Фильтрационное воздействие золоотвалов на окружающую среду

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Вследствие подпора воды после наполнения накопителей промстоков возникает существенное изменение режима грунтовых вод на прилегающих территориях. В результате уровни грунтовых вод повышаются на значительных площадях. На некоторых участках происходит подтопление территории загрязненными грунтовыми водами и заболачивание ее. Золоотвалы являются распространенными и мощными источниками загрязнения длительного действия, создающие серьезные экологические проблемы на обширных территориях.

В результате фильтрации, т.е. движения жидкости в пористой или трещиноватой среде может произойти вынос загрязняющих веществ. Фильтрация промышленных стоков отрицательно влияет на экологическую ситуацию вокруг золоотвала, ухудшая санитарное состояние подземных вод и открытых водоемов. При неблагоприятном сочетании природных и технологических факторов фильтрация может привести к нарушению устойчивости дамбы, ее прорыву и вытеканию загрязненной воды и золовой пульпы, образованию мощного селевого потока и затоплению прилегающих территорий, т.е. к масштабной экологической катастрофе.

Для предотвращения или максимально возможного смягчения фильтрационных воздействий золоотвалов на окружающую среду и выбора наиболее эффективных мероприятий по её защите выполняется комплекс фильтрационных расчетов, включающий следующие позиции:

- определение положения свободной поверхности фильтрационного потока в ограждающей дамбе;

- прогнозирование границ зоны фильтрационного воздействия карьера, золоотвала, в частности прогноз границ области возможного загрязнения подземных вод, областей подтопления, обводнения, эрозии и других геоэкологических нарушений, обусловленных фильтрацией;

- определение расхода и скорости течения жидкости, фильтрующейся через тело и основание дамбы;

- оценка эффективности действующих и проектируемых противофильтрационных и дренажных устройств;

- назначение дополнительных конструктивно - технологических мероприятий на участках опасного фильтрационного высачивания (дренирующие пригрузки, дренажные разгрузочные колодца, внешний водоотвод и др.)

В данной работе рассматривается накопитель, для которого определяется количество поступающей воды, рассчитывается фильтрация, предусматривающая определение кривой депрессии, т.е. свободная поверхность фильтрационного потока - напоры, линии тока.

В проекте рассматривается следующие варианты:

Вариант 1.

Однородная дамба на проницаемом основании.

Вариант 2.

Однородная дамба на проницаемом основании. С наличием внутреннего дренажа.

Вариант 3.

Однородная дамба на проницаемом основании. С наличием внешнего дренажа.

Вариант 4

Однородная дамба на проницаемом основании. Накопитель, максимально заполненный водой и отходами.



1. Краткая характеристика золоотвала

Для складирования твердых отходов от ТЭС применяются земляные емкости, образованные специальными гидротехническими сооружениями - золоотвал. Золоотвалы являются звеном технологического цикла тепловых электрических станций, работающих на твердом топливе, и предназначены для организованного складирования золошлаковых отходов.

По способу складирования золошлаковых отходов выделяют насыпные и гидравлические золоотвалы. Емкость (чаша) для складирования золошлаков состоит из ложа (дна) и бортов золоотвала. Бортами могут служить как естественные склоны, так и ограждающие дамбы - грунтовые подпорные сооружения.

Золоотвалы, как и другие накопители, характеризуются непрерывным изменением во времени конструктивных и технологических параметров - действующего напора, контуров сооружения в плане, поперечных и продольных профилей ограждающих сооружений, материала тела дамб наращивания, мощности и физико-механических свойств золошлаковых отложений, интенсивности намыва, рельефа откосов и дна отстойного пруда.

В зависимости от способа образования емкости для складирования золоотвалы подразделяются на одноярусные, многоярусные и бездамбовые. На одноярусных золоотвалах емкость создается возведением ограждающих дамб на полную проектную высоту.

Многоярусные возводятся поэтапно: первичная создается возведением невысоких первичных дамб обвалования, а затем по мере ее заполнения, на золошлаковом основании возводится вторичные дамбы поярусного наращивания, создающие новую емкость для дальнейшего складирования. Бездамбовые золоотвалы устраивают в естественных понижениях рельефа (котловинах) или в отработанных карьерах без возведения ограждающих дамб.

По количеству секций различают односекционные и многосекционные золоотвалы. Важная особенность золоотвалов - постоянное уменьшение свободной емкости в процессе эксплуатации. Характерной же особенностью золоотвалов является беспрецедентно высокая аварийность, отражающая неудовлетворительное состояние их проектирования, строительства и эксплуатации. Эксплуатации золоотвалов действующих ТЭС уделяется недостаточное внимание. Эксплуатационные подразделения, как правило, не оснащены достаточным числом необходимых механизмов; персонал не обладает необходимой квалификацией. Качество строительства в большинстве случаев низкое.

Кроме задач, обычно решаемых при проектировании и строительстве водоподпорных грунтовых сооружений, при проектировании и строительстве золоотвалов возникают дополнительные специфические задачи, свойственные сооружениям накопителей. В первую очередь, это вопросы экологии - предотвращение попадания загрязненных стоков в поверхностные водоемы и грунтовые воды, вопросы пыления и пылеподавления, вопросы наращивания ограждающих дамб и сложные проблемы эксплуатации в суровых климатических условиях. Дефицит свободных площадей для размещения золоотвалов ведет к увеличению их высоты. Высота многих существующих золоотвалов достигает 20-30 м.

При дальнейшем наращивании ограждающих дамб соответственно повышается класс сооружения. При дефиците свободных земель многие золоотвалы вынужденно размещают на площадках, расположенных выше отметок территорий жилой застройки, промышленных предприятий, других объектов, которые при этом попадают в зону возможного подтопления и затопления. В таких условиях особую ответственность приобретают проектирование и строительство защитных инженерных сооружений в комплексе с золоотвалами.



Таблица 1 - исходные данные к курсовому проекту

Параметр	Значение	Параметр	Значение
Lc, м	700	hм, м	2,2
Bc, м	400	hгв, м	1,5
Hд, м	12	bn, м	40
Н1, м	1	hд, м	3
Н2, м	5	hb, м	1
м1,	1	hk, м	5
м2,	1	bk, м	4

Таблица 2 - коэффициенты фильтрации

Коэффициент	Грунт	Значение
k1 , м/сут	Суглинок	0,34
k2 , м/сут	Супесчано-песчаный	9,8
k3, м/сут	Песок ср. крупности	12,8
k4 , м/сут		0,001
k5 , м/сут		0,023
k6 , м/сут		0,76
K7 , м/сут		26,0

Отметка водоупора равна 206,0 м.

2. Аналитический расчет фильтрации

Расчеты выполняются для вариантов с внутренним и внешним дренажом. В них внесено следующее упрощение: коэффициент фильтрации двухслойной толщи принимается по методу последовательного усреднения. Кривая депрессии строится на основе расчета.

Расчетные схемы фильтрации в дамбах на водоупорном и проницаемом горизонтальном основании представлены на рисунках.

Рисунок 1 - Однородная дамба на проницаемом основании, с наличием внутреннего дренажа.

Рисунок 2 - Однородная дамба на проницаемом основании, с наличием внешнего дренажа.

Определение удельного расхода для варианта с внутренним дренажом

Расход для варианта с внутренним дренажом определяют по зависимости

,



где,

,

,

,

,

,

Ординаты кривой депрессии на участке между сечением 1 - 1 и дреной находятся по формуле:

Ординаты кривой депрессии на участке между сечением 1 - 1 и осью ординат h находятся по формуле:

,

Где



Построение кривой депрессии для варианта с внутренним дренажом осуществляется по таблице

Таблица 3 - координаты кривой депрессии

X	Y
1	8,8
3	7,9
5	6,9
7	6
9	3,2
10	2,9

3. Определение удельного расхода с внешним дренажом

Расход для варианта с внешним дренажом определяют по зависимости

,

,

Ординаты кривой депрессии на участке от точки С до входной кромки внешней дрены находят по формуле:

,

В пределах участка lс для определения текущей координаты кривой депрессии используют формулу

,

Произведем расчеты

Построение кривой депрессии для варианта с внешним дренажом осуществляется по таблице:

Таблица 4 - Координаты кривой депрессии

X	Y
2	7,6
4	7
6	6,4
9	5,5
12	4,5
15	3,6
18	2,75
21	1,83
24	0,9
28	-0,33

Аналитическим методом определили удельный расход для вариантов с внутренним и внешним дренажом, рассчитали параметры кривой депрессии.

4.Численное моделирование фильтрации. Фильтрационный расчет

Решение двумерной геофильтрационной задачи в плоско-вертикальной постановке включает:

- построение депрессионной поверхности и линий равных напоров;

- построение линий тока и полных гидродинамических сеток;

- определение параметров подземного потока;

-определение границы зоны загрязнения потока подземных вод фильтратом из накопителя;

- анализ результатов моделирования и сравнительную оценку вариантов противофильтрационных мероприятий, ограничивающих загрязняющее влияние накопителя на подземные воды.

Задача фильтрации решается методом конечных разностей. Для этого нужно построить расчетную схему и дискретную модель области фильтрации, задать исходные расчетные параметры и граничные условия.

В результате работы были рассмотрены четыре варианта:

Вариант 1.

Однородная дамба на проницаемом основании.

Вариант 2.

Однородная дамба на проницаемом основании. С наличием внутреннего дренажа.

Вариант 3.

Однородная дамба на проницаемом основании. С наличием внешнего дренажа.

Вариант 4

Однородная дамба на проницаемом основании. Накопитель, максимально заполненный водой и отходами.

Результаты расчета фильтрационной задачи обрабатываются в графическом пакете Surfer. Графическое представление расчёта фильтрации представлены на рисунках.

Программа для решения фильтрационной задачи написана на языке FORTRAN. Ввод исходных данных осуществляется по формату - описание символьных форм представления значений величин в логических записях наборов данных. Описания помещаются в операторы форматов и используются операторами формального ввода-вывода.

Описание построчного ввода исходных данных.

В первую строку вводятся общее количество пронумерованных столбцов, общее количество пронумерованных строк), количество слоёв грунта.

Во второй строке указывается отметка водоупора.

В третью строку вводится коэффициент сжатия или растяжения.

В четвертой строке указываются размер строк и количество ячеек с данным размером.

Пятым массивом чисел указываются размер столбцов и количество ячеек с данным размером.

Шестым массивом являются коэффициенты фильтрации грунтов по горизонтали в порядке их нумерации.

Седьмым массивом являются коэффициенты фильтрации грунтов по вертикали в порядке их нумерации.

Восьмым массивом являются описания слоёв грунтов по строкам.

Девятым массивом указывается область фильтрации по строкам.

Десятым массивом вводят граничные условия слева, снизу и справа.

Одиннадцатый массив включает описание поверхности (контура) сооружения (слева направо).

Двенадцатый массив указывает на наличие или отсутствие воды в столбцах с указанием их количества.

В тринадцатом массиве указывается глубина воды в указанных выше столбцах и их количество с данной глубиной.

Четырнадцатый параметр указывает количество допустимых итераций.

Рисунок 3 - Золоотвал без дренажа



Рисунок 4 - Золоотвал с внутренним дренажем

Рисунок 5 - Золоотвал с внешним дренажем

Рисунок 6 - Золоотвал максимально заполненный водой и отходами



5. Определение фильтрационного расчета

Выбирается на сетке наиболее удобный, близкий к прямоугольному фрагмент, заключённый между двумя соседними потенциалями и определяется основной расход.

Рисунок 7- Элементы сетки движения потока

Удельный фильтрационный расход, м3/сутки:

где, k - коэффициент фильтрации, м /сутки;

N - высота грунта, м.

l - расстояние между соседними эквипотенциалями, м;

h - разность напоров, м.

Определим удельный фильтрационный расход q, м3/сут для всех вариантов:

Кф1=0,34м/сут;

Кф2=9,8м/сут;

Кф3=12,8м/сут;

Вариант 1:

Вариант 2:

Вариант 3:

Вариант 4:

Расходы, поступающие в дренажи и высачивающие на откос, на поверхность основания за дамбой и полные расходы приведены в таблице 3.

Таблица 5 - Данные удельных расходов

№ Варианта	Удельный расход q,м3/сут	Общий удельный расход qобщ, м3/сут	Полный фильтрационный расход Q, м3/сут
	q1	q2	q3
1	0,34	3,26	21,33	24,93	17451
2	0,48	3,92	25,6	30	21000
3	0,34	3,26	21,33	24,93	17451
4	0,08	1,21	7,95	9,24	6468

В результате моделирования фильтрации промстоков из накопителя, определили положение кривой депрессии, выявили участок высачивания воды.

Анализ данных, приведенных в таблице 3, показывает, что минимальный экологический ущерб при фильтрации промышленных стоков имеет место в варианте 4.

В первом варианте при отсутствии внутреннего и внешнего дренажей, экрана или завесы, кривая депрессии располагается наиболее высоко и образуется участок высачивания потока на низовом откосе. Это требует природоохранной мероприятий.



6. Проектирование противофильтрационных мероприятий

Чтобы исключить возможность просачивания вод на откос, необходимо понизить депрессионную поверхность в теле фильтрационного потока. В 1 и 3 вариантах происходит высачивание на откос дамбы.

Для первого варианта предлагается изоляция дна карьера и бокового откоса дамбы полимерной пленкой. Выбран однослойный пленочный на естественном основании противофильтрационный экран. Для предохранения повреждения пленочный экран укладывают на подстилающий слой толщиной 0,1-0,3 м и покрывают защитным слоем. Для создания подстилающего и защитного слоев рекомендуется, как правило, применять песчаные грунты с частицами максимальной крупности до 5 мм. Допускается в качестве грунтов подстилающего слоя использовать супесчаные грунты, хвосты и золошлаки. При устройстве защитного стоя на откосе дамбы и бортах чаши толщина защитного слоя не должна быть менее 0,5 м.

Однослойный пленочный на естественном основании противофильтрационный экран, где 1- спланированное, уплотненное и протравленное основание, 2 - полиэтиленовая пленка, 3 - защитный слой толщиной 0,5-0,8 м из мелкозернистого грунта фракциями d < 3мм (песок, супесь), 4 - подстилающий слой.

В 3 варианте также происходит высачивание на внешний откос дамбы, что тоже требует проведение мероприятия. Но в данном случае уже имеется внешний дренаж, поэтому необходимо выполнить отсыпку дренирующего слоя из щебня толщиной 500 мм.

Установка контрольно-измерительной аппаратуры

Для наблюдений за положением депрессионной поверхности и другими параметрами фильтрационного потока применяются пьезометры, устанавливаемые в контрольных пьезометрических створах, расположенных перпендикулярно к продольной оси дамбы.

Наблюдения за фильтрацией на золоотвалах, возводимых в суровых климатических условиях имеют более важное значение, чем на сооружениях, эксплуатируемых в обычных климатических условиях.

Фильтрационные наблюдения заключаются в наблюдении за характером движения фильтрационного потока в теле сооружения, его основании и сопряжении с берегами. При фильтрационных наблюдениях определяют:

положение депрессионой кривой намываемой части хранилища, ограждающих дамбах и плотинах;

пьезометрические запоры в основании золоотвала и в сопряжении с берегами;

расходы и мутность фильтрационной воды из дренажных устройств и очагов фильтрации;

скорость течения и направление фильтрационного потока.

Пьезометры необходимы для получения основной исходной информации о фактической фильтрационной картине, для последующего сравнения ее с расчетной и обоснования критериев безопасности. В частности, пьезометры позволяют определить положение кривой депрессии, скорость потока, его химический состав, наличие суффозии и кольматации и назначить соответствующие мероприятия по обеспечению промышленной и экологической безопасности объекта.

Пьезометр П-1 предназначен для контроля за параметрами фильтрационного потока вблизи контура питания; он устанавливается у внешней бровки гребня первичной дамбы.

По мере заполнения накопителя и отсыпки последующих ярусов дамб наращивания на них с соответствующим смещением в сторону пруда устанавливаются новые, более глубокие пьезометры П-2, П-3 и т.д. Таким образом, развитие каждого створа продолжается в течение всего периода эксплуатации накопителя.

Нижний пьезометр П-0 предназначен для контроля за фильтрационным потоком в зоне высачивания; он устанавливается в нижнем бьефе у подошвы низового откоса.

Незамерзающий пьезометр состоит из водоприёмника, отстойника и открытой пьезометрической трубы. Водоприёмник включает в себя корпус, крышку с патрубком и резиновую цилиндрическую камеру. Труба перфорируется отверстиями диаметром 8-10 мм рядами вдоль оси трубы через 20-30 мм. Отверстия в ряду располагаются в шахматном порядке через 40 мм. Снаружи корпус покрывается подкладочной гофрированной перфорированной сеткой из винипласта и стеклотканью. Цилиндрическая камера выполняется из морозостойкой резины и служит для передачи фильтрационного давления воды на незамерзающую жидкость (антифриз), которая заливается в камеру до нулевой отметки перед установкой пьезометра. Пьезометрическая труба выполняется из обычных газоводопроводных труб. Затрубное пространство вокруг водоприёмника заполняют крупнозернистым промытым песком или смесью песка с гравием. Выше фильтровой обсыпки пространство засыпают обычным песком или хвостами. Верхнюю часть скважины до глубины не менее 2 м забивают пластичной глиной и суглинками.

Величина измеряемого пьезометром напора воды зависит от объема водоприемника (количества незамерзающей жидкости в нем) и диаметра пьезометрической трубы. Поэтому необходимо предварительно установить возможную максимальную величину напора в месте расположения пьезометра с тем, чтобы можно было выбрать необходимый диаметр пьезометрической трубы.



Рис. 9 - Конструкция незамерзающего пьезометра

а) - общий вид пьезометра; б) - пьезометр после установки в скважину; 1 - днище отстойника; 2 - отстойник; 3 - внутреннее проницаемое днище, разделяющее водоприемник и отстойник; 4 - пластмассовая сетка; 5 - стеклоткань; 6 - резиновая оболочка; 7 - незамерзающая жидкость; 8 - отверстия в корпусе водоприемника; 9 - корпус водоприемника; 10 - проволока; 11 - крышка водоприемника; 12 - соединительная муфта (стык корпуса водоприемника с основной трубой пьезометра; 13 - пьезометрическая труба; 14 - крышка пьезометра; 15 - гравийная подушка; 16 - фильтровая обсыпка; 17 - водоприемник; 18 - песчаный грунт; 19 - скважина; 20 - измеряемый уровень незамерзающей жидкости в пьезометре; 21 - кривая депрессии; 22 - теплозащитный оголовок; 23 - крышка оголовка.

Так, например, с помощью пьезометра, имеющего объем 3,5 л, можно измерять напор до 6 м при диаметре пьезометрической трубы равном 33,5 мм и до 10 м при диаметре 26,8 мм. Увеличение объема жидкости на один литр повышает величину измеряемого напора соответственно на 2 и 3 м. Соединение водоприемника с трубами разного диаметра легко осуществляется с помощью переходных муфт.

Также установленные обсадные марки для наблюдений за деформацией гребня дамбы и основа, а также наблюдательные скважины, для наблюдения за химическим составом фильтрата.

фильтрационный геоэкологический золоотвал дамба



Заключение

В курсовом проекте для данного золоотвала выполнен расчет фильтрации аналитическим методом и методом математического моделирования; построены гидродинамические сетки, определены параметры высачивания. Назначены инженерные мероприятия по перехвату высачивающегося потока.

Предусмотрена КИА для контроля за основными параметрами фильтрационного потока (кривая депрессии, скорость потока).



Список использованных источников

1. Проектирование противофильтрационных мероприятий на накопителях промышленных отходов. Кузнецов Г.И. Балацкая Н.В.: методическое пособие для курсового проектрования.- Красноярск: ПИ СФУ.- 2010- 42с.

2. Экология промышленных накопителей. Расчет устойчивости грунтовых откосов: Метод. указания по выполнению лабораторных и практических работ / Сост. Л. Т. Шалгинова, Н. В. Балацкая. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2005 - 19 с.

3. Кузнецов Г. И., Балацкая Н.В. Накопители промышленных отходов: учеб. пособие- Красноярск : ИПК СФУ, 2008. -180с.

4. СНиП 2.06.01-86 Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования. - Дата введ. 01.06.1987 г. - Госстрой СССР, 1987. - 33 с.

Размещено на Allbest.ru

...