Обоснование применения глиноцементобетонной противофильтрационной диафрагмы II очереди строительства ленинградской АЭС-2

Категория: Инженерия.

Реферат. В процессе проведения инженерно-геологических работ для обоснования проекта Ленинградской АЭС-2 были выявлены сложные гидрогеологические условия, обусловленные наличием в четвертичных образованиях эрозионного вреза-палеодолины. С помощью разработанной численной геофильтрационной модели были получены значительные расходы в выработке, равные примерно 1000–1300 м³/сут. В качестве возможной конструкции противофильтрационной защиты подземного контура рассматривались варианты устройства перехватывающего дренажа или водонепроницаемой противофильтрационной завесы. По результатам выполненных расчетов на численной модели доказана эффективность противофильтрационного элемента (ПФЭ) путем устройства глиноцементобетонной диафрагмы, выполняемой методом буросекущих свай. При перекрытии ПФЭ толщи наиболее проницаемых четвертичных отложений отмечается снижение водопритока в 3 раза, а при его заглублении до основания нижней зоны ломоносовского водоносного горизонта – в 6 раз. Результаты выполненных комплексных исследований фильтрационно-суффозионных свойств глиноцементобетона (ГЦБ) различных рецептур показали, что коэффициенты фильтрации образцов ГЦБ составляли около А ·10^–4 м/сут, материал выдерживал градиенты напора до 151 и обладал высокой эрозионной устойчивостью. Изменение соотношений составляющих ГЦБ позволяет обеспечить управляемость физико-механическими, прочностными и деформационными характеристиками ПФЭ, подобрать оптимальный состав для конкретного объекта строительства, каждого этапа его возведения. Существование специальных установок для проходки глубоких скважин и траншей облегчает возведение ПФЭ из ГЦБ. Глиноцементобетонная диафрагма отличается высокой степенью надежности, простотой технологии производства работ, материал удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ПФЭ. Существует достаточно примеров успешного строительства ПФЭ из ГЦБ, устроенных в основании гидротехнических сооружений. Все это позволяет рекомендовать применение таких противофильтрационных устройств на объектах атомной энергетики.

Ключевые слова: противофильтрационная защита, дренажная система, глиноцементобетонная диафрагма, буросекущие сваи.

Лениградская АЭС-2 (ЛАЭС-2) 
находится в юго-восточной части промышленной зоны г. Сосновый Бор, в 2 км от побережья Копорской губы Финского залива. В процессе проведения детальных инженерно-геологических работ для обоснования проекта ЛАЭС-2 были выявлены сложные инженерно-геологические условия. В четвертичных образованиях, которые имеют сравнительно небольшую мощность, вскрыт древний эрозионный врез (палеодолина) с крутыми бортами, заполненный четвертичными отложениями. Глубина его колеблется от 15–18 до 40 м и более. На карте кровли дочетвертичных отложений прослеживаются контуры палеодолины (рис. 1). Площадь распространения самой глубокой ее части с минимальной абсолютной отметкой  16 м составляет 0,15 км².

Гидрогеологические условия площадки характеризуются развитием двух горизонтов подземных вод, гидравлически связанных между собой: горизонта подземных вод четвертичных отложений и ломоносовского водоносного комплекса коренных нижнекембрийских пород. Грунтовый водоносный горизонт палеодолины широко распространен на участке размещения энергоблоков 3-й и 4-й II очереди ЛАЭС-2. Флювиогляциальный водоносный горизонт расположен в самой глубокой части палеодолины, его максимальная мощность составляет 25 м. В районе основных сооружений 3-го и 4-го блоков максимальная мощность составляет 10 м (рис. 2).

Начиная с конца 2007 г. на большей части территории начал формироваться техногенный режим подземных вод, обусловленный дренирующим влиянием строительных работ, ведущихся на территории первой очереди ЛАЭС-2 [1].

С целью анализа и прогноза фильтрации подземных вод в сложных гидрогеологических условиях специалистами АО «ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева» в сентябре 2014 г. была разработана численная геофильтрационная модель, которая позволила оценить и прогнозировать фильтрационный режим в основании сооружений.

В результате прогнозного моделирования водопритоков в котлованы заглубленных сооружений и к эксплуатационной дренажной системе ЛАЭС-2 были получены значительные расходы, равные примерно 
1000–1300 м³/сут. Прогнозные водопритоки в котлованы основных сооружений 3-го блока получились существенно выше (в 3 раза) значения водопритоков в подобные выработки 4-го блока, что обусловлено близостью хорошо проницаемых отложений палеодолины к сооружениям 3-го блока. Суммарные расчетные водопритоки к выработкам II очереди ЛАЭС-2 при проходке всех котлованов составили 1285 м³/сут, что в 2 раза превышает расходы I очереди [1].

В качестве возможной конструкции противофильтрационной защиты подземного контура 3-го и 4-го энергоблока ЛАЭС-2 предлагалось рассматривать варианты устройства перехватывающего дренажа (как активного метода защиты) или водонепроницаемой противофильтрационной завесы (как пассивного метода защиты).

В случае применения активного метода защиты перехватывающий дренаж может представлять собой систему вертикального или горизонтального дренажа (выполненного методом горизонтального бурения из дренажных шахт), или галерейного (устроенного методом тоннельной проходки). Однако отвод вод из данных дренажных систем требует в одном случае водоподъемных средств, что автоматически делает их крайне дорогими в эксплуатации, или, в другом случае, устройства сбросного самотечного коллектора на низкие отметки в сторону Финского залива, что при его значительной длине и глубине заложения удорожает строительство.

Устройство водонепроницаемой противофильтрационной завесы может быть выполнено в виде шпунтовой стенки: из забивного (погружного) металлического шпунта (например, типа Ларсена), трубошпунта или железобетонного шпунта. К недостаткам применения в данных условиях шпунтовой стенки можно отнести необходимость наращивания отдельных шпунтин на глубоких участках палеодолины (около 40 м) и необходимость устройства специальных «окон» на участках прохождения через противофильтрационный элемент коридоров подземных коммуникаций с последующей гидроизоляцией стыков.

В качестве альтернативы шпунтовым противофильтрационным водонепроницаемым элементам при применении пассивного метода защиты может быть устроена «стена в грунте», выполняемая как траншейным способом в виде длинных или коротких захваток, заполняемых глиноцементными смесями под защитой тяжелых растворов, так и методом буросекущих свай, аналогично заполняемых глиноцементными смесями под защитой тяжелых растворов либо в обсадных трубах. Этот тип противофильтрационного элемента представляется более предпочтительным по сравнению с забивными (погружными) сваями, так как необходимость наращивания в процессе устройства отсутствует.

По результатам выполненных расчетов на численной модели доказана эффективность противофильтрационной конструкции «стена в грунте», которая учитывает особенности строения палеодолины и ее конфигурации, а также наличия в ее толще отложений гравелистых песков. «Стена в грунте» перекрывает основной поток к строящимся сооружениям, значительно снижая водопритоки в выработке. При перекрытии толщи наиболее проницаемых четвертичных отложений противофильтрационным элементом отмечается снижение водопритоков в 3 раза, а при ее продлении до основания нижней зоны ломоносовского водоносного горизонта – в 6 раз (табл. 1).

Таблица 1 – Прогнозные водопритоки в выработке сооружений ЛАЭС-2 
по данным моделирования при устройстве противофильтрационной защиты

Помимо оценки расходов в выработке проводился прогноз изменения геофильтрационного режима водоносных горизонтов. В результате расчетов получены гидроизогипсы водоносных горизонтов при различных вариантах устройства ПФЭ. Графическое представление результатов геофильтрационных расчетов для наиболее эффективного варианта ПФЭ приведено на рисунке 3.

Конструкция глиноцементобетонной «стены в грунте» выполняется поэлементно, отдельными круглыми скважинами или панелями. В связи с высокой токсичностью буровых растворов, применяемых для обеспечения сохранности стенок буровых скважин, в данном случае рекомендуется использование обсадных труб (рис. 4). Устройство ПФЭ методом буросекущих свай в обсадных трубах требует постоянного производственного контроля выполнения работ (рис. 5).

Распространению метода способствует наличие специальных установок для проходки глубоких скважин и траншей. При этом данные установки могут быть модернизированы для решения специфических задач, зачастую возникающих в процессе строительства (например, связанных с геологическими или гидрогеологическими особенностями основания и др.). Кроме того, разработаны методы бурения с использованием тиксотропных жидких составов, противодействующих обрушению грунтов стенок при проходке глубоких выемок [3–4].

К основным критериям выбора состава материала «стены в грунте» относятся следующие характеристики: водопроницаемость, прочность, деформативность, экономичность. Одним из материалов, удовлетворяющих вышеперечисленным характеристикам, является глиноцементобетон (ГЦБ). В настоящее время существует достаточно много примеров успешного строительства и эксплуатации ПФЭ из ГЦБ, устроенных в основании гидротехнических сооружений. Есть положительный опыт выполнения ремонтных работ противофильтрационных устройств традиционного типа в напорных гидротехнических сооружениях (в случае нарушения их фильтрационной прочности) с использованием ГЦБ-материалов [2].

Необходимым требованием к на­дежной работе «стены в грунте» является то, чтобы материал тела «стены» был близок по деформативности к деформируемости окружающего грунта [5]. Одним из важнейших свойств ГЦБ является обеспечение требуемой в конструкции деформируемости.

В состав ГЦБ, как правило, входят цемент, бентонитовая глина, вода, песок, щебень, фибра, противоморозные добавки, пластификаторы (например, лигносульфонат) и другие компоненты, используемые при необходимости изменения исходной рецептуры. Изменение соотношений составляющих ГЦБ позволяет обеспечить управляемость физико-механическими, прочностными и деформационными характеристиками ПФЭ, то есть подобрать оптимальный состав для конкретного объекта строительства, для каждого из этапов его возведения или для ремонта гидротехнического сооружения, что является важным преимуществом ГЦБ [2, 6].

Так, например, увеличение значения водоцементного отношения (В/Ц) и водовяжущего отношения (В/(Ц + Б)) приводит к монотонному уменьшению прочности на сжатие (R) ГЦБ и модуля деформации (E) ГЦБ. При увеличении значения отношения цемент/бентонит растет значение величины прочности на сжатие (R) ГЦБ.

В АО «ВНИИГ им. Б. Е. Ве­денеева» в последние годы ведутся исследования ГЦБ-материала, используемого в качестве противофильтрационного элемента: выполнены комплекс лабораторных, полевых исследований, моделирование фильтрационно-суффозионных процессов, ис­следования фильтрационно-суффозионных и физико-механических свойств ГЦБ, напряженно-деформированного состояния противофильтрационной стенки и пр. Результаты комплексных исследований фильтрационно-суффозионных свойств ГЦБ различных рецептур показали, что данный материал обладает высоким потенциалом в качестве противо­фильтрационного элемента сооружений. В ходе исследований коэффициенты фильтрации образцов ГЦБ составляли около А · 10^–4 м/сут. При этом материал не разрушался при градиентах напора до 151 и обладал высокой эрозионной устойчивостью [2, 7].

На основании результатов проведенных работ определено, что исследованный глиноцементобетонный материал по своим характеристикам удовлетворяет требованиям, предъявляемым к противофильтрационным устройствам. Противофильтрационные элементы, создаваемые методом «стена в грунте», отличаются высокой степенью надежности (при условии обеспечения их сплошности) и простотой технологии производства работ.

Выводы

Обоснована необходимость уст­ройства противофильтрационной защиты основания и подземного контура основных сооружений 3-го и 4-го энергоблоков ЛАЭС-2, обусловленная сложными инженерно-гидрогеологическими условиями площадки строительства – наличием глубоко врезанной прадолины, заполненной хорошо водопроницаемыми обводненными отложениями, служащими источниками водной нагрузки дренажа энергоблоков.

Обоснована целесообразность создания противофильтрационный защиты основания и подземного контура основных сооружений 3-го и 4-го энергоблоков ЛАЭС-2 путем устройства глиноцементобетонной диафрагмы, выполняемой методом буросекущих свай как наиболее технически целесообразным и экономически эффективным в данных условиях способом.

Показана возможность управления прочностными и деформационными характеристиками глиноцементобетона для обеспечения оптимальных конструктивно-технологических свойств глиноцементобетонной диафрагмы в качестве противофильтрационного устройства.

Показаны перспективы применения глиноцементобетонных диафрагм в качестве противофильтрационных устройств на объектах атомной энергетики, даны рекомендации в этой области.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сольский С. В., Котлов О. Н., Чернышева Е. В. Обоснование основных технических решений по инженерной защите от подтопления на период строительства и эксплуатации сооружений II очереди ЛАЭС-2 // Экологическая безопасность АЭС : тр. II науч.-практ. конференции с междунар. участием, посвящ. 70-летию атомной отрасли России, г. Калининград, 20–21 окт. 2015 г. – Калининград : Аксиос, 2015. – С. 156–161.
2. Анализ влияния компонентов 
   ГЦБ на его характеристики / С. В. Сольский, Е. Е. Легина, Р. Н. Орищук, З. Г. Васильева, А. С. Величко // Вестник МГСУ. – 2016. – № 10. – С. 80–93.
3. Королев В. М., Смирнов О. Е., Аргал Э. С., Радзинский А. В. Новое в создании противофильтрационного элемента в теле грунтовой плотины // Гидротехническое строительство. – 2013. – № 8. – С. 2–9.
4. Противофильтрационные завесы гидротехнических сооружений на многолетней мерзлоте / В. И. Фе­досеев, И. Н. Шишов, В. А. Пехтин, Н. Ф. Кривоногова, А. А. Каган // Опыт проектирования и производства работ. Т. 2. – СПб. : ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева, 2009. – 
   С. 303–316.
5. Рассказов Л. Н., Радзинский А. В., Саинов М. П. Прочность и деформативность глиноцементобетона в сложнонапряженном состоянии // Гидротехническое строительство. – 2014. – № 8. – С. 29–33.
6. Рассказов Л. Н., Радзинский А. В., Саинов М. П. Выбор состава глиноцементобетона при создании «стены в грунте» // Гидротехническое строительство. – 2014. – № 3. – 
   С. 16–24.
7. Результаты лабораторных исследований фильтрационных характеристик глиноцементобетона / С. В. Сольский, М. Г. Лопатина, Е. Е. Легина, Р. Н. Орищук, Н. Л. Орлова // Гидротехническое строительство. – 2016. – № 8. – С. 36–40.

Метки: Инженерия

• Назад