unter der Krone (101) angeordnet ist.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Messsignalleitung (150) im Wesentlichen entlang einer Längsrichtung (L) des Absperrbauwerks (101) verläuft.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Messsignalleitung (150) in horizontaler Projektion entlang einer Längsrichtung (L) des Absperrbauwerks eine Länge hat, die wenigstens 50%, 60%, 70%, 75%, 80%, 90% oder 95% oder genau 100% der Länge der Krone (101) entlang der Längsrichtung (L) des Absperrbauwerks (100) entspricht.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine strukturelle Veränderung der Krone (101) des Absperrbauwerks (100) anhand eines Ausbleibens des übertragenen Messsignals oder anhand einer Streuung des übertragenen Messsignals erkannt wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Messsignal ein Stromsignal oder Lichtsignal übertragen wird.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Analyse des übertragenen Messsignals zusätzlich eine verteilte Temperaturmessung umfasst.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Analyse des übertragenen Messsignals eine Brillouin-Optical-Time-Domain-Reflektometrie (BOTDR) und/oder eine Brillouin-Optical-Time-Domain-Analyse (BOTDA) umfasst.
13. Vorrichtung zum Erkennen von strukturellen Veränderungen einer Krone (101) eines Absperrbauwerks, aufweisend eine im Bereich der Krone (101) des Absperrbauwerks (100) angeordnete Messsignalleitung (150) und eine Messsig- nalerzeugungseinheit und eine Messsignalauswerteeinheit, die dazu eingerichtet sind, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Messsignalerzeugungseinheit und eine Messsignalauswerteeinheit Teile eines Geräts (160) sind, das eine Brillouin- Optical-Time-Domain-Reflektometrie (BOTDR) und/oder eine Brillouin-Optical- Time-Domain-Analyse (BOTDA) durchführt.
15. Verfahren oder Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei statt der Krone eines Absperrbauwerks ein Brückenträger, eine Straße, ein Gleis oder eine Pipeline überwacht wird.
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