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 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, 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 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.