автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Накопители промышленных отходов в криолизотоне

го од

На правах рукописи

0/0 Г '

Кузнецов Георгий Иванович

НАКОПИТЕЛИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ В КРИОЛИТОЗОНЕ

Специальность 05.23.07 -гидротехническое и мелиоративное строительство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Красноярск 1999

Работа выполнена в Красноярском государственном техническом университете

Официальные оппоненты:

Ведущая организация: ОАО «Красноярскгидропроект», г. Красноярск

Защита состоится 8 февраля 2000 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 064.04.02 в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГАСУ. Автореферат разослан « го » декабря 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного советя

Доктор технических наук, профессор Доктор технических наук, профессор Доктор технических наук, профессор

Ю.А. Попов С И. Панов А. П. Епифанов

кандидат технических наук

Л.Ф. Дзюбенко

Ж69-Ч ,0 Н¥94 .52,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Предметом настоящей работы является обоснование надежных и экологически безопасных конструктивно-технологических решений накопителей промышленных отходов в криолитозоне (золоотвалов, хвостохранилнщ, шламонакопителей). Необходимость исследований определяется значительным увеличением количества и продолжительности эксплуатации этих сооружений, неблагополучным состоянием многих из них и недостаточной нормативно-методической базой проектирования, не отвечающей современным природоохранным требованиям и специфическим природным условиям (суровый климат, вечная и сезонная мерзлота, криогенные процессы и определяющая роль температурного фактора).

В России к 1999 г. накоплено более 1 400 млн. тонн токсичных промышленных отходов. К 1991 г. от сжигания твердого топлива на ТЭС стран СНГ ежегодно образовывалось свыше 100 млн. тонн, а в отвалах было накоплено свыше 1,5 млрд. тонн золошлаковых отходов. Уровень их использования составлял 13 - 15 %, что значительно ниже уровня, достигнутого в развитых странах. К настоящему времени этот показатель снизился по России до 8 %. В частности, только тепловыми электростанциями АОЭиЭ "Иркутскэнерго" производится в год до 3 млн. тонн золошлаков, а используется всего 230 тыс. тонн золы и 500 тыс. тонн шлака; остальной объем складируется в золошлакоотвалах.

Неудовлетворительное состояние накопителей наблюдается не только в криолитозоне, но и за ее пределами, где сезонное промерзание-протаивание грунтов также оказывает негативное воздействие на устойчивость и экологическую безопасность сооружений, особенно в сочетании с фильтрацией загрязненных вод.

За последние 40 лет возведены многочисленные накопители в зоне вечной мерзлоты, в частности, такие уникальные сооружения, как хвостохранилища Норильского ГМК и компании АЛРОСА в Якутии, эксплуатационная надежность которых во многом определяется теплофизическими и криогенными процессами. В южной части криолитозоны, характеризующейся островным распространением высокотемпературной вечной мерзлоты и глубоким сезонным промерзанием, также расположены многочисленные золоотвалы, хвосто- и шламохранилища. Деформации и аварийные ситуации на этих объектах были обусловлены неконтролируемым развитием теплофизических, фильтрационных и криогенных процессов (например, золоотвалы Абаканской ТЭЦ, Иркутской ТЭЦ-П, Красноярской ТЭЦ-1, Благовещенской ТЭЦ и др.).

Проектирование и возведение надежных и экологически безопасных гидротехнических сооружений накопителей в сложных природных условиях криолитозоны является крупной научно-технической проблемой, имеющей важное народно-хозяйственное значение. В качестве исходной концепции при решении этой проблемы принято, что перспективные и экологически безопасные технологии складирования отходов - хвостов, золошлаков, шламов и соответствующие технические решения накопителей должны быть основаны на эффективных методах регулирования тепло- и массообмена в системе атмосфера - накопитель -основание. Эта концепция определяет цель исследований и состав комплекса научно-техническнх задач, рассматриваемых в диссертационной работе.

Целью настоящей работы является создание эффективных способов регулирования процессов тепло- и массообмена в системе атмосфера - накопитель -основание, а также разработка и обоснование надежных и экологически безопасных

конструктивно-технологических решений накопителей, соответствующих сложным природным условиям криолитозоны.

Для достижения поставленной цели решены следующие научно-технические задачи:

• Проведен комплекс натурных исследований, позволяющих выявить и обобщить закономерности протекания криогенных процессов и тепло-массоообмена в системе атмосфера - накопитель - основание, а также провести сравнительный анализ расчетных и натурных данных.

■ • Разработан комплексный метод регулирования теплового режима накопителей мерзлого типа, позволяющий эффективно использовать водонепроницаемость и высокую прочность мерзлых грунтов для обеспечения устойчивости и экологической безопасности сооружений.

• Выполнено математическое моделирование процессов тепло- и массообмена в тало-мерзлых грунтовых массивах сложного криогенного строения, позволяющее достаточно обоснованно прогнозировать тепловой режим проектируемых сооружений и проводить их мониторинг.

• Составлены рекомендации по регулированию теплового и фильтрационного режимов в ограждающих дамбах талого типа и проведены расчеты, позволяющие обосновать оптимальные проектные решения для конкретных объектов.

• Проведены экспериментальные исследования, позволяющие обосновать эффективные способы тепловой мелиорации мерзлых грунтов в насыпях и круглогодичные технологии строительства накопителей.

• Разработаны криогенные технологии экранирования намывных накопителей и обоснованы необходимые параметры тепло- и гидроизоляционных экранов.

• Выполнены экспериментальные исследования воздействия криогенных процессов на пленочные экраны накопителей, позволяющие предотвратить деформации экранов при развитии морозобойных трещин и термокарста.

• Составлены рекомендации по проектированию накопителей в криолитозоне.

Методы исследования. Для достижения поставленной цели и решения перечисленных задач использован комплексный метод, включающий:

• натурные исследования объектов;

• обобщенный анализ экспертных оценок состояния накопителей;

• экспериментальные исследования на физических моделях;

• патентные исследования и разработки новых технических решений;

• математическое моделирование процессов тепло- и массообмена в грунтовых массивах накопителей с использованием аналоговых моделей, численных методов.

Экспериментальные исследования воздействия криогенных процессов на пленочные экраны накопителей проводились на установке, запроектированной автором. Для натурных исследований использовались как стандартные измерительные приборы, так и специально изготовленные влагостойкие термогирлянды.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием методов исследований, соответствующих современному состоянию прикладной теплофизики, геофильтрации и геокриологии. Результаты, полученные различными методами, в частности, данные натурных наблюдений и расчетные параметры исследуемых процессов вполне удовлетворительно совпадают; в частности,

расхождение измеренных в натуре и прогнозируемых температур мерзлых элементов дамб не превышает 10-15 %. Важным фактором, подтверждающим достоверность выводов, является их использование в практике проектирования и эксплуатации накопителей и в инструктивно-нормативных изданиях.

Предметом зашиты являются следующие основные положения диссертационной работы:

1. Закономерности криогенных, тепловых и фильтрационных процессов в системе атмосфера - накопитель - основание, установленные натурными исследованиями.

2. Комплексный метод регулирования теплового режима накопителей мерзлого типа, позволяющий эффективно использовать водонепроницаемость и высокую прочность мерзлых фунтов.

3. Результаты математического моделирования процессов тепло- и массообмена в тало-мерзлых грунтовых массивах сложного криогенного строения, позволяющие достаточно обоснованно анализировать тепловой режим проектируемых и действующих сооружений.

4. Рекомендации по регулированию теплового и фильтрационного режимов ограждающих дамб талого типа; результаты расчетов для конкретных объектов, позволяющие обосновать оптимальные проектные решения.

5. Криогенные технологии экранирования намывных накопителей.

6. Результаты экспериментальных исследований воздействия криогенных процессов на пленочные экраны накопителей и рекомендации по предотвращению деформаций экранов при развитии морозобойных трещин и термокарста.

7. Рекомендации по проектированию и строительству накопителей в криолитозоне.

Научная новизна.

1. Впервые разработана методика комплексных температурных и фильтрационных наблюдений, проведены многолетние натурные исследования и установлены особенности тепловых, криогенных и фильтрационных процессов при эксплуатации накопителей. Показано, что регулирование процессов тепло- и массообмена в системе атмосфера - накопитель - основание является эффективным средством управления состоянием накопителей в криолитозоне.

2. Впервые на основании натурных исследований и тепловых расчетов сформулированы принципиальные положения по возведению накопителей мерзлого типа с послойным промораживанием складируемых отходов.

3. Предложен практический метод расчета мерзлотной завесы в дамбе и основании накопителя, позволяющий трансформировать трехмерную задачу Стефана в плоскую. Суммарный эффект однорядной системы термосифонов моделируется условным полым охлаждающим разрезом. Достоверность метода обоснована путем сопоставления расчетных и фактических параметров завесы.

4. Разработан и обоснован тепловыми расчетами комплекс принципиально новых решений накопителей мерзлого и комбинированного типа при сложном криогенном строении основания, включающего мерзлые и талые зоны. Составлены рекомендации по проектированию дамб, противофильтрационных, дренажных и терморегулируюших устройств, обеспечивающих температурную устойчивость мерзлых зон на контакте с талыми.

5. Предложен метод регулирования процессов тепло- и массообмена в промерзающих дамбах талого типа с устройством внутреннего теплогидро-изоляционного экрана, разделяющего зоны, отличающиеся по тепловому режиму. Для обоснования этих предложений разработана методика расчета и выполнено

моделирование теплового режима с учетом конвекции воздуха во внешне» промерзающей зоне и фильтрации воды во внутренней талой зоне дамбы. Предложены незамерзающие дренажные системы и бортовые экраны из зернистых отходов.

6. Впервые предложены и обоснованы тепловыми расчетами криогенные технологии экранирования ложа намывного накопителя, позволяющие эффективно использовать водоупорные свойства мерзлых грунтов и временных ледяных экранов.

7. Разработаны технологии круглогодичного возведения дамб накопителей из зернистых отходов, талых и мерзлых грунтов.

8. Впервые проведены исследования криогенных воздействий на пленочные экраны. Предложены новые способы обеспечения водонепроницаемости экранов при развитии морозобойных трещин и термопросадочных деформаций.

9. На основании проведенных исследований разработаны инженерные рекомендации по проектированию и возведению накопителей в криолитозоне.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Работа выполнялась в соответствии с государственной целевой научно-технической программой ГКНТ СССР по решению важнейшей научно-технической проблемы 0.55.08 "Разработать и внедрить экономичные технические решения для создания мощных гидравлических и гидроаккумулнрующих электростанций, использования энергии средних, малых рек и морских приливов, уникальных морских гидросооружений для защиты от наводнений, а также технологию их скоростного строительства"; задание 0.2 "Разработать и внедрить при проектировании и строительстве для условий крайнего Севера и зон распространения многолетней мерзлоты новые технические решения гидросооружений с широким использованием местных материалов и негрунтовых противофильтрационных устройств, а также технологию их круглогодичного строительства (НТЗ-65)".

В период 1980 - 1991 г.г. значительный объем исследований выполнен в соответствии с заданием 0.55.08 в рамках отраслевых программ НИОКПР Минэнерго СССР.

Результаты исследований реализованы при проектировании и эксплуатации накопителей в составе энергетических, горнодобывающих и других предприятий. Наиболее значительными из них являются:

• хвостохранилища Норильского ГМК;

• хвостохранилища компании АЛРОСА;

• золоотвалы тепловых электростанций (Благовещенская ТЭЦ, Иркутские ТЭЦ-9, 10, 11, Ново-Иркутская, Минусинская, Абаканская ТЭЦ и другие объекты).

Результаты исследований и разработок автора использованы при составлении трех государственных нормативных документов, а также в учебно-методической работе; на их основе составлены учебные пособия и программы курсов "Геоэкология", "Экология промышленных накопителей" и "Эксплуатация золоотвалов", изучаемых в КГТУ.

По вопросам, рассмотренным в диссертации , автором оказана экспертно-консультативная помощь при проектировании и эксплуатации шламохраиилищ Красноярского алюминиевого завода и Ачинского глиноземного комбината, золоотвала Карагандинской ТЭЦ-3, золоотвалов и водохранилищ Анадырской ТЭЦ, Билибннской АЭС и других объектов. Разработки автора использованы институтами "Якутниипроалмаз", "СибВНИПИэнергопром", "Красноярскгидропроект" и "Механобр".

Суммарный фактический экономический эффект от внедрения научных результатов автора в практику проектирования и эксплуатации накопителей

составляет 6 026 660 руб. в ценах 1989 г. В период с 1980 г. по 1999 г. были также внедрены разработки автора, экономическая эффективность которых не определялась, но имеются положительные заключения заказчиков по качеству и практической значимости выполненных работ. Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработок автора на объектах, проектируемых ОАО "СибВНИПИэнергопром", составляет 1 ООО ООО руб в ценах 1 полугодия 1999 г.

Личный вклад автора в разработку проблемы. Все основные положения, результаты и выводы принадлежат лично автору. Им выполнены постановка проблемы и задач исследований, разработка новых технических решений накопителей, обобщение результатов натурных, экспериментальных и расчетно-теоретических исследований. Экспериментальные и натурные исследования также выполнены при непосредственном участии автора. В решении отдельных задач принимали участие аспиранты и сотрудники автора, в разные годы работавшие под его научным руководством (A.C. Скок, В.А. Скворцов, Г.Г. Балясников, Р.Т. Шугаева, И.А. Максимов, Л.Т. Шалгинова, Р.Х. Распопова и другие). По всем разработкам, выполненным в соавторстве, имеются совместные публикации, ссылки на которые даны в тексте диссертации. Автором на протяжении 35 лет осуществлялось экспертно-консультативное сопровождение при реализации результатов исследований и новых технических решений на объектах внедрения.

Совокупность результатов диссертационной работы может быть квалифицирована как вклад в решение крупной научно-технической проблемы экологически безопасного складирования промышленных отходов (золошлаков, хвостов, шламов) в криолитозоне, имеющей важное народно-хозяйственное значение.

Апробация работы. Содержание и основные результаты исследований в период с 1978 г. по 1992 г. регулярно докладывались и обсуждались на ежегодных сессиях Научного совета по криологии 3ev ш Российской Академии наук (до 1991 г. - Академии наук СССР) и отражены в опубликованных программах и отчетах Совета.

Материалы диссертации рассмотрены и одобрены на 20 всесоюзных и региональных конференциях, совещаниях и семинарах: _

• III Всесоюзное совещание-семинар по обмену опытом проектирования, i строительства и эксплуатации зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах, Магадан, октябрь 1964 г. -■'

• IV Всесоюзное совещание-семинар по обмену опытом строительства в суровых климатических условиях, Воркута, октябрь 1966 г.

• V Всесоюзное совещание-семинар по обмену опытом строительства в суровых климатических условиях, Тюмень, октябрь 1968 г.

• Всесоюзное координационное научное совещание "Температурно-влажностый режим плотин из местных материалов в суровых климатических условиях", Красноярск, ноябрь 1969 г.

• VI Всесоюзное совещание-семинар по обмену опытом строительства в суровых климатических условиях, Красноярск, октябрь 1970 г.

• Всесоюзное научное совещание по мерзлотоведению, Москва, Московский государственный университет, декабрь 1970 г.

• Всесоюзное координационное научное совещание "Опыт проектирования и строительства плотин из местных материалов на Крайнем Севере", Красноярск, июнь 1972 г.

• Всесоюзное тематическое координационное научное совещание "Гидротехническое строительство в районах Крайнего Севера", Красноярск, июль 1974 г.;

• Всесоюзное научно-техническое совещание "Гидротехника Крайнего Севера - 1976", Красноярск, июнь 1976 г.

• Всесоюзный семинар "Проектирование, строительство и эксплуатация хвостохранилищ обогатительных фабрик", Белгород, 1978.

• Всесоюзное научно-техническое совещание "Гидротехническое строительство в районах вечной мерзлоты и сурового климата", Братск, сентябрь 1978 г.

• Всесоюзное научно-техническое совещание "Исследование, проектирование, строительство и эксплуатация гидротехнических сооружений на Крайнем Севере и в районах многолетней мерзлоты (СГС - 81)", Красноярск, сентябрь 1981 г.

• Всесоюзное совещание "Опыт строительства оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах", Воркута, октябрь 1981 г.

• Всесоюзное научно-техническое совещание "Проектирование и исследование скальных оснований гидротехнических сооружений", Нарва, ноябрь 1982 г.

• Всесоюзная научно-техническая конференция "Инженерное мерзлотоведение в гидротехническом строительстве", Москва, декабрь 1983 г.

• Всесоюзное научно-техническое совещание "Гидротехническое строительство в районах Крайнего Севера (СГС - 86)", Красноярск, апрель 1986 г.

• Всесоюзное совещание "Использование золошлаковых отходов ТЭС в народном хозяйстве", Дагомыс, ноябрь 1990 г.

• XV Всероссийское совещание "Подземные воды Востока России", Тюмень, октябрь 1997 г.

• Научно-практическая конференция "Достижения науки и техники -развитию города Красноярска", Красноярск, октябрь 1997 г.

• Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием "Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов", Красноярск, март 1999 г.

Публикации. Предлагаемые автором способы управления тепловыми, фильтрационными и криогенными процессами в системе атмосфера - основание -сооружение - массив складируемых отходов и перспективные технические решения накопителей защищены 28-ю авторскими свидетельствами СССР и 5-ю патентами РФ, опубликованы в 114 изданиях, в том числе в монографии "Проектирование и строительство золоотвалов", -М.: Энергоатомиздат, 1990 (соавтор - Ю.М. Сысоев), в 3-х инструктивно-нормативных документах, в учебном пособии "Основы проектирования золоотвалов". -Красноярск, КГГУ, 1998, изданном с грифом Министерства общего и профессионального образования РФ, в 50 статьях в центральных изданиях, в 21 статье в региональных сборниках научных трудов, в 33 докладах и в 4 тезисах на всесоюзных научных совещаниях и конференциях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав, заключения, списка литературы из 251 наименования и двух приложений. Работа изложена на 282 стр. основного текста, включая 125 рисунков и 29 таблиц; объем приложений составляет 48 стр.

Автор считает своим долгом выразить искреннюю признательность коллегам -гидротехникам С.Н. Долгих, В.Д. Букатникову, В.К. Маулю (Якутниипроалмаз), к.т.н. Г.Т. Трункову (С.-Петербургский технический университет), B.C. Забавину (ГНЦ ВНИИ ВОДГЕО), А.К. Огневу (АОЭиЭ "Иркутскэнерго") и работникам предприятий, использовавших разработки автора, за практическое содействие при выполнении этой

)бъемной многолетней работы. Автор благодарит за помощь в проведении ^следований и оформлении диссертации своих коллег по кафедре "Инженерная жология" КГТУ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется цель заботы и приводится краткое описание структуры диссертации.

В первой главе рассматриваются теплофизические аспекты проблемы :кладирования промышленных отходов в криолитозоне. Дана общая характеристика ткопителей. Показано, что сезонные и многолетние изменения тепловых и фильтрационных параметров определяют сложные процессы тепломассообмена в :истеме атмосфера - накопитель - основание. На территории Сибири практически rier накопителей, полностью отвечающих основным нормативным требованиям. Многие накопители находятся в предаварийном состоянии из-за несоответствия проектных решений сложным мерзлотно-климатическим условиям и технологических осложнений, связанных с гидроледотермическими и криогенными процессами. Температурный фактор определяющим образом влияет на эксплуатационную надежность накопителей.

В обзоре состояния вопроса приведены сведения о работах, посвященных общим вопросам проектирования накопителей, прогнозу и регулированию фильтрационно-теплового режима грунтовых сооружений и оснований.

Современная концепция проектирования грунтовых гидротехнических сооружений, учитывающая нормативные критерии надежности, изложена в монографии A.J1. Гольдина и Л.Н. Рассказова.

Мерзлотно-геологическне условия возведения накопителей рассматривались Г.Ф. Бияновым, С.Н. Долгих и В.К. Маулем, В.А. Анисимовым и автором.

Теплофизические характеристики влажных дисперсных материалов (хвостов, золы) и грунтов, применяемых в строительстве дамб и плотин в криолитозоне, приведены в работах H.A. Цытовича, Я.А. Кроника и С.Г. Лосевой, Ю.А. Попова, В.И. Щербачева, И.В. Корытовой, В.Г. Пантелеева и A.A. Огаркова.

Натурные исследования фильтрационно-теплового режима ограждающих дамб, намывных накопителей и гидроотвалов проводились Ю.А. Поповым, В.Г. Пантелеевым, A.A. Огарковым и А.Н. Фроловым, A.B. Павловым, А.Н. М.Н. Захаровым и др. В публикациях С.Н. Долгах, В.А. Скворцова, В.Г. Горшкова, C.B. Заславского, Г.М. Шейнфельд и автора обобщены результаты многолетних натурных наблюдений на хвостохранилищах Норильского ГМК и объединения "Якуталмаз" в период с 1967 г. по 1994 г.

Теоретические основы тепло- и массообмена во влажных грунтовых средах при фазовых переходах рассмотрены в работах Г.А. Мартынова, В.А. Кудрявцева, Н.С. Иванова, Г.В. Порхаева, В.Г. Меламеда, Г.М. Фельдмана, A.B. Лыкова, Э.Д. Ершова. A.B. Павлова, Б.А. Оловина, В.Я. Хаина, В.Г. Гольтмана, С.Д. Чистопольского, В.В. Знаменского и Г.З. Перлышейна, А.И. Пеховича и Я.А. Кроника. При моделировании теплового режима фунтовых сооружений достаточно эффективными оказались численные методы, предложенные A.A. Самарским и Б.Д. Моисеенко, В. Вазовым и Дж. Форсайтом, A.A. Никоновой, Б.М. Будаком, E.H. Соловьевой, Ф.П. Васильевым, А.Б. Успенским, О.П. Дьячковой, Л.Н. Хрусталевым и др. Аналитические и численные методы расчетов фильтрационо-теплового режима грунтовых плотин, дамб, хвостохранилищ, золоотв&тов и бортов водоемов в криолитозоне предложены П.А. Богословским, H.A. Цытовичем, С.Б. Уховым и Н.В.

Уховой, В.Г. Пантелеевым, А.Н. Фроловым и A.A. Огарковым, Е.С. Гоголевым, В.И. Беланом, P.M. Каменским, Г.Т. Трунковым и В.И. Щербачевым, Н.В. Золотаревым, М.Н. Захаровым, C.B. Соболем и A.B. Февралевым, В.А. Мелентьевым и A.A. Цернантом, Г.А. Распопиным. Тепловой режим намывной песчаной насыпи на мерзлом основании рассмотрен И.П. Константиновым и др.

Методика и результаты построения стационарных температурных полей в нефильтрующих плотинах и дамбах мерзлого типа по методу электротепловых аналогий рассмотрены П.А. Богословским и автором.

Оценка факторов, влияющих на промерзание-оттаивание нефильтрующего намывного массива хвостохранилища и его мерзлого основания, выполнена Р.Л. Кочубиевской, Л.Ф. Дзюбенко, В.А. Скворцовым, И.А. Максимовым и автором.

Наиболее полные исследования теплового режима водопроницаемых грунтовых массивов для обоснования зимней технологии возведения намывных сооружений выполнены Ю.А. Поповым. Предложенные им способы искусственного оттаивания технологической мерзлоты развиты Л.Ф. Дзюбенко.

Интересные научно-практические результаты прогнозов теплового режима плотин мерзлого типа получены Р.В. Чжаном в институте мерзлотоведения СО РАН, И.С. Клейном и M .А. Зекериевым во ВНИИ ВОДГЕО.

Основы расчетов и проектирования замораживающих систем в грунтовых сооружениях и основаниях приведены в работах H.A. Бучко и В.А. Турчиной, E.L. Lonq, А.И. Пеховича, Н.Г. Трупака, Х.Р. Хакимова, В.И. Макарова, P.M. Каменского, С.С. Вялова, Ю.А. Александрова, Ю.С. Миренбурга и Ю.Г. Федосеева, Г.Ф. Биянова, И.С. Клейна, A.A. Цвида, В.В. Знаменского, В.А. Анисимова.

Способы управления процессами тепло- и массообмена при строительстве и эксплуатации накопителей предложены в работах В.Г. Пантелеева, A.A. Огаркова, Г.Ф. Биянова, М.Н. Захарова, Ю.Н. Мызникова. Технические решения хвостохранилищ на вечномерзлых основаниях рассмотрены С.Н. Долгих, В.К. Маулем, В.П. Ягиным и автором.

Развиваемая в диссертации концепция проекта экологически безопасного накопителя зернистых отходов в условиях криолитозоны, основанная на использовании теплофизических и криогенных процессов для эффективного управления состоянием сооружений, предусматривает:

• использование мерзлых грунтов и зернистых отходов для круглогодичного возведения дамб, экранирования и теплогидроизоляции ложа;

• обеспечение температурной устойчивости накопителей мерзлого типа с использованием естественного холода для промораживания дамб и таликов в основании;

• сохранение естественных фильтрующих таликов, пересекающих напорный фронт, и использование их в качестве незамерзающих дрен;

• надежное сопряжение мерзлых и талых участков напорного фронта;

• регулирование процесса оттаивания основания и предотвращение фильтрации с помощью теплогидроизоляционных экранов из льда, мерзлых грунтов и зернистых отходов;

• управление фильтрационно-тепловым режимом накопителей талого типа, исключающее возникновение в них неконтролируемых фильтрационных потоков и криогенных деформаций; устройство незамерзающих дренажей, приспособленных к неравномерным осадкам оттаивающего основания.

Во второй главе обобщены результаты натурных исследований накопителей, рассмотрены особенности возведения ограждающих дамб, приводятся данные о

климатических и мерзлотно-грунтовых условиях, о льдообразовании при намыве отходов, о криогенном строении и фильтрационно-тепловом режиме дамб, о гидротермическом режиме отстойных прудов, о внешних проявлениях фильтрации, о криогенных деформациях, о мероприятиях по борьбе с фильтрацией и по стабилизации неустойчивых откосов.

При проведении исследований выполнялись геотермические наблюдения в термоскважинах за формированием теплового режима дамбы и ее основания с помощью термогирлянд, гидротермические наблюдения в отстойном пруде с использованием влагостойких термогирлянд, контроль за сезонным промерзанием-оттаиванием низового откоса и гребня дамбы с применением электромерзлотомеров, контроль за уровнями воды в пьезометрах.

Анализ проектных решений, натурных данных и опыта эксплуатации накопителей позволяет сделать обобщения, важные как для постановки дальнейших исследований, так и для обоснования рекомендаций по проектированию и безопасной эксплуатации накопителей.

• Существенное отрицательное влияние на устойчивость накопителей оказывают:

- неуправляемая фильтрация через дамбу, по контакту с водосбросными сооружениями и по водопроницаемым зонам оттаивающих оснований;

- неэффективная работа противофильтрационных и дренажных устройств или же отсутствие таких устройств;

- неучтенная в конструкциях дамб деформируемость оттаивающих оснований;

- ежегодное развитие наледей у подошвы и на низовом откосе дамбы как прямое и неблагоприятное следствие фильтрации;

- скопления илистых, водонасьпценных, структурно неустойчивых шламов, образующих ослабленные прослойки;

- замыв ледяных тел и последующее их оттаивание;

- неопределенность расчетного теплового режима дамб и недостаточная реализация температурных прогнозов в проектах;

- отсутствие контрольно-измерительной аппаратуры, приспособленной к работе в сложных условиях;

- отступления от проектов при наращивании дамб, приводящие к недопустимо крутому заложению и рыхлому строению откосов.

• Постоянная фильтрация и максимальное оттаивание основания наблюдается в русловой части дамб. В сопряжениях с бортами фильтрация имеет локальный и временный характер, усиливается при намыве хвостов в летнее время и уменьшается при сезонном промерзании. Колебания депрессионной поверхности, связанные с сезонным промерзанием-оттаиванием, составляют 1-2 м.

• Определяющее влияние на формирование фильтрационного потока в намывном массиве и на оттаивание основания оказывает конструкция дамбы -водонепроницаемой или фильтрующей. Предлагаемая обобщенная схематизация основных форм фильтрационного потока и зон промерзания-оттаивания в теле и основании ограждающей дамбы показана на рис. 1.

• Дамбы из каменной наброски являются эффективным дренажом и упором для намывного массива лишь при надежной теплоизоляции и сохранении начальной пористости насыпи в течение всего периода эксплуатации. Из-за высокой размокаемости и деформируемости полускальных вскрышных пород под действием фильтрации и многократного промерзания-оттаивания прочность наброски

Основные формы фи.плрационно-гемнера1\рного режима намывных ограждающих да.мо

талого шпа

а. б - нормальный режим фильтрации (безнапорная фильтрация в русловом створе защищенного от промерзания дренажа); в - аварийный режим (безнапорно-напорная фильтрация в русловом створе с высачиванием на поверхность откоса выше гребня нефнльтрующей первичной дамбы при отсутствии дренажа или его неэффективной работе); г - неблагоприятный режим фильтрации в центральном и боковых створах при сплошном промерзании откоса и нефнльтрующей первичной дамбы; 1 - талые фильтрующие отложения: 2 - водонепроницаемые мерзлые отложения; 3 - нижняя граница многолетнего промерзания откоса; 4 - слой сезонного оттаивания; 5 -поверхность мерзлоты в основании; 6 - оттаявший слой грунта основания: 7 - кривая депрессии; 8 - иефильтруюшая первичная дамба с внутренней дренажной призмой: -наледь; 10 - отстойный пруд; 11 - дренажный выпуск; 12 - теплоизолирующий слой грунта: 13 - нефильтрующая первичная дамба

Рис. 1

снижается, а ее пустоты заполняются рыхлыми продуктами разрушения. Для обеспечения стабильной прочности и водопроницаемости таких дамб целесообразно осуществлять контролируемый замыв наброски хвостами или золошлаками.

• Необходимо совершенствовать технологию намыва внешних призм накопителей и не допускать замыва пластов льда и слоев льдистых хвостов или золошлаков; необходимо также полностью исключить формирование ослабленных прослоек илистых шламов. При наличии таких зон в намывном массиве дамбы оценку ее фактической устойчивости необходимо выполнять, располагая потенциально опасные поверхности скольжения в талой области профиля сооружения на контакте с указанными слабопрочными включениями.

• Дтя укрепления откосов и повышения их статической и фильтрационной устойчивости в потенциально опасных зонах (в частности, на участках развития наледей, трещин и местных обрушений) рекомендуется своевременный намыв пляжей шириной не менее 25 м, планировка крутых участков откосов, устройство локальных незамерзающих дренажей и пригрузок.

• На всех накопителях, образованных дамбами талого типа, по сохранившимся подрусловым таликам происходит постоянная фильтрация. Талики не промерзают и в зимнее время, а глубина их обычно составляет 4 -5- 5 м и более. Это важное обстоятельство, подтвержденное наблюдениями в течение 25 лет, учтено в предлагаемых схемах незамерзающих дренажей.

• Важнейшим результатом натурных наблюдений, проведенных на хвостохранидищах овражного типа, является тот факт, что зона постоянной фильтрации и максимальная глубина оттаивания основания ограждающей дамбы формируется в пределах днища лога. На этом участке фильтрационно-тепловой режим дамбы является благоприятным для устойчивости промерзающего низового откоса. Внешний водонепроницаемый мерзлый слой отделен от депрессионной поверхности промежуточным талым ("буферным") слоем (рис.2). Следовательно, здесь не создаются предпосылки для появления напорной фильтрации и, соответственно, не возникают фильтрационные силы, отрывающие поверхностный мерзлый слой от массива откоса. В бортовых примыканиях дамбы поверхностный мерзлый слой, как правило, смыкается с вечномерзлым основанием. Не имея возможности высачивания у подошвы дамбы, фильтрационные воды в этих зонах движутся по наклонной поверхности мерзлого борта к расположенному ниже подрусловому талику и сконцентрированному в нем основному фильтрационному потоку.

Натурные исследования промерзающей намывной дамбы (рис.3) позволяют сформулировать следующие выводы:

- Прекращение намыва существенно ускоряет процесс промерзания низового откоса. Промерзание дамбы сопровождается затуханием криогенных процессов и деформаций на низовом откосе, ранее развивавшихся в зонах высачивания фильтрационных потоков.

- Необходимыми условиями для возведения намывных дамб мерзлого типа являются:

• равномерный по длине дамбы намыв пляжа, исключающий образование глубоких понижений на подводной поверхности верхового откоса - потенциальных контуров питания фильтрующих таликов;

• отсутствие локальной фильтрации из отстойного пруда по слою, недостаточно промороженному в зимний период;

Фильтрационно-тепловой режим и криогенное строение ограждающих дамб хвостохранилищ (октябрь 1973 г)

а, б, в - хвостохранилища А, Б, В; 1 - талые хвостовые отложения; 2- многолетнемерзлые хвостовые отложения; 3 - се юнномерзлый слой на поверхности низового откоса; 4 - верхняя граница вечномерзлых грунтов основания; 5 - горизонт воды в пруде; 6 - кривая депрессии; 7 - пионерная дамба (А-суглинок; Б- хвосты, суглинок; В -вскрышные породы); П1. П2..-пьезометры; п Дг..- термометрические скважины

Рис. 2

Криогенное строение и к'нловой режим намывной ограждающей дамбы чвостохранилита на Енисейском Севере.

а)

-Я ■<

1- талая зона; 2 - мерзлая зона; 3 - замытые льды; 4 - вечномерчлое основание: 5 геотермограммы; а, б, в, г - наблюдательные створы

Рис. 3

• своевременная заделка понижений и промоин на низовом откосе, исключающая образование в них скоплений снега и термоэрозии, замедляющих промерзание;

• регулирование такой интенсивности ежегодного наращивания дамбы, при которой обеспечивается полное сезонное промерзание каждого намытого летом слоя.

Актуальность разработки методов регулирования теплового состояния дамб мерзлого типа определяется следующими факторами:

• Повышается прочность низового откоса, в мерзлом массиве которого отсутствует сосредоточенная фильтрация и связанные с ней участки высачивания, мерзлотные явления и деформации.

• Устойчивость мерзлого откоса обеспечивается при более крутом его заложении, что дает возможность при том же объеме намываемого грунта получить большую глубину и емкость отстойного пруда, то есть улучшить условия для зимнего подледного намыва и осветления пульпы.

• Общая устойчивость дамбы с промороженной внешней водоупорной призмой обеспечивается при любых параметрах процесса консолидации намывных отложений в зоне отстойного пруда.

• Технология заполнения внутренней зоны практически не влияет на прочность и противофильтрационные свойства мерзлого массива.

• Конструкция намывной дамбы существенно упрощается, так как отпадает необходимость устройства дренажей, теплозащитных и противофильтрационных элементов.

• Становится возможным продление сезона намыва - допускается выпуск пульпы на мерзлую поверхность пляжа при отрицательных температурах воздуха без образования слоев замытого льда.

• При отсутствии фильтрации в промороженном намывном массиве обеспечивается полная экологическая безопасность накопителя.

Третья и четвертая главы посвящены разработке методов регулирования теплового режима ограждающих дамб и намывных массивов накопителей мерзлого типа.

Обоснование проектных решений накопителей мерзлого типа включает в себя решение следующих взаимосвязанных задач:

- разработку метода расчета температурных полей в неоднородных грунтовых массивах произвольной формы с внутренними источниками - стоками тепла и фазовыми переходами грунтовой влаги на подвижных границах талых и мерзлых зон;

- разработку метода трансформации пространственного температурного поля в плоско-вертикальное двухмерное при расчете теплового режима дамбы с мерзлотной завесой;

- оценку достоверности предлагаемых методов путем сопоставления расчетных и фактических параметров мерзлотной завесы;

- определение оптимальной глубины мерзлотной завесы при расположении накопителя на сплошном вечномерзлом основании;

- обоснование конструктивно-технологического решения двухярусной дамбы с мерзлотной завесой в нижнем ярусе и с естественным промораживанием верхнего яруса;

- разработку способов создания глубоких мерзлотных завес, перекрывающих фильтрующие талики и отсекающих их от мерзлых зон подземного контура дамбы;

- разработку эффективного способа предварительного промораживания талика системой временных термосифонов;

- оценку факторов, влияющих на промерзание нефильтрующего намывного массива внешней упорной призмы.

Совокупность перечисленных разработок можно рассматривать как комплексный метод регулирования теплового режима ограждающих дамб мерзлого типа при возведении накопителей на основаниях сложного криогенного строения.

В предлагаемой методике расчета теплового режима дамбы с мерзлотной завесой для трансформации пространственной задачи в плоскую однорядная система термосифонов рассматривается как сплошной охлаждающий разрез, на стенках которого задано особое граничное условие, моделирующее температуру на внешней поверхности трубы термосифона. Исследуемый массив включает тело дамбы, ее мерзлое основание и прилегающие области водоема и атмосферы, определяющие теплообмен сооружения с окружающей средой. Прогноз нестационарного теплового режима осложняется необходимостью учета фазовых превращений грунтовой влаги в процессе ее замерзания-оттаивания на подвижной границе или в зоне фазовых переходов. Задача о распределении температуры в грунте при наличии в нем фазовых переходов влаги и о скорости движения границ раздела фаз сводится к решению уравнений теплопроводности с условиями Стефана на границах раздела фаз. Для решения этих уравнений внутри каждой однородной среды в талой и мерзлой зонах применяется явный метод конечных разностей. На границах различных сред и фазовых переходов используется метод тепловых балансов. Предполагается, что изменение температуры грунта во времени происходит скачкообразно через каждый интервал времени Дт. Исследуемая область состоит из конечного числа узловых точек, отстоящих друг от друга на расстояние Дх и Ду. В узловых точках прямоугольной разностной сетки концентрируются свойства блоков, в центрах которых находятся эти точки. Сетка должна по возможности точнее аппроксимировать контуры расчетной области б. Для этого следует ее наложить так, чтобы узловые точки были расположены не только внутри однородных сред, но и на всех границах. Поэтому приходится использовать сетку с переменными шагами Дх и Ду вдоль координатных осей. Из условий устойчивости на границах разных сред и в пределах каждой однородной среды определяется максимальный шаг по времени Дт. Наименьшее из найденных значений Дт принимается в качестве расчетного шага времени для всей области б. Основным допущением, принятым при учете фазовых переходов, является следующее: четко выраженная граница фазовых переходов при наложении разностной сетки превращается в область фазовых переходов с усредненными теплофизическими характеристиками грунтов, а замерзание влаги и оттаивание льда предполагается при определенном (близком к нулю) отрицательном значении температуры. Это допущение практически не влияет на достоверность инженерных расчетов, удовлетворительно совпадающих с данными натурных наблюдений. Методика позволяет:

• вести расчет двухмерного температурного поля сложной конфигурации с любым количеством разнородных по теплофизическим свойствам и произвольных по очертанию зон грунтов, талых и мерзлых областей, произвольно расположенных в области О и изменяющих свои очертания во времени;

• учитывать изменения температуры на границах области С, соразмерные с шагом по времени Дт;

• получать данные о динамике температурного поля во времени;

• вести расчеты для области, в которой фазовые переходы идут в двух направлениях (замерзание и оттаивание);

• учитывать изменение направления фазового перехода;

• при задании граничных условий учитывать перепад температур по глубине термосифона.

• при расчетах накопителей учитывать любые изменения толщины и свойств слоя отходов.

Для сравнительной оценки прогнозируемого и фактического теплового режима плотины выполнено сопоставление вычисленных и замеренных температур в характерных точках.

Рассматривается вертикальное поперечное сечение (рис. 4), проходящее через ось колонки. Нижняя граница расчетной области принята на глубине 32 м от естественной поверхности земли в предположении, что здесь практически не сказывается тепловое влияние водоема и мерзлотной завесы. При наложении разностной сетки принято, что ряд колонок моделируется эквивалентным охлаждающим разрезом шириной 1 м. Температура грунта на его стенках равна температуре воздуха, циркулирующего в колонке. При расчете определены температуры в тех характерных точках, для которых имелись данные натурных измерений, зафиксированные в соответствующее время.

Сравниваемые температуры (рис. 5) близки по значению или совпадают. Отсюда можно сделать вывод о качественном и количественном соответствии результатов расчета и натурных наблюдений. Незначительные (до 8 %) расхождения объясняются неточностью заданных характеристик грунтов и граничных условий, погрешностью измерительной аппаратуры. Результаты сопоставления подтверждают достоверность предлагаемого расчетного метода, предусматривающего замену ряда колонок сплошным охлаждающим разрезом.

В настоящее время в Якутии возводится накопитель с намывной дамбой высотой более 100 м. Опыт строительства в дамбах мерзлотных завес глубиной более 40 - 42 м отсутствует, а поярусное наращивание термосифонов сопровождалось значительными трудностями при поэтапном вводе в эксплуатацию незавершенных замораживающих систем. Сказанным определяется актуальность проблемы создания глубоких мерзлотных завес.

Уменьшение высоты дамб мерзлого типа и, соответственно, глубины мерзлотных завес становится возможным в накопителях каскадного типа при поярусном возведении дамб и маневрировании уровнями воды в основной (верхней) секции и в нижнем бассейне осветленной воды. При этом глубина завесы может быть уменьшена также при использовании комбинированной технологии создания мерзлого противофильтрационного элемента. В нижней части ядра и в его основании создают относительно неглубокую первичную мерзлотную завесу, после чего накопитель вводят в эксплуатацию при начальном уровне наполнения основной секции и бассейна. На втором этапе строительства выполняют естественное промораживание грунта в пределах верхнего яруса мерзлой зоны профиля дамбы. Промерзанию верхнего яруса способствует режим эксплуатации накопителя - при регулировании объемов и уровней воды в основной секции и бассейне ежегодно в заданном цикле происходит снижение уровня воды в нем от максимального до минимального; соответственно на протяжении всей зимы осуществляется теплообмен осушенной верхней части дамбы с наружным воздухом. Происходящая при этом аккумуляция холода заметно замедляет последующий процесс сезонного оттаивания мерзлой зоны при очередном цикличном подъеме уровня воды и воздействии солнечной радиации и положительных температур наружного воздуха. Расчетами установлено, что при заданных условиях возведения дамбы начальное промерзание ядра обеспечивается. Затем промерзание продолжается и в первые годы

Расчетное сечение плотины.

1 - замораживающая колонка; 2 и 3 - температурные скважины соответственно № 4 и 5; 4 - суглинок; 5 - песок; 6 - коренные полускальные породы (мергели, известняки, доломиты), незначительно льдонасыщенные; 7 - крепление откоса из щебня и каменной наброски; 8 - "распученные" льдом иловатые суглинки (льдистость до 60%); 9 - мохо-торфяной теплоизолирующий слой; 10 - нижняя граница рассматриваемой области (на глубине 42 м от гребня плотины); 11 - вертикальные границы рассматриваемой области; А - нулевая изотерма; Т - талая зона; М - мерзлая зона

Рис. 4 •

Графики изменения температуры в теле и основании плотины по результатам расчетов и соответствующие значения температур, измеренных в натуре.

¿!с

N

'У

" Г- ^^»^Г-Т» ---- « I 1 ■

±0 ~ * 15 20

-г

-4

а и б - для скважин соответственно № 4 и 5: 1 и 2 - на глубине соответственно 16 и 22 м от гребня плотины; х. о . Д - соответствующие им значения температур, измеренные в нату ре

Рис. 5

эксплуатации, несмотря на периодическое отепляющее влияние воды и оттаивание верхового откоса при циклическом заполнении бассейна. Через 5 лет эксплуатации дамба полностью промерзает. Поэтому можно отказаться от устройства мерзлотной завесы в пределах верхнего фрагмента дамбы.

Регулирование теплового режима сложных таломерзлых оснований накопителей при наличии фильтрующих таликов значительной глубины является новой инженерной задачей, требующей разработки специальных конструктивных решений замораживающих систем. Во всех случаях, когда это технически возможно и экономически целесообразно, следует рассматривать вариант полного промораживания глубокого талика. Если размещение термосифонов на гребне дамбы приводит к увеличению их глубины, то может быть рассмотрен вариант их размещения в вентилируемой охлаждающей потерне. Предлагаемые в диссертации способы замораживания обеспечивают полное промораживание неглубокого (до 3540 м) замкнутого талика, стабилизацию боковых 1раниц глубокого или сквозного талика при сохранении в нем фильтрации, надежную консервацию мерзлоты за пределами талика, а в необходимых случаях - понижение температуры мерзлого основания, образование мерзлотной завесы в глубоком или сквозном талике -висячей или смыкающейся с глубоко расположенным водоупором, создание мерзлого ядра в дамбе, полное естественное промораживание низовой призмы дамбы.

Для решения проблемы подавления таликов предлагается эффективный способ управления тепловым состоянием дамбы, включающий локальное двухстадийное замораживание грунтов и использование термоэкранирующего эффекта намывных отложений. В талике создается мерзлая пробка путем его предварительного замораживания при естественных параметрах фильтрационного потока; замораживание пробки выполняется временными термосифонами, заглубленными в мерзлую подошву талика не менее чем на 1 м. Над таликом в пределах верховой призмы дамбы выполняется промороженный теплогидроизоляционный экран из суглинка толщиной не менее 2 м, сопряженный с ядром дамбы и ограничивающий тепломассообмен накопителя с таликом. Ширина экрана должна превышать ширину талика в 1,5-2 раза. Экран может быть выполнен и намывным способом из отходов, складируемых в накопителе.

После промораживания пробки до температур минус 4-5 °С надземные детали термосифонов демонтируют и начинают отсыпку грунта в ядро, обеспечивая плотное сопряжение первого слоя с мерзлой пробкой. Расположение термосифонов в плане назначают из условия полного смыкания льдогрунтовых цилиндров с боковыми стенками талика и друг с другом. Для этого рекомендуется принимать расстояние между термосифонами от 1,5 до 2 м и крайние ряды их устанавливать в мерзлой зоне вдоль боковых границ талика. Все технологические операции осуществляют таким образом, чтобы еще в строительный период достигалась максимальная аккумуляция холода в экране, основании и дамбе.

Без промораживания талика и устройства теплоизоляционного экрана граница центральной мерзлой зоны в дамбе (рис. 6) практически совпадает с верховой гранью ядра. В этом случае надежность сооружения определяется только эффективностью работы основной завесы - нарушение смыкания льдогрунтовых цилиндров даже в одном месте в условиях начавшейся фильтрации может быстро привести к аварийной ситуации. При устройстве мерзлой пробки и намывного экрана граница талой и мерзлой зон в пределах предварительно промороженного талика будет располагаться вне центральной мерзлой зоны дамбы (рис. 7, 8) даже при длительном отключении основной мерзлотной завесы, что существенно упрощает конструкцию дамбы, облегчает эксплуатацию и наращивание накопителя.

г\

Дамба мерзлого гнпа. вариант 1 (без мерзлой пробки в ia_inKe): теплоизолирующий >ффект намывных отложений не уштьшалея

Граница талой и мерзлой зон через 5 лет -

, 10 лет-

- и 50 лет-

эксплуатации

Рис. 6

Да1мба мерзлого типа, вариант 2 (с мерзлой пробкой в талике); теплоизолирующий эффект намывных отложений не учитывался

Граница талой и мерзлой зон через 5 лет-

50 лет—о-эксплуатации р^

Динамика оттаивания-промерзания дамбы с учетом роста мощности намывных отложений

Граница талой и мерзлой зон: 1,2 - через 2 и 4 года эксплуатации; 3 - в момент завершения намыва (после 7 лет эксплуатации): 4 - через 5 лет после спуска пруда

Рис. 8 ■

Результаты моделирования процесса промерзания нефильтрующего намывного массива убедительно подтверждают возможность строительства накопителей мерзлого типа (рис. 9, 10). Сравнение результатов расчетов с прогнозами, выполненными по методу гидротепловых аналогий, и с натурными наблюдениями свидетельствуют об их вполне удовлетворительном соответствии. Обсуждение полученных результатов позволяет сформулировать следующие выводы:

• При высокой влажности грунта и сохранении слоя снега на пляже в намываемом массиве происходит аккумуляция тепла, что в итоге определяет талое состояние сооружения. При отсутствии же снежного покрова даже при высокой влажности {W = 56 %) после прекращения намыва начинается естественный процесс промерзания намытого массива.

• При регулировании влажности намывных отложений и термического сопротивления снежного покрова обеспечивается естественное промерзание каждого слоя, намытого в летний сезон.

• Для регулирования и ускорения промерзания рекомендуются:

- промораживание сезонноталого слоя и предварительное охлаждение мерзлого основания до начала намыва;

- удаление снега с поверхности пляжа;

- технологическое дренирование намываемого массива, выполняемое до начала сезона промерзания и целесообразное при влажности намывных отложений, превышающей 25 %;

- локальное промораживание фильтрующих таликов в основании;

- съемные теплоизолирующие покрытия на поверхности пляжа и низового откоса, уменьшающие глубину сезонного оттаивания.

• Если промерзание очередного яруса намывных отложений протекает в течение двух и более зимних сезонов, рекомендуется проектировать многосекционный накопитель, разделенный на рабочие и промораживаемые секции.

• Полное промораживание намытого массива, сложенного чередующимися по высоте талыми и мерзлыми слоями, возможно осуществить только с помощью локального искусственного промораживания талых слоев до того, как в них начнется фильтрация.

Рекомендации по управлению тепловым состоянием намывной ограждающей дамбы реализованы при корректировке технологии возведения хвостохранилища № 2 Норильского ГМК.

В пятой главе рассмотрены методы регулирования фильтрационно-теплового режима накопителей на сложных тало-мерзлых основаниях. Применение многосекционного накопителя, включающего мерзлые и талые секции, позволяет успешно решить сложную инженерную задачу обеспечения статической и фильтрационной устойчивости сооружения, сохранять мерзлые льдонасьнценные зоны в бортовых примыканиях дамбы, исключая их термокарстовое разрушение и обходную сосредоточенную фильтрацию, а в пределах талой зоны створа предотвратить контактную фильтрацию под дамбой при значительных деформациях грунтов основания и неизбежном промерзании низового откоса. Основной источник тепла - круглогодично замываемая талая секция надежно изолируется от льдонасыщенных грунтов, законсервированных под слоем промороженных намывных отложений. При размещении дренажей талой секции в пределах верховогс откоса дамбы и периодических откачках воды обеспечивается достаточно надежная защита их от промерзания; при этом работоспособность дренажей не зависит от неравномерных осадок основания верхового откоса.

Принципиальная е\еча намывной 01 ражллнчцсй лачбы мерзлого гипа. во ¡водимой с послойным естественным промораживанием, и динамика роста ширины мерзлой зоны

М в сечении В-В

и л

прудковой зоны; 4 - сезонноталый и свеженамытый слой

Рис. 9

Температурное поле в промерзающем массиве дамбы на май четвертого (а), шестого (б), десятого (в), четырнадцатого (г) и семнадцатого (д) годов эксплуатации

а

V -М -

¿Ё

/V

£д_л г/Л

Рис. 10

В предлагаемой конструкции дренированного накопителя с ограждающей дамбой мерзлого типа предусматривается использование водопроницаемого талика в качестве незамерзающего дренажа, обеспечивающего эффективное дренирование намывного массива и отвод фильтрационного потока на расстояние, достаточное для предотвращения развития наледей у подошвы откоса. Дренирующая способность талика может быть повышена при устройстве в нем дополнительного дренажа.

Внешняя призма включает первичную дамбу мерзлого типа и послойно промороженный массив намывных отложений пляжной зоны. За пределами талика этот массив смыкается с мерзлым основанием. В пределах талика основанием мерзлой внешней водоупорной призмы является гидротеплоизолирующий экран, отделяющий призму от талика. Экран из связного грунта промораживается предварительно или одновременно с первым намытым слоем; он располагается над таликом и предохраняет мерзлую водоупорную зону в дамбе от теплового влияния фильтрационного потока. Толщина экрана А, определяется на основании расчетов, устанавливающих глубину оттаивания мерзлого грунта снизу при постоянном тепловом влиянии фильтрационного потока в талике; эта глубина не должна превышать 0,5-0,6 Аэ. Ширина экрана ¿>3 назначается на основании расчетов, устанавливающих границы предельного ореола оттаивания мерзлого основания под экраном в результате теплового влияния талика. При толщине экрана Я, = 2 м и температуре на верхней поверхности экрана = - 2,1°С граница ореола оттаивания на глубине 10 м удалена от начальной боковой границы талика на 10-12 м, а на уровне подошвы дамбы - всего на 2 м.

При устройстве накопителя овражно-балочного типа на мерзлом основании весьма перспективно применение каскадной схемы, адаптированной к специфическим условиям криолитозоны. Фильтрующая ограждающая дамба образует основную емкость с отстойным прудом; нижняя дамба мерзлого типа образует бассейн осветленной воды. В него поступают -как фильтрационный поток, формирующийся в верхней дамбе и оттаявшей зоне ее основания, так и осветленная вода из отстойного пруда. Нижняя дамба возводится сразу на полную высоту, что исключает сложное поярусное наращивание термосифонов. Мерзлотная завеса в нижней дамбе исключает фильтрацию из накопителя и обеспечивает его полную экологическую безопасность при наличии регулируемой фильтрации между секциями. Данная схема успешно реализована на хвостохранилищах в Западной Якутии, проектирование, возведение и эксплуатация которых велись с использованием разработок автора и при его консультациях.

Намывная дамба возводится при многолетнем промерзании фильтрующего низового откоса и возможном нарушении его устойчивости вследствие давления фильтрационного потока на водонепроницаемый мерзлый панцирь. При анализе фильтрационно-теплового режима дамбы рассматривается нестационарная задача теплопроводности с учетом массопереноса в фильтрующей зоне. Расчетная область ограничена внешними контурами дамбы, изменяющимися во времени в соответствии с графиком ее наращивания, и границами зоны основания, в пределах которой предполагается тепловое влияние сооружения. После образования отстойного пруда в дамбе и в оттаявшем слое основания начинается фильтрация; поверхность мерзлоты рассматривается как водоупор. Ее очертания и параметры фильтрационного потока постепенно изменяются по мере роста мощности намывных отложений и высоты дамбы, что учитывается в ходе расчета. Нестационарность фильтрационного процесса учитывается по методу последовательной смены стационарных состояний. Для некоторого минимального промежутка времени Дх, выбранного из условий

устойчивости конечно-разностных уравнений, фильтрационный поток предполагается установившимся; в тепловых расчетах используются его параметры, соответствующие медленно изменяющемуся уровню пруда, который в рассматриваемый момент времени можно считать постоянным. На следующем этапе расчета снова определяются параметры фильтрационного потока для нового, соответствующего этому моменту уровня пруда, и так далее.

Начальные температуры грунтов на исходный момент времени и значения фильтрационных напоров И\ задаются во всех узлах рассматриваемой области. Через определенные интервалы времени производится мгновенная смена фильтрационных полей, используемых в тепловых расчетах.

Намыв хвостов в дамбу производится только в летний период; начальная средняя температура намытого массива принята равной 4°С (по осредненным данным наблюдений на ближайшем аналоге - хвостохранилище фабрики № 12). Зимний намыв осуществляется под лед отстойного пруда. В расчете учтено тепловое влияние нижнего бассейна, подтапливающего низовой откос.

Гидродинамические сетки и температурные поля, сформировавшиеся через 5 и 10 лет эксплуатации, приведены на рис. 11. В течение расчетного периода большая часть намывного массива остается в талом состоянии. Новообразование многолетней мерзлоты происходит выше уровня воды во внешней зоне низового откоса при охлаждении его поверхности и под влиянием запаса холода, аккумулированного в пионерной дамбе и дамбочках наращивания при их зимней отсыпке из каменной наброски с температурой минус 10 "С. При этом в первые 10 лет фронт промерзания не достигает кривой депрессии, и в теле дамбы не образуется область напорной фильтрации, осложняющая эксплуатацию хвостохранилища.

Это заключение в целом подтверждает полученный при анализе натурных наблюдений вывод о формировании буферного слоя между поверхностным мерзлым панцирем и депрессионной поверхностью в промерзающем массиве фильтрующей намывной дамбы.

При дальнейшей эксплуатации в течение 15 лет низовой откос дамбы промерзает на глубину более 20 м. В результате фронт промерзания проникает и в фильтрующую область, но зона высачивания фильтрационного потока по-прежнему не промерзает и, следовательно, здесь не следует ожидать формирования водонепроницаемого мерзлого панциря и внешней наледи, под которыми могла бы образоваться напорная фильтрация, ослабляющая откос.

Температурное поле фильтрующей области зависит от сезонных колебаний температуры воды на дне пруда. Относительно небольшая глубина пруда и постепенный подъем его дна в процессе намыва т.е. постоянная сдвижка теплового штампа относительно подошвы дамбы и увеличение термического сопротивления растущего слоя намывных отложений существенно замедляют оттаивание основания. За 25 лет эксплуатации мощность оттаявшего слоя не превышает 6 м, что в целом соответствует данным многолетних наблюдений на ближайшем аналоге -хвостохранилище фабрики № 12.

Натурные обследования состояния хвостохранилища, проведенные в сентябре 1994 г. экспертной комиссией Госгортехнадзора РФ (с участием автора) показали, что фактические параметры и условия работы сооружений в целом соответствуют расчетным. Глубина оттаивания мерзлого основания и глубина промерзания фильтрующего намывного откоса верхней дамбы удовлетворительно совпадали с проектными показателями. Работа мерзлотной завесы и, следовательно, отсутствие сквозной фильтрации обеспечивают экологическую безопасность нижней секции и хвостохранилища в целом. Процесс формирования водонепроницаемой мерзлой зоны

Гидродинамические сетки и температурные поля намывной дамбы череч 5. 10 п 25 лег -»ксидуаташш хносгохрашишца (экономичный варнак г. откос 1:2!

КД - кривая депрессии: ГП - глубина промертания; БС - буферный слой

Рис. 11

продолжался с интенсивностью, предусмотренной проектным режимом эксплуатации объекта.

В шестой главе рассматривается эффективная технология намыва внешней экранирующей призмы, обеспечивающей оптимальный фильтрационный режим, устойчивость и пылеподавление при возведении накопителя талого типа. Данная технология реализована при корректировке проектов и возведении золоотвалов Харанорской ГРЭС и Ново-Иркутской ТЭЦ. Предлагаются также незамерзающая дренажная система многоярусного накопителя и новая конструкция дамбы с грунтовым экраном.

Рассматриваются методика и результаты расчета фильтрационно-теплового режима дамбы с незамерзающим дренажем и тешгогидроизоляционным экраном, отделяющим внешнюю промерзающую зону от внутренней фильтрующей области. Экран, ограничивающий область фильтрации, исключает ее промерзание и направляет фильтрационный поток в незамерзающую дренирующую призму, через которую он беспрепятственно высачивается в нижний бассейн; тем самым обеспечиваются благоприятный фильтрационно-тепловой режим и устойчивость сооружения. В данной конструкции функции противофильтрационного элемента выполняет закольматированная намывным материалом зона профиля каменнонабросной дамбы. Фильтрационный поток, достигая экрана, движется вдоль него, оставаясь преимущественно безнапорным. Основное назначение экрана состоит в том, чтобы препятствовать высачиванию фильтрационных вод в промерзающую низовую призму и обеспечить незамерзающий выход потока в постоянную талую зону - под уровень воды в нижнем бассейне.

Прогноз фильтрационно-теплового режима дамбы выполнен для хвосто-хранилища в Западной Якутии. Начальные температуры грунтов гнач низовой призмы и остальных зон приняты по натурным данным. Нижняя граница расчетной области принята на глубине 40 м исходя из того, что глубина зоны теплового влияния аналогичных накопителей за 20 лет эксплуатации не превышает 15 м. Расчетная температура фазовых переходов для всех грунтов принята равной -0,1°С. Основание дамбы является водоупором как в мерзлом состоянии, так и после оттаивания.

На тепловой режим дамбы определяющим образом влияют фильтрация в замытой зоне наброски и естественная конвекция воздуха в свободных порах низовой призмы. Эти процессы тепломассопереноса учитываются в единой математической модели, разработанной при следующих допущениях: инерционные члены в уравнениях движения пренебрежимо малы; в каждой точке расчетной области существует локальное термодинамическое равновесие между теплоносителем и зернами грунта; теплофизические свойства грунтов определяются их состоянием, мерзлым или талым, но не зависят от температуры; режим движения воды в фильтрующей зоне и воздуха в низовой призме -ламинарный; оси анизотропии совпадают с осями координат; внутренние источники тепловых возмущений отсутствуют; деформации грунтовой среды и изменение ее пористости (в частности, при консолидации намывных отложений) не имеют места; отдельности каменной наброски, расположенные выше уровня воды, имеют постоянную влажность; процесс фильтрации воды - установившийся, при постоянных уровнях воды в верхнем и нижнем бассейнах.

Математическая формулировка задачи может быть представлена в следующем виде. Необходимо найти функцию температуры фс,у, г), определенную и непрерывную в замкнутой области, удовлетворяющую

- в фильтрующей зоне дамбы системе уравнений

дх СД&2+ду2] С.Д 'дхдх + 'дуду дх\' дх) сИ " ду

- в нефильтрующей зоне (за исключением низовой каменно-набросной призмы) уравнению

Bl I, ( d2t c't

5т С\дх2 ду1

(2)

- в низовой воздухопроницаемой призме системе уравнений

dt к (d2t e2t

дх Снж{дхг ду2) С,

^З^ ]' 5 I и ¿V 1к\1Гх1ьУ1)у\

о ду dt v ду dt дх

Р =

Ро

1 + Р/

- начальному условию t{x,y,0) = p(x,y)

и граничным условиям:

а) на боковых границах основания условию теплоизоляции

dt дх

= 0,

б) на нижней границе основания /(г) = = const,

(3)

(4)

(5)

(6)

дамбы

в) на границах 4 раздела талых и мерзлых зон в грунтовой части профиля

(Х> У г Т) = (Х> т) = 'ф . 1

д,Лх,у,.) дф,у,.) дЛ\(*,у)^ , дп дп ЗтJ

г) на "сухих" участках внешнего контура дамбы

д) вдоль контура питания фильтрационного потока

(7)

И = кх,

е) на участке высачнвания фильтрационного потока

!> = у, (10)

ж) вдоль внутренних границ низовой призмы ниже уровня воды

!(х,у,т) = /2(у,т), (11)

И = И2 ,

з) на кривой депрессии и на поверхности водоупора

^ = 0, (12)

д п

и) на контакте низовой призмы с экраном и основанием

V = 0 > (13)

к) на внешнем контуре низовой призмы

^ = 0. (14)

и п

В формулах (1) - (14) г- время, ч; д.- плотность грунта, кг/м3; IV- влажность грунта, доли единиц; Л^, Я,г - теплопроводность влажного и полностью водонасыщенного грунта, Вт/м К; Сг, С„ - объемная теплоемкость влажного и полностью водонасыщенного грунта; кДж/м3-К; /ф - температура фазовых переходов в грунте, °С; Свод - объемная теплоемкость воды, кДж/м3; Ь - функция напора фильтрационного потока; кх, ку - коэффициенты фильтрации грунта по направлениям осей координат, м3/сут; ^ - температура, учитывающая геотермический градиент; р-плотность воздуха, кг/м3; С„0, - объемная теплоемкость воздуха, кДж/м3-К; и -коэффициент кинематической еязкости воздуха; ц/ - функция тока воздуха; ро -плотность воздуха при температуре (ГС, кг/м3;/Гх, Ку -коэффициенты воздухопроницаемости наброски низовой призмы вдоль главных осей анизотропии (ОХ и ОУ); лив - теплопроводность системы "наброска-воздух", Вт/м-К; С„а -объемная теплоемкость системы "наброска-воздух", Вт/м-К; д - ускорение силы

тяжести, м/ч2; —- - скорость перемещения границы раздела талой и мерзлой зон \

по нормали к ней в процессе в процессе промерзания 0) и протаивания

от ох

0); п - нормаль к рассматриваемой границе; О - скрытое тепло фазового перехода в

грунтовой среде; ^(т) - температура наружного воздуха, °С; Иь И2 - глубина

воды, м; /|(у,т), УЬ(у,т) - переменная по глубине и во времени температура воды

соответственно в верхнем и нижнем бассейнах накопителя.

Численное решение данной задачи включает следующие этапы:

• расчет безнапорной фильтрации в грунтовых элементах - толще намывных отложений и верховой каменно-набросной призме с полностью замытыми пустотами;

• расчет поля функции тока воздуха в низовой призме;

• решение конечно-разностных уравнений

-А-

2Дх

-В + к„

2Ау

С

(15)

''' с с

и и Ум^-ЧЛ.;-! с

Кку

2Ду

2Дх

(16) (17)

где А =

-К,и, ■

, в = -

, С--

Ах1 Лу' ' 2Дх ' ~ 2Ду

Решение уравнений (15) - (17) устойчиво при выполнении условий

Д х Д У

Сг чД х Д/

Ах2

А/

(18)

На втором этапе расчета используется метод конечных элементов; дифференциальные уравнения движения воздуха в пористой среде с заданными выше граничными условиями решаются с помощью минимизации функционала

и | 3 ц/| о Г Э у

'ьХду) +

+ |/ + 1ач, (19)

д х

где 5 - часть границы области, на которой задано условие второго рода, / - поток воздуха через граничную поверхность единичной площади, ац/ - потери напора потока за счет конвекции.

После разбивки расчетной области на элементы (форма и размеры их могут быть различными, но предпочтительнее использовать треугольные элементы) и присвоения каждому элементу и узлу соответствующего номера получим из (19) систему уравнений:

ас

ду/

= [ф + {2}=о,

где В,; ~~ матрица проводимости; 0 = 2йэ; ^ - матрица, определяющая

зависимость функции формы от координат. Матрица [В] имеет ленточную форму; ширина диагональной полосы определяется максимальной разностью номеров узлов. Решая систему (20) с заданными граничными условиями (ими являются значения функции тока в узлах или сосредоточенные в узлах внешние притоки) получаем значения функции тока щ в каждом узле расчетной области - надводной части низовой призмы.

Результаты расчета для 5-лет эксплуатации при неизменных очертаниях профиля дамбы приведены на рис. 12. Начальное распределение температур в низовой призме, ее теплообмен с атмосферой, экраном, основанием, внутренней дренирующей призмой и нижним бассейном определяют сложную картину движения в ней воздуха. В воздухопроницаемой области образуются две основных конвективных зоны. В одной из них теплый воздух устремляется от гребня вниз, движется вдоль экрана и выходит на поверхность низового откоса вблизи верхней бермы. В другой зоне, прилегающей к поверхности откоса в его нижней части, поток воздуха движется в противоположном направлении, оставаясь замкнутым. В конце зимы пятого года характер движения воздуха меняется. Поток холодного воздуха поступает в наброску на участке, расположенном ниже верхней бермы, и выходит из призмы у ее гребня. Холодный воздух движется в зоне глубиной до 15 м, формируя в ней наиболее низкую температуру. В область расположенную под этой зоной, проникает лишь незначительное количество воздуха, следовательно, не создаются предпосылки для промерзания экрана и зоны высачнвания фильтрационног о потока. Нефильтрующий оголовок дамбы за 5 лет промерзает на глубину до 10 м вследствие охлаждающего воздействия зимней конвекции. К концу лета 5-го года в низовой призме снова образуются два самостоятельных воздушных потока, движущихся в противоположных направлениях. Замкнутые изолинии функции тока в этой части низовой призмы свидетельствуют об отсутствии притока в нее теплого наружного воздуха. Поэтому в большей части низовой призмы в области замкнутого внутреннего потока сохраняется низкая температура. Промерзший за 5 лет оголовок дамбы за летний период полностью не оттаивает; в дальнейшем в нем продолжается аккумуляция холода. На тепловой режим фильтрующей зоны основное влияние оказывает изменение температуры воды в пруде; теплогидроизоляционный экран существенно ослабляет охлаждающее воздействие низовой призмы; конструкция дамбы полностью исключает промерзание фильтрующей зоны и обеспечивает надежную эксплуатацию накопителя.

В седьмой главе рассматриваются новые способы противофильтрационного экранирования ложа и бортов накопителей, основанные на использовании криогенных процессов, льда, мерзлых грунтов и намываемых зернистых отходов . Расчетное обоснование технологии экранирования мерзлого ложа выполнено для способа, предусматривающего намораживание на дне временного ледяного экрана и отсыпку на него теплозащитного слоя из мерзлого грунта. Толщину их и темп намыва отходов назначают такими, чтобы к моменту завершения оттаивания экрана слой намывных отложений имел термическое сопротивление, достаточное для предотвращения оттаивания основания. Мощность слоя отложений в процессе оттаивания льда увеличивается в двух направлениях - вверх и вниз, а после завершения оттаивания льда и опускания теплозащитного слоя на дно рост мощности отложений продолжается только вверх или прекращается.

Численное решение многофронтовой задачи Стефана выполнено с использованием явной конечно-разностной схемы. Для вариантов, отличающихся продолжительностью цикла предварительного промораживания и охлаждения

Расчетное сечение дамбы и начальное температурное поле низовой призмы (а) кривая депрессии и линии равных напоров к талой фильтрующей зоне (б). Полное температурное поле к концу зимы 5-го юда (в) и концу лета 5-го года (г)

0

Рис. 12

основания, интенсивностью намыва, сроками намораживания и начальным температурным состоянием ледяного экрана, рассмотрена одномерная задача теплопроводности в многослойном, анизотропном по вертикали грунтоледяном массиве переменной толщины с учетом фазовых превращений "лед - вода" в порах грунтов и слое льда. При этом ледяной экран рассматривается как слой грунта, толщина которого уменьшается в ходе оттаивания, а образующаяся на поверхности тающего льда вода постепенно выдавливается вверх через теплозащитный слой и проникает в поры талого массива намывных отложений. В процессе его консолидации избыточная вода, которая не может быть удержана в порах, отжимается на поверхность массива. Миграция отжимаемой воды в вертикальном направлении происходит весьма медленно и практически не приводит к изменению теплофизических свойств отложений. Поэтому в расчетах приняты постоянные характеристики грунтов. При отсутствии фильтрации через мерзлую дамбу тепловые потоки вдоль слоев грунта и льда пренебрежимо маты и практически не влияют на вертикально направленный процесс теплопроводности. Расчеты, выполненные для золоотвала в центральной области криолитозоны, позволяют отметить следующее.

• Теплозащитный слой из мерзлого суглинка, отсыпанный на ледяной экран сразу же после его намораживания, при интенсивности намыва 2 м/год оттаивает к концу первого года эксплуатации. При интенсивности намыва 4 м/год и выше после первого года эксплуатации оттаивание теплозащитного слоя замедляется; полностью он оттаивает только после завершения намыва, в период консервации накопителя.

• При интенсивности намыва золы 2 м/год экран толщиной 2 и 4 м начинает оттаивать после года эксплуатации и после прекращения намыва оттаивает на глубину 1,8 -5- 1,9 м; в последующий период основание сохраняется в мерзлом состоянии.

• Температура на поверхности основания независимо от толщины экрана и интенсивности намыва только через 15 лет эксплуатации повышается до величин, близких к температуре фазовых переходов. Но при этом под оттаивающим экраном, обеспечиваются мерзлое состояние и водонепроницаемость ложа накопителя.

Для обеспечения температурной устойчивости и водонепроницаемости мерзлого основания накопителя достаточно за один зимний сезон выполнить следующие операции:

• в течение двух месяцев (октябрь - ноябрь) предварительно проморозить сезонноталый слой грунта, систематически удаляя снег;

• в течение двух-трех последующих месяцев (декабрь - февраль) осуществить послойное намораживание ледяного экрана толщиной не менее 2 м с интенсивностью 15-25 см в неделю при температуре воды, не превышающей 2°С;

• на поверхность намороженного экрана незамедлительно отсыпать теплозащитный слой толщиной не менее 1 м из глинистого мерзлого грунта, предохраняя тем самым экран от оттаивания до заполнения емкости и формирования слоя намывных отложений, ограничивающего тепловое воздействие пруда;

• не позднее 1 июня начать равномерное по всей площади ложа накопителя формирование слоя намывных отложений с интенсивностью не ниже 2 м/год;

• исходя из годового объема складируемого в накопителе материала, обеспечивать требуемую интенсивность намыва путем соответствующего подбора плановых размеров заполняемой секции.

• при интенсивности намыва менее 2 м/год рекомендуется увеличивать толщину экрана и теплозащитного слоя.

В восьмой главе рассмотрены элементы круглогодичной технологии строительства дамб. Приведены результаты расчетных и натурных исследований

теплового режима бурта, отсыпаемого из талого грунта, для возведения дамбы в зимний период (постановка задачи и анализ результатов выполнены автором; методика расчета разработана совместно с Р.Л. Кочубиевской; ею же проведены расчеты на ЭВМ). По той же методике определены оптимальные температурные параметры процесса укладки талого грунта в сооружение при отрицательных температурах воздуха.

Для предохранения бурта от промерзания минимальная толщина слоя теплоизоляции с коэффициентом теплопроводности не более 0,05 Вт/м °С должна быть принята равной 0,5; 0,2; 0,1 м при начальной температуре грунта, соответственно 5, 10, 15°С. Отсыпку грунта в бурт целесообразно производить возможно более тонкими слоями, поскольку в теплый период года грунт интенсивно прогревается с поверхности. Качественное уплотнение отсыпаемого зимой слоя возможно, если толщина поверхностной мерзлой корки Иы до завершения уплотнения слоя не превысит допустимой величины. Качественное сопряжение слоев будет достигнуто, если в нижней контактной зоне уплотняемого слоя температура не опустится ниже температуры начала фазовых превращений влаги. На температурный режим контактной зоны уплотняемого слоя и его основания наиболее существенное влияние оказывают температура воздуха, начальная температура отсыпаемого грунта и время перекрытия слоев. Толщина поверхностной мерзлой корки в основном зависит от температур воздуха /„ и укладываемого грунта гс. При {в = -10, -15, -20°С возможно создать такие условия, когда в течение некоторого времени после укладки слоя толщина поверхностной мерзлой корки еще не достигает максимально допустимого значения и при этом отсутствует промерзание слоя снизу. При /„ ниже минус 20°С слой начинает промерзать снизу сразу после отсыпки. Допустимая продолжительность технологического цикла, обеспечивающая требуемое качество, в условиях Енисейского Севера может быть назначена по табл. 1

Таблица 1

Рекомендуемая продолжительность технологического цикла при толщине укладываемого слоя 0, 4 м

Температура, °С Допустимая толщина поверхностной мерзлой корки [Ам], см Начальная температура уплотняемого грунта /£, °С Рекомендуемое время перекрытия слоев тпер. ч Рекомендуемая продолжительность технологичес кого цикла ти ч, мин

-10 3 6 4 4 ч 20 мин

9 12 5 ч 05 мин

12 12 6 ч 00 мин

5 9 12 2 ч 10 мин

12 6 2 ч 35 мин

-15 8 9 4 3 ч 30 мин

12 12 3 ч 55 мин

5 12 8 1 ч 45 мин

-20 8 12 8 3 ч 05 мин

Для обоснования возведения дамб и экранов из мерзлых грунтов проведены экспериментальные исследования и разработаны эффективные способы термовлажностной мелиорации и уплотнения мерзлой насыпи. Сохранение плотного

природного сложения минеральных прослоек мерзлого грунта в процессе оттаивания насыпи достигается заполнением пустот между комьями мерзлого суглинка оптимальным количеством сыпучего заполнителя (песок, золошлаки, хвосты).

Необходимое объемное содержание заполнителя К0 определяется из условия дренирования оттаивающей смеси. Сопротивляемость оттаявших смесей фильтрационным деформациям в целом значительно выше, чем для талых связных грунтов. Коэффициент фильтрации оттаявшей смеси £см , содержащей более 15 % заполнителя по объему, можно определять по формуле

^=0.11^(9.8^-1), (21)

где к-, - коэффициент фильтрации заполнителя, см/с; К0 - объемное содержание заполнителя в смеси, в долях единицы. Смеси, содержащие не менее 15 % заполнителя, при оттаивании под нагрузкой 0,1 МПа омоноличиваготся, и их водопроницаемость практически равна водопроницаемости талого связного грунта. Сопротивляемость фильтрационному разрушению оттаявших смесей, имеющих не более 50 % заполнителя, выше, чем талых связных грунтов такой же плотности; поэтому расчеты фильтрационной прочности дамбы с некоторым запасом можно выполнять как для однородного связного грунта. Самоуплотнение насыпи из смеси происходит практически одновременно с ее оттаиванием. Незначительное поровое давление, формирующееся в оттаявших комьях, быстро рассеивается. Для консолидации оттаявшего слоя смеси требуется столько же времени, сколько для консолидации одного кома. Прочность оттаявшей смеси возрастает с увеличением содержания заполнителя. Дамбы из мерзлых смесей могут возводиться в любой период года н вводятся в эксплуатацию после полного оттаивания и самоуплотнения насыпи. Наличие в смеси фильтрующего компонента позволяет использовать для ее оттаивания известные способы тепловой мелиорации. Весьма эффективным является фильтрационно-дренажное оттаивание по предложенной автором комбинированной технологии, включающей этап зимней отсыпки рыхлой насыпи из комьев мерзлого связного грунта ¡1 этап летнего намыва, когда одновременно осуществляется замыв пустот в наброске зернистыми отходами - золой, шлаком, хвостами и гидравлическое оттаивание комьев, сопровождающееся самоуплотнением насыпи под потоком пульпы.

В девятой главе рассматриваются температурные и криогенные воздействия на пленочные экраны, разрушающиеся при возникновении морозобоГшых трещин и термопросадочных деформации.

Предлагается техническое решение экрана, обеспечивающее надежное экранирование внутреннего откоса дамбы и ложа накопителя на льдонасыщенном основании. В зимний период выполняют проходку компенсаторных траншей на глубину, равную толщине верхнего, наиболее льдонасыщенного слоя основания. На дно и откосы траншей и на поверхность основания между ними отсыпают подстилающий слой из сухого сыпучего материала - песка, хвостов или золы. На него \кладывают экран с образованием компенсаторов, располагаемых в граншеях. На поверхность экрана в траншеях и между ними отсыпают защитный слой из сыпучего материала. Количество и расположение компенсаторов устанавливают в зависимости от льдистости и расчетных осадок оттаивающих грунтов на экранируемой площади ложа. На начальной стадии заполнения и при дальнейшей эксплуатации происходит постепенная осадка оттаивающего основания между траншеями и опускание экрана; компенсаторы расправляются и происходит выравнивание экрана без нарушения его водоупорных свойств.

Автором выполнены экспериментальные исследования влияния морозобонных трещин на прочность полиэтиленового экрана. Установлено, что пленка толщиной 0,2 мм разрывается или сразу после начала образования трещины, или после некоторого, весьма ограниченного растяжения и вытягивания ее из грунта. Растяжение пленки наблюдалось только при очень низкой влажности грунта (весовая влажность не более 3-5 %). При этом разрыв пленки не наступал при величине раскрытия трещин до 100 мм. При влажности 17 - 18 % пленка разрывается без вытягивания при ничтожно малой величине раскрытия трещины (не более 3 мм). На величину растяжения пленки в трещине оказывают влияние также плотность грунта и температуры наружного воздуха и грунта. Чем плотнее уложен грунт и чем ниже температуры наружного воздуха и грунта, тем меньше вытягивается пленка и тем быстрее наступает момент ее разрыва. Для предотвращения повреждения пленки морозобойными трещинами экран в верхней части дамбы и на бортах чаши следует укладывать ниже максимальной глубины проникновения трещин. Размеры трещин следует определять на опытных площадках.

В Приложении 1 даны практические рекомендации по проектированию накопителей в криолитозоне, основанные на изложенных выше научных результатах (общие положения; выбор типа и конструкции дамбы; ограждающие дамбы талого типа; устойчивость и укрепление промерзающих фильтрующих откосов; ограждающие дамбы и водосбросы мерзлого типа).

В Приложении 2 приведены акты и справки о внедрении результатов исследований и разработок автора на действующих и проектируемых объектах в криолитозоне (Анадырская, Абаканская и Ново-Иркутская ТЭЦ; Улан-Удэнская ТЭЦ-2; Иркутские ТЭЦ-5, 9, 11; Карагандинская ТЭЦ-3; хвостохранилища объединения "Якуталмаз"; хвостохранилища Норильского ГМК).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны нормативно-методические основы проектирования системы контрольно-измерительной аппаратуры и натурных наблюдений за состоянием накопителей. Проведены многолетние натурные исследования на хвостохранилищах и золоотвалах в Якутии, на Енисейском Севере и других пунктах криолитозоны.

Установлены основные закономерности и формы протекания тепловых, криогенных и фильтрационных процессов в накопителях. Показано, что регулирование процессов тепло- и массообмена в системе атмосфера - накопитель -основание является эффективным средством управления состоянием сооружений. Результаты натурных исследований использованы при обосновании предлагаемых способов регулирования теплового и фильтрационного режимов накопителей, а также при составлении рекомендаций по их проектированию и возведению.

2. Обоснованы технические и экологические преимущества намывных ^ накопителей с нефильтрующими ограждающими дамбами мерзлого типа.

3. Разработан практический метод расчета теплового режима дамбы с мерзлотной завесой в основании, позволяющий трансформировать трехмерную задачу в плоскую. Достоверность метода обоснована путем сопоставления расчетных и натурных параметров мерзлотных завес.

4. Разработан способ возведения двухъярусной дамбы мерзлого типа, нижний ярус которой промораживается замораживающей системой, а верхний -путем регулируемого сезонного промерзания.

5. Обоснованы конструктивно-технологические решения накопителей , комбинированного типа при сложном криогенно-температурном строении 7 основания.

6. Разработаны способы создания мерзлотных завес, обеспечивающих температурную стабилизацию мерзлых водонепроницаемых зон на контакте с глубоким фильтрующим таликом в основании дамбы мерзлого типа. Предложен эффективный способ предварительного промораживания талых зон основания, гарантирующий водонепроницаемость дамбы мерзлого типа. Показано, что за счет теплоизолирующего эффекта намываемого слоя отходов обеспечивается температурная устойчивость дамбы.

7. Предложен комплексный способ регулирования процессов тепло- и массообмена в промерзающих дамбах талого типа, предусматривающий устройство теплогидро-изоляционных экранов, незамерзающих дренажных систем и бортовых намывных экранов.

8. Разработаны и обоснованы расчетами предложения по консервации мерзлоты в ложе накопителя, основанные на использовании теплоизолирующего эффекта временного ледяного экрана и растущего слоя намывных отложений. Предложены способы обеспечения водонепроницаемости пленочных экранов при развитии морозобойных трещин и термопросадочных деформаций льдонасыщенных оснований.

9. Разработаны основы технологии круглогодичного возведения ограждающих дамб и экранов накопителей с использованием мерзлых грунтов и зернистых отходов.

10. Составлены инженерные рекомендации по проектированию накопителей в криолитозоне.

11. Результаты исследований реализованы при проектировании, возведении и эксплуатации накопителей, защищены 28 авторскими свидетельствами СССР, пятью патентами РФ и опубликованы в 114 работах, в том числе в монографии "Проектирование и строительство золоотвалов", -М: Энергоатомиздат, 1990, в трех государственных инструктивно-нормативных документах, а также в учебном пособии "Основы проектирования золооотвалов".

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Возведение талых низконапорных земляных плотин из мерзлой связно-сыпучей смеси глинистых и песчаногравийных грунтов / Балясников Г.Г., Кузнецов Г.И. // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. Сборник научных трудов. Т. 149. Грунтовые плотины в северной строительно-климатической зоне. -Л.: -1981. С. 3-7.

2. Современное состояние мерзлых плотин в Магаданской области / Биянов Г.Ф., Кузнецов Г.И. // Энергетическое строительство, -1988, № 6, - С. 27-34.

3. Вопросы надежности грунтовых плотин на Крайнем Севере. Обзорная информация / Биянов Г.Ф., Кузнецов Г.И. -М.: Информэнерго, 1989. - 44 с. (сер. Гидроэлектростанции, вып. 6).

4. Расчет термического режима мерзлотной плотины в начальный период эксплуатации / Кузнецов Г.И., Шугаева Р.Т. // Сборник научных работ Сибирского филиала ВНИИГ им. Веденеева. -Л.: Энергия, 1970, вып. 3 -С. 97-110.

5. Сопоставление расчетного и фактического температурного режима мерзлотной плотины / Кузнецов Г.И., Шугаева Р.Т. // Труды института ВОДГЕО. Вып. 30. Гидротехника. -М.: Стройиздат, 1971. -С. 65-66.

6. Температурный режим и деформации намывной ограждающей дамбы хвостохранилища на Крайнем Севере / Кузнецов Г.И.// Труды координационных совещаний по гидротехнике. Опыт проектирования и строительства плотин из местных материалов на Крайнем Севере. Вып. 89. -Л.: Энергия, 1974. -С. 103-110.

7. Фильтрационно-термический режим и устойчивость группы хвостохранилищ в ЯАССР / Кузнецов Г.И., Шейнфельд Г.М.. Заславский С.В. // Труды координационных совещаний по гидротехнике. Вып. 101. Гидротехническое строительство в районах Крайнего Севера. -Л.: Энергия, 1975. -С. 133-140.

8. О применении мерзлых грунтов при возведении плотин на Севере / Кузнецов Г.И., Балясников Г.Г. // Известия вузов. Строительство и архитектура. -1979, №4.-С. 92-96.

9. Прогноз оттаивания вечномерзлых пород ложа хвостохранилища / Кузнецов Г.И., Скворцов В.А., Кочубиевская Р.Л. // Транспорт и складирование отходов производства в условиях повышенных требований к защите ограждающей среды /Межведомственный сборник научных трудов. -Л.: Механобр., 1980. -С. 6367.

10. Формирование температурного режима намывной ограждающей дамбы в начальной стадии консервации хвостохранилища на Енисейском Севере / Кузнецов Г.И., Скворцов В.А. // Транспорт и складирование отходов производства в условиях повышенных требований к защите ограждающей среды / Межведомственный сборник научных трудов. -Л.: Механобр, 1980. -С. 67-72.

11. Особенности проектирования хвостохранилищ в Северной климатической зоне / Кузнецов Г.И. II Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. Сборник научных трудов. Том 149. Грунтовые плотины в северной строительно-климатической зоне. -Л.: Энергия, 1981.-С. 65-71.

12. Криогенные процессы при возведении намывных ограждающих дамб гидроотвалов в районах Крайнего Севера / Кузнецов Г.И. // Материалы конференций и совещаний по гидротехнике. Исследования, проектирование, строительство и эксплуатация гидротехнических сооружений на Крайнем Севере и в районах многолетней мерзлоты. -Л.: ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. -1982. -С. 39-46.

13.Гидротермический режим бассейнов гидроотвалов в Якутской АССР / Кузнецов Г.И., Скворцов В.А. // Известия вузов. Строительство и архитектура. -1982, №5.-С. 99-102.

14. Возможность уменьшения глубины мерзлотной завесы при строительстве гидроотвалов на мерзлом основании / Кузнецов Г.И., Кочубиевская Р.Л. // Энергетическое строительство. -1984, -№ 10. -С. 29-30.

15. Использование мерзлых грунтов при возведении плотин в северной строительно-климатической зоне / Кузнецов Г.И., Балясников Г.Г. // Проблемы инженерного мерзлотоведения в гидротехническом строительстве / АН СССР, Научный Совет по криологии Земли. -М.: Наука, 1986. -С. 128-141.

16. Криогенные процессы и устойчивость хвостохранилищ на многолетнемерзлых основаниях / Кузнецов Г.И. // Проблемы инженерного мерзлотоведения в гидротехническом строительстве / АН СССР, Научный Совет по криологии Земли. -М.: Наука, 1986. -С. 67-75.

17. Методика и результаты расчета температурного режима бурта зимнего хранения суглинка / Кузнецов Г.И., Кочубиевская Р.Л. // Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева. Сборник научных трудов. Том 198. Расчеты фунтовых гидротехнических сооружений и методы определения свойств грунтов. -Л.: Энергоатомиздат, 1987,-С. 36-44.

18. Натурные наблюдения и оценка устойчивости хвостохранилищ на вечномерзлых основаниях / Кузнецов Г.И., Юшин Ю.И., Горшков В.Г., Сергиевский В.В., Долгих С.Н. // Материалы конференций и совещаний по гидротехнике. Гидротехническое строительство в районах Крайнего Севера (СГС-86). -Л.: ВНИИГ им.'Б.Е. Веденеева.-1987.-С. 177-182.

19. Оценка факторов, влияющих на промерзание нефильтрующего намывного массива / Кузнецов Г.И. // Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева. Том 217. Экологические и технологические вопросы возведения золоотвалов ТЭС. -Л.: Энергоатомиздат, 1989,-С. 21-29.

20. Теплофизическое обоснование конструкции и технологии возведения двухярусной дамбы мерзлого типа / Кузнецов Г.И. Распопова Р.Х. // Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева. Том 217. Экологические и технологические вопросы возведения золоотвалов ТЭС.-Л.: Энергоатомиздат, 1989,-С. 17-21.

21. Намывная ограждающая дамба с теплогидроизоляционным экраном и незамерзающим дренажем / Кузнецов Г.И., Распопова Р.Х. // Известия вузов. Строительство и архитектура. -1990, № 4. -С. 64—73.

22. Пути совершенствования строительства и эксплуатации золоотвалов ТЭС в Сибири/Кузнецов Г.И. //Энергетическое строительство, -1991, -№ 5. -С. 25-27.

23. Новая технология экранирования ложа намывного накопителя на мерзлом основании / Кузнецов Г.И., Шалгинова Л.Т. // Известия вузов. Строительство. -1992, №3. -С. 84-91.

24. Эффективный способ регулирования теплового режима ограждающей дамбы намывного накопителя в сложных мерзлотно-геологических условиях / Кузнецов Г.И. // Известия вузов. Строительство. -1995, № 1. -С. 75-79.

25. Эффективная технология намыва внутренней экранирующей призмы золоотвала / Кузнецов Г.И. // Известия вузов. Строительство. -1996, № 8. -С. 80-84.

26. Основы проектирования золоотвалов / Кузнецов Г.И. // (Учебное пособие; 2-е изд., перераб. и доп.; рекомендовано Министерством общего и профессионального образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений).-Красноярск: КГТУ, 1998.-181 с.

27. Эффективные технические решения накопителей промышленных отходов в криолитозоне / Кузнецов Г.И. // Известия вузов. Строительство. -1999. - № 2-3. - С. 85-94.

28. Рекомендации по проектированию и строительству плотин из грунтовых материалов для производственного и питьевого водоснабжения в условиях Крайнего Севера и вечной мерзлоты / ВНИИ ВОДГЕО. -М.: Стройиздат, 1976. -113 с.

29. Рекомендации по проектированию сооружений хвостохранилищ в суровых климатических условиях / ВНИИ ВОДГЕО. -М.: Стройиздат, 1977. -152 с.

30. Рекомендации по проектированию и строительству низко- и средненапорных плотин из из мерзлых грунтов. ПЗО-86 /ВНИИГ. -Л.: Изд. ВНИИГ, 1987.-41 с.

31. Проектирование и строительство золоотвалов./ Сысоев Ю.М., Кузнецов Г.И. // -М.: Энергоатомиздат, 1990. -249 с.

32.А.с. 1342972 СССР, МКИ 4 Е 02В 7 / 06. Способ возведения грунтовых сооружений / Балясников Г.Г., Кузнецов Г.И. II № 4051070 / 29-15; Заявл. 08.04. 1986; Опубл. 07.10.1987, Бюлл. № 3 7.

33.А.с. 1486558 СССР, МКИ 4 Е 02В 7 / 06. Замораживающая система грунтовой плотины / Кузнецов Г.И., Максимов И.А., Максимова А.Г. // № 4217944 / 29-15; Заявл. 30.03 1987; Опубл. 15.06. 1989, Бюлл. № 22.

у>

О

34. A.c. 1576639 СССР, МКИ 5 Е 02В 7 / 06. Плотина намывного накопител Кузнецов Г.И., Распопова Р.Х. // № 4457591 / 23-15; Заявл. 07.06. 1988; Опубл. 07.( 1990, Бюлл. № 25.

35. A.c. 1596003 СССР, МКИ 5 Е 02В 7 / 06. Способ возведения намывно сооружения / Кузнецов Г.И. // № 4600558 / 23-15; Заявл. 02.11. 1988; Опубл. ЗО.С 1990, Бюлл. № 36.

36. A.c. 1677167 СССР, МКИ 5 Е 02В 7 / 06. Противофильтрационный экр накопителя на льдонасыщенном основании / Кузнецов Г.И. // № 4734267 /15; ЗаяЕ 01.09. 1989; Опубл. 15.09. 1991, Бюлл. Х° 34.

37. A.c. 1684405 СССР, МКИ 5 Е 02В 7 / 06. Способ возведения намыв» ограждающей дамбы гидроотвала / Кузнецов Г.И. // № 4753299 /15; Заявл. 24.1 1989; Опубл. 15.10. 1991, Бюлл. № 38.

38.A.c. 1728345 СССР, МКИ 5 Е 02В 7 / 06. Способ экранирован: водопроницаемых бортов чаши намывного накопителя /Кузнецов Г.И. // № 486292i 15; Заявл. 31.08. 1990; Опубл. 23.04. 1992, Бюлл. № 15.

39. A.c. 1738900 СССР, МКИ 5 Е 02В 7 / 06, 3 / 16. Способ намыва экрана i бортах накопителя / Кузнецов Г.И., Сысоев Ю.М. // № 4865239 / 15; Заявл. 10.0 1990; Опубл. 07.06.1992, Бюлл. № 21

40. A.c. 1778218 СССР, МКИ 5 Е 02В 7 / 06. Способ возведения гидроотвалг Кузнецов Г.И., Сысоев Ю.М.//№4856789/ 15; Заявл. 03.08.1990; Опубл. 30.11. 199 Бюлл. № 44.

41. A.c. 1778219 СССР, МКИ 5 Е 02В 7 / 06. Способ экранирования лоя гидроотвала / Кузнецов Г.И., Сысоев Ю.М. // № 4869705 / 15; Заявл. 27.09.199 Опубл. 30.11. 1992, Бюлл. № 44.

42. A.c. 1781370 СССР, МКИ 5 Е 02В 7 / 06, 3 / 16, 8 / 02. Гидротехническ( сооружение / Ягин Вас. П. Кузнецов Г.И., Ягин Вл. П.//№4908871 / 15; Заявл. 11.0 1991; Опубл. 15.12. 1992, Бюлл. № 46.

43.Пат. 2015505, Россия, МКИ 5 G01 N 15 / 08, Е 02 D 1 / 00. Устройство дг определения коэффициента фильтрации донных отложений водоема / Ягин В.Г Кузнецов Г.И., Хохлов А,П. // № 4949838 / 33; Заявл. 26.06. 1991; Опубл. 30.06. 199 Бюлл. № 12.

44.Пат. 2007512, Россия, МКИ 5 Е 02 В 7 / 06. Грунтовая плотина с мерзлотнс завесой в теле и в основании / Кузнецов Г.И., Ягин В.П. // № 5042081 / 15; Заяв. 14.05. 1992; Опубл. 15.02. 1994, Бюлл. № 3.

45. Пат. 2029017, Россия, МКИ 6 Е 02 В 7 / 06, 3 / 16. Способ гидравлическо1 складирования зернистых отходов / Ягин В.П., Кузнецов Г.И.// № 5056861 / 5; Заяв. 28.07.1992; Опубл. 20.02. 1995, Бюлл. № 5.

46. Пат. 2029018, Россия, МКИ 6 Е 02 В 7 / 06, 3 / 16. Способ гидравличсског складирования зернистых отходов в отработанном карьере / Ягин В.П., Кузнеце Г.ИУ/ № 5062369 / 15; Заявл. 16.09. 1992; Опубл. 20.02. 1995, Бюлл. № 5.

47. Пат. 2092651, Россия, МКИ 6 Е 02 В 7 / 06. Способ перескладировани зернистых отходов из гидроотвала в котлован с крутыми бортами / Вайкум В.А Ягин В.П., Нейланд H.H., Шлегель А.Э., Архипов В.А., Кузнецов Г.И.// № 95102021 13; Заявл. 10.02. 1995; Опубл. 10.10. 1997, Бюлл. № 28.

Подписано в печать "" 1999 г. Тираж 120 экз. Бесплатно

Заказ № е~76- Ризограф КГТУ, Красноярск, 660074, ул. Киренского, 26