CC BY
41
DOI: 10.25702/KSC.2307-5228.2019.11.2.69-74 УДК 621.311.21:621.43(470.21)
ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ НАСЫПНОГО ГРУНТОВОГО СООРУЖЕНИЯ ПРИ ОБРАЗОВАНИИ В ЕГО ТЕЛЕ ЗОНЫ ПОВЫШЕННОЙ ФИЛЬТРАЦИИ
Н. А. Калашник
ФГБУН Горный институт КНЦ РАН, Апатиты
Аннотация
Рассмотрены особенности насыпных грунтовых сооружений гидроэнергетики и горных предприятий Мурманской обл. На основе анализа мирового опыта эксплуатации таких сооружений выявлены специфические особенности снижения их надежности, заключающиеся в формировании в теле сооружения скрытых зон неоднородностей и разжижения грунтов с их последующим развитием в зоны повышенной фильтрации. Многочисленными георадарными и сейсмотомографическими определениями на насыпных гидротехнических сооружениях неоднократно выявлялись в теле ограждающих сооружений скрытые зоны неоднородностей и повышенной фильтрации. В данной работе, чтобы исследовать состояние и дать оценку надежности насыпного грунтового сооружения, в программном комплексе PLAXIS была разработана компьютерная гидрогеомеханическая 3D-модель. В модели, исходя из данных натурных наблюдений, для грунтов исследуемого сооружения задавался упругопластический механизм их деформирования.
В качестве изменяющихся влияющих параметров были приняты: уровни воды (минимальный, средний, максимальный/паводковый) в верхнем бьефе; сцепление и угол внутреннего трения грунтов (в тенденции уменьшения значений при разжижении грунтов); размеры формирующейся зоны (минимальная 10x6x3,5 м, средняя 15x8x4 м, максимальная 20x10x5 м) повышенной фильтрации; скорость фильтрации воды (в тенденции возрастания) в зоне. Выполнено многовариантное параметрическое моделирование исследуемого сооружения, на основании результатов которого установлены особенности влияния геометрических и гидродинамических характеристик зоны повышенной фильтрации (с учетом значительной изменяемости основных деформационных свойств грунтов в контурах зоны) на надежность сооружения. Выявлены модельные зависимости надежности насыпного грунтового сооружения от параметров сцепления и угла внутреннего трения разжижаемых грунтов при различной степени фильтрационных процессов. Установлены граничные значения сцепления и угла внутреннего трения грунтов в зоне повышенной фильтрации, при которых надежность сооружения для рассматриваемых условий не обеспечивается. Ключевые слова:
компьютерное моделирование, гидрогеомеханическая 3D-модель, насыпное грунтовое сооружение, зона фильтрации, надежность.
ASSESSMENT OF RELIABILITY OF A BULK SOIL DAM
DURING FORMATION OF AN INCREASED FILTRATION ZONE IN ITS BODY
Nadezhda A. Kalashnik
Mining Institute of KSC RAS, Apatity, Russia
Abstract
Features of bulk soil constructions of hydropower and the mining enterprises of Murmansk region are considered. Based on the analysis of international experience of operation of such constructions, the specific features of decrease in their reliability consisting in formation in a body of a construction of the hidden zones of inhomogeneities and colliquations of soils with their subsequent development in the zones of the increased filtration, are revealed. Numerous georadar and seismotomographic measurements have repeatedly demonstrated the hidden zones of inhomogeneities and increased filtration in the body of the protecting constructions of the bulk hydraulic engineering constructions. We have developed the computer 3D hydrogeomechanical model to study the state and assess the reliability of bulk soil construction using PLAXIS program complex. The model, based on field observations, set the
elasto-plastic deformation mechanism for the studied construction soils. The varying influencing parameters were: water levels (minimum, average, maximal/flood) of the top canal pound, coupling and angle of internal friction of soil (the values decrease when soils liquefy), dimensions of the forming zone (minimum 10x6x3,5 m, average 15x8x4 m, maximum 20x10x5 m) of the increased filtration, water filtration rate (increasing trend) in the zone. We carried out the multiple parametrical model operation of the studied construction and revealed the features of influence of the geometrical and hydrodynamic characteristics of the increased filtration zone on construction reliability, with regard to the significant variability of the main deformation properties of soils in the contours of the zone. Model dependences of bulk soil construction reliability on parameters of coupling and angle of internal friction of liquefied soils in different filtration processes. We determined the boundary values of coupling and angle of internal friction of soils in the high filtration zone when the considered conditions showed the unreliability of the construction.
Keywords:
computer modeling, hydro geomechanical 3D model, bulk soil dam, filtration zone, reliability. Введение
Гидротехнические сооружения (ГТС) Мурманской обл. представляют собой насыпные грунтовые плотины гидроэлектростанций (ГЭС) почти на всех основных реках, а также ограждающие дамбы хвостохранилищ горных предприятий региона [1]. Согласно законодательно-нормативным документам и правилам [2, 3], эксплуатация таких сооружений должна выполняться по требованиям, предъявляемым к ответственным и опасным объектам. Снижение механической и фильтрационной устойчивости ограждающих насыпных сооружений — плотин и дамб приведет к частичной или полной потере их функционального назначения. Дальнейшее развитие неконтролируемых фильтрационно-деформационных процессов может привести к возникновению чрезвычайной ситуации и даже к аварии с вытекающими отсюда социально-экономическими последствиями: ущерб окружающим природно-техническим системам, повреждение зданий и механизмов и т. п.; убытки вследствие остановки основного производства; затраты на локализацию мест разрушения, восстановительные работы, возмещение принесенного вреда и ущерба [4-6].
В мировой практике эксплуатации насыпных грунтовых сооружений известны случаи потери их механической прочности и фильтрационной устойчивости, в результате чего произошли аварии на плотинах ГЭС (Киселевская (Россия), Фонтенель (США), Боулдерхэд (Англия) и др. [4, 5, 7]). На основе анализа этих аварий [7-9] выявлено, что их основной причиной является образование в теле ограждающего сооружения локального фильтрационного канала, который в последующем развивается в зону повышенной фильтрации, вызывающую необратимые фильтрационно-деформационные процессы. В конечном результате происходит интенсивный размыв нижнего откоса, образование прорана или полное разрушение ограждающего сооружения на данном участке. Поэтому исследование надежности насыпного грунтового сооружения при образовании в его теле зоны повышенной фильтрации в целях минимизации рисков аварий и чрезвычайных ситуаций является актуальной задачей, имеющей важное научное и практическое значение.
Экспериментальные исследования
Горным институтом КНЦ РАН ранее были выполнены комплексные георадарные и сейсмотомографические исследования насыпной грунтовой плотины каскада Нивских ГЭС на р. Пиренга и ограждающих дамб хвостохранилищ основных горнодобывающих предприятий Мурманской обл. в целях оценки их состояния, уточнения внутренней структуры, положения депрессионной поверхности фильтрующихся вод и рельефа подстилающего породного основания [10, 11]. В работе [10] дано детальное описание основных технических характеристик, свойств грунтов и геометрических размеров плотины. Георадарные и сейсмотомографические исследования выполнялись синхронно по гребню и низовому откосу плотины, при этом
Оценка надежности насыпного грунтового сооружения при образовании в его теле зоны.
подпочвенное зондирование достигало 15-20 м, с разрешающей способностью 0,2-0,5 м. По данным зондирования были уточнены структура плотины, контур подстилающего моренного основания, старое русло реки, определена и трассирована депрессионная поверхность грунтовых вод в теле плотины, а также выявлены скрытые локальные зоны неоднородности. При исследовании ограждающих дамб хвостохранилищ также были выявлены скрытые зоны повышенного водонасыщения, их горизонтальные размеры составляли 10-20 м, вертикальные — 3-5 м [7, 8].
Гидрогеомеханическая 3D-модель
Для выявления особенностей влияния формирующейся зоны повышенной фильтрации на надежность насыпного грунтового сооружения была разработана его компьютерная гидрогеомеханическая 3D-модель, отражающая разные уровни воды на верховом откосе, геометрические размеры сооружения и свойства слагающих его грунтов, геологические слои подстилающего основания (рис. 1, а). Ширина сооружения была принятой примерно 100 м, высота — около 20 м.
Для имитации образования зоны повышенной фильтрации в модели задавался поперечный — на всю ширину сооружения — трапецеидальной формы канал высотой 3,5 м, нижний размер которого составлял 10 м, верхний — 6 м (далее — минимальная фильтрация 10x6x3,5), с последующим его полуторным (средняя фильтрация 15х8х4) и практически двукратным увеличением (максимальная фильтрация 20х10х5) (рис. 1, б). Следует отметить, что канал пересекал сооружение по нормали на нижней границе сооружения с геологическим основанием, при этом его вертикальный размер во всех рассмотренных вариантах не превышал 1/4 высоты сооружения.
а б
Рис. 1. Компьютерная 3D-модель фрагмента насыпного грунтового сооружения: а — геологическое строение и свойства грунтов; б — формирование зоны повышенной фильтрации
Fig. 1. Computer 3D model of a fragment of a soil bulk dam: a — geological structure and properties of soils; б — formation of high filtration zone
Выполнено многовариантное компьютерное моделирование гидрогеомеханического состояния с учетом уровня воды на верховом откосе (минимальный, средний, максимальный) и влияющих внешних и внутренних факторов. Внешними факторами являлись уровни воды на момент экспериментальных георадарных исследований, а также среднего и максимального его поднятия. В качестве внутренних влияющих факторов были исследованы изменения значений сцепления и угла внутреннего трения грунтов, а также скорости фильтрации воды в заданном канале.
Результаты моделирования
Компьютерное исследование гидрогеомеханического состояния насыпного грунтового сооружения выполнено с учетом параметрического влияния свойств грунтов и
гидродинамических характеристик, формирующихся фильтрационно-деформационных процессов на надежность насыпного грунтового сооружения. Для этих целей в программном комплексе PLAXIS 3D были проведены следующие типы расчетов для 34 вариантов параметрического сочетания: гравитационное нагружение, пластическое деформирование, совместный фильтрационно-деформационный расчет, оценка надежности.
На основе многовариантных расчетов выявлены особенности фильтрационно -деформационного состояния насыпного грунтового сооружения, заключающиеся в интенсивном развитии смещений слагающих его грунтов в приповерхностной части гребня с локализацией по оси формирующейся зоны повышенной фильтрации (рис. 2, а, красный цвет). Развитие зоны повышенной фильтрации от минимальной к максимальной создает все предпосылки для образования на данном участке сооружения механического размыва (прорана) (рис. 2, б).
а б
Рис. 2. Палитры фильтрационно-деформационного состояния фрагмента насыпного грунтового сооружения при минимальном (а) и максимальном (б) размерах зоны фильтрации
Fig. 2. Palettes of filtrational and deformation condition of a bulk soil dam fragment with minimum (a) and maximum (б) sizes of filtration zone
Во всех вариантах гидрогеомеханического компьютерного моделирования исследовалось параметрическое влияние основных деформационных свойств грунтов сооружения: сцепления С и угла внутреннего трения ф. На первом этапе, при прочих равных условиях, задавалось изменение значений сцепления С от 1 до 10. Коэффициент надежности рассчитывался для трех вариантов рассматриваемых размеров зоны и соответствующей фильтрации: минимальной, средней и максимальной (рис. 3, а).
На втором этапе выполнен анализ зависимости коэффициента надежности сооружения от угла внутреннего трения грунтов ф. Для этого, при прочих равных условиях, задавалось изменение ф от 10 до 43. Коэффициент надежности сооружения также рассчитывался для трех вариантов размеров зоны фильтрации: минимальной, средней и максимальной (рис. 3, б).
Обсуждение результатов
Анализ рассчитанных значений коэффициента надежности в зависимости от сцепления С грунтов сооружения позволяет сделать следующие выводы. При минимальной фильтрации снижение сцепления приводит к незначительному уменьшению коэффициента надежности. Для средней фильтрации снижение сцепления до 5 и ниже обусловливает значения коэффициента надежности менее 1, с последующим пропорциональным снижением. В случае с максимальной фильтрацией только значение сцепления С, равное 10, обеспечивает коэффициент надежности чуть выше 1. Для этого случая уменьшение сцепления приводит к соответствующему снижению надежности сооружения вплоть до значения 0,64.
Оценка надежности насыпного грунтового сооружения при образовании в его теле зоны...
1,2
к 0,8
0,6
минимальная фильтрация средняя фильтрация максимальная фильтрация
4
6
8
10
12
Сцепление С, кН/м
1,2
0,6
минимальная фильтрация средняя фильтрация максимальная фильтрация
5 10 15 20 25 30 35 Угол внутреннего трения ф, град.
40 45
50
& 0,8
0
2
0
а б
Рис. 3. Зависимость надежности насыпного грунтового сооружения от сцепления (а) и от угла внутреннего трения (б) слагающих ее грунтов
Fig. 3. Dependence of reliability of a bulk soil dam on coupling (a) and angle of internal friction (б) of the composing soil
Анализ рассчитанных значений коэффициента надежности в зависимости от угла внутреннего трения грунтов ф позволяет сделать следующие выводы. При минимальной фильтрации снижение угла внутреннего трения приводит к уменьшению коэффициента надежности, при ф < 20 коэффициент надежности становится меньше 1. Для средней фильтрации снижение угла внутреннего трения до 30 и ниже обусловливает значения коэффициента надежности менее 1 с последующим пропорциональным снижением. В случае с максимальной фильтрацией даже принятое максимальное значение угла внутреннего трения ф = 43 не обеспечивает надежности выше 1. Для этого случая снижение угла внутреннего трения приводит к соответствующему снижению надежности вплоть до значения 0,69.
Заключение
На основе результатов многовариантного параметрического моделирования насыпного грунтового сооружения установлены особенности влияния геометрических и гидродинамических характеристик формирующейся в его теле зоны повышенной фильтрации на надежность сооружения. Выявлены модельные зависимости надежности сооружения от обусловленной протечкой изменяемости основных деформационных свойств (параметров сцепления и угла внутреннего трения) грунтов в контурах зоны при различной степени фильтрационных процессов. Установлены граничные значения сцепления C < 5 и угла внутреннего трения ф < 20 грунтов в зоне повышенной фильтрации, при которых для рассматриваемых условий надежность сооружения не обеспечивается. Полученные данные предоставляют основу для оценки надежности насыпного грунтового сооружения при выявлении георадарными и сейсмотомографическими наблюдениями зоны повышенной фильтрации на ранних стадиях ее формирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Доклад о состоянии и об охране окружающей среды Мурманской области в 2017 году. 2018. 165 с. URL: https://gov-murman.ru/upload/iblock/665/Doklad_za-2017-god.pdf (дата обращения: 05.10.2018). 2. О безопасности гидротехнических сооружений: федер. закон от 23 июня 1997 г. № 117-ФЗ. 3. Строительные нормы и правила Российской Федерации «Гидротехнические сооружения. Основные положения» СНиП 33-01-2003. Ввод в действие с 01.01.2004. М., 2004. 30 с. 4. Абрамов В. В. Проблемы защиты окружающей среды. 2010. URL: http://secandsafe.ru/pravovaya_baza/blogi/ekologicheskaya_bezopasnost/problemy_zaschity_okrujayuschey_priro dnoy_sredy_v_rossii (дата обращения: 05.10.2018). 5. Айрапетян Р. А. Причины аварий и повреждений плотин и их предупреждение. 1975. URL: http://engineeringsystems.ru/proektirovanie-kamenno-zemljanih-plotin/prichini-avariy.php (дата обращения: 05.10.2018). 6. Максимов Д. А., Калашник А. И. Экономические тенденции изысканий и мониторинга накопителей жидких горнопромышленных отходов в арктической зоне для целей декларирования их промышленной безопасности // Север и рынок. 2018. № 1 (57). С. 74-85. 7. Применение
современных методов для комплексных исследований состояния гидротехнических сооружений региона Баренцева моря / Н. Н. Мельников [и др.] // Вестник МГТУ. 2017. Т. 20, № 1. С. 13-20. 8. Мониторинг состояния ограждающей дамбы в зоне отработки техногенного месторождения Ковдорского ГОКа / А. А. Данилкин [и др.] // ГИАБ. 2014. № 7. С. 344-351. 9. Калашник А. И., Запорожец Д. В., Калашник Н. А. Идентификация фильтрационно-деформационных процессов в теле ограждающей дамбы хвостохранилища // Вестник Кольского научного центра РАН. 2013. № 2 (5). С. 13-16. 10. Калашник А. И., Калашник Н. А., Запорожец Д. В. Исследование состояния насыпного гидротехнического сооружения на моренном основании // Ученые записки ПетрГУ. Серия: Естественные и технические науки. 2014. № 6 (143). С. 92-98. 11. Калашник А. И., Калашник Н. А. Исследования ограждающего насыпного гидротехнического сооружения как прототипа дамбы хвостохранилища горно-обогатительного предприятия // Вестник Кольского научного центра РАН. 2013. № 1 (5). С. 27-30.
Сведения об авторе
Калашник Надежда Анатольевна — научный сотрудник Горного института КНЦ РАН E-mail: nadezhda-kalashnik28@rambler.ru
Author Affiliation
Nadezhda A. Kalashnik — Researcher of the Mining Institute of KSC RAS E-mail: nadezhda-kalashnik28@rambler.ru
Библиографическое описание статьи
Калашник, Н. А. Оценка надежности насыпного грунтового сооружения при образовании в его теле зоны повышенной фильтрации / Н. А. Калашник // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2019. — № 2 (11). — С. 69-74.
Reference
Kalashnik Nadezhda A. Assessment of Reliability of a Bulk Soil Dam during Formation of an Increased Filtration Zone in Its Body. Herald of the Kola Science Centre of RAS, 2019, vol. 2 (11), pp. 69-74. (In Russ.).
