НИУ МГСУ – ведущий научно-исследовательский институт России в области строительства, участвующий в реализации ключевых инновационных, наукоемких проектов. Один из таких проектов – «Разработка технологий восстановления несущей способности длительно эксплуатируемых железобетонных конструкций ГЭС/ТЭЦ, находящихся под действием напора воды». Работа проводилась в рамках программы «Приоритет-2030» и была представлена Совету Минобрнауки России по поддержке программ развития вузов.
Новая жизнь старых гидроузлов
Россия – уникальная страна с точки зрения гидротехнического строительства: высоконапорные станции на Кавказе и в Сибири, такие как Чиркейская и Саяно-Шушенская ГЭС, Волжско-Камский каскад ГЭС общей установленной мощностью более 10 000 МВт, мощные ГЭС на Дальнем Востоке, Усть-Среднеканская ГЭС в Магаданской области. Однако есть и вполне очевидные проблемы – у многих гидротехнических сооружений значительный физический износ, завершается нормативный срок эксплуатации. Уже произошло несколько аварий: катастрофа на Саяно-Шушенской ГЭС, Федоровском гидроузле, Краснодарском водохранилище, авария перемычки на Беломорско-Балтийском канале – все это ключевые гидротехнические объекты, элементы критической инфраструктуры, от которых зависят жизни тысяч, а порой и миллионов людей. Восстановить и увеличить несущую способность железобетонных и бетонных конструкций плотин и гидроэлектростанций, длительное время находящихся под воздействием напора воды, помогут композитные материалы.
«В реконструкции объектов гидротехнического и гидроэнергетического строительства решение использовать композитные материалы является значительным прорывом. Дело в том, что классические подходы в реконструкции – это изменение компоновок и нагрузок, оценка условий работы сооружений, применение дорогостоящих материалов и технологий, что сказывается на стоимости и сроках выполнения таких работ, – говорит один из руководителей исследования, член-корреспондент РААСН, профессор, заведующий кафедрой гидравлики и гидротехнического строительства НИУ МГСУ Дмитрий Козлов. Плюс нельзя прерывать эксплуатацию ключевых энергообъектов. Для оптимизации сроков и стоимости работ в мировой практике пошли по пути применения композитных материалов, обеспечивающих необходимые проектные характеристики при минимальном изменении геометрических размеров строительных конструкций. Технология крайне востребована и уже применяется на действующих объектах».
Композитные материалы в гидротехническом строительстве используются в усилении бетонных конструкций, восстановлении водоводов гидроэлектростанций, берегоукреплении, строительстве портовых сооружений, реконструкции мостов и некоторого оборудования. Основные преимущества – долговечность, коррозионная стойкость, легкость, ремонтопригодность: поврежденные участки можно быстро восстановить без демонтажа всей конструкции и прекращения выполнения основных эксплуатационных функций.
Кроме надежности, важен и экономический фактор. И хотя первоначальные затраты на использование композитов выше, в дальнейшем расходы на эксплуатацию сокращаются, а значит, снижаются издержки на восстановление и поддержание необходимых эксплуатационных характеристик.
НИУ МГСУ и РусГидро: межотраслевая кооперация
При всех очевидных преимуществах композитов до сего времени массово применять их не торопились. Причина в том, что при строительстве и реконструкции уникальных зданий и сооружений, в том числе гидротехнической направленности, использование композитов было серьезно ограничено – отсутствовали апробированные методики, нормативные документы и технологии применения. Требовалась достоверная методологическая, нормативная и экспериментальная база, свод данных масштабных исследований и испытаний, одним словом – доказательная база.
В НИУ МГСУ такая работа ведется с 2021 года. Инициаторами проекта выступили кафедра ГиГС и ПАО «РусГидро» – ключевой игрок мирового гидроэнергетического строительства, ведущий партнер НИУ МГСУ. В команду исследователей вошли ведущие специалисты в области гидротехнического и гидроэнергетического строительства – директор Научно-исследовательского института энергетических сооружений (филиал АО «Институт "Гидропроект"», входящего в структуру РусГидро) профессор, доктор технических наук Олег Рубин и доцент, кандидат технических наук Антон Антонов, по совместительству преподаватели кафедры ГиГС, и аспиранты – молодые ученые НИУ МГСУ. Испытания проводились на лабораторной базе Научно-исследовательского института энергетических сооружений.
«Мы провели целый ряд испытаний на действие статической нагрузки ж/б модели балочного типа с вертикальными межблочными строительными швами. Помимо армирования балок металлической арматурой, устанавливалась предварительно напряженная композитная базальтопластиковая арматура (АБК), – говорит Дмитрий Козлов. – Нужно было получить новые данные о прочности, прогибах, ширине раскрытия межблочных строительных швов, о напряжениях в металлической арматуре и в АБК после четырехлетней выдержки преднапряжения балок посредством применения АБК. В ходе исследований нам не только удалось оптимизировать выбор композитного материала и выработать методику восстановления несущей способности железобетонных конструкций, включая элементы, подверженные интенсивному водному воздействию, но и, что самое главное, поменять технологию монтажа методом внешнего армирования, что позволило усилить конструкции без остановки эксплуатации сооружения. Кроме того, были сформированы правила усиления гидротехнических сооружений с учетом межблочных швов и динамических нагрузок. Полученные рекомендации по проектированию будут внесены в нормы и стандарты гидротехнического строительства».
Реки, моря и вечная мерзлота: области применения разработки
Результаты лабораторных и экспериментальных исследований в рамках проекта, подкрепленные расчетными обоснованиями, уже внедряются на действующих гидротехнических сооружениях. В частности, на Жигулевской ГЭС новые методики используются при реконструкции перекрытий машинного зала.
«Технология востребована, и здесь важно отметить использование отечественных композитных материалов. Отрасль фактически полностью прошла этап импортозамещения», – отмечает Дмитрий Козлов.
По словам Дмитрия Козлова, технология будет особенно востребована при ремонте давно действующих гидротехнических сооружений, таких как гидроузлы Волжско-Камского каскада водохранилищ, построенных более 50 лет назад. Применение композитов повысит надежность конструкций гидроэнергетических объектов. Кроме того, рассматривается возможность использования композитных материалов в экстремальных условиях – под водой, в зонах вечной мерзлоты и при значительных температурных перепадах.
Кроме объектов гидроэнергетики, разработки могут применяться в реконструкции гидротехнической инфраструктуры, в том числе на транспортных и берегозащитных сооружениях.
Больше новостей о деятельности НИУ МГСУ на официальном сайте.