Разработка оптимальной конструкции и технологии наращивания плотины шламонакопителя №2 Стахановского завода ферросплавов

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Министерство образования и науки Луганской народной республики

ГОУВПО ЛНР

Луганский национальный университет имени Владимира Даля

Стахановский учебно-научный институт горных и образовательных технологий

Кафедра «Технологии горного производства и охраны труда»

Научно-исследовательская работа

Тема:

Разработка оптимальной конструкции и технологии наращивания плотины шламонакопителя №2 Стахановского завода ферросплавов

Стаханов 2020 г.



РЕФЕРАТ

Научно-исследовательская работа содержит 44 листа, 5рисунков, 4 таблицы, 31 источник.

Объект исследования - шламонакопитель №2 Стахановского завода ферросплавов.

Цель работы - обоснование возможности наращивания плотины шламонакопителя №2 Стахановского завода ферросплавов и разработка оптимальной конструкции и технологии ее наращивания.

Методика исследования: натурные обследования, отбор проб шламов, лабораторные определения физико-механических характеристик шламов, обработка и анализ результатов, сбор и анализ технической документации, расчет статической устойчивости плотины, формулировка выводов.

Результатом работы являются предложения, включающие обоснование возможности наращивания плотины шламонакопителя и разработку наиболее приемлемой конструкции и технологию наращивания.

Охрана окружающей среды на примере наращивания плотины шламонакопителя Стахановского завода ферросплавов.

Ключевые слова: Стахановский завод ферросплавов, хвостовое хозяйство, шламонакопитель, водовод осветленной воды, водозаборные сооружения, шламопровод, пульпа, шламы.



Содержание

Введение

1. Натурное обследование шламонакопителей, отбор и анализ проб шламов, назначение расчетных характеристик грунтов

1.1 Натурное обследование, отбор проб

1.2 Анализ проб отобранных шламов

1.3 Назначение расчетных характеристик грунтов

2. Расчет устойчивости плотины шламонакопителя №2 Стахановского завода ферросплавов

2.1 Общие сведения

2.2 Методы и результаты расчетов

2.3 Расчет устойчивости плотины по различным поперечникам

2.4 Анализ результатов расчета устойчивости

3. Предложения по схеме наращивания и конструкции плотины

3.1 Прогнозная оценка состава, состояния и несущей способности толщи намытых шламов; обоснование схемы наращивания

3.2 Схема наращивания

3.3 Высота наращивания

3.4 Материал для наращивания плотин

3.5 Рассмотрение возможности продления срока эксплуатации шламонакопителей №2 и №3 другими методами

4. Первоочередные мероприятия по обеспечению обоснованности проектных решений

Выводы

Список используемой литературы



введение

Потребность в проведении данной работы возникла в связи с исчерпанием ресурса эксплуатации, действующего шламонакопителя №3.

Объект исследования - плотины шламонакопителей №2, №3 Стахановского завода ферросплавов.

Цель работы - оценка возможности наращивания плотины шламонакопителя.

Лабораторные анализы отобранных проб шламов, которые были необходимы для дополнения результатов инженерно-геологических изысканий. Для более объективной оценки полученных значений характеристик шламов Стахановского завода ферросплавов был проведен аналитический обзор научно-технической литературы, содержащей сведения о свойствах грунтов-аналогов и способах продления срока эксплуатации накопителей промотходов.

На основе совокупности накопленных в процессе выполнения НИР данных были проведены расчеты статической устойчивости плотины шламонакопителя №2 на ее наиболее возвышенном участке, результаты которых позволили обосновать возможность наращивания плотины шламонакопителя №2 в сторону верхнего бьефа и, с учетом предварительности полученных результатов - разработать наиболее приемлемую конструкцию и технологию подобного наращивания.



1. Натурное обследование шламонакопителей, отбор и анализ проб шламов, назначение расчетных характеристик грунтов

1.1 Натурное обследование, отбор проб

Натурное обследование шламонакопителей №2 и №3 проводилось в мае 2014 года и сопровождалось отбором проб намытых и исходных шламов.

На шламонакопителе №3 была обследована наиболее высокая южная часть плотины и отобраны пробы намытого шлака у работающего выпуска пульпы.

Пробы отобраны на небольшой длине проходимого участка пляжа, практически непосредственно у выпуска.

Осмотрен низовой откос плотины на предмет обнаружения возможного высачивания фильтрационных вод, т.к. в скв. 1004 при бурении [1] был вскрыт слой рыхлого грунта с мелкими пустотами, что указывает на возможность развития суффозионных процессов. Выходов фильтрационных вод на низовом откосе визуально обнаружено не было, возможно из-за мощного весеннего травостоя по всей поверхности откоса.

Участок плотины, на котором пробурена скв. 1004, расположен в месте перелома рельефа естественной поверхности земли4 в дальнейшем следует усилить визуальные и инструментальные наблюдения на этом участке и провести ряд мероприятий, изложенных в последнем разделе.

Шламонакопитель №2 практически обезвожен, его более низменная западная часть заболочена, а более возвышенная восточная - изрыта вследствие разработки и отбора шламов.

Пробы шламов отобраны на участке шламонакопителя в районе ПК10-ПК11 по длине пляжа в направлении, перпендикулярном оси плотины.

Поверхность шламов здесь находится в среднем на 2 м. ниже гребня плотины и сильно повреждена вследствие эрозионных процессов.

Пробы отбирали в кульки и кольца на визуально-ненарушенном строительными машинами проходимом участке пляжа длиной около 50м. через каждые 5м; предварительно поверхность шлама расчищалась от наиболее эродированных отложений. Образцы, отобранные в кольца компрессионного и срезного приборов, все равно оказались частично повреждены вследствие длительных эрозионных процессов в верхнем слое отложений, поэтому их структура при дальнейшем анализе может рассматриваться только как условно-ненарушенная.

Параллельно отбору проб в кульки и кольца в нескольких точках удалось отобрать наименее поврежденные монолиты шламов (размеры каждого из которых были менее диаметра пробоотборного кольца), что позволило в лабораторных условиях методом парафинирования определить плотностные характеристики верхней части намытых отложений естественного сложения.

Пробы исходной пульпы отобраны из напорного пульпопровода в пульпонасосной станции; из двух проб методом отстаивания удалось выделить навеску шлама, достаточную для последующего анализа гранулометрического состава твердой фазы пульпы.

1.2 Анализ проб отобранных шламов

Результаты всех определений и испытаний шламов приведены ниже, однако их рассмотрение и анализ следует предварить следующими соображениями.

1. Судя по конструкции шламонакопителя и паспортной консистенции пульпы [2,3], выпуск шламов в шламонакопитель №2 производился методом «под воду», следовательно, отобранные отложения формировались преимущественно не намывом, а осаждением твердой фазы в стоячей воде, что способствовало образованию вблизи основной плотины массива рыхлой, пористой структуры.

2. Кроме того, шламонакопитель №2 является сооружением косогорного типа, водозаборные сооружения осветленной воды располагались с низовой стороны, а подача шламовой пульпы осуществлялась с верховьев. В результате осуществления подобной схемы намыва наиболее мощные отложения у основной плотины должны были сформироваться из шламов минимальной крупности.

3. После прекращения выпуска пульпы в шламонакопитель №2 верхний слой шлама обезвоживался более интенсивно за счет оттока воды в нижележащие слои и испарения, вследствие чего на поверхности образовывалась своеобразная «корка», которую фактически и удалось отобрать в рамках проведения настоящей работы.

Свойства подобной «корки» ранее подробно изучалось в Укр ВОДГЕО [4,5]: отложения этого слоя характеризуются как более мелкие и однородные, чем в нижележащих слоях, могут содержать биогенные вещества и в свеженамытом виде имеют повышенные плотностные и прочностные характеристики по сравнению с отложениями аналогичной крупности, залегающими ниже «корки».

4. Не следует забывать, что в шламонакопителе№2 верхний слой отложений помимо ветровой эрозии на протяжении 15 лет испытывал воздействие атмосферных осадков и множество циклов замораживания-оттаивания, вследствие чего в них происходили, во-первых, значительно более существенные физико-химические изменения, чем в основной шламовой тоще, и, во-вторых, эти изменения могли иметь совершенно иную (диаметрально противоположную) направленность.

Результаты определений гранулометрического состава всех шламов в обобщенном виде представлены на рис. 1.

Задача анализа исходной пульпы в данной работе изначально не ставилась, тем не менее с целью сравнения состава ее твердой фазы с паспортными данными (кр. 1 рис. 1) он был выполнен. Результаты нашего определения (кр.2 рис. 1) совпадают с паспортной характеристикой шламовой пульпы в отношении мелкодисперсных фракций.

Рис. 1. Гранулометрический состав шламов Стахановского завода ферросплавов

Крупнодисперсная составляющая не могла попасть в пробоотборник вследствие несовершенства метода отбора проб, тем не менее d₅₀ исходных шламов в обоих случаях оказался одинаков и составлял 0,008мм.

Гранулометрический состав шламов, отобранных на шламонакопителе №3 с поверхности надводного пляжа практически непосредственно у выпуска, изображен на рис.1 кр.3. Крупность этих шламов крайне высока, средневзвешенный диаметр d_св = 1,34мм.

Средний гранулометрический состав отобранных с поверхности шламонакопителя №2 шламов изображен на рис.1 кр.4.

Структура гранулометрического состава всех проб, отобранных с поверхности шламонакопителя №2 на участке длиной 50м, однотипна и не зависит от местоположения точки отбора на данном участке, т.е. какого-либо фракционирования не наблюдается. Осредненная средневзвешенная крупность шламов поверхностного слоя на протяжении 50м составляет 0,034мм. Число пластичности для этих мелких шламов не определилось вследствие размокания проб на границе текучести.

Из рассмотрения приведенных на рис.1 кривых гранулометрического состава можно сделать ряд заключений и выводов.

Зона отбора проб из шламонакопителя №2 располагалась не в стрежневой части потока пульпы, а скорее всего в его застойной зоне у верхового откоса плотины. Кроме того, пробы были взяты только из верхнего слоя отложений, т.к. бурение шламовой толщи не производилось.

Поэтому, исходя только из результатов определения гранулометрического состава отобранных в различных условиях шламов возможно сделать следующую оценку их качества как основание под наращивание плотины по всему контуру сооружения.

1. За период эксплуатации шламонакопителей №2 и №3 крупность исходных шламов изменилась незначительно, содержание частиц <0,005мм осталось высоким, около 40-45%.

2. Учитывая, что при намыве шламонакопителя №3 на сегодняшний день крупность отложений у выпуска чрезвычайно высока - d_св = 1,34мм, а в верхней части прудковой зоны она составляет 0,034мм, правомерно считать, что весь объем отложений шламонакопителя №2 представлен отложениями, гранулометрический состав которых заключен между кривыми 3 и 4 рис.1, из которых исследована самая мелкодисперсная верхняя часть.

3. Так как шламы являются техногенными грунтами, по гранулометрическому составу указанные отложения шламонакопителя 3,2 возможно классифицировать как пески различной крупности и пылеватые (наличие гравийных частиц на кр. 3 рис. 1 возможно объяснить их эпизодическим поступлением с окалиной).

Для нижней огибающей крупности (кр.4 рис.1) по классификациям, принятым в дорожном строительстве [6], исследованный мелкодисперсный шлам относится к супесчаным пылеватым грунтам, которые без укрепления считаются малопригодными для сооружения земляного полотна. По нормативной классификации [7] этот мелкодисперсный шлам может быть охарактеризован как песок пылеватый.

Остальная, более крупнодисперсная часть отложений шлама является песчаным грунтом, который в строительной практике считается безусловно пригодным в качестве тела и основания грунтовых сооружений.

При анализе физико-механических свойств изученных мелкодисперсных шламов (табл. 1) в первую очередь необходимо отметить их высокую пористость, тем не менее сопровождающуюся умеренной сжимаемостью. Эти шламы при естественной влажности с запасом выдерживают нагрузки 0,5 кг/см² от веса человека, для сравнения: согласно [8] для неслежавшихся отходов аналогичного состава R_о = 0,64-0,8 кг/см².

К сожалению, неизвестны ни минеральный состав шламов Стахановского завода ферросплавов, ни форма слагающих их частиц, наличие или отсутствие коллоидов, возможное агрегатирование и прочие показатели, являющиеся определяющими для прогнозирования структуры сложения дисперсных сред. Поэтому на данном этапе исследований подобное аномальное соотношение высокой пористости и структурной прочности исследованных шламов возможно объяснить специфическими условиями образования и старения исследованных мелкодисперсных отложений.

Таблица 1

Результаты лабораторных определений физико-механических характеристик шламов Стахановского завода ферросплавов

Лабораторные №	Естест. влажность	Степень влажности	Плотность частиц грунта т/м3	Плотность грунта г/см3	Пористость грунта в дол. ед.	К фильтрации и верхнего слоя (10-20см) м/сут	К уплотнения Мпа1	Модуль деформации в инт.Р=1.0-2.0 МПа	Относительная просадочность Мпа-1
1	0,61	0,66	2,17	1,16	0,67	0,079	0,4	7,50	0,00015
2	0,61	0,74	2,17	1,25	0,64	0,065	0,3	9,26	0,0001
3	0,58	0,60	2,17	1,0	0,68	0,095	0,6	5,20	0,00025
4	0,58	0,68	2,17	1,21	0,65	0,086	0,4	7,12	0,00025
5	0,63	0,78	2,17	1,29	0,63	0,0695	0,2	13,75	0,00015
6	0,62	0,68	2,18	1,19	0,66
среднее	0,61	0,69	2,17	1,18	0,65	0,079	0,4	8,6	0,00018
2м	0,72			1,35	0,64	1,78
3м	0,70			1,40	0,82	1,65
4м	0,73			1,52	0,88	1,47
Ср.	0,72			1,42	0,83	1,63

Это, прежде всего, осаждение мелкодисперсных частиц в стоячей воде в стороне от стрежня основного потока пульпы и медленный рост отложений в высоту, что обычно сопровождается образованием высокопористых осадков с ячеистой структурой. Верхний слой отложений не уплотнен весом вышележащих слоев и возрастание его пористости со временем может также объясняться растворением части минерального скелета отложений под воздействием атмосферных осадков. С другой стороны, длительное высыхание шлама с поверхности приводит к некоторой «цементации» частиц коркового слоя.

Лабораторные определения показали, что средняя пористость отобранных в кольца образцов шламов составляет с = 65%, соответственно, коэффициент их пористости ? = 1,91 (табл.1), монолитные образцы несколько более плотные - с = 0,62; ? = 1,63; тем не менее и те и другие являются рыхлыми грунтами.

Образцы шламов в кольцах были опробованы на набухаемость. В исследованном диапазоне нагрузок Р = 1-3 Мпа даже столь пористые мелкодисперсные шламы оказались непросадочными - их относительная просадочность составляла 0,0001-0,0002, что подтверждает гипотезу об образовании между частицами связей наподобие цементационных.

По полученным показателям пористости обследованные мелкодисперсные шламы близки к природным лессовым грунтам, пористость которых составляет обычно 55-65%, но значительно менее пористы, чем грунты прудковых зон хвостохранилищ, пористость которых может превышать 99% [9]. Наиболее близки к изучаемым шламам намытые надводным методом хвосты обогащения и мелкодисперсные шламы черной металлургии, пористость которых при аналогичной крупности также может доходить до 67% (рис. 2).

При испытаниях в компрессионном приборе шламы Стахановского завода ферросплавов показали себя как грунты среднесжимаемые или с несколько повышенной сжимаемостью: коэффициент уплотнения г = 0,4 Мпа^-1.

Рис. 2. Зависимость коеффициента пористости намітіх техногенніх грунтов от их крупности

Соответственно, модуль деформации мелкодисперсных шламов, определенный непосредственно опытным путем, в среднем составил 8,6 Мпа (с учетом поправочного коэффициента, принимаемого для супесей в = 0,74, Е = 6,4 МПа), что также выше ожидаемого при подобной пористости. Например, для природных супесчаных грунтов с вдвое меньшим коэффициентом пористости нормальный модуль деформации принимается равным 7 Мпа [8].

Угол внутреннего трения при испытании мелкодисперсных шламов в условиях полного водонасыщения при неконсолидированном сдвиге составил 18°, что не ниже, чем у природных супесей с пористостью 46%.

Удельное сцепление исследованных шламов оказалось практически таким же, как у природных глин - 0,05 Мпа, т.е. выше, чем у супесей.

Коэффициент фильтрации изучаемых шламов даже под нагрузкой оставался довольно высоким - порядка 0,1 м/сут, что в целом характерно для супесей, но на 1-2 порядка выше, чем у других техногенных грунтов такой крупности.

Подобное повышение коэффициента фильтрации очевидно связано с высокой пористостью проб, т.к. в известных формулах, таких как Козени, Слихтера, В.С. Истоминой, М.П. Павчича, величина коэффициента фильтрации находится в пропорциональной зависимости от квадрата или куба пористости. Поэтому следует предположить, что для шлама с истинно ненарушенной структурой k_ф будет ниже.

1.3 Назначение расчетных характеристик грунтов

Результаты, полученные в данной органической серии испытаний, говорят о несколько аномальных свойствах мелкодисперсных шламов Стахановского завода ферросплавов. Это может объясняться как незначительным количеством отобранных образцов шламов (что увеличивает вероятность получения случайных значений характеристик), существованием отличий в свойствах шламовой корки и общего массива шламов, а также возможной специфичностью, присущей данному материалу.

С учетом вышесказанного при назначении исходных данных для расчетов статической устойчивости плотины с учетом ее наращивания для повышения реальности и достоверности полученных результатов проведен сравнительный анализ характеристик шламов и грунтов-аналогов (табл.2).

Рассмотрение данных приведенных в таблице 2, указывает на то, что исследованные мелкодисперсные шламы по основным прочностным показателям близки к природным супесчаным грунтам, а также намытым надводным методом металлургическим шламам и хвостам обогащения той же крупности; по некоторым своим характеристикам (удельное сцепление) они приближаются даже к глинам, морским илам или торфам.

Поскольку изучение свойств вышеназванных техногенных грунтов-аналогов базировалось на значительно более объемном фактическом материале, согл. Рис. 3 в расчеты устойчивости вводились несколько сниженные прочностные показатели шлама, соответствующие характеристикам грунтов-аналогов, полученным на основе многолетних исследований и изысканий.

Рис. 3

Ввиду слабой изученности вопроса и ограниченного количества скважин, пробуренных при изысканиях 2014 г. с отбором проб природных грунтов, слагающих тело и основание плотины [1], а также возможности изменения характеристик последних во времени, для оценки достоверности полученных результатов проведено их сопоставление с результатами более ранних изысканий на этой же площадке, а также с их нормативными значениями согласно [8,18].

Основание сооружения по данным изысканий сложено сильно выветренными алевролитами и аргиллитами с суглинистым заполнителем.

В техническом паспорте шламонакопителя №2 [2], указано иное строение основания (начиная от подошвы плотины): суглинки, сланцы глинистые, песчаники.

В паспорте шламонакопителя №3 [3], возведенного на той же площадке, строение основания близко к приведенному в [2].

Подобное отличие в геологическом строении основания вызывает некоторые сомнения и требует дополнительных изысканий.

Судя по топографии участка размещения шламонакопителя №2, естественное основание плотины в расчетном створе вблизи скважин 1002 находится на отм. 141,0-144м.

Однако в этих скважинах вплоть до отм.133,5м вскрыт слой грунта, идентифицированный как насыпной (очевидно вследствие его повышенной рыхлости) и по составу аналогичный телу плотины, т.е. суглинок с дресвой и щебнем песчаника и алевролита.

Соблюдая принцип преимущественности результатов современных изысканий, тем не менее нельзя полностью игнорировать столь существенное - порядка 10м, несовпадение слоев основания.

Появление в верхнем слое основания плотины дополнительного насыпного слоя, может быть объяснено изменениями, произошедшими с алевролитами, сланцами и песчаниками в процессе эксплуатации шламонакопителя. Такие полускальные грунты согласно [20] отнесены к низкопрочным грунтам, изменяющим свои свойства в ходе строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений. В частности, это может быть связано с непредвиденными воздействиями на грунты основания шламонакопителя. Нельзя исключать также вероятность диффузии вышележащих грунтов тела плотины в выветрелый верхний слой основания, вследствие чего они практически сравнялись по своим свойствам.

Тот же процесс, очевидно, произошел и с грунтами тела плотины, так как в техническом паспорте шламонакопителя №2 в р.1.6. отмечается, что в процессе эксплуатации физико-механические характеристики тела плотины (содержащего дресву, щебень песчаников и алевролитов) также ухудшились (что вызвало необходимость устройства в 1982 г. дополнительной пригрузки).

Из сравнения данных [1], [2] и [3] следует, что характеристики основания по сравнению с определенными на проектной стадии ухудшились; в качестве наихудших они и использовались в расчетах устойчивости.

Поскольку параметры углеотходов изменяются в широких пределах в зависимости от степени метаморфизма и выветрелости пород, для возможности оценки их возможного диапазона включены данные по другим углеотходам.

В качестве исходных данных в расчеты устойчивости плотины, наращиваемой из углеотходов, включены их характеристики, как имеющие худшие прочностные и фильтрационные показатели по сравнению с аналогом [19].

В случае, если дополнительные изыскания, рекомендованные в разделе 4, выявят незначительное улучшение свойств шламов в глубине отложений, их предполагается укреплять методами, опробованными набудущих опытных участках. В настоящих расчетах устойчивости принято укрепление толщи шламов крупнокусковым каменным материалом - слой 12.



2. Расчет устойчивости плотины шламонакопителя №2 Стахановского завода ферросплавов

2.1 Общие сведения

По согласованию с заказчиком в рамках данной работы выполнялся расчет устойчивости плотины шламонакопителя №2, наращиваемой по нескольким вариантам; расчет устойчивости плотины шламонакопителя №3 не рассматривался.

Расчеты статической устойчивости плотины шламонакопителя №2 «Стахановского завода ферросплавов» выполнены для трех вариантов конструкции плотины, наращиваемой в сторону верхнего бьефа.

В качестве исходных данных (см. табл. 4) для выполнения расчетов устойчивости преимущественно использованы материалы, предоставленные Заказчиком - физико-механические свойства грунтов тела и основания плотины и поперечные сечения плотины с двумя вариантами наращивания:

0-1 - суглинистая дамба наращивания с отметкой гребня 161,0м и

0-3 - дамба наращивания из углеотходов с ядром и отметкой гребня 163,0 м. Вариант расчета 0-2 выполнен для конструкции наращиваемой части, предложенной Исполнителем - поярусные дамбы наращивания с отметкой гребня 161,0 м.

Плотина шламонакопителя №2 «Стахановского завода ферросплавов» относится к III классу основных постоянных гидротехнических сооружений, т.к. высота сооружения менее 35 м [22].

2.2 Методы и результаты расчетов

Для расчета устойчивости плотины шламонакопителя №2 «Стахановского завода ферросплавов» использованы методы расчета по формулам Терцаги и Можевитинова, а также метод напряженно- деформированного состояния (далее метод МКЭ). Все указанные методы соответствуют основным расчетным случаям, регламентированных [23] для плотин из грунтовых материалов III и IV классов и позволяют определить минимальные коэффициенты запаса устойчивости откосов плотины в заданных поперечных профилях 0-1, 0-2, 0-3, при заданных характеристиках грунтов тела плотины и основания.

При проверке устойчивости низового и верхового откосов принята расчетная схема, при которой в теле сооружения имеется установившийся фильтрационный поток; дренажные устройства в сооружении отсутствуют.

Все расчеты выполнены с учетом фильтрации воды в сооружении и положением кривой депрессии в сооружении. Положение кривой депрессии рассчитано с использованием метода конечных элементов на основании закона Дарси.

При расчете устойчивости методами Терцаги и Можевитинова рассматривается равновесие всей области обрушения и принимается одновременное состояние предельного равновесия грунта вдоль поверхности обрушения, т.е. справедливость зависимости Кулона-Мора по всей границе обрушения.

Использование решений на основе теории упругости (метод МКЭ) позволяет определить все составляющие напряженного состояния, нормальные и касательные напряжения в каждой точке сечения, в отличие от вышеуказанных методов, где массив сооружения разбивается на отсеки, касательными взаимодействиями между которыми пренебрегают. Метод МКЭ позволяет также учесть распределение напряжений во всех точках сооружения при действии неоднородных нагрузок (фильтрационные, сосредоточенные и др.), что дает возможность более точно определять значение коэффициента запаса устойчивости и положения поверхности скольжения.

Расчеты выполнены для кругло-цилиндрических поверхностей скольжения, при этом выполнен поиск кривой скольжения, соответствующий минимальному коэффициенту устойчивости. Расчет по плоским поверхностям скольжения не выполнялся, так как в теле и в основании сооружения отсутствуют прослойки или зоны грунтов с резко пониженными характеристиками сопротивления сдвигу.

2.3 Расчет устойчивости плотины по различным поперечникам

Схема расчета запаса устойчивости плотины шламонакопителя представлена:

- на Рис. 2.1- поперечник 0-1;

- на Рис. 2.2 - поперечник 0-2;

- на Рис. 2.3 - поперечник 0-3;

Результаты расчета коэффициента запаса устойчивости плотины приведена в таблице 2.

Таблица 2

Примечание: варианты 0-2 и 0-3 выполнены для разных размеров расчетных элементов разбиения призмы обрушения.



Рис. 2.1 Плотина шламонакопителя №2 Стахановского завода ферросплавов ПП 0-1

Рис.2.2 Плотина шламонакопителя №2 Стахановского завода ферросплавов ПП 0-2

Рис. 2.3 Плотина шламонакопителя №2 Стахановского завода ферросплавов ПП 0-3

Допустимый коэффициент устойчивости для III класса сооружений согласно [23] таблица 9, составляет 1,15.

В данной таблице представлены результаты расчета только для низового откоса плотины, так как коэффициенты устойчивости верховых откосов всех трех вариантов превышают 2.

2.4 Анализ результатов расчета устойчивости

Приведенные в таблице 5 предельные коэффициенты устойчивости низового откоса плотины в расчетных створах по трем методикам расчетов с учетом принятых допущений можно считать условно устойчивыми для расчетных схем 0-1 и 0-2; по расчетной схеме 0-3 коэффициенты устойчивости ниже предельно-допустимого.

Расчетные кривые обрушения при минимальных Ку значительной своей частью проходят по слоям 3 и 7 в основании первичной плотины, что связано с заниженными, на наш взгляд, прочностными характеристиками этих слоев. При принятом соотношении характеристик всех слоев прохождение кривых обрушения по толще шламов минимально, т.е. при данной расчетной схеме они в меньшей степени влияют на устойчивость низового откоса. При назначении более высоких прочностных показателей грунтов основания картина может поменяться, что в очередной раз подчеркивает необходимость проведения более подробных изысканий существующего основания плотины.

Расчетная кривая депрессии при заданном соотношении коэффициентов фильтрации слоев во всех вариантах выклинивается на низовой откос. Это связано с несовершенством конструкции предварительно принятых противофильтрационных устройств и непригодностью предлагаемого для этих целей суглинка.

Поскольку высачивание жидкости на низовой откос плотины недопустимо, уже на стадии ТЭО будут предложены более приемлемые противофильтрационные мероприятия. Однако детально разрабатывать окончательную конструкцию противофильтрационных устройств имеет смысл после уточнения коэффициентов фильтрации всех грунтов и шламов.

После снижения положения кривой депрессии значение Ку низового откоса по сравнению с полученным в настоящих расчетах возрастет, поэтому исходя из соображений устойчивости наиболее пригодными для осуществления вариантами наращивания в зоне основной плотины возможно считать 0-1 и 0-2 с отметкой гребня плотины 161,0 м.

С позиции максимально-возможного увеличения объема емкости шламонакопителя №2 следует рассмотреть и возможность осуществления варианта наращивания до более высоких отметок, например, 163,0 м (что соответствует расчетной схеме 0-3). Опыт исследования грунтовых плотин показывает, что значительное снижение депрессионной поверхности в теле упорной призмы способно привести к увеличению коэффициента устойчивости сооружения в пределах 10%. Таким образом, на стадии ТЭО правомерно рассматривать и конструкцию плотины с отметкой гребня, превышающей 161,0м, например, 163,0м, но при условии разработки эффективных противофильтрационных мероприятий и последующим проведением поверочных расчетов устойчивости.

наращивание грунт конструкция плотина шламонакопитель



3. Предложения по схеме наращивания и конструкции плотины

3.1 Прогнозная оценка состава, состояния и несущей способности толщи намытых шламов; обоснование схемы наращивания

Шламы ферросплавного производства сравнительно менее исследованы, чем другие мелкодисперсные техногенные грунты и за отведенный период времени их свойства не могут быть достоверно изучены. При проведении инженерно-геологических изысканий [1] бурения шламов в емкости шламонакопителя №2 произведено не было, поэтому состав и состояние отложений в толще возможно оценить сугубо теоретически.

При соотношении в пульпе твердой и жидкой фаз Т: Ж = 1:180 ч 1:330 (из [2, 3]) и низкой крупности исходных шламов (dсв = 0,07 мм) формирование намытых отложений в емкости шламонакопителя №2 в начале откоса намыва происходило в процессе осаждения частиц из потока пульпы; в этой зоне должно наблюдаться довольно четкое фракционирование шламов и плотная их укладка. При достижении потоком пульпы границы прудка, т. е. в исследуемой проблемной зоне у водозабора, осаждение твердой фазы происходило практически в стоячей воде. В случае такого подводного намыва не наблюдается выраженного фракционирования как по длине, так и по глубине отложений; укладка частиц при этом всегда менее плотная, чем при надводном намыве.

Методики расчета зон фракционирования при подводном намыве разработаны преимущественно для песчаных грунтов [24], кроме того, в качестве исходных данных для расчетов требуется знать параметры потока, которые для недействующего уже 15 лет накопителя установить затруднительно.

Поэтому принимается допущение, что в наихудшем случае толща шламов у основной плотины сложена отложениями средневзвешенной крупностью от 0,03 мм (определено для верхнего слоя) до 0,01 мм (взято по данным объекта-аналога - гидроотвала, намываемого из смеси песка, супеси и суглинка [25]).

Как известно, столь мелкодисперсные грунты, намытые в условиях затрудненного оттока воды, медленно консолидируются. По дну чаши шламонакопителя был уложен экран из суглинка толщиной 0,6 м; тело плотины также отсыпано из суглинка с kф = 0,0015 м/сут, что препятствует консолидации намытого массива.

При наращивании плотины шламонакопителя №2 возможность возникновения порового давления в толще ранее намытых шламов следует рассматривать с двух точек зрения: вероятность сохранения в толще прослоек или линз неконсолидированных шламов и вероятность возникновения порового давления при замачивании шламов и отсыпки на них подушки для наращивания плотины.

Кроме того, даже если процесс первичной (фильтрационной) консолидации в толще шламов завершился, в период ее нагружения возможна интенсификация процесса вторичной консолидации, который даже теоретически изучен слабо.

Следует напомнить, что указанные явления с большей вероятностью могут возникать в северо-западной части шламонакопителя, где толща шламовых отложений значительна.

При рассмотрении возможности наличия ослабленных неконсолидированных зон в толще шламов по данным, полученным в лабораторных условиях, ниже была сделана попытка оценить консолидационные характеристики мелкодисперсных отложений шламонакопителя № 2.

Коэффициент консолидации с_v рассчитан по формуле:

с_v

где c_v - коэффициент консолидации;

k_ф - коэффициент фильтрации;

а - коэффициент уплотнения;

у_в - плотность воды.

При приведении всех членов уравнения (3.1) к одним единицам измерения и с учетом того, что ув = 0,001 кг/см3 получаем парадоксальный результат, связанный, очевидно, с неоправданно-высоким kф, полученным опытным путем:

cv = 0,07·10-3см/с / (0,04см2/кг ·0,001кг/см3) = 1,75см2/с ?5000м2/год

Вид грунтов	Коэффициент консолидации Cv
Техногенные грунты [17, 26]: хвосты обогащения с dcв < 0,05 мм, в т. ч. содержащие каолинит, карбонаты	105 ч106 см2/год 0,006 см2/с 0,01 см2/с
то же, с dсв = 0,05 ч 0, 1мм [21]	0,1ч 0,7 см2/с
Природные грунты [27]: каолинит; монтмориллонит; глина с примесью песка	0,002 ч 0,004 см2/с 0,0002 см2/с ок. 001 см2/с
шламы ферросплавного производства по формуле (3.1)	1,75 см2/с

Подобные значения коэффициента консолидации присущи более крупнодисперсным отложениям, характеризующимся быстрой консолидацией, поэтому сделанная выше оценка вызывает сомнения и не может быть положена в основу расчета скорости консолидации мелкодисперсных отложений шламов.

Исследования В.М. Павилонского (ВНИИ ВОДГЕО) показали, что поровое давление практически рассеивается при уплотнении глинистых грунтов до рс = 1,6 ч1,8 т/м3, что эквивалентно достижению коэффициента пористости ? = 0,8 ч 1,0. У исследованных в компрессионном приборе шламов после приложения последней ступени нагрузки коэффициент пористости все еще превышал единицу, т.е. проявляя осторожность, их все же следует считать находящимися в стадии незавершенной консолидации.

Учитывая малоизученность и специфику свойств мелкодисперсных шламов «Стахановского завода ферросплавов», которые послужат основанием для наращивания и мощность которых на наиболее высоком участке плотины может доходить до 10м, представилось целесообразным оценить влияние на несущую способность такого основания различных факторов.

Методы, разработанные для этой цели Н.П. Пузыревским, В.В. Соколовским и др. [28ч30], обычно используются в механике грунтов применительно к жестким сооружениям (фундаментам, бетонным плотинам и пр.). При этом во всех случаях нагружения основания критическая нагрузка на грунт изначально определяется прочностными характеристиками грунта (ц и с) и схемой приложения нагрузки.

Например, (не вдаваясь детально в отличия в условиях работы грунтового сооружения и фундамента), для наиболее простых схем нагружения связного грунта начальное критическое давление возможно оценить простыми уравнениями вида:

p_без = гh · (ctgц + ц + р/2) / (ctgц+ц- р/2) + (рc·ctgц) / (ctgц+ц-р/2),

где ц - угол внутреннего трения;

с - удельное сцепление;

гh = q - ордината эпюры давления от равномерно распределенной нагрузки в зоне пригрузки.

Предельное критическое давление на основание имеет ту же физическую сущность, но для различных схем рассчитывается по более сложным зависимостям и с учетом ряда коэффициентов.

Структура формулы Н.П. Пузыревского (3.2) наглядно иллюстрирует то обстоятельство, что при одних и тех же прочностных показателях основания оно способно выдерживать различные нагрузки от веса сооружения, причем тем большие, чем большее давление прилагается к нему в зоне пригрузки вне сооружения.

Из-за недостаточной изученности рассматриваемого шламового основания величины критических давлений на данном этапе не расчитывались и формула (3.2) приведена лишь с целью иллюстрации существующей тенденции.

С учетом того, что в подобных мелкодисперсных грунтах поровое давление на практике возникает при интенсивности приложения нагрузки более 2 м/год, для повышения несущей способности слабого основания из мелкодисперсных шламов желательно назначать ту схему наращивания, при которой имеется технологическая возможность создания пригрузки у подошвы дамбы наращивания, а нагрузка от веса тела дамбы наращивания минимальна и прилагается постепенно.

На наш взгляд, подобным требованиям в большей степени удовлетворяет разработанная нами «облегченная» схема поярусного наращивания плотины шламонакопителя №2, представленная на рис. П.3.

Помимо снижения давления на основание, подобная схема наращивания при той же отметке гребня плотины требует меньшего объема отсыпаемого в тело плотины наращивания привозного грунта, но требует более детальной научной разработки.

3.2 Схема наращивания

Критерием выбора схемы наращивания обычно является расчетный коэффициент устойчивости возведенного в соответствии с ней сооружения.

В среднем рассчитанные Ку низового откоса для всех вариантов наращивания более или менее близки к нормативным для III класса сооружений, тем более что они получены для значительно худших условий (высокое положение кривой депрессии, ухудшенные характеристики некоторых слоев и пр.).

Как показывает опыт проведения расчетов статической устойчивости плотин, при значительном снижении депрессионной поверхности за счет устройства противофильтрационных экранов в их теле коэффициент устойчивости способен повышаться в среднем на 10%.

В рабочем проекте в обязательном порядке будут разработаны эффективные противофильтрационные мероприятия для тела плотины, что на данном этапе позволяет признать возможными для осуществления все расчетные схемы (0-1 ч 0-3).

Однако из соображений, изложенных в предыдущем разделе, на участке основной плотины при мощности существующих отложений шлама 6-7м представляется возможным осуществить «облегченный» вариант наращивания (рис. 2.2), при котором нагрузка на основание минимизирована, а ее приложение значительно растянуто во времени.

Для уточнения и отработки упомянутых возможных схем наращивания необходимы исследования на опытных фрагментах (разд. 4).

3.3 Высота наращивания

Возможная высота наращивания плотины на сегодняшний день может быть оценена на основании результатов расчетов устойчивости с учетом недопущения изменения класса сооружения.

Вопрос дискуссионности отметки основания плотины уже обсуждался выше. При строгом подходе за основание сооружения следует принимать ненарушенный коренной грунт, кровля которого по оси плотины обнаружена на отметке порядка 133м.

Исходя из этого формально следует, что высота существующей плотины составляет 21м, что еще соответствует III классу гидротехнических сооружений. При подобном формальном подходе максимально-возможная отметка гребня плотины, при которой последняя еще остается сооружением III класса, составляет 168м.

Однако следует учесть, что в одном из вариантов расчета устойчивости отметка гребня была повышена до 163,0м, что по сравнению с вариантами с отметкой гребня 161,0 м и с худшими грунтовыми условиями вызвало снижение Ky на 10% (в среднем для разных методов расчета). При разработке эффективных противофильтрационных мероприятий для тела плотины, коэффициент устойчивости может повыситься на 10%.

3.4 Материал для наращивания плотин

При разработке способа наращивания и конструкции наращиваемой части плотины исходят из соображений надежности сооружения и минимизации затрат на его возведение.

Для накопителей промотходов наименее дорогостоящими являются намывные конструкции, при условии, что материалом всей или большей части упорной призмы служат отходы, складируемые в накопитель.

При осуществлении насыпных схем наращивания также стремятся к укладке в тело плотины как можно большего количества отходов, и только в случае непригодности последних по какому-либо показателю используют природные грунты.

В рамках данной работы Заказчиком-генпроектировщиком заданы два вида материалов тела плотин наращивания: природный суглинок и отходы углеобогащения.

Плотины из однородного материала, как правило, более надежны, просты в конструкции и эксплуатации. Кроме того, суглинистый грунт является традиционным материалом для отсыпки различных дамб, насыпей и пр. и имеется масса инструктивной и нормативной литературы по его применению.

С точки зрения сохранения природных ресурсов и, возможно, стоимости, предпочтительнее использовать при наращивании плотины шламонакопителя №2 отходы углеобогащения. Однако, будучи нетрадиционным материалом для возведения плотин и дамб, для сохранения строительных свойств он требует проведения некоторых специфических мероприятий [31], которые необходимо будет учесть при проектировании.

В случае устройства плотин наращивания из углеотходов намываемые в емкость шламы путем кольматажа тела плотин наращивания способны создать на их верховом откосе противофильтрационный экран. Для оценки кольматирующей способности шламов необходимы дополнительные исследования.

Представляется, что исследованные мелкодисперсные шламы, уже лежащие в чаше шламонакопителя, будут являться достаточным экраном для его ложа, так как под нагрузкой их коэффициент фильтрации уменьшится примерно на 2 порядка, т.е. составит около 0,001м/сут, что совпадает с приведенными в первоначальном проекте 3188/14.РЗ-1-4-ПЗ(Р) данными о фильтрационной способности лежалых шламов «Стахановского ЗФ».

3.5 Рассмотрение возможности продления срока эксплуатации накопителей №2 и №3 другими методами

Продление срока службы накопителей промотходов обычно достигается следующими основными путями:

- расчисткой (в т. ч. частичной) емкости накопителя;

- наращиванием ограждающих плотин;

- изменением технологии намыва, приводящей к повышению плотности намытых отложений, либо изменением способа намыва и схемы подачи пульпы, направленных на увеличение коэффициента заполнения накопителя.

Исходя из мирового опыта эксплуатации шламонакопителей, при плановом подходе к расчистке их емкости и утилизации шлама в проекте принимается секционирование сооружения, т.е. разделение его на несколько самостоятельных секций. В процессе эксплуатации заполнение секций, обезвоживание и выемку шламов производят одновременно, но в различных секциях; таким образом каждая секция служит сначала для накопления шлама, а затем - для его обезвоживания. По окончании консолидации шламовых отложений такая секция представляет собой отвал, пригодный для разработки механическими средствами. Но недостатком является недостаточный путь осветления пульпы при разделении на секции, т.к. занимаемая площадь под шламонакопитель не увеличивается.

В отечественной практике наиболее распространенный способ увеличения емкости сооружения для продления срока эксплуатации - наращивание в высоту его ограждающих плотин. Подобное решение и принято в ТЭО для шламонакопителей «Стахановского ЗФ».

Способы продления срока службы накопителей, основанные на изменении технологии их заполнения, менее радикальны, чем предыдущие; с другой стороны, они практически не требуют капитальных затрат, хотя и не в состоянии продлить срок эксплуатации сооружения на долгие годы.

Известно, что при надводном намыве создаются отложения с меньшей пористостью, чем при подводном; технология надводного намыва позволяет регулировать уровень роста отложений на различных участках шламонакопителя, что в совокупности позволяет существенно повысить коэффициент заполнения его емкости.

До начала работ по наращиванию шламонакопителя №2 на шламонакопителе №3, заполняемом методом «под воду», следовало бы усовершенствовать схему подачи шламовой пульпы, закольцевав пульпопровод, проложенный на гребне плотины и устроив между подающими пульпопроводами переключение, что позволит подавать пульпу на любой участок при работе каждого рабочего пульпопровода, а путем маневрирования работой выпусков - заполнить шламом наиболее пониженную часть шламонакопителя №3.

При заполнении шламонакопителя №2 также представляется перспективным использовать способы повышения коэффициента заполнения емкости путем использования специальных способов намыва и схем подачи пульпы, направленных на изменение конфигурации намытой поверхности. Варьирование технологии намыва позволяет приблизить рельеф поверхности намываемых отложений к горизонтали, максимально сокращая мертвый объем накопителя [32].

Подобное технологическое решение не только возможно, но и крайне желательно осуществить в будущем на шламонакопителе №2, имеющем основание косогорного типа и перепад в отметках ранее намытых в емкости шламов 6ч8 м.



4. Первоочередные мероприятия по обеспечению обоснованности проектных решении

Для обеспечения обоснованности проектных решений предварительно или в рамках рабочего проекта наращивания плотины шламонакопителя №2 необходимо провести ряд дополнительных исследований и мероприятий, важнейшими из которых являются:

- проведение комплекса инженерно-геологических изысканий, включающих зондирование толщи ранее намытых шламов и их бурение в чаше шламонакопителя №2 на максимальную глубину залегания с отбором представительных проб шлама;

- проходка дополнительных скважин в теле основной плотины на ее наиболее возвышенном участке длиной 250-300 м для уточнения мощности и простирания насыпного слоя 3 и выветрелого слоя 7 в основании плотины с отбором проб грунтов и определением их характеристик;

- экспериментальное определение и теоретическое обоснование влияния длительного замачивания на возможность разупрочнения массива намытых шламов в емкости шламонакопителя №2 (размокание, набухание, просадочность и пр.), оценка степени первичной и вторичной консолидации этих шламов;

- исследование структуры и минералогического состава шламов;

- организация опытных площадок наращивания (первоначально на тех участках плотины, где глубина шламовых отложений невелика), натурные наблюдения и исследования на которых позволят выбрать способ и отработать технологию возведения дамб наращивания: с укреплением основания крупнокусковым каменным материалом, с его предварительным замачиванием, с перегрузкой шламового основания, с медленным нагружением основания, и т.д., а также изучить поведение шламового массива под нагрузкой; опытные фрагменты дамб наращивания впоследствии войдут в тело плотины;

- усовершенствование расчетных схем на основании результатов вышеназванных работ и проведение окончательных расчетов устойчивости и напряженно-деформированного состояния сооружения;

- проведение всестороннего технического обследования существующих гидротехнических сооружений шламонакопителя №2 и их отдельных элементов, которые сохранятся при реконструкции и вводе шламонакопителя в эксплуатацию, и, в случае необходимости, включение требуемых ремонтных работ в рабочий проект наращивания.

Независимо от разработки проекта наращивания шламонакопителя №2 представляется необходимым провести контрольные бурения тела плотины шламонакопителя №3 на участке обнаружения слоя рыхлого грунта с пустотами с целью уточнения размеров выявленной ослабленной зоны [1], провести анализ многолетних наблюдений за осадками и изменением положения депрессионной поверхности на указанном участке, по совокупности данных установить причины образования пустот, разработать и осуществить мероприятия по локализации процесса и закреплению грунта.



Выводы

Наращивание плотин и дамб накопителей промотходов в сторону верхнего бьефа является ведущей тенденцией в области промгидротехники, т.к. способствует сокращению изымаемых под накопитель земель и экономии привозного грунта, зачастую специально разрабатываемого в карьерах.

Так как наращивание плотины шламонакопителя №2 в сторону нижнего бьефа связано с большими капитальными затратами и изъятием уже занятых площадок, при разработке ТЭО принято решение, отвечающее указанной современной тенденции отрасли.

В соответствии с этим решением направленность всей работы была ориентирована на оценку возможности осуществления предварительно намеченного способа наращивания.

Технические трудности осуществления подобного решения связаны, прежде всего, с необходимостью использования заскладированных в накопителе отходов в качестве основания под наращивание. Вторая проблема, часто возникающая при продлении срока эксплуатации сооружения сверх проектного, заключается в том, что накопитель к этому времени уже морально устарел и исчерпал ресурс не только по объему, но и по техническому состоянию существующих ограждающих сооружений.

В процессе проведения настоящей работы были исследованы преимущественно мелкодисперсные шламы «Стахановского завода ферросплавов», находящиеся в верхнем слое отложений шламонакопителя №2 и сделана оценка их качества как грунта, который будет находиться в основании наращиваемой части плотины.

Ввиду незначительного количества определений полученные в рамках настоящей работы значения характеристик шламов нельзя было рассматривать как окончательные, поэтому их использование в расчетах для повышения достоверности получаемых результатов необходимо было сопровождать сравнительным анализом с грунтами-аналогами.

Установлено, что по основным физико-механическим характеристикам исследованные мелкодисперсные шламы относятся к супесчаным грунтам техногенного происхождения, которые могут служить основанием сооружения, но по некоторым показателям - близки к лессам и илам, следовательно, нуждаются в улучшении своих свойств тем или иным методом.

В практике отечественного и зарубежного строительства плотин имеются многочисленные примеры успешного возведения плотин и дамб на подобных слабых грунтах. Надежность таких сооружений обеспечивалась достоверностью сведений о свойствах слабого основания, выбором адекватных расчетных схем, разработкой оптимальных технологий возведения сооружения и соблюдением специального регламента контрольных наблюдений. Следует заметить, что до недавнего времени из-за ограниченности информации подобные сооружения стремились возводить с коэффициентом запаса устойчивости порядка 1,5, что значительно выше нормативного.

Исходя из вышеизложенного, приведенные в настоящем отчете результаты, относящиеся как к определению характеристик шламов, так и к расчетам коэффициента устойчивости плотины, следует считать предварительными, достаточными для проектирования только на стадии ТЭО.

...