Надежность низконапорных гидроузлов с грунтовыми плотинами

Reliability problems for low pressure waterworks are considered. Earthen dams with long operational periods are shown to have substantial damage and are in unsatisfactory condition.

Their condition should be monitored and investigated. It is important to take steps on their repair in due time. To make their operation more reliable use of large-porous hard low-cement concrete is recommended.

The structure of earthen overflow dam with the slope fixed be geosynthetic shells is given.

В настоящее время обеспечение безопасности гидротехнических объектов, находящихся в эксплуатации длительный период времени, является весьма важной задачей. Обычно в составе гидротехнического узла (гидроузла) присутствуют [1, 2]: плотина (бетонная или грунтовая), обеспечивающая подпор уровня воды в реке и создание сосредоточенного напора и водохранилища, водосливная плотина, служащая для пропуска воды в нижний бьеф во время паводка, судоходный шлюз для пропуска судов и непосредственно здание ГЭС, в котором размещены гидравлические турбины и гидрогенераторы. Такие комплексные гидроузлы – весьма сложные и капиталоемкие объекты, решающие широкий комплекс задач: электроснабжения, водоснабжения, судоходства, рыбоводства, рекреации и др.

В России за сооружениями крупных гидроузлов ведется тщательное наблюдение и организуется своевременный ремонт. С гидротехническими сооружениями низконапорных гидроузлов местного значения дело обстоит иначе. Эти объекты, в большинстве случаев, не имеют собственников. Средств на обследование их текущего состояния и выполнение ремонта недостаточно. В связи с этим, возрастает опасность их разрушения и нанесения ущерба как окружающей природной среде, так и населенным 20 Михасек А. А., Родионов М. В. Надежность низконапорных гидроузлов с грунтовыми плотинами. /

Mikhasek A. A., Rodionov M. V. Reliability of low pressure waterworks with earthen dams. © пунктам, расположенным в зоне их влияния. Таким образом, организация эффективной системы наблюдения за состоянием гидротехнических сооружений [3] низконапорных гидроузлов и последующее своевременное принятие мер по обеспечению их надежной работы, является весьма актуальной задачей. Особенно важно уделять внимание своевременному проведению ремонтных работ грунтовых плотин, находящихся в длительной эксплуатации, поскольку в большинстве случаев в составе низконапорных гидроузлов именно этими сооружениями обеспечивается создание напора и образование водохранилища.

Работниками кафедры природоохранного и гидротехнического строительства Самарского государственного архитектурно-строительного университета (СГАСУ) в течение многих лет проводятся исследования гидротехнических сооружений и экологических проблем [4], обусловленных их строительством [5, 6].

В частности, о необходимости проведения постоянных наблюдений в рамках мониторинга окружающей среды говорится в [7 и 8], где рассматриваются возможности использования интерполяционных и экстраполяционных моделей мониторинга. Проанализированы вопросы точности и применимости этих моделей в сфере решаемого круга задач. В рамках использования интерполяционной модели приводятся конкретные рекомендации по размещению постов наблюдений. Подчеркивается важность оперативного управления качеством окружающей среды, основанной на максимальном использовании информационных технологий. Оперативные управленческие решения должны основываться на актуальной информации, которая может быть получена на основе не только стационарных автоматических станций контроля состояния составляющих окружающей среды, но и мобильных установок [9]. В [10] предложено дальнейшее развитие информационной системы за счет совершенствования обратной связи.

Следует заметить, что экологические проблемы водных объектов существенно усиливаются, если имеет место негативное антропогенное воздействие на них. В частности, существенную опасность представляют необустроенные свалки, образующиеся в черте города вблизи рек [11, 12]. Для снижения их загрязняющего воздействия рекомендованы способы [13, 14].

В работах [15-19] рассмотрено влияние водохранилищ гидроузлов на окружающую среду, формирование берегов, предложены мероприятия по защите берегов от разрушения. Вместе с тем, в [20, 21] исследовано состояние водоемов, расположенных в городской черте и подверженных антропогенному воздействию, показаны возможные мероприятия [22, 23] по защите водных объектов от загрязнения.

Вопросы повышения безопасности эксплуатации гидроузлов энергетического назначения за счет совершенствования конструкций водопроводящего тракта и его элементов, обеспечения их надежной работы, а также улучшения гидравлических условий течения потока в них, рассмотрены в [24-34]. Показано, что за счет исключения циркуляционных зон в элементах водопроводящего тракта достигается снижение пульсации давления в потоке и вибрация конструктивных элементов. Приведены рекомендации по обоснованию параметров этих элементов. Авторы [35] подчеркивают, что надежность конструкции машинного зала ГЭС может быть повышена при использовании решетчатых пространственных металлических конструкций в покрытиях самого зала.

Из анализа публикаций следует, что недостаточное внимание уделяется вопросам повышения надежности эксплуатируемых длительный срок низконапорных гидроузлов, в составе которых имеются грунтовые плотины, за счет совершенствования их конструкций и применения эффективных технологических приемов, обеспечивающих наименьшее негативное воздействие на окружающую среду. Необходимы новые эффективные конструктивные решения и технологии для выполнения ремонтновосстановительных работ по этим сооружениям.

Исследования [36-38] показали, что важная роль в обеспечении качественного приготовления бетонной смеси и, следовательно, требуемые прочностные параметры конструкции принадлежит составу смеси и тщательному контролю технологического процесса.

Авторами настоящей работы предлагается при выполнении ремонтных работ низконапорных плотин применять конструкции из крупнопористого жесткого малоцементного бетона [39-43]. Такая бетонная смесь укладывается по низовому откосу грунтовой плотины слоями. После набора прочности низовой откос будет защищен. Вместе с тем, такая защита из крупнопористого малоцементного бетона будет обладать возможностью свободно пропускать через поры грунтовую воду, исключая тем самым функцию противофильтрационного устройства. Это может оказаться весьма важным фактором для влияния на положение кривой депрессии в теле плотины [44, 45] и сохранения устойчивости откоса [46].

Поскольку дополнительная пригрузка низового откоса крупнопористым малоцементным бетоном изменит нагрузки на грунтовое сооружение, необходимо проверить его устойчивость против сдвига. Проверку надежности грунтовой плотины рекомендуется производить с учетом вероятностных оценок в 21

соответствии с рекомендациями [47]. Если земляные работы планируется выполнять в обводненной зоне, то целесообразно использовать промежуточные склады строительных материалов [48].

В составе низконапорного гидроузла неэнергетического назначения обычно применяются водосбросные устройства простейшего конструктивного исполнения, которые не рассчитаны на пропуск паводковых вод редкой обеспеченности из-за низкого класса объекта. В связи с этим, за период эксплуатации гидроузла в редкие многоводные годы имеют место случаи перелива паводковой воды непосредственно через грунтовую плотину. При этом, естественно, тело грунтовой плотины под воздействием потока воды может разрушиться.

Эти обстоятельства, а также длительные сроки эксплуатации существующих гидроузлов без своевременного проведения ремонтов приводят к тому, что в настоящее время большая часть грунтовых плотин находятся в неудовлетворительном состоянии. Причем, ряд плотин полностью разрушены, а соответственно, сами гидроузлы не выполняют своих функций.

Выполненные в Самарском государственном архитектурно-строительном университете обследования состояния сооружений низконапорных гидроузлов на территории Самарской области [49] показали, что из всего объема обследованных грунтовых плотин более 35% плотин находились в неудовлетворительном состоянии и требовали незамедлительного ремонта до начала паводкового сезона для предотвращения возможных разрушений.

Для повышения эксплуатационной надежности низконапорных грунтовых плотин и гидротехнических объектов в целом, рекомендуется предусматривать возможность перелива паводковых вод непосредственно через гребень грунтовой плотины [50]. Это позволит повысить уровень защищенности прилегающей территории эксплуатируемого водохозяйственного объекта, а также уменьшить экологические ущербы окружающей среде. Такое решение потребует в проекте реконструкции грунтовой плотины предусмотреть специальное крепление гребня и низового откоса плотины, а следовательно, при выполнении работ – дополнительных финансовых затрат. Однако, предлагаемое изменение конструкции грунтовой плотины в дальнейшей эксплуатации значительно повысит эксплуатационную надежность водохозяйственного объекта [51].

Конструкция крепления гребня и низового откоса такой плотины должна отвечать следующим основным требованиям: иметь низкую стоимость, обладать возможностью быстрого и технологичного устройства элементов крепления откоса, предусматривать возможность демонтажа, ремонта и повторного использования элементов крепления.

Авторами выполнен анализ известных и перспективных конструктивных решений крепления [52]. Анализ показал, что в настоящее время известно большое количество весьма разнообразных конструкций креплений низового откоса грунтового водоподпорного сооружения. Однако большинство из них обладает существенными недостатками. К числу основных недостатков известных технических решений можно отнести высокую материалоемкость, трудоемкость и стоимость, а также длительный срок строительства.

На взгляд авторов, указанные недостатки можно существенно уменьшить, если использовать геосинтетические оболочки в качестве элементов крепления низового откоса. Такие оболочки представляют собой некоторые емкости из синтетического материала, предусматривающие возможность заполнения их грунтом или каким-либо другим материалом. Для изготовления геосинтетических оболочек используют воздухо- и водопроницаемые тканые геотекстильные материалы. Заполнение оболочек, как правило, производится через впускные рукава земснарядами в виде пульпы, вода при этом отводится через водопроницаемую поверхность оболочки. Возможно заполнение оболочек грунтом механическим способом, например, с помощью экскаватора.

Поперечное сечение геосинтетических оболочек имеет сложную криволинейную форму и зависит от типа заполнителя, от давления, создаваемого оборудованием для заполнения оболочек, а также от внешних воздействий. Поперечная форма оболочки, чаще всего, похожа на каплю воды, расположенную на горизонтальной гидрофобной поверхности.

Конструкции грунтовой переливной плотины с использованием в качестве элементов крепления геосинтетических оболочек разработана на кафедре природоохранного и гидротехнического строительства СГАСУ [53, 54]. Ее особенности:

• -    грунтовое водоподпорное сооружение в пределах гребня плотины и сливного откоса укрепляется геосинтетическими оболочками, заполняемыми грунтом;

• -    оболочки укладываются на заранее подготовленные горизонтальные площадки, расположенные в пределах низового откоса;

• -    на контакте оболочек и грунта тела плотины с целью предотвращения вымывания частиц грунта тела плотины предусматривается укладка фильтра из нетканого геотекстиля;

• -    в случае необходимости обеспечения устойчивости геосинтетических оболочек по периметру геосинтетических оболочек может предусматриваться укладка армирующих сеток с анкерными устройствами, расположенными в теле грунтового сооружения.

Разработанная конструкция переливной грунтовой плотины позволит устранить указанные недостатки по материалоемкости, трудоемкости и стоимости вследствие применения относительно недорогих геосинтетических оболочек, местных строительных материалов для заполнения оболочек, а также использования высокопроизводительного оборудования (например, земснаряда). Кроме того, конструктивное решение обеспечит выполнение требований по быстроте и легкости устройства элементов крепления откоса, технологичности их демонтажа, ремонта и повторного использования.

Лабораторные исследования новой конструкции грунтовой переливной плотины показали хорошие результаты по обеспечению гашения энергии пропускаемого через сооружение потока воды [55].

Разработанная конструкция грунтовой переливной плотины с геосинтетическими оболочками обеспечивает хорошую технологичность при выполнении ремонтов частично разрушенных грунтовых плотин и повышает эксплуатационную надежность низконапорных гидроузлов. Кроме того, конструкция экономичнее на 11% варианта крепления низового откоса плотины камнем и на 29% –железобетоном.

Результаты научных разработок СГАСУ активно внедряются в учебный процесс при обучении инженеров-гидротехников и специалистов-строителей [56-61], в том числе осуществляющих повышение своей квалификации.

Выводы

• 1.    Важной современной проблемой является обеспечение эксплуатационной надежности низконапорных гидроузлов с грунтовыми плотинами, находящихся длительный период времени в эксплуатации, поскольку большинство из них имеют существенные повреждения и находятся в неудовлетворительном состоянии.

• 2.    За состоянием грунтовых плотин низконапорных гидроузлов необходимо осуществлять постоянный контроль и проводить обследования для своевременного принятия мер по выполнению ремонтных работ с целью предотвращения их разрушения и нанесения ущерба окружающей природной среде и населенным пунктам, расположенным в зоне их влияния.

• 3.    При выполнении ремонтных работ грунтовых плотин для повышения надежности их дальнейшей эксплуатации рекомендуется использование новых эффективных конструкций и технологических схем, в частности, применение крепления низового откоса конструктивными элементами из крупнопористого жесткого малоцементного бетона.

• 4.    Разработана перспективная конструкция грунтовой плотины, предусматривающая перелив паводковых расходов воды по низовому откосу, особенностью которой является использование для крепления низового откоса геосинтетических оболочек. Конструкция обладает преимуществами: экономией расходов на крепление низового откоса вследствие применения относительно недорогих геосинтетических оболочек, возможностью использования местных строительных материалов для заполнения оболочек, более низкой трудоемкостью возведения.