Гидросооружения 2/2009

Подождите немного. Документ загружается.

ГИДРОТЕХНИКАГидросооружения 2/2009

без использования насосов, так как

опыт эксплуатации и технического

содержания сооружений в другом

регионе не принес положительных

результатов, и, кроме того, запасы

электроэнергии в Афганистане до-

статочно ограничены.

Базируясь на климатологичес-

ких и почвоведческих данных этого

региона, основах землепользова-

ния и технологиях современного

орошения с использованием дож-

девальных установок, были разра-

ботаны схемы возделывания сель-

скохозяйственных площадей для

будущего ирригационного сельско-

го хозяйства. Рассчитанная для это-

го потребность в орошении ограни-

чена летними месяцами и достигает

своего пика в июне с требуемым

расходом примерно в 150 м

/с. В це-

лом, чтобы довести воду до посев-

ных площадей, необходимо провес-

ти магистральные оросительные

каналы общей длиной около 150 км.

В зависимости от условий проклад-

ки трубопровода, примерно 30 км

из них будут проходить под землей.

3.2 Плотина

Выбранный советскими инженера-

ми створ №1 для возведения плоти-

ны позволяет на основе формы до-

лины и геологии возвести плотину

высотой всего лишь 12 м (ðèñ. 2). Эта

высота недостаточна для того, что-

бы обеспечить орошение всех необ-

ходимых площадей, тем более при

подаче воды в систему орошения в

безнапорном режиме. Устраивать в

этом месте гидроэлектростанцию,

которая была бы не в состоянии

обеспечить требуемую для работы

насосной станции выработку элек-

троэнергии, бессмысленно.

Следующий возможный для

строительства плотины створ № 2

был определен примерно в 10 км

выше по течению от створа № 1, что

позволяло за счет формы долины пе-

рекрыть ее плотиной высотой при-

мерно 50 м (рис. 2). В общей сложнос-

ти на створе № 2 возможно получить

перепад с разницей высот на 70 м

выше, чем в варианте 1. При условии,

что будет возможность проложить

магистральные каналы, вероятно,

можно будет сократить затраты на

насосную станцию или даже отка-

заться от нее. Более того, очевидно,

что во втором варианте выработка

электроэнергии будет выше.

Основание на месте сооружения

дамбы состоит из слоистого песча-

ника. В соответствии с геологичес-

кими и сейсмическими условиями

региона, а также формой долины

и наличием материалов для строи-

тельства была выбрана гравитаци-

онная плотина. Водосливные секции

паводкового водосброса и рассчита-

ны на пропуск максимально вероят-

ного расхода паводка 6 500 м

/с.

3.3 Водопользование

При освещении гидрологических

аспектов уже было упомянуто о

том, что река Кокча в первую оче-

редь питается за счет таяния снега

и, следовательно, зимой преоблада-

ют малые расходы (минимум 60 м

/с

в середине февраля), а летом имеют

место большие расходы (максимум

500 м

/с в середине июля). Данное

обстоятельство идет исключитель-

но на пользу потребностям оро-

шения, для которого необходимо

максимально 150 м

/с в период с

апреля по сентябрь. Таким образом,

расчеты использования гидроэнер-

гетических ресурсов могут быть

произведены независимо от пот-

ребностей орошения (ðèñ. 3).

3.4 Гидроэнергетические ресурсы

При выборе для плотины створа

№ 2 в распоряжении появляется

напор воды, равный примерно 50

м. Расчеты указывают на то, что

турбина с расходом 65 м

/с может

работать на протяжении примерно

80% всего периода года. Соответс-

твенно, введенная в эксплуатацию

мощность составляла бы около 25

мегаватт. Однако точный вывод мо-

жет быть сделан только при нали-

чии точных топографических карт.

4 Заключение

В ходе дальнейших изысканий идет

выбор экономической альтерна-

тивы и ведется оценка финансо-

вых затрат. Политическая воля для

дальнейшего претворения проекта

в жизнь представлена на всех уров-

нях, и население возлагает боль-

шие надежды на этот проект. Об-

щие условия реализации проекта в

стране, испытывающей серьезный

недостаток в квалифицированных

кадрах, власть которой находится

в стадии становления и не может

пока работать самостоятельно, а

также слабость и неналаженность

инфраструктуры, требуют от ин-

женерного состава активного учас-

тия в сборе данных и выполнения

календарного плана работ. Несмот-

ря на то, что возможность дальней-

шей реализации проекта в связи с

нестабильной политической обста-

новкой не совсем ясна, тем не менее

предполагается, что прилагаемые

усилия, направленные на создание

возможности улучшения условий

жизни исстрадавшегося населения

Афганистана, не пропадут даром.

[1] Fichtner GmbH: Feasibility Study of Lo-

wer Kokcha Irrigation and Hydropower

Project, 2006.

[2] Ayros, E.: Regionalisierung extremer Ab-

fluesse auf der Grundlage statistischer

Verfahren. In: Mitteilungen des Instituts

fuer Wasserbau der Universitaet Stutt-

gart (2000), Nr. 101.

[3] Hosking, J. R.; Wallis, J. R.: Regional Fre-

quency Analysis. Cambridge University

Press, 1997.

[4] Ayros, E.; Bardossy, A.: A regional esti-

mation of peak flood for the Peruvian

Andes. In: XIII Congress of Civil Enginee-

ring, Lima, Peru, 2001, S. 61 – 64.

[5] DVWK (Hrsg.): Statistische Analyse

von Hochwasserabfluessen. In: DVWK-

Merkblaetter (1999), Nr. 251.

Литература

Авторы

Dr.-Ing. Patrick Schaefer

Dr.-Ing. Edwin Ayros

Fichtner GmbH & Co. KG

Sarweystr. 3

70191 Stuttgart

SchaeferP@fichtner.de

AyrosE@fichtner.de

Eng. Farhad Noorzai

Ministry of Energy & Water, PCU

Darul Aman Road

Kabul, Afghanistan

farhad.noorzai@eirp-afg.org

ГИДРОТЕХНИКА Гидросооружения 2/2009

Себастьян Перцльмайер и Маркус Ауфлегер

Измерение скорости распределенного

фильтрационного потока в грунтовых плотинах

В рамках исследовательского проекта кафедры и лаборатории гидросооружений и водного

хозяйства Технического Университета Мюнхена, курируемого Немецкой Ассоциацией содейс-

твия исследованиям, удалось усовершенствовать активный температурный метод измерения

скорости распределенного фильтрационного потока в плотинах и степени насыщения грунтов.

Было проведено большое количество опытов для калибровки. Основополагающая связь между

температурой нагреваемых кабелей и параметрами скорости потока и степени насыщения была

установлена как эмпирически, так и аналитически. Практическое применение нового метода

многообразно: это мониторинг устойчивости и фильтрационной безопасности грунтовых пло-

тин, контроль внутренней суффозии, а также контроль устойчивости склонов и откосов.

1 Локализация

фильтрационно-

небезопасного участка с

использованием активного

температурного метода

Локализация фильтрации

Для локализации фильтрационно–

небезопасного участка использует-

ся метод измерения температуры

оптоволоконной сетью датчиков.

Используя так называемые приборы

DTS (анализаторы потоков), можно

измерять локально с высокой степе-

нью разрешения пространственное

распределение температуры и вре-

менное развитие изменения темпе-

ратуры вдоль оптоволоконных кабе-

лей. При использовании активного

температурного метода в качестве

возможного варианта нагрев кабеля

происходит посредством наложе-

ния электрического напряжения на

интегрированные в кабель медные

жилы. Полученная в результате на-

грева разница температур позволя-

ет сделать выводы о наличии и дви-

жении воды вокруг кабеля.

Измерение скорости

распределенного

фильтрационного

потока в плотинах

Измерение скорости фильтрацион-

ного потока в водоудерживающих

плотинах базируется на типичной

для принудительной конвекции вза-

имосвязи между коэффициентом

теплоотдачи и скоростью фильтра-

ционного потока в плотине. Данная

корреляция при скорости течения

Verteilte Filtergeschwindigkeits messung in Staudaemmen

Im Rahmen eines von der DFG gefoerderten Forschungsprojektes am Lehrstuhl und der

Versuchsanstalt fuer Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU Muenchen ist es in den

vergangenen Jahren gelungen, die Aufheizmethode unter Durchfuehrung umfangreicher

experimenteller Untersuchungen und durch Anwendung analytischer Methoden derart

weiterzuentwickeln, dass heute erstmals sowohl die Filtergeschwindigkeit als auch der Saet-

tigungsgrad in Boeden verteilt, also raeumlich aufgeloest, gemessen werden koennen [1].

Daraus erwachsen vielfaeltige wasserbauliche Anwendungen bei der Bewertung der Stand-

sicherheit durchstroemter Daemme oder der Ueberwachung von Dichtungselementen.

Distributed Flow Velocity Measurement in Embankment Dams

In the scope of a DFG-funded (Deutsche Forschungsgemeinschaft) research project the

active temperature method has been developed for distributed flow velocity and degree

of saturation measurements at the Institute of Hydraulic and Water Resources Engineer-

ing in the last years. A large number of tests have been performed to know about the

calibration. The fundamental relationship between temperature response in the heat-up

cables and the parameters flow velocity and the degree of saturation could be described

empirically as well as analytically. The new method allows for a large number of improved

applications referring to the monitoring of embankment dam stability related to seepage

like slope stability and internal erosion.

ГИДРОТЕХНИКАГидросооружения 2/2009

воды 10

-5

м/с существенно влияет

на разницу температур при замерах

температуры внутри кабеля. Такой

метод требует калибровки, кото-

рая была проведена благодаря ис-

пользованию данных многочислен-

ных опытов при разной скорости

фильтрации. Опыты подтвержда-

ют полученные теоретическим пу-

тем данные о термодинамических

связях. Калибровочные функции

могут быть выведены при условии

абстрагирования от определенного

влияния кабеля, а также аналити-

ческим путем на основе параметров

грунта. Диапазон измерений скоро-

сти фильтрации воды в плотинах от

-5

< w

< 10

-3

по 10

-2

м/с представ-

ляет собой важную для вопросов

гидротехники область. Угол между

кабелем и набегающим потоком не

оказывает существенного влияния

на функцию dT/ w

до тех пор, пока

он отклонялся от нормали менее чем

на ± 30°. Ориентация течения про-

тив силы тяжести не играет никакой

роли при условии, что коэффициент

фильтрации меньше 10

-2

м/с, и от-

сутствует свободная конвекция.

На ðèñ. 1 представлена зависи-

мость изменения разницы темпера-

туры между оболочкой кабеля dT

окружающей песчаной средой при

наличии или отсутствии оболочки

из нетканого текстильного материа-

ла от скорости фильтрации w

. Вели-

чины, полученные в ходе испытаний,

можно хорошо представить в виде

аналитически рассчитанных кри-

вых. Точность измерения скорости

фильтрации распределенного пото-

ка зависит от теплоотдачи, диамет-

ра и структуры кабеля, а точность

измерения распределенной разни-

цы температур – еще и от окружа-

ющей среды, в которой находится

кабель [1], [2].

Определение коэффициента

насыщения

Наряду с измерением скорости

фильтрации воды разработанный

метод можно использовать также

и при определении коэффициен-

та насыщения, при этом за основу

берется теория динамической теп-

лопроводности вокруг нагреватель-

ного цилиндра. Повышение темпе-

ратуры внутренней части кабеля,

вызванное нагревом, зависит от

фактической теплопроводности ок-

ружающей кабель среды. В частнос-

ти, подъем логарифмической кривой

нагрева по времени позволяет спус-

тя определенный период нагрева

сделать непосредственный вывод

о проводимости тепла. Опыты с на-

гревом в различных гранулирован-

ных материалах и грунтах с разной

теплопроводностью и сравнение

данных, полученных посредством

традиционных экспериментальных

и аналитических методов, доказали

пригодность метода нагревания для

определения теплопроводности в

диапазоне измерения 0,05 Вт/(м•K)

< λ

eff

< 2,5 Вт /(м•K).

Так как теплопроводность воды

и воздуха значительно отличаются,

то на основе действительной тепло-

проводности пористых сред мож-

но сделать заключение о наличии

воды или о коэффициенте насыще-

ния. Необходимые калибровочные

функции для перевода замеренной

разницы температур dT

в коэффи-

циент насыщения S представлены

на ðèñ. 2 на примере с песком. Фун-

кции представлены в виде несколь-

ких опытов по нагреванию (точки) с

разными коэффициентами насыще-

ния, причем пригодность прибли-

женного метода, принятого с целью

упрощения решения, в отношении

динамической теплопроводности

(линии), подтверждается. Даже если

точность измерения коэффициента

насыщения при использовании ак-

тивного температурного метода (на-

гревания) ниже, чем при использо-

вании более точных измерительных

приборов, например, зонда-рефлек-

тометра с временным разрешени-

ем (зонд TDR). При применении в

несвязных грунтах, прежде всего,

Рис. 1: Калибровочная функция dT

от w

кабелей в песчаном грунте при отсутствии и наличии оболочки из неткан-

ного материала. D — диаметр кабеля, q

— теплопроводность

Изменение температуры [K]

(по Кельвину)

Изменение температуры [K]

(по Кельвину)

= 12 Вт/м

Песок

D = 3,8 мм

D = 12 мм

Скорость фильтрации [м/с]

D = 3,8 мм

D = 12 мм

= 12 Вт/м

Нетканый геотекстиль

Скорость фильтрации [м/с]

ГИДРОТЕХНИКА Гидросооружения 2/2009

имеет значение точное определение

участков с остаточной влажностью

и областей насыщения, которые

можно выявить, используя актив-

ный температурный метод.

2 Важность для

практического применения

Фильтрация воды

и устойчивость плотин

Устойчивость плотин определяется

гидравлическими, геофильтраци-

онными или статическими механиз-

мами отказа. Под гидравлическим

отказом понимаются все процессы,

вызванные воздействием потока

воды (размыв, эрозия откосов и т. д.).

Геофильтрационные механизмы от-

каза описывают негативное воздейс-

твие протекающей в грунте воды на

его структуру, например, суффозия

грунта и фильтрационные деформа-

ции. При этом решающее значение

имеет скорость фильтрации воды.

Статические механизмы отказа опи-

сывают возможные формы отказа

массива грунта как статической сис-

темы. Под этим понимают, в первую

очередь, устойчивость откосов про-

тив сдвига, скольжения, оползания и

т. д. Положение кривой депрессии,

а также, в широком смысле, распре-

деление воды имеют в данном слу-

чае особое значение. Два важных в

области гидросооружений аспекта,

а именно: измерение скорости филь-

трации воды и определение степени

насыщения (соответственно и коэф-

фициента фильтрации) – представ-

ляют собой релевантные методы

проведения замеров, объединенных

в новую эффективную измеритель-

ную систему. Сведения о скорости

прохождения воды, степени насы-

щения и коэффициенте фильтрации

дают возможность многообразного

применения при контроле устой-

чивости, фильтрационной безопас-

ности и при проверке функциональ-

ности элементов гидроизоляции и

конструкций швов [3].

Контроль гидродинамической

деформации грунта

При оценке опасности гидроди-

намической деформации грунтов

рассматриваются, как правило, гид-

равлические градиенты, хотя ско-

рость течения лучше характеризует

гидравлическую нагрузку. Метод

распределенного измерения скоро-

сти прохождения воды позволяет

измерять этот параметр, определя-

ющий перемещение частиц в грунт

и из грунта, в пространственном

разрешении. Измерительный диа-

пазон измерения распределенной

скорости протекания воды между

-5

и 10

-2

м/с соответствует поро-

вой скорости от 4 до 8•10

-5

и от 4 до

8•10

-2

м/с. Как показано на ðèñ. 3,

при сравнении критических скоро-

стей перемещения частиц, согласно

Муккенталеру [4], можно, таким об-

разом, говорить об опасности гидро-

динамической деформации грунтов

(прежде всего, суффозии, регресси-

рующей и контактной эрозии) в гра-

нулированных грунтах с размерами

частиц до нескольких миллиметров.

Гидродинамическая деформация

связных грунтов, таких как в грун-

товом ядре плотин, вызывается, пре-

жде всего, сконцентрированными

протечками. Для оценки опасности

возникновения эрозии рассматри-

вают обычно сокращение давления

в ядре, а также сдвиг фаз между по-

ровым давлением и уровнем воды.

Поровое давление в ядре регистри-

руют, как правило, выборочно с по-

мощью датчиков порового давления,

что таит в себе опасность пропуска

зон повышенной проницаемости.

Дополнительно, в большинстве слу-

чаев, имеются замеры фильтрацион-

ного расхода, которые дают, однако,

только интегральные данные.

Представленные разработки

активного температурного метода

(метода нагревания) дают возмож-

ность, даже при наличии всего одно-

го кабеля в дренажном коллекторе у

основания низовой грани, получить

более точные данные о фильтрации.

Более того, сравнение критических

скоростей к моменту начала эрозии

со скоростями фильтрации воды,

которые в идеальном варианте из-

меряются, на различных высотах

непосредственно за ядром плотины

делает возможным оценку потенци-

алов риска гидродинамической де-

формации грунта. Убедительность

подобной установки ограничивает-

ся, соответственно, четко опреде-

ленным локальным разрешением

распределенного измерения скоро-

сти фильтрации воды и расстоянием

между кабельными горизонтами.

При строительстве новых плотин

рекомендуется переносить недоро-

гие кабели за ядро, даже если ре-

гулярные измерения начинаются

только тогда, когда, например, заме-

ры фильтрационного расхода ука-

зывают на возникающие проблемы.

Такое переоснащение уже сущес-

Рис. 2: Связь между разницей температур в кабеле dT

и коэффициентом

насыщения S грунта вокруг кабеля. H: проводимость контакта

Изменение температуры

[K] (по Кельвину)

Проводимость контакта [H] = 43

Время [t]= 3600 c

Песок

Кабель 1 (MW F1, F2)

Коэффициент насыщения [-]

ГИДРОТЕХНИКАГидросооружения 2/2009

твующих плотин представляется

довольно сложным, хотя позицио-

нирование кабелей в порах фильтра

принципиально является возмож-

ным, но рискованным.

3 Выводы

Естественно, никакой оптоволокон-

ный кабель не поможет плотине,

достигшей по определенным при-

чинам критического состояния не-

сущей способности. Тем не менее,

представленные методы измерения

дают возможность использовать

эффективный инструмент, способ-

ный выявлять изменения фильтра-

ционной картины плотин настолько

своевременно, что при проведении

соответствующих мероприятий мо-

жет быть предотвращен возможный

последующий выход плотины из

строя.

Данная методика – по сравне-

нию с обычными концепциями осу-

ществления контроля – позволяет

не только большого пространствен-

ного разрешения, но и получения ко-

личественных данных о параметрах

коэффициента фильтрации, степе-

Рис. 3: Критическая скорость фильтрации в зависимости от размера ядра

согласно [4] в [1]

ни насыщения и скорости фильтра-

ции воды, что позволяет не только

определить местонахождение про-

течки, но и получить информацию

о ее релевантности с точки зрения

запаса устойчивости сооружения.

Вынос частиц грунта,

Боннефилль (1963)

Критическая скорость W

krit

[м/с]

Вынос частиц грунта,

Шильдс (1930)

Размер частиц грунта ядра

Угол внутреннего

трения (с адгезией) = 35

Скорость осаждения

частиц (без адгезии)

Угол внутреннего

трения (с адгезией) = 45

[1] Perzlmaier, S.: Verteilte Filtergeschwin-

digkeitsmessung in Staudaemmen. In:

Berichte des Lehrstuhls und der Ver-

suchsanstalt fuer Wasserbau und Was-

serwirtschaft der TU Muenchen, Heft

109, 2007.

[2] Goltz, M.; Perzlmaier, S.; Aufleger, M.;

Schramm, V.: Optimierte Glasfaserkabel

zur Leckageortung und Filtergeschwin-

digkeitsmessung. In: Tagungsband 14.

Deutsches Talsperrensymposium, 2007.

[3] Aufleger, M.; Dornstaedter, J.; Strobl, T.;

Conrad, M.; Perzlmaier, S.; Goltz, M.:

10 Jahre verteilte faseroptische Tem-

peraturmessungen im Wasserbau. In:

Tagungsband 14. Deutsches Talsperren-

symposium, 2007.

[4] Muckenthaler, P.: Hydraulische Sicher-

heit von Staudaemmen. Berichte des

Lehrstuhls und der Versuchsanstalt fuer

Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU

Muenchen, Heft 61, 1989.

Литература

Авторы

Dr.-Ing. Sebastian Perzlmaier

TIWAG-Tiroler Wasserkraft AG

Bereich Engineering Services

Eduard-Wallnoefer-Platz 2,

A-6020 Innsbruck

sebastian.perzlmaier@tiwag.at

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Markus Aufleger

Arbeitsbereich Wasserbau

Leopold-Franzens-Universitaet Innsbruck

Technikerstrasse 13, A-6020 Innsbruck

Oesterreich

markus.aufleger@uibk.ac.at

Eine Lizenzausgabe der deutschen WasserWirtschaft

Русская версия немецкого лицензированного журнала WasserWirtschaft

2008

ГИДРОТЕХНИКА Гидросооружения 2/2009

Кристиан Кубенс, Эрнст Фрейбург и Йохен Штарк

Инновационное решение проблемы

выщелачивания бетона гидротехнических

сооружений

Ущерб, наносимый бетонным сооружениям в результате выщелачивания бетона (щелочно-крем-

неземистой реакции, AKR) – проблема, распространенная во всем мире. Она касается не только

транспортных сооружений, подверженных воздействию антиобледенительной соли, но и гидро-

технических сооружений. В последние 10 лет были установлены многочисленные повреждения

бетонных сооружений, вызванные выщелачиванием, разрушительная сила которой часто начина-

ла действовать лишь через 20–30 лет эксплуатации. В данной статье описываются методы доказа-

тельства наличия реакции и технология проведения ремонтных работ. Кроме того, описываются

различные методики проведения испытаний или проверок: ускоренный тест бетонного раствора

или испытания для определения рабочих характеристик (Performance-Test) для оценки рецептуры

бетона. Авторы обращают внимание на важность использования цементов с низким содержанием

O для защиты от выщелачивания.

1 Щелочно-кремнеземистая

реакция (AKR) на

гидросооружениях

в Тюрингии и Саксонии

Щелочно-кремнеземистая реакция

(AKR), или выщелачивание бетона

играет особую роль при длитель-

ном сроке эксплуатации бетонных

сооружений. Ущерб, наносимый бе-

тонным сооружениям в результате

воздействия щелочно-кремнеземис-

той реакции (AKR) – проблема, из-

вестная во всем мире. Проведенный

за последние 10 лет институтом FIB

Веймарского строительного уни-

верситета анализ более 60 случаев

показал, что повреждения наблю-

даются почти на 40% гидросоору-

жений. В Тюрингии/Саксонии в

качестве примера можно назвать:

плотины Цойленрода (год строи-

тельства – 1968; повреждений в

туннелях паводкового водосброса

– 75), Лихтенберг (1966 – 1975 гг.,

водозаборная башня) и Виндишлой-

Рис. 1: Башня водовыпуска плотины

Регис-Сербитц, северная стена,

детальное изображение повреж-

денных мест бетонного сооружения,

трещины < 10 мм, участки 1–2, отло-

жения белого цвета, отслаивания

ба (1951–1953 гг., водосбросное со-

оружение), аккумулирующие во-

дохранилища в Меерхенг/Гёснитц

(1967–1969 гг., водобойный колодец)

и Регис-Сербитц (1958–1960 гг., рас-

пределительная подстанция, ðèñ. 1).

В трех случаях из указанных пяти в

качестве заполнителя для бетонной

смеси использовались среднене-

мецкие третичные гравии с высо-

ким содержанием кварца и низким

содержанием кремнистого сланца и

кремния.

В качестве вяжущего средства

применялись преимущественно со-

держащие гранулированный домен-

ный шлак виды цемента, по качеству

соответствующие сегодня маркам

цемента CEM II/B-S. Добавки следу-

ет отнести к группе заполнителей с

замедленным реагированием (тип

slow-late). Все вышеуказанное вкупе

с использованием содержащих гра-

нулированный доменный шлак це-

ментов привело к тому, что повреж-

дения не то чтобы не появились, а

возникли и проявились относитель-

ГИДРОТЕХНИКАГидросооружения 2/2009

но позднее и медленнее. При стро-

ительстве объектов в Лихтенберге

и Цойленроде нашли применение

высокощелочным портландцемен-

там (сегодня CEM I). Кроме того, ис-

пользовались щелочно-реактивные

заполнители: гранитный щебень и

эльбская галька (Лихтенберг), а так-

же наряду с нереактивным диабаз-

ным щебнем и галькой с северо-вос-

тока Германии кремний и опаловый

песчаник (Цойленрода).

2 Основы и доказательства

Причиной возникновения и разви-

тия выщелачивания бетона [1] явля-

ются всегда имеющаяся на гидросо-

оружении влажность, реактивные

компоненты каменных материалов

(кремень, опаловый песчаник, крем-

нистый сланец, окремненный извес-

тняк, риолит, серая вакка, кварцит,

деформированный кварц, некото-

рые виды гранитов) и щелочные гид-

роксиды. Последние получаются из

используемых цементирующих ве-

ществ или заносятся извне (напри-

мер, с морской водой или талыми

породами). Имеющиеся в поровом

растворе бетона высокие значе-

ния pH «ответственны» за раство-

римость реактивных содержащих

SiO

компонентов в породе. Реакция

ведет к образованию способных на-

бухать желеобразных продуктов в

форме кальцийсодержащих щелоч-

но-силикатных гидратов.

Это приводит к растрескива-

нию зерен породы, возникшие при

этом микротрещины углубляются

в матрицу бетона и разрушают ее.

Появившийся гель инфильтриру-

ет матрицу цементного камня, за-

полняет имеющуюся систему пор и

приводит к явлениям вспучивания.

Поэтому щелочно-кремнеземистая

реакция (AKR) – длительная ре-

акция, так как пока в системе есть

гидроксид кальция, возникают все

новые щелочные гидроксиды. Со-

ответственно, профилактические

мероприятия, например, примене-

ние пуццоланов, направлены на то,

чтобы «связать» гидроксид кальция

каким-либо иным способом.

Без сомнения, можно опреде-

лить: началось ли на конкретном

сооружении выщелачивание бето-

на. С помощью простого бинокуляр-

ного светового микроскопа можно

распознать продукты реакции и

систему микротрещин. Используя

поляризационный микроскоп, в

шлифе бетона (большой формат 6 x

10 см) можно увидеть микротрещи-

ны и проследить их вплоть до обус-

ловивших их появление зерен пород

(ðèñ. 2). И, наконец, посредством

растрового (сканирующего) элект-

ронного микроскопа отображают-

ся продукты реакции, а с помощью

Innovative Loesungen im Umgang mit der Alkali-

Kieselsaeure-Reaktion an Wasserbauwerken

Schaeden an Betonbauwerken infolge der AKR sind ein weltweites Problem, nicht nur an

tausalzbeeinflussten Verkehrsbauwerken, sondern auch an Wasserbauwerken. In den letz-

ten 10 Jahren wurden zahlreiche AKR-Betonschaeden nachgewiesen, deren zerstoerende

Wirkung oft erst nach 20 bis 30 Jahren auftrat. Der Nachweis der AKR sowie die Instandset-

zung werden erlaeutert, und mit dem Moertelschnelltest sowie Performance-Test werden

Pruefverfahren zur Bewertung von Betonrezepturen benannt.

Innovative Solutions for Hydraulic Concrete

Structures Damaged by Alkali-Aggregate Reaction

Damages on concrete structures due to alkali-aggregate reaction (AAR) has become a

worldwide problem. The AAR does not only occur on traffic structures which are exposed

to de-icing salts. Damages due to AAR can also be found on hydraulic structures. In the last

decade numerous cases of AAR were found, where the damages did not occur until 20 to 30

years of service life. This paper shows how AAR is proven on concrete structures. The reno-

vation concepts and their limitations are described. Test methods for concrete are briefly

introduced, such as the accelerated mortar bar test and the performance test. The authors

point out the importance of a low alkali cement (low Na

O equivalent) to prevent AAR.

Рис. 2: Водохранилище для аккумулирования паводков Регис-Сербитц: бетон

башни водовыпуска, структура, поврежденная вследствие щелочно-кремнезе-

мистой реакции (AKR), деформированный кварц — зерна породы (Q) с образо-

вавшимися трещинами, проникнувшими в матрицу бетона (B), скопление геля

в трещине (стрелка) (снимок тонкого шлифа, длинный край рисунка = 1,2 мм)

ГИДРОТЕХНИКА Гидросооружения 2/2009

метода электронно-зондового мик-

роанализа (ESMA) исследуется их

состав. Согласно анализу более чем

100 точечных проб, средний состав

представлен следующим образом:

SiO

– 56,9%, CaO – 27,8%, K

O –

11,6% и Na

O – 4,3%. Соотношение

O: Na

O соответствует составу

большинства немецких портланд-

цементов. Вышеуказанный метод

оправдал себя как при диагностике

повреждений, так и в ходе разреше-

ния спорных случаев в суде.

При решении вопросов диагнос-

тики и прогнозирования поведения

сооружений и оценки успешности

проведенных ремонтных работ ре-

комендуется провести исследования

имеющегося потенциала остаточно-

го растяжения и остаточного преде-

ла прочности или, соответственно,

сопротивления трещин разрыву.

Для этого керны хранятся в камере

Вильсона в течение 270 дней при от-

носительной влажности выше 99%

и температуре 40°C. Значение оста-

точного растяжения, которое следу-

ет рассматривать критическим или

определяющим для разрушающей

щелочно-кремнеземистой реакции,

составляет около 0,8 мм/м. Ðèñ. 3 по-

казывает результаты исследований

бетонных кернов сооружений в Ре-

гис-Сербитце и Лихтенберге. Выяв-

ленные в ходе анализа значения оста-

точной прочности гидросооружения

в Регис-Сербитце на 35 Н/мм

не до-

стигали номинальных величин, а для

конструкции в Лихтенберге во всех

пробах эти значения были превыше-

ны. На основании данных анализа

можно сделать выводы как о необ-

ходимости осуществления ремонта

элементов конструкции, так и о сроч-

ности проведения мероприятий.

3 Рекомендации по

проведению ремонтных

работ и соответствующие

концепции программ

На основании знаний о механизме

протекания щелочно-кремнеземис-

той реакции (AKR) следовало бы

сделать выводы о необходимости

проведения мероприятий по устра-

нению или минимизации поступ-

ления жидкости, что обычно прак-

тически невозможно осуществить

в условиях эксплуатации гидросо-

оружений. Анализ повреждений

позволяет дать следующие реко-

мендации: необходимо либо демон-

тировать элементы конструкции,

либо приложить усилия к их сохра-

нению, либо защитить их предвари-

тельно обшивкой. В случае прямого

контакта в новой системе должны

быть применены низкощелочные

виды цемента (цемент, эквивалент-

ный CEM I с Na

O менее 0,6%, или

тип CEM-III мелкого помола).

Удачным примером проведен-

ного на высоком уровне ремонта

бетонных сооружений, поврежден-

ных вследствие реакции щелочно-

кремнеземистой реакции (AKR),

является плотина водохранилища

паводкового регулирования Регис.

Очевидные дефекты конструктив-

ных элементов, вызванные щелоч-

но-кремнеземистой реакцией (AKR),

таких как мост через паводковый во-

досброс, головные части мостовых

быков и опоры моста, имели типич-

ную картину повреждений. Шири-

на трещин составляла от 5 до 10 мм,

бетон был в уже разупрочненном

состоянии, бетонные элементы не

подлежали ремонту и их пришлось

демонтировать. Кроме того, были

тщательно обследованы внешне не-

значительно поврежденные опоры

и сваи моста. После проведения ка-

чественного анализа и предъявле-

ния доказательств наличия щелоч-

но-кремнеземистой реакции (AKR)

был рекомендован количественный

анализ посредством проведения в

течение 9 месяцев исследований в

камере Вильсона, чтобы получить

данные для решения вопроса о про-

ведении ремонтных работ или же

сносе и возведении новых конструк-

ций. Результат оправдал себя. В ходе

испытаний было установлено, что

бетонные элементы конструкции,

которые согласно предварительной

оценке подлежали бы ремонту, име-

ют в целом некритичное остаточное

растяжение в 0,6 мм/м и достаточ-

ный уровень остаточной прочности

и сопротивления трещин разрыву. В

соответствии с положением ZTV-W

LB 219, можно было отремонтиро-

Рис. 3: Остаточное растяжение бетонных кернов, отобранных на плотине

Регис-Сербитц и плотине Лихтенберг через 270 дней после нахождения в

камере Вильсона

Период хранения (дней)

Растяжение [мм/м]

Регис-Сербитц

Лихтенберг

ГИДРОТЕХНИКАГидросооружения 2/2009

вать бетонные элементы конструк-

ций с помощью бетона и шприц-бе-

тона. В качестве цементирующего

средства был применен CEM I 42,5

II-HS без C3A с низким содержанием

натрия. Снимки отремонтированно-

го сооружения показывают компе-

тентность осуществлявшей работы

фирмы в вопросах проведения ре-

монта бетонных сооружений.

4 Как избежать появления

повреждений, вызванных

возникновением

щелочно-кремнеземистой

реакции (AKR), на новых

гидросооружениях и после

проведения ремонтных работ

Согласно действующим на настоя-

щее время нормативам, установлен-

ным в отношении щелочей DAfStb

[2], все содержащие кремень и опало-

вый песчаник галечники Северной

Германии и серая вакка из Лаузитца

установлены и зарегистрированы.

В переработанной и появившейся в

2007 г. новой редакции особое вни-

мание уделяется также дробленым

риолитам, серой вакке и щебню,

содержащему эти компоненты, а

также импортируемым материалам

и материалам вторичной переработ-

ки. Проблема, однако, заключается

в том, что, например, упомянутый

выше средненемецкий галечник не

может быть отнесен к определенной

категории или подвергнут контро-

лю, если не известны повреждения

на сооружениях. Поэтому в инсти-

туте FIB Веймарского строитель-

ного университета наряду с интен-

сивной петрографической оценкой

фракций горной породы применя-

ется также проверка рецептуры

бетона посредством специальной

технологии [3]. Это осуществляется

с помощью блиц-теста раствора, при

котором после подготовки каждой

фракции создаются призмы из це-

ментного раствора. Причем щелоч-

ной уровень посредством добавки

NaOH в воду затворения доводится

до эквивалента 2,5% Na

O. Через

28 дней при температуре хранения

70°C над водой замеряется растяже-

ние, в качестве нормы принято зна-

чение 1,5 мм/м. Конкретная рецеп-

тура бетона проверяется с помощью

так называемого теста рабочих ха-

рактеристик. Тестирование прово-

дится с бетонными балками в специ-

альной климатической камере. Тест

состоит, по крайней мере, из шести

циклов, каждый длительностью 21

день; в него входят: сушка, обработ-

ка аэрозолью, а также чередование

циклов попеременного заморажи-

вания-оттаивания. Данная методи-

ка оправдала себя при подготовке

современных транспортных соору-

жений и рекомендуется при строи-

тельстве новых гидросооружений

или проведении ремонтных работ.

Ремонтные работы на напорной

грани плотины из бетонной кладки

Блайлох в 2006 г. вызвали необходи-

мость предварительного объемного

исследования бетонных элементов.

Внешне плотина не имела признаков

наличия щелочно-кремнеземистой

реакции (AKR), при бетонировании

здесь использовался заполнитель

из диабаза. Однако напорная грань

имела значительные повреждения

вследствие воздействия низких тем-

ператур, устранение которых осу-

ществлялось при сниженном уровне

воды посредством нанесения нового

слоя облицовки из шприц-бетона.

В связи с тем, что ранее в бе-

тонных конструкциях плотины

использовалось связующее средс-

тво турамент, сегодня сравнимое с

CEM III, потребовалось подтверж-

дение о совместимости со связую-

щими средствами с высокой суль-

фатостойкостью. При разработке

концепции проведения бетонных

работ наряду с этим основным ус-

ловием следовало также проверить

использованные при приготовлении

шприц-бетона фракции горных по-

род и предусмотренного к примене-

нию цемента марки CEM I на устой-

чивость к щелочно-кремнеземистой

реакции (AKR). При этом выясни-

лось, что при применении содержав-

шегося в исходной смеси поставщи-

ка строительных материалов щебня

с зернистостью в 2/8 и 8/16 мм во

время проведения блиц-теста на ще-

лочно-кремнеземистую реакцию

(AKR) и ускоренных проб цементно-

го раствора появились растяжения с

критическими значениями. Потому

нельзя было с полной уверенностью

исключить в будущем повреждения,

вызванные щелочно-кремнеземис-

той реакцией (AKR).

Совместно с заказчиком, фир-

мой Ваттенфалль, и исполнителем

заказа, фирмой SBN, при разработке

технологии проведения бетонных

работ были предприняты следую-

щие меры:

• замена щебня с зернистостью

фракции 8/16 на вариант, даю-

щий некритические результаты

в ускоренном тесте цементного

раствора;

• замена цемента марки CEM I

42,5 R-HS на марку CEM I 42,5 R-

HS / NA.

Благодаря принятию данных

мер были произведены ремонтные

работы, гарантировавшие заказчи-

ку длительный срок эксплуатации

сооружения в будущем и исклю-

чавшие опасность возникновения в

дальнейшем повреждений, вызван-

ных щелочно-кремнеземистой реак-

цией (AKR) в новом шприц-бетоне.

[1] Stark; J.; Wicht, B.: Dauerhaftigkeit von

Beton – Der Baustoff als Werkstoff. Ba-

sel: Verlag Birkhaeuser, 2001.

[2] Deutscher Ausschuss fuer Stahlbeton

(DAf- Stb) (Hrsg.): Richtlinie Vorbeugen-

de Massnahmen gegen schaedigende

Alkalireaktion im Beton (Alkali-Richtli-

nie). Ausgabe Mai 2001.

[3] Stark, J. et al.: AKR-Pruefverfahren zur

Beurteilung von Gesteinskoernungen

und projektspezifischen Betonen. In: be-

ton 56 (2006), Heft 12, S. 574 – 581.

[4] Kubens, Ch.: Bestandsaufnahmen und

Begutachtung von geschaedigten Was-

serbauwerken sowie Planung und Prue-

fung von Betonierkonzepten an zahlrei-

chen Vorhaben in Thueringen, Sachsen

und Sachsen-Anhalt (unveroeffentlicht).

Литература

Авторы

Dipl.-Ing. Christian Kubens †

Dr. Ernst Freyburg

Prof. Dr. Jochen Stark

Finger-Institut der Bauhaus-Universitaet

Weimar (FIB)

Coudraystrasse 11

99421 Weimar

jochen.stark@bauing.uni-weimar.de

ГИДРОТЕХНИКА Гидросооружения 2/2009

Кирилл Гвидо, Ив Анри Форе, Оливер Артерье, Жан-Мари Эно, Жан-Жак Фрай,

Сильвиан Блайрон, Ян Ван Роосбрек и Поль Ройе

Результаты полномасштабных полевых

испытаний с использованием оптоволоконных

методов обнаружения

При локализации протечек в плотинах показали свою функциональность и пассивные, и актив-

ные методы измерения температуры. Однако чувствительность этих методов с учетом внешних

параметров — температуры воздуха или солнечной радиации – еще недостаточно изучена. Для

испытаний активных и пассивных методов был сооружен полномасштабный экспериментальный

водоем. С сентября 2006 г. осуществили несколько заполнений, чтобы смоделировать внезапные

паводки при различных метеорологических условиях. В статье описано оборудование и представ-

лены результаты экспериментов. Особое внимание уделено взаимосвязи между коэффициентом

фильтрации и соответствующими температурными изменениями.

1 Введение

Помимо переливов основные рис-

ки, грозящие безопасности плоти-

ны, – это регрессивная эрозия и

сдвиг основания плотины. В пос-

леднее десятилетие в ряде исследо-

ваний, особенно в работах Европей-

ской рабочей группы по суффозии

Рис. 1: Поперечное сечение дамбы водоема

и внутренней эрозии, отчетливо по-

казана необходимость локализации

и квантификации этих феноменов.

Для этих целей могли быть с успе-

хом использованы представленные

методы измерения, проводимые с

помощью оптоволоконного кабеля,

особенно для температурных и де-

формационных измерений.

Поскольку оптоволоконные

датчики располагаются как можно

дальше от низового откоса плотины

и находятся ниже кривой депрес-

сии, здесь свою функциональность

демонстрирует пассивный метод

измерения температуры для ло-

кализации протечек в плотине [1].

Однако чувствительность этого ме-

Оптическое волокно

4 м 1 м

8,5 м 1 м

150 см

20 см

10,25 м

1,9 м

0,9 м