Гернит в гидротехническом строительстве: шлюзы, плотины, каналы

Каковы особенности применения гернитового шнура для герметизации строительных и деформационных швов в гидротехнических сооружениях — шлюзах, плотинах, каналах и водозаборных узлах? Какие специфические требования предъявляются к уплотнительным материалам, работающим в условиях постоянного или периодического водонасыщения и гидростатического давления? Как обеспечивается долговременная надёжность герметизации в агрессивной водной среде?

Гернитовый шнур в гидротехническом строительстве применяется для герметизации строительных, температурных и деформационных швов бетонных массивов, подверженных гидростатическому давлению до 0,6 МПа. Благодаря закрытопористой структуре и водопоглощению не более 1% по массе, гернит сохраняет уплотняющие свойства при длительном водонасыщении. Для гидротехнических сооружений применяется гернит повышенной плотности (500–600 кг/м³) в комбинации с гидроизоляционными шпонками, бентонитовыми профилями и инъекционными системами. Проектирование ведётся по СП 58.13330.2012, СП 101.13330.2012 и ГОСТ 19177-81.

Гидротехнические сооружения (ГТС) эксплуатируются в условиях, принципиально отличающихся от условий работы общестроительных конструкций. Согласно СП 58.13330.2012 «Гидротехнические сооружения. Основные положения», к уплотнительным материалам предъявляются следующие специфические требования:

Гернитовый шнур удовлетворяет большинству перечисленных требований благодаря своей закрытопористой структуре: поры материала не сообщаются между собой, что предотвращает капиллярный подсос воды и обеспечивает низкое водопоглощение. Однако для обеспечения полной водонепроницаемости при значительных гидростатических давлениях гернит применяется в составе комбинированных систем уплотнения.

Строительные (бетонные) швы

Строительные швы образуются при бетонировании массивных конструкций в несколько этапов (захваток). В гидротехническом строительстве объёмы бетонирования могут достигать тысяч кубометров, что делает неизбежным устройство строительных швов. Герметизация строительных швов гернитовым шнуром производится следующим образом:

• Шнур диаметром 20–40 мм укладывается в подготовленный паз на поверхности ранее уложенного бетона.
• Обжатие шнура происходит при укладке последующего слоя бетонной смеси под действием её веса и вибрационного уплотнения.
• Для повышения надёжности гернитовый шнур комбинируется с гидроизоляционной шпонкой из ПВХ или резины, устанавливаемой в средней части сечения.
• В ответственных сооружениях дополнительно предусматривается инъекционная система для нагнетания полиуретановых или акрилатных смол в случае обнаружения протечек.

Температурные швы

Температурные швы в гидротехнических сооружениях устраиваются для компенсации температурных деформаций бетонных массивов. Расстояние между температурными швами определяется расчётом и обычно составляет:

• Для массивных бетонных плотин — 15–25 м
• Для подпорных стен и устоев — 20–30 м
• Для водопроводящих галерей — 25–40 м

Герметизация температурных швов в ГТС выполняется многослойной системой:

1. Внутренняя зона: гернитовый шнур диаметром 40–80 мм, обжатый на 30–40%.
2. Промежуточная зона: битумно-полимерная мастика или тиоколовый герметик.
3. Наружная зона (со стороны воды): металлическая диафрагма из нержавеющей стали или резиновый компенсатор.
4. Дренажная система для отвода профильтровавшейся воды (в швах напорных сооружений).

Деформационные швы

Деформационные швы в ГТС воспринимают комплексные перемещения: температурные, осадочные и сейсмические. Их конструкция является наиболее сложной и включает:

• Гернитовый шнур в качестве первичного уплотнения (2–3 ряда).
• Профильные резиновые уплотнители (шпонки) различных типов: типа «ласточкин хвост», трубчатые, лепестковые.
• Бентонитовые профили (набухающие при контакте с водой).
• Металлические компенсаторы из нержавеющей стали.
• Инъекционные каналы для ремонтного нагнетания.

Шлюзы и судоходные сооружения

Шлюзы являются одними из наиболее ответственных гидротехнических сооружений с точки зрения герметизации. Камеры шлюзов подвергаются циклическому наполнению и опорожнению, что создаёт знакопеременные нагрузки на уплотнения. Гернитовый шнур в шлюзах применяется для герметизации:

• Строительных швов стен камер шлюза (диаметр шнура 30–50 мм).
• Температурных швов днища и стен (диаметр 40–60 мм).
• Узлов примыкания стен к днищу (диаметр 30–40 мм).
• Швов между секциями голов шлюза (диаметр 50–80 мм).

Особенностью работы гернита в шлюзах является циклическое изменение гидростатического давления от 0 до максимального (10–30 м вод. ст.) с частотой, определяемой графиком шлюзования. Это предъявляет повышенные требования к упругим свойствам материала и его способности восстанавливать форму после снятия нагрузки.

Плотины (бетонные и железобетонные)

В плотинах гернитовый шнур применяется для герметизации межсекционных швов. Бетонные плотины разрезаются на секции температурно-осадочными швами, расстояние между которыми составляет 15–25 м. Герметизация швов плотин имеет следующие особенности:

• Швы со стороны верхнего бьефа (напорной грани) уплотняются многорядной системой: 2–3 ряда гернитового шнура, металлическая диафрагма, битумная шпонка.
• Вертикальные швы напорной грани дополнительно защищаются железобетонными брусьями-вутами, перекрывающими шов.
• Горизонтальные строительные швы уплотняются гернитовым шнуром диаметром 20–30 мм, укладываемым перед бетонированием вышележащего блока.
• В зоне переменного уровня воды (зона колебания уровня верхнего бьефа) применяется гернит с повышенной морозостойкостью.

Каналы и водоводы

В оросительных, судоходных и энергетических каналах с бетонной облицовкой гернитовый шнур применяется для герметизации:

• Температурно-усадочных швов бетонной облицовки (шнур диаметром 20–40 мм).
• Деформационных швов в местах сопряжения канала с сооружениями (диаметр 40–60 мм).
• Швов между плитами облицовки (диаметр 20–30 мм).

Шаг температурно-усадочных швов в бетонной облицовке каналов составляет 3–6 м в продольном направлении и определяется шириной облицовки в поперечном. Гернитовый шнур в швах облицовки каналов должен быть защищён от истирающего воздействия потока воды и влекомых наносов. Для этого шнур утапливается в шов на глубину не менее 20 мм и перекрывается слоем полимерцементного раствора или мастики.

Водозаборные сооружения и насосные станции

В водозаборных сооружениях гернитовый шнур применяется для герметизации швов водоприёмных камер, аванкамер, всасывающих трубопроводов. Специфические условия включают:

• Повышенные требования к санитарной безопасности (для сооружений хозяйственно-питьевого водоснабжения).
• Возможность контакта с хлорсодержащими реагентами (при обеззараживании воды).
• Знакопеременные нагрузки при пусках и остановках насосов.

Для водозаборных сооружений питьевого водоснабжения гернитовый шнур должен иметь санитарно-эпидемиологическое заключение о безопасности применения в контакте с питьевой водой.

В ответственных гидротехнических сооружениях I и II классов (по СП 58.13330.2012) гернитовый шнур применяется в составе комбинированных систем уплотнения, включающих несколько барьеров различного принципа действия:

Применение комбинированных систем обеспечивает многократное резервирование и позволяет сохранить герметичность сооружения даже при выходе из строя одного из барьеров. Это особенно важно для напорных сооружений, где протечки могут привести к суффозии грунта основания и аварийным ситуациям.

Долговечность гернитового шнура в гидротехнических сооружениях определяется следующими факторами:

Влияние водонасыщения на физико-механические свойства

Исследования показывают, что при длительном (более 10 лет) водонасыщении гернитового шнура происходит незначительное (5–10%) снижение модуля упругости при сжатии. Это связано с пластифицирующим действием воды на резиновую матрицу. Однако благодаря закрытопористой структуре вода проникает только в поверхностный слой шнура на глубину 1–3 мм, не затрагивая внутренний объём материала.

Старение в водной среде

Скорость старения гернита в водной среде значительно ниже, чем на воздухе, так как отсутствует окислительное воздействие кислорода и ультрафиолетового излучения. Основными факторами старения в воде являются:

• Гидролиз полимерной матрицы (для резин на основе полихлоропрена — незначителен).
• Вымывание пластификаторов и противостарителей (скорость — менее 0,1% в год).
• Биологическое обрастание (для гернита нехарактерно благодаря отсутствию питательных веществ).

Прогнозирование срока службы

Пример 1. Герметизация швов камеры судоходного шлюза

При реконструкции судоходного шлюза с напором 18 м была применена следующая система герметизации межсекционных швов камеры:

• Со стороны воды: металлическая диафрагма из нержавеющей стали 12Х18Н10Т толщиной 6 мм.
• За диафрагмой: два ряда гернитового шнура диаметром 60 мм с обжатием 35%.
• В средней части: ПВХ-шпонка типа «ласточкин хвост» шириной 250 мм.
• С внутренней стороны: бентонитовый профиль 20×30 мм.
• Инъекционная система из перфорированных трубок диаметром 20 мм.

За 12 лет эксплуатации протечек через швы не зафиксировано.

Пример 2. Герметизация строительных швов бетонной плотины

При строительстве гравитационной бетонной плотины высотой 45 м гернитовый шнур диаметром 30 мм был уложен во все горизонтальные строительные швы между блоками бетонирования. Общая протяжённость швов составила 12 500 м. Дополнительно в напорной зоне (первые 5 м от напорной грани) был уложен второй ряд шнура диаметром 20 мм. Контрольное бурение и испытания водонепроницаемости через 5 лет эксплуатации подтвердили соответствие швов проектным требованиям.

Гернитовый шнур является эффективным и надёжным материалом для герметизации швов гидротехнических сооружений при условии его правильного применения в составе комбинированных систем уплотнения. Закрытопористая структура обеспечивает низкое водопоглощение и сохранение упругих свойств при длительном водонасыщении. Для обеспечения нормативного срока службы (не менее 25 лет для сооружений I–II классов) необходимо применять гернит плотностью 500–600 кг/м³ в сочетании с гидроизоляционными шпонками, бентонитовыми профилями и инъекционными системами. Проектирование уплотнений должно выполняться в соответствии с требованиями СП 58.13330.2012, СП 101.13330.2012 и с учётом конкретных условий эксплуатации сооружения.