Проблемы старения и реконструкция гидротехнических сооружений на примере шлюза ¹10 канала им. Москвы

ПРОБЛЕМЫ СТАРЕНИЯ И РЕКОНСТРУКЦИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ НА ПРИМЕРЕ ШЛЮЗА №10 КАНАЛА ИМ. МОСКВЫ

PROBLEMS OF HYDRAULIC FACILITIES AGEING AND RECONSTRUCTION BY THE EXAMPLE OF CANAL LOCK №10 NAMED AFTER MOSCOW

E. В. Максименко, C.H. Левачев E. V. Maksimenko, S.N. Levachev

ОАО «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений»

В статью включены материалы исследования автора, посвящённого анализу причин разрушения и возможных вариантов реконструкции стен низконапорных шлюзов; исследования выполнены на примере опыта реконструкции шлюза №10.

This article includes materials of author's research dedicated to analysis offailure and possible alternatives of reconstruction of low-lift locks walls; research made by example of the lock №10 reconstruction experience.

В России становятся всё более актуальными вопросы реконструкции и ремонта старых бетонных и железобетонных гидротехнических сооружений с возрастом 50 -70 лет. Часто надёжность таких сооружений и их элементов по объективным данным или по современным критериям оценивается как недостаточная, что и требует их усиления. Зарубежный и отечественный опыт длительной эксплуатации массивных армированных подпорных стен шлюзовых и гидроэнергетических сооружений показал, что ресурс их прочности и надёжности после 40...50 лет работы практически исчерпывается. Объясняется это несовершенством использованных методов расчёта и недоработками конструктивных решений при проектировании, нарушениями технологии строительных работ, а также объективными закономерностями перераспределения внутренних усилий в стенах и обратных засыпках, вследствие изменения с течением времени прочностных и деформационных характеристик бетона и грунтов.

Весной 2003 года возникла аварийная ситуация на шлюзе №10 канала им. Москвы. Камера шлюза №10 состоит из 20 секций. Секции № 1 - 17 выполнены в контр-форсном варианте; секции №18-20 - доковой конструкции. Произошло смещение верха 3-ей секции (контрфорсного типа) левой стороны в камеру на 55 мм. После вскрытия обратной засыпки в контрфорсах обнаружены трещины с раскрытием до 5 см и обрыв арматуры. Характер разрушения контрфорсов различных секций представлен на рис. 1.

Рис. 1. Характер распространения трещин в контрфорсах (схема и фото даны для различных

контрфорсов)

Специалистами ОАО «Гиироречтранс» были разработаны «принципиальные решения по временному закреплению аварийной секции». При временном закреплении производилось усиление четырёх средних контрфорсов: к тыловой грани указанных контрфорсов крепилась металлическая балка, к которой приваривались хомуты (из круглой стали 070 мм), огибающие трубы диаметром 426 мм, устанавливаемые напротив указанных контрфорсов с лицевой стороны камеры. Также средние контрфорсы закреплялись посредством монтажа анкерных тяг, которые крепились к ростверку анкерного куста свай. Крайние контрфорсы закреплялись посредством установки горизонтальных стальных пальцев 080 мм к крайним контрфорсам смежных секций. Производилась замена глинистого грунта обратной засыпки на песчаный с устройством в верхней части дренажной призмы с обратным фильтром. Шлюз введен в эксплуатацию, техническое состояние камеры было признано предаварийным, что обусловило необходимость усиления стен камеры шлюза и разработки проекта реконструкции.

Мероприятия, применённые на аварийной секции, характеризуются значительными объёмами земляных работ в водонасыщенных грунтах и не отвечают требованиям нормативных документов к постоянным усиливающим элементам железобетонных сооружений. В связи с этим ФГУП «Канал им. Москвы» был объявлен конкурс «Проект усиления стен камеры шлюза №10 гидроузла Перерва». В конкурсе приняли участие различные проектные организации; предложенные ими предварительные решения по реконструкции отличаются принципиальностью подхода. В настоящее время существует большое количество технологий ремонта и реконструкции гидротехнических объектов, как проверенных временем, так и недавно появившихся в строительной практике. В связи с этим существует необходимость проанализировать эффективность и возможность применения тех или иных инженерных решений в конкретных условиях, с учётом характера происходящих неблагоприятных факторов и выявленных дефектов конструкций. Рассмотрение этих вопросов можно осуществить на примере опыта реконструкции шлюза №10.

С целью выявления характера и возможных причин разрушения были проведены обследования состояния камеры шлюза. По результатам осмотра лицевого бетона стен контрфорсных секций зафиксирована его значительная трещиноватость: вертикальные трещины, проходящие, в основном, посередине между контрфорсами, с шириной раскрытия от 0,2 до 4,0 мм; диагональные трещины по концам секций с выносом продуктов выщелачивания бетона и коррозии арматуры; горизонтальные трещины, которые просматриваются на отдельных участках в двух и даже трех уровнях; каверны в бетоне глубиной от 3 см до 8 см и протяженностью 15 ... 40 см.

По результатам раскопки верхней части контрфорсов выявлено, что обратная засыпка выполнена мягкопластичными суглинками, а не тугопластичными глинами, как предусматривалось проектом; также отсутствует предусмотренный проектом слой песка толщиной 70 см в обратной засыпке у лицевой стеки.

По результатам обследований можно сделать следующие выводы. Значительная трещиноватость лицевой стенки и контрфорсов способствует дальнейшему разрушению бетона и арматуры и общему снижению несущей способности конструкции. Плохой контроль за соблюдением проектных решений при строительстве обусловил устройство обратной засыпки из непроектного материала, обладающего при промерзании сильнопучинистыми свойствами; при этом не соблюдено проектное решение по укладке слоя песка обратной засыпки у тыловой грани лицевой плиты, в зоне, подвергающейся промораживанию.

Возможной причиной образования трещин в контрфорсах и лицевой плите является нерасчётная нагрузка от сил морозного пучения глинистого грунта обратной засыпки и недостаточное и некачественное армирование. Также причиной трещинообра-зования может быть воздействие на стены осушенной камеры резкого температурного перепада - при отрицательной температуре воздуха и температуре в обратной засыпке близкой к 0° С. При этом воздействии возможно возникновение растягивающих напряжений как на лицевой грани плиты, так и на тыловой грани контрфорсов. При этом, недостаточное (по проекту) и некачественное (по производству работ) армирование не предотвращает возникновение и развитие трещин к элементах конструкции при указанном воздействии.

Выдвинутые выше предположения были учтены и проверены на этапе проектирования (с участием автора). Соответственно проблемы, которые необходимо было решить при реконструкции стен камеры шлюза №10, состоят в следующем:

• устранение нерасчётных нагрузок от сил морозного пучения грунта обратной засыпки;

• усиление несущих элементов для предотвращения развития трещин и обеспечения дальнейших эксплуатационных условий работы конструкции;

• ремонт бетонных поверхностей лицевой плиты для дальнейшего выполнения ею своих эксплуатационных функций.

Из предложенных различными организациями решений заказчиком был принят вариант ООО «ЦСКТЭ», по которому основным методом усиления предлагалось устройство напрягаемых армопучков (анкеров типа АПН-К-1 по технологии фирмы «Геотехника») в контрфорсах; данное решение реализовывалось при реконструкции массивных доковых секций ряда шлюзов канала им. Москвы и характеризуется значительным улучшением условий работы конструкции. Учитывая растяжение лицевой грани тонкостенной конструкции шлюза №10 при натяжении анкеров, предусматривалось устройство дополнительной ж/б стенки толщиной 30 см с лицевой стороны; закрепление стенки к лицевой плите предполагалось с помощью наклонных анкеров,

устанавливаемых в контрфорсах с лицевой стороны камеры. Данные мероприятия должны были обеспечить несущую способность и надёжность конструкции при наличии сил морозного пучения грунта.

По итогам проведения конкурса на выполнение строительных работ по реконструкции шлюза №10 ответственной за выполнение данных проектных решений оказалась строительная организация «Триада-холдинг». Устройство преднапряжённых анкеров АПН-К-1 было реализовано только на доковых секциях №18-20. При этом у строителей возникали опасения о возможности устройства скважин под анкера в трещиноватых тонкостенных контрфорсах (шириной 0.5м). В связи с этим конструкторским отделом строительной организации было разработано решение (которое было принято проектировщиками) по усилению контрфорсов грунтовыми анкерами TITAN 40/16 несущей способностью 30 т (300 кН) с усилием натяжения 10 т. Анкера TITAN устраиваются в обратной засыпке возле контрфорсов: по одному анкеру возле крайних контрфорсов и по два анкера возле остальных контрфорсов (рис. 2). Длина анкеров 16 м, диаметр 40 мм, угол наклона 10°. Передача усилия от анкеров на контрфорсы осуществляется посредством устройства монолитной ж/б балки, объединяющей контрфорсы в верхней части (рис. 2) и жестко закрепляемой к контрфорсам с помощью анкеров из арматуры на анкерном составе ChemFix. Надёжность замковой части анкеров TITAN обеспечивается посредством грунтоцементного уширения длиной 3 м, упирающегося в плиту днища контрфорсной стенки.

Монолитная Отверстия для установки

ж/5 балка анкера ПШ

Контрфорс' Лицевая стенка

камеры шлюза

Рис. 2. Железобетонная балка, объединяющая контрфорсы в верхней части

Сама технология устройства грунтовых анкеров применяется в зарубежной и отечественной строительной практике и имеет хорошие отзывы. А устройство балки, объединяющей контрфорсы в верхней части, имеет ряд преимуществ. Так конструкция, в случае нарушения её целостности при наличии трещин (как на 3-ей аварийной секции), вновь приобретает пространственный характер работы; а кроме того обеспечивается выгодная схема передачи усилий - усилия передаются от анкеров TITAN на балку, а с балки на омоноличенный с ней контрфорс; при этом усилия распределяются по значительной площади контакта балки с контрфорсом, что обеспечивает надёжность данного узла передачи усилия.

Для решения проблемы морозного пучения грунта проектной и строительной организациями было проработано решение по изменению характеристик пристенного слоя грунта обратной засыпки, находящегося в слое сезонного «промерзания-оттаивания» путём его цементации. Цементация грунта осуществлялась устройством двух рядов свай по технологии jet-grouting - струйной цементации (рис. 3). Грунтоце-ментные сваи располагаются в пространстве между контрфорсами по всей высоте лицевой плиты до верхней грани плиты днища. Диаметр свай 600 мм (расчётный), шаг свай в ряду 625 мм, расстояние между рядами 510 мм. Таким образом, вместо суглинистого грунта в зоне промерзания за стенкой образуется грунтобетон, что полностью устраняет проблему морозного пучения грунта, а кроме того придаёт конструкции дополнительную жесткость.

Обратной Монолитная Груншайый

засыпка жШ 5алка анкер TITAN

KoHmptpupL Лицевая стенка С Зад го технологии

камеры шлюза Jet-grouiiflg

Рис. 3. Струйная цементация слоя обратной засыпки, примыкающего к лицевой стенке, посредством устройства двух рядов грунтоцементных jet-свай

Для предотвращения дальнейшего разрушения бетона лицевой плиты и обеспечения эксплуатационных условий её работы производился ремонт бетонных поверхностей. Ремонт лицевого бетона выполнялся с использованием современных строительных смесей Structurite 300 (Структурит) фирмы THORO (Бельгия). Выполнялась очистка бетонной поверхности и удаление разрушенного бетона струей воды под давлением 20 МПа. На оголённую арматуру наносилось антикоррозионное покрытие. Бетон прогревался, трещины расшивались и инъецировались с применим гидроактивного однокомпонентного полиуретанового состава с низкой вязкостью Flex SLV (Флекс SLV) фирмы De Neef. Затем лицевая поверхность штукатурилась слоем до 20 мм. Для защиты бетонных поверхностей от разрушающего воздействия хлоридов, воды и циклов замораживания-оттаивания использовался защитный состав Thorotect CR фирмы THORO. Для гидрофобизации бетонных поверхностей применена водная эмульсия ENVIROSEAL 20 фирмы THORO.

После разработки решения по устранению воздействия от сил морозного пучения грунта с целью уточнения характера работы конструкции проводились исследования напряжённо-деформированного состояния контрфорсной секции на основе теории конечных элементов с помощью современных расчётных программ (в рамках проекта реконструкции с участием автора). На конечно-элементных моделях воспроизводились железобетонные элементы конструкции и элементы обратной засыпки и основания. Для определения эффективности проектного решения по усилению контрфорсов анкерами TITAN на конечно-элементных моделях воспроизводились трещины (возможные траектории развития трещин, полученные по результатам моделирования трещин) и рабочая арматура (задавалась стержневыми элементами с учётом проскальзывания при раскрытии трещин); также воспроизводились элементы усиления конструкции - вспомогательная балка с анкерами TITAN (рис. 4). Анкера моделировались с проектным усилием натяжения равным 100 кН. Расчёт производился для всех возможных случаев работы камеры; при этом моделировались следующие внешние нагрузки и воздействия на конструкцию: активное и реактивное давление грунта засыпки, гидростатическое и фильтрационное давление, а также температурные воздействия.

Анализ расчётов выявил, что самый неблагоприятный случай работы тыловой грани контрфорсов и лицевой плиты реализуется при действии давления грунта обратной засыпки на стену осушенной камеры с учётом воздействия на конструкцию резкого перепада температур от 0 до -30°С. Картина распределения максимальных главных напряжений оь МПа, для этого случая до и после усиления анкерами представлена на рис. 4. В конструкции после усиления анкерами TITAN видно уменьшение зоны распространения растягивающих напряжений.

Рис. 4. Напряженное состояние в виде распределения главных напряжений^,МПа,в элементах конструкции до и после усиления анкерами TITAN

Полученные на конечно-элементных моделях результаты напряженно-деформированного состояния конструкции для указанного выше расчётного случая до и после усиления представлены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты расчёта НДС конструкции при трещине в контрфорсе на отм. 116.5 м

Конструкция до усиления Конструкция, усиленная анкерами TITAN Усиленная конструкция, при разрыве арматуры

Напряжения в арматуре, Мпа Раскрытие трещины, мм Напряжения в арматуре, МПа Напряжения в анкере с учётом натяжения, МПа Раскрытие трещины, мм Напряжения в анкере с учётом натяжения, МПа Раскрытие трещины, мм

263,4 1,6 209,1 115,6 0,9 159,3 6,5

Как видно из результатов расчетов с моделированием мероприятий по усилению, картина работы конструкции значительно улучшается - напряжения в арматуре тыловой грани контрфорсов в этом случае не превышают значения расчетного сопротивления арматурной стали класса A-I (Rs = 225 МПа). Расчётные модельные исследования также показали, что применение данного проектного решения, даёт удовлетворительную картину напряжённо-деформированного состояния стенки даже при выходе из строя рабочей арматуре тыловой грани контрфорсов; при этом анкера будут обладать достаточным запасом прочности (несущая способность анкеров составляет 300 МПа), что позволяет судить о запасе работоспособности стенки.

Осенью 2009 г. работы по реконструкции стен камеры шлюза №10 были закончены. Камера простояла осушенной межнавигационный период, в течение которого реа-лизовываются самые неблагоприятные случаи работы камеры (на основании наблюдений предыдущих лет и расчётных исследований). Всё это время за состоянием стен камеры велись регулярные наблюдения. Результаты наблюдений по щелемерам за горизонтальным положением стен камеры не выявили каких-либо значительных перемещений верха стен; кроме того, наблюдается значительное улучшение картины деформаций стен в межнавигационный период по сравнению с рядом наблюдений за предыдущие годы эксплуатации. Визуальные обследования оштукатуренной бетонной поверхности стен камеры не выявили появления трещин. Таким образом, можно сделать вывод об эффективности реализованных мероприятий по усилению конструкции стен и устранению явления морозного пучения грунта обратной засыпки.

Ключевые слова: трещина, характер разрушения, условия работы, контрфорс, камера шлюза, тонкостенная конструкция, преднапряжённые анкера, мягкопластичный суглинок, обратная засыпка, реконструкция.

Keywords: crack, fracture mode, physical environment, buttress, lock chamber, thin-slab structure, stressed anchor, soft loam, backfill, reconstruction.

Почтовый адрес (рабочий): г. Москва, Строительный проезд, д. 7а, корп. 29, ПЦВЭС.

Телефон: (495)492-71-12, (926)576-87-50.

e-mail: evgeniymaxi@rambler.ru

Статья представлена редакционным советом «Вестник МГСУ».