Геомембраны в гидротехническом строительстве

Об авторе

Gabriella Vaschetti
Carpi Tech, Балерна, Швейцария
Адрес для переписки: gabriella.vaschetti@carpitech.com

Аннотация

Системы на основе геомембран используются для обеспечения, повышения или восстановления водонепроницаемости плотин с 1959 года. При новом строительстве их устанавливают на насыпных плотинах, плотинах из укатанного бетона (RCC) и перемычках, а при реконструкции — на всех типах плотин. Их можно монтировать в качестве облицовки всей напорной грани, для герметизации участков плотины с повышенным риском инфильтрации, а также в качестве наружных уплотнительных элементов (водоупоров) на периферийных и вертикальных швах и на деформационных швах. Геомембрана может находиться в контакте с водой водохранилища или быть защищена пригрузочным слоем; герметичное уплотнение по всем периметрам предотвращает проникновение воды под облицовку. Геомембранный противофильтрационный барьер является технически и экономически эффективным и устойчивым решением. В статье рассматриваются современные подходы к проектированию, технические и экономические преимущества, аспекты монтажа, эксплуатационные характеристики и приводятся значимые примеры реализации всех доступных вариантов. Представлено также недавнее решение для подводной укладки, разработанное для ремонта, но применимое и при новом строительстве.

Ключевые слова: геомембрана, геокомпозит, водонепроницаемость, швы, подводная укладка.

1. Введение

Предотвращение или минимизация фильтрации воды из водохранилища имеет решающее значение для поведения плотины, поскольку со временем постоянная фильтрация может привести к отклонению плотины от проектных условий и, в конечном итоге, поставить под угрозу её целостность. Для обеспечения безопасной эксплуатации в течение всего срока службы плотины строят либо как конструктивно водонепроницаемые, либо с устройством напорного или внутреннего противофильтрационного барьера.

В 1959 году синтетические водонепроницаемые материалы впервые были применены в плотиностроении для замены традиционных противофильтрационных элементов, таких как бетон или глина. За редкими исключениями (геотекстили, пропитываемые битумом in situ), эти синтетические материалы изготавливаются в заводских условиях в виде тонких гибких непрерывных листов. В 1977 году доктор Ж. П. Жиру предложил назвать их «геомембранами» — термин, который с тех пор был принят на международном уровне. При установке в плотинах толщина геомембран обычно находится в диапазоне от 2 до 3,5–4 мм.​

Существует несколько типов геомембран с различными характеристиками и различным поведением в процессе эксплуатации, зависящими от состава, рецептуры и наличия/типа армирования. Международная комиссия по большим плотинам (ICOLD) всесторонне рассмотрела эти вопросы, предоставив в том числе информацию о количестве, типах и годах установки различных геомембран, применяемых в плотинах. Геомембраны из пластифицированного поливинилхлорида (ПВХ) оказались наиболее широко используемыми. В большинстве приложений ПВХ-геомембрана термически соединяется на заводе с защитным геотекстилем, образуя «композитную геомембрану», широко, хотя и не вполне корректно, называемую «геокомпозитом». Поскольку термин «геокомпозит» в общем случае обозначает геосинтетик, состоящий из двух различных материалов и не обязательно включающий геомембрану, в данной главе под термином «геокомпозит» понимается именно композитная геомембрана.​

ПВХ-геокомпозиты и геомембраны предпочтительнее других типов геомембран для плотин благодаря их благоприятным деформативным характеристикам и устойчивости к продавливанию. В частности, при оценке устойчивости к неравномерным осадкам исследование Жиру и Содермана показало, что решающим является правильное сочетание прочности на растяжение и деформативности. Эта оптимальная комбинация зависит от формы диаграммы «усилие–деформация» геомембраны, которая должна демонстрировать монотонное поведение без выраженного пика текучести, низкий модуль и большую предельную деформативность.​

Пригодность геомембраны к восприятию неравномерных осадок может быть количественно оценена с помощью параметра «Ко-энергия», концепции, предложенной Жиру. Ко-энергия характеризует способность геомембраны выдерживать комбинированное воздействие напряжений и деформаций, характерное, например, для неравномерной осадки в натурных условиях. Ко-энергия определяется как площадь под кривой «усилие–деформация» и выражается как энергия на единицу площади геомембраны; чем больше эта площадь, тем выше способность геомембраны противостоять неравномерным осадкам.​

На рисунке 1 показано определение Ко-энергии на монотонно возрастающем участке диаграммы «усилие–деформация» для двух геомембран: геокомпозита SIBELON® толщиной 3 мм (ПВХ-геомембрана SIBELON®, термоскреплённая с нетканым геотекстилем) до разрывного усилия геотекстиля и геомембраны из высокоплотного полиэтилена (HDPE) толщиной 3 мм до характерного пика текучести.

Рисунок 1. Сравнение Ко-энергии геомембраны HDPE толщиной 3 мм — тёмная область — и геокомпозита SIBELON® CNT 4400 (геомембрана SIBELON® толщиной 3 мм, термоскреплённая с нетканым геотекстилем плотностью 500 г/м²) — красная область.

Рисунок 1 ясно показывает, что максимально допустимая Ко-энергия геокомпозита SIBELON® существенно выше, чем у геомембраны HDPE. В результате коэффициент запаса прочности по отношению к потенциальной неравномерной осадке для геокомпозита SIBELON® значительно выше, чем для HDPE-геомембраны. Важно отметить, что изменение толщины геомембраны не изменило бы этого вывода.

Успешная эксплуатация геомембранной системы зависит не только от физико-механических характеристик геомембраны, но и от качества проектных решений и монтажа. Материал с изначально оптимальными характеристиками будет работать неудовлетворительно, если геомембранная система спроектирована или смонтирована неправильно. Бюллетень 135 содержит рекомендации по проектированию геомембранных систем для различных типов применения, а также рекомендации по контролю качества, монтажным процедурам, техническим условиям и договорным аспектам, обеспечивающим долговечный и эффективный противофильтрационный барьер. В следующих разделах даётся актуальный обзор различных вариантов применения при новом строительстве и реконструкции.​

2. Проектные соображения

Проектирование геомембранной системы тесно связано с характеристиками плотины и её окружения. Помимо специфических знаний о геомембранах, проектировщик геомембранной системы должен глубоко понимать поведение плотины и нагрузки, действующие на геомембрану, и, при необходимости, работать в тесной связке с проектировщиком плотины (для новых объектов) и с эксплуатирующей организацией (при реконструкции).

«Экологические» воздействия — ультрафиолетовое излучение, химическое воздействие веществ, растворённых в воде водохранилища, воздействие флоры и фауны, а также вандализм — влияют на выбор типа геомембраны, её толщины и необходимости армирования, а также на решение оставить геомембрану открытой или закрыть её. Механические нагрузки являются основой для расчёта анкерной системы, параметры которой, в свою очередь, зависят от типа и толщины выбранной геомембраны.

2.1 Открытые геомембраны

Проектирование открытых геомембранных систем основывается на концепции обеспечения устойчивости геомембраны, её натяжения по напорной грани для предотвращения образования складок и морщин, в которых возможна концентрация напряжений, и способности облицовки выдерживать действующие нагрузки. Статическая нагрузка от воды в водохранилище, в сочетании с характеристиками поверхности основания, на которое укладывается геомембрана, и собственным весом геомембраны определяет выбор материала, способного сопротивляться продавливанию, разрыву и растягивающим напряжениям. Динамические нагрузки, вызванные ветровым отсосом при пустом или сработанном водохранилище, волновым воздействием, дифференциальными деформациями и землетрясениями, задают параметры для проектирования анкерной системы напорной грани и периферийных уплотнений.

В большинстве случаев наихудшим проектным сценарием является ветровой отсос, вызывающий деформацию геомембраны и, как следствие, дополнительную нагрузку на анкерную систему напорной грани. Уравнения, разработанные для расчёта такой анкерной системы [5–7], основаны на схеме, показанной на рисунке 2.

Рисунок 2. Схематическое изображение геомембраны, подвергнутой ветровому подъёму  (по Жиру, 1995 и 1997 гг.).

На схеме рисунка 2 L обозначает длину недеформированной геомембраны (до подъёма ветром) между соседними точками анкеровки А и В, а 2θ — угол дуги деформированной геомембраны (после подъёма ветром). На основе этой схемы уравнения позволяют, в зависимости от свойств конкретной геомембраны, оценить усилие S_e, действующее на единицу ширины облицовки между точками анкеровки, перемещение и соответствующую деформацию T геомембранной облицовки, а также нормальные и касательные напряжения, воспринимаемые анкерами.

При проектировании анкерных систем напорной грани для плотин в сейсмоактивных районах наихудшим сценарием может являться максимальное ожидаемое землетрясение, при котором раскрытие или расширение трещины происходит при полном водохранилище. В этом случае давление воды вынуждает геомембрану перейти из исходной «поддерживаемой» конфигурации в деформированное состояние, и расчёт должен подтвердить, что возникающие деформации геомембраны остаются в допустимых пределах. Применяемый подход уподобляет деформацию под действием гидростатического давления деформации под действием ветрового отсоса. Этот же подход используется при проверке способности наружных водоупоров воспринимать смещения в швах между монолитными блоками RCC-плотин, а также в периферийных и вертикальных швах между облицовочными плитами в плотинах типа CFRD (Concrete Face Rockfill Dam).

Ключевым элементом системы является периферийное уплотнение, которое должно обеспечивать водонепроницаемость при рабочем напоре воды во всех эксплуатационных режимах. Существуют лабораторные и полевые методы проверки водонепроницаемости прижимных уплотнений в статических условиях. Если в зоне уплотнения возможны неравномерные осадки (динамические условия), а испытания в динамике пока отсутствуют, проектирование должно использовать доступные расчётные методы для оценки совместимости уплотнения с ожидаемыми воздействиями и подтверждать, что геомембрана способна перекрывать зонy осадки, воспринимая только деформации и напряжения, обусловленные гидростатическим давлением, а не первоначальные деформации от самой осадки. Для сопоставления вариантов геомембран в этом отношении может использоваться концепция Ко-энергии, описанная в разделе 1.

Периферийные уплотнения заглублённого типа требуют иного подхода: их водонепроницаемость не может быть надёжно проверена расчётными или испытательными методами и должна опираться на инженерное суждение проектировщика при назначении размеров и на опыт, мастерство и процедуры контроля качества подрядчика при выполнении работ. Для создания водонепроницаемого барьера в случае траншеи, заполняемой малопроницаемым материалом (например, глиной), необходимо обеспечить корректные разработку котлована, заполнение и уплотнение траншеи. В случае паза, заполняемого водонепроницаемой смолой, требуются испытания на выдергивание, а также контроль полноты заполнения паза и правильной полимеризации смолы.

2.2 Укрытые геомембраны

Полностью укрытые геомембраны теоретически защищены от большинства внешних воздействий, за возможным исключением химических атак. Для частично укрытых геомембран, применяемых, как правило, по эстетическим причинам или для защиты от падения камней на береговых участках и от вандализма в легко доступных местах, может потребоваться анкерная система на участках, где геомембрана подвержена ветровому воздействию, в зависимости от площади открытой поверхности и скорости ветра.

Тип и толщину укрывающего слоя, зависящие от типа плотины, рассмотрены в разделе 3. Проектирование должно учитывать подъёмные воздействия, а для насыпных плотин — продавливательные нагрузки от укрывающего слоя и устойчивость всей системы покрытия к сдвигу. К периферийным уплотнениям применимы те же подходы, что и для открытых систем.

3. Применения

В разделах 3.1–3.3 рассматривается устройство противофильтрационных систем для различных типов плотин. Поскольку базовые концепции и компоненты в целом схожи, изложенное для полнограневой гидроизоляции относится и к частичной гидроизоляции участков плотины с ожидаемой или наблюдаемой фильтрацией. В разделе 3.4 рассмотрена гидроизоляция швов, а в разделе 3.5 — специальное решение для подводной укладки.

Геомембранные системы являются в настоящее время наиболее устойчивой технологией гидроизоляции плотин: для всех типов применения компоненты имеют малый объём и небольшой вес, их монтаж не требует тяжёлого оборудования, поэтому не нужны большие площадки для организации строительства, переработки материалов и т.п. Окружающая среда и местные сообщества не страдают от выемок грунта или тяжёлых перевозок, а транспортировка в удалённые места, недоступные для автотранспорта, может осуществляться даже вертолётом при приемлемых затратах. Поскольку монтаж выполняется быстро и практически в любых погодных условиях, проект завершается, плотина вводится в эксплуатацию, а площадка приводится в предусмотренное конечное состояние (или исходное — при реконструкции) в более короткие сроки.

3.1 Плотины из укатанного бетона (RCC)

В новых RCC-плотинах геомембраны применяют в качестве противофильтрационного барьера при использовании RCC-смеси с низким содержанием цементирующих материалов. При этом предполагается, что RCC обеспечивает несущую способность и устойчивость, а геомембрана, размещённая по напорной грани, постоянно обеспечивает водонепроницаемость тела RCC, его подъёмных и строительных швов, а также температурных трещин и трещин иной природы. Такой подход, разделяющий несущую и гидроизоляционную функции, позволяет уменьшить содержание цемента, отказаться от пуццолановых добавок и золы-уноса и в целом смягчить требования к технологии укладки и контролю качества RCC-тела. Более низкое содержание цемента уменьшает тепловыделение при гидратации, соответственно снижается потребность в дорогостоящем охлаждении массива.

Слои GEVC (бетон с обогащённым цементным раствором, вибрированный), GE-RCC (RCC, обогащённый раствором) или CVC (обычный вибрированный бетон) на напорной грани могут быть исключены из проекта, а объём обработки горизонтальных швов или устройства выравнивающих слоёв на поверхностях подъёма — сокращён. Это позволяет применять одну RCC-смесь по всему поперечному сечению плотины без технологических перерывов, связанных с укладкой различных бетонов. Обработка швов подъёма может сохраняться, но уже исключительно по соображениям сдвиговой прочности и общей устойчивости. Вертикальные водоупоры и дренажи могут быть исключены, поскольку их функции берут на себя геомембранная гидроизоляция и полнограневая дренажная система. Использование местных материалов и заполнителей с менее строгими требованиями, а также упрощённые строительные и контрольные процедуры снижают стоимость и сокращают сроки строительства, ускоряя заполнение водохранилища и ввод объекта в эксплуатацию.

Геомембрану можно устанавливать на сформированной напорной грани и оставлять в контакте с водой водохранилища (открытая геомембрана, первый проект — 1990 г.), или геомембрану можно встраивать в сборные бетонные панели, используемые как постоянная опалубка для RCC (укрытая геомембрана, зажатая между бетоном панелей и RCC, первое применение — 1984 г.).

3.1.1 Открытая геомембрана

Открытая конфигурация является наиболее широко применяемой по всему миру и использовалась на крупных RCC-плотинах, таких как Miel I (188 м, Колумбия), Balambano (99,5 м, Индонезия), Olivenhain (97 м, США) и Susu (90 м, Малайзия). Геомембранная облицовка должна оставаться устойчивой и натянутой по напорной грани, чтобы избежать её подъёма ветром и волнами и минимизировать образование складок и морщин. Современная система анкерования напорной облицовки, также описанная в Бюллетене 135, состоит из двух профилей из нержавеющей стали: первого — U-образного, закреплённого на напорной грани, и второго — в форме, близкой к греческой букве Омега, устанавливаемого в зоне нахлёста двух соседних вертикальных полотнищ геомембраны, крепящегося к нижележащему U-образному профилю и герметизируемого накрывающей полосой геомембраны, привариваемой к облицовке горячим воздухом.​

В ранних проектах U-образный профиль замоноличивали в RCC по мере его укладки, так что часть анкерной системы формировалась вместе с телом плотины. Однако этот подход имел ряд недостатков и был постепенно заменён: с 2007 года U-профили, как правило, устанавливают после завершения бетонирования тела плотины. Ниже приведён пример реализации современной системы анкеровки напорной грани, периферийной анкеровки, а также дренажной и мониторинговой систем на примере высоконапорной RCC-плотины.

Плотина Сусу (Susu) в Малайзии является частью гидроэнергетического проекта Ulu Jelai, реализованного компанией Tenaga Nasional Berhad (TNB), крупнейшей энергокомпанией страны, для покрытия пикового спроса на электроэнергию. RCC-плотина Сусу высотой 90 м и длиной около 512 м по гребню спроектирована с использованием RCC-смеси со средне-низким содержанием вяжущих (100 кг/м³ цемента и 80 кг/м³ золы-уноса) и напорной ПВХ-геомембраной, изначально встроенной в сборные бетонные панели, применяемые как опалубка для RCC (укрытая система). Эта схема укрытой геомембраны была впервые реализована на плотине Winchester в Кентукки в 1984 году. Основным преимуществом укрытой системы является долговременная защита геомембраны от неблагоприятных воздействий окружающей среды в период эксплуатации. Однако геомембрана остаётся уязвимой для повреждений в процессе строительства, которые, как показала практика, представляют наибольший риск для её целостности, а открытая конфигурация обладает рядом дополнительных преимуществ.

Эффективная система дренажа по напорной грани, предусмотренная на стадии проектирования, позволяет снизить подъёмные давления, а в эксплуатации — отводить инфильтрационную и насыщающую воду из-под облицовки, что уменьшает уровни насыщения и поровые давления в теле плотины, улучшая условия по подъёмным давлениям, коэффициентам запаса, проявлениям реакций щёлочь–кремнезём (AAR) и внешний вид низовой грани. Дренажная система, за счёт измерения расхода дренируемой воды, позволяет непрерывно контролировать работоспособность гидроизоляции и может дополняться другими системами (оптоволоконные кабели, пьезометры) для более точной оценки поведения геомембранного барьера. Открытая геомембранная облицовка позволяет проводить осмотры, контроль и при необходимости ремонт случайных повреждений, включая подводные ремонты, на протяжении всего срока службы. Исходя из этих соображений исходный проект был изменён в пользу открытой дренируемой системы, что позволило снизить содержание цемента и отказаться от золы-уноса.

Геомембранная облицовка выполнена из композитной геомембраны SIBELON® CNT 4400, состоящей из геомембраны SIBELON® толщиной 3 мм, термоскреплённой на заводе с нетканым иглопробивным полипропиленовым геотекстилем плотностью 500 г/м². Геокомпозит крепится к телу плотины по вертикальным линиям с помощью хорошо известной и упомянутой выше запатентованной натяжной системы из профилей из нержавеющей стали с регулярным шагом 5,70 м; как и во всех недавних проектах, U-образный профиль крепится анкерными стержнями из нержавеющей стали, заделанными в химических ампулах. Затем устанавливаются компоненты дренажной системы: высокопроницаемая дренажная геосетка укладывается по всей напорной грани плотины, а дополнительная полоса геосетки высотой 1 м укладывается по нижнему периметру каждого из трёх горизонтальных дренажных отсеков, действуя как дренажный коллектор. Дренажные водоотводящие и вентиляционные трубы выводятся в две дренажные галереи (на отметках 470 м и 518 м над уровнем моря) и на гребень. Всего предусмотрено 10 дренажных отсеков, 13 дренажных труб и 30 вентиляционных труб, поддерживающих атмосферное давление в дренажной геосетке. Водонепроницаемая облицовка укладывается поверх геосетки и закрепляется Омега-профилями, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. RCC-плотина Сусу. Справа налево: вертикальные U-образные профили, закреплённые на плотине; чёрная дренажная геосетка, уложенная между ними по напорной грани; противофильтрационная облицовка, укладываемая поверх геосетки; некоторые Омега-профили, обеспечивающие временную анкеровку от ветрового отсоса; и крайние слева — постоянно закреплённые Омега-профили.

Дренажная система плотины Сусу одновременно выполняет функцию системы мониторинга поведения геомембранной облицовки. Геомембранная система, простирающаяся от гребня (547,90 м) до цементационной плиты, разделена на три горизонтальные секции, заканчивающиеся на отметках 519,00 м, 471,00 м и в месте сопряжения с цементационной плитой соответственно. На участке ниже отметки 474 м, покрытом обратной засыпкой, гидроизоляционный геокомпозит дополнительно защищён двумя слоями геотекстиля для предотвращения повреждений при укладке засыпки.

Геомембранная облицовка должна быть герметично заделана по периметру при помощи водонепроницаемой анкеровки, предотвращающей проникновение воды под облицовку. Уплотнение должно быть водонепроницаемым для воды под давлением вокруг погружаемого периметра, а также для дождевых волн и талых вод на гребне. В RCC-плотинах погружаемые уплотнения относятся к прижимному типу и выполняются на обычном бетоне: как правило, они состоят из прижимной планки из нержавеющей стали, закреплённой химическими анкерами с шагом 150 мм, резиновых прокладок и эпоксидной смолы между планками и основанием, а также соединительных накладок из нержавеющей стали в местах стыков планок — на плотине Сусу они имеют сечение 80×8 мм и были установлены вдоль водосброса, цементационной плиты, стены водовыпуска и вокруг сороудерживающей решётки. На гребне применены более гибкие прижимные планки из нержавеющей стали сечением 50×3 мм, закреплённые распорными анкерами с шагом 200 мм, с неопреновой прокладкой между основанием и геокомпозитом. На плотине Сусу такие планки расположены по гребню вне зоны водосброса и в местах сопряжения трёх горизонтальных секций; в этих стыках водонепроницаемость обеспечивается накрывающей полосой из геомембраны SIBELON® C 3900 толщиной 3,0 мм, такой же, как для герметизации Омега-профилей.

Укладка RCC общим объёмом 731 000 м³ началась в марте 2014 года и завершилась в сентябре 2015 года. Монтаж геомембранной системы начался в июне 2015 года и был завершён в январе 2016 года. Завершение монтажа геомембранной системы общей площадью 27 510 м² заняло больше времени, чем обычно, поскольку монтаж был спланирован в соответствии с графиком строительства плотины и поэтому выполнялся в три отдельных этапа: на первом этапе, до начала строительства тела плотины, цементационная плита была гидроизолирована геокомпозитом, который впоследствии был водонепроницаемо соединён с геокомпозитом, облицовывающим напорную грань, создав тем самым непрерывный противофильтрационный барьер до цементационной завесы; на втором этапе, после завершения строительства тела плотины, геомембранная система была установлена на напорной грани; наконец, на третьем этапе монтаж геомембранной системы был завершён.

Рисунок 4. Вид напорной грани RCC-плотины Сусу после завершения монтажа геомембранной системы у водосброса (слева) и в начале водосбора (справа).

3.1.2 Укрытые геомембраны

Укрытая конфигурация применяется в основном в США, где она была впервые предложена. При изготовлении сборных бетонных панелей, используемых затем как постоянная опалубка RCC-плотины, гидроизоляционный геокомпозит укладывают на свежий бетон геотекстильной стороной к панели и вибрируют (рисунок 5, слева) для насыщения геотекстиля бетоном и надёжного крепления геокомпозита к панели. Геотекстиль одновременно выполняет антифрикционную функцию: при больших деформациях он может отделиться от слоя геомембраны, предотвращая повреждение водонепроницаемого барьера.

Рисунок 5. Вибрирование бетона для прикрепления геокомпозита к сборной панели (слева) и RCC-плотина Риццанезе, вид с верховой стороны: нижний наклонный участок ещё не облицован, на вертикальном участке выполняется укладка RCC к панелям со встроенным геокомпозитом и защитным геотекстилем (справа).

После установки первого ряда стартовых панелей, герметично связанных с цементационной плитой, монтируют несколько рядов опалубочных панелей, а их стыки гидроизолируют полосами геомембраны того же типа. Затем на геокомпозит укладывают защитный геотекстиль и приступают к распределению и уплотнению RCC и, при наличии, дополнительных слоёв со стороны верховой грани (GEVC, CVC и т.п.).

Интересным примером смешанной конфигурации, по мнению автора, впервые реализованной на практике, является плотина Риццанезе (Rizzanese), RCC-плотина высотой 40,5 м на острове Корсика, принадлежащая компании EDF и используемая для гидроэнергетики. Плотина имеет центральный криволинейный водосбросный участок, выполненный из RCC до отметки 534 м и из CVC в зоне водосброса и водосливного лотка, и два боковых участка, полностью выполненных из RCC до гребня (546,5 м). Напорная грань имеет уклон 1H:1V в нижней части до отметки 520 м и вертикальна выше этой отметки.

EDF спроектировала RCC-смесь с содержанием цемента 80 кг/м³ и ПВХ-геокомпозит в качестве напорного противофильтрационного барьера по всей напорной грани. На наклонном участке ниже отметки 520 м напорная грань формировалась из сборных бетонных элементов, на которые укладывался геокомпозит SIBELON® CNT 3750 (геомембрана SIBELON® толщиной 2,5 мм, термоскреплённая с нетканым иглопробивным полипропиленовым геотекстилем плотностью 500 г/м²), а затем покрывался обратной засыпкой, которая укладывалась на защитный геотекстиль плотностью 1000 г/м². На вертикальном участке выше отметки 520 м напорная грань формировалась сборными панелями с встроенным геокомпозитом SIBELON® CNT 2800 (геомембрана SIBELON® толщиной 2 мм и нетканый иглопробивной полипропиленовый геотекстиль плотностью 200 г/м²).

Между панелями и RCC укладывали слой CVC толщиной 30 см. В зоне водосброса гидроизоляционная система продолжалась на части вертикальных стенок и пороге водосброса, где её покрывали «жертвенной» геомембраной для защиты от возможных повреждений из-за плотной арматуры и бетонирования. Цементационная плита гидроизолировалась на наклонном участке по низовой и горизонтальной сторонам геомембраной SIBELON® C 3250 толщиной 2,5 мм, а на вертикальном участке только в зоне швов с использованием запатентованной системы наружных водоупоров Carpi.

Из-за организационных проблем у генерального подрядчика гидроизоляцию наклонного участка пришлось выполнять уже после завершения вертикального участка. Работы по гидроизоляции цементационной плиты и вертикальной части были выполнены в 2011 году (рисунок 5, справа), а наклонного участка — в 2012 году (рисунок 6, слева). Общая площадь гидроизоляции составила 1162 м² на наклонном участке и 2124 м² — на вертикальном.

Рисунок 6. Плотина Риццанезе. Укладка геокомпозита на наклонном участке перед покрытием защитным геотекстилем и обратной засыпкой (слева) и заполненное водохранилище (справа).

3.2 Насыпные плотины и плотины типа hardfill

В новых насыпных плотинах проектная концепция заключается в замене жёсткого напорного противофильтрационного барьера (например, бетонной облицовки) или традиционного ядра (например, глинистого) на высокодеформируемую геомембрану. Это позволяет возводить каменно-набросные и земляные плотины с геомембранной облицовкой по верховой грани (GFRD или GFED) или плотины с геомембранным ядром. Благодаря деформативности геомембран возможно реализовывать проекты, которые были бы неосуществимы при использовании жёстких систем, например в условиях значительных деформаций основания или больших относительных перемещений между деформируемым телом плотины и жёсткими бетонными сооружениями при сохранении герметичности швов.

Напорная геомембрана может существенно упростить проект насыпной плотины. Плотину можно строить на сильно деформируемых основаниях; зонирование тела плотины можно в определённых пределах оптимизировать; верховая грань может иметь более крутой уклон, что снижает объём насыпи; водосбросной туннель может быть короче и меньшего сечения; число линий водоупоров (как в CFRD) может быть уменьшено или сведено к минимуму, а сопряжения с бетонными сооружениями — спроектированы с учётом больших относительных перемещений. Геомембрана также особенно полезна, когда местные материалы, пригодные для устройства глинистого ядра, недоступны или экономически невыгодны.

Геомембраны дают дополнительные преимущества по сокращению сроков строительства, снижению ограничений и затрат. Так, устройство железобетонных облицовочных плит в CFRD и укладка медных и ПВХ-водоупоров могут существенно влиять на общий график строительства. В плотинах с глинистым или битумобетонным ядром взаимосвязанность возведения тела плотины и ядра приводит к тому, что погодные ограничения или сбои в поставке фильтрующих материалов и устройстве ядра замедляют весь процесс строительства. Монтаж же геомембранной системы практически не зависит от погоды и может быть привязан к темпам и логике строительства: геомембрану можно установить после завершения возведения плотины или по нижней сформированной части, когда верхняя часть ещё находится в строительстве. При паводках в период строительства уже гидроизолированная нижняя часть плотины может служить барьером, повышая безопасность проекта.

3.2.1 Открытые геомембраны

При открытой системе зонирование тела плотины не является строго необходимым, можно использовать один тип грунта, а толщину дренажного слоя зачастую удаётся уменьшить; сам дренажный слой при этом может служить основанием и анкерным слоем для геомембранного геокомпозита. Для обеспечения устойчивости облицовки по верховой грани применяют три основные конфигурации анкерной системы, в зависимости от того, завершается ли верховая грань экструдированными пористыми бетонными оголовками (метод Itá) или представляет собой традиционный грунтовый откос.

Когда отделочный слой верховой грани формируется из экструдированных пористых бетонных оголовков, анкерная система создаётся путём заделки в оголовки, по мере их возведения, анкерных лент из геокомпозита того же типа, что и основная облицовка. Анкерная лента, закреплённая в очередном оголовке, перекрывает ленту из предыдущего ряда, и в зоне перекрытия ленты соединяют термосваркой, образуя непрерывные анкерные линии. Когда насыпь доведена до конечной или промежуточной (при поэтапном строительстве) отметки, полотнища геокомпозита разворачивают поверх анкерных лент и приваривают к ним, формируя непрерывную водонепроницаемую облицовку (рисунок 7).

Рисунок 7. Анкеровка верховой грани с использованием анкерных лент из геокомпозита SIBELON® CNT, встроенных в оголовки. Справа: укладка геокомпозита поверх анкерных лент на каменно-набросной плотине Nam Ou VI высотой 88 м в Лаосе.

Эта система применена в ряде проектов, включая плотину Nam Ou, каменно-набросную плотину с геомембранной облицовкой Las Bambas в Перу (рисунок 8), где поэтапный монтаж достиг высоты 173 м, верховую часть GFRD Рунку высотой 91 м в Румынии, а также верхнюю часть перемычки Rogun в Таджикистане, поэтапный монтаж которой на момент подготовки главы достиг 80 м и которая будет включена в состав каменно-набросной плотины высотой 335 м.

Рисунок 8. Поэтапная установка облицовки по оголовкам на плотине Las Bambas, высота на момент монтажа — 173 м.

На плотинах, где отделочный слой не формируется из экструдированных пористых оголовков, анкерная система верховой грани, в зависимости от конкретных методов строительства и типа основания, может выполняться при помощи траншей или глубинных анкеров (рисунок 9), расположенных по индивидуальной схеме, определяемой величиной подъёмных воздействий. При использовании траншей анкерные ленты из геокомпозита заделывают в траншеи, вырытые в уплотнённом основании, образуя непрерывные анкерные линии; траншеи обычно заполняют дренирующим материалом (пористый бетон или крупнофракционный грунт), а геокомпозит приваривают к анкерным лентам. Система глубинных анкеров включает анкеры, закреплённые цементным раствором, или грунтовые анкеры типа Duckbill, которые забиваются в насыпь для обеспечения требуемого сопротивления выдергиванию. Геокомпозит анкеруют к поверхности откоса путём прижатия и зажима над анкерами; водонепроницаемость в точках пересечения анкеров и геокомпозита обеспечивают диск из нержавеющей стали, защитный геотекстиль и накрывающая полоска геомембраны.

Рисунок 9. Анкерование облицовки при помощи траншей и глубинных цементируемых анкеров.

Периферийные уплотнения, препятствующие проникновению воды под облицовку, выполняются аналогично описанным для RCC-плотин в случаях сопряжения с бетонными элементами. Нижнее периферийное уплотнение может также формироваться за счёт заделки геокомпозитной облицовки в траншею с последующей засыпкой малопроницаемым материалом. Конфигурация дренажной системы выбирается индивидуально для каждой площадки и привязана к принятой технологии строительства.

Примеры применения системы траншей — нижняя часть GFRD Рунку (91 м, Румыния), плотина Murdhari (36 м, Албания), плотина Pico da Urze (31 м, Португалия; рисунок 10), плотина Bulga (17 м, Австралия), а также новые резервуары для гидроаккумулирующих станций на Ближнем Востоке и в Марокко. Система глубинных анкеров реализована, например, на hardfill-плотине Filiatrinos (55 м, Греция), hardfill-плотине Ambarau (21 м, Конго) и на участке водосберегающих бассейнов нового Панамского канала (18 сооружений).

Рисунок 10. Монтаж геомембранной облицовки над анкерными траншеями на плотине Pico da Urze.

3.2.2 Укрытые геомембраны

В укрытой системе геомембрана может размещаться по верховой грани и покрываться бетонным или зернистым балластом, обеспечивающим анкеровку, либо встраиваться внутрь тела плотины в виде зигзагообразного центрального или наклонного верхового ядра. Конструкция должна обеспечивать возможность свободных деформаций геомембраны с минимизацией напряжений от деформаций основания. При этом необходимо учитывать продавливательные нагрузки от укрывающего слоя и устойчивость к сдвигу всей системы покрытия. Как правило, геомембрану располагают между двумя геосинтетическими слоями, выполняющими функции антифрикционных и защитных прослоек.

К примерам верховой укрытой системы относятся плотина Bovilla (91 м, Албания; слоистое бетонное покрытие; рисунок 11, слева) и плотина Adret des Tuffes–Les Arcs (21 м, Франция; зернистый балласт). Геомембранное ядро реализовано, например, на перемычке Gibe III (50 м, Эфиопия) в виде зигзагообразного центрального ядра (рисунок 11, справа), которое было предпочтено глинистому ядру и бетонной или асфальтобетонной облицовке из-за отсутствия местных материалов для ядра, требований по надёжности, простоты конструкции (однородная каменно-набросная насыпь с оптимизацией сроков и стоимости) и жёстких сроков реализации. Наклонное верховое геомембранное ядро гидроизолирует нижние 65 м перемычки Rogun в Таджикистане.

Рисунок 11. Слева — плотина Bovilla, справа — перемычка Gibe III высотой 50 м.

3.3 Бетонные и каменные плотины

В бетонных и каменных плотинах геомембраны применяют для восстановления водонепроницаемости. Они всегда устанавливаются по верховой грани, в открытой конфигурации, если только условия площадки не требуют частичного укрывающего слоя. Современная система анкеровки напорной облицовки соответствует описанной выше системе для открытых геомембран на RCC-плотинах. Всё сказанное о периферийных уплотнениях, дренажных и мониторинговых системах для RCC-плотин в равной мере относится и к данным проектам. Для полной или частичной реконструкции возможна подводная установка геомембранных систем на любой глубине, обеспечивающая долговечное решение в условиях, когда полное или частичное осушение водохранилища технически или экономически нецелесообразно.

3.4 Швы

Геомембранные системы могут использоваться также для локальной герметизации, в форме наружных водоупоров, как при новом строительстве, так и при ремонте.

При новом строительстве наружные водоупоры применяют на монолитных швах RCC-плотин, а также на периферийных и вертикальных швах CFRD-плотин. Главным техническим преимуществом по сравнению с традиционными замоноличиваемыми водоупорами является то, что за счёт характерного свободного участка шириной 40–50 см из геокомпозита, способного скользить и перераспределять напряжения, такие системы могут перекрывать значительные раскрытия швов, обеспечивая долговременную герметичность.

Проектирование наружных водоупоров обычно предусматривает одну или несколько геосинтетических прослоек различного типа и толщины, зависящих от величины ожидаемых деформаций сооружения и максимального напора. Типичный наружный водоупор (рисунок 12) включает:

• опорный/противоударный/дренирующий слой (или слои), укладываемый над швом в зоне возможного раскрытия;

• водонепроницаемый слой — как правило, геокомпозит того же типа, что и основная облицовка, укладываемый поверх опорного слоя и анкеруемый независимо от него таким образом, чтобы перекрывачий участок по обе стороны шва превышал зону возможного раскрытия не менее чем на 200–250 мм;

• водонепроницаемое периферийное прижимное уплотнение.

Рисунок 12. Схема наружного водоупора (фрагмент из Бюллетеня ICOLD 135).

Опорный/противоударный/дренирующий слой (рисунок 13) предотвращает проталкивание водонепроницаемой геомембранной прослойки в раскрытый шов под действием напора. В сейсмоопасных районах амплитуда и частота сейсмических циклов играют важную роль, поскольку приводят к увеличению давления воды, которое необходимо учитывать при расчёте водоупора, чтобы не допустить превышения допустимой деформации геомембраны во время и после сейсмического воздействия.

Рисунок 13. Деталь и вид наружных водоупоров, установленных на монолитных швах RCC-плотины Platanovryssi высотой 95 м (Греция).

Наиболее неблагоприятные условия обычно возникают в зонах сопряжения деформируемого тела насыпной плотины и жёстких бетонных сооружений, на строительных швах между соседними конструкциями, подверженными относительным перемещениям, или в новых CFRD-плотинах в зоне периферийного шва между цементационной плитой и облицовочными плитами, где ожидаемые раскрытия могут превышать несущую способность замоноличиваемых водоупоров и требуется дополнительный барьер для обеспечения безопасной эксплуатации. В таких местах может потребоваться создание дополнительного запаса длины материала, чтобы геомембранная облицовка могла перекрывать шов, воспринимая только деформации и напряжения от гидростатического давления, а не начальные деформации от раскрытия шва. Дополнительная длина достигается, например, укладкой под геомембрану сложенного вдвое геотекстиля увеличенной толщины или устройством паза/ниши в зоне шва для размещения наружного водоупора. Дополнительный запас длины снижает деформации в водонепроницающем слое и обеспечивает плотное прилегание водоупора к основанию. В случаях очень больших раскрытий (десятки сантиметров) опорный слой выполняют из высокотехнологичного текстиля с высоким модулем упругости и прочностью, который работает с минимальными деформациями и большими усилиями, тем самым ограничивая деформации и напряжения в лежащей выше геомембране.

Рисунок 14. Высокопрочный опорный текстиль и водонепроницаемый геокомпозит на плотине Angostura, бетонной гравийной плотине высотой 32 м и длиной 1,6 км (Чили). Наружный водоупор на периферийных и вертикальных швах рассчитан на раскрытия до 300 мм.

Те же подходы (опорный/противоударный/дренирующий слой + водонепроницаемый слой + прижимное периферийное уплотнение) используются и при ремонте трещин и швов, где традиционные методы (инъекции, цементация) часто требуют регулярных повторений, увеличивают затраты на обслуживание и оказываются недостаточно эффективными при значительных раскрытиях, в то время как геомембранные системы успешно работают в таких условиях. Аналогично другим ремонтным решениям с использованием геомембран, наружные водоупоры могут быть адаптированы для подводного монтажа.

3.5 Специальное решение для подводной укладки

Специальное решение для подводной укладки, недавно разработанное для ремонта каналов без прекращения или снижения расхода воды, может применяться и при новом строительстве. Это инновационная система SIBELONMAT® — двухслойная геомембрана, образующая «матрас», который укладывается под водой с покрытием всего откоса, подлежащего гидроизоляции, временно анкеруется, а затем заполняется цементным раствором. Нижняя геомембрана обеспечивает водонепроницаемость, цементный раствор — постоянную анкеровку за счёт балласта, а верхняя геомембрана удерживает свежий раствор и улучшает гидравлическую эффективность матраса благодаря своей гладкой поверхности. Панели матраса, изготавливаемые на заводе шириной 10 м и заданной длины (рисунок 15, слева), соединяются под водой герметичными усиленными молниями. Система продемонстрировала эффективность в нескольких пилотных проектах при течении воды (рисунок 15, справа); по мере накопления опыта возможны дальнейшие улучшения конструктивных решений. Уже ведутся исследования новых компонентов и оборудования для совершенствования и индустриализации системы с целью сокращения сроков монтажа и снижения стоимости. Аналогичные системы могут быть применены для подводной облицовки откосов насыпных плотин и устройства подводных завес, открывая новые возможности существенной экономии для эксплуатирующих организаций.

Рисунок 15. Панели SIBELONMAT® на стадии изготовления (слева) и в закачанном и герметизированном состоянии на дамбе Kembs, являющейся частью судоходного канала Grand Canal d’Alsace (Франция).

4. Заключение

Геомембранные системы позволяют создавать безопасные плотины, в том числе значительной высоты, с применением технологий, адаптируемых к сложным условиям эксплуатации и жёстким срокам реализации, при этом экологически устойчивыми. Они позволяют завершать противофильтрационные системы в более короткие сроки и по более низкой стоимости, чем традиционные водонепроницаемые барьеры. В форме наружных водоупоров геомембранные решения обеспечивают и поддерживают герметичность при нагрузках, которые были бы недопустимы для замоноличиваемых водоупоров. Это зрелая и надёжная технология, эффективность которой подтверждена сотнями проектов по всему миру, в том числе с подводным монтажом без негативного воздействия на окружающую среду.

© 2022 Автор(ы). Лицензиат IntechOpen.
Настоящая глава распространяется на условиях лицензии Creative Commons Attribution (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0), которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение в любом формате при условии корректного цитирования оригинала. Перевод и адаптация выполнен проектом «Геосинтетика для всех» (Geo4All.Tech), ссылка на оригинальную статью: Geomembranes in Dam Engineering | IntechOpen