Протяженность стабилизированной зоны русла с помощью щелочного активированного цемента вокруг опор и устоев мостов при условиях чистой воды

Почему безопасность мостов важна

Когда реки выходят из берегов, быстрое течение может незаметно смывать песок и гравий вокруг опор моста — процесс, известный как размыв (scour). Во всем мире эта скрытая эрозия является одной из основных причин ослабления конструкций, их разрушения и необходимости дорогостоящего ремонта. В условиях изменения климата, приводящего к реже, но более интенсивным паводкам, инженерам срочно нужны методы защиты мостов, которые были бы не только эффективны и доступными по стоимости, но и более экологичными. В этом исследовании рассматривается новый подход: использование экологичного цементоподобного материала для уплотнения именно той части русла вокруг опор и устоев, которая предотвращает образование опасных выемок, грозящих устойчивости сооружения.

Как мосты разрушают снизу

Когда река несет воду к мосту, поток сталкивается с опорами и устоями, удерживающими пролёт. Течение вынуждено огибать эти препятствия, опускаться и образовывать вихри, закручивающиеся у их оснований и уносящие с собой наносы. Со временем эти завихрения вырезают глубокие ямы в русле, особенно во время паводков. Если выемка становится достаточно великой, она может оголить фундамент и поставить мост под угрозу. Традиционные меры защиты — например, укладка слоёв камня вокруг опор — эффективны, но тяжёлы, дороги в установке и часто требуют добычи и транспортировки больших объёмов камня. Обычный портландцемент тоже можно применять для упрочнения дна, но его производство связано с большим углеродным следом и другими экологическими издержками.

Более экологичный способ упрочнения русла

Исследователи испытали другой связующий материал — щелочно активированный цемент, получаемый смешением побочного продукта сталелитейной отрасли, доменного гранулированного шлака, с простым щелочным раствором. При внедрении в существующий песок на поверхности русла смесь формирует тонкую твёрдую корку, которая прочно связывает зерна, при этом проницаемость лежащего ниже грунта почти не меняется. Ранее было показано, что добавление лишь небольшого количества такого материала может повысить сопротивляемость донного материала размыванию до сотен раз, без выделения вредных веществ в воду. В экспериментах авторы изготовили пятисантиметровые плиты обработанного дна вокруг масштабных моделей круглых и прямоугольных опор и двух распространённых форм устоев, после чего поместили их в лабораторный лоток, имитирующий речное течение.

Нахождение оптимального размера защиты

Ключевой вопрос заключался не в том, работает ли упрочнение вообще, а в том, насколько далеко оно должно простираться в разных направлениях, чтобы сохранить мост в безопасности без лишних затрат материала. При тщательно контролируемой глубине воды и двух сильных уровнях потока — имитирующих требовательные, но ещё устойчивые по наносам паводковые условия — команда провела десятки испытаний. Они варьировали, насколько далеко обработанная зона доходила вверх по течению, вниз по течению и вбок от каждой опоры или устоя, наблюдая, где образовывались размывы после более чем суток непрерывного потока. Практическое правило проектирования, которое они приняли, было таким: допустима небольшая яма ниже по течению от обработанной зоны, если только она не подмывает упрочнённый участок снизу и не доходит до самой конструкции. Методом проб и ошибок были определены «ровно достаточные» геометрии для каждой формы и режима течения.

Какой объём эрозии можно сдержать

С этими оптимальными конфигурациями упрочнённые участки вокруг круглых и прямоугольных опор, а также вокруг обоих типов устоев сокращали максимальную глубину размыва примерно на 70–80 процентов по сравнению с необработанным дном. Важно, что самая глубокая часть выемки смещалась вниз по течению, подальше от опоры или устоя, оставляя обработанную зону нетронутой и стабильной. Требуемая защищаемая площадь увеличивалась с усилением потока, а вертикальные устои требовали больших зон, чем устои со стенками-крыльями, поскольку они формируют более сильные нисходящие течения. Дополнительные испытания с более грубыми наносами указывали на то, что помимо силы потока важен ещё и безразмерный показатель его скорости и глубины (число Фруда), который влияет на размер необходимой упрочнённой области.

Что это значит для реальных мостов

Для неспециалиста вывод прост: выборочное упрочнение относительно тонкого, правильно подобранного участка русла вокруг опор мостов экологичным цементом из промышленных побочных продуктов позволяет существенно уменьшить опасную эрозию и отодвинуть оставшийся размыв в более безопасное место. Такой подход может потребовать гораздо меньше материалов и техники, чем защита камнем, и при этом избежать многих экологических недостатков традиционного цемента. Исследование также даёт практические начальные размеры для разных форм опор и устоев в условиях «чистой воды» и отмечает, что ещё предстоит изучить — например, более энергичные потоки с подвижным дном и разные углы течения — прежде чем можно будет сформулировать полные правила проектирования для реальных рек.

Цитирование: Ghaedi Haghighi, A., Zarrati, A., Karimaei Tabarestani, M. et al. Extent of stabilized streambed region by alkaline activated cement around bridge piers and abutments in clear water condition. Sci Rep 16, 9178 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40143-z

Ключевые слова: размыв мостов, речная инженерия, стабилизация осадков, щелочно активированный цемент, безопасность мостов