Взаимодействие жидкости и конструкции при подводном взрывном демонтаже рисбермовых конструкций: тематическое исследование рисбермы третьей очереди из уплотнённого роликового бетона на плотине Трёх Ущелий

Взрывной демонтаж временной плотины — безопасно

Когда строят гигантскую плотину вроде Плотины Трёх Ущелий на реке Янцзы, временные «вспомогательные» дамбы — рисбермы — держат строительные зоны осушенными. Рано или поздно эти рисбермы нужно удалить, часто с помощью взрывчатки, не повредив главную плотину и не нарушив выработку энергии. В этом исследовании объясняется, как инженеры с помощью современных компьютерных симуляций подробно изучили, как массивная бетонная рисберма разрушается и опрокидывается под водой при взрыве — и как окружающая вода формирует этот процесс.

Почему вода усложняет демонтаж

Взрывать породу и бетон на воздухе уже непросто. Под водой это становится гораздо сложнее. Вода меняет поведение взрыва: она сдавливает заряд, передаёт мощные ударные волны и направляет высоконапорные газы в трещины. В результате то, как бетон дробится, и то, как обломки перемещаются по дну, нельзя надёжно предсказать по наземным правилам взрывных работ. Тем не менее подводные взрывы сейчас обычны в портах, судоходных каналах, гидроэнергетических проектах и больших доках, где рисбермы необходимо разобрать вблизи ценных сооружений. Инженерам нужны более точные методы предвидения траекторий обломков, их скольжения и оседания, чтобы защитить соседние плотины и электростанции.

Огромная временная стена в глубокой воде

Объектом исследования является рисберма третьей очереди из уплотнённого роликового бетона в проекте Трёх Ущелий — длинная гравитационная стена, параллельная основной плотине, примерно в 114 метрах от неё вверх по течению. В отличие от многих временных сооружений, эта рисберма проектировалась с учётом будущего демонтажа. При строительстве в тело конструкции были заложены три внутренних камеры для зарядов и специальные «раскалывающие» отверстия, чтобы последующие взрывы могли разрезать верхнюю часть и заставить её опрокинуться в контролируемом направлении. Задача была огромной: нужно было удалить более 180 000 кубических метров бетона в одном участке длиной 480 метров на глубинах до примерно 40 метров — почти вдвое глубже по сравнению с предыдущими подводными взрывами рисберм в мире — при строгих ограничениях по безопасности рядом с основной плотиной и гидроагрегатами.

Моделирование каждого блока и каждого вихря

Чтобы изучить эту рискованную операцию, авторы создали детальную компьютерную модель, в которой рисберма представлена как тысячи отдельных бетонных «частиц», связанных между собой, и окружена водой, которая течёт и действует на них давлением. Они объединили два мощных инструмента: один отслеживает движение жидкости (вычислительная гидродинамика), другой следует за движением и разрушением множества твёрдых тел (метод дискретных элементов). При связке этих кодов команда смогла проследить, как сначала ударная вода, вызванная взрывом, вырезает выемку в стене, затем как верхняя секция трескается, вращается, скользит и в конце концов падает на дно, пока вода стремительно течёт, рециркулирует и замедляет или перенаправляет обломки.

Как рисберма разваливается

Симуляции показывают, что демонтаж разворачивается в три основных этапа. Сначала синхронизированные взрывы в внутренних камерах и раскалывающих отверстиях прорезают глубокий, наклонный пролом, смещая опорную точку верхней секции. Под собственной массой и под давлением неравновесных водных уровней внутри и снаружи рисбермы этот верхний блок начинает вращаться, как медленно падающая дверь. Во-вторых, по мере наклона блок скользит вниз по вновь образованному склону оставшегося бетона, вода давит на его грань и течёт под ним. Обломки, скользящие по дну, ускоряют окружающую воду и создают встречные течения, которые замедляют куски у краёв, в то время как части в середине движутся быстрее. Наконец, верхняя секция теряет контакт со склоном и свободно падает под воду на дно, где завихрения и вихри обтекают оседающие обломки. Модель также показывает, что оставшаяся нижняя часть рисбермы в целом сохраняет запланированную форму и отметку по высоте.

Проверка модели

Компьютерные модели полезны только если они соответствуют реальности. Во время реального взрыва на Трёх Ущелиях датчики на основной плотине регистрировали вибрации, когда опрокинутая рисберма ударилась о дно. Первый сильный импульс удара появился примерно через 16,1 секунды после детонации — такое же время предсказала симуляция. Обмеры подводного рельефа показали, что образованный после демонтажа разрыв и высота оставшейся части тесно соответствовали проекту и вычисленным результатам. Это согласие даёт инженерам уверенность, что связанная модель может адекватно описывать как разрушение бетона, так и реакцию воды.

Что это означает для будущих плотин

Для неспециалистов главный вывод в том, что исследование переводит высокоэнергетичный, трудно наблюдаемый подводный взрыв в предсказуемый, визуализированный процесс. Рассматривая рисберму как множество связанных блоков и реку как движущуюся среду, авторы показывают, что вода не только переносит взрывную энергию, но и смягчает, перенаправляет и иногда замедляет падающие обломки. Их подход может помочь проектировщикам планировать более безопасные стратегии демонтажа для больших рисберм и других подводных сооружений, снижая риск для основных плотин, электростанций и рабочих, а также лучше используя взрывчатые вещества и условия площадки.

Цитирование: 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

Ключевые слова: подводный взрыв, демонтаж рисбермы, Плотина Трёх Ущелий, взаимодействие жидкости и конструкции, численное моделирование