Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Методика расчета конструктивных параметрови устойчивости ограждающих дамбэкологически чистых хвостохранилищ

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

Автореферат диссертации по теме "Методика расчета конструктивных параметрови устойчивости ограждающих дамбэкологически чистых хвостохранилищ"

2 Ц ФЕВ

Комитет Российской Федерации по водному хозяйству

Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов

На правах рукописи

Черкащенко Наталья Анатольевна

Методика расчета конструктивных параметров и устойчивости ограждающих дамб экологически чистых хвостохранилищ

Специальность: 11.00.11 «Охрана окружающей среды и рациональное ^пользование 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 диссертационног специализированного совета К 099.01.01 в Российском НИ1 комплексного использования и охраны природных ресурсов п адресу: Екатеринбург, ул. Мира, д. 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РосНИИВХ. Автореферат разослан_ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Рыбаков Ю.С.

Актуальность работы. Современным ГОКам, перерабатывающим в год десятки миллионов тонн руды, требуются хранилища отходов обогащения, объем которых измеряется миллиардами кубических метров. Получившие большое распространение хвостохранилища намывного типа, когда ограждающие дамбы формируются из крупных фракций хвостов, имеют следующие недостатки:

отсутствие противофильтрационных экранов у намывных дамб предопределяет большие фильтрационные потери через ложе хвостохранилища и ограждающие дамбы, что ведет к увеличению расхода воды и подтоплению окружающих территорий (Кривошеев В.Я., Угрюмова В.Л., 1988);

высокий уровень воды в низовом откосе ограждающих дамб предопределяет недостаточный запас их устойчивости, чем и объясняются 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 дамбы) уровень воды в шламохранилище снижают до минимума, вследствие чего увеличивается снос пыли с осушенных пляжей;

вынос растворенных в фильтрате токсичных веществ и оседание пыли на земной поверхности ведет к загрязнению поверхностных и подземных вод на территории, в десятки раз превышающей площадь хвостохранилища;

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

Из вышесказанного следует, что разработка новых конструкций ограждающих дамб хвостохранилищ, обладающих:

- высокой устойчивостью при больших углах низовых откосов,

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

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

безусловно является одной из наиболее актуальных задач горного производства.

Цель работы: Разработка конструкции ограждающих дамб экологически чистых хвостохранилищ большой вместимости и метода расчета их параметров и устойчивости.

-1-

Основная идея: Выбор конструкции ограждающих дам хвостохранилшц должен базироваться на комплексном уче1 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 минимум пылеобразование.

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

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаци обоснована анализом литературных источнике]

сопоставительными расчетами, выполненными с использование прочностных и фильтрационных характеристик и схем деформаци откосов - земляных и каменно-землянных плотин различно конструкции. Рекомендации по использованию грунтовы материалов для сооружения дамб учитывают экспериментальн полученные прочностные и фильтрационные характеристик грунтов. Достоверность выводов также подтверждается апробацие работы в печати, на международных и республиканских научны конференциях.

Научная новизна работы:

1. На основе обобщения и корреляционного анализ экспериментальных данных по сдвиговым характеристика крупнообломочных материалов получены уравнения, позволяющи определить углы сопротивления сдвигу раздельно-зернисты грунтов по их гранулометрическому составу, пористости прочности обломков.

2. Разработана методика определения фильтрационны характеристик глинистых грунтов нарушенной структуры пр выборе местных материалов для сооружени противофильтрационных экранов.

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

-2-

конструктивные особенности дамб, что дает возможность обеспечить устойчивость откосов при наращивании высоты дамбы или подъеме уровня воды в хвостохранилшце.

Практическая ценность работы: полученные результаты позволяют:

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

обеспечить требуемую степень гидроизоляции хвостохранилшц за счет создания из местных грунтов горизонтальных и наклонных экранов предлагаемых конструкций и технологии их сооружения;

увеличить удельную вместимость хвостохранилшц на единицу занимаемой площади в 1,5-2 раза при гарантии устойчивости низовых откосов и основания за счет перехода на новую конструкцию ограждающих 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 хвостохранилшц ряда горнодобывающих предприятий Урала и Приморского края.

В первой главе рассматриваются методические основы проектирования хвостохранилшц.

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

-3-

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

Анализ опыта гидротехнического строительств! свидетельствует, что максимальной устойчивостью пр! минимальной площади поперечного сечения обладают плотины и: каменной наброски с противофильтрационными экранами. Ещ более высокой устойчивостью обладают плотины из каменно] 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 испытывае фильтрационного и гидростатического давления воды, поскольк она отделена от водоема экраном;

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

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

- оползание наклонного противофильтрационного экрана п контакту с переходным слоем верхового откоса (основная причин аварий плотин водохранилищ с наклонным экраном) невозможн< поскольку он подперт намывным материалом;

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

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

Таким образом, если плотина хвостохранилшца буд< оборудована на всю высоту затопления противофильтрационны экраном и хотя бы нижняя часть основного тела дамбы отсыпана I крупнообломочного материала, ее устойчивость будет обеспечет даже при наличии в основании фильтрующих или малопрочнь пород.

механики упруго-пластичных (сыпучих) сред:

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

- угол встречи поверхности скольжения с откосом в его основании равен 45°-ф/2;

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

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

- отсутствие или наличие фильтр ационного давления на основание дамбы, определяемое фильтрационными характеристиками подстилающих грунтов, наличием понура со стороны верхового откоса И др.;

- показатели сопротивления сдвигу и коэффициент фильтрации грунтов в теле дамбы, рассчитанные с-учетом технологии ихукладки.

Вторая глава посвящена обоснованию рациональных конструкций и параметров шламонакопителей.

Рассмотрено влияние на выбор конструкции ограждающих дамб следующих факторов:

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

2) геоморфологического: конструкции хвостохранилищ равнинного типа относительно просты; при строительстве хвостохранилшца овражного, овражно-равнинного и пойменного типа требования к конструкции существенно усложняются (площадь водосбора может во много раз превышать площадь чаши хвостохранилшца; 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 деформаци и большим углом внутреннего трения, т.е. крупнообломочног грунта послойно, с замывом пустот песком или противофильтрационным экраном.

3) гидрогеологических условий: они оцениваются режимов 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 инженернс 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 сдвиг по контакту основания с телом дамбы с учетом изменения прочност материала при насыщении водой. Возведение ограждающих дамб н песчано-гравийном основании возможно из любых грунтов пр наличии понура и наклонного противофильтрационного экранг если высота дамбы не превышает 20-30м. При строительств хвостохранилшц на основании из связных грунтов с низки коэффициентом фильтрации определяются прочностные ] деформационные показатели всех пород в сфере влияния сооружени (стандартные испытания при естественной плотности - влажность оценка изменения величины сцепления, угла внутреннего тренш модуля общей деформации при набухании и уплотнении глинисты грунтов; просадочность и изменение пористости за счет растворени солей; солевой состав; водородный показатель жидкой фазь пульпы).

5) экологической опасности хвостохранилшц, которая определяете токсичностью шламов:

1.исходя из минерального состава оценивается ожидаемая степен! загрязнения вод токсичными веществами;

2.параметры противофильтрационных устройств корректируютс: по допустимому уровню выноса загрязняющих веществ; З.оценивается объем ветрового сноса, при превышении допустимой объема пыления конструкция плотины подлежит пересмотру; 4.оценивается опасность загрязнения окружающей среды пр! консервации хвостохранилшц.

Третий раздел посвящен исследованию крупнообломочных и

песчано-глинистых грунтов на возможность использования для строительства ограждающих дамб, фильтров и противофильтра-ционных экранов хвостохранилищ.

Исследование взаимосвязи показателей сопротивления сдвигу грунтов с их гранулометрическим составом, пористостью и прочностью обломков показало, что пористость (п^) является главным фактором, определяющим величину угла внутреннего трения крупнообломных грунтов, тогда как влияние крупности (dso/do) и прочности (R^/Ro) обломков существенно ниже.

Исходя из гипотезы, что между tgq>j и ct¡ существует зависимость

вида

tg9I=x1/cr1=k(cr0/cri)b, (1)

Были определены параметры к и Ь:

k=1.669-1.835n0+0,0273(dSo/do)+0,161(R0/R0); (2)

Ъ=0,126-0,236 По+0,012(d5o/do)+0,046(Bo/Ro) (3)

при коэффициентах корреляции фактических и расчетных значений, соответственно,

г=0.865 и г=0,874,

где do, R<„ <j0-- стандартные значения соответсвующюс величин, принятые нами для исключения неопределенности с размерностью (do= 10 мм, Ro=100 МПа , сто=0,1 МПа). Зависимость (1) можно свести к выражению tgq> =1,835(1-и,),

которое можно использовать для предварительных расчетов устойчивости дамб с целью определения оптимальных конструкций сооружения и свойств использованных при его строительстве местных материалов.

В результате проведения нами серии сдвигов и фильтрационных испытаний на различных фракциях шламов Высокогорского ГОКа выявлена зависимость для уравнения (1)

k=1.816+10.52(d5o/do) при 1=0.666, (4)

b=0.361+2.386(d5o/do) при г=0.736, (5)

что позволяет определять значение tg<p на основании гранулометрического состава шламов, извлекаемых из инженерно-геологических скважин (учитывая, что эти значения будут ниже реальных 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 оценк возможности использования формул К.Терцаги, И.С.Ронжиш 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 изменени по мере уплотнения хвостов в теле дамбы.

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

Кл = 4- 1(Г13 ехр---,м/с, ((

ф' * 0.17ег-0,048

где Кф - коэффициент фильтрации глинистого грунта пр

коэффициенте пористости е 1;

ет -коэффициент пористости грунта при влажности \УТ. для грунтов с нарушенной структурой требует экспериментально проверки, поскольку естественные грунты могут име! значительную структурную прочность, макропористость трещинную пустотность, что может оказать существенное влияю 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 стакан] 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/сутки

Экспер им. 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

6 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',1Э) и

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

коэффициента фильтрации по Жиленкову В.Н. (К'фр). Сопоставление

экспериментальных и расчетных значений Кф1 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 а, > 0,3 МПа значение Кфэ и Кфр практически равны между собой, а при О/ >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 2.

Сопоставление коэффициентов фильтрации элювиальных грунтов нарушенной структуры, полученных экспериментально и рассчитанных 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 Кф1 е i Кф1 е i Кф! е i Кф|

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

Для оценки возможности деградации грунтовых экранов под воздействием солей и кислот в УГГГА были проведены компрессионно-фильтрационные испытания паст из элювиальных грунтов Урала (таблица 3). Материал в виде пасты из фракций < 2 мм готовился на дистиллированной воде, растворе поваренной соли 10 и 30 % концентрации и дистиллированной воде с добавкой серной кислоты (водородный показатель рН равен 3 и 5). Анализ результатов таблицы 3 свидетельствуют о том, что наличие серной кислоты или поваренной соли в фильтрате не ведет к уменьшению коэффициента фильтрации эллювиальных грунтов, глинистая фракция которых представлена гидрослюдами и каолином.

Четвертая глава посвящена методике расчета устойчивости ограждающих дамб.

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

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

-10-

!начение коэффициентов фильтрации (м/сутки) грунтовых паст при 'плотняющих нагрузках (МПа)._

>Г°проб Уплотняющие нагрузки, МПа

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

Дистиллированная вода

4,8Е-04 2,6Е-05 4.8Е-06 4,ЗЕ-06

8,ЗЕ-04 4,7Е-04 6,2Е-05 2,9Е-05

10% раствор NaCl

4,2Е-04 1,8Е-05 5, IE-06 3,4Е-06

1,6Е-04 6,0Е-04 1,4Е-06 3,9Е-06

30% раствор NaCl

5,2Е-04 2,1Е-05 5.6Е-06 5,0Е-06

4,2Е-04 1,2Е-04 З.ЗЕ-05 1,2Е-05

Раствор H2S04 (рН=3)

2,2Е-05 1,0Е-04 3,2Е-05 3,3E-06

1,2Е-04 1,0Е-04 1,8Е-05 1.3Е-05

Раствор H2S04 (рН=5)

1,9Е-05 1,2Е-05 3,0Е-05 2,6Е-06

2,6Е-04 1,2Е-04 1,9Е-05 9,0Е-06

!етодами К. Терцаги, Г. Крея - В.А. Флорина, Чугаева P.P. и других [сследователей, использующих заданную ( круглоцилиндрическую ) юверхность скольжения, заключается в том, что использование еоретических положений теории предельного равновесия о фиксированной еличине угла наклона площадок скольжения к направлению максимального жимающего напряжения ст, позволяет однозначно определить 1естоположение наиболее опасной поверхности в откосе без рассмотрения ¡ольшого числа вариантов. Сопоставительный анализ этих методов, ыполненный М.Е. Певзнером, показал, что несмотря на отказ от шоговариантности поиска наиболее опасной поверхности скольжения, ешение Г.Л. Фисенко не уступает им в точности и обоснованности, нание того, что касательная к поверхности скольжения выходит в основание ткоса под углом е:

в=л/4-ф/2, (8)

-11-

где ф- угол внутреннего трения грунта, позволяет оценить условия, пр которых при оползне ограждающей дамбы возможен захват грунто основания. Такая ситуация неизбежна, если прочность грунтов основания н сдвиг ниже или равна прочности грунтов, слагающей дамбу, а угол наклон низового откоса ССу соответствует неравенству

К (р

<9>

При выполнении неравенства (1) поверхность скольжения не может быт полностью цилиндрической, и не пройдет через нижнюю точку откос (рис.1), поскольку согласно условию предельного равновесия призм пассивного давления должна сдвигаться по плоской поверхности с угло! наклона к земной поверхности равным е. Расчет устойчивости рассматриваемом случае может выполняться по методу P.P. Чугаева, Ь Терцаги или Г. Крея - В.А. Флорина. При большой мощности слабого слоя основании дамбы расчет устойчивости производится в нескольких варианта с разным заглублением поверхности скольжения и за окончательны принимается вариант с минимальным коэффициентом запаса устойчивости. Если мощность слабого слоя в основании дамбы незначительна, поверхност скольжения будет ломаной (рис.2), и расчет устойчивости следует проводи! по методу многоугольника сил.

В работе была рассмотрена методика расчета устойчивости ограждающи дамб намывного типа. По мере подъема уровня воды в хвостохранилище уплотнения грунта в теле дамбы, сопровождающегося подъемо поверхности фильтрационного потока, вес призмы пассивного давлени (призмы упора) уменьшается, в то время как вес призмы активного давлени продолжает увеличиваться (рис.3). Следствием этого является снижени коэффициента запаса устойчивости дамбы.

7Z (р

Если угол низового откоса больше, чем £ = — — —, формируете

классический оползень, осложненный оплыванием нижней (фильтрующей части откоса, коэффициент запаса устойчивости низового откос рассчитывается по формуле

X (hj, - Цу / Cos5)igcp, + X C./CosS;

А3 ----^-, (1С

h h,Yc ■ SinSl

Рис.1. Схема построения поверхности скольжения в ограждающей дамбе со слабыми грунтами основания:

1 - призма активного давления;

2 - призма пассивного давления.

Н90

Рис.2.. Схема построения поверхности скольжения с захватом основания дамбы при малой мощности слабого слоя.

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

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

51 - средний угол наклона поверхности скольжения в пределах ¡-г

отсека;

5- - среднее из углов наклона поверхности скольжения фильтрационного потока 1-го отсека.;

С ( и ф . - расчетные значения сцепления и угла внутреннего трени намывного грунта;

у с и у - удельный вес сухого грунта и воды

у с= у»0"п)

у«- удельный вес минеральной части,

п - пористость грунта в теле дамбы.

При С—0 коэффициент запаса устойчивости:

К3=Х СоэЗ^щ - , (11

2и1цгс8т8,Соз51

а при отсутствии взвешивающего воздействия фильтрационноп потока

Если при расчетах по формулам (10)-(12) значение К 3 будет меньше нормативного, то есть К3 <1.0, то ориентировочное значение угла наклона низового откоса устойчивой дамбы (а ^) может быть определено из условия

у ^ё а р '-^3 ' (13)

где ар- угол наклона низового откоса, для которого проводится расчет К 3.

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

Ртр,=(/>,. - м, - Ь] / Со$8)щщ, (14)

где и - 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:

РС08д-Щу +сЬ Кг~ РБтЗ+^у 12 ' (15)

где Р=7г'$

5-- угол наклона основания,

с' и (р' — сцепление и угол трения между телом дамбы и грунтам] основания.,

Ь — ширина дамбы по основанию

}гь —высота столба воды над основанием дамбы.

При варианте выдавливания грунтов основания поверхност скольжения будет кру1тю цилиндрической с углами наклон касательных к ней в точке верхового откоса равном е и таким же угло; наклона в точке выхода ее на поверхность (Рис.4 ).

(16

Рис.4. Схема расчета устойчивости земляных дамб на слабо! основании. _

Расчет устойчивости дамбы производится по формуле: 2 (h>' У г ~ u)CosSi • tg<p + / Cos ^

Zlh-rrSin5i+h2b-r/2 '

Методика расчета устойчивости каменнонабросной дамбы пр отив о фильтр ационным экраном: наличие экрана и высокоп коэффициента фильтрации каменной наброски обеспечивает полно осушение призмы упора. Поэтому учет воздействия фильтрационноп потока на устойчивость низового откоса имеет смысл лишь при мало] ширине дамбы, а наиболее вероятным вариантом ее разрушена является сдвиг по контакту. При расчете на сдвиг в этом случае поров о давление в грунте основания следует принимать равное нулю (н=0) поскольку наличие скального тела дамбы гарантирует полное снят» фильтрационного давления. Коэффициент устойчивости в этом случа: определяется по формуле:

= SyCK ■ CosS ■ tg<p

3 SyCK ■ SinS + hly / 2' -16-

Рис.5. Схема расчета устойчивости каменно-набросной дамбы с противофилътрациопным экраном.

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

Ъ +

(18)

5 — угол наклона основания дамбы, Нъ-- высота подтопления (Рис.5).

Автором были разработаны конструкции ограждающих дамб для двух вариантов:

хвостохраншшще 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).

Преимуществом предлагаемой схемы строительства (Рис.6.) является независимость операций по складированию хвостов и наращиванию высоты дамб.

Эта схема требует резерва по незастроенной территории, примыкающей к низовому откосу пионерной насыпи. Если на реконструируемом

хвостохранилшце также имеется незастроенная полоса, примыкающая I 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 фильтрующе? основании с пионерной насыпыо типа земляной плотины.

Рис.7. Схема наращивания высоты дамбы при реконструкци 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 эффективн схема, приведенная на рис.7.

Пятый раздел посвящен разработке мероприятий по экологическо защите подземных вод и атмосферного воздуха на прилегающих хвостохранилищу территориях, применительно к ЛГОКу. Сократит вредное воздействие на окружающую среду, увеличить емкост хвостохранилшц, не изымая дополнительные площади, позволи следующий вариант реконструкции ограждающих дам хвостохранилища.

В основании существующей намывной плотины отсыпается дамба из каменной наброски. На ее верховой откос укладывается против офильтрационный экран. Затем производится замыв образовавшейся емкости хвостами обогащения традиционной технологией. После заполнения этого дополнительного объема на поверхности отходов формируется противофильтрационный экран методом намыва.

Вторая очередь дамбы сооружается со смещением в сторону прудка-отстойника аналогично технологии формирования первой очереди.

Противофильтрационный экран, исключая фильтрацию через дамбу, уменьшает фильтрационные потери, загрязнение подземных вод и обеспечивает устойчивость дамбы при ее наращивании за счет увеличения веса призмы упора (вес взвешенного грунта равен (1-п)у от веса сухого у, где п- пористость) и отсутствия фильтрационного давления. Дамба из каменной наброски (с высоким углом внутреннего трения и большим сопротивлением сдвигу) также увеличит коэффициент запаса устойчивости, что позволит поддерживать в прудке высокий уровень воды и, соответственно, уменьшить площадь пылящих пляжей.

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

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

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

В диссертационной работе дано новое решение актуальной задачи по расчету конструкций ограждающих дамб экологически чистых хвостохранилищ большой емкости. Основные методические, научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. На основе опубликованных в открытой печати данных экспериментальных исследований и исследований, выполненных автором работы, с использованием корреляционного анализа, были получены формулы для расчета показателей сопротивления сдвигу, пористости и коэффициента фильтрации крупнообломочных, песчаных и глинистых грунтов по их гранулометрическому составу и уплотняющей нагрузке.

2. Уточнены или разработаны новые расчетные схемы для оценю устойчивости ограждающих дамб хвостохранилшц при различны прочностных и фильтрационных характеристиках дамбы, ее основани и экранных устройств.

3. Разработана методика расчета параметров наклонных i горизонтальных экранов с заданными водоупорным; хар актеристиками.

4. Разработаны новые конструкции ограждающих дам хвостохранилищ большой вместимости, обеспечивающие эффективна защиту окружающих территорий от подтопления, загрязнени подземных вод и пылеобразования.

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

Основные научные положения диссертации опубликованы в четыре печатных работах:

I .Черкащенко H.A. Конструктивные особенности ограждающих дам хвостохранилищ большой емкости. / Освоение месторождени минеральных ресурсов и подземное строительство в сложны гидрогеологических условиях. Матер. 3-го Международного симпоз Белгород, 1995.

2.3отеев В.Г., Костерова Т.К., Черкащенко H.A. Основные принцип создания захоронения промышленных отходов в карьерных выемка: Мат-лы 2-й научно-технич. конференции "Экологические проблем; горного производства, переработки и размещения отходов" (30.01 02.02.95)- М.-.МГГУ, 1995, с. 501-504.

З.Черкащенко H.A. О некоторых мерах по повышению экологическо безопасности хвостохранилищ.//Горный журнал, 1995, № 12, с.49-50. 4. Зотеев В.Г., Костерова Т.К., Черкащенко H.A. Конструктивны требования к строительству и эксплуатации экологически чисты хвостохранилищ / Проблемы экологии и охраны окружающей среда Тезисы доклада на Международной выставке "Уралэкология-96" 1 апреля 1996 г.- Екатеринбург, 1996, с.97.

Принято в печать: Зотеев В.Г. , Черкащенко H.A. Эколога хвостохранилшц большой емкости.

Зотеев В.Г. , Костерова Т. К. , Черкащенко H.A. Перспективнь конструкции ограждающих дамб и пр отив о фильтр а ци о иных экране экологически чистых хвостохранилищ.