Применение геосинтетиков на объектах гидротехнических комплексов

Рассматриваютсятехнология укрепления, гидроизоляциии защиты объектов гидротехническихкомплексов.

Сооружениягидротехнических комплексов относятся к числу наиболее сложных и ответственныхинженерных объектов.

Вих состав входят плотины, водосбросы, регуляционные, сопрягающие конструкции,воднотранспортные и энергетические объекты, отказы в работе которых могутпривести к авариям и нарушениям с непредсказуемыми материальными,экологическими и социальными последствиями. В связи с этим выбор экологическибезопасных материалов и технологий строительства и эксплуатацииводохозяйственных объектов, обеспечивающих безопасность населения, охрану почв,недр, водного и воздушного бассейнов, растительного и животного мира являетсячрезвычайно важной задачей.

Геосинтетическиематериалы в виде геомембран, геотекстилей, геосеток, геоматов, геокомпозитов внастоящее время нашли широкое применение в мировой практике строительстваводохозяйственных объектов. Они применяются в качестве противофильтрационныхэлементов, фильтров, дренажей, армирующих и разделяющих конструкций, а такжедля защиты и крепления откосов грунтовых и поверхностей бетонных плотин.

Армирование грунтовых сооружений, слабых оснований иподпорных стен

Геосинтетикиявляются наиболее перспективным материалом для армирования грунтов. В этихцелях чаще всего используют объёмные сотовые георешётки, плоские геосетки игеоткани. Армирование насыпи выполняется путём послойной укладки геосинтетикамежду пластами грунта по всему телу сооружения или в области откосов в пределахучастков возможных критических деформаций [1, 2].

Геосинтетики являются наиболее перспективным материалом дляармирования грунтов.

Возведениеподпорных стен выполняется аналогично. Полотно заводится в тело насыпи нарасчётное расстояние, а противоположный его конец заанкеривается в грунт уповерхности стены. Широко распространена практика сооружения подпорных стенпутём оборачивания слоёв грунта геотекстилем, позволяющего возводить сооруженияс практически вертикальными откосами [3]. Поверхность откоса армогрунтовойнасыпи или подпорной стены должна быть облицована или озеленена с применениемпротивоэрозионных материалов (рис. 1).

Рис. 1 Армированная стенка

Вкачестве облицовки также используют различные геосинтетические материалы(георешётки, геосетки) и конструкции из них. Интересной разработкой,реализованной на ряде объектов США, является облицовка,выполненная из блоков с открытыми площадками, наполненными грунтом изасаженными растительностью. Такая «живая» стенка полностью закрывает каменнуюоблицовку, а также способствует поддержанию нормальных климатических условий врайоне эксплуатации объекта [3].

Перспективнымнаправлением в области укрепления стеновых конструкций является устройствоанкерующих систем с использованием полимерных канатов или полос. Будучиприкреплёнными одним концом к облицовочным поверхностям или к слоямгеосинтетиков, а другим концом заанкеренными в грунт (скалу), они объединяютоблицовочные и армирующие конструкции в одно целое с подпорной грунтовой зоной.

Современныерешения, в целях обеспечения наиболее эффективной работы конструкции,предусматривают комплексное использование различных типов геосинтетиков, каждыйиз которых выполняет определённое функциональное назначение. Увеличение несущейспособности грунтовой насыпи с одновременным отводом фильтрующей жидкости изтела сооружения достигают путём армирования откоса двухслойной конструкцией изгеорешётки или геоткани и нижележащего водопроницаемого слоя нетканогоиглопробивного геотекстиля и одновременно устройства за армированным грунтовымблоком дренажа из геокомпозитных листовых дрен или геосеток (рис. 2). Эта конструкцияэффективна в случае использования для строительства грунтов с низкимкоэффициентом фильтрации.

Пристроительстве сооружений на слабых деформируемых грунтах применениегеосинтетических материалов для укрепления оснований является альтернативойтаким традиционным дорогостоящим методам, как полная или частичная заменагрунта, устройство свайного поля и т. д. Полотно, уложенное на всю ширину воснование насыпи, увеличивает зону распределения локальных нагрузок и, темсамым, компенсирует низкие характеристики грунта, позволяя минимизироватьосадки сооружения, расположенного на слабом основании (рис. 3).

Следуеттакже отметить особо важную роль правильного выбора армирующего геоматериала.Так, для конструкций временных сооружений, где воздействие нагрузоккратковременно, возможно применение геосинтетиков любых типов. Для конструкцийс длительным расчётным сроком службы и с наличием постоянной составляющейусилия на геосинтетик требуется учитывать фактор ползучести полимера и допускаемыедеформации армогрунтовой конструкции.

Внастоящее время ведётся разработка совершенно новых типов геоматериалов —электрокинетических геосинтетиков, позволяющих значительно улучшить работуэлементов конструкции. В их состав входят электропроводящие полимеры,углеродные и металлические нити. Использование таких материалов позволяетпосредством процессов электроосмоса, ионной миграции и электрофорезамодифицировать и улучшить качество грунта в армированной зоне: ускорить егоконсолидацию и отвод фильтрующейся жидкости, обеспечить лучшее сцеплениеарматуры с грунтом [4].

Одноиз перспективных направлений исследований в будущем — создание предварительнонапряжённой геосинтетической арматуры. Учитывая возможную релаксациюнапряжений, преднапряжение армирующего геосинтетика могло бы исключитьпотенциальные деформации как самого материала, так и сооружения в целом.

Гидроизоляция плотин и дамб

Пристроительстве плотин и дамб устройство противофильтрационных экранов изполимерных мембран является широко распространённым способом их защиты отвоздействия фильтрационных сил и потоков.

Устройство противофильтрационных экранов из полимерныхмембран — широко распространённый способ защиты плотин и дамб от воздействияфильтрационных сил и потоков.

Наиболеечасто устройство экрана выполняется на верховом откосе подпорного сооружения.Его конструкция включает основной гидроизолирующий материал — геомембрану, атакже слой из нетканого геотекстиля для предохранения гидроизоляции отмеханических повреждений. Для защиты от внешних воздействий экран покрываютслоем грунта или облицовкой.

Известнытакже и другие способы размещения плёночных противофильтрационных конструкций втеле сооружения. Повышение надёжности работы плотины (дамбы) насильнодеформируемом основании может быть осуществлено путём укладкиполиэтиленовой плёнки в виде вертикальной ступенчатой зигзагообразной диафрагмыпо верховому клину и центральной части сооружения с вогнутым к центру плотиныочертанием (рис. 4). В случае неравномерной осадки основания и сооружения такаяконструкция диафрагмы, являясь противофильтрационным элементом, такжеспособствует повышению прочности и устойчивости сооружения, так какпрепятствует образованию непрерывных поверхностей обрушения и распространениюсквозных продольных и поперечных трещин, а также обеспечивает ихсамозалечивание в большем объёме тела дамбы [5].

Рис. 4. Схема модели плотины из песчаного грунта

сплёночной диафрагмой

Для восстановления и ремонта функционирующих грунтовыхплотин учеными США предложен проект по устройству водонепроницаемогокомпозитного слоя, выполненного вертикально в центральной части плотины исостоящего из геомембраны и бентонитовой глины. На всю высоту сооружения, атакже, в случае необходимости, на часть его основания, выполняется выемкатраншеи, которая заполняется бентонитовой глиной с последующей установкойгеомембраны (листы, рулоны, панели) вертикально на верховой грани траншеи (рис.5). Кроме глинистого заполнителя может быть использована тщательноотсортированная грунтовая засыпка, обеспечивающая водонепроницаемостьконструкции [6].

Геомембранытакже широко используются для ремонта бетонных плотин, имеющих существенныйизнос и допускающих фильтрацию через сооружение. Они укладываютсянепосредственно на верховом откосе покрытий из изолирующей мембраны.Целесообразно также устройство под геомембраной слоя геосетки, обеспечивающейдренаж утечек через мембрану, которые могут иметь место в процессеэксплуатации. В настоящее время ведутся разработки по осуществлению ремонтатаких сооружений без спуска воды, предусматривающие водолазные работы сиспользованием соответствующего оборудования. Положительный опыт выполнениятакого вида работ накоплен в Италии.

Геомембраны широкоиспользуются для ремонта бетонных плотин, имеющих существенный износ идопускающих фильтрацию через сооружение.

Перспективнымявляется и использование надувных систем, крепящихся к мембране для защиты её взимний период от ломающегося льда, куски которого, при их большой толщине,могут существенно повредить мембрану [7].

Экранирование каналов, водоемов и парковых прудов

Системытранспортировки поверхностных вод включают в себя разветвлённую сеть каналов, атакже различного рода водоёмы и водохранилища, надёжная гидроизоляция которыхявляется обязательным условием их эксплуатации. В качествепротивофильтрационного покрытия дна и откосов, а также противооползневой защитыэтих сооружений широко используются геосинтетики: геомембраны, геотекстили, атакже конструкции на их основе.

Широкоераспространение получили грунтоплёночные и бетоноплёночные облицовки, когдаполотнища укладывают на дно и откосы канала и покрывают защитным слоем грунталибо бетонными плитами. Обычно облицовочные работы выполняются при опорожнённомканале.

Перспективнымнаправлением в данной области является разработка технологии облицовки каналовв случае их полного или частичного заполнения водой или другими жидкостями.Так, в США на опытных участках канала, заполненного водой, была осуществленаукладка облицовочного покрытия, состоящего из полотен геомембраны, защитногослоя геотекстиля и слоя быстротвердеющего бетона. Работа по устройству экранавыполнялась захватками. Во время укладки последующего полотна защитного экранабетон на предыдущем участке достигает его начального схватывания, которогодостаточно для первоначальной устойчивости конструкции. Со временем происходитокончательное твердение бетона. Работы выполнялись с помощью установленнойпоперечно оси канала передвижной фермы (рис. 6) [8]. Такая технология производстваработ эффективна, когда невозможны альтернативные варианты выполнения облицовкиили ремонта дна и откосов, а также в случае попадания в воду опасных отходовпроизводства при функционировании каналов на территориях промышленныхпредприятий и агропромышленных комплексов.

Нарядус разработкой надёжных защитных покрытий экранов дальнейшие исследования такжепредполагается направить на создание прочных мембран, которые могли быфункционировать в открытом виде, без какого-либо покрытия. Такие толстыетекстурированные плёнки существуют и проходят испытания на опытных участкахБюро Мелиорации США.

Контроль эрозии и стабилизация береговых склонов иоткосов

Вцелях защиты береговых акваторий от эрозии и размыва водным потоком в последниегоды широко применяются геотубы — объёмные закрытые цилиндрические системы,изготовленные из высокопрочного тканого геотекстиля и заполненные грунтом.Геотубы имеют диаметр 1?4 м и длину 20?200 м. Они монтируются на берегу илинепосредственно в воде на глубине до 3 м, а затем укладываются на защищаемуюповерхность (рис. 7). Заполнение объёма геотуб водно-грунтовой смесьюпроизводится путём её гидравлического нагнетания через впускные рукава,расположенные на определённом расстоянии друг от друга по всей длине тубы. Длязащиты от ультрафиолетовой деградации, а также случайных повреждений онипокрываются слоем грунта [9].

Геотубытакже применяются при строительстве плотин, ядер дамб и пирсов. Дальнейшеесовершенствование этих конструкций может быть достигнуто путём использованиядля их изготовления высокопрочных жёстких тканей, которые могутэксплуатироваться в открытых условиях более 20 лет и иметь структуру,позволяющую заполнять тубу крупным гравием и известняком.

Захоронение донных наносов

Речнойпоток в естественном состоянии имеет в своём составе наносы — твёрдыеминеральные частицы грунта, которые являются продуктами размывающейдеятельности воды. Наносы, влекомые течением, частично выпадают на дно рек,каналов и водохранилищ, со временем уменьшая площадь их сечения и ёмкость, атакже вызывая опасность нарушения нормальной работы энергетических,ирригационных установок водных систем, судоходных путей. Для резервации, транспортировки и захоронения наносов,вычерпанных из рек, гаваней и дельт, успешно используются геотекстильныеконтейнеры — тубы длиной до 15 м, изготавливаемые из высокопрочного геотекстиля,заполненные грунтом и сшитые (рис. 8). Контейнеры перевозят на барже к местузахоронения и опускают под воду [10].

Такойблок складированных контейнеров, в которых могут содержаться и загрязненныегрунты, сверху изолируется специальным покрытием — подушкой из геотекстиля,заполненной цементным раствором.

Опыт применения геосинтетиков на водохозяйственныхобъектах Беларуси

ВБеларуси геосинтетические материалы широко применяются для создания защитныхпротивоэрозионных покрытий откосов грунтовых гидросооружений. Эффективнымспособом защиты от эрозии на ряде мелиоративных объектов республики сталокрепление откосов гибким покрытием — биополотном. Это геосинтетическийматериал, изготавливаемый из отходов иглопробивного полотна и полиэфирноговолокна в виде двухслойного ковра с внесением между слоями семян трав(производитель — ОАО «БелФА», г. Жлобин). Рулон материала раскатывают поспланированному откосу канала на слой растительного грунта. После укладкибиополотно присыпают слоем почвы толщиной 3–5мм, обеспечивающим удерживание влаги и более плотное прилегание материала коткосу. После прорастания семян образуется устойчивое покрытие, на длительныйсрок защищающее земляную поверхность от ветровой и водной эрозии. Откосыканалов, укреплённые биополотном, по сравнению с традиционным способомбиологического крепления посевом трав обладают более высокой противоэрозионнойустойчивостью. В 1,5–2 раза уменьшаетсястепень заиления дна каналов и, соответственно, снижаются затраты на ихочистку. Материал обеспечивает высокую надёжность покрытия и срок службы до 15лет.

Натерритории Гродненской области выполнены работы по восстановлению белорусскойчасти знаменитого Августовского канала. Это уникальное гидротехническоесооружение, построенное 180 лет назад как водный путь для перевозки грузов избассейна рек Вислы и Немана к Балтийскому морю, включало в себя 29водопропускных плотин, 18 шлюзов, 14 мостов и 24 объекта для обслуживанияканала. По территории Беларуси проходит пятая часть (22 км) его пути.Реконструкция канала была связана с различными техническими сложностями, гдеиспользование современных строительных материалов обеспечило возведение надёжныхи долговечных конструкций. Для защиты откосов канала от разрушения использовангеотекстильный материал «Пинема», укладываемый на откос в зоне переменногоуровня воды с покрытием грунтовой засыпкой (рис. 9).

Геотекстиль«Пинема» также использовали при восстановлении конструкций 4-ой камерысудоходного шлюза «Немново», крупнейшего на всей протяжённости канала. Подход кшлюзу выполнен в виде направляющих пал, в поперечном сечении представляющихсобой подпорную стенку. Её нижняя часть устроена из железобетонного шпунта,забиваемого на глубину 4 мот дна котлована. Для предотвращения суффозии грунта через стыки шпунтовойстенки с тыловой её части выполнена укладка геотекстиля.

Дляукрепления откосов шлюза также эффективно применение георешёток, уложенных пооткосу с закреплением анкерами. Ячейки георешётки заполняются растительнымгрунтом с последующим посевом трав.

Геосинтетическиематериалы получили широкое распространение при строительстве и реконструкциидренажных систем гидромелиоративной сети. Для устройства трубчатого дренажа внастоящее время применяются пластмассовые трубы, изготавливаемые из полиэтиленавысокой и низкой плотности, а также непластифицированного поливинилхлорида иливинипласта. Они бывают гладкостенными с круглыми или прямоугольными отверстиями(перфорацией). Кроме того, производятся гофрированные, спиральновитые и другиеих виды.

Геосинтетические материалы получили широкое распространениепри строительстве и реконструкции дренажных систем гидромелиоративной сети.

Пластмассовыйдренаж обладает более высокой водопропускной способностью по сравнению скерамическим, асбестоцементным и другими видами дренажей, а также хорошимидеформационными и прочностными свойствами, что особенно важно в случае его укладкина слабых грунтах.

Однаиз основных причин ухудшения работоспособности дренажа и снижения срока егослужбы — его заиление, отложение в полостях дренажных труб частиц грунта,солей, железистых соединений. Это ведёт к снижению эффективности отвода дренируемыхвод от сооружений или частей конструкций. Для обеспечения надёжной идолговечной работы трубчатых дрен широко применяют рулонные защитно-фильтрующиематериалы, производимые на белорусских предприятиях: иглопробивной нетканыйсинтетический материал (ОАО «Пинема», г. Пинск), нетканый полипропиленовыйматериал спанбонд (ПО «Химволокно», г. Светлогорск), полиэфирное иглопробивноеполотно (ПО «Химволокно», г. Могилёв) и другие. Многолетний опыт эксплуатациигончарных и пластмассовых дрен, защищённых рулонными фильтрами, показал ихвысокие работоспособность и фильтрационные характеристики. Рулонныегеосинтетические материалы также получили распространение благодаря высокойтехнологичности при механизированном способе укладки дренажа, особенно припоставке на объект полностью подготовленных к укладке на заводе пластмассовыхтруб, обёрнутых фильтрующим материалом. На поверхность перфорированныхпластмассовых труб наносят защитную бесшовную фильтрующую оболочку изволокнисто-пористого полиэтилена или покрывают трубы нетканым иглопробивнымполотном.

Библиографическийсписок:

1.Круглов Г. Г., Гатилло С. П., Минчукова М. Е. Исследование устойчивости откосовдамб шламохранилищ, оборудованных плёночными противофильтрационными элементами,на подрабатываемых территориях // Гидравлические и гидрологические аспектынадёжности и безопасности гидросооружений: Материалы Международного симпозиума.— СПб.: ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева, 2002. — 7 С.

2. Sprague C. J., Koutsourais M. The evolution of geotextile reinforced embankments // Geotech. Spec. Publ. 30. R. H. Borden, R. D. Holtz, and I. Juran, eds. — New York: ASCE, 1992. — P. 1129–1141.

3. Bathursl R. J., Simac M. R. Geosynthetic reinforced segmental retaining wall structures in North America// Geotextiles, Geomembranes and Related Products: Proc, 5th Int. Conf. Spec. Vol.. Southeast Asia Chapter. International GeosyntheticSociety. — Singapore,1994. — P. 29–54.

4. Nettleton T.M.,Jones C.J. Electrokinetic geosynthetics and their applications // IndustrialFabrics Assiciation International: Proc. 6th Int. Conf. On Geosynthetics. — St. Paul, Minn,1998. — P. 871–876.

5. Минчукова М.Е. Влияние формы плёночных экранов на устойчивость откосов грунтовых плотин // Budownictwo i IngeneriaSrodowiska: Материалы 23 Международного симпозиума студентов и молодых учёных. — Зелена Гура: Зеленогурский университет, 2001. — С. 92–98.

6. Koerner R. M, Guglielmetti J. Vertical barriers: Geomem­branes// Proc. Int. Containment Technol. Workshop, Assessment of Barrier Technologies. PB96-180583, R. R. Rumerand J. K. Mitchell, eds., NTIS. —1995. — P. 95–118.

7. Cazzuffi D. The use of geomembranes in Italian dams // J. Water Power and Dam Constr. — 1987. — Vol. 26, № 2. — P. 44–52.

8. ComerA.I., Kube M., Sayer. M. Remediation of existing canal linings // J.Geotextiles and Geomembranes. — 1996. — Vol. 14 (5–6). — P. 313–326.

9. Leshchinsky. Geosynthetic confined pressurized slurry (GeoCoPS) // Tech. Rep. CPAR-GL96-1. — Washington. D.C., 1996.

10. Fowler J. Geotubes and Geocontainers for Hydraulic Applica­tions // Proc, Cleveland Section ASCE. — New York, 1995.