CC BY
29
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
УДК:622.271.333:626:550:372
Е.В. Костюков, С.М. Простов, С.П. Бахаева
ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ДАМБЕ ИЛОНАКОПИТЕЛЯ ОФ ЗАО "ЧЕРНИГОВЕЦ"
Г идротехнические сооружения являются неотъемлемым звеном в технологическом цикле добычи и обогащения полезных ископаемых. Наиболее пристальное внимание при эксплуатации ГТС уделяется водоподпорным (водоудерживающим) элементам - дамбам, плотинам, перемычкам.
В тело земляных плотин (дамб) допускается отсыпать практически любые местные грунты, поэтому в практике
строительства таких сооружений на горнодобывающих и перерабатывающих предпри-
ятиях широко используют вскрышные породы или отходы обогащения, зачастую даже без изучения фильтрационных
свойств этих грунтов. Это, в свою очередь, предопределяет развитие водопроводящих коллекторов и фильтрационных зон в массиве дамбы. Следует отметить, что возведение дамб из глинистых разновидностей
грунтов, обладающих крайне малым коэффициентом фильтрации, также не гарантирует отсутствия фильтрации через тело сооружения.
В большинстве случаев появление выходов воды на низовом откосе при грамотной организации регулярных наблюдений не приводит к нарушению нормального режима эксплуатации. Наряду с традиционными методами контроля фильтрационного режима тела дамбы (пье-
ленных по результатам исследований:
О1х1, О2х2, - профили ВЭЗ и ЭП; Озх3 - профиль визуальных наблюдений;
Скв. 1 и Скв. 2 - геологические скважины с установленными пьезометрами
20
40
60
80
100
120
АВ,м
5 1\) ¿Ъ 1 г \ Л \ - \ \ / V і зи Рк .им м 1 { >© 0 3
- / б-
/ / \
V 9-
( \ 1 > - ч - с © * 12 15
18
И. м
12
15
18 Ь. м
в
2,0
0,2 0,3 XV.
0,1 0.2 I,
20 40 С. кПа
40 ф, град
С Р
Рис. 2. Результаты ВЭЗ по профилю О1х1 на гребне дамбы (а), измерения уровня грунтовых вод по пьезометру (б) и изменение физико-механических параметров грунтов Ж, 1ь, р, С и р по глубине массива И на момент первого замера (в):
1 - сухой насыпной грунт (суглинок); 2 - влагонасыщенный насыпной грунт; 3 - основание (суглинок тяжелый); — — 30.07.03; ---------------------------— 17.10.03
зометры, мерные водосливы и т.д.) весьма перспективно применение геоэлектрического мониторинга.
Опытные наблюдения проводились на дамбе илонакопи-теля обогатительной фабрики ЗАО "Черниговец", имеющей следующие основные параметры: длина - 210 м; максимальная высота (в тальвеге лога) -17,0 м; ширина по гребню - 1015 м, в основании - 70-80 м; заложение низового откоса -1:2.
План и основное вертикальное сечение дамбы показано на рис. 1.
Комплекс экспериментальных исследований включал следующие методы:
- инженерно-геологические изыскания посредством колонкового бурения скважин, отбора монолитов грунта и определения их физико-механических параметров (объемная масса р, влажность Ж, консистенция 1Ь,
сцепление С, угол внутреннего трения р) (изыскания проведены силами ЗАО "Спецфунда-ментстрой");
- гидрогеологические на-
блюдения в пьезометрах, установленных в Скв. 1 (участок дамбы, имеющей максимальную высоту) и Скв. 2;
- геоэлектрический монито-
ринг состояния тела дамбы, включающий вертикальное
электрическое зондирование
(ВЭЗ) с центрами установок в точках О\ и О2, соответственно, на гребне и низовом откосе, электропрофилирование (ЭП)
по профилям Ох и О2х2 с фиксированными разносами, соответствующими расположению верней границы зоны влагона-сыщения;
- визуальные наблюдения границ зоны высачивания по профилю Озх3.
Комплексные наблюдения проводились на протяжении более 2,5 месяцев, причем за этот период времени уровень заполнения илонакопителя был увеличен на 5 м.
На рис. 2 представлены
графики ВЭЗ, динамика показаний пьезометра №1 и изменение основных физико-механических параметров массива насыпных грунтов по данным лабораторных исследований проб.
Результаты ВЭЗ (рис. 2а) показывают, что в соответствии с ранее обоснованной моделью, изложенной в статье [1], иссле-
(3 ) © Рк 30 , Ом-м ©
а ~ -25 20 15 —
Рис. 3. Результаты ЭП (АВ = 60 м) по профилю О1х1 (а), изменение глубины расположения верхней границы обводненной зоны НВ (б):
1 - сухой насыпной грунт; 2 - влагонасыщенный грунт; — - 30.07.03;----------------- 17.10.03
дуемый насыпной массив представляет собой 2-слойную среду, в которой четко выделяется слой 1 сухих грунтов и влагонасыщенный слой 2, при этом соотношение удельных электросопротивлений (УЭС) р > р. При разносах АВ > 100 м заметным становится влияние слоя 3 малопористых грунтов основания дамбы. При дополнительном заполнении илонакопителя произошло повышение уровня грунтовых вод в пьезометре (рис. 2б) и подъем более чем на 2 м верхней границы зоны слоя 2. В аномальном по электрическим свойствам слое 2 изменение эффективного УЭС рк достигало Арк = 9 Омм (до 30 % от среднего уровня). Сопоставление результатов ВЭЗ и наблюдений по пьезометрам позволили установить соотношение между глубиной зондирования и разносом АВ: и = 0,15 АВ.
Анализ изменения физикомеханических свойств по глубине И техногенного массива показывает (рис. 2в), что определяющим является действие двух основных факторов: уплотнения пород под действием статического давления объем-
ных гравитационных сил и вла-гонасыщения пор за счет фильтрации воды через тело дамбы. Первый фактор является причиной увеличения объемной массы пород р и сцепления С пропорционально глубине И, а также снижения консистенции 1Ь более чем в 5 раз. Второй фактор определяет увеличение влажности Ж и снижение угла внутреннего трения р на 50 %. Вагонасыщение грунтов не приводит к заметному снижению их прочностных свойств, поэтому расчет устойчивости подобного рода дамб следует вести с сохранением механических характеристик грунтов, но с учетом изменившейся гидрогеологической ситуации, в соответствии с методикой [2].
Измерения методом ЭП по профилю 01*1 проводили при разносе АВ = 60 м, соответствующем расположению верхней границы обводненной зоны. Результаты ЭП по гребню дамбы позволили проследить динамику развития гидродинамических процессов в данном продольном сечении и прогнозировать в соответствии с расчетными зависимостями, обосно-
ванными в статье [1], изменение глубины Не расположения верхней границы влагонасыщенной зоны от плоскости гребня (рис. 3).
Из графиков на рис. 3а следует, что обводненная зона в районе профиля О1х1 соответствует отрицательной аномалии УЭС на интервале х1 = -5 -+60 м. На момент второго замера (октябрь 2003 г.) зафиксировано снижение общего уровня УЭС и увеличение ширины обводненной зоны в плане в границах: х1 = -20 - +70 м.
Таким образом, зона водо-насыщения грунтов в теле дамбы характеризуется шириной Лхь которая увеличилась за период наблюдений с 65 до 84 м, при этом произошел подъем депрессионной кривой к поверхности гребня в среднем на величину ЛНВ = 2 м. В границах выявленной зоны прослеживаются два основных коллектора, приуроченные к минимальным значениям графиков рк(х) на отметках х1 = 15 и 45 м в средней части дамбы, т. е. смещение оси участка с наиболее интенсивной фильтрацией от тальвега лога составляет 37,5 м
б
Ь,м АВ,м
Рис. 4. Результаты ВЭЗ по профилю 02х2 на откосе дамбы (а), ЭП (АВ = 15 м)
и изменение глубины Ив (б)
(рис. 3, б).
Результаты ВЭЗ по профилю 02х2, намеченному по средней части низового откоса дамбы (рис. 4, а), показали, что граница зоны аномально низких значений УЭС (рк =
22,5-24 Ом-м) установилась на глубине и = 2,7 м (АВ = 15 м) и при последующей серии замеров практически не перемещалась.
Анализ графиков рк(х2) и результатов их обработки ИВ(х2) (рис. 4, б) показывает, что обводненная зона в данном продольном сечении тела дамбы соответствует отрицательной аномалии УЭС на интервале х2 = -10 - 25 м в первой серии измерений и х2 = -20 - 30 м во второй. Полученные результаты подтверждают выявленные тенденции к слиянию локальных коллекторов в общий и смещению линии максимального напора подземных вод относительно пьезометрического створа на величину Ах2 = 10-20 м.
Совмещение результатов гидрогеологических и геоэлек-трических исследований методом ЭП на плане (рис. 1, а) и методом ВЭЗ на вертикальном сечении (рис. 1, б) позволили получить объемную картину фильтрации через тело ограждающей дамбы. Форма и направленность выявленной водопроводящей зоны характерны для дамб балочного типа, поскольку основная фильтрация в низовой части откоса происходит в русле естественного рельефа по тальвегу лога. Уровень обводнения и площадь зоны водонасыщения техногенного массива дамбы увеличиваются пропорционально степени заполнения емкости илонакопите-ля.
Депрессионная кривая наиболее сильно подвержена колебаниям в верховой части дамбы (со стороны верхнего бьефа), в меньшей степени в ее средней части и на участке приближения фильтрационного потока к ни-
зовому откосу.
Поскольку визуальные наблюдения и расчет устойчивости дамбы показали на отсутствие существенных признаков нарушения ее технологического состояния, выявленные закономерности гидродинамических процессов характеризуют плановый режим эксплуатации дамб подобного типа.
Представленные результаты свидетельствуют о том, что гео-электрический мониторинг в техногенных массивах ГТС в комплексе с инженерногеологическими изысканиями и пьезометрическими наблюдениями является эффективным методом оперативного и детального прогноза гидродинамических процессов и геомеха-нического состояния дамб.
Работа выполнена при поддержке гранта Минобразования России А 03-2.13-12.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Простое С.М. Электрофизические свойства грунтовых массивов гидротехнических сооружений/ С.М. Простов, Е.В. Костюков, М.В. Гуцал// Статья в данном сборнике.
2. Костюков Е.В. Прогноз устойчивости ограждающих дамб гидротехнических сооружений Кузбасса на основе геоэлектрического контроля их состояния // Е.В. Костюков, С.М. Простов, С.П. Бахаева / Вестн. КузГТУ. - 2004. - №2.
□ Авторы статьи:
Костюков Евгений Владимирович
- аспирант каф. теоретической и геотехнической механики
Простов Сергей Михайлович
- докт. техн. наук, проф.каф.теоретической и геотехнической механики
Бахаева Светлана Петровна
- канд. техн. наук, зам. директора НФ "КУЗБАСС-НИИОГР"
