Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Методика расчета конструктивных параметров и устойчивости ограждающих дамб экологически чистых хвостохранилищ

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Методика расчета конструктивных параметров и устойчивости ограждающих дамб экологически чистых хвостохранилищ"

Комитет Российской Федерации по водному хозяйству

Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов

На правах рукописи

Черкащенко Наталья Анатольевна

[Л>

Методика расчета конструктивных параметров и устойчивости ограждающих дамб экологически чистых хвосто хранилищ

Специальность: 11.00.11 «Охрана окружающей среды и >ациональное использование природных ресурсов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 1997

Работа выполнена в Уральской горно-геологической академии Научный руководитель д.т.н., проф., Зотеев В. Г.

Официальные оппоненты:

1. Булатов Р.В. - проф., д. г.-м. н.

2. Туринцев Ю.И. - проф., д. т. н.

Ведущее предприятие институт «Центргипроруда», г.Белгород

Защита состоится 12.03.1997 в 1400 на заседании диссертационно! специализированного совета Д1 099.01.01 в Российском НИ комплексного использования и охраны природных ресурсов г адресу: Екатеринбург, ул. Мира, д. 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РосНИИВХ.

Автореферат разослан_ 1997

г.

Ученый секретарь диссертационного

Актуальность работы. Современным ГОКам, перерабатывающим год десятки миллионов тонн руды, требуются хранилища отходов |богащения, объем которых измеряется миллиардами кубических гетров. Получившие большое распространение хвостохранилшца [амывного типа, когда ограждающие дамбы формируются из крупных )ракций хвостов, имеют следующие недостатки:

отсутствие противофильтрационных экранов у намывных дамб [ред определяет большие фильтрационные потери через ложе востохранилшца и ограждающие дамбы, что ведет к увеличению исхода воды и подтоплению окружающих территорий (Кривошеее 5.Я., Угрюмова В.Л., 1988);

высокий уровень воды в низовом откосе ограждающих дамб [редопределяет недостаточный запас их устойчивости, чем и |бъясняются их аварии (Аксенов С.Г., Галзицкий В.Т., 1995);

для предотвращения оползневых явлений в результате увеличения фильтрационного напора в грунтах основания (по мере роста высоты самбы) уровень воды в шламохранилшце снижают до минимума, следствие чего увеличивается снос пыли с осушенных пляжей;

вынос растворенных в фильтрате токсичных веществ и оседание ц>ши на земной поверхности ведет к загрязнению поверхностных и юдземных вод на территории, в десятки раз превышающей площадь востохранилшца;

из-за низкой устойчивости намывных дамб по мере увеличения их (ысоты общий угол погашения низового откоса быстро (ыполаживается и при высоте дамбы 70 - 100 м не превосходит 5-7°, а то предопределяет низкую вместимость таких хвостохранилшц.

Из вышесказанного следует, что разработка новых конструкций •граждающих дамб хвостохранилшц, обладающих:

- высокой устойчивостью при больших углах низовых откосов,

- исключающих возможность потерь фильтрата, подтопление »кружающих территорий и загрязнения подземных вод,

- позволяющих поддерживать высокий уровень воды в прудке, тленьшаюхций пылеобразование,

безусловно является одной из наиболее актуальных задач орного производства.

Цель работы: Разработка конструкции ограждающих дамб кологически чистых хвостохранилшц большой вместимости и метода 1асчета их параметров и устойчивости.

-1-

Основная идея: Выбор конструкции ограждающих дам хвостохранилшц должен базироваться на комплексном учел географических, инженерно-геологических и гидрогеологически условий участка, токсичности складируемых отходов, возможное! использования местных материалов, типового оборудован* предприятия и экологической безопасности сооружения. Научные положения:

1. Предлагаемая конструкция ограждающих дам хвостохранилшц должна обеспечить снижение потерь фильтрата загрязнение подземных вод до уровня ПДК в пределах горног отвода.

2. Ограждающие дамбы должны иметь коэффициент запас устойчивости не ниже нормативного при наивысшем уровне воды прудке-отстойнике, что позволит свести к миниму\! пылеобразование.

3. Разработанные конструкции ограждающих дамб технология их формирования должны обеспечить возможность I наращивания независимо от процесса складирования хвостов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендащ обоснована анализом литературных источнико

сопоставительными расчетами, выполненными с использование прочностных и фильтрационных характеристик и схем деформавд откосов ~ земляных и камейно-землянных плотин различие конструкции. Рекомендации по использованию грунтовь материалов для сооружения дамб учитывают эксперименталы полученные прочностные и фильтрационные характеристик грунтов. Достоверность выводов также подтверждается апробаци< работы в печати, на международных и республиканских научнь конференциях.

Научная новизна работы:

1. На основе обобщения и корреляционного анали: экспериментальных данных по сдвиговым характеристика крупно обломочных материалов получены уравнения, позволяю щ] определить углы сопротивления сдвигу раздельно-зернисть грунтов по их гранулометрическому составу, пористости прочности обломков.

2. Разработана методика определения фильтрационнь характеристик глинистых грунтов нарушенной структуры щ выборе местных материалов для сооружеш противофильтрационных экранов.

3. Дано обоснование механизма деформирования ограждаюнц дамб хвостохранилшц, учитывающего свойства грунтов основания

-2-

инструктивные особенности дамб, что дает возможность обеспечить остойчивость откосов при наращивании высоты дамбы или подъеме фовня воды в хвостохранилшце.

Практическая ценность работы: полученные результаты юзволяют:

определить сдвиговые характеристики горной массы из срупнообломочных грунтов по их гранулометрическому составу и гористости с погрешностью не более 15-20%;

обеспечить требуемую степень гидроизоляции хвостохранилищ ¡а счет создания из местных грунтов горизонтальных и наклонных »кранов предлагаемых конструкций и технологии их сооружения;

увеличить удельную вместимость хвостохранилшц на единицу снимаемой площади в 1,5-2 раза при гарантии устойчивости низовых эткосов и основания за счет перехода на новую конструкцию эграждающих дамб;

поддерживать высокий уровень воды в хвостохранилшце, уменьшая площадь пылящих пляжей и обеспечивая высокую степень осветления оборотной воды.

Личный вклад автора состоит в анализе и обобщении исследований по физико-механическим свойствам крупнообломочных, песчаных и глинистых грунтов с .использованием статистических моделей; разработке конструкций и технологии формирования противофильтрационных экранов и ограждающих дамб; разработке расчетных схем для оценки устойчивости дамб с учетом грунтовых условий основания, параметров фильтрационного потока и конструктивных особенностей упорной призмы и экрана.

Методы исследований: анализ литературных источников, использование корреляционного и геомеханического анализа, лабораторные эксперименты и сходимость полученных результатов с данными наблюдений натурных объектов.

Реализация результатов работы: результаты работы использовались при выполнении НИР кафедрой охраны геологической среды и экспертной оценке состояния и условий эксплуатации хвостохранилтц ряда горнодобывающих предприятий Урала и Приморского края.

В первой главе рассматриваются методические основы проектирования хвостохранилищ.

Основными факторами, определяющими выбор конструкции ограждающих дамб, площадь и объем хвостохранилищ, являются:объем

-3-

отходов обогащения, наличие свободных земеь, рельеф местност! климат района, гидрогеологические и инженерно-геологически условия на участке строительства, наличие грунтовых материало! пригодных для строительства ограждающих дамб, экологическа безопасность эксплуатации хвостохранилшц.

Анализ опыта гидротехнического строительств свидетельствует, что максимальной устойчивостью пр1 минимальной площади поперечного сечения обладают плотины и каменной наброски с противофильтрационными экранами. Ещ более высокой устойчивостью обладают плотины из каменио! наброски, замытой щебенисто-песчаным материалом, которы сохраняют устойчивость при землетрясениях до 9,5 балла, хот; заложение их низовых откосов (т) не превышает 1,2-1,3...1,18 Высокая устойчивость плотин такой конструкции обусловлен; совместным действием двух факторов:

- призма упора, находящаяся за экраном, не испытываем фильтрационного и гидростатического давления воды, посколью она отделена от водоема экраном;

- угол внутреннего трения каменной наброски, как правило превышает 45-50°, против 25-30° в земляных плотинах.

Дамбы хвостохранилшц "работают" в более благоприятны? условиях, чем плотины водохранилищ:

- оползание наклонного противофильтрационного экрана пс контакту с переходным слоем верхового откоса (основная причина аварий плотин водохранилищ с наклонным экраном) невозможно, поскольку он подперт намывным материалом;

- растрескивание экрана или глинистого ядра за счет высыхания при спаде уровня воды в меженный период, что также является причиной частых аварий плотин, на хвостохранилшцах в принципе невозможно, т.к. уровень шламов непрерывно повышается;

- разрушение верхового откоса и экрана за счет нагонной волны на хвостохранилшцах нереально из-за наличия протяженных пляжей и малой глубины пруда.

Таким образом, если плотина хвостохранилища будет оборудована на всю высоту затопления противофильтрационным экраном и хотя бы нижняя часть основного тела дамбы отсыпана из крупнообломочного материала, ее устойчивость будет обеспечена даже при наличии в основании фильтрующих или малопрочных пород.

Применительно к расчетам устойчивости ограждающих дамб меются следующие замечания, вытекающие из основных положений еханики упруго-пластичных (сыпучих) сред:

- поверхность скольжения в ее верхней части не может иметь угол аклона к горизонту менее 45°+<р/2;

- угол встречи поверхности скольжения с откосом в его основании авен 45°-<р/2;

- если угол наклона низового откоса дамбы меньше чем 45°-ср/2, оверхность скольжения может заглубляться в слабые грунты снования, но в этом случае точка выхода поверхности скольжения лесгится от основания откоса вниз по склону, а ее угол встречи с мной поверхностью будет равен 45°-<р/2. Поэтому представляется елесообразным использовать рекомендации по проектированию мамонакопителей института ВОДГЕО (1986 г.), но с внесением эответствующих корректив. Должны быть учтены:

- особенности передачи фильтрационного давления со стороны юстохранилшца на тело дамбы;

- отсутствие или наличие фильтрационного давления на снование дамбы, определяемое фильтрационными характеристиками одстилающих грунтов, наличием понура со стороны верхового откоса

др-;

- показатели сопротивления сдвигу и коэффициент фильтрации >унтов в теле дамбы, рассчитанные с "учетом технологии их укладки.

Вторая глава посвящена обоснованию рациональных энструкций и параметров шламонакопителей.

Рассмотрено влияние на выбор конструкции ограждающих дамб гедующих факторов:

I климатического: в районах с муссонным климатом из-за угрозы размыва откосов во время сильных дождей для отсыпки низового откоса предпочтение должно отдаваться крупнообломочным грунтам (выбор конструкции хвосто хранилища в сложных климатических условиях - вечная мерзлота и т.п. - не рассматривался в данной работе);

геоморфологического: конструкции хвостохранилищ равнинного типа относительно просты; при строительстве хвостохранилщца овражного, овражно-равнинного и пойменного типа требования к конструкции существенно усложняются (площадь водосбора может во много раз превышать площадь чаши хвосгохранилшца; высота ограждающих дамб непостоянна, что приводит к неравномерным осадкам и появлению трещин). Поэтому для обеспечения устойчивости и сокращения фильтрационных потерь необходимо

-5-

сооружение дамбы из материала с высоким модулем деформацю и большим углом внутреннего трения, т.е. крупнообломочноп грунта послойно, с замывом пустот песком или противофильтрационным экраном.

3) гидрогеологических условий: они оцениваются режимо\ химическим составом и агрессивностью грунтовых вод. Пр наличии в фильтрате токсичных веществ, дефиците оборотной водь для исключения подтопления окружающих территорий необходим своевременная гидроизоляция "окон" в поверхностном водоупоре.

4) инженерно-геологических условий: объем инженерш геологических исследований зависит от вида грунтов основания условий их залегания; конструкции и высоты ограждающих дам( типа грунтовых материалов тела дамбы. При проектировании дам на скальном основании необходимо определение показателей сдвш по контакту основания с телом дамбы с учетом изменения прочное! материала при насыщении водой. Возведение ограждающих дамб I песчано-гравийном основании возможно из любых грунтов пр наличии понура и наклонного противофильтрационного экран если высота дамбы не превышает 20-30м. При строительст хвостохранилшц на основании из связных грунтов с низк* коэффициентом фильтрации определяются прочностные деформационные показатели всех пород в сфере влияния сооружен! (стандартные испытания при естественной плотности - влажност оценка изменения величины сцепления, угла внутреннего трет модуля общей деформации при набухании и уплотнении глинисп грунтов; просадочность и изменение пористости за счет растворен солей; солевой состав; водородный показатель жидкой фа: пульпы).

5) экологической опасности хвостохранилшц, которая определяет токсичностью шламов:

¡.исходя из минерального состава оценивается ожидаемая степе загрязнения вод токсичными веществами;

2.параметры противофипьтрационных устройств корректируют по допустимому уровню выноса загрязняющих веществ; З.оценивается объем ветрового сноса, при превышении допустимо объема пыления конструкция плотины подлежит пересмотру; 4.оценивается опасность загрязнения окружающей среды п консервации хвостохранилшц.

Третий раздел посвящен исследованию крупнообломочны?

есчано-глинистых грунтов на возможность использования для гроительства ограждающих дамб, фильтров и противофильтра-цонных экранов хвостохранилищ.

Исследование взаимосвязи показателей сопротивления сдвигу рунтов с их гранулометрическим составом, пористостью и прочностью бломков показало, что пористость (По) является главным фактором, пределяющим величину угла внутреннего трения крупнообломных рунтов, тогда как влияние крупности ((150/с1о) и прочности (11с/В^) бломков существенно ниже.

Исходя из гипотезы, что между tgфi и а, существует зависимость

вда

1§ф1=т^=к(а0/стОь, (1)

ыли определены параметры к и Ь:

к=1.669-1.835по+0,0273(ё5о/с1о)+0,161(^/9^); (2)

Ь=0,126-0,236 п0+0,012(а5о/(1о)+0,046(Кс/1го) (3)

ри коэффициентах корреляции фактических и расчетных значений, ответственно,

г=0.865 и г=0,874,

хе Ио, сг0-- стандартные значения соответсвующиг величин, ринятые нами для исключения неопределенности с размерностью 1о=Ю мм, Ко=100 МПа , сго=0,1 МПа). 1висимость (1) можно свести к выражению

=1,835(1-По),

эторое можно использовать для предварительных расчетов ггойчивости дамб с целью определения оптимальных конструкций юружения и свойств использованных при его строительстве местных атериалов.

В результате проведения нами серии сдвигов и фильтрационных ;пытаний на различных фракциях шламов Высокогорского ГОКа .1явлена зависимость для уравнения (1)

к=1.81б+10.52(ё5о/^) при г=0.666, (4)

Ь=0.361+2.386(а5о/с1о) при г=0.736, (5)

о позволяет определять значение tgф на основании анулометрического состава шламов, извлекаемых из инженерно-ологических скважин (учитывая, что эти значения будут ниже альных из-за более высокой

неоднородности шламов).

Для достоверности оценки устойчивости ограждающих дам необходимо определение величины коэффициента фильтраци хвостов (для определения положения депрессионной кривой).

Нами были проведены опыты по сопоставительной оцет возможности использования формул К.Терцаги, И.С.Ронжин; И.А.Пелагина, М.П.Павчича. Опыты проводились по стандартно методике (Ломтадзе) с помощью трубки СПЕЦГЕО.

Сопоставление экспериментальных значений коэффициенте фильтрации проб с их расчетными значениями, приведенное таблице 1, свидетельствует о том, что наиболее близкие эксперименту результаты дает формула Павчича М.П., котору] можно использовать для определения величины Кф и его изменена по мере уплотнения хвостов в теле дамбы.

При формировании экранов естественное состояние (плотност и влажность) существенно изменяются в процессе рыхлеши увлажнения и последующей укатки, поэтому необходим располагать методом расчета коэффициента фильтрации экранног слоя с учетом технологии его формирования и свойств исходны материалов. Несмотря на высокую сходимость вычисленны значений Кф с данными экспериментов, возможность использовани формулы В.Н. Жиленкова (ВНИИГ)

Кл = 4-10-13 ехр——^--,м/с, ((

ф' 0X1 ет - 0,048

где Кф^ - коэффициент фильтрации глинистого грунта пр

коэффициенте пористости е 1;

ет -коэффициент пористости грунта при влажности \¥т. для грунтов с нарушенной структурой требует экспериментально проверки, поскольку естественные грунты могут имет значительную структурную прочность, макропористость трещинную пустотность, что может оказать существенное влияни на величину Кф при малых уплотняющих нагрузках (по сравнению экранным материалом, формируемым намывом). В УГГГА была проведена серия специальных экспериментов из пас элювиальных грунтов Урала. Паста загружалась в стакаш фильтрационно-компрессионного прибора и затем на каждо] стакане проводились испытания в соответствии со стандартно: методикой. По величине осадки и уплотнения под каждой ступены нагрузки рассчитывалось

Таблица 1.

Экспериментальные и расчетные значения коэффициентов фильтрации.

№ Коэффициенты фильтрации, м/супси

Экспе рим. Расчетные по формулам

3.23 3.18 3.19 3.20 3.21

1 5,74 8,0 1,83 0,021 199,54 82,75

2 6,76 3,6 1,76 0,013 194,68 76,74

3 10,20 11,7 1,60 0,023 189,72 78,33

4 4,29 10,0 1,93 0,023 166,14 67,08

5 5,32 5,4 3,22 0,023 519,66 209,04

б 9,46 10,0 2,84 0,040 199,54 97,41

6.2 5,25 9,0 3,03 0,033 244,21 105,44

7 4,18 11,0 3,01 0,037 227,11 106,97

8 3,37 7,3 2,04 0,035 248,36 182,36

9 3,70 10,0 2,13 0,033 213,65 96,31

сре дн. 5,83 9,6 2,24 0,028 240,26 110,24

экспериментальное значение коэффициента фильтрации (К'фэ) и

определялся соответствующий ему коэффициент пористости (е,). Для каждого значения по всем пробам рассчитывалось расчетное значение

коэффициента фильтрации по Жиленкову В.Н. Сопоставление

экспериментальных и расчетных значений Кх{ц приведены в таблице 2. Из приведенных данных можно сделать следующие выводы: при одинаковых значениях е, в грунтах с ненарушенной (по В.Н. Жиленкову) и нарушенной структуры величина коэффициента фильтрации в пастах выше, чем в естественных грунтах, если уплотняющая нагрузка 0,2 МПа;

при уплотняющих нагрузках ст, > 0,3 МПа значение Кфэ и Кфр практически равны между собой, а при >0,3 Кфэ < Кфр, при расчете грунтовых экранов их значение Кф можно (при ап>0,2 МПа) принимать равным расчетному даже при наличии в укатываемом грунте значительного содержания крупных обломков.

Таблица i

Сопоставление коэффициентов фильтрации элювиальных грунто нарушенной структуры, полученных экспериментально и рассчитанны по формуле Жиленкова В.Н._

№ Значение показателей при уплотняющих нагрузках Р, МП

п/п еТ 0,1 0,2 0,3 0,4

е i кфг е i Кф'1 е i Кф1 е i Кф1

1 0,92 0,970 5.7Е-03 0,850 7.2Е-04 0,790 1.1Е-05 0,770 1.2Е-06

2 0,97 1,030 3.4Е-03 0,850 1.0Е-03 0,790 8.6Е-05 0,750 7.3Е-06

3 1,03 1,050 1.0Е-03 0,980 6.4Е-05 0,820 8.3Е-06 0,870 2.8Е-06

4 0,98 1,020 1.7Е-03 0,843 3.0Е-04 0,763 5.2Е-05 0,722 1.7Е-05

5 0,81 0,911 3.2Е-03 0,761 9.0Е-04 0,602 1.2Е-05 0,562 8,2Е-06

где 5,7Е-03=2,7х10-3

Для оценки возможности деградации грунтовых экранов п< воздействием солей и кислот в УГГГА были проведены компрессионн фильтрационные испытания паст из элювиальных грунтов Ypaj (таблица 3). Материал в виде пасты из фракций < 2 мм готовился i дистиллированной воде, растворе поваренной соли- 10 и 30 концентрации и дистиллированной воде с добавкой серной кислот (водородный показатель рН равен 3 и 5).

Анализ результатов таблицы 3 свидетельствуют о том, что налич серной кислоты или поваренной соли в фильтрате не ведет уменьшению коэффициента фильтрации э плювиальных грунте глинистая фракция которых представлена гидрослюдами и каолином.

Четвертая глава посвящена методике расчета устойчивое ограждающих дамб .

В гидротехническом строительстве расчет устойчивости землянь каменно-земляных и каменно-набросных плотин производится на бг модели отвердевшего отсека (когда предполагается наличие предель напряженного состояния только в зоне поверхности скольжения) модели, использующей основы положения теории предельно равновесия для каждой точки грунта.

Вторая модель реализована в расчетах В.В. Соколовского, В Сапожникова, В.П. Будкова, К. Терцаги, Г. Крея - В.А. Флорина, P.P. Чугаева, Г.Л. Фисенко. Основное преимущество метода Г.Л. Фисен перед

Таблица 3.

Значение коэффициентов фильтрации (м/сутки) грунтовых паст при уплотняющих нагрузках (МПа).

№проб Уплотняющие нагрузки, МПа

0,05-0,10 0,10-0,20 0,20-0,30 0,30-0,40

Дистиллированная вода

7 4.8Е-04 2,6Е-05 4.8Е-06 4,ЗЕ-06

8 8,ЗЕ-04 4,7Е-04 6,2Е-05 2,9Е-05

10% раствор NaCl

7 4,2Е-04 1,8Е-05 5,1Е-06 3,4Е-06

8 1,6Е-04 6.0Е-04 1,4Е-06 3,9Е-06

30% раствор NaCl

7 5,2Е-04 2.1Е-05 5,6Е-06 5,0 Е-06

8 4,2Е-04 1,2Е-04 3,3E-05 1,2Е-05

Раствор H2SO4 (рН=3)

7 2,2Е-05 1.0Е-04 3,2Е-05 3,3E-06

8 1.2Е-04 1,0Е-04 1.8Е-05 1,ЗЕ-05

- Раствор H2SO4 (рН=5)

7 1.9Е-05 1,2Е-05 3,0Е-05 2,6Е-06

8 2,6Е-04 1.2Е-04 1,9Е-05 9,0Е-06

методами К. Терцаги, Г. Крея - В.А. Флорина, Чугаева P.P. и других исследователей, использующих заданную ( круглоцилиндрическую ) поверхность скольжения, заключается в том, что использование теоретических положений теории предельного равновесия о фиксированной величине угла наклона площадок скольжения к направлению максимального сжимающего напряжения ^позволяет однозначно определить местоположение наиболее опасной поверхности в откосе без рассмотрения большого числа вариантов. Сопоставительный анализ этих методов, выполненный М.Е. Певзнером, показал, что несмотря на отказ от многовариантности поиска наиболее опасной поверхности скольжения, решение Г.Л. Фисенко не уступает им в точности и обоснованности. Знание того, что касательная к поверхности скольжения выходит в основание откоса под углом е:

е=тс/4-ф/2, (8)

-И-

где ф- угол внутреннего трения грунта, позволяет оценить условия, пр] которых при оползне ограждающей дамбы возможен захват грунто; основания. Такая ситуация неизбежна, если прочность грунто основания на сдвиг ниже или равна прочности грунтов, слагаю где! дамбу, а угол наклона низового откоса ау соответствует неравенству

«у^Т-о- (9>

п ф

При выполнении неравенства (1) поверхность скольжения не може быть полностью цилиндрической, и не пройдет через нижнюю точк откоса (рис.1), поскольку согласно условию предельного равновеси призма пассивного давления должна сдвигаться по плоско поверхности с углом наклона к земной поверхности равным е. Расче устойчивости в рассматриваемом случае может выполняться по метод P.P. Чугаева, К. Терцаги или Г. Крея - В.А. Флорина. При болыпо мощности слабого слоя в основании дамбы расчет устойчивост производится в нескольких вариантах с разным заглубление поверхности скольжения и за окончательный принимается вариант минимальным коэффициентом запаса устойчивости. Если мощность слабого слоя в основании дамбы незначительн! поверхность- скольжения будет ломаной (рис.2), и расчет устойчивое! следует проводить по методу многоугольника сил. В работе была рассмотрена методика расчета устойчивое! ограждающих дамб намывного типа. По мере подъема уровня воды хвостохранилшце и уплотнения грунта в теле дамб! сопровождающегося подъемом поверхности фильтрационного поток вес призмы пассивного давления (призмы упора) уменьшается, в т время как вес призмы активного давления продолжает увеличивать« (рис.3). Следствием этого является снижение коэффициента запа< устойчивости дамбы.

7Г ф

Если угол низового откоса больше, чем £ = — — — , формирует!

классический оползень, осложненный оплыванием нижн< (фильтрующей) части откоса, коэффициент запаса устойчивое] низового откоса рассчитывается по формуле

- Щу / Cosg,)m + £ C,ICosS;

I'М.-ЯпЦ ■ 1

-12-

'ис. 1. Схема построения поверхности скольжения в ограждающей [амбе со слабыми грунтами основания: - призма активного давления; : - призма пассивного давления.

Нро

снования дамбы при малой мощности слабого слоя.

Рис.3. Схема расчета устойчивости фильтрующей дамбы при а=л/4-ф/2:

где 11 и Ь1 - полная высота отсека и высота подтопленной части;

<5-- средний угол наклона поверхности скольжения в пределах ¡-п

отсека;

д] - среднее из углов наклона поверхности скольжения I фильтрационного потока 1-го отсека.;

С и ф 1 - расчетные значения сцепления и угла внутреннего трешь намывного грунта;

у с и у - удельный вес сухого грунта и воды

ус = у»(1-п)

у,- удельный вес минеральной части, II - пористость грунта в теле дамбы. При С=0 коэффициент запаса устойчивости:

= (11;

а при отсутствии взвешивающего воздействия фильтрационного потока

^ = 02) .ели гфи расчетах по формулам (10)-(12) значение К 3 будет меньше ормативного, то есть К3<1.0, то ориентировочное значение угла аклона низового откоса устойчивой дамбы (ау) может быть пределено из условия

tgay=tgav-K3, (13)

де ар- угол наклона низового откоса, для которого проводится •асчет К 3 .

:сли условие а > е не выполняется, то наиболее опасная поверхность кольжения пройдет с захватом грунтов основания или в точке 1стречи с основанием произойдет ее излом под углом 9 , а сдвиг 1ризмы упора произойдет по контакту дамба - основание. 1ри варианте сдвига с захватом грунтов основания построение юверхности скольжения производится по аналогии с рис.1, а расчет устойчивости откоса по формуле (10). При этом следует учесть, что :сли грунты основания представлены глинистыми грунтами, то для угсеков, основание которых сложено этими породами, силы трения :ледует рассчитывать по формуле

Ftpi= (а, - щ - й/ / Cos S,) tg<p}, (14)

где u - поровое давление в грунте основания.

Если прочность грунтов основания исключает возможность захвата их, реализуется контактная схема скольжения (Рис.2) и расчет должен производиться по методу многоугольника сил. При этом сцепление и угол трения по контакту принимается как минимальное сочетание из пары свойств грунтов тела дамбы и основания. При строительстве ограждающих дамб из связных грунтов или смеси обломочных и связных грунтов с их послойной укаткой, их разрушение может реализоваться или за счет сдвига дамбы по контакту с основанием, или за счет выдавливания грунтов основания. В первом случае коэффициент запаса устойчивости определяется по формуле:

PCos8tg<p +c'L Ку= PSinS+hlrll • (15)

где P=y2S

S~ угол наклона основания,

с' и <р' — сцепление и угол трения между телом дамбы и грунтам! основания.,

Ь — ширина дамбы по основанию

Ъъ —высота столба воды над основанием дамбы.

При варианте выдавливания грунтов основания поверхносп скольжения будет круглоцилиндрической с углами наклон: касательных к ней в точке верхового откоса равном ей таким же угло\ наклона в точке выхода ее на поверхность (Рис.4 ).

К3 =

(16;

Рис.4. Схема расчета устойчивости земляных дамб на слабол: основании. _

Расчет устойчивости дамбы производится по формуле: £ • У г ~ «)Срд<$ • + £ / С05$

ХЬ-Гг^+^-г/2

Методика расчета устойчивости каменнонабросной дамбы < противофильтрационным экраном: наличие экрана и высокогс коэффициента фильтрации каменной наброски обеспечивает полное осушение призмы упора. Поэтому учет воздействия фильтрационного потока на устойчивость низового откоса имеет смысл лишь при малок ширине дамбы, а наиболее вероятным вариантом ее разрушенш является сдвиг по контакту. При расчете на сдвиг в этом случае поровое давление в грунте основания следует принимать равное нулю (и=0) поскольку наличие скального тела дамбы гарантирует полное снятие фильтрационного давления. Коэффициент устойчивости в этом случае определяется по формуле:

ис.5. Схема расчета устойчивости каменно-набросной дамбы с ротивофильтрационным экраном.

где Я- площадь сечения призмы упора (Рис.5),

(18)

8 ~ угол наклона основания дамбы, Ль-- высота подтопления (Рис.5).

Автором были разработаны конструкции ограждающих дамб для ух вариантов:

хвостохранилшце еще не существует, а лишь определен земельный отвод под его размещение(Рис.б);

существующее хвостохранилшце нуждается в реконструкции с целью уменьшения его экологической опасности или увеличения емкости (Рис.7).

»еимуществом предлагаемой схемы строительства (Рис.6.) является швисимость операций по складированию хвостов и наращиванию соты дамб.

а схема требует резерва по незастроенной территории, мыкающей к низовому откосу пионерной насыпи. Если на •конструируемом

хвостохранилшце также имеется незастроенная полоса, примыкающая низовому откосу, то и в этом случае может быть использована схем наращивания высоты ограждающей дамбы, приведенная на рис.6.

Рис.б.Схема наращивания ограждающей дамбы на филырующ« основании с пионерной насыпью типа земляной плотины.

Рис.7. Схема наращивания высоты дамбы при реконструкц действующих хвостохранилшц.

При невозможности наращивания высоты дамбы за счет смещения ее гребня в сторону низового откоса, а также при отсутствии строительного материала в виде каменной наброски весьма эффектив] схема, приведенная на рис.7.

Пятый раздел посвящен разработке мероприятий по экологическ защите подземных вод и атмосферного воздуха на прилегающих хвостохранилшцу территориях, применительно к ЛГОКу. Сократа вредное воздействие на окружающую среду, увеличить емкое хвостохранилшц, не изымая дополнительные площади, позвол следующий вариант реконструкции ограждающих да хвостохранилшца.

В основании существующей намывной плотины отсыпается амба из каменной наброски. На ее верховой откос укладывается ротивофильтрационный экран. Затем производится замыв бразовавшейся емкости хвостами обогащения традиционной гхнологией. После заполнения этого дополнительного объема на оверхности отходов формируется противофильтрационный экран етодом намыва.

Вторая очередь дамбы сооружается со смещением в сторону рудка-отстойника аналогично технологии формирования первой череда.

Противофильтрационный экран, исключая фильтрацию грез дамбу, уменьшает фильтрационные потери, загрязнение одземных вод и обеспечивает устойчивость дамбы при ее аращивании за счет увеличения веса призмы упора (вес звешенного грунта равен (1-п)у от веса сухого у, где п- пористость) отсутствия фильтрационного давления. Дамба из каменной аброски (с высоким углом внутреннего трения и большим :>противлением сдвигу) также увеличит коэффициент запаса стойчивости, что позволит поддерживать в прудке высокий уровень оды и, соответственно, уменьшить площадь пылящих пляжей.

Дамбы II и последующих очередей могут формироваться, в ринципе, из любых грунтов при наличии противофильтрационного крана, а низовой откос должен быть отсыпан из скальных пород ля предотвращения пыления.

Реконструкция может проводится параллельно с работой востового хозяйства в обычном режиме.

В разделе освещены вопросы подбора геоматериалов для эоружения противофильтрационного экрана, расчет параметров и гхнология его формирования.

диссертационной работе дано новое решение актуальной задачи о расчету конструкций ограждающих дамб экологически чистых востохранилшц большой емкости. Основные методические, аучные и практические результаты исследований заключаются в тедующем:

. На основе опубликованных в открытой печати данных сспериментальных исследований и исследований, выполненных втором работы, с использованием корреляционного анализа, были о лучены формулы для расчета показателей сопротивления сдвигу, ористости и коэффициента фильтрации крупнообломочных, гсчаных и глинистых грунтов по их гранулометрическому составу и шотняющей нагрузке.

2. Уточнены или разработаны новые расчетные схемы для оцеш устойчивости ограждающих дамб хвостохранилищ при различш прочностных и фильтрационных характеристиках дамбы, ее основан] и экранных устройств.

3. Разработана методика расчета параметров наклонных горизонтальных экранов с заданными водоупорньв характеристиками.

4. Разработаны новые конструкции ограждающих даt хвостохранилищ большой вместимости, обеспечивающие эффективн) защиту окружающих территорий от подтопления, загрязнен подземных вод и пылеобразования.

5. Основные результаты исследований адаптированы применительно условиям реконструкции хвостохранилшца Лебединского ГОКа.

Основные научные положения диссертации опубликованы в четыр печатных работах:

1 .Черкащенко H.A. Конструктивные особенности ограждающих да] хвостохранилищ большой емкости. / Освоение месторожден: минеральных ресурсов и подземное строительство в сложи гидрогеологических условиях. Матер. 3-го Международного симпо Белгород, 1995.

2.3отеев В.Г., Костерова Т.К., Черкащенко H.A. Основные принцш создания захоронения промышленных отходов в карьерных выемк; Мат-лы 2-й научно-технич. конференции "Экологические пробле? горного производства, переработки и размещения отходов" (30.0 02.02.95)- М.:МГГУ, 1995, с. 501-504.

З.Черкащенко H.A. О некоторых мерах по повышению экологическ безопасности хвостохранилищ.// Горный журнал, 1995, № 12, с.49-50. 4. Зотеев В.Г., Костерова Т.К., Черкащенко H.A. Конструктивн требования к строительству и эксплуатации экологически чист хвостохранилищ / Проблемы экологии и охраны окружающей сред] Тезисы доклада на Международной выставке "Уралэкология-96" апреля 1996 г.- Екатеринбург, 1996, с.97.

Принято в печать: Зотеев В.Г. , Черкащенко H.A. Эколог хвостохранилищ большой емкости.

Зотеев В.Г. , Костерова Т. К. , Черкащенко H.A. Перспективн конструкции ограждающих дамб и противофильтрационных экран экологически чистых хвостохранилищ.