Oddziaływanie płynu i konstrukcji przy podwodnym rozbiórce grodzia wybuchami: studium przypadku III etapu grodzia RCC Trzech Przełomów

Bezpieczne wysadzenie tymczasowej zapory

Gdy buduje się olbrzymią zaporę, jak Zapora Trzech Przełomów nad Jangcy, tymczasowe „pomocnicze” grodzie zwane grodziami odcinającymi utrzymują suchy teren robót. W końcu trzeba je usunąć, często przy użyciu materiałów wybuchowych, nie uszkadzając przy tym zapory głównej ani nie zakłócając wytwarzania energii. W tym badaniu autorzy opisują, jak inżynierowie wykorzystali zaawansowane symulacje komputerowe, by szczegółowo zrozumieć, jak masywny betonowy grodz rozrywa się i przewraca pod wodą podczas wybuchu — oraz jak otaczająca woda kształtuje ten ruch.

Dlaczego woda komplikuje rozbiórkę

Wysadzanie skał i betonu w powietrzu to już złożone przedsięwzięcie. Pod wodą staje się ono znacznie bardziej skomplikowane. Woda zmienia zachowanie eksplozji: wywiera nacisk na ładunek, przenosi silne fale uderzeniowe i wciska gaz pod wysokim ciśnieniem w szczeliny. W efekcie sposób kruszenia betonu i ruch połamanych bloków na dnie rzeki nie da się przewidzieć przy użyciu zasad stosowanych w rozbiórkach naziemnych. Tymczasem podwodne wysadzenia są powszechne w portach, kanałach żeglugowych, projektach hydroenergetycznych i dużych dokach, gdzie grodzie trzeba likwidować blisko wartościowych obiektów. Inżynierowie potrzebują lepszych metod przewidywania, jak odłamki będą latać, ślizgać się i osiadać, aby chronić pobliskie zapory i elektrownie.

Ogromny tymczasowy wał w dużej głębokości

Przedmiotem badań jest grodz wykonany w III etapie z betonu zagęszczanego walcami (RCC) w Projekcie Trzech Przełomów — długi, grawitacyjny wał biegnący równolegle do zapory głównej około 114 metrów w górę rzeki. W przeciwieństwie do wielu obiektów tymczasowych, ten grodz zaprojektowano z myślą o przyszłej rozbiórce. Podczas budowy w strukturze wykonano trzy wewnętrzne komory ładunkowe i specjalne otwory „przełamujące”, aby późniejsze wybuchy mogły przeciąć górną część i spowodować jej kontrolowane przewrócenie. Wyzwanie było ogromne: ponad 180 000 metrów sześciennych betonu należało usunąć na odcinku o długości 480 metrów, na głębokościach sięgających około 40 metrów — niemal dwukrotnie większych niż przy wcześniejszych wysadzeniach grodzi na świecie — przy jednoczesnym zachowaniu rygorystycznych limitów bezpieczeństwa w pobliżu zapory głównej i elektrowni.

Symulacja każdego bloku i każdego wiru

Aby zbadać tę ryzykowną operację, autorzy zbudowali szczegółowy model komputerowy, który traktuje grodz jako tysiące oddzielnych „cząstek” betonu połączonych ze sobą, otoczonych wodą, która przepływa i wywiera na nie siły. Połączyli dwa potężne narzędzia: jedno śledzące ruch płynu (obliczeniowa mechanika płynów), drugie śledzące ruch i rozdrabnianie wielu elementów stałych (dyskretny model elementów). Dzięki sprzężeniu tych kodów zespół mógł śledzić, jak wodą pod wysokim ciśnieniem napędzane przez eksplozję najpierw wycinają w ścianie nacięcie, potem jak górna sekcja pęka, obraca się, ślizga i w końcu opada na dno rzeki, podczas gdy woda napływa, krąży i spowalnia lub przekierowuje odłamki.

Jak grodz się rozpada

Symulacje pokazują rozbiórkę przebiegającą w trzech głównych fazach. Najpierw synchronizowane ładunki w wewnętrznych komorach i otworach przełamujących wycinają głęboką, skośną wyrwę, przesuwając punkt podparcia górnej sekcji. Pod własnym ciężarem i pod wpływem różnicy poziomów wody wewnątrz i na zewnątrz grodzia, górny blok zaczyna się obracać jak powoli opadające drzwi. Po drugie, w miarę jak się przechyla, blok zsuwa się w dół po nowo utworzonym stoku pozostałego betonu, z wodą naciskającą na jego czoło i płynącą pod nim. Połamane kawałki zsuwające się na dno przyspieszają otaczający przepływ i tworzą przeciwnaprężenia, które spowalniają fragmenty przy krawędziach, podczas gdy elementy w środku poruszają się szybciej. Wreszcie górna sekcja traci kontakt ze stokiem i spada swobodnie pod wodą na dno rzeki, gdzie wirowania i wiry krążą wokół opadających szczątków. Model uwzględnia także, że pozostała dolna część grodzia zachowuje mniej więcej planowany kształt i wysokość.

Walidacja modelu

Modele komputerowe są użyteczne tylko wtedy, gdy odzwierciedlają rzeczywistość. Podczas rzeczywistego wysadzenia przy Trzech Przełomach czujniki na zaporze głównej zarejestrowały drgania, gdy przewrócony grodz uderzył o dno rzeki. Pierwszy silny sygnał uderzenia pojawił się około 16,1 sekundy po detonacji — taka sama wartość została przewidziana przez symulację. Pomiary dna morskiego wykazały, że szczelina powstała po zniszczonym grodziu i wysokość pozostawionej części były bliskie projektowi i wynikom obliczeniowym. Ta zgodność daje inżynierom pewność, że sprzężony model potrafi uchwycić zarówno sposób zniszczenia betonu, jak i reakcję wody.

Znaczenie dla przyszłych zapór

Dla osób niezajmujących się specjalistycznie kluczowy wniosek jest taki, że badanie przeobraża wysoce energetyczny, trudno obserwowalny podwodny wybuch w proces przewidywalny i zobrazowany. Traktując grodz jako zbiór połączonych bloków, a rzekę jako płyn w ruchu, badacze pokazują, jak woda nie tylko przenosi energię wybuchu, lecz także amortyzuje, przekierowuje i czasami spowalnia opadające odłamki. Ich podejście może pomóc projektantom w planowaniu bezpieczniejszych strategii rozbiórki dużych grodzi i innych konstrukcji podwodnych, zmniejszając ryzyko dla głównych zapór, elektrowni i pracowników oraz pozwalając lepiej wykorzystać materiały wybuchowe i warunki na miejscu.

Cytowanie: Wu, L., Liang, Z., Cai, Y. et al. Fluid–structure interaction in underwater blasting demolition of cofferdam structures: a case study of three gorges phase III RCC cofferdam. Sci Rep 16, 5175 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35562-x

Słowa kluczowe: podwodne wybuchy, rozbiórka grodzia, Zapora Trzech Przełomów, oddziaływanie płyn–konstrukcja, symulacja numeryczna