Russian Federation
UDC 626/627
CSCSTI 70.01
Russian Classification of Professions by Education 35.00.00
Russian Library and Bibliographic Classification 40
Russian Trade and Bibliographic Classification 5607
BISAC TEC003050 Agriculture / Irrigation
The Kuchuk hydraulic system located on Lake Kuchuk (Altai Territory) operates under the influence of aggressive saline waters, which significantly affects the durability and reliability of its structures. The article presents the results of a comprehensive survey of concrete and metal elements of the hydraulic system carried out within the framework of the safety declaration examination. The studies included visual inspection, destructive and nondestructive concrete strength testing, laboratory testing of drilled cores, as well as ground penetrating radar surveys with analysis of volumetric moisture content and concrete quality factor. It was established that concrete structures are in a limited serviceable condition due to leaching and sulfate corrosion processes caused by the chemical composition of the reservoir water. Metal elements are characterized by significant corrosion wear exceeding 40% of the original thickness. An empirical relationship between concrete compressive strength and quality factor Q was obtained, confirming the applicability of ground penetrating radar methods for rapid assessment of hydraulic structure condition. The residual service life of reinforced concrete structures was assessed based on frost resistance. Recommendations aimed at ensuring safe operation of the Kuchuk hydraulic system in accordance with water management and reclamation standards are formulated.
hydraulic structures, aggressive waters, saline waters, concrete corrosion, sulfate corrosion, ground penetrating radar, concrete quality factor, residual service life
Гидротехнические сооружения, эксплуатируемые в условиях воздействия агрессивных вод, требуют повышенного внимания к вопросам надежности и долговечности, поскольку химический состав воды способен существенно ускорять процессы коррозии конструкционных материалов [1, 2]. Особую группу риска представляют сооружения, расположенные на соленых и горько-соленых водоемах, где совместное действие химической агрессии, переменного увлажнения и температурных факторов приводит к ускоренной деградации бетона и металла [3–5]. Кучукский гидроузел расположен на озере Кучук Алтайского края – горько-соленом водоеме, который более 200 лет используется для добычи мирабилита (глауберовой соли). По химическому составу воды относятся к хлоридно-гидрокарбонатным магниево-калиевым (натриевым) с минерализацией порядка 1 г/л [6]. Гидроузел эксплуатируется свыше 60 лет и включает земляную насыпную плотину, водосбросное сооружение и водозабор с насосной станцией. В ходе очередной экспертизы декларации безопасности гидротехнического сооружения, выполненной в соответствии с требованиями ГОСТ 31937–2011 и СП 47.13330.2016, выявлены дефекты бетонных и металлических конструкций, указывающие на ограниченно работоспособное состояние отдельных элементов. Цель работы заключается в анализе технического состояния сооружений Кучукского гидроузла в условиях воздействия агрессивных соленых вод, оценке остаточного ресурса конструкций и разработке рекомендаций по обеспечению их безопасной эксплуатации.
Рис. 1 – Георадарный разрез бетонных конструкций по профилю обследования
Материалы и методы исследования. Классификация технического состояния конструкций выполнена в соответствии с ГОСТ 31937–2011. Расчет остаточного ресурса железобетонных элементов осуществлялся по показателю морозостойкости как наиболее неблагоприятному фактору долговечности при эксплуатации в условиях переменного увлажнения и отрицательных температур [7]. Оценка технического состояния конструкций Кучукского гидроузла выполнена на основе комплекса полевых и лабораторных исследований, включающих: ● визуальное обследование бетонных и металлических конструкций с фиксацией дефектов и повреждений; ● неразрушающий контроль прочности бетона ультразвуковым и механическим методами; ● лабораторные испытания кернов бетона на прочность, морозостойкость и водонепроницаемость; ● ультразвуковой контроль остаточной толщины металлических элементов водосбросного сооружения; ● георадарные исследования бетонных конструкций с построением вертикальных и горизонтальных разрезов по параметрам объемной влажности W и добротности Q. Классификация технического состояния конструкций выполнена в соответствии с ГОСТ 31937–2011. Расчет остаточного ресурса железобетонных элементов осуществлялся по показателю морозостойкости как наиболее неблагоприятному фактору долговечности при эксплуатации в условиях переменного увлажнения и отрицательных температур [7]. Результаты и обсуждение Состояние бетонных конструкций.Врезультате визуального обследования бетонных элементов водосбросного сооружения выявлены продольные и поперечные трещины в ремонтном слое, следы фильтрации воды через трещины, сопровождающиеся выщелачиванием цементного камня (коррозия I рода), а также проявления сульфатной коррозии (коррозия III рода). Зафиксированы дефекты, связанные с качеством ранее выполненных ремонтных работ, включая холодные швы и отслаивание защитной рубашки бетона от основного тела конструкции. Лабораторные и неразрушающие испытания показали, что плотность бетона составляет в среднем 2,206 т/м3 , а водонепроницаемость соответствует классу W6. Средние значения прочности бетона защитной рубашки превышают прочность бетона основного тела сооружения приблизительно на 5 МПа, что свидетельствует о частичной деградации старого бетона. После испытаний на морозостойкость прочность бетона рубашки снизилась на 15%, а бетона тела – на 30…50 %, при этом морозостойкость не соответствует нормативным требованиям (менее 5 циклов), что указывает на исчерпание долговечности материала [8, 9].
Рис. 2 – Георадарный разрез по параметру объёмной влажности W, по параметру добротности Q
Состояние металлических конструкций. Металлические элементы водосбросного сооружения, включая направляющие и опоры шандор, характеризуются равномерной и язвенной коррозией. По результатам ультразвукового контроля установлено, что средний износ металла превышает 40% от первоначальной толщины по сортаменту, что соответствует ограниченно работоспособному состоянию и требует принятия инженерных мер по восстановлению или замене элементов [10]. Георадарные исследования и анализ параметра Q. В зоне исследований выполнено 148 профилей георадарного зондирования бетонных конструкций. Пример георадарного разреза по профилю представлен на рис. 1. Анализ данных показал, что объемная влажность бетона изменяется в пределах 15…22% и возрастает с глубиной. Пространственное распределение объемной влажности представлено на рис. 2а. Параметр добротности Q изменяется от 3,4 до 11,6. Георадарный разрез по параметру добротности приведен на рис. 2б. Установлена обратная линейная зависимость между параметром Q и прочностью бетона на сжатие: R=35 – Q, где R – прочность бетона на сжатие, МПа; Q – параметр добротности. Полученная зависимость согласуется с результатами ранее выполненных исследований в области неразрушающего контроля бетона [11–13] и подтверждает перспективность использования георадарных методов при обследовании гидротехнических сооружений. В зоне исследований выполнено 148 профилей георадарного зондирования бетонных конструкций. Анализ данных показал, что объемная влажность бетона изменяется в пределах 15…22% и возрастает с глубиной. Резкое увеличение влажности наблюдается в зоне контакта старого и нового бетона, что подтверждено результатами лабораторных испытаний кернов. Параметр добротности Q изменяется от 3,4 до 11,6. Оценка остаточного ресурса. Оценка остаточного ресурса железобетонных конструкций выполнена по показателю морозостойкости: T=C/ t 0, где T – остаточный ресурс эксплуатации, лет; C – количество циклов замораживания-оттаивания, выдерживаемых бетоном (C=5); t 0 – среднее число циклов в год (t 0=1). Полученные значения остаточного ресурса свидетельствуют о необходимости реализации комплекса ремонтно-восстановительных мероприятий в ближайшей перспективе для предотвращения аварийных ситуаций.
Выводы 1. Установлено, что эксплуатация Кучукского гидроузла в условиях воздействия агрессивных соленых вод приводит к ускоренной деградации бетонных и металлических конструкций.
2. Основными механизмами разрушения бетона являются процессы выщелачивания и сульфатной коррозии, сопровождающиеся снижением прочности и морозостойкости материала.
3. Выявлена устойчивая эмпирическая зависимость прочности бетона от параметра добротности Q, что позволяет использовать георадарные исследования для оценки технического состояния сооружений без их вскрытия.
4. Коррозионный износ металлических конструкций водосбросного сооружения превышает 40 %, что требует их замены или усиления.
5. Для обеспечения безопасной эксплуатации Кучукского гидроузла рекомендуется реализация комплекса инженерных мероприятий, включающих восстановление бетонных конструкций, замену металлических элементов и организацию мониторинга технического состояния.
1. Aniskin N.A., Sergeev S.A. Ustoychivost' otkosa gruntovoy plotiny pri srabotke vodohranilischa // Stroitel'stvo: nauka i obrazovanie. 2022. T. 12, № 3. S. 6–17. DOI:https://doi.org/10.22227/2305-5502.2022.3.1.
2. Kachaev A.E., Turapin S.S. Metodika chislennogo modelirovaniya ustoychivosti gruntovoy plotiny pri ekstrennoy srabotke vodohranilischa // Ekologiya i stroitel'stvo. 2024. № 4. S. 4–13. DOI:https://doi.org/10.35688/2413-8452-2024-04-001.
3. Fellenius W. Calculation of the Stability of Earth Dams, Trans. 2nd Cong. on Large Dams. Vol. 4. 1936. 445 p.
4. Bishop A.W., Morgenstern N. Stability Coefficients for Earth Slopes. Géotechnique. Vol. 10(4).1960. Rr. 129–153. DOI:https://doi.org/10.1680/geot.1960.10.4.129.
5. Spencer E. A Method of Analysis of the Stability of Embankments Assuming Parallel Inter-Slice Forces. Geotechnique. Vol.17. Pp. 11–26. 1967. DOI:https://doi.org/10.1680/geot.1967.17.1.11.
6. Janbu N. Application of Composite Slip Surface for Stability Analysis. In: Proceedings of European Conference on Stability of Earth Slopes, Sweden. 1954. Rr. 43–49.
7. Morgenstern N.R., Price V.E. The Analysis of the Stability of General Slip Surfaces. Géotechnique. Vol. 15. 1965. Rr. 79–93. DOIhttps://doi.org/10.1680/geot.1965.15.1.79.
8. Shahunyanc G.M. Zemlyanoe polotno zheleznyh dorog. M.: Transzheldorizdat, 1953. 828 s.
9. Modelirovanie ustoychivosti otkosa po razlichnym krivym skol'zheniya / K.N. Anahaev, A.S. Bestuzheva, V.V. Belikov, A.B. Balkizov, M.O. Mamchuev // Izvestiya Kabardino-Balkarskogo nauchnogo centra RAN. 2025. T. 27. №4. S. 55–69. DOI:https://doi.org/10.35330/1991-6639-2025-27-4-55-69.
10. Primenenie metoda konechnyh elementov v geotehnicheskih raschetah po pervomu predel'nomu sostoyaniyu / V.G. Fedorovskiy, G.A. Bobyr', I.A. Bokov, S.V. Il'in // Vestnik NIC Stroitel'stvo. 2019. № 1(20). S. 102–112.
11. Kachaev A.E., Turapin S.S. Osobennosti rekonstrukcii zemlyanyh plotin meliorativnyh sistem // Nauka i mir. 2024. № 3. S. 6–10. DOI:https://doi.org/10.26526/2307-9401-2024-3-6-10.
12. Lane P.A., Griffiths D.V. Assessment of stability of slopes under drawdown conditions. Jnl. Geotech. and Geoenv. Engng. Vol. 126(5). 2000. Pp. 443–450.
13. Mehanizaciya transportnyh processov v dorozhnom stroitel'stve: uchebnoe posobie / A.A. Romanovich, V.A. Uvarov, T.N. Orehova, A.E. Kachaev, E.V. Harlamov. Belgorod: Belgorodskiy gosudarstvennyy tehnologicheskiy universitet im. V.G. Shuhova, 2023. 134 s.
14. Kachaev A.E., Turapin S.S. Analiz etapov BIM-modelirovaniya pri proektirovanii i rekonstrukcii gidrotehnicheskih sooruzheniy // Nauka i mir. 2025. № 1. S. 16–20. DOI:https://doi.org/10.26526/2307-9401–2025-1-16-20.
15. Dalmatov B.I. Mehanika gruntov, osnovaniya i fundamenty (vklyuchaya special'nyy kurs inzhenernoy geologii). 2‑e izd. L.: Stroyizdat, 1988. 415 s.
