Research of seasonal deformations of the Dnipro HPP dam according to GNSS measurements

Abstract

Мета. Виявити залежність між сезонною зміною температури і вертикальними та горизонтальними зміщеннями контрольних ГНСС пунктів на основі даних, отриманих автоматизованою системою моніторингу греблі Дніпровської ГЕС у період з 2016 по 2020 роки. Вихідні дані. Для досліджень використовувалися дані цілодобових ГНСС вимірів, отриманих на 16 пунктах греблі Дніпровської ГЕС у період з середини 2016 до середини 2020 року. Методика. Часові ряди ГНСС вимірів, попередньо опрацьованих системою GeoMoS, проаналізовані спеціально розробленим програмним продуктом на предмет визначення параметрів сезонних зміщень та їх взаємозв’язку із сезонними змінами температури повітря. Результати. На основі досліджень встановлено, що на циклічність деформацій дамби визначальним є вплив температури довкілля. Це стосується як горизонтальних, так і вертикальних зміщень, але при умові відсутності суттєвих змін рівня води у верхньому водосховищі. Значення екстремальних зміщень зростають ближче до середини греблі і спадають на краях. Така тенденція простежується щорічно. За даними трирічного ГНСС моніторингу греблі амплітуда піврічних горизонтальних коливань контрольних пунктів відносно осі греблі є в межах 15–18 мм. Практично усі вектори горизонтальних зміщень мають перпендикулярне розташування до осі дугоподібної греблі. У першій половині року вектори горизонтальних зміщень спрямовані на розширення греблі, а у другій половині року – на стиснення греблі. У зимовий та літній період горизонтальні зміщення хвилеподібно зростають від правого краю греблі до її лівого краю. Встановлено, що практично кожного року екстремальні відхилення, як горизонтальні так і вертикальні, відбуваються у лютому та серпні місяці. Екстремуми температури наступають швидше, ніж екстремальні зміщення ГНСС станцій. Для греблі Дніпровської ГЕС горизонтальні екстремальні зміщення в середньому відстають на 37 діб, а вертикальні – на 32 доби від екстремальних температур. Очевидно температурні деформації греблі пов’язані з температурою бетонних конструкцій, яка змінюється з певним запізненням відносно температури повітря. Величини екстремальних зміщень і епохи їх прояву залежать від конструкції греблі і її технічних параметрів. Для кожної греблі ці екстремальні зміщення і епохи їх прояву будуть різними. Відповідно моніторинг цих зміщень і їхніх змін у часі є одним із критеріїв оцінки загального стану греблі. Наукова новизна та практична значущість. Виявлені у результаті проведених досліджень закономірності зв’язку між зміною температури та зміщеннями ГНСС пунктів можуть бути використані для подальших досліджень з опрацювання та аналізу даних моніторингу гідротехнічних споруд.

The goal. Identify the relationship between seasonal temperature changes and vertical and horizontal displacements of GNSS control points based on data obtained by the automated monitoring system of the Dnipro HPP dam in the period from 2016 to 2020. Input data. The research used data of uninterrupted GNSS measurements obtained at 16 points of the Dnipro HPP dam from mid-2016 to mid-2020. Method. A specially developed software product analyzes the GNSS time series of measurements pre-processed by the GeoMoS system to determine the parameters of seasonal displacements and their relationship with seasonal changes in air temperature. The GNSS time series analysis. Based on the conducted research, the influence of environmental temperature has a decisive effect on the cyclicity of dam deformations. This applies to both horizontal and vertical displacements but in the absence of significant changes in the water level in the upper reservoir. Values of extreme displacements increase closer to the middle of the dam and decrease at the edges. This tendency is observed every year in the study period. According to the three-year GNSS dam monitoring, the amplitude of semi-annual horizontal oscillations of the control points relative to the dam axis is in the range of 15-18 mm. Almost all vectors of horizontal displacements are perpendicular to the axis of the arcuate dam. In the first half of the year, the vectors of horizontal displacements aim to widen the dam, and in the second half of the year – at compressing the dam. The analysis of the data represents that almost every year, extreme deviations, both horizontal and vertical, occur in February and August. Temperature extremes occur faster than excessive GNSS displacements. For the dam of the Dnipro HPP, the extreme horizontal displacements lag on average by 37 days, and the vertical ones – by 32 days from the extreme temperatures. The deformations of the dam are related to the concrete structure temperature, which changes with a certain delay relative to the air temperature. The magnitudes of extreme displacements and the epoch of their manifestation depend on the dam’s design and its technical parameters. For each dam, these extreme displacements and the periods of their representation will be different. Accordingly, monitoring these displacements and their changes over time is one of the criteria for assessing the general condition of the dam. Scientific novelty and practical significance. The regularities of the connection between the change of temperature and the displacements of the GNSS points, revealed during the research, can be used for the further study of data processing and analysis of the hydraulic structures monitoring.