ОЦЕНКА ИНФИЛЬТРАЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ ТРЕЩИН В БЕТОННЫХ ПОДПОРНЫХ СТЕНКАХ БЕРЕГОЗАЩИТНЫХ СООРУЖЕНИЙ НИЖНЕГО БЬЕФА НОВОСИБИРСКОГО ГИДРОУЗЛА
ОЦЕНКА ИНФИЛЬТРАЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ ТРЕЩИН В БЕТОННЫХ ПОДПОРНЫХ СТЕНКАХ БЕРЕГОЗАЩИТНЫХ СООРУЖЕНИЙ НИЖНЕГО БЬЕФА НОВОСИБИРСКОГО ГИДРОУЗЛА
Аннотация
Бетонные подпорные стенки являются одним из наиболее распространённых типов берегозащитных гидротехнических сооружений (ГТС) в нижнем бьефе Новосибирского водохранилища. По данным натурного обследования 2024–2025 гг., из 16 обследованных бетонных подпорных стенок около 30% имеют трещины различного генезиса (усадочные, температурные, силовые) шириной до 2 мм. Эксплуатация сооружений происходит в условиях нестационарного уровня воды с амплитудами суточных колебаний до 2,4 м и скоростями спада до 0,15 м/час, что создаёт знакопеременные фильтрационные нагрузки. Научная новизна работы заключается в установлении количественных зависимостей между шириной трещин и объёмом инфильтрации за паводковый цикл (от 43 до 864 м³ на 5 м трещины), в разработке классификации трещин по степени опасности на основе расчётных фильтрационных расходов, а также в обосновании критериев назначения ремонтных мероприятий (инъектирования) для бетонных подпорных стенок, эксплуатируемых при резких спадах уровня воды. В статье выполнена количественная оценка инфильтрационной способности одиночной трещины в бетонной подпорной стенке при резком спаде уровня воды. Предложена расчётная модель, основанная на формуле истечения через щель с коэффициентом расхода и уточнённая с учётом шероховатости, извилистости и закольматации трещин. Показано, что при перепаде напора 2,4 м и трещине шириной 1 мм удельный расход инфильтрации достигает 0,05 л/(с·м), а за один цикл «подъём–спад» объём профильтровавшей воды может составлять до 216 м³ на 5 м трещины. При ширине трещины 2 мм расход возрастает в 4 раза. Инъекционное заполнение трещины цементным или полимерным составом позволяет снизить фильтрацию на 90–95%. Приведены визуальные признаки дефектов на примере Михайловской набережной и бетонных плит у Речного вокзала. Предложены рекомендации по приоритетности ремонта трещин в зависимости от их ширины, ориентации и удаления от уреза воды. Результаты могут быть использованы при планировании ремонтных работ и оценке остаточного ресурса берегозащитных ГТС.
1. Введение
Нижний бьеф Новосибирского гидроузла (г. Новосибирск) характеризуется активной застройкой пойменных территорий и наличием многочисленных берегозащитных ГТС. Одним из наиболее массовых типов являются бетонные подпорные стенки (16 объектов в реестре, что составляет 34% от всех сооружений). При визуальном обследовании 2024–2025 гг. выявлено, что около 30% этих стенок имеют трещины различного происхождения: усадочные (ширина 0,1–0,5 мм), температурные (0,3–1,0 мм), силовые (до 2 мм) и комбинированные , . Кроме того, рабочие швы бетонирования часто являются местами повышенной фильтрации.
Эксплуатация берегозащитных ГТС происходит в условиях нестационарного гидрологического режима, обусловленного суточным и недельным регулированием стока Новосибирской ГЭС. Согласно данным гидропоста «р. Обь — г. Новосибирск», в июле 2024 г. амплитуда колебаний уровня достигала 2,4 м, а скорость спада — 0,15 м/час (3,6 м/сут.), что в 4–6 раз превышает рекомендуемые критерии для учёта фильтрационных процессов , . При резком спаде уровня вода, накопившаяся за стенкой (в грунте берега), начинает фильтроваться через трещины и неплотности обратно в реку. Это явление — обратная фильтрация — создаёт взвешивающее давление на плиты крепления, способствует суффозии грунта и может приводить к выносу мелких фракций, увеличивая раскрытие трещин и снижая долговечность сооружений , .
В отличие от сплошного бетонного массива, трещины и швы являются концентраторами фильтрационного потока. Даже при незначительной ширине раскрытия, суммарный инфильтрационный расход через дефектную зону может быть сопоставим с расходами через дренажные системы. Однако в существующей практике проектирования и эксплуатации берегозащитных ГТС количественная оценка инфильтрации через трещины, как правило, не выполняется, а ремонт трещин проводится по визуальным критериям без гидравлического обоснования.
Цель работы — на основе данных натурных обследований и гидрологического режима нижнего бьефа выполнить количественную оценку инфильтрационной способности трещин в бетонных подпорных стенках берегозащитных сооружений и предложить критерии для назначения ремонтных мероприятий (инъектирования).
1.1. Научная новизна
Научная новизна представленного исследования заключается в следующем:
Установлены количественные закономерности между шириной раскрытия трещин в бетонных подпорных стенках (0,5; 1,0; 2,0 мм) и удельным фильтрационным расходом (0,01; 0,05; 0,20 л/(с·м)), а также объёмом инфильтрации за один паводковый цикл (43; 216; 864 м³ на 5 м трещины). Ранее для условий нижнего бьефа Новосибирского гидроузла такие зависимости не были установлены.
Разработана классификация трещин по степени опасности для долговечности и безопасности берегозащитных ГТС, включающая четыре категории (от «низкой» до «критической») с соответствующими пороговыми значениями ширины раскрытия (<0,3; 0,3–0,8; 0,8–1,5; >1,5 мм) и рекомендуемыми сроками ремонта. Такая классификация, привязанная к расчётным фильтрационным расходам, ранее отсутствовала.
Предложен критерий обязательного инъектирования — ширина раскрытия трещины >0,8 мм, а также установлено, что трещины в зоне переменного уровня воды (глубиной 0–3 м от нормального подпорного уровня) подлежат первоочередному ремонту независимо от их ширины, если они являются сквозными.
Обоснован порог недопустимости объёма инфильтрации (>200 м³ за один паводковый цикл), при котором дальнейшая эксплуатация сооружения без ремонта приводит к прогрессирующему разрушению (суффозия грунта, выщелачивание бетона, коррозия арматуры).
Впервые для нижнего бьефа Новосибирского гидроузла выполнена комплексная количественная оценка инфильтрационной способности трещин с учётом реального нестационарного гидрологического режима (амплитуда 2,4 м, скорость спада 0,15 м/час), что позволяет прогнозировать остаточный ресурс бетонных подпорных стенок и обосновывать ремонтные программы.
2. Методы и принципы исследования
2.1. Исходные данные по трещинам
По результатам обследования 16 бетонных подпорных стенок (фрагмент реестра приведён в табл. 1) выявлены типичные характеристики трещин: ширина раскрытия *b* = 0,1–2,0 мм, протяжённость L = 0,5–12 м, ориентация — вертикальная, горизонтальная, диагональная. Наибольшее количество трещин зафиксировано в зоне переменного уровня воды (в интервале отметок 93–97 м БС) и вблизи рабочих швов. Для расчётного анализа приняты две характерные ширины трещины: 1 мм (умеренная) и 2 мм (значительная, требующая ремонта).
Фрагмент реестра бетонных подпорных стенок с дефектами
Объект | Год постр. | Длина, м | Отметка верха, м БС | Выявленные дефекты | Ширина трещин, мм |
ЖК «Марсель» (смотровая площадка) | 2017 | 65 | 98,6 | вертикальные трещины, выщелачивание | 0,5–1,0 |
ЖК «Маяк» | 2019 | 205 | – | трещины у швов, локальные сколы | до 1,5 |
Михайловская набережная | 1964–1980 | 1500 | 98,0–98,5 | множественные трещины, сколы, оголение арматуры, биопоражения | 0,5–2,0 |
Лодочная станция «Локомотив» | 2023 | 350 | 95,3 | усадочные трещины | 0,2–0,5 |
Участок у ТЦ «Лемана Про» | 2013 | 450 | – | трещины у швов | 0,3–0,8 |
2.2. Гидрологические условия для расчёта
Расчётный перепад напора при резком спаде уровня принят ΔH = 2,4 м (по максимальной амплитуде 2024 г.). Скорость спада в расчёте инфильтрационного расхода не участвует напрямую (расход определяется мгновенным перепадом), но важна для оценки длительности фильтрации в цикле. Принято, что за один цикл «подъём-спад» (период 20 суток, из них 10 суток — спад) фильтрация через трещину происходит при переменном напоре от 2,4 м до 0. Для оценки объёма инфильтрации за цикл использовано среднее значение напора 1,2 м.
2.3. Обоснование расчётных параметров фильтрации через трещины
Фильтрация воды через одиночную трещину в бетонной конструкции рассматривается как истечение жидкости через щелевое отверстие. Теоретический расход определяется по формуле истечения через отверстие в тонкой стенке , :
Q=μ⋅A⋅\sqrt{(}2g∙∆H)
где:
· Q — объёмный расход воды через трещину, м³/с;
· μ — коэффициент расхода (для щелевых отверстий в бетоне с острыми кромками μ=0,60÷0,65, в расчёте принято μ=0,62);
· A=b⋅ L — площадь поперечного сечения трещины, м² (b — ширина трещины, м; L — длина трещины, м);
· g=9,81 м/с² — ускорение свободного падения;
· ΔH — перепад напора между грунтовой водой за стенкой и уровнем воды в реке, м.
Для трещины шириной b=1 мм (0,001 м) и длиной L=1 м при перепаде ΔH=2,4 м теоретический расход составляет:
Однако реальный расход через трещину в эксплуатируемом сооружении значительно ниже теоретического в силу ряда факторов: шероховатость стенок трещины, её извилистость, частичная закольматация продуктами выщелачивания бетона, а также наличие заполнителя и арматуры, препятствующих свободному течению. Согласно исследованиям Косиченко и Гарбуза, при кольматации трещин удельный расход может снижаться в 8 и более раз . Аналогичные результаты получены в работах по фильтрации через трещины в бетонных облицовках , . На основе обобщения данных натурных обследований гидротехнических сооружений и сопоставления с теоретическими расчётами авторами предложены следующие значения удельного эффективного расхода для трещин различной ширины в условиях нижнего бьефа Новосибирского гидроузла (табл. 2). Эти значения учитывают совокупное влияние шероховатости, извилистости и частичной закольматации и представляют собой экспертно-расчётную оценку, верифицированную натурными наблюдениями.
Таблица 2 - Оценка инфильтрационного расхода через трещины различной ширины
Примечание: *объём за 10 суток спада рассчитан как Q (л/с) × 86400 с/сут × 10 сут / 1000
Ширина трещины, мм | Удельный расход q, л/(с·м) | Расход на трещину длиной 5 м, л/с | Объём за 10 суток спада, м³ | Примечание |
0,5 | 0,01 | 0,05 | 43 | допустимо, мониторинг |
1,0 | 0,05 | 0,25 | 216 | требуется инъектирование |
2,0 | 0,20 | 1,00 | 864 | недопустимо, аварийный ремонт |
2.4. Эффективность инъектирования
Инъекционное заполнение трещины цементным или полиуретановым составом позволяет снизить проницаемость на 90–95% , . После качественного ремонта удельный расход снижается до 0,002–0,005 л/(с·м).
3. Основные результаты
3.1. Визуальные признаки инфильтрации и дефекты
При обследовании бетонной подпорной стенки Михайловской набережной (постройка 1964–1980 гг.) выявлены характерные дефекты, непосредственно связанные с длительной фильтрацией и резкими спадами уровня. На рис. 1 зафиксированы вертикальные трещины по всей высоте стены (ширина до 2 мм), в нижней части — значительные сколы бетона с обнажением арматуры. На поверхности наблюдаются белые, зелёные и коричневые пятна (продукты выщелачивания гидроксида кальция и биопоражения), а также следы влаги и рост растительности у основания. Неоднородная текстура поверхности свидетельствует о постоянной фильтрации воды через трещины и швы, активизирующейся при каждом скоростном спаде уровня.
Рисунок 1 - Дефекты бетонной подпорной стенки Михайловской набережной: вертикальные трещины, сколы, обнажение арматуры, белые и зелёные пятна (выщелачивание и биопоражения), следы влаги и растительность у основания
Рисунок 2 - Разрушение бетонных плит крепления у Речного вокзала: трещины, сколы, расширение швов, просадка плит, оголение арматуры
Для трещины шириной 1 мм длиной 5 м удельный расход составляет 0,05 л/(с·м), что даёт суммарный расход 0,25 л/с. За 10 суток спада через такую трещину может профильтроваться 216 м³ воды (табл. 2). При ширине трещины 2 мм эти значения возрастают до 1,00 л/с и 864 м³ за цикл. Столь значительный объём воды, проходящий через локальный дефект, приводит к интенсивному выносу грунта из-за стенки, образованию пустот, просадкам и прогрессирующему разрушению сооружения. Инъектирование снижает инфильтрацию до безопасных 5–10 м³ за цикл.
4. Обсуждение
Полученные результаты позволяют ранжировать трещины по степени опасности и обосновать необходимость ремонта. Критическими параметрами являются ширина раскрытия > 0,5 мм, сквозной характер трещины, ориентация (вертикальные трещины в зоне переменного уровня наиболее опасны), а также наличие визуальных признаков фильтрации (выщелачивание, потеки, растительность). Критическим параметром, определяющим необходимость ремонта, является ширина раскрытия трещины. В соответствии с требованиями к водонепроницаемости бетона гидротехнических сооружений (класс W8–W10) и рекомендациями по ремонту трещин , трещины с раскрытием более 0,2 мм в зоне переменного уровня воды подлежат ликвидации. Авторы предлагают рассматривать ширину 0,2 мм в качестве нижнего порогового значения для назначения ремонтных мероприятий, а ширину 0,8 мм — как критерий обязательного инъектирования на основании выполненных расчётов инфильтрационных расходов (табл. 2 и 3).
Таблица 3 - Рекомендации по ремонту трещин в бетонных подпорных стенках
Ширина трещины, мм | Оценка риска | Необходимость инъектирования | Срочность |
< 0,3 | низкий | не требуется, но мониторинг | плановый осмотр |
0,3 – 0,8 | средний | рекомендуется для сквозных трещин | до 1 года |
0,8 – 1,5 | высокий | обязательно | в течение 3–6 мес. |
> 1,5 | критический | немедленное инъектирование | аварийное |
При планировании ремонтов следует также учитывать удаление трещины от уреза воды: трещины в зоне активного напора (на глубинах 0–3 м от нормального подпорного уровня) подлежат первоочередному инъектированию независимо от их ширины, если они сквозные.
5. Заключение
1. Научная новизна работы подтверждена установленными количественными зависимостями между шириной трещин и объёмом инфильтрации (от 43 до 864 м³ за цикл), разработанной классификацией трещин по четырём категориям опасности, а также обоснованием критериев ремонта (обязательное инъектирование при ширине >0,8 мм). Эти результаты получены впервые для условий нижнего бьефа Новосибирского гидроузла и могут быть использованы при проектировании и эксплуатации аналогичных сооружений в нижних бьефах ГЭС с суточным регулированием стока.
2. По данным натурного обследования 16 бетонных подпорных стенок в нижнем бьефе Новосибирского гидроузла, около 30% из них имеют трещины шириной до 2 мм. На примере Михайловской набережной и плит у Речного вокзала показаны типичные дефекты: вертикальные трещины, сколы, обнажение арматуры, выщелачивание, биопоражения, просадка плит.
3. Выполнена количественная оценка фильтрационных расходов через трещины при нестационарном уровне воды (максимальный перепад 2,4 м). Для трещины шириной 1 мм длиной 5 м удельный расход составляет 0,05 л/(с·м), а объём инфильтрации за один паводковый цикл – 216 м³. Такой объём фильтрации недопустим для долговечности сооружения по следующим причинам:
- Согласно СП 58.13330.2019 «Гидротехнические сооружения. Основные положения» (приложение А), наличие в бетонных конструкциях трещин с раскрытием более 1,0 мм является признаком «ограниченно-работоспособного» технического состояния ГТС, что соответствует низкому уровню безопасности и требует проведения ремонтных мероприятий .
- В соответствии с рекомендациями по ремонту трещин в бетоне гидротехнических сооружений, трещины с раскрытием более 0,2 мм в зоне переменного уровня воды подлежат ликвидации . Превышение этого значения создаёт риск интенсивной фильтрации и коррозии арматуры.
- Пропуск такого значительного объёма воды (эквивалент объёма небольшого бассейна 10×10×2,16 м) через локальный дефект приводит к интенсивному выщелачиванию гидроксида кальция из тела бетона, что снижает его прочность и защитные свойства по отношению к арматуре. Кроме того, этот поток выносит мелкие фракции грунта из-за стенки (суффозия), что приводит к образованию пустот, просадкам и прогрессирующему разрушению сооружения , .
4. Инъекционное заполнение трещин цементными или полимерными составами снижает фильтрацию на 90–95%, что подтверждает высокую эффективность ремонта , .
5. Предложена классификация трещин по степени опасности и рекомендации по срочности ремонтных мероприятий. Для берегозащитных ГТС нижнего бьефа обязательному инъектированию подлежат трещины шириной более 0,8 мм и все сквозные трещины в зоне переменного уровня.
6. Результаты работы могут быть использованы при разработке программ мониторинга и ремонта берегозащитных сооружений Новосибирского водохранилища, а также для оценки остаточного ресурса бетонных подпорных стенок.