Главная Коллекция "Revolution" Геология, гидрология и геодезия Требования и методы оценки инженерно-геологических свойств глинистых грунтов для противофильтрационных экранов

Требования и методы оценки инженерно-геологических свойств глинистых грунтов для противофильтрационных экранов

Выполнение работ по поиску карьеров глинистых грунтов с обоснованием их инженерно-геологических свойств. Оценка свойств грунтового экрана, как геохимического барьера. Изучение особенностей физического состояния и фильтрационных характеристик грунта.

Рубрика Геология, гидрология и геодезия
Вид автореферат
Язык русский
Дата добавления 25.10.2018
Размер файла 468,3 K
рефераты на заказ со скидкой

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Специальность 25.00.08. Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геологоминералогических наук

Требования и методы оценки инженерно-геологических свойств глинистых грунтов для противофильтрационных экранов

Воронин Сергей Геннадьевич

Москва 2014

Диссертационная работа выполнена в ОАО "Научно-исследовательский институт энергетических сооружений" ОАО "РусГидро"

Научный руководитель Парабучев Игорь Алексеевич доктор геолого-минералогических наук главный специалист технического отдела ОАО "ИНСТИТУТ ГИДРОПРОЕКТ"

Официальные оппоненты Калинин Эрнест Валентинович доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры инженерной и экологической геологии Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Каширский Владимир Иванович кандидат технических наук директор по производственной и научно- исследовательской работе ООО "ГрандГЕО"

Ведущая организация ФГУП Всероссийский научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО)

Защита состоится " 10 " июня 2014 г в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 002 048.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении Институте геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН по адресу: 109004, г. Москва ул. Николоямская, д. 51

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения Институте геоэкологии Е.М. Сергеева РАН по адресу: 101000, г. Москва Уланский пер. д.13, стр. 2

Автореферат разослан " 8 " мая 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат геолого-минералогических наук Г.И. Батрак

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Хранилища жидких отходов и воды, как аккумулирующие гидротехнические сооружения, представляют собой сложные производственные объекты, в той или иной мере являющиеся источниками загрязнения природной среды. В состав сооружений входят наряду с различными водорегулирующими и водоограждающими элементами противофильтрационные экраны. Практика строительства и эксплуатации таких хранилищ показала, что наиболее дешевыми и простыми в исполнении являются противофильтрационные экраны, выполняемые из глинистых грунтов или естественно залегающие глинистые отложения в качестве геохимических барьеров. Известно, что противофильтрационные экраны возводят в том случае, если естественные основания аккумулирующих грунтовых емкостей не обладают соответствующими инженерногеологическими свойствами, и в первую очередь проявляют высокую водопроницаемость или имеют ограниченное распространение. Поэтому к естественным основаниям применяются соответствующие требования по водопроницаемости. В некоторых случаях, при инженерногеологическом обосновании, когда грунты в естественном залегании не обладают соответствующими свойствами, производят техническую мелиорацию этих грунтов для достижения требуемых водных и физикомеханических характеристик и, в первую очередь, низкого коэффициента фильтрации и слабой адсорбционной способности по отношению к различным химическим веществам. При этом всегда присутствует требование к грунтам в части сохранения ими связности.

В составе инженерных изысканий, наряду с комплексом инженерногеологических исследований, направленных на обоснование проектных решений, отдельным комплексом геологических изысканий выполняют работы по поиску карьеров глинистых грунтов с обоснованием их инженерногеологических свойств.

Основными факторами, определяющими эффективность возведения противо-фильтрационного грунтового экрана являются результаты инженерногеологических изысканий, обосновывающие применимость глинистых грунтов. Правильная оценка инженерногеологических свойств грунтов, предназначенных для возведения экрана, во многом влияют на эффективность эксплуатации сооружений в целом. Инженерногеологические свойства грунтов определяют способы и стоимость разработки грунтов в карьере, формируют требования к конструктивным особенностям экрана и влияют на организацию и проведение работ по его возведению. Оценка свойств грунтового экрана, как геохимического барьера, требует наравне со стандартным набором инженерногеологических исследований применять специальные исследования, направленные на изучение гидрогеохимических процессов в грунтах, особенностей физического состояния и фильтрационных характеристик. глинистый грунт геологический

Степень научной разработанности темы достаточно высока. Существенное внимание обращено многими проектноизыскательскими организациями и научно-исследовательскими центрами - ВНИИ ВОДГЕО, ВСЕГИНГЕО, МГУ, РГГУ, СВКП, МВК, ИГЭ РАН и др., а также учеными и исследователями - Ф.М. Бочевером, Н.Н. Лапшиным, А.Е. Орадовской, В.М. Шестаковым, Н.Н. Веригиным, В.П. Недрига, В.М. Гольдбергом, А.И. Арцевым, В.И. Сергеевым, В.А. Королевым, В.И. Осиповым, В.М. Швецом и др. к проблеме негативного влияния промышленных объектов на природную среду, в частности, к вопросу по оценке загрязнения подземных вод химическими веществами промстоков и предложены методы их определения.

Тем не менее, в действующей нормативно-технической литературе не сформулированы принципы применения глинистых грунтов в качестве противофильтрационных экранов в хранилищах жидких отходов или водохранилищах, и, как следствие, нет системного подхода в требованиях к инженерно-геологическим свойствам глинистых грунтов в естественном залегании или как грунтовых строительных материалов. Поэтому при изысканиях не понятно, какие инженерно-геологические свойства грунтов необходимо использовать для дальнейшего проектирования и впоследствии для строительства таких объектов.

Цель работы. Диссертационная работа направлена на разработку требований и методов оценки инженерно-геологических свойств глинистых грунтов для противофильтрационных экранов или естественных оснований, как геохимического барьера.

Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

1) анализ действующих нормативных документов и выявление существующих требований к инженерно-геологическим свойствам глинистых грунтов для экранов хранилищ жидких отходов и воды;

2) анализ существующих методов и оценка их применимости при исследовании инженерно-геологических свойств глинистых грунтов для проектирования противофильтрационных грунтовых экранов;

3) исследование влияния физических свойств на водопроницаемость глинистых грунтов различного минерального состава;

4) определение допустимого интервала влажности глинистых грунтов для проектирования противофильтрационных грунтовых экранов;

5) Оценка возможности применения предлагаемых методов инженерно-геологических исследований.

Методы исследований включали анализ и обобщение опубликованных сведений, лабораторные и полевые исследования в рамках инженерных изысканий.

Научная новизна состоит в следующем:

1) впервые сформулированы основные требования к инженерногеологическим свойствам глинистых грунтов для проектирования противофильтрационных грунтовых экранов хранилищ жидких отходов и воды;

2) на основе эмпирических зависимостей предложен аналитический метод определения коэффициента фильтрации глинистых грунтов с различным минеральным составом;

3) впервые разработан метод определения допустимого интервала влажности глинистых грунтов для проектирования противофильтрационных грунтовых экранов.

Практическая реализация. Результаты работы были использованы при проведении инженерных изысканий для обоснования проектных решений реконструкции иловых площадок МГУП "МОСВОДОКАНАЛ" и строительства верхнего водоема Днестровской ГАЭС.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на 4-й и 5-й международной конференции "Сотрудничество для решения проблемы отходов". Харьков, Украина, в 2007 и 2008 годах, а также на научно-техническом семинаре "Проектирование, строительство, эксплуатация полигонов, современных установок по обезвреживанию, переработке бытовых и промышленных отходов" в Москве 1999 г. Принципиальные выводы работы изложены в 3 публикациях.

Личный вклад соискателя заключался в постановке цели и формулировании задач диссертационного исследования, проведении полевых и лабораторных работ, расчетно-теоретическом обосновании предложенной методики, а также в систематизации результатов теоретических исследований и подготовке выводов.

Положения, выносимые на защиту:

1) для проектирования искусственных и естественных геохимических барьеров разработаны специальные требования к используемым в них глинистым грунтам;

2) зависимость между коэффициентом фильтрации и физическими характеристиками обоснована экспериментальными исследованиями, в результате которых построены номограммы для оперативного определения коэффициента фильтрации;

3) для оценки применимости глинистых грунтов в искусственных и естественных геохимических барьерах разработаны специальные методы, позволяющие выявлять требуемые грунты на стадии инженерно-геологических изысканий.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 151 страницах машинописного текста, списка литературы из 101 названий работ отечественных и зарубежных авторов, включает 20 таблиц и 36 рисунков.

Содержание работы

В первой главе изложены основные требования к инженерно-геологическим свойствам глинистых грунтов при проектировании противофильтрационных грунтовых экранов. Основным требованием к противофильтрационным сооружениям является предотвращение фильтрации жидкостей из накопительных емкостей, и в первую очередь загрязняющих веществ из хранилищ промышленных объектов. Тем самым выполняется основное назначение противофильтрационных грунтовых экранов сохранение природной обстановки территории строительства объекта и, в первую очередь, природного состояния подземных вод и грунтов. При проектировании водохранилищ гидротехнических сооружений требования к противофильтрационным грунтовым экранам продиктованы условиями эксплуатации гидроузлов и природным равновесием природно техногенного комплекса.

Основным требованием к грунтам является их низкая водопроницаемость. Формирование низкой водопроницаемости грунтов обусловлено рядом физических свойств. К основным свойствам грунтов можно отнести: минеральный и гранулометрические составы, проявление пластических свойств, плотность сложения и влажность, при которой укладывается грунт в тело противофильтрационного экрана и т.п. При этом свойствами грунтов, которые не зависят от технических требований проектируемых сооружений, являются минеральный и гранулометрический составы, процентное соотношение песчанопылевато-глинистых фракций, которые определяют показатели пластичности, плотность частиц грунта, различные включения и примеси минералов и солей. Изначально неизменяемые свойства глинистых грунтов являются базовыми характеристиками, которые определяют возможность применения грунтового строительного материала в земляных сооружениях.

Однако в настоящее время в нормативной литературе по проектированию противофильтрационных грунтовых экранов отсутствуют сколько-нибудь систематизированные требования к грунтам, как материалам для их возведения. Указанные в СНиП 2.01.2885, ТСН30-308-2002 и СНиП 2.06.0584* требования к грунтам для возведения противофильтрационных грунтовых экранов лишь отчасти охватывают проблемы исследования и проектирования противофильтрационных устройств. Основываясь на зарубежном и отечественном опыте строительства хранилищ и полигонов, ниже систематизированы требования к глинистым грунтам, которые рекомендуется учитывать при разработке регламентов по возведению экранов или обоснованию естественных геохимических барьеров.

1) Коэффициент фильтрации глинистых грунтов Кф?10-7 см/с, в ряде случаев Кф?10-8 см/с, когда предусматривается строительство хранилищ для отходов 1 класса опасности.

2) Допускается применять глинистые грунты любого минерального состава, при условии разработки инженерных мероприятий против набухания, просадки, трещинообразования и т.д.

3) Глинистые грунты, предусмотренные в качестве грунтового материала для возведения экрана, должны иметь число пластичности (IP) не менее 0,07.

4) Показатель текучести (IL) грунтов рекомендуется в пределах 0ч0,5, что соответствует их полутвердой-тугопластичной консистенции.

5) Грунты должны укладываться в тело экрана при степени влажности Sr>0,8.

6) Максимальную плотность глинистых грунтов следует определять по ГОСТ 22733-2002.

7) Коэффициент уплотнения (kcom) при уплотнении грунтов в теле экрана должен варьировать в пределах 1,00ч0,95.

8) Градиент напора, при котором обеспечивается задаваемый коэффициент фильтрации, должен быть равен 30.

9) Максимальная крупность фракций в глинистом грунте не должна превышать 1/2ч1/3 слоя экрана.

10) Содержание водорастворимых хлоридных солей допускается менее 5 %, сульфатных и сульфатнохлоридных солей менее 10 % по массе.

11) Содержание не полностью разложившегося органического вещества не должно превышать 5 %, полностью разложившейся органики не более 8 % по массе.

12) Перед возведением экрана глинистый грунт следует размельчать до фракций <5 мм с содержанием не менее 80ч85 % по массе.

Во второй главе в краткой форме описаны физико-химические процессы, формирующие водопроницаемость глинистых грунтов. Водопроницаемость глинистых грунтов зависит от многих факторов. Из них можно выделить четыре характеристики, присущие собственно глинистым грунтам: минеральный состав, дисперсность, гидрофильность (особенно нижний и верхний пределы пластичности), плотность (пористость) и влажность. Кроме того, присутствуют еще три фактора, характеризующие внешние условия: это - давление, температура, концентрация и состав порового раствора. Показано, как минеральный и зерновой составы влияют на величину водопроницаемости грунтов через связанную с ней пористость и дисперсность. Рассмотрены влияние размера глинистых частиц и их морфология на формирование порового пространства. Описано движение воды в глинистых грунтах. Довольно подробно описаны исследования влияния температуры на фильтрацию жидкостей через дисперсные грунты. Представлены в краткой форме исследования фильтрации через глинистые грунты различных по химическому составу электролитов, характеризующих основные жидкие промышленные отходы. Сделан вывод о том, что проницаемость глинистых грунтов существенно зависит от минерализации и состава фильтрующейся жидкости.

В третьей главе представлен краткий обзор аналитических методов определения коэффициента фильтрации глинистых грунтов. Наиболее часто встречающиеся формулы расчета коэффициента фильтрации глинистых грунтов были предложены целым рядом зарубежных и отечественных авторов. Среди них можно отметить В.Н. Жиленкова, М.П. Павчича, В.И. Жарницкого, Ю. Нишида, А. Кезди, С. Накагава, Г.Е. Арчи, Г.В. Сорокину, Е.Ф. Мосьякова и д.р. Кроме этого, предложены математической модели по оценке фильтрационных характеристик грунтовых массивов. В этой области можно отметить Лехова М.В., Шредера Л.Р., Шешукова Е.Г. и др. Обобщение аналитических методов оценки водопроницаемости глинистых грунтов показал, что практически все формулы основаны на каких либо физических характеристиках грунта, либо их различных комбинациях. Многими исследователями на основе подробного изучения воднофизических свойств глинистых грунтов были составлены в графическом виде зависимости коэффициента фильтрации от какого-либо физического показателя грунта (М.Ю. Абелев, Н.А. Цытович, Ю.В. Большаков, К.П. Кацов, А.А. Морозов и д.р.). Наиболее полное графическое представление зависимости между коэффициентом фильтрации и физическими показателями пылевато-глинистых грунтов было выполнено учеными ВНИИ ВОДГЕО на основе обобщения результатов экспериментальных исследований по водопроницаемости глинистых грунтов с изменяющейся плотностью. В.С. Истомина, В.В. Буренкова и Г.В. Мишурова при систематизации физических характеристик глинистых грунтов обратили внимание на тот факт, что у глинистых грунтов одного гранулометрического состава при различной степени плотности (коэффициента пористости) существенно изменяется коэффициент фильтрации, при этом это изменение описывается логарифмической функцией.

Тем не менее, несмотря на многочисленные работы, посвященные методам определения фильтрационных характеристик глинистых грунтов, многие вопросы остаются недостаточно освещенными. Некоторые авторы для математических формул и моделей требуют проводить исследования по определению дополнительных физических характеристик, которые нередко при определенных условиях применения создают формализованное представление о водопроницаемости грунтов. В отдельных формулах при расчете коэффициента фильтрации используют только один физический показатель. Анализ исследований водопроницаемости глинистых грунтов, а также литературных источников, показал, что коэффициент фильтрации таких грунтов зависит от: минерального строения и гранулометрического состава, который можно выразить через число пластичности; плотность, которую можно выразить через коэффициент пористости; начального состояния по влажности, которое выражается через коэффициент влажности.

В четвертой главе рассмотрены экспериментальные исследования водопроницаемости глинистых грунтов на основе физических характеристик с определением эффективной области фильтрации для противофильтрационных экранов. В соответствии поставленных задач глава разделена на 2 раздела.

В первом разделе выполнено экспериментальное определение коэффициента фильтрации по числу пластичности и коэффициенту пористости для монтмориллонитовых и каолинит-гидрослюдистых грунтов. Были произведены лабораторные исследования и обобщены результаты определения водопроницаемости монтмориллонитовых грунтов с участка строительства верхнего водоема Днестровской ГАЭС, каолинит-гидрослюдистых грунтов с участка строительства золоотвала Рязанской ГРЭС и иловых площадок Курьяновских очистных сооружений, а также литературные источники, где представлены данные по определению коэффициента фильтрации различных глинистых грунтов при строительстве гидротехнических сооружений. В основу обобщения была положена методика, предложенная ВНИИ ВОДГЕО. Основными физическими характеристиками, определяющими значения коэффициента фильтрации, приняты число пластичности и коэффициент пористости. Были выполнены фильтрационные испытания грунтов с числом пластичности в пределах 7ч36, которые затем были для сравнения объединены с данными из литературных источников. При этом было обращено внимание, есть ли различие в значениях коэффициента фильтрации при одинаковых показателях числа пластичности для различных по минеральному составу грунтов.

Фильтрационные испытания проводили при градиентах напора до 400 без приложения внешних нагрузок на приборе ПФГ1. При обработке результатов фильтрационных испытаний грунтов для анализа зависимости (Кф) от (Ip) и (е) было предложено ее представить в виде линейной функции y=ax+b (линейной регрессии), где через (у) можно выразить коэффициент фильтрации, а через (х) коэффициент пористости. Поскольку коэффициент фильтрации глинистых грунтов имеет очень низкие значения и выражается в виде А·10-n, коэффициент фильтрации можно записать в виде десятичного логарифма (lgКф). Для представления функции lgKф=f(e, Ip) в функцию первого порядка (линейной регрессии), были преобразованы значения коэффициента пористости грунта также в логарифмический вид с десятичным основанием. В этом случае взаимосвязь между коэффициентом фильтрации и коэффициентом пористости приняла вид:

lgKф=a·lg(e)+b, (1)

где lgKф - десятичный логарифм значения коэффициента фильтрации; а - угловой коэффициент; lg(e) - десятичный логарифм значения коэффициента пористости; b - коэффициент, отражающий число пластичности грунта.

Сначала была выявлено влияние углового коэффициента (a) между lgКф и lg(е) при выбранных числах пластичности. В качестве данных для определения (a) были взяты результаты фильтрационных испытаний образцов монтмориллонитовых и каолинит-гидрослюдистых грунтов с несколькими показателями числа пластичности, с учетом результатов исследований, выполненных В.Н. Жиленковым, ВНИИ ВОДГЕО и др. Были изучены частные угловые коэффициенты и определено среднестатистическое значение для каждой минеральной разновидности глинистых грунтов. Обработку частных значений угловых коэффициентов производили по стандартным методам статистической обработки, изложенных в ГОСТ 2052296 "Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний". Показатели нормативных значений, среднеквадратичных отклонений, коэффициентов точности и надежности приведены в таблице 1.

Таблица 1

Нормативные значение, Xn

Средне-квадр. откл.

S

Коэфф. вариации,

V

Коэфф. точности, сб

Коэфф. надежн., гб

Обобщенн. коэфф.

а

Монтмориллонитовые грунты

4,72

3,11

0,66

0,52

2,08

2,27

Каолинит-гидрослюдистые грунты

9,24

4,18

0,45

0,30

1,44

6,42

Зависимость (линейные регрессии) логарифма коэффициента фильтрации от логарифма коэффициента пористости при различных значениях числа пластичности с определенными угловыми коэффициентами (а) принимает вид: для монтмориллонитовых грунтов - lgKф=2,27·lg(e)+b, для каолинитгидрослюдистых грунтов - lgKф=6,42·lg(e)+b.

Для установления общего вида уравнения зависимости логарифма коэффициента фильтрации от логарифма коэффициента пористости при различных значениях числа пластичности необходимо было оценить влияние коэффициента (b). Произведя некоторые преобразования было выявлено, что соотношение между (lgКф) и (е) описывается логарифмической зависимостью, поэтому можно записать: b=lоgm(Ip) или mb=Ip. Подставляя преобразованный коэффициент (b) имеем выражение:

lgKф=а·lg(e)+logm(Ip), (2)

которое, можно считать общим выражением зависимости коэффициента фильтрации от коэффициента пористости и числа пластичности для исследуемых грунтов.

Взаимосвязь физических характеристик с определенным показателем (b) для различных по минеральному составу грунтов будет иметь вид: для монтмориллонитовых грунтов: lgKф=2,27·lg(e)+logm(Ip), для каолинит гидрослюдистых грунтов: lgKф=6,42·lg(e)+ logm(Ip).

Для зависимости lgКф=f(lg(е), Ip) при выбранных значениях числа пластичности были определены численные значения коэффициента (b) в действующем интервале изменения коэффициента пористости от 0,4 до 1,0.

Произведя некоторые вычисления, исходя из известных значений числа пластичности, было определено числовое значение коэффициента (m), которое равно 0,693 для монтмориллонитовых грунтов и (m)=0,775 для каолинит-гидрослюдистых грунтов. В итоге получены уравнения зависимости логарифма коэффициента фильтрации от логарифма коэффициента пористости при различных значениях числа пластичности: для монтмориллонитовых грунтов lgKф=2,27·lg(e)+log0,693(Ip); для каолинит гидрослюдистых грунтов lgKф=6,42·lg(e)+log0,775(Ip).

По полученным функциональным зависимостям построены номограммы, которые представлены на рис. 1 и 2.

Резюмируя вышеизложенное, получаем:

1) для монтмориллонитовых грунтов с числом пластичности в интервале Ip=7ч36 функциональная зависимость между логарифмом коэффициента фильтрации, числом пластичности и логарифмом коэффициента пористости выражается: lgKф=2,27·lg(e)+log0,693(Ip);

2) для каолинитгидрослюдистых грунтов функциональная зависимость установлена при числе пластичности, изменяющимся в интервале Ip=7ч25, в виде: lgKф=6,42·lg(e)+log0,775(Ip).

Исследования указали на следующие обстоятельства:

1) Многими исследователями установлена зависимость между коэффициентом фильтрации и различными физическими характеристиками, которая описывается показательной функцией, и по литературным источникам установлено, что функция представлена 12 показателями. В основном, это либо коэффициент пористости (иногда плотность грунта), либо действующая (эффективная) фракция грунта. Только в исследованиях ВНИИ ВОДГЕО предпринята попытка связать коэффициент фильтрации с основными физическими характеристиками глинистых грунтов: кроме пористости учитывается число пластичности, как отражение гранулометрического и минерального составов. Однако функциональная зависимость ВНИИ ВОДГЕО представляет собой совокупность графиков зависимости (Кф) от (е) и (IP), не отражающая особенности минерального состава. Практическое использование этих графиков приводило к некоторым отклонениям от получаемых опытным путем значений коэффициента фильтрации, что негативно отражалось на оценке водопроницаемости исследуемых грунтов. Проведенные исследования подтвердили необходимость учитывать влияние числа пластичности на коэффициент фильтрации.

2) Исследованиями было показано, что водопроницаемость у монтмориллонитовых грунтов отличается от водопроницаемости каолинит-гидрослюдистых грунтов, что было выражено различными параметрическими характеристиками.

3) Функциональные зависимости коэффициента фильтрации от коэффициента пористости и числа пластичности являются эмпирическими, поскольку получены на основе экспериментов и дополнены литературными источниками. При этом, коэффициенты в уравнениях являются результатом статистической обработки опытных данных, которые имеют некоторый разброс от расчетных значений и требуют дальнейшего уточнения.

На рис. 1 и 2 представлена в графическом виде функция lgKф=а·lg(e)+logm(Ip) для монтмориллонитовых и каолинитгидрослюдистых глинистых грунтов. Построенные номограммы позволяют на начальных этапах или ограниченных объемах инженерно-геологических исследований оценивать водопроницаемость глинистых грунтов различного минерального состава по физическим характеристикам в допустимых пределах точности. На предварительных стадиях проектирования грунтовых сооружений, разработанные функциональные зависимости позволяют выполнять фильтрационные расчеты с использованием значений коэффициента фильтрации, по предложенным номограммам. Для сокращения дорогостоящих фильтрационных исследований водопроницаемости грунтов в противофильтрационных сооружениях при проведении геотехнического контроля были использованы полученные номограммы, которые показали удовлетворительные результаты и значительно сократили стоимость полевых и лабораторных работ.

Второй раздел посвящен определению эффективной области фильтрации на основе физических свойств глинистых грунтов. Водопроницаемость любых грунтов формируется комплексом физических свойств. Для глинистых грунтов это: минеральное строение, их гранулометрический состав, а также наличие некоторого количества воды или водного раствора в различной форме проявления и, как следствие, влажность и пластичность, кроме этого структурно-текстурное соотношение грунтовых частиц и агрегатов и в первую очередь плотность сложения грунта в целом.

Известно, что влажность грунта оказывает большое влияние на плотность укладки грунта в сооружениях. В глинистых грунтах пониженной влажности, практически не обладающими пластическими свойствами, может происходить трещинообразование и, как следствие, к повышению водопроницаемости. Грунты с повышенной влажностью могут иметь высокую плотность с довольно малым поровым пространством и приемлемую пластичность. Влажность грунта при его уплотнении контролирует плотность а, следовательно, и пористость грунтовых противофильтрационных экранов. Глинистый грунт, уплотненный в теле грунтового экрана, имеющий минимальную пористость, для полного водонасыщения потребует минимального количества воды или водного раствора, но грунтовое сооружение, при этом, будет пластичным и устойчивым. Поэтому для определения требуемого интервала плотности а, следовательно, пористости, которые формируют водопроницаемость грунта, необходимо выявить границы задаваемой влажности.

Одной из границ задаваемой влажности является оптимальная влажность грунта, получаемая при определении максимальной плотности по ГОСТ 227332002. Оптимальная влажность при стандартном уплотнении грунта по методике ГОСТ 22733-2002 близка или соответствует границе раскатывания. Сложение грунтов а, следовательно, их водопроницаемость в значительной степени зависят от той влажности, при которой грунт уплотнен. При уплотнении с влажностью ниже влажности на границе раскатывания грунт приобретает комковатое (флоккуляционное) сложение, характеризуемое наличием крупных пор между агрегатами, и водопроницаемость грунтов имеет довольно большие значения в сравнении с водопроницаемостью грунтов, имеющих монолитное (диспергационное) структурное сложение, у которых влажность равна или выше влажности на границе раскатывания. Исходя из этого, во избежание формирования комковатой структуры при достижении максимальной плотности глинистых грунтов в теле противофильтрационного грунтового экрана рекомендуется достигать оптимальной влажности, равной или на 1ч2 % выше влажности на границе раскатывания.

Второй границей задаваемой влажности, характеризующую эффективную область уплотнения грунта при проектировании его оптимальных свойств является влажность, которая соответствует по расчету минимально допустимой плотности от максимальной при стандартном уплотнении. В настоящее время при проектировании строительных свойств грунтов, предназначенных для возведения грунтовых сооружений, максимально допустимую влажность грунта и, соответственно, максимально возможную консистенцию задают исходя из минимально допустимых механических свойств. Кроме этого, при уплотнении грунтов стремятся создать такую структуру грунтов, при которой дальнейшие возможные неравномерные осадки после возведения сооружений не превосходили бы некоторых минимально возможных величин. Для грунтовых ядер или грунтовых противофильтрационных экранов, главнейшую роль может играть не допустимая неравномерная деформация, а достаточная водоупорность сооружения или отсутствие в нем трещин. Наиболее прочная структура грунта получается при влажности, близкой к нижней границе пластичности грунта, т.е. около 0,55-0,60 влажности на границе текучести (0,5ч0,6)WL и вблизи от так называемой оптимальной влажности, определяемой по методу стандартного уплотнения. При влажности, соответствующей 0,55-0,60 влажности на границе текучести, грунт приобретает полутвердую консистенцию. Исследования О.Т. Батракова показали, что необратимые деформации при уплотнении напрямую зависят от изменения толщины водных пленок между грунтовыми частицами и агрегатами. При этом проявление этих пленок непосредственно связано с влажностью грунта и обратно пропорционально удельной поверхности грунта, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна влажности границы текучести WL. При влажностях грунта, которые представляют интерес для строительства (0,7WL и более) 60ч70 % от общей величины упругих деформаций составляют деформации сжатия и вытеснения воды. В результате при уплотнении глинистого грунта, когда его влажность меньше 0.7WL (в этом случае показатель текучести меньше 0,4) преобладают процессы уплотнения, при больших влажностях - уже сдвиговые деформации грунта.

Для выявления предельно допустимой влажности а, следовательно, максимально возможной консистенции, при которой допускается использовать глинистый грунт при возведении противофильтрационных грунтовых экранов были выполнены сдвиговые испытания монтмориллонитовых и каолинит-гидрослюдистых грунтов с различным числом пластичности по схеме быстрого неконсолидированно-дренированного сдвига в соответствии с требованиями ГОСТ 12248-96 при степени влажности, равной и большей 0,8 и максимальной плотности сухого грунта, получаемой при стандартном уплотнении по ГОСТ 22733-2002. Кроме этого было исследовано влияние минерального состава и показателей пластичности на траекторию изменения угла внутреннего трения. По результатам исследований было выделено следующее:

1) с увеличением значений показателя текучести у всех исследованных разновидностей грунтов угол внутреннего трения постепенно уменьшается;

2) после достижения определенного значения показателя текучести угол внутреннего трения начинает резко уменьшаться при дальнейшем незначительном изменении консистенции;

3) по исследованным разновидностям глинистых грунтов, можно заключить, что при Ip<15 резкое снижение значения (ц0) начинает проявляться при IL>0,5. Влажность, при которой происходит резкое снижение угла внутреннего трения можно выразить через влажность на границе текучести в виде: Wдоп=0,79WL;

4) для монтмориллонитовых и каолинит-гидрослюдистых глинистых грунтов с числом пластичности, равном или большем 15, резкое снижение угла внутреннего трения начинает проявляться при показателе текучести, равном или большем 0,4. В этом случае, влажность можно выразить через влажность на границе текучести следующим выражением: Wдоп=0,70WL;

5) с ростом значений числа пластичности при одинаковых значениях показателя текучести углы внутреннего трения постепенно уменьшаются;

6) при одинаковых значениях (IP) и (IL) угол внутреннего трения (ц0) у каолинит-гидрослюдистых грунтов на 2-4 градуса выше, чем у монтмориллонитовых грунтов.

При оптимальной влажности достигается максимальная плотность грунта. При максимальной плотности влажность, близкая или большая оптимальной, характеризуется поровым раствором, который, в основном, представлен оболочками прочно- и рыхлосвязанной волы вокруг глинистых частиц. Такая влажность определяет полное водонасыщение глинистых грунтов. Из практики грунтоведения полное водонасыщение принято характеризовать показателем влажности, равным или большим 0,8. Поэтому для достижения минимальной водопроницаемости глинистой толщи необходимо, чтобы была сформирована диспергационная структура при полном водонасыщении (Sr?0,8).

Для прогноза водопроницаемости грунтов при проведении инженерногеологических изысканий наряду со стандартным комплексом исследований физикомеханических свойств грунтов необходимо определить основные воднофизические характеристики: плотность частиц грунта (сs), влажности на границе текучести (WL) и раскатывания (WP), число пластичности (IP), максимальную плотность сухого грунта и оптимальную влажность (WО) при стандартном уплотнении по ГОСТ 22733-2002. Кроме этого, исследуют минеральный и гранулометрический составы. После этого можно определить границы допустимого интервала влажности, по которым затем задают контрольные значения плотности грунта для противофильтрационного грунтового экрана. По результатам стандартного уплотнения глинистых грунтов по ГОСТ 227332002 строят график зависимости плотности сухого грунта (сd) от влажности (W). На рис. 3 представлен такой график. Ординатой графика является плотность сухого грунта, абсциссой является влажность. На этом графике наносят: кривые степени влажности (Sr), равные 0,8, 0,9 и 1,0, границы допустимой влажности, представляющие оптимальную влажность (Wо) и влажность на границе раскатывания (WP), а также влажность, выраженную зависимостью Wдоп=AЧ(WL), которая соответствует предельно допустимой консистенции. Для глинистых грунтов с числом пластичности (IP) менее 15 коэффициент А равен 0,79, для грунтов с числом пластичности более 15 А=0,70. Полученные опытным путем значения этих влажностей наносят на график в виде ординат, которые на графике стандартного уплотнения и кривых степени влажности отсекают зону допустимой влажности (Wext). Для определения верхней границы этой зоны от оси графика, обозначающей плотность сухого грунта, строят абсциссу, соответствующую максимальной плотности сухого грунта при стандартном уплотнении. Нижняя граница зоны получается отсечением абсциссы, проходящей через точку пересечения ординаты со значением Wдоп=AЧ(WL) и кривой степени влажности Sr=1.0. В результате получается зона, характеризующая диапазон допустимой влажности (Wext) и интервал возможной плотности () грунта, который предполагается использовать для возведения противофильтрационного грунтового экрана.

Определив плотность частиц грунта (сS) и, задаваясь значениями плотности сухого грунта (сd), вычисляют значения коэффициента пористости. Полученные параметры пористости (e) и известные значения числа пластичности (IP) подставляют в определенные функциональные зависимости коэффициента фильтрации от физических характеристик lgKф=а·lg(e)+logm(Ip) в соответствии известного минерального состава исследуемого грунта. Таким образом, определяют коэффициент фильтрации глинистого грунта с определенными водно-физическими характеристиками, который затем используют для расчета водопроницаемости при проектировании противофильтрационного грунтового экрана. Представленная многокомпонентная система физических свойств уже на предварительных стадиях инженерно-геологических изысканий, при поисках и разведке глинистых грунтов, располагая результатами определения воднофизических характеристик и минерального состава, позволяет прогнозировать их водопроницаемость. Тем самым, на ранних стадиях проектирования появляется возможность оценки применимости изучаемых глинистых грунтов для возведения противофильтрационных грунтовых экранов водохранилищ, различных хранилищ жидких и твердых отходов.

В пятой главе представлены результаты исследования инженерно-геологических свойств глинистых грунтов с обоснованием применения их в противофильтрационных грунтовых экранах на действующих объектах - при реконструкции иловых площадок Курьяновских очистных сооружений МГУП "Мосводоканал" и при геотехконтроле в период строительства верхнего водоема Днестровской ГАЭС. При проектировании противофильтрационных экранов на реконструированных иловых площадках Курьяновских очистных сооружений применение глинистых грунтов в защитных экранах предусмотрено для предотвращения инфильтрации иловой воды в грунтовый массив и, соответственно, недопущения загрязнения подземных вод загрязняющими веществами. При проектировании противофильтрационного грунтового экрана в верхнем водоеме Днестровской ГАЭС основным требованием было сохранение среднемноголетней нормы естественной инфильтрации эксплуатационного объема воды через экран в геологический массив для недопущения активизации геологических процессов и явлений, в т.ч. подъема уровня грунтовых вод и оползней на склонах.

Иловые площадки № 8 и № 19 Курьяновских очистных сооружений

Действующие 8-я и 19-я иловые площадки Курьяновских очистных сооружений расположены в Московской области. Иловые площадки являются технологическими сооружениями и представляют собой земляные карты каскадного типа прямоугольной формы с размерами 100Ч200 м. Границами карт являются дамбы обвалования, возведенные из грунтов деловых выемок, располагаемых внутри иловой площадки. Дном иловых карт служит естественное грунтовое основание, которое, в основном, представлено делювиальными или флювиогляциальными, на некоторых иловых площадках, гляциальными глинистыми отложениями. В период строительства иловых площадок № 8 и № 19 по дну иловых карт противофильтрационные экраны не были возведены, поскольку согласно СНиП 2.04.03-85 "Канализация. Наружные сети и сооружения" допускалось их не возводить при условии залегания грунтовых вод ниже дна не менее 1,5 м.

При разработке рабочих проектов реконструкции 8-й и 19-й иловых площадок КОС были выполнены инженерные изыскания, целью которых было изучение инженерно-геологических условий территории расположения реконструируемых иловых карт. Наряду с задачами по исследованию геолого-литологического строения, физико-механических свойств грунтов, определения залегания уровня грунтовых вод было особое внимание уделено двум вопросам: изучение гидрогеологических условий участков расположения иловых площадок, в частности - химический состав грунтовых вод, определение степени загрязнения фильтратом хранившегося ранее в картах илового осадка, определение ореола загрязнения; исследование инженерно-геологических свойств глинистых грунтов на территории иловых площадок, залегающих на поверхности, на предмет возможности использования их для возведения противофильтрационных экранов в реконструированных иловых картах. Были выполнены исследования химического состава природных грунтовых вод, которые отражали естественное фоновое состояние подземных вод на исследуемой территории. Были определены следующие компоненты: pH - 6,96 мг/л; CO3 - 21,95 мг/л; HCO3 - 200,57 мг/л; Cl - 27,26 мг/л; SO4 - 55,95 мг/л; Ca - 48,13 мг/л; Mg - 18,77 мг/л; K+Na - 38,59 мг/л; Fe - 0.40 мг/л; NO3 - 0,00 мг/л; NO2 - 0,00 мг/л. Кроме этого были выполнены определения загрязняющих веществ в сточных водах. Сточные воды содержат характерные компоненты - азот, аммоний, органические кислоты, хлориды, фосфор, калий, натрий, сера и другие элементы. Принимая во внимание биохимический состав поступавшего на иловые площадки илового осадка сточных вод, продолжительность нахождения его в иловых картах, а также наличие реагентов переработки осадков сточных вод на территории 8-й и 19-й иловой площадок КОС, произошло химическое загрязнение подземных вод. По данным инженерных изысканий глинистые разности четвертичных отложений при природной плотности имеют обобщенный коэффициент фильтрации, равный 10-4 см/с. В процессе инженерно-геологических изысканий было оценено время возможной миграции загрязняющих веществ через естественное основание до песчаной водоносной толщи, которое составило 6 - 12 сут.

При расчете фильтрации загрязняющих веществ через противофильтрационный экран, рассматривали условие, что движение жидкости происходит в зоне неполного водонасыщения. Толщина, через которую рассчитывали миграцию загрязняющих веществ, составляет 1,0 м, т.е. полную проектную толщину противофильтрационного экрана. Коэффициент фильтрации глинистых грунтов, предназначенных для возведения защитного экрана, согласно техническим условиям, составляет 10-8 см/с. Интенсивность инфильтрации без учета сорбции загрязняющих веществ при градиенте напора 10 составит 10-4 м/сут. Через запроектированный противофильтрационный грунтовый экран из местных глинистых грунтов при выполнении требований ТУ, миграция загрязняющих веществ без учета сорбции будет длиться 25 лет.

При возведении грунтовых сооружений требуется создание техногенных грунтов однородных по составу и физическим характеристикам. В результате были получены смеси из грунтов делювиального и моренного генезиса на участке реконструкции иловой площадки № 8 КОС, и смеси из грунтов делювиального генезиса и глинистых грунтов верхней части толщи водно-ледникового происхождения на территории расположения реконструируемой 19-й иловой площадки КОС. Результаты определения водно-физических характеристик техногенных грунтов представлены в таблице 2. На рис. 4 и 5 представлены водно-физические характеристики техногенных глинистых грунтов, из которых возводят противофильтрационные грунтовые экраны (искусственные геологические барьеры) по дну иловых карт на реконструируемых 8-й и 19-й иловых площадках КОС.

Таблица 2

Характеристика

Ед. изм.

Техногенный грунт с 8-й иловой площадки

Техногенный грунт с 19-й иловой площадки

сS

г/см 3

2,70

2,70

сdext

г/см 3

1,901,69

1,691,60

е

д. ед.

0,420,51

0,600,69

Wext

д. ед.

0,1530,220

0,2020,247

WL

д. ед.

0,297

0,353

WP

д. ед.

0,153

0,202

IP

%

14,0

15,1

IL

д. ед

0,00,450

0,00,298

Sr

д. ед.

0,8-1,0

0,8-1,0

Кф

см/с

(1ч3)•10-8

(1•10-7)ч(8•10-8)

Исходя из выше приведенных значений коэффициента фильтрации, техногенные грунты могут быть применены для возведения противофильтрационных грунтовых экранов по дну реконструированных иловых карт. В этом случае следует оценить предельное время работы противофильтрационного грунтового экрана с учетом массопереноса. Наиболее подходящей математической моделью для расчета предельного времени работы противофильтрационного экрана можно считать методику, предлагаемую МГУ. Для количественной оценки работы грунтовой толщи как защитного геохимического барьера авторами предложено уравнение по определению предельного времени работы геохимического барьера:

, (3)

где Тпр - предельное время работы геохимического барьера (противофильтрационного грунтового экрана), сут; n0 - активная пористость, %; m - мощность геохимического барьера (противофильтрационного грунтового экрана), м; D - коэффициент фильтрационной дисперсии, м 2/сут; v - скорость фильтрации, определяемая по формуле: v=Кф•I, Кф - коэффициент фильтрации грунтов геохимического барьера, I - градиент напора; о - осредненный показатель предельно допустимой концентрации загрязняющего вещества, о=inferfc(2ПДК/С 0), С 0 - фактическая концентрация загрязняющего вещества, мг/л. В таблице 3 сведены исходные данные для определения предельного времени работы геохимического барьера (противофильтрационного грунтового экрана).

Таблица 3

Загрязняющее вещество

Характеристики

Наименование

ПДК, мг/л

С 0, мг/л

n,

%

i

Кф, м/сут

v,

м/сут

D, м 2/сут

о, д.ед.

m,

м

8-я иловая площадка КОС

ХПК

15

301,00

30

10

8,6•10-6

8,6•10-5

2•10-5

0,437

1,0

БПК

2,0

31,40

0,445

Fe

0,3

0,52

0,983

Ni

0,02

0,022

0,564

СПАВ

0,5

1,46

0,859

NH4

1,5

178,9

0,437

19-я иловая площадка КОС

ХПК

15

301,00

36

7

6,9•10-5

4,8•10-4

3•10-4

0,437

1,0

БПК

2,0

31,40

0,445

Fe

0,3

0,52

0,983

Ni

0,02

0,0022

0,564

СПАВ

0,5

1,46

0,859

NH4

1,5

178,9

0,437

Расчет предельного времени работы противофильтрационного глинистого экрана на иловых площадках показал следующие результаты (табл. 4).

Таблица 4

Загрязняющие вещества

8-я иловая площадка

19-я иловая площадка

годы

годы

ХПК

85

49

БПК

88

51

Fe

430

248

Ni

141

82

СПАВ

328

190

NH4

85

49

Из таблицы 4 видно, что минимально допустимое время работы экрана составляет для 8й иловой площадки 85 лет и связано с фильтрацией через экран загрязняющего вещества - NH4, остальные загрязняющие вещества будут мигрировать через экран значительно дольше; противофильтрационный грунтовый экран на 19й иловой площадке будет работать лишь 49 лет, на период фильтрации через него NH4, остальные загрязняющие вещества также будут мигрировать также значительно дольше.

В период реконструкции иловых площадок по дну и бортам из деловых выемок был возведен противофильтрационный грунтовый экран из техногенных грунтов с водно-физическими характеристиками, представленными в таблице 2. Вокруг участка их расположения была устроена режимная гидрогеологическая сеть из наблюдательных скважин-пьезометров для проведения мониторинга за подземными водами. В период укладки и хранения илового осадка в скважинах пьезометрах вели наблюдение за уровнем грунтовых вод, ее температурой и отбирали пробы воды на химический анализ для определения изменения состава и возможного попадания загрязняющих веществ в грунтовые воды. Период наблюдения за грунтовыми водами в скважинахпьезометрах составил 20032009 г.г. В таблице 5 приведены химический состав грунтовых вод при инженерных изысканиях до строительства иловых площадок КОС, результаты исследования состава грунтовых вод за период эксплуатации 20032009 г.г., химический состав фильтрата обезвоженного осадка из цехов механического обезвоживания илвого осадка и ПДК по ГН 2.1.5.131503.

Таблица 5

Микроэлементы

ПДК по ГН 2.1.5.1315-03

Дата отбора проб

При инженерных изысканиях для проекта строительства иловых площадок (1980 г.)

По истечении 7 лет кондиционирования обезвоженного осадка объёмом 1 млн. м 3 (2003-2009 г.)

Состав фильтрата обезвоженного осадка из ЦМОО

(2003-2009 г.)

1

2

3

4

5

pН

6-9

6,96

7,96

7,95

мг/л

мг/л

мг/л

мг/л

СO3

н/опр.

21,95

н/опр.

н/опр.

НСОз

н/опр.

200,57

122,91

н/опр.

CI*

350

27,26

9,98

86,60

S04

500

55,95

20,13

17,50

Са

н/опр.

48,13

22,91

н/опр.

Мg

50

18,77

11,10

н/опр.

K+Na

200

38,59

19,00

н/опр.

ХПК

15

н/опр.

12,50

301,00

БПК

2,0

н/опр.

0,98

31,40

NO3

45

0,00

0,18

0,55

NO2

3,3

0,00

0,25

0,40

Fe

0,3

0,40

0,87

0,52

Сu

1,0

н/опр.

0,0155

0,016

Ni

0,02

н/опр.

0,001

0,022

Cr +6

0,05

н/опр.

0,01

0,01

Zn

1,0

н/опр.

0,10

0,40

СПАВ*

0,5

н/опр.

0,25

1,46

БОЕ

0,00

н/опр.

0,00

515

КОЕ

0,00

н/опр.

0,00

31000

NH3

1,5

0,00

0,24

178,90

РO4

3,5

н/опр.

0,05

1,63

Нефтепродукты

0,1

н/опр.

0,22

1,65

F

1,5

н/опр.

0,80

н/опр.

Mo*

0,25

н/опр.

<0,025

н/опр.

1

2

3

4

5

As

0,01

н/опр.

<0,005

н/опр.

Hg

0,0005

н/опр.

<0,0005

н/опр.

Al

0,5

н/опр.

0,47

н/опр.

Mn

0,1

н/опр.

0,084

н/опр.

В

0,5

н/опр.

0,22

н/опр.

Se

0,01

н/опр.

<0,005

н/опр.

Pb

0,01

н/опр.

<0,001

н/опр.

Cd

0,001

н/опр.

<0,0001

н/опр.

Be

0,0002

н/опр.

<0,00001

н/опр.

S...

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены