книги / Проектирование и эксплуатация хвостовых хозяйств обогатительных фабрик

дренажные устройства, предназначенные для предупреждения выхода фильтрующих вод непосредственно на низовой откос плотины, выше ее подошвы и общего понижения Депрессионной поверхности в теле плотины.

Земляные плотины и дамбы обвалования прудов-хвостохрани- лищ, а также их основания должны обладать следующими основ­ ными качествами: водоупорностью, ирочностью и устойчи­ востью.

Под водоупорностью земляной плотины и ее оспованиц под­ разумевается способность плотины противостоять фильтрации воды как в смысле обеспечения минимального расхода вод, филь­

т. е. выносу сначала мелких частиц грунта, образованию сосредо­ точенной но отдельным полостям и каналам фильтрации с боль­ шими скоростями движения воды, а затем и размыву всей пло­ тины или ее основания.

Под прочностью и устойчивостью земляной плотины и ее осно­ вания подразумевается способность противостоять действующим на плотину силам с сохранением формы откосов без их оползания и без разрушения (например, выпора) основания плотины. К дей­ ствующим на плотину и ее основание силам относятся: гидро­ статическое давление воды, волновое воздействие, собственный вес плотины, фильтрационные силы (сумма последних равна суммар­ ному гидростатическому давлению).

Земляные плотины образуются из естественных грунтов: пе­ сков, супесей, суглинков и глин. Отдельные части профиля пло­ тин, в частности дренажные призмы, образуются из камней (камен­ ная наброска).

Водоупорность грунтов в смысле их водопропускной способ­ ности (фильтрационного расхода) характеризуется коэффициен­ том фильтрации (/с). Наименее водоупорными грунтами являются:

10"9 см/с).

Водоупорность грунтов в смысле сопротивляемости их вну­ треннему размыву (суффозии) характеризуется величинами гра­ диентов напора, определяющими при заданном значении коэффи­ циентов фильтрации скорость фильтрации, допустимую по усло­ виям предотвращения внутреннего размыва. Здесь также паименее водоупорными являются пески (7кр — 0,5—0,6), более водо­ упорными супеси и суглинки (7„р — 0,8—1,5) и, наконец, весьма водоупорными — глины (7кр — 5—6).

Следует отметить влияние па противосуффозионную устойчи­ вость степени неоднородности грунтов по их гранулометриче­ скому составу: чем более неоднородны грунты но гранулометри­ ческому составу, тем меньше их суффозионная прочность.

192

Прочность и устойчивость земляной плотины характеризуются способностью грунтов, ее слагающих, противостоять сдвигу. Как ранее указывалось, сопротивление грунтов сдвигу характери­ зуется значениями параметров с и ср но зависимости Кулона

Tnp^c-f atg ф.

В этом отношении наибольшей прочностью обладают каменная наброска, гравий и пески (ф = 45—30°, с — 0). Меньшей проч­ ностью обладают супеси и суглинки (ф - 14—20°, с — 0,1 — 0,5 кгс/см2), и наконец, еще меньшей прочностью обладают тяже­ лые суглинки и глины, особенно находящиеся в водопасыщенном и пластическом состоянии (Wp </ W WT) (ф — 10—14°, с —

0,2—0,5 кгс/см2) [29]. Здесь также необходимо учитывать развитие порового давления.

Среди других свойств, определяющих степень прочности грун­ тов, особо следует отметить водоустойчивость грунтов, зависящую от содержания в грунтах растворимых фильтрующей водой солей. Приведенной выше общей характеристикой свойств различных грунтов создается представление об их нригодности для устрой­ ства земляных плотин. Для противодействия фильтрации наилуч­ шими грунтами являются суглинки и глины, а для обеспечения прочности — пески, гравелистые грунты и каменная наброска.

При конструировании земляных плотин прудов-хвостохрани- лищ первой очереди следует иметь в виду специфические особен­ ности их работы. Эти плотины при заполнении прудовхвостохранилищ по системе «от плотины к берегам» являются упором для намывного откоса отложепий хвостов, образующих тело плотины второй очереди нруда-хвостохранилища (рис. 73). Обеспечение наилучших условий устойчивости всей плотины и особенно намывной ее части обуславливает наилучшее решение конструкции плотины, она должна служить дренажной и упорной призмой для намывной части плотины. Чем больше будет достиг­ нуто снижение кривой депрессии фильтрационных вод в пределах намывной из хвостов части плотины, тем большая ее устойчивость будет достигнута, а следовательно, низовой откос намывной части плотины может иметь наибольшую крутизну.

Из указанного следует, что наилучшим решением конструкции плотины первой очереди является образование ее из каменной наброски с устройством на верховом ее откосе обратного фильтра из гравия и песка различной крупности (см. рис. 73).

Обратный фильтр устраивается в целях предотвращения вы­ носа мелких частиц грунта из тела намывной части плотины.

При выносе частиц уменьшается статическая и фильтрационная Прочность плотины, а также забиваются норы каменной наброски с частичным или полным прекращением ее действия как дренажной призмы.

Такая конструкция плотины первой очереди обуславливает, однако, невозможность ее непосредственного использования как7

водонапорного (напорного) сооружения. Наполнение водой хвостохранилища при плотине указанной конструкции возможно только после образования на верховом откосе водоупорной части профиля — экрана из хвостов. Последний обычно образуется путем намыва хвостов. При этом эксплуатация хвостового хозяй­ ства начинается со сброса хвостов к подошве верхового откоса плотины первой очереди и установления минимальной отметки горизонта воды в пруде. В лучшем случае дело организуется таким образом, чтобы вся вода удалялась через обратный фильтр и основание плотины цервой очереди. При невозможности этого излишки воды сбрасываются через отверстия в водосбросных колодцах или через дренаж в основании хвостохранилища. Гори­ зонт воды в пруде поднимается постепенно, по мере намыва экрана.

Такие решения в практике строительства и эксплуатации хвостовых хозяйств проверены. Примерами таких решений яв­ ляются плотины первой очереди Нашинского хвостохранилища Лениногорских обогатительных фабрик и хвостохранилища Буурдинской обогатительной фабрики (рис. 74). Следует, однако, иметь в виду, что в период намыва экрана не удается получить полного осветления хвостовой пульпы и что в это время необходим особо тщательный надзор за намывом экрана из хвостов (регулирование горизонтов воды, сливом воды через колодцы, мероприятия по ускорению намыва экрана и нр.). При введении в эксплуатацию Лениногорского хвостохранилища пришлось принимать специаль­ ные меры против опасной фильтрации через плотину первой оче­ реди.

При указанных конструкциях плотин первой очереди вопрос о рациональном устройстве подземного контура плотины решается автоматически, так как водоупорность достигается экраном и по­ нуром из хвостов при кольматаже фильтрующих грунтов основа­ ния. Уклоны откосов каменной наброски могут назначаться: низового 1 : 1,25—1 : 1,5, верхового 1 : 1—1 : 1,25 в тех случаях, когда основапие плотины обладает надлежащей прочностью и в пем не развивается опасное для устойчивости низового откоса плотины поровое давление. Слой обратного фильтра по указанной, схеме должен иметь более пологий откос (1 : 1,5—1 : 2).

Ширина плотины первой очереди по гребню назначается из условий размещения и эксплуатации распределительных пульпо­ проводов с учетом размещения механизмов и машин для укладки и замены пульпопроводов.

При проектировании и строительстве ответственных земляных плотин подбор материалов для создания обратных фильтров представляет собой весьма серьезную и ответственную задачу, которая обычно решается путем проведения специальных исследо­ ваний. Обратпыс фильтры можно устраивать из любых песчаных грунтов без подразделения на фракции. Рекомендуется, однако, устраивать обратные фильтры, в виде переходных слоев от мате­ риала каменной наброски к экрану из хвостов мощностью каждого

194

а

Рис. 74. Плотшта первой очереди хвостохранилища Буурдлнской обогати­ тельной фабрики:

а — п р о д о л ь н ы й п р оф и л ь п л оти н ы , б — п оп ереч н ы й р а зр е з п л оти н ы , 1 — г р е б е н ь п л о ­

в х в о ст о х р а н и л ш ц е (п ер ем ен н ы й , п о д н и м а е тся п о м ер е н ам ы ва эк р а н а п л о ти н ы иЗ х в о с т о в ); s — р а сти те л ь н ы й с л о й ; 9 — ск а л а ; ю — а л л ю в и а л ьн ы е о тл о ж е н и я

слоя по гребню не менее 0,5 м с постепенным утолщением слоя к подошве верхового откоса (см. рис. 74).

Применение описанной, конструкции плотины первой очереди возможно в случае, если пачало эксплуатации хвостохранилища приурочепо к летнему периоду. В этом случае экран из хвостов намывается в период стояния положительных температур и гребень плотины повышается до отметки, обеспечивающей укладку хво­ стов за зимний период под лед. К началу зимы емкость прудахвостохранилища должна быть не меньше объема хвостов, сбрасы­ ваемых фабрикой за зиму, плюс необходимый объем отстойного пруда, обеспечивающего осветление пульпы, плюс объем льда, плюс запас на превышение гребня плотины над НПГ, гаранти­ рующий от опасности перелива воды через плотину весной и ле­

намыв экрана с наращиванием гребня плотины из хвостов. Однако этот вопрос в настоящее время недостаточно разработан, поэтому при проектировании приходится ориентироваться на намыв над­ водной части плотины из хвостов только в период стояния положи­ тельных температур.

Б. М- Шкундин [108] производил намыв дамб из естественных грунтов в зимпий период в одпом из северных районов СССР.

При намыве возник ряд трудностей: образование тумана, при ко­ тором работа людей по управлению намывом оказалась практи­ чески невозможной, обмерзание пульпопроводов, эстакад и пр. Необходимо, однако, продолжать поиски методов зимнего намыва плотин и дамб обвалования из хвостов путем организации опытов на ряде эксплуатируемых хвостовых хозяйств там, где зимний намыв может привести к значительному удешевлению строитель­ ства сооружений, ограждающих отвалы хвостов. К проведению таких опытов должны быть привлечены специализированные научно-исследовательские институты.

Удачный опыт зимнего намыва плотины хвостохранилища па р. Жемчужной АНОФ-1 комбината «Апатит» имел место в усло­ виях Заполярья.

В 1962—1972 гг. была намыта плотина хвостохранилища с от­ метки 196.0 до отметки 210.0 м. Намыв плотины производился круглогодично. В зимний период при температуре —30° С пульпа (с температурой -4-10 +12° С) выпускалась на намывной пляж из патрубков диаметром 200 мм. При этом происходил размыв снега, льда и мерзлых (до 1,5 м) слоев хвостов. Специальные иссле­ дования, проведенные по заданию института Механобр, показали, что прослойки мерзлых хвостов и льда в теле намывной плотины отсутствуют. Обратная картина наблюдалась при зимнем намыве в 1966—1973 гг. дамбы хвостохранилища (первое ноле) комбината «Печенганикель» в условиях Заполярья. Здесь пульпа .выпуска­ лась па намывной пляж из патрубков диаметром 100 мм. При поло­ гом уклоне пляжа (0,005—0,001), тонких хвостах (80% —0.074 мм) и мелком (до 2 м) отстойном пруде в теле намывной плотины по­ стоянно образовывались прослойки мерзлых хвостов (толщиной до 2 м) и прослойки льда (толщиной до 1 м) при интенсивности намыва 3—4 м в год. Это привело в конечном счете к строитель­ ству второго иоля хвостохранилища.

Намыв экранов насыпных плотин первой очереди из хвостов возможен зимой. Для этого перед началом зимнего намыва экрана из хвостов в пруде-хвостохранилище должен быть накоплен некоторый объем воды, гарантирующий от полного промерзания пруда и, следовательно, от заморзания пульпы в самом пруде. Однако в случаях значительных расходов пульпы указанное накопление может быть произведено и в периоды стояпия отри­ цательных температур: накопление воды и повышение горизонта воды в пруде-хвостохранилище будут опережать замерзание пульпы при значительной теплоемкости пульпы, определяемой

196

ее температурой и расходом. После создания водного бассейна с минимальной глубиной, обеспечивающей ее иенромерзание, подъем горизонта воды может регулироваться открытием отвер­ стий в стенках водоприемных колодцев с обеспечением условий соответствующего осветления хвостовых под и созданием экрана из хвостов, предотвращающего внутренний размыв тела насыпной плотины первой очереди. Экран из хвостов создается путем сброса пульпы на верховом откосе плотины. Горизонт воды в прудехвостохранилище повышается по мере подъема гребня экрана с таким расчетом, чтобы горизонт воды «следил» за подъемом гребня хвостовых отложений. Намыв экрана из хвостов в зимнее время был осуществлен в зимний пусковой период заполнения хвостохранилища Джезказганской обогатительной фабрики в логе Боргез-Сай. Этому примеру надо следовать при проектировании насыпных плотин хвостохранилищ, стремясь к всемерному их облегчению и устройству из песчаных и песчано-гравелистых грунтов с понижением требований к их водоупорности, при созда­ нии должной водоупорности путем намыва экрана из хвостов, в том числе и в зимние пусковые периоды эксплуатации хвостохраиилищ.

Откосы песчаных нлотин можно ориентировочно принимать: низовой 1 : 1,5—1 : 1,75, верховой 1 : 1,75—1 : 2 при надлежащей прочности оспования и отсутствии порового давления в основании плотины. Ширина но гребню должна обеспечивать размещение хвостопроводов, механизмов для перекладки хвостопроводов и их опор, а также их обслуживание.

При устройстве песчаных нлотин первой очереди на водоне­ проницаемых основаниях необходимо устройство дренажа у низо­ вого откоса во избежание выхода фильтрационного потока на низовой откос.

Тип песчаной плотины на водонепроницаемом основании дока­ зан на рис. 75. При наличии водопроницаемого оспования с водо­ отводящей способностью, обеспечивающей необходимое заглубле­ ние поверхности кривой депрессии ниже открытой поверхности в нижнем бьефе, в устройстве дренажной призмы нет необходи­ мости (рис. 76).

Могут быть случаи, когда экран из хвостов но успевают намыть по всему фронту плотины за первый год эксплуатации хвосто­ хранилища в зимний и летний периоды. Тогда плотины первой очереди подвергаются в условиях отсутствия экрана из хвостов полному проектному напору. В таких случаях к плотинам первой очереди необходимо предъявлять такие же требования, как и к обычным земляным плотинам в гидротехнике, и, в частности, обеспечивать водоупорность не только тела плотины, но и основа­ ния. К сожалению, в этих случаях, так же как и при отсутствии вблизи плотины карьеров фильтрующих грунтов, описанное выше паилучшее для хвостохранилища решение, при котором насыпная плотина первой очереди является как бы дренажной призмой для

197

намывной из хвостов части нлотипы, неосуществимо, так как необходимо создать водоупорность плотины до введения хвосто­ вого хозяйства в эксплуатацию.

Одной из первых основных задач строительства (эксплуатации хвостохранилшца) является намыв экрана насыпной плотины

РтТс.' 75. Тип песчаной плотины первой очереди хвостохранилшца с дренаж­ ной призмой

Рис. 76. Тип песчаной плотины на водопроницаемом основании (без дре­ нажа):

1 — п е со к н а сы п н о й ; 2 — п есок естеств ен н ы й ; з — к р и в а я д еп р есси и

Рис. 77. Тип однородной земляной плотины первой очереди из грунта менее проницаемого, чем грунт основания нлотипы:

1 — те л о п л о ти н ы ; 2 — п о н у р ; 3 — д р ен аж н а я п р и в м а; 4 • д в у х сл о й н ы й о б р а тн ы й ф и л ьтр; 5 — п р он и ц а ем ое о сн ов а н и е п л оти н ы .4 -j- Г> £ ~ Г -{ / О С П

первой очереди любой ее конструкции. Такой намыв производится следующим образом.

На рис. 87 изображен поперечный разрез первой очереди хвостохранилища и насыпной плотины. Но гребню плотины первой очереди прокладывается распределительный хвостопровод (на­ порный). Через каждые 3—4 м в распределительном хвостоиро-

198

воде устраиваются выпускные отверстия, через которые хвостовая пульпа поступает в распределительные лотки, укладываемые на поперечные брусья заранее устанавливаемых или забиваемых двойных стоек. Лотки укладываются с таким уклоном и такой длины, чтобы сначала образовать понур плотины, обеспечивающий надлежащую водоупорность фильтрующего основания плотины. При этом осветление хвостовой пульпы происходит за счет филь­ трации воды через ложе хвостохрапилища (при фильтрующем ложе хвостохрапилища и при фильтрующем основании плотины первой очереди), а излишек воды сбрасывается через нижнее окно ближайшего к плотине водоприемника шахтного типа. После намыва понура лотки переносятся на следующий этаж в последо­ вательности, показанной на рис. 87 для намыва экрана из хвостов плотины первой очереди.

Технология намыва понура и экрана плотины первой очереди обеспечивает надлежащую водоупорность фильтрующего основа­ ния плотины и ее тела, при образовании последнего из фильтру­ ющих грунтов. Тем самым проектировщик освобождается от необ­ ходимости создания подземной части ллотшш и при этом пред­ ставляется возможность проектирования облегченной надземной части плотины и разработки наиболее экономичных решений по устройству всего хвостохраншшща.

При овражном и речном типах хвостохрапилища устройство плотины первой очереди хвостохраншшща рекомендуется из фильтрующих грунтов, преимущественно из камеппой наброски, (см. рис. 74), как на фильтрующем (песчаном, гравелистом и т. д.), так и мало фильтрующем (глипистом) основаниях. В качестве примеров таких решений, оправданных практикой эксплуатации хвостохрапилищ, можно привести конструкции плотин первой очереди хвостохрапилищ Ленииогорской, Буурдинской и Каджаранской обогатительных фабрик, запроектированных институтом Механобр (см. рис. 74). Наиболее уязвимой и ответственной частью такой конструкции плотины первой очереди является двух­ слойный или даже трохслойиый экран (см. рис. 74), выполняющий роль обратного фильтра, предохраняющего от проникания твердых частиц хвостов в каменную наброску при фильтрации через тело плотины. Опыт проектирования, строительства и эксплуатации как плотин хвостохрапилищ, так и плотин из грунтовых мате­ риалов в гидроэнергетике доказывает возможность использования для устройства таких экранов естественных сыпучих грунтов без их сортировки.

Опыт проектирования, строительства и эксплуатации плотин из грунтовых материалов в гидроэнергетике доказывает возмож­ ность устройства вполне падежных плотни из любых грунтов, кроме сильно засоленных. Тем более это относится к плотинам первой очереди хвостохрапилищ, которые вследствие специфи­ ческих условий их работы и применения описанной выше техно­ логии намыва экрана из хвостов относятся в болышшетво случаев

199

к плотинам облегченного типа. Поэтому при устройстве плотин первой очереди хвостохрапилищ равнипного и косогорного типов рекомендуется технология, показанная па рис. 87. Для устройства плотин рекомендуется использовать грунты ложа хвостохрааилища в верхнем бьефе, располагая их по возможности с таким расчетом, чтобы образовать плотину по схеме, изображенной на рис. 78. В зависимости от вида грунта ложа хвостохранилища плотины на разных участках будут иметь различный профиль.

/

Рис. 78. Тип неоднородной земляной плотины на водонепроницаемом осно­ вании:

Рис. 79. Тип земляной плотины первой очереди с экраном (прч водонепро­ ницаемом основании):

Рекомендуемые конструкции плотин первой очереди хвостохранилищ, в зависимости от видов грунтов, показапы на рис. 74—82.

Плотины первой очереди хвостохрапилищ пойменного типа, в тех случаях, когда река при пропуске паводка омывает низовой откос плотины, отличаются по конструкции от плоти хвостохранилищ других типов тем, что их низовые откосы должны быть защищены от размыва при пропуске паводков. Следовательно, откосы должны иметь покрытия, не размываемые при паводках. Примером таких конструкций плотин может быть плотина, по­ казанная на рис. 79. При нроектировании защитных меропри­ ятий от размыва низовых откосов плотин следует руководство­ ваться указаниями соответствующих СНиП и норм.

Особым вопросом при нроектировании плотин первой очереди хвостохранилищ является вопрос о сопряжении их с берегами. Здесь также, поскольку водоупорность оснований плотин и общая

200