Войти  |  Регистрация
Авторизация

Изучение фильтрационной консолидации пород гидроотвалов



При намыве сооружения вес пород передается частично на скелет намытого ранее грунта, а частично — на заключенную в его порах воду, что приводит к появлению избыточного — по сравнению с гидростатическим — порового давления; скорость рассеивания избыточного порового давления зависит от его величины, интенсивности намыва, свойств грунта (коэффициентов фильтрации, сжимаемости, пористости) и длины пути фильтрации (мощности уплотняющего слоя). Если скорость намыва гидроотвала превышает скорость рассеивания избыточного порового давления, то рост сдвигающих напряжений опережает скорость роста сопротивления сдвигу, в результате чего может развиться оползень откоса.
Примеры оползней такого вида часто встречаются в практике гидроотвалообразования. Укажем, в частности на оползень гидроотвала № 1 Лебединского карьера комбината КМАруда, где в гидроотвал первоначально намывались лёссовидные суглинки, образовавшие довольно однородный слой мощностью 3 м, а затем пески. Интенсивность намыва составляла более 5 м/год. К оползню откоса привело то обстоятельство, что поровое давление в намывных суглинках рассеивалось медленнее, чем росла активная нагрузка); это обусловило запаздывание роста эффективных напряжений, а следовательно, и сил сопротивления сдвигу при определенной скорости увеличения сдвигающих сил.
Аналогичный пример представляет оползень гидроотвала № 4 Кедровского разреза (Кузбасс), где в зимнее время (при отсутствии фильтрации из гидроотвала вследствие промерзания откосов) на пляже производилась отсыпка дамбы обвалования высотой 4 м и шириной 4 м. После отсыпки обвалования на две трети в центральной (наиболее высокой) части произошел оползень вследствие высокой скорости нагружения и отсутствия условий для оттока поровой воды. В дальнейшем работы по возведению дамбы такой же высоты, но большей ширины (до 20 м) были начаты с отступлением от верхней бровки в сторону пляжа. После образования дамбы оползень в центральной части повторился, причем деформирующимся массивом были захвачены как намывные, так и насыпные породы. Причинами оползня являются высокие темпы наращивания высоты гидроотвала на данном участке (около 8 м/мес) в неблагоприятных для консолидации намывных пород условиях. Средняя интенсивность намыва суглинистых пород по Кузбассу менее 1 м/мес. При такой интенсивности намыва оползней подобного типа не наблюдается,
Величина избыточного порового давления, определяющая во многих случаях устойчивость откосов, на любой момент намыва гидроотвала может определяться расчетным путем (аналитически и электромоделированием) или натурными измерениями порового давления непосредственно в гидроотвале и в его основании. Учитывая особенности строения гидроотвала (относительно малая высота по сравнению с его размерами в плане), аналитический расчет величины избыточного порового давления целесообразно производить с помощью имеющихся решений одномерной задачи уплотнения — аналогично расчетам намывных гидротехнических сооружений распластанного профиля. Очевидно, при этом в приоткосной зоне гидроотвала действительная величина порового давления будет несколько ниже расчетной вследствие возможности фильтрации воды в сторону откоса, а фактический коэффициент запаса устойчивости будет несколько превышать расчетный.
Как уже отмечено, особенностью рассматриваемой задачи является постоянное изменение в процессе намыва верхней границы слоя, вследствие чего изменяется как напряжение в рассматриваемой точке, так и длина пути фильтрации. Для гидроотвалов, кроме того, характерна сезонность работ, в связи с чем при расчете необходимо учитывать существование двух фаз намыва гидроотвала — собственно намыва (летний период) и так называемого отдыха (зимний период), в течение которого уплотнение намытого слоя происходит лишь под действием собственного веса пород при фиксированном положении верхней границы слоя. Определение норового давления обычно производится раздельно для каждой из фаз. Ориентировочные расчеты можно провести на базе решения для случая собственно намыва; приращение высоты гидроотвала за сезон намыва распределяется в этом случае равномерно на весь год.
Уравнение одномерной консолидации грунта, содержащего в порах воду и воздух (предполагается, что вода в грунте гидравлически непрерывна), имеет вид
Изучение фильтрационной консолидации пород гидроотвалов

где w — коэффициент, с помощью которого учитывается влияние защемленного воздуха; рw — норовое давление; f(t) — функция времени, имеющая размерность давления, отнесенного ко времени; t — время; Cv — коэффициент консолидации; z — координата рассматриваемой точки.
Коэффициент консолидации
Изучение фильтрационной консолидации пород гидроотвалов

где k — коэффициент фильтрации; ε— коэффициент пористости грунта; ап — коэффициент сжимаемости грунта; Δ0 — удельный вес воды.
Функция f(t) для случая увеличивающегося по толщине слоя имеет вид
Изучение фильтрационной консолидации пород гидроотвалов

где v(t) —скорость увеличения толщины слоя во времени; zгр — координата движущейся границы слоя грунта в момент времени t; γп — объемный вес грунта.
Существующими решениями одномерной задачи консолидации водонасыщенных пород установлена значительная роль растворенного в поровой воде или защемленного воздуха при оценке величины избыточного порового давления. Так, при содержании воздуха в количестве 3% в грунтовой массе поровое давление иногда уменьшается на 15—20%. Для упрощения расчетов можно пренебречь растворенным или защемленным воздухом. Рассчитанный по этим данным откос гидроотвала имеет некоторый дополнительный запас устойчивости.
Существенным недостатком упомянутых решений является использование в расчетах средних величин коэффициентов фильтрации, сжимаемости и пористости для всего интервала напряжений, действующих в расчетной точке. Значительное влияние на результаты расчетов оказывают также и некоторые другие допущения. Так, принято считать намываемый слой однородным по вертикали, в то время как вследствие влияния изменяющихся во времени условий разработки и отвалообразования (изменения состава пород в забое, консистенции и расхода пульпы, способа намыва, «блуждания» потоков пульпы на пляже и т. д.) гидроотвал имеет слоистое строение, причем мощность отдельных слоев и линз может составлять от 1 до 5 см. Например, ка гидроотвале Назаровского разреза слоистость намытой толщи отчетливо прослеживается по керновому материалу даже на расстоянии 200—300 м от фронта намыва. Относительно однородная толща формируется лишь в отложениях пруда-отстойника.
По этим причинам для более точного решения рассматриваемой задачи может быть применено электромоделирование процесса фильтрационной консолидации с учетом скорости намыва и зависимости параметров k, ап и ε от эффективного давления, т. е. в нелинейной постановке. При этом моделируется дифференциальное уравнение
Изучение фильтрационной консолидации пород гидроотвалов

где Н — избыточный по сравнению с гидростатическим напор.
Это уравнение в конечно-разностной форме имеет вид
Изучение фильтрационной консолидации пород гидроотвалов

где σi = γп(h-z) - γH(t-Δt); γп = (Δ-Δ0) (1-n); Δ — удельный вес грунта; Δ0 — удельный вес воды; n — пористость; Δ — мощность слоя; z — ордината расчетной точки; σi — эффективная нагрузка, определяемая весом вышележащих пород.
Уравнение (VI.5) моделируется цепочкой сопротивлений Rz с временными сопротивлениями Rt, подключенными в каждой узловой точке, в которые, кроме того, подается сила тока I. По мере увеличения мощности намываемого слоя модель наращивается новыми элементами Rz и Rt. Величина порового давления определяется на ряд последовательных моментов времени, отличных друг от друга на величину шага по времени Δt -в расчетных точках массива, расстояние между которыми равно Δz. Величины сопротивлений назначаются из соотношений:
Изучение фильтрационной консолидации пород гидроотвалов

где mф — произвольно назначенный масштаб сопротивлений, а сила тока
Изучение фильтрационной консолидации пород гидроотвалов

где mн — масштаб напоров.
При решении задачи на каждый расчетный шаг по времени параметры массива k(σi), ε(σi), ап(σi) и γп определяются по соответствующим графикам испытаний (рис. 61), исходя из значений эффективной нагрузки в соответствующих точках массива на предыдущий шаг по времени.
Изучение фильтрационной консолидации пород гидроотвалов

Анализ результатов моделирования и аналитических расчетов консолидации применительно к конкретным характеристикам гидроотвала «Березов лог» комбината КМАруда показывает, что осреднение величин k, ап, ε дает погрешность до 15—20%, особенно в первые годы намыва (рис. 62). Электромоделирование, таким образом, позволяет более точно учесть условия уплотнения намывных пород и, следовательно, с большей степенью достоверности определить величину избыточного порового давления.
Наиболее надежные данные о поровом давлении могут быть получены с помощью натурных замеров специальными датчиками. Достоинством непосредственного измерения избыточного порового давления в гидроотвале (помимо наиболее полного учета всего многообразия природных и горно-технологических условий) является постоянный контроль за изменениями порового давления во времени и возможность в связи с этим своевременного применения противооползневых мероприятий в случае их необходимости. Для определения избыточного порового давления необходимо иметь, помимо датчика в том или ином слое грунта, наблюдательные скважины, пробуренные на соседние водоносные слои. Величина избыточного порового давления находится как разность напоров по датчику и скважинам (относительно отметки заложения датчика).
Изучение фильтрационной консолидации пород гидроотвалов

При измерениях избыточного порового давления в натурных условиях важное значение имеет способ размещения датчика в скважине. Опыт свидетельствует о том, что наиболее удобным и целесообразным является размещение датчика в специально подготовленных трубах, длина которых равна мощности слоя. Труба разделяется водонепроницаемыми перемычками на три части; в средней (перфорированной) части располагается датчик (рис. 63). Наблюдения по системе датчиков, размещенных на наиболее ответственных участках упорных призм гидроотвала (в ослабленных слоях намывных пород и в основании сооружения), должны входить составной частью в контрольные наблюдения за устойчивостью гидроотвалов при их возведении; результаты наблюдений, как показывает практика исследований, дают надежные критерии при оценке устойчивости откосов. Опыт использования таких датчиков (конструкций Гидропроекта и ВНИМИ) на гидроотвале «Березов лог» комбината КМАруда позволил, в частности, установить, что рассеивание избыточного порового давления в меловых прослоях гидроотвала происходит с той же скоростью, что и рост эффективных напряжений, и сделать в связи с этим достаточно обоснованный вывод о возможности увеличения высоты сооружения.
Полученные — прогнозные или замеренные — величины избыточного порового давления в дальнейшем используются при расчетах устойчивости гидроотвала: составляющая полных напряжений, действующая нормально к поверхности скольжения, уменьшается на величину порового давления.
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent