автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Совершенствование инженерной защиты грунтовых вод от загрязнения фильтратом накопителей промышленных отходов

На правах рукописи

СКЛЯРЕНКО Елена Олеговна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ГРУНТОВЫХ ВОД ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ФИЛЬТРАТОМ НАКОПИТЕЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ

Специальность 05 23 07 - «Гидротехническое строительство»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск 2008 г

003445577

Работа выполнена на кафедре «Гидротехнические сооружения» ФГОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия»

Научный руководитель - канд. техн. наук, ст научн сотр

Ищенко Александр Васильевич

Официальные оппоненты д-р техн наук, профессор

Анахаев Кошкинбай Назирович

канд техн наук, доцент Алимов Анатолий Георгиевич

Ведущая организация - ФГОУ ВПО «Московский государственный

университет природообустройства», г Москва

Защита состоится «18» сентября 2008 г в 10°° часов на заседании диссертационного совета ДМ 220 049 02 в ФГОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» по адресу 346428, г Новочеркасск Ростовской области, ул. Пушкинская, 111, ауд 339

С диссертацией можно ознакомиться в научном отделе библиотеки, с авторефератом - на сайте ФГОУ ВПО «Новочеркасская мелиоративная академия» (http // ngma - meh boom ru/aspirant htm).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью предприятия, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета

Автореферат разослан «11» августа 2008 г

Ученый секретарь

диссертационного совета

Лапшенкова С В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность 1емы. На современном этапе развития техносферы все более проявляется ее отрицательное воздействие на окружающую природную среду в целом и на грунтовые воды в частности Загрязняющее воздействие на подземные воды оказывает фильтрат золо- и шлакоотвалов, накопителей промышленных отходов и хвостохранилищ

Для предотвращения загрязнений грунтовых вод от фильтрата отвалов и накопи гелей отходов используются различные компоновочно-конструктивные решения противсфильтрационной и дренажной защиты (экраны, стенки, завесы, дренажи) В процессе эксплуатации различных конструкций этих устройств установлено, что их эффективность и надежность в реальных условиях остаются недостаточными

Это обстоятельство предопределило актуальность и необходимость проведения исследований по разработке новых и совершенствованию существующих конструктивно-компоновочных решений противофильтрационной инженерной защиты грунтовых (подземных) вод от загрязнений фильтратом хранилищ промышленных отходов переработки полезных ископаемых

Целью исследований является разработка и научное обоснование компоновочно-конструктивных решений инженерной защиты грунтовых вод от загрязнений фильтратом накопителей промышленных отходов

Поставленная цель потребовала решения следующих задач

- выполнить анализ современного состояния систем сооружений и устройств инженерной защиты и обобщить существующий опыт расчета распространения фильтрата из накопителей промышленных отходов,

- научно обосновать систему математических моделей прогнозирования параметров загрязнения грунтовых вод фильтратом из накопителей,

- разработать конструкции противофильтрационных элементов для накопителей промышленных отходов,

- провести экспериментальные натурные и лабораторные исследования по обоснованию элементов и систем компоновочно-конструктивных решений противофильтрационной и дренажной защиты, \

- предложить методики фильтрационного расчета разработанных схем^ ,

I J

противофильтрационной защиты и оценки их эффективности,

- разработать рекомендации по повышению эффективности инженерной защиты грунтовых вод от загрязнения фильтратом накопителей отходов

в конкретных условиях их эксплуатации

Объекты исследований - секция золоотвала и полигон твердых промышленных отходов (ТПО) Новочеркасской ГРЭС

Достоверность научных результатов обеспечена использованием стандартных статистических критериев для оценки ошибок эксперимента и адекватности построенных моделей исследуемых систем; комплекса независимых методов определения зоны распространения загрязнений с применением аттестованного оборудования и приборов промышленного изготовления, сопоставлением результатов, полученных автором, с данными отечественных и зарубежных ученых, а также результатами решений с позиции теории фильтрации частных случаев инженерной защиты грунтовых вод промышленными отходами

Научная новизна работы заключается в следующем:

- обосновано теоретическое решение задачи по определению параметров загрязнения грунтовых вод фильтратом из накопителей промышленных отходов,

- получены экспериментальные зависимости по определению параметров зон и концентраций загрязнения грунтовых вод фильтратом из накопителей,

- теоретически и экспериментально обоснованы конструктивно - компоновочные схемы противофильтрационной и дренажной защиты при взаимодействии загрязненного фильтрата из накопителя с естественным грунтовым потоком,

- получены результаты экспериментальных (методом ЭГДА) и натурных исследований по оценке эффективности противофильтрационной и дренажной защиты грунтовых вод от загрязнений фильтратом накопителей отходов,

- предложены усовершенствованные компоновочно-конструктивные схемы, противофильтрационные защиты, включающие комбинированные экраны повышенной надежности с кольматирующим и «самозалечивающим» слоями и, защищенные патентом на изобретение, фунтовые стенки с фильт-рующе-сорбирующими элементами

Практическая значимость работы заключается в разработке рекомендаций по повышению эффективности инженерной защиты грунтовых вод от загрязнения фильтратом из накопителей промышленных отходов за счет

применения усовершенствованных компоновочных схем и конструкций про-тивофильтрационной и дренажной защиты

Реализация результатов работы. Внедрение результатов исследований осуществлено при проектировании и использовании полигона ТПО и котлована для хранения золошлаковых отходов Новочеркасской ГРЭС с экономическим эффектом 1,52 млн рублей Полученные результаты используются в учебном процессе для студентов специальности «Гидротехническое строительство»

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на региональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы мелиорации и водного хозяйства юга России» (Новочеркасск, 2003г), на заседаниях технического совета Новочеркасской ГРЭС (Новочеркасск, 2006 и 20071т.), научно- технических конференциях молодых ученых НГМА (Новочеркасск, 2003-2007гг) и семинарах кафедры «Гидротехнические сооружения» НГМА (Новочеркасск, 2005-2008 гг )

Личный вклад автора заключается в разработке конструктивно-компоновочных схем и устройств противофильтрационной и дренажной защиты, теоретическом и экспериментальном их обосновании, проведении натурных и лабораторных исследований, обобщении материалов и разработке рекомендаций для проектирования и эксплуатации инженерной защиты грунтовых вод от загрязнений фильтратом из накопителей отходов

Публикации. Основные положения работы изложены в десяти опубликованных работах, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, и 1 патент на изобретение

Структура и объем диссертации. Диссертация структурно состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы Работа изложена на 172 страницах, содержит 58 рисунков, 18 таблиц и 148 литературных источников, в том числе 10 зарубежных, приложения

Соответствие содержания работы паспорту специальности.

Настоящая диссертационная работа выполнена в рамках НИР ФГОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» по проблеме «Безопасность гидротехнических сооружений» и соответствует п 9 паспорта специальности 05 23 07 «Гидротехническое строительство»

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость работы

В первой главе приведен анализ современных методов защиты грунтовых вод (ГВ) от загрязнения фильтратом из накопителей отходов, рассмотрены известные конструктивно-компоновочные решения накопителей, подтверждена актуальность проблемы защиты грунтовых вод от загрязнения из накопителей промышленных отходов, обоснована необходимость получения прогнозной оценки распространения загрязняющих веществ грунтовыми потоками на территориях, прилегающих к золоотвалам, с учсюм непрерывного во времени изменения конструктивных и технологических параметров накопителей промышленных отходов

Прогнозированием фильтрации промышленных стоков из накопителей и обоснованием использования пленочных экранов, различных типов дренажа, непрерывных траншейных завес «стена в грунте» применительно к условиям золо- и шлакоотвалов занимались многие ученые, в числе которых А Н Адамович, В Г Аликин, А Г Алимов, К Н Анахаев, В И Аравин, В Д. Бабушкин, В А Белов, Ф Б Бочевер, Т В Бурчак, Н Н Веригин, Ю П Гатгенбергер, В Д Глебов, Б С Дзекцер, А В Ищенко, И А Кветная, ЮМ Косиченко, ИВ Коринченко, ИЕ Кричевский, ВП Лысенко, К А Михайлов, В П Недрига, А Е Орадовская, Н Н Павловский, Р. Пек, П Я Полубаринова-Кочина, М А Попов, Г А Разумов, А В Романов, И С Румянцев, Е М Селюк, С В Сольский, А Я Тулаев, А Л Филахтов, В Б Хейфец, Н П Чеботарев, Р Р Чугаев и другие Анализ литературных источников и данных исследований различных авторов показал, что известные компоновочно-конструктивные решения защиты грунтовых вод от загрязнения фильтратом из накопителей промышленных отходов (защитные экраны, противофильграционные завесы и дренажи) требуют усовершенствования и повышения эффективности инженерной защиты

Во второй главе рассмотрены компоновочно-конструктивные схемы, технические решения и устройства по совершенствованию инженерной защиты грунтовых вод от фильтрата накопителей промышленных отходов

Для перехвата загрязненного фильтрационного потока из накопителя промышленных отходов предложены конструкция и способ создания проти-вофильтрационных завес с сорбирутоще-фильтрующими окнами, защищенный патентом (Пат 1Ш 2301862 С2) Конструкция и схема течения потока в пределах противофильтрационной завесы приведены на рисунке 1

а

-Ш

Рисунок 1 - Схема противофильтрационной сгенки с фичьрующе - сорбирующим ¿лементом а - разрез б - сечение 1-1, I - входной фрагмент, II - средний фрагмент, III- выходной фрагмент, 1 - противофильграционная стенка в грунте, 2 - окно с сорбирующим заполнителем

Фильтрационный поток от контура питания загрязненных грунтовых вод (фильтрата накопителя) движется к фильтрующе-сорбирующему окну, сжимаясь в сечении и обтекая непроницаемую часть стенки, а затем, пройдя через фильтрующе-сорбирующий материал (ФСМ) окна, очищенный грунтовый поток поступает к контуру стока

Для определения расхода фильтрующего потока через окно из ФСМ приняты следующие допущения рассматривается плоская задача, движение фильтрационного потока приводится к напорному, соотношение параметров окна Ь>3а С учетом сделанных допущении для приближенного расчета могут быть использованы известные зависимости Ю М Косиченко (1980) для щелей пленочных экранов при неограниченной ширине области фильтрации, что будет справедливо при глубине перед завесой значительно превышающей высоту окна (h>5a)

Тогда расход фильтрующего потока (док) через окно из ФСМ в проти-вофильтрациошюй стенке может быть найден щ формулы

чм=(кв АИ)/(Ф,+Ф2+Ф3), (1)

где к0 - коэффициент филырации грунта, Дh - потеря напора, Ф/, Ф2 Ф3 - фильтрационные сопротивления, определяемые по формулам Ю М Косиченко. ф, =1п|— -1 \ L - для входного фрагмента, Ф2 = (дг к0)/(а kWM) -

для среднего фрагмента, фз =iníl®A 1 L - для выходного фрагмента, Д/- тол-

. ^ а .,

Пб

щина противофильтрационной стенки, /2 - расстояния от контуров пигания и стока до противофильтрационной стенки, кти— коэффициент фильтрации сорбирующего элемента; а — высота окна в стенке

Следовательно, qOK = л ка Дh

16^ .6

,т а ) а кФШ { тг а

(2)

В соответствии с обозначениями на рисунке 16, принимая расстояния 11 и ¡2 равными (1\—12)> формула (2) может быть записана в виде

Чок = л k0 Ah

na) a kpCy

(3)

Для накопителей промышленных отходов целесообразно применение конструкций комбинированных противофильтрационных грунтово-пленочных экранов, а также экранов повышенной надежности, эффективность которых обеспечивается за счет использования кольматирования, сорбирования и «самозалечивания» отсыпанного поверх экрана слоя грунта

Для оценки противофильтрационной эффективности комбинированного грунтово-пленочного экрана с защитными слоями из местного суглинистого грунта, в сравнении с традиционным грунтово-пленочным экраном с защитными слоями из песчаного грунта, рассмотрен расчет задачи с применением методов решения, разработанных В П Недригой, Ю М Косиченко, В.А Беловым и др Расчет выполнен на основе решения гидромеханической задачи методами конформных отображений и фрагментов (рисунок 2) При этом учитывалось влияние слоя отложений промышленных отходов мощностью ¿о с коэффициентом фильтрации кот

При решении задачи предполагалось, что движение фильтрационного потока - установившееся и подчиняется закону Дарси, область фильтрации в защитном и подстилающем слоях является однородной с коэффициентами фильтрации соответственно к{ и к2, при этом соотношение коэффициентов

фильтрации грунтовых слоев может быть к\ > кг, а их значения отличаются не более, чем в 10 раз Область фильтрации с безнапорным потоком в под-экран овом основании заменяется напорным, соответствующим ширине зоны растекания потока на бесконечности I

-

Рисунок 2 - Расчетная схема водопроницаемости грунтово-пленочного экрана накопителя 1 - слой отложившихся промышленных отходов, 2 - защитный слой грунта, 3 -пленочный экран, 4 - грунтовое основание

В результате решения данной задачи автором совместно с Ищенко А В получена следующая общая формула действующего напора в сечении по линии щели в виде

Я, = Я— Arch{----}

к2 \sm(t: т/2 I))

1

я т ) к2 \ш(л т/2 I)

(4)

где Н- напор (Я = Ъ0 + д„ + 8), м, /;„ - глубина воды в накопителе, м, до — толщина слоя отложений промышленных отходов, м, д - толщина защитного слоя экрана, м, 8' - приведенная толщина защитного слоя с учетом

к

отложений промотходов, вычисляемая как 8' = 8 + 80 ——, м, т - ширина по-

к„тх

вреждения (щели) в пленочном элементе, м, /-ширина зоны растекания фильтрационного потока под экраном, определяемая как 1 = р (п + кК), м;

Р - коэффициент, принимаемый по данным экспериментов Н Г Бугая (1978), высота капиллярного поднятия для грунта основания, м, ¿/-коэффициент фильтрации защитного слоя, к2 — коэффициент фильтрации грунта основания, котх - коэффициент фильтрации слоя отложений промотходов

Учитывая на практике малые размеры повреждения (щели), приближенно зависимость (4) можно записать как

Я, =Я^ лЛЩ W^ij

к2 \it т) \ж т ) к3 т)

(5)

В частном случае, когда к =к2, с учетом приближенной формулы для

большого аргумента АгсЦ-

2 1

\л т

м

4 I

зависимость (5) принимает более

простои вид:

При рассмотрении схемы экрана с сильнопроницаемым защитным (толщиной 5]) и подстилающим (толщиной дт) песчаными слоями найдем напор Н^ по линии щели

Я =

к. ['ГТ1 + 2 8г к (

Н, АгсИ АгсИ

к2 ч уя ) кг {

1АТ

я т )

+ 2 1п

16 81

(7)

Эффективность конструкции экрана с защитным и подстилающим слоями из глинистого грунта в отношении снижения фильтрационных потерь через дефекты или повреждения в противофильтрационном элементе по сравнению с аналогичным экраном с песчаными слоями при ^ = к2, 5' = 61 и I >28' выразится следующей зависимостью

к" к'

64 8' I

1п

128 <5, 5г

(л т)2

(8)

и* «О2

где к', к" - коэффициенты водопроницаемости через щель для первой и второй конструкции экрана соответственно

Согласно выполненным расчетам по формуле (8), применение комбинированных конструкций снижает фильтрацию через возможные повреждения по сравнению с традиционной конструкцией более чем в 50 раз

В работе также рассмотрены вопросы противофильтрационной эффективности грунтовых экранов накопителей промышленных отходов с учетом «самозалечивания» трещин Используя предложенный ВП Недригой коэффициент эффективности грунтового экрана П1=<1э/(4'э+<1тр)> гДе дэ- удельный расход через грунтовый экран без трещин, м2/сут, <7!, - то же при наличии сквозных трещин (щелей), но без их учета, м2/сут, удельный расход через трещину, м2/сут, определяется фиктивный коэффициент фильтрации грунтового экрана с трещинами по зависимости

*.=*э/»7, (9)

Общий фильтрационный расход из накопителя с учетом потерь через трещины и через грунтовый экран можно определить следующим образом

А

¡тт.+Яо 7> /-1 '

(10)

где п - количество трещин, - длина трещины, м, А - площадь накопителя промышленных отходов, м2

Удельный расход через грунтовый экран без трещин определяется по формуле-

и ^х

(П)

¿э+Яоч,

где ^-коэффициент фильтрации грунтового экрана, м/сут, Н1=Ив+60,

83 - толщина грунтового экрана, м; / - расстояние равное расстоянию между

£

трещинами, м; 8йпр - приведенная тол1Цина слоя отходов, м; б0лр

Удельный расход через иганистый экран без дополнительного кольма-тирующего слоя при наличии сквозных трещин-

(/-»я),

д.

(12)

где/- расстояние между трещинами

Учитывая, что кроме экрана дополнительный противофильтрационный эффект оказывает толща отложений отходов 80, удельный расход через не-закольматированную трещину экрана найден по формуле.

д =_____(13)

Агск^^/.ип^

На рисунке 3 приведена расчетная схема к определению противо-фильтрационной эффективности предложенного автором грунтового экрана накопителя промышленных отходов с кольматирующнм слоем.

Чтр Ятр

Рисунок 3 - Расчетная схема к определению прогавофильтрационнои эффективности грунтового экрана накопителя промышленных отходов с кольматирующим слоем 1 - отложения отходов, 2 - экран, 3 - грещины в экране, 4 - кольматирующий слой

Удельный расход через закольматировалную трещину может быть найден по формуле Ю.М Косиченко:

* ^(Я.-Я,)

'о / я т

- 'эт-

(14)

V / / /

где Нх - напор на границе толщи отложений и закольматированной трещины в грунтовом экране, м

Для определения напора Нх формула расхода для закольматированной трещины (см. рис 3) в экране без учета отложений может быть записана в виде

Чт? = *«. * «

*3 , (15)

где - коэффициент фильтрации кольматирующего материала, м/сут, т - ширина раскрытия трещины, м, Зэ - толщина грунтового экрана, м

Решая совместно уравнения (14) и (15), получаем.

„ »,/*-(*„> О т

'"Ммо й'

где Я - Лгс^сИ---—Дт--—^

Коэффициент эффективности экрана с кольматирующим слоем определяется по формуле щг --

при !(,_„)

Я'э+Я'тг

Эффективность 1рунтового экрана с закольматированными трещинами по отношению к экрану с полыми незакольматированными трещинами может быть найдена через отношение коэффициентов их эффективности

Э = т/ч, (17)

На рисунке 4 приведены графики зависимости эффективности грунтового экрана с кольматирующим слоем Э=/(т/1) при различной толщине отложений (50) и постоянном слое воды (/;„) в накопителе

э

5,50 ■ 5,00 -4,50 -4,00 -3,50 • 3,00 -2,50 -

2,00

80=3м, Э = 9,335 (т/1)

80=13м, Э = 4,20\(тД)

0,041

Г = 0,996

80=18м, Э = 3,4281(т/1)°,03°' И2 = 0,9918

5п=23м, Э = 2,9803(тЛ)°'°246

тт/1

-- 0,9909

¥исунок'<1)- Графики зайШшос$?^=/(^/при°^азличной толщине отложений в накопителе

При увеличении слоя отходов в накопителе свыше 18 м эффективность грунтового экрана (см рис 4) при наличии трещин с различным соотношением т/1 снижается более чем в два раза

На основании проведенных расчетов установлено, что противофильт-рационная эффективность грунтового экрана с закольматированными трещинами по сравнению с незакольматированными повышается в среднем в пятнадцать раз

В третьей главе приведены описания методик экспериментальных исследований, в частности, критериев оценки основных показателей инженерной защиты грунтовых вод от загрязненного фильтрационного потока (фильтрата) из накопителей промышленных отходов

Гидродинамические условия формирования течений из накопителей рассматриваются без учета физико-механических процессов, происходящих в грунтах при сорбции промышленных стоков или диффузии Допущение обосновывается тем, что многие компоненты стоков устойчивы и не сорбируются на грунтах, а диффузионные процессы незначительно сказываются на скорости продвижения фронта загрязнения и на положении границ раздела течений Процесс распространения загрязнений в водоносном пласте зависит как от вида и состава ингредиентов в грунтовых водах, так и от состава, строения и свойств почвогрунтов

Для количественной оценки распространения загрязнений использована одномерная модель миграции однокомпонентных загрязнителей в полуограниченных по протяженности пластах и при постоянной величине скорости фильтрации, что облегчает проведение прогнозных расчетов

Для выбора основных критериев оценки распространения загрязненного потока из накопителей проведена серия экспериментов для условий одной из секции золоотвала Новочеркасской ГРЭС Моделирование перехвата движения фильтрационного потока загрязненных вод из котлована для накопления золошлаковой пульпы производилось на электрогидродинамической установке (ЭГДА) Исследования выполнены для следующих параметров золоотвала высота отсыпки слоя отходов - 20,0 м, площадь котлована - 20,4 га, уклон местности г=0,001, грунт на трассе принят однородным Модель котлована выполнялась из тонкой медной пластины

В результате моделирования получена схема взаимодействия чистого

грунтового потока и загрязненного фильтрата. Построением гидродинамической сетки установлено положение линии раздела чистого и загрязненного потока и определена площадь зоны влияния фильтрата.

Анализ распределения градиентов напора (рисунок 5) по длине зоны, ограниченной крайней линией равных напоров распространения фильтрата из золоотвала в грунтовые воды, показал нижеследующее.

1. Условно разбив площадь котлована на зоны (I, II, III, IV), мы установили, что III и IV зоны характеризуются наиболее высокими градиентами.

2. Градиенты в IV зоне имеют максимальные значения и составляют 45,9 % от распределения градиентов напора по всем зонам.

3. Градиенты напора, как видно из рисунка 5, растут от I к IV зоне котлована, а в IV зоне они в 5,6 раза выше, чем в I зоне.

®

Рисунок 5 - Эпюра распределения градиентов напора по длине зоны распространения фильтрата из золоотвала в фунтовые воды: а - градиенты напора; б- зона распределения градиентов напора из накопителя до взаимодействия с грунтовыми водами; в -падение градиентов напора по длине накопителя; I - лента наименьшего загрязнения; 2, 3 - ленты в промежуточных зонах; 4 - лента основного загрязнения; 5 - направление движения естест венного грунтового потока

Из полученных данных можно сделать практический вывод о том, что устраивать противофильтрационные завесы, защитные дренажи, перехватывающие вертикальные скважины для оборотного водоснабжения наиболее целесообразно в пределах IV зоны котлована (см. рисунок 5), так как в этой зоне выявлены наиболее высокие градиенты напора и наблюдается наиболее высокий процент выноса загрязненного фильтрата.

В результате обработки на ЭВМ гидродинамических сеток, полученных методом ЭГДЛ, выявлена динамика изменения интенсивности движения фильтрата из накопителя и распределения градиентов напора по длине и ширине загрязненного фильтрационного потока во времени от сечения I-I (см рисунок 5) по уклону, которая проиллюстрирована на рисунке 6 Пересчет длины распространения загрязненного потока в натурные условия производился путем перевода градиентов напора, полученных по гидродинамической сетке в натурные значения с соблюдением геометрического и физического подобия в масштабах, соответственно, скорости фильтрации, коэффициента фильтрации и времени

iL,M

через 1 месяц —о—через 2 месяца через 3 месяца -*-чсрез 4,5 месяца -»-через 6 месяцев через 1 год

_.«.-i—ltí- через 5 лет

** - "

1-4 I I I I I «

100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Распределение градиентов по ширине потока

650 В, М

Рисунок 6 - Распределение градиентов напора по длине и ширине фильтрационного потока во времени

Анализ динамики распространения фильтрата из накопителя промышленных отходов показал, что наибольшие значения удельного фильтрационного расхода по ширине (рисунок 6) с течением времени от месяца до 5 лет наблюдаются в центре потока Они превышают значения удельных фильтрационных расходов по краям потока в среднем в 6 раз Это дает возможность рекомендовать устройство перехватывающих скважин в центре загрязненного потока за накопителем отходов в направлении движения грунтовых вод При этом для сжатия потока возможно устройство направляющих непроницаемых стенок

В четвертой главе представлены экспериментальные исследования, целью которых явилось изучение зоны распространения за1рязнений, выбор эффективно1 о варианта защиты грунтовых вод от загрязнения отходами золоотвала и определение места размещения противофильтрационных завес, защитного дренажа, водозаборов оборотного водоснабжения.

Моделирование движения потока загрязненных вод из котлована для накопления золошлаковой пульпы производилось на установке ЭГДА С использованием метода планирования экспериментов были произведены исследования для прогнозирования загрязнения грунтовых вод из золоотвалов разной площади х2(50,125 и 200 га) и разной высоты отсыпки слоя отходов в накопителе X) (от 5 до 25 м) Оптимизируемыми функциями отклика были выбраны параметры распространения загрязненного фильтрационного потока из золоотвала - длина (L) и ширина (В) зоны распространения, глубина проникания фильтрата в грунт (1)

Полученные математические модели, адекватно на 5% уровне значимости описывающие закономерности изменений параметров зоны загрязнения грунтовых вод фильтратом промышленных отходов от размеров накопителя, имеют вид

yL = 4740+ 930*! +1330х2 + 30*t2 +50*| + 420*!*2;

ув = 2650 +633*! +471дг2 -132*? -14*| + 186*,*2;

уг =1,0 + 0,54*, -0,65*2 -0,25*? +0,0016*1 ~ххх2.

Для наглядной интерпретации математических моделей построены

приведенные на рисунке 7 их геометрические образы yi(L)=f(h,A), y2(BM(li,A) и ys(T)=--f(h, А)

Рисунок 7 - Геометрические образы моделей a -yi(L) - f(h,A),

б-у2(ВМ(И,А), e-y3(T)-j(h,A)

Используя метод разделения переменных и математический пакет Maple 9 5, автором получено аналитическое выражение для прогнозирования распределения полей концентрации загрязненного потока из накопителя промышленных отходов, имеющего форму полуцилиндра в плоскости XOZ

к^ех + Ауг)- Я Р, + г')+ х + Ау г)'

2 й,

С (л, г ) = ехр

0,15 х + 0,02 г - 0,19 4х'~2

х ехр

0,11 4~Ь(х- г)' + (* + г)'

где J6 -градиент напора бытового потока по оси ОХ, ¿)/ - обобщенный коэффициент молекулярной диффузии и фильтрационной дисперсии, м2/суг (рассматривается случай 1)х 0у - 0.), к - коэффициент фильтрации грунта, м/сут, Ау-"фавитационный градиент", обусловленный разностью плотности чистой грунтовой воды и фильтрата из накопителя отходов, д _ 0,02ку^ ^ и 1=-Ю,3+421- параметры, значения которых определялись

экспериментально, гв - радиус оснований полуцилиндрического резервуара длиной I, м

На рисунке 8 приведены результаты сравнения полученных автором расчетом и опытом (методом ЭГДА) кривых распространения загрязнений в плоскости ХОЪ в подземных водах для постоянно действующего источника за! рязнения, который схематически представлен в виде вытянутого бассейна (при длине полуцилиндрического резервуара 21 = 8.и, радиусе оснований гп = I Ом, коэффициенте фильтрации грунта к=0,05 м/сут, суммарном расходе бассейна 0, = 2500 м3/сут; Jб =0,001, Ау = 0,004), с данными расчетов Ф М Бочевера и А Е Орадовской

Рнсунок 8 - Результаты сравнения полученных кривых распространения загрязнений в подземных водах при к-0,05 м/сут а - удлиненный бассейн, б - накопитель в форме полуцилиндра, 1 - кривая, полученная методом электрогидродинамических аналогий (ЭГДА), 2 - кривая по формулам Ф М Бочевера и А Е Орадовской, 3 - кривая по методу, полученному автором

Расхождение между кривыми распространения загрязнения, полученными методом ЭГДА и линиями равных концентраций загрязнения, построенными автором с помощью пакета Maple составляет 10,6%, а с кривыми Ф.М. Бочевера и А.Е, Орадовсхой - 2,5%. Сравнение результатов расчета по предлагаемому методу с данными Ф.М. Бочевера и А.Е. Орадовской дают хорошую сходимость в 10%. Выполненные сравнительные расчеты показали, что вблизи накопителя промышленных отходов большое влияние на распространение фильтрационного потока оказывает его форма, на удалении от очага загрязнения линии тока и концентрация загрязнения выравниваются.

С целью совершенствования и оптимизации систем инженерной зашиты по перехвату загрязненного потока из накопителей промышленных отходов проведены исследования комбинированных вариантов компоновочно-конструктивных схем инженерных защит, включающих направляющие про-тявофильтрациояяые стенки (ПФС) и вертикачыше перехватывающие дренажные скважины, их моделированием методом ЭГДА. На рисунках. 9 и 10 приведены схемы частного случая инженерной защиты грунтовых вод от загрязнения фильтратом из накопителя для условий переменного напора в скважинах, соответственно, /и я предлагаемого компоновочно-конструктивного варианта, включающего ПФС с вертикальными дренажными скважинами, и варианта защиты в виде линейного ряда перехватывающих скважин.

—--линия раздела чистою и загрязненного потоков

Рисунок 9 - Схема движения фильтрационного потока из накопителя промышленных отходов для варианта ПФС с перехватывающими скважинами через ISO м: 1 - накопитель; 2 — прогавофильтрационные направляющие стенки; 3 - перехватывающие вертикальные скважины; в„ - ширина перехвата скважинами, В3 - общая ширина загрязненного потока, Л - точка раздела чистого потока с зш"рязненным

---линия раздела чистого и загрязненного потоков

Рисунок 10 - Схема движения фильтрационного потока из накопителя для варианта из линейного ряда скважин через 150 м

В результате сопоставления предлагаемых решений защиты грунтовых вод с традиционными установлено, что значительно более эффективным вариантом является комбинированный, включающий противофильтрационные стенки и дренажные скважины (таблица 1).

Таблица 1 - Сравнительный анализ данных исследований вариантов защиты грунтовых вод из накопителей промышленных отходов

Вариант защиты грунтовых вод от фильтрационного потока из накопителей

Я я о X

я -й 2 Й м з

св " -5 в

СЗ I—I

«з § §

а к £ о

Л й Й

р с а ь ~ в 2 к в

К и

С о

О н

№ в

к -

И в

ь и „ 2

-а в в -в о и Ь 5*2 Ё

в Я К Й

а о, в в -1 сги о.

ё I § а

О Н ^ с §

5

я о, >5

12 г

в ж

ч о

к I

а В 2 ^ 2 н в

Я к

и о 2 £ в

§*1|г?ь

„ з 3 I И

ша?

оо^а; Е Ь о я к о 5

У о I

Мяо)

л о н и

Комбинированный вариант (направляющие ПФС + перехватывающие скважины)_

450,0

6,77

3045,6

Линейный ряд перехватывающих скважин

900,0

100,0

18,80

16920.0

5,56

940,0

1.08,9

22,56

21206,4

6,96

Эффективность предлагаемого компоновочно-конструктивного варианта инженерной защиты по сравнению с традиционным линейным рядом скважин обусловлена тем, что количество скважин сокращается в два-три раза, повышается надежность и экологическая безопасность объекта за счет

изменения концентрации загрязненного потока на ограниченном пространстве между направляющими ПФС

В пятой главе проанализированы данные наблюдений за химическим составом грунтовых вод в районе золоотвала и полигона ТПО НчГРЭС и установлена связь скорости распространения фильтрата со степенью его концентрации Приведены результаты прогноза изменений химического состава грунтовых вод под полигоном ТПО Анализ полученных данных показывает, что вследствие фильтрации загрязненных вод из золоотвалов концентрация загрязняющих веществ в грунтовых водах под полигоном ТПО, расположенным рядом с золоотвалом, практически по всем ингредиентам значительно возрастает- по 80.^ - более чем в 4 раза, по N03 - более чем в 5 раз, по Си -более чем в 12 раз, по V - более чем в 50 раз и т.д

В качестве рекомендаций по повышению эффективности инженерной защиты грунтовых вод от загрязнения фильтратом из накопителей предложен способ размещения вертикальных скважин для перехвата загрязненного потока При проектировании накопителей предлагается уменьшать ширину котлована, ориентируя длину с направлением грунтового потока, что позволит уменьшить площадь растекания загрязненного фильтрата, и, соответственно, количество перехватывающих скважин Для защиты грунтовых вод от загрязнения фильтратом накопителей отходов предлагается способ комбинированного перехвата загрязненного потока вертикальными скважинами совместно с направляющими непроницаемыми завесами Экономический эффект от внедрения данного варианта инженерной защиты для накопителей площадью до 25 га составляет 1,52 млн руб

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате проведенных исследований предложены усовершенствованные конструктивно-компоновочные схемы противофильтрационной защиты для накопителей промышленных отходов с высотой дамб обвалования до 25 м (IV класса), включающие различные сочетания противофильтраци-онных стенок с вертикальным или комбинированным дренажем, схемы частичного экранирования их ложа и устройства комбинированных противо-фильтрационных экранов повышенной надежности с кольматирующим и самозалечивающим слоями

2 Разработано и защищено патентом 1Ш 2301862 С2 новое конструктивное решение противофильтрационной защиты в виде траншеи с сорби-рующе-фильтрующими окнами Для повышения эффективности противофильтрационной защиты предложен способ комбинированного перехвата фильтрата из накопителя горизонтальным дренажем в сочетании с противофильтрационной стенкой, содержащей фильтрующе-сорбирующий элемент Разработана методика расчета фильтрации из накопителя промышленных отходов с грунтовой плотиной, горизонтальным дренажем и фильтрующе-сорбирующим элементом в противофильтрационной стенке, позволяющая повысить уровень экологической безопасносш окружающей среды

3 В результате моделирования взаимодействия загрязненных вод, фильтрующихся из накопителей отходов, и естественного грунтового потока на основе метода электродинамических аналогии (ЭГДА) составлена обобщенная схема взаимодействия чистого и загрязненного потоков, позволяющая прогнозировать характер и параметры загрязнения, а также обосновать выбор рациональных методов на стадии проектирования накопителей промышленных отходов

4 С использованием методов математическою планирования эксперимента установлены количественные зависимости изменения ширины, длины и глубины загрязненного фильтрационного потока из накопителя промышленных отходов от его размеров и высоты отсыпки слоя отложений, построены соответствующие математические модели (см рисунок 7) Дано теоретическое обоснование режима распространения фильтрата из накопителя промышленных отходов и выполнен расчет по определению полей концентраций загрязнения грунтовых вод фильтратом из накопителя

5 На основе экспериментальных исследований, выполненных методом ЭГДА, и полученных аналитических зависимостей определены зоны распространения загрязнений из накопителей отходов Проанализирована динамика распространения загрязненных грунтовых вод на период времени от 1 месяца до 5 лет Установлено, что значения удельного фильтрационного расхода, а следовательно, и концентрация загрязнения в центре потока в среднем в 6 раз выше, чем по краям С учетом выявленного характера распространения загрязнений перехватывающие вертикальные скважины необходимо устанавли-

вать в центре загрязненного потока по направлению движения фунтовых вод на сравнительно небольшом расстоянии за накопителем Для сжатия потока целесообразно использовать направляющие непроницаемые стенки

6 Проведенные теоретические исследования (см формулы (9)-(14)) позволяют дать оценку противофильтрационной эффективности грунтово-пленочных экранов накопителей промышленных отходов с учетом «самозалечивания» трещин Доказано, что на величину фильтрации оказывает влияние кольматаж трещин, за счет чего противофильтрационная эффективность грунтово-пленочного экрана увеличивается в среднем в 3 раза Для повышения противофильтрационной надежности грунтово-пленочных экранов наиболее целесообразно применение комбинированных конструкций экрана, в защитных и подстилающих слоях которых используются местные малопроницаемые связные грунты

7 На основе решения гидромеханической задачи водопроницаемости конструкций экрана при наличии повреждений методами конформных отображений и фрагментов предложен способ оценки эффективности противофильтрационной защиты накопителей отходов с пленочными противофильт-рационными экранами Согласно выполненным расчетам (формулы (4) - (8)), применение комбинированных конструкций снижает фильтрацию через возможные повреждения по сравнению с традиционной конструкцией в виде грунтово-пленочного экрана более чем в 50 раз Ожидаемый экономический эффект от внедрения предложенных мероприятий на полигоне твердых промышленных отходов Новочеркасской ГРЭС составляет 1,52 млн руб

По теме диссертационного исследования опубликованы следующие работы:

Статьи в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК

1 Ищенко, Л В Исследование взаимодействия чистого грунтового потока и загрязненного фильтрата из золоотвала / А В Ищенко, ЕО Скляренко // Изв вузов Сев-Кавк регион Техн науки - 2005 - №4 - С 116-117(50% автора)

2 Ищенко, А В Конструктивные схемы противофильтрационной защиты накопителей отходов и фильтрационные расчеты их эффективности. / А В. Ищенко, Е О Скляренко // Гидротехн стр-во -2007 -№3 - С 21-25 (50% автора)

Статьи, опубликованные в научных изданиях

3 Скляренко, Е О. О водоохранных мероприятиях в районе золоотвалов Новочеркасской ГРЭС // Актуальные проблемы мелиорации и водного хозяйства Юга России науч -практ конф сотрудников, аспирантов и студ НГМА (16-17 октября 2002 г) сб науч ст / НГМА - Новочеркасск, 2003 - С 2325

4 Ищенко, А В Поиск путей очистки КДВ с использованием отходов производства / А В Ищенко, Е О Скляренко // Проблемы водного хозяйства и мелиорации материалы науч -практ конф студ и молодых ученых / НГМА -Новочеркасск , 2003 - Вып 1 - С 60-65 (70% автора)

5 Красюк, Г И Варианты конструкций площадных биосорберов для очистки КДВ/ Г И Красюк, Е О Скляренко// Мелиорация антропогенных ландшафтов межвуз сб науч тр / НГМА - Новочеркасск, 2004 - Т 21 Рациональное природопользование в степной зоне России - С. 154-161 (60% автора)

6 Пат RU 2301862 С2 Российская Федерация, МПК Е023/16 (2006 01) Способ создания противофильтрационных завес с фильтрующими окнами / Ищенко А В , Косиченко Ю M, Скляренко Е О, Пилипенко В Д, заявитель и патентообладатель Новочеркасская гос мелиор акад - № 2005110470/03, заявл 11 04.2005, опубл 20 10 2006, Бюл № 18 - С 2 , 5 ил (30% автора)

7 Ищенко, А В Оценка эффективности противофильтрационной защиты накопителей промышленных отходов с использованием пленочных и грунтовых экранов / А В Ищенко, Е О Скляренко // Водное хозяйство России проблемы, технологии, управление -2007 -№1 - С 18-38 (50% автора)

8 Скляренко, Е О Моделирование распространения загрязненного потока из накопителей промышленных отходов в грунтовых водах //Изв вузов Сев-Кавк регион Техн науки - 2007 - № 4 - С 96-99

9 Скляренко, Е О Экспериментальные исследования противофильтрационных и дренажных защит накопителей промышлешшх отходов // Изв вузов Сев-Кавк.регион Техн науки -2007 -№5 -С 71-72.

10 Ищенко. А В Экологический мониторинг полигона твердых промышленных отходов НчГРЭС / А В Ищенко, Е О Скляренко, Т А Богуславская, Т В Шевченко // Охрана и возобновление гидрофлоры и ихтиофауны сб ст /НГМА, Акад водохоз наук России - Новочеркасск, 2007 - Вып 6 -С 18-25 (30% автора)

Подписано в печать 20 06 2008г Формат 60х84,/16

Объем 1 0 уч изд л_Тираж 100 экз_Заказ № 446

Типография НГМА, 346428, г Новочеркасск, ул Пушкинская, 111

ВВЕДЕНИЕ

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ГРУНТОВЫХ ВОД ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ИЗ НАКОПИТЕЛЕЙ

ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ.

1Л Отрицательное воздействие золоотвалов на грунтовые воды, выявленные недостатки и негативные последствия.

1.2 Обзор теоретических исследований и существующих методик прогноза фильтрации промышленных стоков из накопителей.

1.2.1 Общие принципы формирования инженерной защиты грунтовых вод от фильтрационного потока из накопителей.

1.2.2 Существующие методики прогноза фильтрации промышленных стоков из шламохранилищ и накопителей.

1.3 Методы защиты грунтовых вод от фильтрата из накопителей отходов.

Выводы по главе 1.

2 СОПОСТАВЛЕНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ

И ИХ ОБОСНОВАНИЕ.

2.1 Предлагаемые схемы инженерной защиты накопителей в условиях воздействия естественного грунтового потока.

2.2 Рекомендуемые варианты противофильтрационной защиты накопителей промышленных отходов.

2.3 Фильтрационный расчет фильтрующе-сорбирующего элемента в противофильтрационной стенке.

2.4 Расчет фильтрации из накопителя промышленных отходов с грунтовой дамбой обвалования, горизонтальным дренажем и фильтрующе-сорбирующим элементом в противофильтрационной стенке.

2.5 Оценка эффективности противофильтрационной защиты накопителей промышленных отходов с пленочными противофильтрационными экранами.

2.6 Противофильтрационная эффективность грунтовых экранов накопителей промышленных отходов с учетом самозалечивания трещин.

Выводы по главе 2.

3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ НАКОПИТЕЛЕЙ

ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ.

3.1 Цели и задачи исследований.

3.2 Методика моделирования методом ЭГДА и оценка точности эксперимента.

3.3 Выбор критериев оценки движения фильтрационного потока загрязненных вод из накопителя промышленных отходов.

3.4 Планирование эксперимента для исследования зоны загрязнения из накопителей промышленных отходов.

3.4.1 Общие положения, допущения и предпосылки.

3.4.2 Построение геометрических образов полиноминальных функций отклика.

3.4.3 Кодирование переменных для прогноза распространения фильтрационного потока из накопителей отходов.

Выводы по главе 3.

4 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ФИЛЬТРАЦИОННОГО ПОТОКА И ОПТИМИЗАЦИЯ ОБЛАСТИ ИНЖЕНЕРНОЙ

ЗАЩИТЫ НАКОПИТЕЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ.

4.1 Результаты моделирования накопителя методом ЭГДА для определения зоны распространения загрязнения.

4.2 Прогноз распространения загрязненного фильтрационного потока из накопителя отходов на основе математического моделирования.

4.2.1 Установление зависимости длины зоны загрязнения от высоты отсыпки слоя отложений и площади накопителя.

4.2.2 Оценка зависимости ширины зоны загрязнения от размеров накопителя и высоты слоя отходов.

4.2.3 Выявление зависимости глубины проникновения загрязнения от параметров накопителя с учетом увеличения мощности отложения отходов.

4.3 Аналитический расчет распределения полей концентрации загрязненного потока из накопителя отходов методом

разделения переменных.

4.4 Сравнение вариантов инженерной защиты грунтовых вод от загрязнения их из накопителей промышленных отходов.

Выводы по главе 4.

5 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЩИТЫ ГРУНТОВЫХ ВОД ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ИЗ ЗОЛООТВАЛА НОВОЧЕРКАССКОЙ ГРЭС.

5.1 Краткая характеристика золоотвалов Новочеркасской ГРЭС.

5.2 Краткая характеристика района строительства полигона твердых промышленных отходов НчГРЭС.

5.3 Наблюдательная сеть стационарных гидрогеологических скважин на полигоне ТПО.

5.4 Химический состав грунтовых вод в районе золоотвала и полигона ТПО НчГРЭС.

5.5 Рекомендации по повышению эффективности защиты грунтовых вод от загрязнения из накопителей отходов.

5.6 Перспективные конструкции противофильтрационных стенок с фильтрующе-сорбирующими окнами.

Выводы по главе 5.

1 Актуальность темы. На современном этапе развития техносферы все более проявляется ее отрицательное воздействие на окружающую природную среду в целом и на грунтовые воды в частности. Загрязняющее воздействие на подземные воды оказывает фильтрат золо- и шлакоотвалов, накопителей промышленных отходов и хвостохранилищ.

Для предотвращения загрязнений грунтовых вод от фильтрата отвалов и накопителей отходов используются различные компоновочно-конструктивные решения противофильтрационной и дренажной защиты (экраны, стенки, завесы, дренажи). В процессе эксплуатации различных конструкций этих устройств установлено, что их эффективность и надежность в реальных условиях остаются недостаточными.

Это обстоятельство предопределило актуальность и необходимость проведения исследований по разработке новых и совершенствованию существующих конструктивно-компоновочных решений противофильтрационной инженерной защиты грунтовых (подземных) вод от загрязнений фильтратом хранилищ промышленных отходов переработки полезных ископаемых.

Целью исследований является разработка и научное обоснование компоновочно-конструктивных решений инженерной защиты грунтовых вод от загрязнений фильтратом накопителей промышленных отходов.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

- выполнить анализ современного состояния систем сооружений и устройств инженерной защиты и обобщить существующий опыт расчета распространения фильтрата из накопителей промышленных отходов;

- научно обосновать систему математических моделей прогнозирования параметров загрязнения грунтовых вод фильтратом из накопителей;

- разработать конструкции противофильтрационных элементов для накопителей промышленных отходов;

- провести экспериментальные натурные и лабораторные исследования по обоснованию элементов и систем компоновочно-конструктивных решений противофильтрационной и дренажной защиты;

- предложить методики фильтрационного расчета разработанных схем противофильтрационной защиты и оценки их эффективности;

- разработать рекомендации по повышению эффективности инженерной защиты грунтовых вод от загрязнения фильтратом накопителей отходов в конкретных условиях их эксплуатации.

Объекты исследований - секция золоотвала и полигон твердых промышленных отходов (ТПО) Новочеркасской ГРЭС.

Достоверность научных результатов обеспечена использованием стандартных статистических критериев для оценки ошибок эксперимента и адекватности построенных моделей исследуемых систем; комплекса независимых методов определения зоны распространения загрязнений с применением аттестованного оборудования и приборов промышленного изготовления; сопоставлением результатов, полученных автором, с данными отечественных и зарубежных ученых, а также результатами решений с позиции теории фильтрации частных случаев инженерной защиты грунтовых вод промышленными отходами.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- обосновано теоретическое решение задачи по определению параметров загрязнения грунтовых вод фильтратом из накопителей промышленных отходов;

- получены экспериментальные зависимости по определению параметров зон и концентраций загрязнения грунтовых вод фильтратом из накопителей;

- теоретически и экспериментально обоснованы конструктивно - компоновочные схемы противофильтрационной и дренажной защиты при взаимодействии загрязненного фильтрата из накопителя с естественным грунтовым потоком;

- получены результаты экспериментальных (методом ЭГДА) и натурных исследований по оценке эффективности противофильтрационной и дренажной защиты грунтовых вод от загрязнений фильтратом накопителей отходов;

- предложены усовершенствованные компоновочно-конструктивные схемы, противофильтрационные защиты, включающие комбинированные экраны повышенной надежности с кольматирующим и «самозалечивающим» слоями и, защищенные патентом на изобретение, грунтовые стенки с фильт-рующе-сорбирующими элементами.

Практическая значимость работы заключается в разработке рекомендаций по повышению эффективности инженерной защиты грунтовых вод от загрязнения фильтратом из накопителей промышленных отходов за счет применения усовершенствованных компоновочных схем и конструкций про-тивофильтрационной и дренажной защиты.

Реализация результатов работы. Внедрение результатов исследований осуществлено при проектировании и использовании полигона ТПО и котлована для хранения золошлаковых отходов Новочеркасской ГРЭС с экономическим эффектом 1,52 млн. рублей. Полученные результаты используются в учебном процессе для студентов специальности «Гидротехническое строительство».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на региональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы мелиорации и водного хозяйства юга России» (Новочеркасск, 2003г.), на заседаниях технического совета Новочеркасской ГРЭС (Новочеркасск, 2006 и 2007гг.), научно- технических конференциях молодых ученых НГМА (Новочеркасск, 2003-2007гг.) и семинарах кафедры «Гидротехнические сооружения» НГМА (Новочеркасск, 2005-2008 гг.).

Личный вклад автора заключается в разработке конструктивно-компоновочных схем и устройств противофильтрационной и дренажной защиты, теоретическом и экспериментальном их обосновании, проведении натурных и лабораторных исследований, обобщении материалов и разработке рекомендаций для проектирования и эксплуатации инженерной защиты грунтовых вод от загрязнений фильтратом из накопителей отходов.

Публикации. Основные положения работы изложены в десяти опубликованных работах, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, и 1 патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация структурно состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 172 страницах, содержит 58 рисунков, 18 таблиц и 148 литературных источников, в том числе 10 зарубежных, приложения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате проведенных исследований предложены усовершенствованные конструктивно-компоновочные схемы противофильтрационной защиты для накопителей промышленных отходов с высотой дамб обвалования до 25 м (IV класса), включающие различные сочетания противофильтрационных стенок с вертикальным или комбинированным дренажем, схемы частичного экранирования их ложа и устройства комбинированных противофильтрационных экранов повышенной надежности с кольматирующим и самозалечивающим слоями.

2. Разработано и защищено патентом RU 2301862 С2 новое конструктивное решение противофильтрационной защиты в виде траншеи с сорби-рующе-фильтрующими окнами. Для повышения эффективности противофильтрационной защиты предложен способ комбинированного перехвата фильтрата из накопителя горизонтальным дренажем в сочетании с противофильтрационной стенкой, содержащей фильтрующе-сорбирующий элемент. Разработана методика расчета фильтрации из накопителя промышленных отходов с грунтовой плотиной, горизонтальным дренажем и фильтрующе-сорбирующим элементом в противофильтрационной стенке, позволяющая повысить уровень экологической безопасности окружающей среды.

3. В результате моделирования взаимодействия загрязненных вод, фильтрующихся из накопителей отходов, и естественного грунтового потока на основе метода электродинамических аналогий (ЭГДА) составлена обобщенная схема взаимодействия чистого и загрязненного потоков, позволяющая прогнозировать характер и параметры загрязнения, а также обосновать выбор рациональных методов на стадии проектирования накопителей промышленных отходов.

4. С использованием методов математического планирования эксперимента установлены количественные зависимости изменения ширины, длины и глубины загрязненного фильтрационного потока из накопителя промышленных отходов от его размеров и высоты отсыпки слоя отложений, построены соответствующие математические модели (см. рисунок 7). Дано теоретическое обоснование режима распространения фильтрата из накопителя промышленных отходов и выполнен расчет по определению полей концентраций загрязнения грунтовых вод фильтратом из накопителя.

5. На основе экспериментальных исследований, выполненных методом ЭГДА, и полученных аналитических зависимостей определены зоны распространения загрязнений из накопителей отходов. Проанализирована динамика распространения загрязненных грунтовых вод на период времени от 1 месяца до 5 лет. Установлено, что значения удельного фильтрационного расхода, а следовательно, и концентрация загрязнения в центре потока в среднем в 6 раз выше, чем по краям. С учетом выявленного характера распространения загрязнений перехватывающие вертикальные скважины необходимо устанавливать в центре загрязненного потока по направлению движения грунтовых вод на сравнительно небольшом расстоянии за накопителем. Для сжатия потока целесообразно использовать направляющие непроницаемые стенки.

6. Проведенные теоретические исследования (см. формулы (9)-(14)) позволяют дать оценку противофильтрационной эффективности грунтово-пленочных экранов накопителей промышленных отходов с учетом «самозалечивания» трещин. Доказано, что на величину фильтрации оказывает влияние кольматаж трещин, за счет чего противофильтрационная эффективность грунтово-пленочного экрана увеличивается в среднем в 3 раза. Для повышения противофильтрационной надежности грунтово-пленочных экранов наиболее целесообразно применение комбинированных конструкций экрана, в защитных и подстилающих слоях которых используются местные малопроницаемые связные грунты.

7. На основе решения гидромеханической задачи водопроницаемости конструкций экрана при наличии повреждений методами конформных отображений и фрагментов предложен способ оценки эффективности противофильтрационной защиты накопителей отходов с пленочными противофильт-рационными экранами. Согласно выполненным расчетам (формулы (4) - (8)), применение комбинированных конструкций снижает фильтрацию через возможные повреждения по сравнению с традиционной конструкцией в виде грунтово-пленочного экрана более чем в 50 раз. Ожидаемый экономический эффект от внедрения предложенных мероприятий на полигоне твердых промышленных отходов Новочеркасской ГРЭС составляет 1,52 млн. руб.

1. Абрамов С.К. Методы расчета притока воды к буровым скважинам / С.К. Абрамов, В.Д. Бабушкин - М., 1955. - 384с.

2. Аверьянов С.Ф. Фильтрация из каналов и ее влияние на режим грунтовых вод / С.Ф. Аверьянов.- М.: Колос, 1982. 237 с.

3. Адамович А.Н. Закрепление грунтов и противофильтрационные завесы /А.Н. Адамович. М.: Энергия, 1980. - 319 с.

4. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий /Ю.П. Адлер, Е.В.Маркова, Ю.В.Грановский. М.: Наука, 1976. — 279 с.

5. Алексеева Т.Е. Некоторые аспекты мониторинга водных объектов в районе размещения золошлакоотвалов ТЭС / Т.Е. Алексеева, Т.М. Гольдина //Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева.- 2001. -Т. 239.- С. 245 251.

6. Аликин В.Г. Фильтрационный расчет комбинированного дренажа в неоднородных основаниях плотин из грунтовых материалов / В.Г. Аликин // Конструкции грунтовых плотин и методы их возведения: сб. науч. тр. / ВНИИВОДГЕО. -М., 1987. С. 34-35.

7. Анахаев К.Н. Пространственная фильтрация в грунтовых плотинах: мат. науч.- практ. конф. / КБГСХА. Нальчик, 1996. - Вып.2. - С. 179-193.

8. Анпилов В.Е. Формирование и прогноз режима грунтовых вод на застраиваемых территориях /В.Е. Анпилов.-М.: Недра, 1984. 160 с.

9. Аравин В.И. Приток грунтовых вод к котлованам, основанным на горизонтальном водопроницаемом слое. / В.И. Аравин.// Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева.-М.: ВНИИГ, 1937. Т. 21- С. 56-77.

10. Аравин В.И. Расчеты и моделирование плановой фильтрации /В.И. Аравин.- JL: Госэнергоиздат, 1963. 78 с.

11. А.с. 1213118 СССР, Е 02В 3/16,3/04. Способ создания водонепроницаемой облицовки /А.В. Ищенко, Ю.М. Косиченко, Н.А. Евстратов.3793997/29-15: Заявлено 21.09.84. Опубликовано 23.02.86. Бюл №7.

12. Аравин В.И. Теория движения жидкостей и газов в недеформируемой пористой среде /В.И. Аравин, С.Н. Нумеров. М.: Гостехиздат, 1953. — 616 с.

13. Аравин В.И. Фильтрационные расчеты гидротехнических сооружений /В.И. Аравин, С.Н. Нумеров. М.: Госстройиздат, 1955. — 456 с.

14. Белов В.А. Противофильтрационные мероприятия на малых водоемах /В.А. Белов Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ, 2000. - 192 с.

15. Богомолов А.И. Гидравлика: Учебник для вузов /А.И. Богомолов, К.А. Михайлов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.:Стройиздат, 1972. - 648 с.

16. Большаков Ю.С. Глинистые экраны грунтовых хранилищ /Ю.С. Большаков, JT.M. Велецкая, Г.М. Кузовлев и др.. — JL: Энергия, 1968. — 41 с.

17. Большаков Ю.С. Закрепление верхового откоса дамб золоотвалов из зо-лошлакового материала структурообразующими добавками. / Ю.С.Большаков, Р.А.Измайлова //сб. науч. тр. /Известия ВНИИГ им. Веденеева. Л.: Энергия, 1980. - Т. 139. - С. 70-75.

18. Боричев К.А. Влияние золоотвалов на окружающую среду /Боричев К.А. и др.. // Материалы науч. практ. конф. (19 октября 2000 г., г. М.) / НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина, РАМН. htth: //www ecopower/ru.

19. Бочевер Ф.М. Защита подземных вод от загрязнения /Ф.М. Бочевер, Н.Н. Лапшин, А.Е. Орадовская. М.: Наука, 1979. -254 с.

20. Бочевер Ф.М. Гидрогеологическое обоснование защиты подземных вод и водозаборов от загрязнения /Ф.М. Бочевер, А.Е. Орадовская. М.: Недра, 1972.- 129 с.

21. Бочевер Ф.М. О форме ареалов загрязнения подземных вод при фильтрации из удлиненного бассейна /Ф.М. Бочевер, А.Е. Орадовская. // Научные исследования в области инженерной гидрогеологии: тр. / ВНИИ-ВОДГЕО. -М., 1977. Вып. 70. - С. 14-17.

22. Противофильтрационная стенка в котловане Нижне-Камской ГЭС /А.Д. Бунтман, В.Б. Хейфец, Д.Г. Шнейдер и др. // Гидротехническое строительство. 1973. - № 7. - С.12-15.

23. Бурчак Т.В. Инфильтрационные бассейны /Т.В. Бурчак. Киев: Буд1вельник, 1978. - 152 с.

24. Васильев С.В. Гидродинамический расчет фильтрации из асимметричных хранилищ промышленных стоков /С.В. Васильев // Вопросы фильтрационных расчетов гидротехнических сооружений М.: Стройиздат, 1973.-№ 5.-С. 106-115.

25. Веригин Н.Н. Движение грунтовых вод вблизи водохранилищ /Н.Н. Ве-ригин // Гидротехническое строительство. -1952. №4. - С. 35—39.

26. Веригин Н.Н. Фильтрация в обход плотин и эффективность противофильтрационных завес. / Н.Н. Веригин //Гидротехническое строительство. -1947.-№5. С. 10-14.

27. Возведение сооружений методом «стена в грунте» / под ред. А.Л. Фи-лахтова. — Киев, 1976. 204 с.

28. Ганичев А.И. Новые способы устройства противофильтрационных завес /А.И. Ганичев, А.Е. Мещеряков, В.Б. Хейфец //Гидротехническое строительство. 1961 . - № 2. - С. 14-18.

29. Гаттенбергер Ю.П. Гидрогеология и динамика подземных вод с основами гидравлики /Ю.П. Гаттенбергер. 2-е изд., пераб. и доп.- М.: Недра, 1980.-160 с.

30. Гетманов Е.А. Экологически чистые технологии использования угля в Чешской Республике /Е.А. Гетманов, А.А. Саламов //Теплоэнергетика. -2000.-№10.-С. 76-78.

31. Гидротехнические сооружения /Г.В. Железняков, Ю.А. Ибаззадзе, П.Л. Иванов и др.; под общ. ред. В.П.Щедрина. М.: Стройиздат, 1983. -543 с.

32. Глебов В.Д. Противофильтрационные конструкции грунтовых гидротехнических сооружений /В.Д. Глебов //Гидротехническое строительство. -1985.- №1.- С. 17-20.

33. Глебов В.Д. Некоторые проблемы устройства полимерных пленочных противофильтрационных элементов /В.Д. Глебов, В.П.Лысенко //тр. Ко-орд. совещ. по гидротехнике./ ВНИИГ им. Внденеева. Л.: Энергия. 1972. - Вып 74. - С. 93-98.

34. Глебов В.Д. Конструкции противофильтрационных пленочных экранов грунтовых плотин /В.Д. Глебов, В.П.Лысенко. Л.: ВНИИГ, 1975. — 68 с.

35. Глебов В.Д. Использование полиэтиленовой пленки для экранирования золоотвала Магаданской ТЭЦ /В.Д. Глебов, А.И.Белышев, В.Н. Комаров //Энергетическое строительство. 1975. - № 9. - С. 7-8.

36. Головина Л. И. Линейная Алгебра и некоторые ее приложения /Л. И. Головина. М.: Наука, 1979. - 407 с.

37. Гольдберг В.М. Гидрогеологические основы охраны подземных вод от загрязнения /В.М. Гольдберг, С. Газда. М.: Недра, 1984. - 262 с.

38. ГОСТ 24026 80. Исследовательские испытания. Планирование эксперимента. Термины и определения. - М., 1980.

39. Готлиф А.А. Прогноз миграции и рассеяния загрязняющих в еществ после их сброса в водоносные пласты /А.А. Готлиф, В.Д. Озерова //Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева. 2001.- Т. 239. - С. 237 - 245.

40. Дегтярев Б.М. Дренаж в промышленном и гражданском строительстве /Б.М. Дегтярев. М.: Стройиздат, 1990. - 238 с.

41. Дружинин Н.И. Метод электрогидродинамических аналогий и его применение при исследовании фильтрации /Н.И. Дружинин. М.-Л.: Гос-энергоиздат, 1956. - 114 с.

42. Дьяконов В.П. Maple 7: учебный курс /В.П. Дьяконов. С.- Петерб.: Изд. дом «Питер», 2002. - 672 с.

43. Ежемесячные наблюдения и оценка влияния сбросных каналов Новочеркасской ГРЭС на водные объекты региона /НПП «Прогресс».-Новочеркасск, 1998.

44. Жиленков В.Н. О некоторых возможностях фильтрационных утечек через глинистые экраны золоотвалов и хвостохранилищ. /В.Н. Жиленков//тр. Коорд. совещаний по гидроэнергетике / ВНИИГ им. Внденеева. Л.: Энергия. 1977.- Вып. 113. - С. 79-89.

45. Инструкция по проектированию и строительству противофильтрационных устройств из полиэтиленовой пленки для искусственных водоемов. (СН 551-82). -М.: Стройиздат, 1983. 40 с.

46. Экологический мониторинг полигона твердых промышленных отходов НчГРЭС /А.В.Ищенко, Е.О.Скляренко, Т.А.Богуславская и др. //Охрана и возобновление гидрофлоры и ихтиофауны: сб.ст.- Новочеркасск, 2007.- Вып.6.- С. 43

47. Ищенко А.В. Поиск.путей очистки КДВ с использованием отходов производства /А.В. Ищенко, Е.О. Скляренко // Проблемы водного хозяйства и мелиорации.: мат. науч.-практ. конф. студ. и молодых ученых. / НГМА-Новочеркасск, 2003. Вып.1.- С.60-65.

48. Ищенко А.В. Исследование взаимодействия чистого грунтового потока и загрязненного фильтрата из золоотвала /А.В. Ищенко, Е.О. Скляренко // Изв. вузов. Сев. — Кавк.регион. Техн. науки. 2005. - №4. -С.116-117.

49. Ищенко А.В. Конструктивные схемы противофильтрационной защиты накопителей отходов и фильтрационные расчеты их эффективности/ А.В. Ищенко, Е.О. Скляренко // Гидротехническое строительство. М., 2007. -№3- С. 21-25.

50. Капустина Т.А. Совершенствование проивофильтрационной защиты на оросительных каналах и природоохранных сооружениях: автореф. дис.канд. техн. наук. Новочеркасск, 1996 - 24 с.

51. Кветная И.А. Обеспечение защиты природных вод в районах размещения полигонов твердых бытовых отходов /И.А. Кветная, Д.П.Самофалов, Р.Д.Хайтов. С.225-236.

52. Китаев И.В. Золообразующие и малые элементы углей Дальнего Востока /И.В. Китаев.- Владивосток, 1989.- 136 с.

53. Колганов А.В.Планирование эксперимента в гидромелиоративных исследованиях /А.В.Колганов, А.М.Питерский, А.Т. Лисконов. М.: ГУ ЦНТИ «Мелиоводинформ», 1999. - 214 с.

54. Кондратьев В.Ф. Фильтрационный расчет дамб обвалования хвостохра-нилищ, возводимых на отвалах /В.Ф. Кондратьев, И.В. Захарченко // Строительство водонапорных сооружений из грунтовых материалов: тр. /ВОДГЕО. -М.: ВОДГЕО, 1983. С.49-52.

55. Корн Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров /Г.Корн, Т. Корн.- М.: Наука, 1970. 720 с.

56. Косиченко Ю.М. Свободная фильтрация из щели пленочного экрана с защитным покрытием /Ю.М. Косиченко// Доклады ВАСХНИЛ. -1984. -№8. С.35-36.

57. Косиченко Ю.М. Особенности расчета водопроницаемости противофильтрационных облицовок с пленочными экранами /Ю.М. Косиченко // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1984. - №6. - С.94-97.

58. Косиченко Ю.М. Расчет противофильтрационной эффективности облицовок с пленочными экранами /Ю.М. Косиченко //Гидротехническое строительство.- 1983.- № 2.- С. 33-38.

59. Косиченко Ю.М. Гидравлические и экологические аспекты эксплуатации каналов: учеб. пособие /Ю.М. Косиченко. — Новочеркасск, 2000. — 230 с.

60. Косиченко Ю.М. Оценка уровня фильтрационной безопасности земляных плотин и эффективности инженерной защиты малых водохранилищ/ Ю.М. Косиченко, В.А. Белов, М.Ю. Косиченко. Новочеркасск, 2001.-57с.

61. Исследования эффективного варианта защиты от загрязнения грунтового потока золошлаковыми отходами Новочеркасской ГРЭС /Ю.М. Косиченко, А.З. Абуханов, А.В. Ищенко и др. //Известия вузов. Сев.-Кавказ. Регион. Техн. науки. 2001. - № 2. - С. 96-100.

62. Кричевский И.Е. Полиэтиленовые противофильтрационные экраны земляных хранилищ производственных сточных вод. // И.Е. Кричевский / тр. коорд. совещ. по гидротехнике / ВНИИГ им. Веденеева. Л.: Энергия, 1972. -Вып. 74.- С. 98-105.

63. Лукнер Л. Моделирование миграции подземных вод /Л. Лукнер, В.М. Шестаков. -М.: Недра, 1986. 407 с.

64. Лысенко В.П. Полиэтиленовый экран шламонакопителя Молдавской73