Оценка водопроницаемости замковых соединений шпунтовых конструкций и обоснование возможности их применения в качестве противофильтрационных диафрагм

Журнал «Гидротехника». В статье рассмотрены риски разрушения гидротехнических сооружений, обусловленные фильтрационными процессами в обратных засыпках. Показан потенциал применения шпунтов производства ПАО «Северсталь» в качестве водонепроницаемых диафрагм. Представлены результаты лабораторных испытаний и численного моделирования в программе Midas GTS NX, подтверждающие повышенную водонепроницаемость замков. Сделаны выводы о целесообразности включения данных решений в нормативную практику.

Развитие портовой инфраструктуры сопровождается увеличением объёмов строительства гидротехнических сооружений, включающих подпорные стены, набережные, плотины и др. Согласно оценкам, прирост портовых мощностей в России к 2030 году может составить порядка 220 млн тонн, что приведет к росту объёмов дноуглубления и применения шпунтовых ограждений. Возрастание протяженности и глубины таких сооружений требует более строгого контроля над фильтрационной устойчивостью конструкций, в особенности — при использовании обратных засыпок из дисперсных и неоднородных грунтов.

Практика проектирования показывает, что расчётные модели фильтрации через замковые соединения шпунтов часто не учитывают локальные особенности течения воды в зонах контакта «грунт–сталь». Согласно нормативной документации, классические зависимости, основанные на законе Дарси, неприменимы к замковым соединениям, из-за чего затрудняется обоснование водонепроницаемости сооружения в рамках существующих нормативных методик. Между тем, по экспертным данным, около 80 % аварий гидротехнических сооружений происходит вследствие нарушения фильтрационной прочности и суффозии.

Один из примеров – разрушение земляной дамбы в районе г. Орск в апреле 2024 года, повлекшее за собой масштабное подтопление. Среди возможных причин аварии:

В соответствии с проектной документацией в конструкции дамбы отсутствовали противофильтрационные экраны, а иные дренажные и фильтрационные мероприятия не предусматривались. По информации из открытых источников сооружение представляет собой не дамбу, а земляной вал, и не было рассчитано на экстремально высокие уровни воды (приток воды в Ирклинское водохранилище в период с 25 до 29 марта возрос в 50 раз, а на пике паводка – более чем в 200 раз).

Одной из возможных причин аварии, как отмечено ранее, является фильтрационно-суффозионная потеря прочности грунтов основания и тела дамбы. С целью защиты плотины от такого рода разрушений применяются следующие методы усиления:

• зуб (рис. 2а);
• замок (рис. 2б);
• шпунтовая стенка (рис. 2в);
• шпунтовая стенка в сочетании с зубом (рис. 2г);
• инъекционная завеса, доведенная до водоупора (рис. 2д);
• висячая инъекционная завеса (рис. 2е);
• понур в сочетании с экраном (рис. 2ж).

В качестве одного из способов повышения фильтрационной устойчивости земляных плотин и обратных засыпок в международной и отечественной практике рассматриваются шпунтовые диафрагмы – вертикальные экраны из стальных шпунтов, перекрывающие поток фильтрации и выдерживающие большие нагрузки.

Особый интерес представляют конструкции, в которых водонепроницаемость достигается не за счёт герметизирующих материалов, а за счёт естественного кольматирования замковых соединений мелкодисперсными частицами грунта обратной засыпки. В таком случае возникает необходимость в экспериментальной и численной оценке поведения замков при фильтрационных потоках.

Настоящая работа направлена на комплексное исследование водопроницаемости замковых соединений шпунтов, изготавливаемых
ПАО «Северсталь», методом лабораторных испытаний и численного моделирования в программе Midas GTS NX. Целью исследования является подтверждение возможности использования данных замковых соединений в качестве водонепроницаемых диафрагм при проектировании гидротехнических сооружений.

По результатам исследований были сделаны следующие выводы:

• начальный коэффициент фильтрации замкового соединения шпунта с охватывающим и охватываемым профилем равен 3,5 м/сут, а стыкового соединения – 2,7 м/сут;
• время кольматирования мелкодисперсными фракциями замковых соединений до полной их водонепроницаемости для крупнообломочных гравийных грунтов обратной засыпки соответствовало ≈4 ч, для песков гравелистых ≈7,5 ч, для песков средней крупности ≈22 ч;
• в качестве обратной засыпки пригодны следующие типы грунтов: крупнообломочный гравийный, песок гравелистый, песок средней крупности.

Результаты лабораторных испытаний легли в основу численного моделирования, выполненного с применением программного комплекса Midas GTS NX.

Для подтверждения результатов лабораторных испытаний и анализа поведения замков при фильтрационном воздействии были выполнены численные расчёты в программном комплексе Midas GTS NX.

В обоих случаях расчётная схема включает:

• грунт (размеры модели 2,5×10×5 м);
• 3D-модель шпунта GraniPro 970×10×5 (рис.5).
• Параметры (рис.4):
• правая часть схемы – постоянное давление воды от верха расчетной схемы;
• левая часть схемы – водопонижение до отметки дна;
• грунт – песок средней крупности.

В расчетной схеме замоделирован шпунт производства ПАО «Северсталь» GraniPro 970×10×5 с замком, идентичным ранее испытанному в лабораторных условиях.

Результаты численного моделирования демонстрируют согласование с лабораторными испытаниями. Коэффициент фильтрации замкового соединения шпунта с охватывающим и охватываемым профилем соответствуют наблюдаемым экспериментальным данным.