Строительство. Тепло- и гидроизоляция

Гидроизоляция зданий и сооружений

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Данный вид гидроизоляции служит прежде всего для противофильтрационного экранирования плотин, водохранилищ, бассейнов и каналов, а в последние годы — шламоотвалов, зо-лоотвалов и других сооружений по охране природы [55]. Именно массовое строительство очистных бассейнов для обезвреживания промышленных стоков, отвалов для хранения вредных промышленных отходов вызвало особенно острую необходимость в создании надежных и экономичных противофильтра-ционных экранов. Традиционные же экраны в этом случае малоэффективны, ибо тонкие суглинистые экраны толщиной 0,5— 0,8 м трудно уложить и уплотнить так, чтобы экран большой площади имел средний коэффициент фильтрации менее 2- Ю-5 см/с, т. е. фильтрационный расход вредных веществ с каждого гектара составит 20 л/с, что очень опасно для окружающей территории. На откосах же толщина экрана достигает 3—4 м. Кроме того, такие экраны весьма многодельны и дороги; например, по расчетам Укрводоканалпроекта, наиболее экономичный грунтовой экран шламохранилища из двух слоев суглинка с промежуточным дренажным слоем из песка обходится более 4 руб/м2.

Поэтому начали применять асфальтобетонные покрытия [55],. которые достаточно широко используются за рубежом [35]. Асфальтобетон на основе природных асфальтов и песка был известен еще в глубокой древности: в древнем городе Мохенджо-Даро (Пакистан) имеется ритуальный бассейн, облицованный асфальтом, который существует уже свыше 5 тыс. лет; сирийским природным асфальтом укреплены берега Тигра ( 6.8, а) и Евфрата, висячие сады Семирамиды в Вавилоне («Наука и жизнь», 1974, № 2). Эти примеры иллюстрируют удивительную долговечность асфальтовых покрытий. И среди современных сооружений уже имеются такие, где литой и уплотняемый асфальтобетоны служат 50—100 лет (6.8,б—д),однако для противофильтрационного   экранирования   определилась   конструкция экранов из двух слоев уплотняемого асфальтобетона общей толщиной 12—15 см. Такие экраны эффективно работают на ряде бассейнов Г АЭС и водохранилищ.

Например, в бассейне ГАЭС Глемс (ФРГ) при площади облицовки   70 000  м2  и   напоре  до  21   м   средний   коэффициент фильтрации через асфальтобетонную облицовку составил 7-Ю-9 см/с, суммарно — менее 0,01 л/с. На всех крупных объектах, где удавалось наблюдать за фильтрацией, ее коэффициент не превосходил Ю-7 см/с, причем протечки отмечались лишь через случайные трещины или неуплотненные сменные швы.

В  Советском  Союзе  накоплен  обширный опыт  устройства асфальтобетонных   экранов   различных   бассейнов   и   каналов (табл. 6.8), который позволяет сделать некоторые выводы.

1.         Для облицовок и экранов гидротехнических сооружений

следует применять гидротехнический асфальтобетон, отличаю

щийся повышенным содержанием битума и наполнителя, добав

ками коротковолокнистого асбеста и ПАВ, а в районах с более

суровыми климатическими условиями надо применять асфаль-

тополимербетон на основе полимербитумных вяжущих, придаю

щих ему высокую трещиноустойчивость на морозе.

Рекомендуемые составы асфальтополимербетона для районов с абсолютным минимумом температуры воздуха не ниже —40° С приведены в табл. 6.9.

2.         Покрытия из гидротехнического асфальтобетона правильно подобранного состава [17] и уплотненные до конечной пористости менее 3% обладают практически полной водонепроницаемостью (испытаны при давлении 1 МПа) и очень высокой водоустойчивостью— через 10 лет пребывания в воде водопогло-щение их не превысило 6%, набухание 3%, а прочность снизилась не более чем на 5%. Такие покрытия толщиной 6—8 см не оплывают на откосе с заложением даже 1 : 1 и надежно противодействуют волновым и ледовым нагрузкам (испытаны при высоте волны 2 м и толщине льда 1,5 м).

3.         Оптимальной конструкцией асфальтобетонного экрана является многослойное покрытие, состоящее из протравленного гербицидами и гидрофобизированного разжиженным битумом или битумной эмульсией грунта основания, подготовительного слоя пористого уплотняемого асфальтобетона (черный щебень или биндер) и собственно водонепроницаемого слоя плотного гидротехнического асфальтополимербетона с поверхностной обработкой полимербитумным вяжущим и посыпкой каменной крошкой или крупным песком.

Состав асфальтополимербетона нужно подбирать в зависимости от климатического района строительства, а толщины слоев экрана — на основании инженерного расчета, учитывающего температурные напряжения, действия льда и волн, свойства асфальтобетона [17, 34, 54, 55, 59]. Оптимальные толщины экрана — от 6 см (150 кг/м2) до 8 см (200 кг/м2) асфальтополимербетона, что требует подвоза только 15—20 кг/м2 дорожного битума и 1 — 1,2 кг/м2 каучука или 2—2,5 кг/м2 латекса ( 6.9).

4.         Асфальтобетонные экраны экономически весьма эффек

тивны  при   комплексной  механизации  производственного  процесса с помощью обычных дорожных асфальтобетонных заводов, асфальтоукладчиков и статических или вибрационных катков; для укладки асфальтобетона на откосах разработаны специальные механизмы [33,55]. Например, облицовка Копетдаг-ского канала (табл. 6.8) протяженностью 22 км была сооружена всего за 8 месяцев, причем бригада асфальтировала в среднем 150 м русла в смену. Стоимость облицовки толщиной 8 см составила 3,62 руб/м2 при трудозатратах 0,3 чел.-ч/м2, тогда  как бетонная  облицовка  стоила 7,12 руб/м2, требовала в два раза больше трудозатрат и в три раза больше привозных материалов, а облицовка из сборных железобетонных плит в этих условиях стоила около 12 руб/м2. По данным Саратов-гэсстроя, асфальтополимербетонная облицовка толщиной 5 см стоит 2,29 руб/м2, а с учетом стоимости щебеночной подготовки — 4,4 руб/м2, что также вдвое дешевле бетонной подготовки.

Существенными недостатками асфальтобетонных экранов являются необходимость в специальных механизмах при работе на откосах и зависимость от погодных условий, так как при температуре ниже +5° С и во время дождей покрытия из уплотняемого асфальтобетона на мокром основании выполнять нельзя. Поэтому за рубежом большое распространение получили сборные асфальтобетонные тюфяки, армированные металлической сеткой, которые заранее изготавливаются на заводе или плавучей установке и могут опускаться даже под воду. Такие тюфяки успешно применены на Суэцком канале, канале Дортмунд—Эмс (ФРГ), ряде каналов и бассейнов во Франции.

В СССР сборные тюфяки впервые были применены в 1963 г. (табл. 6.8); в настоящее время по рекомендации ВНИИГа трест Южгидроспецстрой выполняет их них противофильтрационный экран на откосах шламоотвала Николаевского глиноземного завода (табл. 6.8), причем согласно калькуляции Укр-водоканалпроекта стоимость облицовки при толщине тюфяков 6 см и герметизации швов между ними полимербитумным раствором не превосходит 8 руб/м2. Для шламоотвала в Тобольске Укрводоканалпроект в содружестве с НИИВТом разработал конструкцию противофильтрационного экрана из двух рядов асфальтобетонных тюфяков толщиной по 4 см, стоимостью по 5,5 руб/м2, тогда как стоимость экрана из сборных железобетонных плит доходит в этих условиях до 27 руб/м2 (без стоимости герметизации швов).

Все же асфальтобетонные противофильтрационные экраны дороги и трудоемки, в связи с чем для экранирования крупных водохранилищ требуются более экономичные решения. Современные полимерные пленочные материалы открыли в этой области новые возможности. Впервые полимерные пленки для противо-фильтрационных экранов гидротехнических сооружений были использованы в 1951 г. в Италии для экранирования водоема Падова объемом 15 000 м3, а затем они стали широко применяться во многих странах для экранирования различных водохранилищ, причем для этой цели служили главным образом полиэтиленовые (ПЭ) и поливинилхлоридные (ПВХ) пленки толщиной 0,15—0,20 мм [40].

В Советском Союзе пленки начали употреблять с 1958 г. — сначала для экранирования каналов, а затем и водохранилищ («Гидротехника и мелиорация», 1961, № 4) по предложению ВНИИГиМа, АрмНИИГиМа и ВНИИГа [76, 94, 96, 98]. Перечень объектов с пленочными экранами приведен в табл. 6.10, а свойства пленок были указаны в табл. 1.20. Накопленный опыт в этой области позволяет сделать некоторые практические выводы и дать рекомендации.

1.         Наиболее эффективны пленочные экраны из стабилизированной полиэтиленовой пленки толщиной 0,2—0,4 мм, выпускаемой в виде рукавов шириной до 7,9 и даже 9 м, что позволяет устраивать швы в экране только через 16—18 м. Толщина пленки назначается путем расчета прочности и долговечности в зависимости от действующего напора воды и крупности зерен примыкающих к пленке грунтовых слоев [29]; для бассейнов, как правило,— 0,2 мм.

2.         Пленку рекомендуется сваривать в полотнища шириной до 30 м и свободно расстилать по поверхности спланированного грунта или песчаной подготовки, после чего ее присыпают слоем песка, толщина которого для предотвращения повреждений в пленке при движении по ней бульдозера должна быть не менее 70 см. Швы между полотнищами при напоре до 10 м можно выполнять, просто скручивая края пленки, а при больших напорах — сваривая их импульсными полозами или экструдерами; такой экран стоит 1,2—1,5 руб/м2.

3.         При использовании пленки из стабилизированного полиэтилена (черной) и длительно действующем растягивающем напряжении в ней не более 1 МПа расчетная долговечность погребенного экрана превышает 100 лет, что делает пригодными такие экраны для долговременных объектов.

4.         Пленочные экраны рациональны при тяжелой гидрогеологической обстановке, ибо они отличаются высокой дефор-мативной способностью (выдерживают сосредоточенные деформации до 40 см), а также при сложных условиях их выполнения, о чем свидетельствует опыт сооружения экранов в затопленном котловане на Магаданской ТЭЦ, подводной укладки пленочного покрытия на Воронежской ТЭЦ, устройства экрана на затор-фованных грунтах на Череповецком химическом заводе и ведение работ при температуре до —20 °С на Усть-Хантайской ГЭС. Следует особо подчеркнуть низкую трудоемкость (0,15— 0,2 чел.-ч/м2) и высокую производительность при осуществлении подобных экранов; так, на строительстве шламонакопителя Лисичанской ТЭЦ она составила 10 000 м2/сут, а Тортгульского водохранилища — даже до 20 000 м2/сут.

К недостаткам пленочных полимерных экранов следует отнести возможность их повреждения при сооружении, в связи с чем принимаются различные меры вплоть до запрещения передвижения по растянутой пленке людей, обутых в сапоги; но, несмотря на это, на комбинате «Фосфорит» и других объектах отмечались протечки сквозь экраны из-за случайных повреждений, а на водоеме у г. Павии (Италия) — даже разрыв пленки. Контроль и ремонт погребенных пленочных экранов очень затруднены [40, 96, 94, 98].

Поэтому представляет большой интерес опыт использования более прочных гидроизоляционных материалов для экранирования бассейнов. Так, асфальтовые армированные маты «кальт-эластик» были применены еще на первых немецких плотинах Айштаг и Трюбзее в 1924—1926 гг., однако только на водохранилище Брингсхаузен, где маты были защищены слоем песка и щебня, они выдержали многолетнюю эксплуатацию.

Весьма интересен опыт экранирования в 1973 г. бассейна питьевой воды Бисбош (Нидерланды) рулонными матами «ги-пофорс» шириной 5 м, толщиной 5 мм. Сначала употребляли рулоны длиной 29 м и общей массой 1200 кг, а затем длиной 56—100 м и массой 2000—2200 кг. Эти маты армированы нейлоновой тканью «энка-нейлон-суперфест», которая при удельной массе 180 г/м2 имеет предел прочности при разрыве до 30 МПа, растяжимость до 25% и отличается высокой теплоустойчивостью (при 190° С плавится только 1,2%), что позволяет пропитывать ее горячим битумом и наносить поверх нее горячую полимербитумную покровную массу с расходом от 2 до 10 кг/м2 (обычно 5 кг/м2). Материал сочетается с подстилающей полиэфирной пленкой толщиной 25 мкм или крафт-бумагой, защищающих асфальтовое покрытие от повреждения растительностью.

При укладке гипофорса применялся специальный гусеничный кран ( 6.10), швы проклеивались горячей клебемассой, а сверху экран защищался слоем песка и камня, который в зоне переменных горизонтов заливали горячим асфальтом   («Water and Water Eng, 1973, № 929). В Голландии площадь таких экранов составила 325 000 м2 (два больших бассейна для питьевой воды), а в Венесуэле — 472 000 м2 (крупнейший на американском континенте бассейн «Эмабальс Эль Табако» емкостью

3,5 млн. м3).

Такие покрытия представляются весьма надежными и экономичными. Для устройства аналогичных покрытий возможно использование советского материала армобитэпа (см. табл. 1.18), для чего необходимо выпускать его полосами большей ширины и длины, а также дублирование полимерной пленкой (материалом типа монобитэп). Стоимость материала не превосходит 1 руб/м2.

Особо надо остановиться на противофильтрационных экранах бассейнов суточного регулирования ГАЭС, эксплуатация которых крайне осложняется многократными и большими колебаниями горизонта воды, приводящими к намерзанию льда на откосах. На первых советских ГАЭС — Киевской и Загорской — были устроены железобетонные облицовки с герметизированными швами именно из-за опасения воздействия намерзающего льда, толщина которого достигает 7 м.

Так же поступили в 1953 г. и на ГАЭС Рейзах-Рабенлейте

(ФРГ), где верховой бассейн был облицован бетонными пли

тами, усиленными оклеечной гидроизоляцией и слоем асфальто

вой мастики толщиной 12 мм, и в 1963 г. на ГАЭС Том-Сок

(США), где на дне был уложен суглинистый экран, а на отко

сах — бетонные плиты; однако в дальнейшем в бассейнах ГАЭС

выполнялись только асфальтобетонные экраны (табл. 6.11).

Именно поэтому на ГАЭС Лудингтон (США) асфальтобетон

ная облицовка имела толщину до 72 см, ибо здесь толщина льда

могла достигать 11 м, а колебания температуры воздуха от —29

до +38° С.     

Попутно заметим, что в бассейне ГАЭС Лудингтон были хорошо организованы работы по укладке асфальтобетона: смонтированы специальные мостовые асфальтоукладчики фирмы «Страбаг» с фермами пролетом до 40 м и асфальтобетонный завод мощностью 180 т/ч. Каждый асфальтоукладчик имел производительность 35 т/ч, что позволило всего за два месяца уложить на откосах 465 000 т асфальтобетона и 310 000 м3 черного щебня.

Исследования ВНИИГа показали, что все опасения и чрезмерные запасы в прочности покрытия откосов бассейнов ГАЭС необоснованны. Расчетами и испытаниями на специальном крупномасштабном стенде, где покрытие имело толщину всего 4 см, а толщина намороженного льда достигала 1,8 м, установлено' что давление льда не превосходит 0,2 МПа, причем напряжения в покрытии при колебаниях горизонта воды не превышают 0,02 МПа. Это объясняется очень пористой структурой льда в большей части намороженного массива, которая отделяет покрытие от ледового поля на поверхности воды; поэтому расчетным случаем является перерыв в работе ГАЭС, когда возможно примораживание ледового поля к асфальтобетонному покрытию и его консольное воздействие при колебаниях горизонта воды. Для данного случая при толщине льда до 1 м достаточна толщина покрытия 10—12 см (Изв. ВНИИГ, 1976, № 113 и л. 55), а потому на современных ГАЭС суммарная толщина асфальтобетонных экранов принимается не более 15 см [35].

При экранировании крупных бассейнов возникает еще одна трудность: поскольку покрытие из гидротехнического асфальтобетона не только водонепроницаемо, но и воздухонепроницаемо, то под   экраном  большой площади при  колебаниях горизонта грунтовых вод может создаваться пневматическое противодавление. Например, в покрытии бассейна Шатон (Англия) в результате этого образовались «пузыри» асфальта диаметром до 10 м и высотой до 1 м, которые пришлось проколоть и выпустить из них воздух, после чего покрытие опустилось на дно. Анало< гичное поднятие экрана из полиэтиленовой пленки под воздействием ключей наблюдалось на шламоотвале Магаданской ТЭЦ.

Понижение атмосферного давления после грозы точно так же явилось причиной вздутий на дне бассейна Геештахт (ФРГ); поэтому экраны больших бассейнов надо тщательно дренировать; на большинстве немецких ГАЭС, кроме того, устраивают дренажные галереи (либо под днищами бассейнов, либо у основания дамб обвалования), которые позволяют не только выравнивать гидростатическое или пневматическое противодавление, но и контролировать работу экрана.

Еще раз следует подчеркнуть, что все асфальтобетонные экраны бассейнов ГАЭС работают хорошо: например, суммарный расход в дренаже бассейна ГАЭС Вианден не превосходит 1,32 л/с, Эрцхаузен — 0,1 л/с, Глемс — 0,01 л/с, причем площади экранов этих бассейнов относятся как 7,3:1,6:1. Для сравнения укажем, что на ГАЭС Том-Сок (США), где экран выполнен из железобетонных плит со швами через 18 м, уплотненными латунными листами-компенсаторами, суммарный фильтрационный расход достигал 1100 л/с. После многократных ремонтных работ, во время которых дно было покрыто двойным слоем асфальтобетона толщиной 10 см, а нижняя часть откосов — торкретом, фильтрационные потери удалось снизить только в два раза [35, 55].

В заключение укажем, что для противофильтрационного экранирования оросительных каналов и водохранилищ все чаще устраиваются бетоно-пленочные облицовки: по поверхности грунта расстилается стабилизированная полиэтиленовая пленка, сверху прикрываемая монолитным бетоном или сборными железобетонными плитами.