книги / Проектирование и эксплуатация хвостовых хозяйств обогатительных фабрик

Расчет напряженного состояния с учетом фильтрационных сил весьма трудоемкий. Однако этот расчет выполняется в настоящее время с помощью ЭВМ по программам, использующим метод конечных элементов [150, 151].

7. Фильтрационные расчеты гидротехнических сооружений хвостохранилищ

Фильтрационные расчеты производятся для определения потерь воды па фильтрацию из хвостохранилищ и для расчетов фильтра­ ционной, статической и динамической прочности и устойчивости гидротехнических сооружений и их оснований. Фильтрационные расчеты состоят из [59]:

построения поверхности депрессии грунтовых вод (кривой депрессии в случае плоской задачи о фильтрации);

выяснения напоров, давлений и линий токов в области дви­ жения фильтрационного нотока, по которым, в частности, можно определить градиенты и скорости фильтрации в различных точках области фильтрации;

определения полных или частичных (например, приток к дре­ нам) фильтрационных расходов.

Результаты фильтрационных расчетов используются:

при расчетах баланса притока и оттока воды из хвостохранилища;

при расчетах прочности и устойчивости гидротехнических сооружений и их оснований, а именно:

при выяснении степени фильтрационной прочности земляных и намывных из хвостов сооружений, а также оснований любых цаиорных гидротехнических сооружений в отношении механи­ ческой и химической суффозии;

цри выяснении степени прочности осиовапий любых гидро­ технических напорных сооружений и устойчивости земляных сооружений с учетом воздействия на них фильтрационных сил; при определении размеров противофильтрационных устройств

(экранов, ионуров, ядер, зубьев, шпунтов и пр.); при определении размеров дренажных устройств;

при определении состава грунтов обратных фильтров; при определении возможных подтоплений ближайших к хво-

стохранилищу территорий и сооружений.

Теория фильтрации, особенно применительно к задачам проек­ тирования и строительства гидротехнических сооружений, раз­ работана в трудах академика Н. Ы. Павловского и его школы (В. И. Аравин, С. II. Нумеров, Р. Р. Чугаев и др-). Большое количество практических случаев имеют решения, доведенные до простых формульных зависимостей, особенно в случаях одно­ размерной и плоской фильтрации. Однако, учитывая сложность геологического строения хвостохранилищ и оснований гидротех­ нических сооружений, во многих случаях приходится пользо­

301

ваться экспериментальными методами расчета фильтрации. Из числа последних наиболее разработанным является метод электрогидродипамических аналогий (метод ЭГДА), автором которого является Н. Н. Павловский.

Методы фильтрационных расчетов изложены в работах В. И. Аравина, С. Н. Нумерова и В. П. Недрига. Эти расчеты следует использовать при проектировании хвостохранилищ.

Одпим из важнейших вопросов фильтрационных расчетов яв­ ляется установление расчетной схемы применительно к данной задаче и местным условиям. Наиболее важными являются: схема­ тизация геологического строения берегов и оснований хвостохра­ нилищ, установление бытового гидрогеологического режима и границ будущей области фильтрации, обусловленных устройством хвостохранилища и гидрографической сетью окружающей ме­ стности (реки, озера, балки, овраги, в которых уровень воды можно считать заданным).

Устройство хвостохрапилища на высокой пойме горной реки показано на рис. 140. Основная часть ложа хвостохрапилища и береговой склон сложены крупнообломочными породами с за­ полнением гравием и песком. Бытовая поверхность грунтовых вод (поверхность их депрессии) находится на сравнительно злачительпой глубине от естественной новерхпости.

В этих условиях кривая депрессии и после заполнения хвосто­ храпилища будет выклиниваться у уреза воды в реке. За счет притока фильтрационных вод из хвостохранилища поверхность депрессии грунтовых вод поднимается, а в пределах хвостохрапи­ лища указанная поверхность сольется с горизонтом воды в пруде. В дальнейшем, после заполнения хвостохранилища хвостами, может оказаться, что между прудом и поверхностью депрессии образуется разрыв гидравлической связи и поверхность депрессии грунтовых вод понизится против показанной на рис. 140.

Потери воды на фильтрацию из хвостохранилища могут быть определены по формуле

<п = к хвш ,

где

J и - и л .

1т

Н— напор у дна хвостохранилища, образованного отложениями хвостов; Н1 — напор в основании слоя отложений хвостов; Т — толщина отложений хвостов.

Последний расчет является весьма приближенным еще и по­ тому, что в действительности градиенты фильтрационного потока в толще отложений хвостов будут переменными но высоте отло­ жений (вследствие уплотнения хвостов фильтрационными силами). Однако указанные приближенные расчеты можно считать прак­ тически вполне допустимыми и достаточными, так как по ним

302

план

идущие в запас «прочности».

При всех фильтрационных расчетах хвостохранилищ необхо­ димо также учитывать явление кольматажа скальных трещино­ ватых, гравелистых и песчаных грунтов. Кольматажем называется процесс закупорки пор проницаемого грунта мелкими частицами другого грунта, из которого фильтрационный поток движется в слой рассматриваемого проницаемого грунта. Кольматаж со­ провождается уменьшением коэффициента фильтрации рассматри­ ваемого грунта и повышением градиентов фильтрации. Это явление определяет характер фильтрации в обстановке, соответствующей рис. 140.

Все расчеты фильтрации через хвостовые отложения, а также расчеты их консолидации являются сугубо приближенными.

303

ш

I

Из этого нельзя делать вывода о практической бесполезности фильтрационных расчетов хвостохранилищ. Надо только отдавать себе отчет, что результаты расчетов дают приближенную оценку анализируемого явления.

Прежде чем переходить к рекомендациям по расчету устойчи­ вости низового откоса дамб обвалования хвостохранилищ, оста­ новимся на вопросе о методах расчета кривой депрессии, так как положение последней и фильтрационные силы определяют устой­ чивость любого земляного откоса напорного гидротехнического сооружения. Построение кривой депрессии для намывных хвостохрапилищ необходимо производить с учетом неоднородности грун­ тов слагающих откос по значению коэффициента фильтрации. В соответствии с этим построспие положения кривой депрессии,

могут на установке ЭГДА моделироваться соответствующие инже­ нерно-геологические условия ложа хвостохранилищ. Специфи­ ческой особенностью условий фильтрации через дамбы обвалова­ ния намывных хвостохранилищ является фильтрация в период намыва очередного слоя дамбы (рис. 141). Этот процесс, очевидно, протекает следующим образом. Сначала при намыве участка (от­ крытия ряда отверстий распределительного хвостопровода) проис­ ходит капельная фильтрация через слой «осушенного» грунта в период между намывами грунта до смыкания с кривой депрессии установившегося фильтрационного потока (основной кривой деп­ рессии). Постепенно образуется «бугор» фильтрационного потока, высота которого увеличивается вплоть до смыкания с потоком движущейся по пляжу пульпы. Затем происходит сплошная филь­ трация (см. рис. 140). Кривую депрессии такой фильтрации можно построить по дапным работы [125]. Однако в действитель­ ности на участках намыва кривая депрессии часто выходит на низовой откос дамбы обвалования хвостохранилища выше дре­ нажа. Это является следствием неоднородности откоса, наличием в тело откоса мало фильтрующих (водоупорных) прослоев из

304

мелкозернистой части хвостов. Такую фильтрацию невозможно рассчитать. Наблюдателю за намывом рекомендуется наблюдать за откосом и в случае обнаружения выхода фильтрационного потока на откос, переходить на следующий участок памыва. Если и при этом будут наблюдаться местные выходы фильтрационного потока на откосе следует устраивать их каптажОто обстоятель­ ство — выходы фильтрационного потока на низовой откос — служит обоснованием принятия, в запас прочности, при расчетах устойчивости низового откоса дамб обвалования хвостохрапилищ кривой депрессии, совпадающей с линией откоса, и, следова­ тельно, грунт в упорной призме гидростатически взвешенным и находящимся под воздействием соответствующих фильтрацион­ ных сил (в периоды памыва дамб обвалования хвостохранилшц).

При ориентировочных фильтрациоппых расчетах можно при­ нимать тело намывной части плотины однородным.

В тех случаях, когда коэффициент фильтрации насыпной части пЛотшш значительно меньше, чем коэффициент фильтрации на­ мывной части, определяемая расчетом кривая депрессии выходит на низовой откос намывной части плотины, т. о. выше гребня насыпной части плотины. Ото надо считать естественным, так как в указанных случаях насыпная плотина оказывается но в состо­ янии отвести воду, фильтрующую через намывную часть плотины.

В этих случаях рекомендуется производить проверку положе­ ния кривой депрессии, исходя из анализа фильтрации только через намывную часть плотины, считая ее основание (по гори­ зонтали, проходящей через гребень насыпной плотины) непрони­ цаемым.

Что касается притока грунтовых вод нутом инфильтрации нульпы, стекающей по внутреннему откосу через толщу откоса, то таковая но может в значительной степени повысить кривую депрессии при небольшом времени намыва па одпом мосте. Следует при этом учитывать, что депрессионкая кривая будет иметь вы­ пуклость, которая обусловливает отток фильтрующих вод как в сторопу нижнего, так и в сторону верхнего бьефа. Отмотка линии водораздела будет увеличиваться но времени намыва. При дли­ тельном времени памыва и небольших расстояниях от места вы­ пуска пульпы до гребня откоса могут быть выходы кривой

305

депрессии на низовой откос плотины на отметках, близких к отсетке гребня плотины. В этих случаях могут иметь место обрушения низового откоса (местные и общие)- Поэтому надо чаще чередовать места выпуска пульпы, не допуская гидравлического (гравита­ ционного) смыкания стекающей по поверхности верхового откоса пульпы и поверхности депрессии фильтрационного потока.

8. Геомеханическис расчеты гидротехнических сооружений хвостохранилищ

К геомеханическим расчетам гидротехнических сооружений отно­ сятся расчеты напряженного состояния оснований и грунтовых сооружений, их прочности, осадок и устойчивости. При проекти­ ровании гидротехнических сооружений хвостохранилищ назначе­ ние геомеханических расчетов сводится к определению устойчивых откосов земляных плотин и дамб обвалования. Иногда встречается необходимость в расчете устойчивости бетонных и железобетонных

Ниже излагаются основные указания по расчетам устойчивости откосов земляных плотин и дамб обвалования хвостохранилищ с учетом особенностей этих сооружений.

Известно, что при отсутствии фильтрационных сил откос не­

где а — угол, образованный наклонной плоскостью откоса с гори­ зонтальной подошвой основания; ф — угол естественного откоса грунта, являющийся свойством, обусловленным трением частиц грунта.

Угол ф условно принимается за угол внутреннего трения. При­ веденное неравенство определяет условие равновесия массива из несвязного грунта только для случаев, когда основание обла­ дает такими же свойствами прочности или большими, чем лежащий на нем (основании) грунтовый массив. Если же, например, массив песка лежит па слое ила, угол внутреннего трения и сила сцепле­ ния невелики, то указанное условие равновесия песчаного массива оказывается недостаточным. Равновесие будет иметь место при угле а, меньшем угла ф. Таким образом, величипа устойчивого откоса грунтового массива определяется свойствами прочности его самого и грунтов основания.

В случаях, когда грунтовой массив сложеп из однородного несвязного грунта и расположен на прочном основании, величина

306

устойчивого откоса определяется по формуле

где К3 — коэффициент запаса устойчивости откоса.

Величину устойчивого откоса из связного грунта в общем случае неоднородного при любых грунтах основания, а также откоса из несвязного грунта при слабых грунтах основания определяют расчетом по методу круглоцилиндрических поверх­ ностей скольжения. Исходные положения этого метода (рис. 142) следующие:

Рис. 142. Схема к расчету устойчивости откоса плотипы

1.Предполагается, что обрушепие откоса происходит путем скольжения по круглоцилиндрической поверхности DEC.

2.Вся призма обрушепия (плоская задача) делится на опре­ деленное число отсеков: 1, 2, 3, 4 . . ., п — 1, и.

3.При рассмотрении сил, действующих на отсек в качестве активных сил, принимаются во внимание масса грунта и нагрузка на внешнюю поверхность откоса G. При воздействии фильтра­ ционного потока учитывается также активная составляющая фильтрационных сил. В качестве реактивных сил принимаются

во внимание сила трения грунта, пропорциональная нормальной силе, и сцепление грунта. Силами взаимодействия грунта между отсеками пренебрегают.

4. Разложение сил производится либо по Терцаги [53, 54], либо по Крею [55].

Расчетные случаи для определения коэффициента запаса устой­ чивости откосов земляных плотин представлены на рис. 443. Приведенные на рис. 143 расчетные схемы так же, как и техника расчетов, разработаны Р. Р. Чугаевым.

307

Расчет состоит из следующих операций:

1.Задаются рядом круглоцилиндрических поверхностей воз­ можного обрушения (сдвига) откоса.

2.Для каждой из намеченных поверхностей обрушения опре­ деляется свое значение коэффициента запаса устойчивости от­ коса Къ■

3.За действительный коэффициент запаса устойчивости при­

нимается наименьшее из значений, полученных расчетом по п. 1 и 2.

Нормативные значения коэффициентов запаса устойчивости откосов приведены в табл. 51 t52J.

При определении сочетаний групп сил следует руководство­ ваться указаниями СНиП. Классы сооружения можно определять по предложенной классификации хвостохранилищ и сооружений, изложенной в главе II, разделе 1.

Изложенный выше метод расчета устойчивости земляных отко­ сов является приближенным. В его предпосылках имеется ряд условностей, главными из которых являются неучет сил трения по вертикальным плоскостям раздела столбиков и соответствующая этому допущению эпюра распределения нормальных напряжений по круглоцилиндрической поверхности обрушения. Приближен­ ность и условность указанного метода вытекает из того, что в нем не выполняются все условия равновесия откоса. В последнее время А. М. Можевитовым и Шантемировым разработан метод расчета устойчивости откосов, также основанный на гипотезе круглоцилипдрических поверхностей скольжения, но с соблюдением всех условий равновесия. В расчетах пользуются только условием равенства моментов активных и пассивных сил вокруг центра рассматриваемой круглоцилипдрической поверхности. Следует, однако, указать, что все допущения и условности расчета устой­ чивости земляных откосов перекрываются пеопределеппостью значений характеристик прочности грунтов — угла внутреннего трения ф и силы сцепления С. Эти последние зависят от условий

309

работы грунта, от его напряженного состояния и вида деформа­ ций, определяющихся пограничными условиями испытаний грун­ тов [57]. Поэтому при оценке действительных условий устойчи­ вости земляных откосов по методу круглоцилиндрических по­ верхностей скольжения главным является выбор значений ха­ рактеристик прочности грунтов, залегающих в областях расчет­ ных поверхностей скольжения, которые бы лучше всего отражали условия работы грунтов и их физическое состояние.

При оценке устойчивости откосов насыпных, укатанных плотип характеристики прочности грунтов следует определять путем испы­

и достигнутой путем соответствующей укатки при строительстве илотности грунтов.

Наиболее сложным является расчет устойчивости откосов на­ мывных из хвостов плотин.

Как уже раньше отмечалось, устройство хвостохранилищ в гор­ ных областях возможно только путем перекрытия плотинами рек или впадающих в них притоков. При значительных уклонах дна этих водотоков (i ;> 0,05—0,20) почти вся их емкость образуется за счет намыва плотины из хвостов.

В ряде случаев назначение низовых откосов с четверным и большим заложением равносильно невозможности устройства хвостохрапилища на данном водотоке. Между тем опыт возведения земляных намывных плотип крупнейших гидроэнергетических узлов свидетельствует о том, что при устройстве намывных плотип

тировании хвостохранилищ следовать этой практике, то надо отказаться от строительства обогатительных фабрик в горных областях страны. Отсюда ясно, насколько важное практическое значение имеет анализ этого вопроса.

Превышение гребня намывной дамбы обвалования над НПГ и уклон отложений хвостов на внутреннем откосе хвостохранилища определяют размеры упорной призмы, положение основной кривой депрессии, а следовательно, устойчивость дамбы обвало­ вания и фильтрационную прочность ее низового откоса. Из сооб­ ражений получения благоприятной в указанных целях раскладки частиц хвостов по крупности рекомендуется принимать макси­ мально возможные размеры превышения гребня памывной дамбы обвалования хвостохрапилища (отметки сброса хвостовой пульпы) над НПГ.

При нлоской задаче намыва средний уклон отложений хвостов (от линии сброса хвостовой пульпы до уреза воды в хвостохранилище) можно определить по формуле [128]:

310