Россия
УДК 626/627 Гидротехническое строительство. Гидротехника в целом
ГРНТИ 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
ОКСО 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
ББК 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003050 Agriculture / Irrigation
Кучукский гидроузел, расположенный на озере Кучук Алтайского края, эксплуатируется в условиях воздействия агрессивных соленых вод, что существенно влияет на долговечность и надежность его конструкций. В статье представлены результаты комплексного обследования бетонных и металлических элементов гидроузла, выполненного в рамках экспертизы декларации безопасности гидротехнического сооружения. Исследования включали визуальное обследование, неразрушающий и разрушающий контроль прочности бетона, лабораторные испытания кернов, а также георадарные исследования с анализом параметров объемной влажности и добротности бетона. Установлено, что бетонные конструкции находятся в ограниченно работоспособном состоянии вследствие развития процессов выщелачивания и сульфатной коррозии, обусловленных химическим составом водоема. Металлические элементы характеризуются значительным коррозионным износом, превышающим 40% от первоначальной толщины. Получена эмпирическая зависимость прочности бетона от параметра добротности Q, подтверждающая возможность использования георадарных методов для экспресс-оценки технического состояния гидротехнических сооружений. Выполнена оценка остаточного ресурса железобетонных конструкций по показателю морозостойкости. Сформулированы рекомендации по обеспечению безопасной 'эксплуатации Кучукского гидроузла, соответствующие требованиям нормативных документов в области водного хозяйства и мелиорации.
гидротехнические сооружения, агрессивные воды, соленые воды, коррозия бетона, сульфатная коррозия, георадарные исследования, добротность бетона, остаточный ресурс
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. Анискин Н.А., Сергеев С.А. Устойчивость откоса грунтовой плотины при сработке водохранилища // Строительство: наука и образование. 2022. Т. 12, № 3. С. 6–17. DOI:https://doi.org/10.22227/2305-5502.2022.3.1.
2. Качаев А.Е., Турапин С.С. Методика численного моделирования устойчивости грунтовой плотины при экстренной сработке водохранилища // Экология и строительство. 2024. № 4. С. 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. Рр. 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. Рр. 43–49.
7. Morgenstern N.R., Price V.E. The Analysis of the Stability of General Slip Surfaces. Géotechnique. Vol. 15. 1965. Рр. 79–93. DOIhttps://doi.org/10.1680/geot.1965.15.1.79.
8. Шахунянц Г.М. Земляное полотно железных дорог. М.: Трансжелдориздат, 1953. 828 с.
9. Моделирование устойчивости откоса по различным кривым скольжения / К.Н. Анахаев, А.С. Бестужева, В.В. Беликов, А.Б. Балкизов, М.О. Мамчуев // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН. 2025. Т. 27. №4. С. 55–69. DOI:https://doi.org/10.35330/1991-6639-2025-27-4-55-69.
10. Применение метода конечных элементов в геотехнических расчетах по первому предельному состоянию / В.Г. Федоровский, Г.А. Бобырь, И.А. Боков, С.В. Ильин // Вестник НИЦ Строительство. 2019. № 1(20). С. 102–112.
11. Качаев А.Е., Турапин С.С. Особенности реконструкции земляных плотин мелиоративных систем // Наука и мир. 2024. № 3. С. 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. Механизация транспортных процессов в дорожном строительстве: учебное пособие / А.А. Романович, В.А. Уваров, Т.Н. Орехова, А.Е. Качаев, Е.В. Харламов. Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2023. 134 с.
14. Качаев А.Е., Турапин С.С. Анализ этапов BIM-моделирования при проектировании и реконструкции гидротехнических сооружений // Наука и мир. 2025. № 1. С. 16–20. DOI:https://doi.org/10.26526/2307-9401–2025-1-16-20.
15. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты (включая специальный курс инженерной геологии). 2‑е изд. Л.: Стройиздат, 1988. 415 с.
