Проектирование плотин и других гидротехнических сооружений: современные подходы, нормативная база и инструменты расчёта фильтрации

Проектирование – ключевой этап жизненного цикла любого гидротехнического сооружения. От корректности расчётов фильтрации, прочности и устойчивости зависят безопасность, срок службы и экономическая эффективность гидроузла. Современная практика опирается не только на классические методы, но и на развитые МКЭ-модели, позволяющие учитывать реологию грунтов, нестационарные режимы фильтрации и сложные граничные условия.

Нормативная база гидротехнического проектирования

Чтобы инженерные решения соответствовали действующим требованиям, при проектировании гидротехнических сооружений следует руководствоваться: 

• СП 58.13330.2019 «Гидротехнические сооружения. Земляные плотины» – базовый свод правил по расчёту и конструированию грунтовых плотин; 

• СП 50.13330.2012 «Основания зданий и сооружений» и ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация» – содержат требования к физико-механическим свойствам и лабораторным определением параметров; 

• СП 63.13330.2020 «Бетонные и железобетонные конструкции» – актуален для комбинированных земляно-бетонных схем; 

• РД 34.21.122-87 «Инструкция по оценке безопасности гидротехнических сооружений» – описывает порядок подтверждения ПБ. 

Классификация и особенности грунтовых плотин 

Земляные (грунтовые) плотины по конструкции поперечного профиля делятся на: плотины из однородного/неоднородного грунта, плотины с экраном из негрунтовых материалов/ с экраном из грунта, плотины с ядром, плотины с диафрагмой/стенкой/шпунтом. Основные расчетные стадии: 

• устойчивость откосов в статике, сейсмике и при быстром снижении уровня; 

• расчёт фильтрации и определения затухания порового давления; 

• проверка противофильтрационных устройств (ядра, диафрагмы, дренажа); 

• деформации и осадки. 

На практике особое внимание уделяется связке «фильтрация – НДС»: рост избыточного порового давления снижает эффективное напряжение, что критично для глинистых экранов и гравелистых фильтров.

Методология расчёта фильтрации 

СП 58.13330.2019 рекомендует: 

a) для предварительных оценок – аналитические решения (Лаплас, Дарси, метод парабол); 

b) для сложных, неоднородных массивов – численные методы (МКЭ, МКР). 

Проектировщик должен построить геолого-геотехническую модель, задать коэффициенты фильтрации (kx, ky, kz), кривые водоудерживающей способности (для ННВЗ – не полностью водонасыщенных зон) и граничные условия: уровень воды или поровое давление, проницаемость, объем притока/расхода.

Программные комплексы для геотехнических расчётов 

• GEO5 «МКЭ – Фильтрация». Модуль решает установившийся и неустановившийся фильтрационные задачи в двумерной постановке. С учётом свойств грунтов и заданных граничных условий программа выводит: распределение порового давления, степень насыщения, скорости просачивания, суммарный расход. Результаты используются для расчета общей устойчивости конструкции как в аналитической программе - "GEO5 - Устойчивость откоса", так и методом конечных элементов при помощи снижения прочностностных характеристик по результатам расчета НДС.

• PLAXIS 2D/3D (Bentley, ушел из России) – развитый МКЭ-пакет с функцией time-dependent flow + deformation, учитывающий температурно-фильтрационные эффекты. 

• Sigma/W Seep/W (GeoStudio) – связка для расчёта напряжений и фильтрации с возможностью моделировать режимы строительства. 

• MIDAS GTS NX, удобен при учёте сложной топографии ложа и многолетней мерзлоты. 

• ZSoil и отечественные комплексы «Альтов» или «SCAD GEO» также успешно применяются. 

Технология сквозного BIM/ГИС-цикла 

Ряд проектных организаций переходит к единому информационному пространству. Цифровая модель создаётся в Civil 3D или BIM-системах (Renga, Revit, GEO5 - Стратиграфия), далее данные передаются в PLAXIS или GEO5 посредством форматов DXF/DWG. Полученные поля порового давления и усилий выгружаются обратно для проверки армирования и компоновки дренажей. Такая интеграция позволяет быстро оценивать варианты трассы гребня, высоты и ширины фильтрующих зон.

Практические рекомендации инженера-гидротехника

• При коэффициенте фильтрации ядра k < 1x10^-6 м/с запроектируйте контрфильтры из песчано-гравийных смесей для предотвращения размыва;

• Используйте зависимость k(е) при учёте уплотнения катками: снижение пористости изменяет градиент давления; 

• При расчёте неустановившегося течения для сценария «быстрый сброс» задавайте темп снижения уровня не менее 1,5 м/сут, если иное не оговорено ТЗ; 

• Учитывайте переходные слои – линзы супесей/суглинков приводят к переувлажнению приземного фильтра; 

• Валидируйте модель по данным пьезометрического и деформационного мониторинга первых лет эксплуатации, далее корректируйте параметры k и Cб (консолидация).

Новые вызовы: изменение климата и инъекционная герметизация 

Увеличение амплитуды и продолжительности половодий, прогнозируемые Гидрометцентром до 2050 г., обязывают пересматривать расчётный приток «ПМФ+» и по-новому оценивать пропускную способность водосбросов, выплески паводковых волн и динамику подпора на нижнем бьефе. Помимо проверки устойчивости откосов при затяжных фазах высокого уровня, сегодня СП 58.13330 и EN 1997-1 предписано моделировать многоцикловую фильтрацию, учитывая усталостное расшатывание контактов в зонах сопряжения «грунт-бетон».

Для реконструкции плотин, построенных до 1980-х, инъекционная герметизация стала экономически оправданной альтернативой стенкам в грунте: струйно-цементационные колонны Jet-grouting диаметром 0,6–1,2 м формируют экран на глубину до 25 м, снижая коэффициент фильтрации k c 10^-5 до 10^-7 м/с при минимальном выбросе шлама.

Коллоидно-цементные завесы на базе микрокремнезёма и суперпластификаторов, нагнетаемые через пакеры ϕ38 мм, обеспечивают проникновение в трещины шириной до 50 мкм и позволяют удлинять путь фильтрации без увеличения толщины тела плотины, что особенно ценно для объектов в стеснённых поймах. Практика показала, что комбинированные схемы «дренаж-инъекция-мониторинг» сокращают расходы на капитальный ремонт до 30%, а интеграция работ в BIM-модель облегчает контроль объёмов, ревизию скважин и последующую гидродинамическую диагностику.

Заключение 

Проектирование гидротехнических сооружений сегодня требует от проектировщика четкого соблюдения нормативных требований, инженерного опыта и мощных вычислительных средств. Геотехнические пакеты, такие как GEO5 «МКЭ – Фильтрация», PLAXIS, ZSoil дают возможность оперативно получать надёжные данные о распределении напора и притоке/оттоке воды, а значит – проектировать безопасные, устойчивые и экономичные грунтовые плотины. 

От редакции: перед практическим применением рекомендаций, приведенных в препринте, необходима дополнительная проверка.