КЫРГЫЗСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. И.РАЗЗАКОВА
ИНСТИТУТ ГЕОМЕХАНИКИ И ОСВОЕНИЯ НЕДР
НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ
Автореферат диссертации
на соискание ученой степени кандидата технических наук
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НЕОДНОРОДНОГО ОСНОВАНИЯ НА СЕЙСМИЧЕСКУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ ДАМБЫ ХВОСТОХРАНИЛИЩА РУДНИКА КУМТОР НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Специальности: 01.02.04 - «Механика деформируемого твердого тела» и 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»
Чукин Руслан Бектурович
Бишкек 2019
Работа выполнена на кафедре Прикладной математики и информатики КГТУ им. И.Раззакова, и в лаборатории Прогнозирования природно-техногенных катастроф ИГиОН НАН КР, г. Бишкек
Научные руководители:
Джаманбаев Мураталы Кожогулов Камчыбек
Джузумалиевич Чонмурунович
д.ф.-м.н., профессор, д.т.н., профессор, чл.- ректор КГТУ им. И. Раззакова корр. НАН КР, директор ИГиОН Нан КР
Официальные оппоненты:
Баймахан Рысбек Баймаханович, доктор технических наук, профессор заведующий лабораторией «Математическое моделирование геомеханических процессов» НИИ НАН РК «Механика и машиноведение» им. акад. У.А. Джолдасбекова (Казахстан).
Абдылдаев Эркинбек Кыянович доктор технических наук, профессор кафедры «Технологии и экологии» АО «Университет НАРХОЗ» (Казахстан)
Ведущая организация:
Ошский технологический университет имени академика М.М.Адышева, 723503, Кыргызская Республика, г.Ош, ул. Н. Исанова, 81
Защита состоится « 15 » марта 2019 года в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д.01.17.556 при Кыргызском Государственном Техническом Университете им. И. Раззакова и КРСУ им. Б. Ельцина по адресу: 720044, г. Бишкек, ул. проспект Чингиза Айтматова, 66, в конференц. зале КГТУ им. И. Раззакова (ауд.1/314).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеках КГТУ им. И. Раззакова по адресу: 720044, Кыргызская Республика, г. Бишкек, проспект Ч. Айтматова 66, www.kstu.kg и КРСУ им. Б. Ельцина по адресу: 720000, Кыргызская Республика, г. Бишкек, ул. Киевская, 44, www.krsu.edu.kg
Автореферат разослан « » 2019 года.
Ученый секретарь Диссертационного совета, к.ф-м.н., доцент Доталиева Ж.Ж.
Резюме
Диссертации Чукина Руслана Бектуровича на тему: «Оценка влияния неоднородного основания на сейсмическую устойчивость дамбы хвостохранилища рудника Кумтор на основе численного моделирования» на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальностям 01.02.04 - механика деформируемого твердого тела, 25.00.20 - геомеханика, разрушение горных пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика
Ключевые слова: акселерограмма, частота, импульс, скорость горизонтальных смещений, колебание, численное моделирование, динамическая нагрузка, сейсмический эффект, слоистое грунтовое основание, отражение волн, грунтовая дамба хвостохранилища, пластическая деформация сдвига, устойчивость.
Объектом исследования диссертации является процесс прохождения сейсмической волны через слоистое грунтовое основание.
Предметом исследования является изучение изменения основных характеристик сейсмической волны, таких как пиковое ускорение, частота и продолжительность колебаний при ее прохождении через неоднородное слоистое грунтовое основание с помощью численного моделирования.
Целью диссертации является установление влияния местных грунтовых условий на сейсмическую устойчивость дамб хвостохранилищ, возведенных на слоистом основании в сейсмоактивных зонах.
Методы исследования: в диссертационной работе использовались философские, общенаучные, теоретические, специальные (численное моделирование, матрица планирования эксперимента, многофакторный анализ), особое значение среди методов исследования в диссертационной работе имеет эксперимент.
Научная новизна исследования: разработан новый подход исследования влияния местных грунтовых условий на изменение характера колебаний поверхности основания от прохождения сейсмической волны на основе численного моделирования; выявлен «эффект ловушки» увеличивающий время сейсмического воздействия и изменяющий частоту колебаний; разработана методика проведения многофакторного анализа, для оценки особенностей геологического строения основания на сейсмический эффект; разработана методика проведения численного анализа сейсмической устойчивости грунтовых дамб хвостохранилищ, на основе учета инженерно-геологической информации и подбора разночастотных акселерограмм.
Область применения: научные положения, полученные результаты и разработанные методики имеют практическое и теоретическое значение, и могут служить для дальнейших исследований в данной области науки на общетеоретическом и практическом инженерном уровнях, сформулированные выводы и предложения могут быть использованы в нормативной документации и проектной деятельности.
сейсмический землетрясение акселерограмма грунтовой
Summary
Dissertation of Chukin Ruslan Bekturovich on the topic: “Assessment of influence of a heterogeneous foundation on the seismic stability of the Kumtor mine tailings dam based on numerical modelling” for the degree of candidate of technical sciences in specialties 01.02.04 - mechanics of deformable solid material, 25.00.20 - geomechanics, destruction of rocks by explosion, mining aerogasdynamics and rocks thermophysics
Key words: accelerogram, frequency, impulse, horizontal displacement velocity, motion, numerical simulation, dynamic loading, seismic effect, layered soil foundation, wave reflection, embankment tailings dam, plastic shear strain, stability.
The object of the research is the process of seismic wave propagation through a layered soil foundation.
The subject of the research is the study of changes in the basic characteristics of a seismic wave, such as peak acceleration, frequency and duration of motion as it passes through a no uniform layered soil foundation using numerical simulations.
The goal of the research is to establish the influence of local soil conditions on the seismic stability of tailings dams built on a layered foundation in seismic active zones.
Research methods: in the research philosophical, general scientific, theoretical, special (numerical modelling, experiment planning matrix, multifactor analysis) were used, experiment has particular importance among the research methods in the dissertation.
Scientific novelty of the research: a new approach has been developed to study the influence of local soil conditions on the changing of character of ground surface motion due to the propagation of seismic wave based on numerical modelling; revealed a “trap effect” that increase the seismic impact duration and changes the motion frequency; a method for conducting multivariate analysis has been developed to assess the characteristics of the geological structure of the foundation on the seismic effect; a technique has been developed to conduct a numerical analysis of the seismic stability of embankment tailings dams, based on engineering geological data and the selection of accelerograms with different frequencies.
Scope: scientific statements, the obtained results and the developed methodologies have practical and theoretical significance, and can serve for further research in this field of science at the general theoretical and practical engineering levels, and the formulated conclusions and suggestions can be used in regulatory documentation and project and design activities.
1. Общая характеристика работы
Актуальность темы диссертации. Развитие горнодобывающей промышленности является важной составляющей экономического развития Кыргызской Республики. Как правило, при разработке полезных ископаемых необходимо строительство хранилищ жидких отходов в состав, которых входят ограждающие сооружения - грунтовые дамбы. Грунтовые дамбы хвостохранилищ в настоящее время являются основным типом подпорных сооружений, проектируемых и возводимых в районах высокой сейсмической активности. В результате сейсмического воздействия возможна потеря устойчивости грунтовой дамбы и как следствие, развитие гидродинамической аварии, сопровождаемой волной прорыва и выносом промышленных отходов за пределы территории хвостохранилища. Как показала практика, гидродинамическая авария носит катастрофический характер, т.к. способна привести к человеческим жертвам, а также значительным экономическим и долговременным трудно восстанавливаемым экологическим последствиям. Одним из важнейших факторов, влияющих на сейсмическую устойчивость, дамб хвостохранилищ является грунтовые условия и рельеф площадки строительства. Местные грунтовые условия способны оказать существенное влияние на параметры сейсмических колебаний дневной поверхности. Влияние местных грунтовых условий на сейсмическую устойчивость грунтовых дамб хвостохранилищ, и разработка рекомендаций для их проектирования является актуальной и важной научно-исследовательской задачей.
Связь темы диссертации с основными научно-исследовательскими работами. Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР ИгиОН НАН Кыргызской Республики по проектам: 1. «Разработка методов оценки, прогноза и мониторинга опасных природно-техногенных процессов при освоении горных территорий Кыргызстана», раздел «Оценка устойчивости дамб хвостохранилищ и бортов карьеров в горных регионах на основе численного моделирования» (№ гос. Регистрации 0005623, 2009-2011 г.г.); 2.: «Обеспечение устойчивости геотехнических объектов и прогнозирование геоэкологических рисков на территории Кыргызской Республики», раздел «Вероятностные методы оценки надежности геотехнических объектов» (№ гос. Регистрации 0006582, 2012-2014 г.г.).
Целью диссертационной работы является установление влияния местных грунтовых условий на сейсмическую устойчивость дамб хвостохранилищ, возведенных на слоистом основании в сейсмоактивных зонах.
Для реализации поставленной цели в диссертационной работе определены следующие основные задачи:
1. Анализ теоретических и методологических основ оценки сейсмической устойчивости грунтовых дамб;
2. Исследования влияния местных грунтовых условий на изменение характера колебаний (пиковое ускорение, частотные составляющие и продолжительность) при сейсмическом воздействии с помощью численных экспериментов;
3. Выбор, подготовка и исследование акселерограмм землетрясений для численного моделирования напряженно-деформированного состояния слоистого основания при сейсмическом воздействии;
4. Численное моделирование и оценка сейсмической устойчивости дамбы хвостохранилища ЗИФ рудника Кумтор в условиях неоднородного слоистого основания при воздействии разночастотных акселерограмм;
5. Анализ полученных результатов и разработка рекомендаций, направленных на повышение сейсмической устойчивости грунтовых дамб хвостохранилищ на слоистом основании.
Научная новизна работы состоит в следующем: (по специальности 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика».)
1. Выявлена специфика процесса распространения сейсмической волны в неоднородной среде, заключающаяся в изменении частоты колебаний и увеличении их продолжительности в результате эффекта «ловушки», возникающего из-за отражения сейсмических волн от границ раздела двух различных грунтов.
2. Выявлено, что более неблагоприятной с точки зрения сейсмической устойчивости дамбы хвостохранилища ЗИФ рудника Кумтор является акселерограмма с низкочастотным энергетическим спектром, т.к. приводит к наибольшим колебаниям поверхности основания. (по специальности 01.02.04 - «Механика деформируемого твердого тела».)
3. Предложена классификация акселерограмм по доминантным частотам энергетических спектров ускорений, т.к. частота амплитудных максимумов энергетических спектров ускорений чаще всего не превышает 10-15 Гц, предложено разделить частоты энергетических спектров на три диапазона: 1 - 3 Гц, 3 - 6 Гц, 6 и выше Гц.
4. Создана численная модель грунтовой колонны, состоящая из различных слоев для проведения экспериментов, по прохождению импульса поперечной сейсмической волны. Данная модель позволяет анализировать процесс прохождения поперечной сейсмической волны в неоднородной среде.
5. Разработана методика проведения численного анализа сейсмической устойчивости дамб хвостохранилищ, возведенных на слоистом основании, заключающаяся в поэтапном моделировании в начале скального основания с последующей заменой на реальное слоистое основание, с применением разно частотных записей акселерограмм
Практическая значимость полученных результатов. Результаты диссертационной работы использованы в трех проектах по наращивания дамбы ЗИФ рудника Кумтор на 2011- 2012 г.г, 2013-2014 г.г, 2015-2016 г.г. в разделе сейсмическая устойчивость дамбы. Все проектные решения внедрены в практику. Документы, подтверждающие практическое использование и акты внедрения имеются.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту: (по специальности 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика».)
1. Скорости горизонтальных смещений и продолжительность колебаний поверхности слоистого грунтового основания при прохождении поперечной сейсмической волны закономерно увеличиваются в результате того, что сейсмическая волна отражается от границ раздела слоев грунта и остается в слое, становясь источником колебаний (эффект «ловушки»).
2. Установлены закономерности изменения характеристик сейсмических колебаний поверхности из-за местных грунтовых условий, которые необходимо учитывать на стадии проектирования с целью обеспечения устойчивости дамбы при наихудших условиях динамической нагрузки. (по специальности 01.02.04 - «Механика деформируемого твердого тела».)
3. Численное моделирование методом конечных разностей (FLAC) на основе математической модели волновых процессов в слоистой грунтовой колонне с приложением импульса касательных напряжений в ее основании и использование аппарата статистического анализа с выполнением вычислительных экспериментов позволяет провести микросейсмическое районирование c установлением наиболее важных факторов, влияющих на сейсмическую нагрузку, передаваемую на поверхность.