CC BY
40
УДК 624.042.8
Герасимов Виктор Михайлович Victor Gerasimov
ВЛИЯНИЕ НАГРУЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ МАТЕРИАЛОВ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ФИЛЬТРАЦИИ ДРЕНАЖЕЙ В ИСКУССТВЕННЫХ СООРУЖЕНИЯХ ГОРНОГО ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ
THE INFLUENCE OF LOADING AND DEFORMATION OF MATERIALS ON THE INTENSITY OF THE FILTERING DRAINAGES IN ARTIFICIAL CONSTRUCTIONS OF THE MINING ENVIRONMENTAL MANAGEMENT
Представлены теоретические исследования по обеспечению фильтрационной способности дренажных систем на основе волокнистых полимерных сред, заложенных в грунтовом массиве искусственного сооружения
Ключевые слова: дренажные системы, грунтовый массив, искусственные сооружения
The article presents theoretical research to ensure the filtration capacity of drainage systems on the basis of fibrous polymer media, laid in soil array of artificial constructions
Key words: drainage systems, a soil file, artificial constructions
Искусственные сооружения из грунтов широко распространены в геотехнологии; наиболее известны гидротехнические сооружения из горных пород при открытом способе разработки месторождений полезных ископаемых в виде плотин, дамб,
гидроотвалов [ 1__3 ]. В большей степени
распространены сооружения из рыхлых пород (гравий, песок, глина), отличающиеся друг от друга свойствами сжимаемости [4]. Дренажи являются неотъемлемой частью гидротехнического сооружения и обеспечивают снижение положения поверхности депрессии для повышения устойчивости низового откоса и предотвращения фильтрационных деформаций [5_7].
Для дренажных устройств используются различные материалы. К новым из них
относят волокнистые полимерные материалы типа дорнит, типар, полифельт, бидим плотностью 100..200 кг/м3 с коэффициентом фильтрации 10-4-510-3 м/с.
Плоская форма волокнистых полимерных материалов позволяет создавать пластовые дренажи, укладывая их в массив сооружения ( рис. 1) . Движение фильтрационного потока в грунтовом сооружении описывается системой уравнений Н.Н. Павловского [8].
Высота слоя дренажа из полимерного волокнистого материала НД на два порядка меньше размеров 5 и Ь, поэтому можно считать, что фильтрационный поток поступает в дренажный слой перпендикулярно его плоскости и изменяет направление движения на 90 0 к нижнему бьефу.
Рис. 1. Схема фильтрации через массив сооружения с пластовым дренажем
на водонепроницаемом основании
Эффективность пластового дренажа
определяется соотношением
(1)
где Цд — фильтрационный расход дренажа
на 1 м длины, м2/с.
Для обеспечения надежности дренирования грунтовых вод желательно превышение цд над ц на 10_15 %.
Учитывая формулу (1) и вводя повышающий коэффициент 1,15 на основе уравнения Дарси, получаем формулу фильтрации на отводящей части дренажа
Чд 1,15 • я
К
к
- и
н
1
д
(2)
д \^д
где Кд — коэффициент фильтрации волокнистого полимерного материала дренажа, м/с;
Н1 — высота расположения дренажа к уровню воды в нижнем бьефе, м.
Общую длину пластовых дренажей Ьд рекомендуется принимать до 30 % ширины сооружения по основанию [9]. Длину 5 рабочего участка дренажа, обеспечивающего приток грунтовых вод, определяют по формуле [7]
£ =
0,5я К
(3)
ф
где Кф — коэффициент фильтрации грунта, м/с.
Средняя скорость движения дренажного потока на участке 5 находится по известной формуле
Уд -
Кд • ив
(4)
где Нв — напор в начале дренажного слоя, определяемый по линиям равных напоров, м.
Предварительное значение высоты слоя дренажа находим для сечения А (рис.
1, б)
ид -
Яд
V
(5)
д
Уточненное значение Нд определяется для отводящего участка дренажа длиной (Ьд — 5) по формуле (2) и по уровню фильтрации для всей длины пластового дренажа
и _ чд' 1д (6)
д Кд(нв + и,) •
Напряжение сжатия а, действующее от веса массива грунта на плоский слой дренажа, изменяется по линейному закону, определяемому наклоном нижнего откоса сооружения (рис. 1, в). Следовательно, деформация сжатия волокнистого слоя неравномерна по длине дренажа; наибольшее сжатие испытывает участок, расположенный около точки В.
Поэтому начальную высоту слоя пластового дренажа, укладываемого в массив, рассчитываем исходя из максимального напряжения аВ у-
а в -
(7)
т
2
где у — удельный вес грунта, Н/м3;
т2 — коэффициент заложения низового откоса.
Начальную высоту слоя t0, укладываемого в дренаж с учетом сжатия грунтовым массивом, определим из уравнения
1 -
'в
- ид-(8)
0,15 -10" К-ро - <о - Я )
где К — поправочный коэффициент;
р0 — начальная плотность волокнистого материала, кг/м3;
£ — ускорение свободного падения, м/с2; п — показатель нелинейности, п=2,5. Принимая во внимание неровноту пластового дренажа, следует выполнять его с уклоном в сторону нижнего бьефа на угол а=3_5 0. Точное значение уклона дренажа можно определить по формуле [8]
гд -
2яд
Кд • н12
ь
д
Кд • н1
(9)
і
В качестве защитного слоя, препятствующего поверхностной кольматации, рекомендуется поверх пластового дренажа укладывать песчано-гравийную смесь высотой 50_100 мм.
При длительной эксплуатации гидротехнического сооружения снижается коэффициент фильтрации дренажа из-за постепенной кольматации. Для предотвращения
выхода точки высачивания на низовой откос можно использовать комбинированный дренаж, включающий ярусные пластовые дренажи из волокнистых сред и дренажную упорную призму из каменной наброски, а также обратный фильтр из волокнистого полимерного материала, уложенный на поверхность верхового откоса банкета (рис. 2).
Рис. 2. Ярусная схема расположения пластовых дренажей из волокнистых материалов в комбинации с дренажным банкетом и обратным фильтром
Шаг Ня между ярусами пластовых дренажей принимают в пределах 0,5_0,7 м.
В случае кольматации участка А1В1 первого яруса дренажа вступает в работу второй ярус, а затем — третий.
Наряду с горизонтальными дренажами проектируются другие устройства,
включающие наклонные дренажные слои в комбинации с горизонтальными дренажами [10]. Первый ярус такой дренажной системы имеет подстилаю -щий песчано-гравийный слой высотой 50_70 мм, обеспечивающий устой -чивое положение наклонного участка (рис. 3).
Рис. 3. Схема расположения пластовых дренажей с двумя наклонными участками в комбинации с дренажным банкетом и обратным фильтром
Иотользуя изложенную теор™, вы- Нпл = 5,5 м; Н = 5 м, Ь = 3,5 м, т1 = 2; полнен расчет пластового дренажа из волокнистых полимерных материалов плотины т2 = 1,3; Кф = 10 м/с; Кд = 10 м/с;
отстойника промышленных вод гидроме- ТТ (\ £
ханизированного участка месторождения Н1 _ 0,6 м; ^д — 3 м-
россыпного золота по схеме рис. 2 при сле- Результаты расчетов, выполненных
дующих параметрах для трехярусной схемы дренажей, пред-
ставлены в таблице.
Параметры пластовых дренажей ярусной схемы
Номер яруса Координата точки В Ь., м Г Размер дренажа V м Фильтрационный расход на 1 м длины плотины q, м2/с Размер рабочего участка дренажа 8., м г Высота слоя дренажа Ъд, мм Давление грунта в точке В оВ., МПа Вг Начальная высота слоя волокнистого полимерного материала 1;0, мм
1 7,25 2 1,24-10'6 0,63 5,64 0,078 7,8
2 8,1 1,67 1,14-10'6 0,57 4,9 0,052 6,5
3 8,91 1,33 1,03-10'6 0,5 4,2 0,025 5,3
В расчетах учитывается нагружение и деформация сжатия волокнистого полимерного материала, поэтому начальная высота волокнистого слоя при закладке в 1,5...2 раза больше высоты слоя дренажа.
Проведенные теоретические исследования позволяют проектировать разнообразные дренажные системы пластовых дренажей из волокнистых полимерных материалов для гидротехнических сооружений горного природопользования.
Литература
1. Чугаев Р.Р. Земляные гидротехнические сооружения. Теоретические основы расчета. — Л.: Энергия, 1967. — 460 с.
2. Нурок Г.А., Лутовинов А.Г., Шерстюков А. Д. Гидроотвалы на карьерах. — М.: Недра, 1977. - 311 с.
3. Гидравлическое складирование хвостов обогащения: Справочник / В.И. Кибирев, Г.А. Райлян, Г.Т. Сазонов. — М.: Недра, 1991. — 207 с.
4. Иванов П.Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений. — М.: Высш. шк., 1985.
— 352 с.
5. Ялтанец И.М. Проектирование гидромеханизации открытых горных пород: учеб. пособие для вузов. — М.: МГГУ, 1994. — 481 с.
6. Гидротехнические сооружения / Н.П. Розанов, Я.В. Бочкарев, В.С. Лапшенков; Под ред. Н.П. Розанова. — М.: Агропромиздат, 1985. — 432 с.
7. Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика / Г.В. Железняков, Ю.А. Ибад-заде, П.Л. Иванов; Под общ. ред. В.П. Недриги. — М.: Стройиздат, 1983. — 543 с.
8. Справочник по гидравлическим расчетам / Под ред. П.Г. Киселева. — М.: Энергия, 1974.
— 312 с.
9. Гидротехнические сооружения (в двух частях) / М.М. Гришин, С.М. Слисский, А.И. Антипов: Под ред. М.М. Гришина. Ч. 1. — М.: Высш. шк., 1979. — 615 с.
10. Патент № 2126868 РФ, МКИ6Е02И7/06. Плотина / В.М. Герасимов, А.В. Рашкин. Роспатент. Заявлено 06.05.97. — заявка 97107604. Приоритет 06.05.97. Опубликовано 27.02.99. Бюлл. № 6.
Коротко об авторе______________________________________________Briefly about the author
Герасимов В.М., д-р техн. наук, профессор, За- V. Gerasimov, Doctor of Technical sciences, profes-байкальский государственный университет (ЗабГУ) sor, head of Technology of woodworking and mechan-Служ. тел.: (3022) 41-72-57 ics department, Zabaikalsky State University
Научные интересы: геотехнология, геоэкология, механика волокнистых сред
Scientific interests: geotechnology, geoecology, mechanics of fibred environments
