Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является исследование факторов предаварийного состояния эксплуатируемых шламохранилищ калийного производства Республики Беларусь для прогнозирования вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций и повышения безопасности за счет оценки влияния реологических свойств шлама.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
Разработать методику лабораторных исследований по оценке влияния реологических свойств шлама на процессы фильтрации и устойчивости дамб шламохранилищ калийного производства Республики Беларусь;
Провести экспериментальные исследования параметров (скорости и коэффициента фильтрации) движения фильтрационного потока с учетом реологических особенностей солевого шлама и определить оптимальную конструкцию дамб шламохранилищ калийного производства для снижения вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций на данном типе сооружений;
Оценить возможность использования уравнения скорости фильтрации воды для оценки параметров фильтрационного потока солевого шлама применительно к расчету дамб различной конструкции и определить по результатам лабораторных исследований значение поправочного коэффициента, учитывающего особенности фильтрации такого шлама, а также провести расчеты для увеличения достоверности прогноза возникновения чрезвычайных ситуаций на гидротехнических сооружениях шламохранилищ калийного производства Республики Беларусь;
По результатам проведенных лабораторных исследований, учитывающих особенности движения солевого шлама калийного производства, разработать расчетную методику оценки вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций на сооружениях шламохранилищ калийного производства Республики Беларусь, позволяющую определять предаварийные факторы, способствующие развитию чрезвычайных ситуаций на данном типе сооружений.
Научная новизна исследований
Впервые определен поправочный коэффициент для классического уравнения по расчету скорости фильтрационного потока для земляных дамб различного исполнения kпр = 0,590,86, учитывающий наличие в фильтрующейся жидкости поверхностно-активных веществ, что позволяет достаточно точно оценить причины и последствия возникновения чрезвычайных ситуаций на сооружениях шламохранилищ калийного производства Республики Беларусь.
Установлена новая эмпирическая зависимость коэффициентов фильтрации песчаных грунтов от содержания в шламе полиакриламида (эффект пристенного скольжения), и подтверждено в результате экспериментальных исследований и натурных испытаний превышение скорости фильтрации шлама по сравнению с водой в 1,2-1,4 раза, что позволило разработать расчетную методику по оценке вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций на сооружениях шламохранилищ калийного производства Республики Беларусь.
Разработаны оригинальные экспериментальные установки для лабораторных исследований движения фильтрационного потока на моделях грунтовых дамб различной конструкции, удельного фильтрационного расхода, коэффициента фильтрации грунта в теле земляной дамбы, отличающиеся тем, что позволяют оценить скорость фильтрации жидкости с учетом ее реологических свойств.
Предложена оптимальная конструкция ограждающих дамб шламохранилищ, обеспечивающая повышение их устойчивости с уменьшением вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций.
Установлены факторы, позволяющие диагностировать предаварийное состояние сооружений шламохранилищ калийного производства Республики Беларусь: возникновение местных эрозионных размывов грунта; увеличение интенсивности выноса частиц грунта за пределы низовых откосов дамб по мере увеличения градиента напора и расхода фильтрационного потока с деформациями ограждающих дамб.
Объектом исследования являются шламы и ограждающие грунтовые конструкции гидротехнических сооружений шламохранилищ калийного производства Республики Беларусь, а предметом исследования - расчетная методика оценки вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций на шламохранилищах калийного производства Республики Беларусь.
Положения, выносимые на защиту:
1. Впервые экспериментально установленные поправочные коэффициенты kпр, лежащие в диапазоне от 0,59 до 0,86, учитывающие эффект пристенного скольжения при фильтрации солевых шламов, позволившие достовернее прогнозировать возникновение чрезвычайных ситуаций на различных типах дамб (с ядром; с экраном; с ядром и экраном; с понуром; однородная дамба; с наружным дренажем) ограждающих сооружений шламохранилищ калийного производства Республики Беларусь.
2. Новая эмпирическая зависимость коэффициента фильтрации песчаных грунтов от содержания в солевом шламе полиакриламида в концентрации 0,17-0,90 мг/дм3 с учетом превышения скорости фильтрации шлама над скоростью фильтрации воды в 1,2-1,4 раза, подтверждённая в результате экспериментальных исследований и натурных обследований реальных объектов шламохранилищ.
3. Расчетная методика оценки вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций на ограждающих грунтовых сооружениях шламохранилищ калийного производства Республики Беларусь с разработкой дерева отказов, учитывающая диагностические факторы и позволяющая установить предаварийные состояния таких сооружений.
Личный вклад соискателя ученой степени. Положения, выносимые на защиту, и основные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично. Цель и задачи исследований сформулированы совместно с научным руководителем - доктором технических наук, профессором, профессором кафедры «Водоснабжение и водоотведение» БНТУ В.Е. Левкевичем, с которым также участвовали в натурных обследованиях шламохранилищ и их анализе. Совместно М.С. Кукшиновым, В.В. Кобяком, С.М. Пастуховым, В.В. Лахвичем, Г.И. Касперовым и В.А. Мильманом проведены лабораторные исследования по определению коэффициента фильтрации песчаных грунтов, итоги которых отражены в совместных публикациях.
Апробация диссертации и информация об использовании ее результатов. Основные результаты диссертационных исследований и обсуждены на следующих конференциях: VI, VIIIXII Международная научно-практическая конференция курсантов (студентов), слушателей магистратуры и адъюнктов (аспирантов) «Обеспечение безопасности жизнедеятельности: проблемы и перспективы» (Минск, Беларусь, 2012, 20142018); Международная научно-практическая конференция «Природные риски: анализ, оценка, картографирование» (Москва, Россия, 2013); II Международная научно-методическая конференция «Безопасность в строительстве» (Санкт-Петербург, Россия, 2014); X Международная научно-техническая конференция «Пожарная и аварийная безопасность» (Иваново, Россия, 2015).
Опубликованность результатов диссертации. Основные результаты диссертации опубликованы в 39 печатных работах, в том числе: 10 статьях, соответствующих пункту 18 Положения о присуждении ученых степеней и присвоении ученых званий в Республике Беларусь, общим объемом 5,9 авторского листа (из них без соавторов 1 статья), 29 тезисах докладов и материалов в сборниках научных трудов международных конференций и семинаров. Получено 2 патента на полезные модели.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, заключения, библиографического списка из 162 наименований, включая собственные публикации, 7 приложений, 41 рисунка и 15 таблиц.
Полный объем диссертации составляет 212 страницы. Объем, занимаемый иллюстрациями, таблицами, приложениями, составляет 98 страниц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе приведены анализ и оценка условий хранения шламов в США, Европе, странах СНГ и Республике Беларусь. Изложен анализ чрезвычайных ситуаций, произошедших в мире на шламохраниищах калийных производств, который показал, что наибольшее их количество связано с разрушением земляных дамб, а их основными причинами являются следующие: переполнение шламохранилища (31 %), фильтрация в теле дамб (плотин) (27 %), ошибки при эксплуатации (23 %).
В Республике Беларусь имеется более 30 шламохранилищ калийного производства, однако полномасштабные исследования в области оценки технического состояния этих гидротехнических сооружений с прогнозированием возможных чрезвычайных ситуаций не проводились. В нормативной и научной литературе недостаточное внимание уделяется вопросам безопасной эксплуатации именно сооружениям представленного типа, хотя они обладают рядом особенностей и представляют опасность для жизнедеятельности человека, поскольку жидкие шламы и технологическая вода содержат в своем составе не только соли, но и поверхностно-активные вещества (ПАВ). Эти примеси могут способствовать изменению скорости фильтрации и привести к более тяжелым экономическим и экологическим последствиям при возникновении гидродинамической аварии на сооружениях шламохранилищ калийного производства.
Исходя из имеющихся особенностей гидротехнических сооружений в виде шламохранилищ калийного производства, а также анализа аварий на них, можно сделать вывод, что посвященные им исследования весьма актуальны для предупреждения чрезвычайных ситуаций. Поэтому немаловажное значение имеет определение соотношения причин и факторов возникновения гидродинамических аварий, оценка их влияния на вероятность чрезвычайных ситуаций. В настоящее время отсутствует методика по оценке вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций на таких объектах в Республике Беларусь. В связи с этим требуется разработка такого рода расчетных методов, что позволит качественно и количественно оценивать состояния ограждающих дамб, а также прогнозировать вероятность возникновения на гидротехнических сооружениях шламохранилищ чрезвычайных ситуаций, определить им предшествующие основные диагностические факторы и предусмотреть компен-сирующие мероприятия для снижения вероятности возникновения гидродинамических аварий.
Во второй главе проведена оценка технического состояния гидротехнических сооружений шламохранилищ калийного производства Республики Беларусь, в частности низовых и верховых откосов ограждающих сооружений, а также определены факторы, способствующие разрушению незащищенных верховых и низовых откосов:
возникновение местных эрозионных размывов грунта на верховых откосах, имеющих малые (до 1,0 м) линейные деформации при суффозионном выносе частиц грунтов на низовых откосах - более 30 % обследованных водоемов;
рост интенсивности выноса частиц грунта по низовому откосу за пределы ограждающих конструкций по мере увеличения градиента напора - более 10 % обследованных водоемов;
увеличение расхода фильтрующей жидкости - около 3 % обследованных водоемов;
общая деформация (проседание) ограждающих конструкций - около 1,5 % обследованных водоемов.
Исходя из анализа аварий и натурных обследований шламохранилищ калийного производства Республики Беларусь сделано предположение, что основным фактором при возникновении на них чрезвычайных ситуаций является увеличение фильтрационной скорости потока жидкости. В связи с этим необходимо провести лабораторные исследования по определению влияния режима фильтрации шлама на устойчивость грунтовых ограждающих конструкций сооружений шламохранилищ калийного производства.
В результате изучения технологического процесса обогащения сильвинитовых руд на ОАО «Беларуськалий» было установлено, что обогащение происходит в водном растворе, насыщенном KCl и NaCl c добавлением поверхностно-активных веществ, способных влиять на реологические свойства жидкости, что будет способствовать интенсификации скорости фильтрации шлама.
Для определения основных параметров фильтрации шлама через различные грунты при оценке влияния процессов фильтрации на вероятность возникновения чрезвычайных ситуаций на сооружениях шламохранилищ калийного производства была создана оригинальная экспериментальная установка в виде фильтрационной колонны (рисунок 1) и разработана методика лабораторных исследований.
1 - вертикальная колонка прямоугольного сечения;
2 - кран регулирования фильтрационного расхода;
3 - металлическая решетка;
4 - дно экспериментальной установки;
a, b, c, d - пьезометры
Рисунок 1. - Экспериментальная установка фильтрационная колонна
гидродинамический авария шламохранилище
Разработанная методика регламентирует порядок проведения лабораторных исследований по определению коэффициента фильтрации песчаных грунтов при фильтрации шламов, содержащих соли и ПАВ.
Лабораторная установка, на полезную модель которой получен патент, предназначена для определения в разных образцах грунта коэффициента фильтрации шламов с учетом содержания в них поверхностно-активных веществ. Использование данной мобильной установки позволило повысить точность определения потерь напора за счет увеличения количества пьезометров; предотвратить вымывание из грунта мелкой фракции (мелкозема) за счет отсыпки гравия в нижней части колонны; визуализировать процесс фильтрации через прозрачную стенку колонны из оргстекла; использовать ее в полевых условиях.
Для проведения лабораторных исследований по определению коэффициента фильтрации в лабораторных условиях отбирались представительные (характерные) образцы грунта и шлама на исследуемых шламохранилищах калийного производства и определялся гранулометрический состав грунтов в зависимости от весового содержания в нем водостойких микроагрегатов различной крупности, выраженных в процентах по отношению к весу взятой для анализа сухой пробы грунта. В результате выполненных исследований было установлено, что в условиях шламохранилищ Республики Беларусь характерен грунт в виде песка средней крупности с коэффициентом неоднородности з=1,96-2,18. Точность измерений с помощью лабораторных весов составляет 0,01 г.
С целью оценки влияния температуры на процессы фильтрации были проведены исследования вязкости образцов шлама в зависимости от изменения температуры (5 35°C). Для сравнения и оценки результатов измерялась также вязкость воды в данном диапазоне температур, в результате чего выявили, что кинематическая вязкость шлама больше чем у воды на 30 ? 35%.