Закономерности формирования порового давления при гидроотвалообразовании и отсыпке сухих отвалов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

---------------------------------------- © Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова,

2008

УДК 624.131.53

Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОРОВОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ ГИДРООТВАЛООБРАЗОВАНИИ И ОТСЫПКЕ «СУХИХ» ОТВАЛОВ

Рассмотрены различные механизмы образования избыточного порового давления в основании отвальных сооружений и намывных массивах. Приведены результаты экспериментальных исследований на гидроотвале «Сагарлыкский».

Неделя горняка-2007. Семинар № 1

0сновной особенностью условий формирования гидроотвалов и сухих отвалов на водонасыщенных слабых основаниях является нестабильное на-пряженно-деформи-рованное состояние

намывных массивов и естественных породных оснований вследствие образования и рассеивания избыточного порового давления, склонность к значительным вертикальным деформациям и изменению физико-механических свойств пород с увеличением нагрузки. На необходимость изучения порового давления и его учета в расчетах устойчивости отвалов и гидроотвалов указывают нормативные документы [1-4], действующие в настоящее время в области обеспечения безопасности горнотехнических сооружений. Знание закономерностей развития порового давления в глинистых водонасыщенных массивах естественного и техногенного происхождения позволяет правильно определять безопасные параметры откосов отвалов и гидроотвалов, грамотно организовывать мониторинг их устойчивости, производить наблюдения за ходом фильтрационной консолидации, существенно сократить объемы инженерно-геоло-гических исследований и повысить эффективность гидрогеомеханических расчетов.

При отсыпке отвалов «сухих» пород на слабое водонасыщенное основание

экспериментально установлены определенные закономерности фор-мирования порового давления в ос-новании насыпи, отличные от классических представлений теории фильтрационной консолидации [5, 6]. Согласно ее канонам, при нагружении основания рассредоточенной нагрузкой его породы подвергаются интенсивному силовому воздействию, которое в водонасыщенных грунтах полностью передается на воду, вызывая мгновенное повышение порового давления в породах, залегающих в некоторой области, непосредственно под контуром нагружения. Однако фактически возмущение в поровой воде, возникшее первоначально лишь в ограниченной области основания, в дальнейшем распространяется вглубь массива благодаря упругим свойствам воды, инициируя повышение порового давления (нейтральных нап-ряжений) во все более удаленных от места нагружения частях массива. Одновременно с этим в силу создавшейся разности напоров, вызванной неравномерным увеличением гидростатического давления в массиве основания, начинается фильтационный процесс, направленный на выравнивание поля нейтральных напряжений.

Характер изменения порового давления в ходе этого процесса определяет фильтрационная неоднородность масси-

0 2 4 б 8м

1______і_______і______і______і

• О 9 датчики порового давления ,___ ГР-1-глубинные реперы

-----0,2 - изолинии порового давления на момент времени Ючас (кг/см2)

---------- границы зон

Рис. 1. Опытная отсыпка отвала «сухих.» пород на гидроотвале

ва основания. В той его части, которая попадает под воздействие дополнительных сжимающих напряжений от внешней нагрузки (в зоне сжатия), отток по-ровой жидкости связан с пластическими деформациями скелета пород. Поэтому здесь изменение порового давления определяется интенсивностью развития процесса фильтрационной консолидации. В другой части основания, где по-ровое давление образовалось как реакция на возмущение в зоне сжатия, фильтрационный процесс осуществляется без нарушения структуры и свойств пород.

Условия фильтрации в массиве нагруженного основания неоднородны по проницаемости из-за различной степени деформированности пород в разных частях толщи и изменяются во време-

ни в связи с постепенным снижением фильтрационной способности пород в зоне сжатия. По мере уплотнения пород, уменьшения их пористости возможность фильтрации воды к верхней границе зоны сжатия становится все более затрудненной, что создает преимущества для разгрузки массива через ненарушенную его часть.

С учетом установленных закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния пород в основании отвалов можно проводить схематизацию оснований насыпей с выделением трех зон: сжатия (консолидации), влияния и промежуточной.

Зональность про коэффициенту консолидации (пьезопроводности) - Су, выявленная при интерпретации результатов опытной отсыпки (рис. 1) соотно-

сится с данной схематизацией следующим образом: зона I соответствует зоне консолидации, зона III - зоне влияния, а зону II можно рассматривать как промежуточную. С одной стороны, она попадает под воздействие внешней нагрузки и в этом смысле является частью зоны сжатия. С другой стороны, в виду того, что дополнительные сжимающие напряжения здесь весьма незначительны, консолидационные процессы мало влияют на изменение порового давления. По характеру фильтрационного процесса зона II более соответствует зоне влияния, от которой отличается по параметру - Су, что обусловлено частично измененной при деформировании структурой пород в этой зоне. Следует отметить, что зона сжатия в основании отвала по своим размерам меньше зоны влияния; в условиях эксперимента она прослеживается в пределах глубины, соизмеримой с высотой отсыпанной призмы сухих пород. При высокой интенсивности отвалообразования зона влияния в основании отвалов может иметь неограниченные размеры, в то время как зона консолидации всегда ограничена в пределах "луковицы" дополнительных сжимающих напряжений.

При обосновании технологических параметров отвальных сооружений возникает необходимость учитывать напряженное состояние и свойства пород в непригруженной части осно-вания (в зоне влияния отвала), так как в последующем она тоже становится непосредственным основанием со-оружения. В этой связи принципи-ально важным становятся следующие вопросы: каких размеров может дос-тигать зона влияния перед отвальным фронтом; до каких величин может возрастать поровое давление, какое воздействие это оказывает на состоя-ние и свойства пород.

Для того чтобы ответить на эти вопросы нами были проведены экспериментальные исследования на гидроотвале "Сагарлыкский", на площади которого в течение многих лет производится интенсивное отвалообразование при высоте первого яруса 30 м. Исследованиями установлено, что в процессе отсыпки отвального блока в породах непригру-женной части основания в пределах расстояния до 500 м от нижней бровки откоса относительно быстро (1-2 месяца) формируется избыточное поровое давление, в каждой точке массива достигающее значений yh (полных напряжений от вышележащих пород), а иногда и выше, т. е. эффективные напряжения близки к нулю. Такое напряженное состояние в намывных породах со слабыми структурными связями характеризуется появлением большого количества гидроразрывов, исполняющих роль вертикальных дрен. После окончания отвальных работ на опытном участке рассеивание порового давления происходит обычно за 2-3 года. Таким образом, экспериментальным путем выяснено, что при длительном нагружении водонасыщенных пород зона влияния может иметь практически неограниченные размеры в пределах их распространения.

Формирование избыточного порово-го давления при намыве гидроотвалов принято рассматривать в рамках задачи «уплотнения слоя переменной мощности» теории фильтрационной консолидации [4]. В качестве внешней нагрузки для каждого намытого слоя здесь выступает веc перекрывающей его и возрастающей по мощности толщи. Обычно интенсивность намыва превышает скорость рассеивания порового давления, что создает условия для непрерывного увеличения в намывном массиве избыточного порового давления (этапы

1 и У1). Его рассеивание происходит в

Рис. 2. Результаты наблюдений за изменением избыточного порового давления в откосной части намывного массива гидроотвала «Бековский» в течение одного технологического цикла эксплуатации гидроотвала, включающего следующие этапы: I - намыв; II - «отдых»; III - отсыпка дамбы наращивания (три слоя Ш-1, Ш-2, Ш-3); ГУ - формирование пригрузочных призм на откосе; У - «отдых»; У! - намыв

период "отдыха" гидроотвала (при отсутствии внешней нагрузки) (этапы 11 и У) (рис. 2).

Однако в реальных условиях формирования гидроотвалов производится отсыпка на откосах дамб наращивания и всевозможных пригрузов, что, естественно, сказывается на характере и величинах порового давления. Для того чтобы проследить за динамикой развития порового давления в подобных условиях, нами на гидроотвале «Бековский» был проведен специальный эксперимент. До его начала в намывной массив в пределах откосной части гидроотвала в плоскости, перпендикулярной простиранию откоса на различную глубину были установлены датчики порового давления (рис. 2). Максимальная мощность пород намывного массива в профиле наблюдательной станции составляла 55 м. Затем вдоль верхней бровки откоса производилась отсыпка дамбы наращивания. Формирование насыпи

велось в три этапа: в начале отсыпали слой высотой 1,5-2,0 м, шириной 20-25 м, длиной 3 км; потом его расширили до 45 м, отсыпав параллельно еще одну насыпь с такими же параметрами; третий слой уложили по контуру первой насыпи, увеличив общую высоту дамбы до 2,5 м. Интенсивность продвижения фронта работ в процессе отсыпки достигала 30-50 м/сут. В течение всего периода отсыпки, а также длительное время до его начала и после завершения, по датчикам наблюдательной станции регистрировалось гидростатическое давление.

Для интерпретации результатов эксперимента определим более конкретно следующие позиции: величина и характер приложения внешней нагрузки (от веса трех насыпей), условия дренирования нагружаемого массива, особенности строения и свойства слагающих его пород. Величина внешней нагрузки (с|) от веса первой насыпи равна 0,35 кг/см2,

второй - столько же, третьей -0,19 кг/см2. На графиках временного прослеживания (рис. 2) участки, соответствующие трем этапам нагружения при формировании дамбы, обозначены 111-1, 111-2, Ш-3. Поверхность гидроотвала полностью покрыта слоем льда. Это препятствует возможности отжатия воды к верхней границе массива в пределах пляжа намыва. Основание гидроотвала также является водоупором, о чем свидетельствует нарастающий характер распределения избыточного порового давления по глубине намывной толщи. Проницаемой границей следует считать поверхность откоса, так как уровень грунтовых вод находится в теле дамбы наращивания ниже глубины сезонного промерзания. Намывной массив сложен полностью водонасыщенными суглинистыми отложениями преимущественно текуче- и мягкопластичной консистенции. Отмечается слоистость пород, обусловливающая анизотропию свойств по проницаемости (коэффициента фильтрации К) в вертикальном (у) и горизонтальном (х) направлениях (Кх>Ку).

Сопоставление результатов двух экспериментов показывает их схожесть и по характеру изменения порового давления в зоне влияния, и по параметрам, определяющим фильтрационный процесс на разных стадиях формирования поля нейтральных напряжений. Кроме того, появляется возможность оценить влияние технологии отсыпки на размеры зоны влияния и величину возрастания порового давления в породах этой зоны. Условия проведения двух опытов отличались между собой по технологическому фактору, определяющему характер силового воздействия на породный массив во время его нагружения. В первом случае при отсыпке одиночного

отвального блока поле нейтральных напряжений в породах зоны влияния сформировалось как реакция на однократное возмущение. Во втором случае, в условиях непрерывного развития насыпи, изменение напряженного состояния пород в зоне влияния, следует рассматривать как результат совокупного воздействия, оказываемого отсыпкой нескольких отвальных блоков.

Иногда отвальные работы на территориях распространения "слабых" водонасыщенных глинистых отложений ведутся с применением технологии, допускающей контролируемое деформирование откосов. Постоянные оползневые деформации с захватом основания отвалов приводят к выдавливанию пород и к образованию перед фронтом от-валообразования зоны перемятых, дест-руктурированных грунтовых масс с высоким избыточным поровым давлением. Механизм формирования порового давления здесь намного сложнее, чем там, где отсутствуют деформации основания. Факторами, способствующими образованию избыточного порового давления, служат: касательные напряжения, возникающие в зоне сдвигов; горизонтальные напряжения, создаваемые давлением отжимаемых из-под отвалов масс; наличие в выдавленных грунтах "памяти" о давлениях, испытанных ими в месте своего первоначального залегания.

Таким образом, выявлены закономерности распределения порового давления в породах оснований, позволяющие выполнить схематизацию нагружаемых массивов с выделением зон: 1) консолидации; 2) разуплотнения; 3)

сдвигов (рис. 3).

В первой зоне поровое давление связано с уплотняющей нагрузкой от отвала.

Рис. 3. Изменение порового давления в основании «сухого» отвала

Рассеивание порового давления приводит к уплотнению намывных пород, изменению консистенции, уменьшению влажности, пористости и возрастанию плотности сложения и прочностных свойств. Во второй и третьей зонах наблюдается обратный процесс, что связано с увеличением порового давления, снижающего эффективные напряжения в грунтах, что приводит к возрастанию их влажности, пористости и уменьшению плотности и прочности. Иногда по-ровое давление достигает значений, соответствующих полным напряжениям, т. е. эффективные напряжения становятся равны нулю. Существует различие в механизме образования избыточного порового давления во второй и третьей зонах. Так, в зоне разуплотнения (III) избыточное поровое давление является результатом фильтрации воды из-под отвала, а в зоне сдвигов (II) - «памятью» о нагружении сухим отвалом: выдавившаяся из-под отвала намывная масса сохраняет поровое давление, возникшее от отсыпки отвальных масс.

Влияние сдвиговых деформаций на поровое давление в массиве, ввергнутом в геодинамический процесс, можно проиллюстрировать на примере оползня,

произошедшего на гидроотвале «Беков-ский», где до возникновения деформации в откосной части призмы упора были установлены датчики порового давления (рис. 4). При формировании дамбы наращивания двумя пионерными насыпями высотой 2,5 м во встречном направлении из краевых частей к центру в центральном участке произошло сползание откоса с захватом трех дамб.

Весьма интересен тот факт, что в течение всего периода отсыпки ежедневно проводились замеры порового давления по наблюдательной станции, которые сравнивали с предельно допустимыми значениями, рассчитанными заранее для условий данной отсыпки. В момент прохождения насыпью профиля станции почти по всем датчикам были зарегистрированы значения, превышающие допустимые, но горные работы остановлены не были, что и привело к скорому нарушению устойчивости откоса. На графиках временного прослеживания для периода опи-сы-ваемых событий (рис. 5) хорошо виден резкий подъем давлений накануне аварии (13.12.1989 г.), после чего показания датчиков, попавших в оползневую зону, обрываются. По

контур откоса до деформации

--- дамба наращивания, ее номер

ДЗ ---------- датчик порового давления, его номер

Рис. 4. Схема расположения датчиков в откосе гидроотвала

уцелевшим после аварии датчикам в течение последующих 3-х месяцев наблюдался весьма интенсивный спад порового давления до величин, предшествующих сдвиговой деформации.

При отвалообразовании на «слабых» основаниях, сложенных намывными и естественными глинистыми породами, иногда возникают подпо-дошвенные оползни, сопро-

вождающиеся выдавливанием пород из-под отвала и значительным уменьшением мощности толщи водонасыщенных пород. В этом случае, в породах оставшейся части массива консервируется поровое давление по величине близкое к его значениям до момента возникновения деформации, т.е. появляются условия для образования избыточного порового давления.

Проиллюстрируем данный механизм формирования избыточного порового

давления на примере оползня, образовавшегося на гидроотвале «Бахтыхта» при отсыпке на его поверхности отвала «сухих» пород. В начале 2006 года при формировании отвального яруса по отметкам +385,0 м вдоль дороги на участке гидроотвала протяженностью 250 м произошел оползень со ступенчатым опусканием верхней площадки откоса и выдавливанием верхней части намывного массива гидроотвала (рис. 6). Намывные породы были перемещены за пределы гидроотвала в горные выработки разреза, а их место заняли сползшие отвальные массы. Всего по маркшейдерской съемке объем выдавившихся из гидроотвала пород составил 500 млн м .

Рассмотрим изменение гидрогеоме-ханических условий природно-техногенной системы «отвал+гидроот-

вал+естественное основание». До возникновения оползня гидроотвал имел

Рис. 5. Результаты наблюдений за изменением избыточного порового давления в намывном массиве гидроотвала до и после оползневой деформации

Отвал

Рис. 6. Оползень отвалов на гидроотвале «Бахтыхтинский»

мощность намывных пород 30 м, при этом в скважинах №1 и 2 массивы были полностью обводнены, а избыточное поровое давление отсутствовало. После оползня мощность намывных пород уменьшилась на 10 метров, а поровое давление сохранилось неизменным, что способствовало образованию избыточного порового давления Р.

1. Инструкция о порядке ведения мони-

торинга безопасности гидротехнических сооружений предприятий, организаций, подконтрольных органам Госгортехнадзора России (РД 03-259-98). М.: ФГУП «Научно-

технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2004. 15 с.

2. Правила безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов (ПБ 03-438-02). Серия 03. Выпуск 14/ Колл. авт. М.: ФГУП «Научнотехнический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2004. 128 с.

3. Указания по методам гидрогеомеха-нического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях. I. Изучение гидрогеомеханических ус-

Таким образом, в данной работе нами сделана попытка рассмотреть различные механизмы образования избыточного порового давления в основании отвальных сооружений и намывных массивах, знание которых необходимо для обеспечения безопасности отвальных и гидроотвальных работ.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ловий строительства, эксплуатации и рекультивации отвальных сооружений / Кутепов Ю.И., Норватов Ю.А., Кутепова Н.А. и др. - Л.: Изд-во ВНИМИ, 1989. 56 с.

4. Указания по методам гидрогеомеха-нического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях. Часть II. Обоснование оптимальных параметров отвальных сооружений / Кутепов Ю.И., Норватов Ю.А., Кутепова Н.А. и др. - Л.: Изд-во ВНИМИ, 1990. 55 с.

5. Гальперин А. М., Шафаренко Е.М. Реологические расчеты горнотехнических сооружений. - М.: Недра, 1977. 245 с.

6. Гальперин А.М., Ферстер В., Шеф Ю. Техногенные массивы и охрана окружающей среды. - М.: Изд-во МГГУ, 1997. 534 с.

— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------------

Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А. — Научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела - ВНИМИ, Санкт-Петербург.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 1 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. А.М. Гальперин.

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова: Заметки:

Дата создания:

Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:

Полное время правки: Дата печати:

При последней печати страниц: слов: знаков:

1_Кутепов1

Е:\С диска по работе в универе\ГИАБ_2008\11\семинар С:\и8еге\Таня\АррБа1а\Коаті^\Місго80й\ШаблоньіШогта1Ло1т © В

Гитис Л.Х.

03.09.2008 12:25:00

3

03.09.2008 12:26:00 Гитис Л.Х.

3 мин.

25.11.2008 23:12:00 9

2 767 (прибл.)

15 776 (прибл.)