Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Степень экологического риска и превалирующие факторы в экологической безопасности ограждающих дамб накопителей промышленных отходов на торфяных основаниях

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

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Ивко, Вечислав Ростиславович, Архангельск

АРХАНГЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

ИВКО ВЕЧИСЛАВ РОСТИСЛАВОВИЧ

СТЕЛЕШЬ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РИСКЕ Н ПРЕВАЛИРУЮЩИЕ ШШОШ & ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПЖСНОСГЙ ОГРДЖДЖЙЩЙЖ ДЙМБ НЗКОШГГЕШЕИ ПРСШШЩЯЕИШХ ОТХОДОВ НА Т0РФЯНЯ2 ОСШОВШШЯЖ

11,00.11 - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор

frf.il. Коваленко}

доктор химических наук, профессор

О-М. Соколов

Архангельск, 1999 г,

аод^РЖАшт

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................................................................................................5

1. ОПЫТ СГРОШЖДЬСША И ЭКСПЛУАТАЦИИ И/ЖОПИТЕЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ НА ОСНОВАНИЯХ СЛОЖЕННЫХ Ш ТОРФОВ В УШО-ВИЯХ РЕГИОНА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ......................................................10

1.1. Сведения о болотах и заболачиваемости....................................................................................................................10

1.2. Конструкции ограждающих дамб, возводимых на основаниях сложенных из торфов. 14

1.3. Способы подготовки слабых оснований накопителей промышленных отходов..................18

1.4. Опыт строительства и эксплуатации ограждающих дамб в условиях региона......................21

1.5. Краткий обзор возможных направлений использования ограждающих дамб (насыпей) малого класса капитальности.......................................................................25

1.6. Факторы, влияющие на аварийность ограждающих дамб.............................................................27

2. АНАЛИЗ АВАРИЙ И АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ ОХТАВД4ЮЩИХ ДАМБ НАКОПИТЕЛЕЙПЮМЫЩЛЕШЗЫХ ОТХОДОВ.........................................................33

2.1. Аварии н аварийные ситуации на ограждающих дамбах накопителен промышленных отходов (на примере предприятий ЦБП Архангельской области и Республики Коми) 3 3

2.2. Отдельные сведения об эколого-экономическнх последствиях аварий на предприятиях ЦБП........................................................................................................................................................................................................3«

2.3. Технический анализ причин аварий................................................................................................................................38

2.4. Выводы по главе ................................................................................................54

3. ИССЩЦО&4НИЯ ВЛИЯНИЯ АНТРОПОГЕННОЙ СРЕДЫ НА ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ОСНОВАНИЙ ОГРАЖДАЮЩИХ ДАМБ НАКОПИТЕЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ..................................................................................................................................56

3.1. Программа проведения опытных исследований .....................................................56

3.2. Основные компоненты торфа..............................................................................................................................................57

3.3. Исследование изменений основных параметров вещественного состава торфа под действием техногенных факторов...................................................................60

3.4. Влияния электролитов и химических добавок на прочностные и фильтрационные

свойства торфа..................................................................................................................................................................................65

3.5. Определение химического состава фильтратов (состава антропогенной среда)........ 70

3.6. Стендовые испытания..................................................................................................................................................................73

3.7. Изменение свойств торфа под длительным действием антропогенной среды..........................77

3.8. Исследования деформационных свойств торфа при кратковременном воздействии

химически активных фильтратов.................................................................. 88

3.9, Исследование группового химического состава торфа подвергшегося длительному воздействию химически активных фильтратов................................................. 95

4. УЧЕТ ОСОБЕННОСТЕЙ ПОЛОСОВОГО И ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЩЕСТВЕННОГО СОСТАВА ТОРФА В ЗАЛЕЖИ ОСНОВАНИЯ В АСПЕКТЕ ЮАРМОДЕЙСТВИЯ ОРГАНИЧЖШЭЙ СЮСТАВЛЖОНрЙ ТОРФА С ХИМИЧЕСКИ АКТИВНБ1МИ ФИЛЬТРАТАМИ................................. 101

4.1. Актуальность исследований .,....................................................................... 101

4.2. Вещественный состав торфа н корреляционные зависимости............................... 104

4.3. Пространственное и полосовое изменение эвтрофностн торфяных отложений.......... 108

4.4. Строение торфяной залежи в аспекте ионообменных процессов ............................ 111

4.5. Сведения о проводимых в области исследованиях болотных массивов, торфяников и

торфяных месторождений. Региональные особенности вещественного состава торфяных отложений .................................................................................... 113

4.6. Методика и полевые исследования переходных зон (участков антропогенного риска)

торфяных оснований................................................................................. 118

4.7. Первичная (визуальная) оценка переходных зон............................................... 119

4.8. Оценка линейных размеров переходных зон торфяных отложений по результатам ис-

следований вещественного состава торфа......................................................... 120

4.9. Исследование изменений вещественного состава торфа придонного слоя................ 129

5. УЧЕТ ОТДЕЛЬНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ <ЛРУКТУИЖ>-НЕУСТОЙЧ11ВЪ1Х ТОРФЯНЫХ ГРУНТОВ В ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ОГРАЖДАЮЩИХ ДАМБ (НАСЫПЕЙ) МАЛОГО КЛАССА КАПИТАЛЬНОСТИ............. 138

5.1. Состояние вопроса..................................................................................... 138

5.2. Трещинообразованиев грунтовых плотинах. Существующие методы оценки ........... 140

5.3. Исследование уклонов минерального дна торфяных залежей................................ 151

5.4. Оценка наиболее вероятных участков нарушения сплошности грунтового магериала ограждающих дамб (насыпей) малого класса капитальности................................. 153

5.5. Определение участка повышенной фильтрации в грунтовых насыпях..................... 162

5.6. Напряженно-деформационное состояние основания........................................... 166

ОБЩИЕ ВЫВОД Ы........................................................................................ 173

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................. 175

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................ 185

Введение

По ряду объективных причин в районах Европейского Севера в ближайшие десятилетия ожидается возрастание активного природопользования. Уже развитие промышленно-селитебных зон смещено в сторону заболоченных территорий со сложными инженерно-геологическими условиями. Результаты аэрокосмических съемок, крупномасштабного картографирования, полевых исследований указывают на устойчивую тенденцию ландшафтных и почвенных антропогенных трансформаций. С учетом общепризнанных слабых природовосстановительных процессов в регионе ряд локальных территорий достиг пороговых значений антропогенного воздействия, за которым следует общая деградация природных объектов. В связи, с чем вопросом сохранения экологического баланса при освоении новых территорий придается все большее значение.

Важнейшим звеном в разрешении указанной проблемы является: с одной стороны - безаварийная эксплуатация накопителей промышленных отходов в местах их концентрированного хранения, а с другой - недопущение аварий и аварийных ситуаций на подобных объектах в будущем.

Согласно архивным данным на предприятиях Архангельской области (в первую очередь на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности) в период с 60* годов по настоящее время произошло свыше двух десятков аварий ограждающих дамб разной степени тяжести. Экологический ущерб в ценах 90* годов составил миллиарды рублей.

Отличительной чертой возводимых ограждающих дамб накопителей промышленных отходов в регионе является низкий класс капитальности при малой высоте и большой их протяженности. В преобладающем большинстве случаев дамбы возводились на заторфованных территориях с мощностью торфяных отложений от 1 м до 4,5 м без предварительного выторфовывания. Следует отметить, что указанные объекты возводились й целом с соблюдением нормативных требований, т.е. с достаточным коэффициентом запаса устойчивости низовых и верховых откосов, рассчитанных в соответствии с существовавшими нормами проектирования на слабых основаниях, с соблюдением технологических тре-

бований при отсыпке и т.д. Тем не менее, общее количество аварий происшедших на указанных объектах следует признать высоким.

Примерно в 90% случаев аварий связано с накопителями химически активных веществ, прежде всего обладающих щелочными свойствами. При этом было обращено внимание на. тот факт, что в местах аварий золоотвалов, илонакопителей ранее по тем или иным причинам временно складировались химически более агрессивные вещества (щелоки, щелочные шламы). Технология подачи промышленных отходов с помощью гидротранспорта позволяла легко перебрасывать потоки пульпы по секциям в границах общего накопителя. Практиковалось строительство смежных секций для хранения материалов с отличительными химическими свойствами.

Исследованиями Е.Т. Базина, Н.Ф. Бондаренко, Н.И. Гамаюнова, Н.П. Коваленко, И.И. Лиштвана, В.М. Павилонского, Л.И. Шабаровой и др. установлено восприимчивость торфяных грунтов к изменению свойств под действием внешних факторов (постоянного тока, электролитов, сточной жидкости) . В частности, при использовании в качестве фильтрата сточных жидкостей накопителей промстоков металлургических предприятий (в основном кислых) В.М. Павилонским [64] и Л.И. Шабаровой [64,87,88] был установлен широкий диапазон изменения прочностных свойств торфа. Под действием исключительно фильтрата сточных жидкостей в серии опытов было достигнуто изменение угла внутреннего трения образцов торфа от 4°45' до 1б°30' [64] . Однако в указанных исследованиях время опытов составляло от нескольких месяцев до одного года, что на наш взгляд является недостаточным если результаты опытов связывать с эксплуатацией ограждающих дамб.

Проводимые опыты по выявлению влияния кислот и солей на прочностные и фильтрационные свойства торфов в ряде случаев при воздействии одних и тех же фильтратов на образцы торфа разного типа* приводили к противоположным результатам [74].

*Тип торфа рассматривается как высшая таксономическая единица в классификации болот.

Срок эксплуатации ограждающих дамб возведенных без предварительного выторфовывания на старейшем в России Соломбальском ЦБК, работающем по сульфатному методу, в ряде случаев превысил 40 лет. Это позволило провести на натурных объектах исследования связанные с длительным воздействием химически, активной среды на свойства торфа.

Учитывая протяженность ограждающих дамб, различную степень воздействия одних и тех же фильтратов на торф оснований разных типов возникла необходимость дополнительных исследований вещественного и группового химического состава торфа в залежи. В первую очередь в местах типологической сменяемости, вызванной разными геоморфологическими и другими условиями (склоновая периферия, периферия "верховиков", придонные слои в местах сменяемости минеральных грунтов и т.д.).

Исследования уклонов минерального дна торфяных залежей с одновременным анализом существующих методов оценки нарушения сплошности грунтового материала ограждающих дамб указывают на необходимость учета подобных факторов в повышении общей эксплуатационной надежности сооружений.

Вышеуказанные и ряд других направлений явились объектом исследований в рамках диссертационной работы.

Цель работы

Определение наиболее значимых (превалирующих) факторов, влияющих на экологическую безопасность накопителей промышленных отходов, возведенных на торфяных основаниях и разработка рекомендаций по их учету при проектировании, строительстве и эксплуатации.

Задачи исследования:

- исследование изменений вещественного и группового химического состава органических компонентов торфа при длительном взаимодействии (20-40 лет) химически активных фильтратов на торфяные основания ограждающих дамб, в т.ч. в условиях типологической сменяемости залежи;

- исследование изменений прочностных и деформационных свойств торфа, длительное время подвергавшегося воздействию химически активных фильтратов, содержащихся в отходах ЦВП;

- исследование особенностей залегания минерального дна торфяных оснований и определение их влияния нз безопасную эксплуатацию ограждающих дамб.

Научная новизна работы:

- на основании анализа 24 случаев аварий ограждающих дамб накопителей промышленных отходов, эксплуатируемых с 1950 года преимущественно на заторфованных территориях Северо-Запада региона России (Архангельская область и Республика Коми), выявлены и классифицированы причины аварий, определены их основные параметры;

- впервые исследованы закономерности изменения вещественного и группового химического состава, прочностных и деформационных свойств торфа, длительное время (20-40 лет) подвергавшегося воздействию химически активных фильтратов, содержащихся в отходах ЦВП;

- теоретически и экспериментально определены зоны повышенной фильтрации в грунтовых насыпях малого класса капитальности с перепадами уклонов минерального дна торфяных оснований.

Практическая ценноать

внедрение разработанных рекомендаций позволит:

- повысить эксплуатационную надежность ограждающих дамб накопителей промышленных отходов, возводимых на заболоченных территориях;

- улучшить качество геотехнического контроля за состоянием ограждающих дамб путем сужения участков его проведения и изменения частоты;

- обеспечить сохранность прилегающего земельного фонда, снизить загрязняемость водных акваторий.

На защиту выносятся:

- результаты натурных обследований участков 24 аварий ограждающих дамб, эксплуатируемых на заторфованных территориях в условиях Северо-Западного региона России;

»

- результаты экспериментальных исследований длительного влияния на органическую часть торфа химически активных фильтратов, содержащихся в отходах целлюлозно-бумажных предприятий;

- результаты экспериментальных исследований неоднородности вещественного и группового химического состава торфа в условиях типологической сменяемости торфяников (торфяных оснований) и чередования подстилающих минеральных грунтов;

- результаты экспериментальных и теоретических исследований влияния уклонов минерального дна на фильтрацию в грунтовом теле ограждающих дамб невысокого класса капитальности.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы были доложены на международной научно-технической конференции «Проблемы развития строительного комплекса в условиях становления рыночных отношений» (г. Архангельск, 1997 г.), российско-финском семинаре по проблемам торфа (г. Архангельск, 1998 г.), научно-технических конференциях Архангельского государственного технического университета в 1990 -1998 гг.

Публикации

по материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов. Работа изложена на 170 страницах и включает 41 рисунок и 31 таблицу, список использованной литературы состоит из 90 наименований.

I. Опыт строительства и эксплуатации накопителей промышленных отходов на основаниях сложенных из торфов в условиях региона. Постановка задачи исследований

1.1. Сведения о болотах и заболачиваемости

Размещение болот по территории Архангельской области очень неравномерное и связано с геоморфологическими условиями. Наибольшая представленность болот (40-50% от общей территории) наблюдается в нижнем и среднем бассейне р. Мезени и ее притока р. Пезы, бассейна реки Илексы, междуречья р. ваги и Северной Двины. Территории со

степенью представленности болот в 20-40% находятся в ложбине озер Лача и Воже, на Онежском полуострове, на Вычегодской низменности, в ложбине р. Моши. Наименьший удельный вес болот (до 10%) находится на водоразделе р. Северной Двины и верхнего бассейна р. Пинеги, Коношо-Няндомской возвышенности, Устьянском плато.

Схематическая карта распространения территорий со степенью заболачиваемости больше 50% (болотных массивов) на основании данных областной лесоустроительной экспедиции, управления геологоразведочной экспедиции по разведке торфяных месторождений СевероЗападного территориального геологического управления, Архангельского института леса и лесохимии, Архангельского проектного института "Архгипролесхоз", Архангельской мелиоративной станции в обработке автора представлена на рис. 1.1.

Болотные массивы глубиной свыше 3 м (до 8+12 м) в основном имеют котловинную природу при площадях не превышающих 1-5 км2. В целом встречаемость глубоких отложений, особенно на стадиях позднего голоцена, чрезвычайно высокая. Она соответствует ледниковой холмистости.

Согласно проведенных исследований [6,34,35,36,65,66] преобладающим типом болот в Архангельской области являются болота верховые. Однако в процентном соотношении площадей по типам болот и общих площадей данные несколько отличаются (табл. 1.1.).

Согласно сведениям областного Комитета по земельным ресурсам и землеустройству общая площадь торфяных болот на 1.01.1996 года составила 6008,7 тыс.га при этом на 0,4 тыс.га в области на болота�