Автореферат: Прогнозирование возникновения чрезвычайных ситуаций на грунтовых подпорных сооружениях шламохранилищ Республики Беларусь

Затем были проведены три серии однотипных опытов с песчаными грунтами и тремя различными жидкостями: вода, шлам, вода с ПАВ. В качестве ПАВ использовали полиакриламид, применяемый при производстве калийных удобрений (таблица 1).

Таблица 1 - Результаты эксперимента по определению средней скорости фильтрации жидкостей в песках

В результате выполненных исследований по определению скорости фильтрации жидкого шлама обнаружен эффект пристенного скольжения. Возникновение данного эффекта способствует увеличению скорости фильтрации шлама в сравнении с водой в 1,2 1,4 раза, хотя кинематическая вязкость шлама больше чем у воды на 30 35%. Данное явление способствует интенсивному выносу грунта из тела дамбы и увеличивает вероятность достижения откосом сооружения критических градиентов фильтрации, что может вызвать его разрушение, а также привести к возникновению чрезвычайной ситуации. Определена зависимость скорости фильтрации от коэффициента неоднородности грунта: чем выше однородность грунта, тем меньше скорость фильтрации. Установлена зависимость скорости и коэффициента фильтрации шлама от концентрации поверхностно-активных веществ: скорость фильтрации для проб шлама с содержанием поверхностно-активных веществ в концентрации 0,17 мг/дм3 меньше скорости фильтрации для проб шлама с содержанием поверхностно-активных веществ в концентрации 0,9 мг/дм3 в среднем в 1,9 раза. Экспериментально установлено, что скорость фильтрации шлама через песок средней группы крупности приближается к критическим значениям предела размываемости (V = 0,05 см/с).

В третьей главе с целью определения параметров движения фильтрационного потока, коэффициента фильтрации грунта тела дамбы при фильтрации шлама с учетом возникновения эффекта пристенного скольжения и использования полученных данных при определении критической скорости фильтрации и предаварийного режима эксплуатации тестовых шламохранилищ ОАО «Беларуськалий» разработана методика лабораторных исследований и экспериментальная установка фильтрационный лоток. Эта методика определяет порядок проведения исследований по изучению водопроницаемости и суффозионной устойчивости песчаных грунтов, применяемых при строительстве ограждающих грунтовых дамб шламохранилищ калийного производства.

Экспериментальная установка представляет собой лоток оригинальной конструкции размером 2,9Ч1,2Ч0,85 м, разделенный на 6 секций герметичными перегородками, которые препятствуют гидравлическому сообщению секций. Водоупором для моделей являлось днище лотка. В лотке единовременно устанавливались 6 моделей земляных дамб наиболее распространенных конструкций: с ядром; с ядром и экраном; однородная земляная плотина; с наружным дренажем; с экраном; с понуром. Каждая модель имела следующие размеры: высота - 0,4 м; ширина по гребню - 0,25 м; заложение низового откоса - 1:2, верхового откоса - 1:3 (масштаб 1:250). Низовой откос дамбы поочередно устраивался с низовой призмой, без низовой призмы и с дренажным каналом. Для измерения уровня воды (шлама) в теле моделей дамб устанавливали трубчатые пьезометры (5 шт. по каждой модели), выведенные на общий щиток, которые обеспечивали точность измерения уровней воды и шлама в 0,5 мм. Для сброса и измерения профильтровавшейся через нижний бьеф воды (шлама) стенка лотка у дна имела отверстие с водоотводящей трубкой.

Данная установка позволяла моделировать земляные дамбы в масштабах от 1:15 до 1:1000 за счет перемещения внутренних герметичных перегородок, поддерживать различные уровни воды в нижнем бьефе за счет регулирования пропускной способности сливной воронки, изменять конфигурацию размещения пьезометров. При этом все шесть моделей дамб одновременно можно испытывать в лаборатории с жидкими шламами.

1 - поперечный разрез;

2 - план размещения пьезометров;

а - корпус лотка;

б - внутренние перегородки;

в (1, 2, 3, 4) - пьезометры;

г - трубка для поддержания постоянного уровня в верхнем бьефе;

д - сливная воронка

Рисунок 2. - Схема экспериментальной установки фильтрационного лотка

В лабораторных условиях было проведено 10 серий экспериментов с двумя типами жидкостей: водой и шламом, пробы которого отбирали из шламохранилищ второго рудоуправления ОАО «Беларуськалий» в количестве 3000 л.

Опыты на каждой модели с фиксацией всех элементов фильтрационного потока проводили при различных уровнях верхнего бьефа: 0,324 м; 0,284; 0,244; 0,204; 0,164 м. Погрешность измерения уровней - 0,5 мм.

При анализе полученных результатов сравнивались кривые депрессии фильтрую-щих через тело дамбы воды и шлама с указанными разными уровнями их напора в верхнем бьефе. Такие кривые депрессии для однородной дамбы с противофильтра-ционной защитой представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. - Кривые депрессии для однородной дамбы с низовой призмой

Проведенные исследования показали, что при небольших напорах в верхнем бьефе шламонакопителя положения кривых депрессии воды и шлама отличаются примерно на 15 %. Однако, с возрастанием напоров (до 10 метров и более) в верхнем бьефе за счет изменения положения кривой депрессии увеличиваются коэффициенты фильтрации у всех моделей земляных дамб при любом типе противофильтрационной защиты. Это подтверждает возникновение эффекта пристенного скольжения шлама.

Помимо этого, для каждой модели земляной дамбы путем фиксации нарушения ламинарного режима фильтрации шлама из тела модели дамбы и факта выноса грунта на низовом откосе были определены ее критические скорости (таблица 2).

Таблица 2 - Критическая скорость фильтрации для дамб различного типа

Посредством анализа этих критических скоростей фильтрации установлено, что оптимальными для шламохранилищ являются земляные дамбы с ядром или с экраном, поскольку они наиболее устойчивы к процессам фильтрации (значения критической скорости находятся в диапазоне 1,57-1,93 см/мин), а также менее сложны и более технологичны при возведении.

В ходе дальнейших исследований оценивали влияние сезонности (зима, весна, лето, осень) на коэффициенты фильтрации жидкостей (воды и шлама) в грунтах ограждающих дамб шламохранилищ калийного производства, что предназначено для уточнения прогнозных расчетов возникновения чрезвычайных ситуаций на таких сооружениях. Основные шламохранилища калийного производства сосредоточены в Солигорском промышленном районе, поэтому при исследованиях использовали данные по средней месячной температуре воздуха, почвы, воды, глубине промерзания почвы в области размещения сооружений.

В результате проведенных исследований установлено, что изменение коэффициента фильтрации шлама по сезонам года не превышает 20?30% с учетом особенностей состава шлама и технологического процесса на шламохранилищах калийного производства. Поскольку отбор отстоявшегося шлама в объеме до 30 м3 с обогатительной фабрики и подача его в сооружения осуществляют 1 раз в 2-3 дня, температура его жидкой фазы в зимнее время выше чем в водоемах данной местности, причем является стабильной в течение года. Глубина промерзания грунта на сооружениях шламохранилищ на 0,1-0,15 м меньше глубины промерзания почв для данной местности в связи с накоплением солей (рисунок 4).

Рисунок 4. - Зависимость коэффициента фильтрации шлама от сезона

Для оценки влияния на процессы фильтрации растворов солей, интенсивности их проникновения и распределения в теле дамб была проведена отдельная серия экспериментов. При анализе проб шламов, отобранных на моделях, были получены данные по химическому содержанию различных элементов в пробах (Na, Mg, K, Ca), позволяющие оценить влияние изменения проницаемости грунта моделей земляных дамб. В лабораторных опытах пробы грунта отбирали из тел моделей дамб в разных точках. Всего было отобрано 24 пробы грунта (по 4 в каждой модели дамбы) и подготовлено 24 водных вытяжки для определения в них с помощью спектрометра OffiteРРТ содержания ионов металлов Na, Mg, K, Ca. Повторность опытов - 5-кратная, относительная погрешность измерений составила 10 %.

Такие исследования показали, что при фильтрации шлама через грунт дамбы происходит накопление солей щелочных и щелочноземельных металлов и ПАВ в грунте. При этом наибольшей адсорбцией в грунте характеризуются ионы Na, а не К, Са. Накопление ПАВ в несвязных грунтах дамбы способствует увеличению скорости фильтрационного потока с достижением критических градиентов напора и приводит к росту вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций на земляных дамбах шламохранилищ калийного производства.

В четвертой главе приведена оценка устойчивости подпорных сооружений шламохранилищ с учетом анализа данных пятилетних режимных наблюдений, полученных в течении пяти лет, за процессом фильтрации на тестовых объектах шламохранилищах. Тестовые шламохранилища второго рудоуправления на базе карьера «Чепели» расположены в 2 км восточнее промплощадки. Оно введено в эксплуатацию в 1997 г. и отнесено к IV классу капитальности. В шламохранилище «Чепели» складирует шламы второе рудоуправление ОАО «Беларуськалий», состав которых образуют соли NaCl, KCl. Содержание данных элементов достигает 200-250 г/л.

Проводилось сравнение экспериментально полученных данных о положении кривой депрессии при фильтрации шлама через тело дамб с различным конструктивным исполнением, с данными пьезометрического контроля в ограждающих конструкциях шламохранилищ второго рудоуправления ОАО «Беларуськалий», на основании которых было определено положение кривой депрессии в этих сооружениях. В связи с тем, что при устройстве ограждающих конструкций гидротехнических сооружений ОАО «Беларуськалий» используются дамбы однородные или с экраном, дальнейший анализ и сравнение проводился только по этим типам дамб. Проводился расчет кривой депрессии по методике Н.Н. Кожевникова* (формула (1)).

Ординаты депрессионной кривой находятся из следующего уравнения:

y = [H2 - (2q/k)x]0,5, (1)

где H напор в верхнем бьефе плотины, м;

k коэффициент фильтрации грунта плотины м/ч;

q фильтрационный расход на 1 м длины плотины м3/ч.

В результате исследований были определены положения кривой депрессии при фильтрации шлама через земляные дамбы различных конструкций и установлено, что экспериментальная модель фильтрации шлама через однородные земляные дамбы и дамбы с экраном соответствует фильтрации шлама на объектах шламохранилищ ОАО «Беларуськалий» с погрешностью 11%, т. е. результаты моделирования подтверждают данные натурных режимных наблюдений.

По результатам обработки экспериментальных данных определены координаты депрессионных кривых для земляных дамб в пяти точках для каждой модели при фильтрации воды и шлама, а затем выполнено их сравнение путем соотнесения координат точки y1 для кривой депрессии при фильтрации воды и y2 для кривой депрессии при фильтрации шлама. В результате определены поправочные коэффициенты kпр (таблица 3) кривых депрессий воды и шлама как среднее значение величин (формула (2)):

(2)

где yi1 и yi2 уровень воды и шлама в i том пьезометре.

Таблица 3 - Поправочные коэффициенты (kпр) для различных моделей земляных дамб

С учетом полученных поправочных коэффициентов была предложена методика определения положения кривой депрессии в ограждающих конструкциях гидротехнических сооружений шламохранилищ с учетом наличия в жидкости поверхностно-активных веществ. За основу принят метод Н.Н Кожевникова. Модифицировав формулу (1), определили координаты депрессионной кривой с учетом эффекта пристенного скольжения (формула (3)).