Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности вопроса, цель и задачи исследований 8
1.1 Понятие устойчивости и основные определяющие ее факторы 8
12. Методы оценки устойчивости откосов 10
13. Современные методы оценки устойчивости откосов 17
13.1 Устойчивость бортов карьеров 17
13.2, Устойчивость гидротехнических сооружений 18
13.3. Особенности расчета устойчивости обводненных откосов 20
14 Цель и задачи исследований 22
2. Исследование факторов определяющих устойчивость грунтовых откосов 24
2.1 Геомеханические и математические представления грунтов как объекта исследований 24
2.11 Инженерно-геологические классификации грунтов 24
2.12.Модельно-математическое представление грунтов 27
2.2- Обводненность техногенных сооружений с откосами в поле силы тяжести 38
2.2.1Физичесше основы обводненности и механизм протекания жидкостей в пористых средах в присутствии физических полей 38
2.2.2,Современные способы учета обводненности откосов 47
2.2.3.Расчет параметров кривой депрессии в однородной грунтовой плотине без дренажных элементов в нижнем бьефе 51
2,2.4.Определение нагрузок от веса грунта и давления воды при оценке устойчивости грунтовых плотин 53
2.2.5.Определение нагрузок, создаваемых поровым давлением 56
2.3. Учет сейсмических воздействий 57
2.4. Обоснование выбора математической модели для описания поведения пологих откосов в физических полях 68
2.4.1.Обоснование выбора математической модели процесса 68
2.4.2.Особенности применения математической модели при решении геомеханических задач 76
3. Методика оценки устойчивости пологих обводненых грунтовых откосов 81
3.1. Методика построения поверхности скольжения при расчете устойчивости ограждающих дамб 81
3.2. Алгоритм расчета устойчивости пологих откосов 94
3.3. Описание программы расчета устойчивости пологих откосов 97
4. Исследование закономерностей устойчивости пологих откосов в зависимости от геометрии сооружения и реализация результатов 102
4.1. Сравнение методик расчета устойчивости откосов 102
4.2. Исследование закономерностей изменения устойчивости пологих откосов 103
4.3. Реализация результатов исследования. 105
Выводы 110
Заключение 112
Библиографический список 113
- Современные методы оценки устойчивости откосов
- Обводненность техногенных сооружений с откосами в поле силы тяжести
- Описание программы расчета устойчивости пологих откосов
- Исследование закономерностей изменения устойчивости пологих откосов
Введение к работе
Актуальность темы. На 80 % хвостохранилищ в качестве водо-подпорных сооружений применяются насыпные и намывные грунтовые дамбы. При существующих схемах обогащения извлечение руд сопровождается образованием большого объема мелкодисперсных отходов. На подавляющем большинстве горнодобывающих предприятий для транспортировки этих мелкодисперсных отходов обогащения применяется гидротранспорт, а для их размещения используются специальные накопители - хвостохранилища.
Несмотря на достаточно большой объем работ по оценке устойчивости дамб и обязательный мониторинг в ходе эксплуатации, нередко случаются аварийные ситуации, основными причинами возникновения которых являются:
- несоответствие геометрических параметров сооружения физико-механическим свойствам слагающих грунтов и грунтов основания;
- неполный учет влияния обводненности на устойчивость сооружения;
- несоответствующий физической картине явления учет внешних факторов, например сейсмического.
Таким образом, задача оценки и обеспечения устойчивости грунтовых дамб и грунтовых плотин является актуальной в настоящие время.
Объект исследования - намывные грунтовые ограждающие дамбы с пологими откосами на различных типах оснований.
Предмет исследования - взаимосвязь геометрических параметров грунтовых дамб, физико-механических свойств слагающих их грунтов, обводненности и внешних факторов с устойчивостью откосов.
Цель работы - исследование взаимосвязи параметров устойчивости откосов ограждающих дамб на различных типах оснований с физико-механическими свойствами слагающих их грунтов, геометрическими параметрами сооружения, обводненностью и внешними силовыми факторами.
Идея работы состоит в учете излома поверхности скольжения на контактах дамбы с грунтами основания.
Задачи исследования:
- исследование и выбор методов оценки физико-механических свойств грунтов, слагающих тело дамб и их оснований;
- исследование и выбор метода оценки положения поверхности депрессии в теле дамбы;
- выбор и обоснование математической модели грунтовых ограждающих дамб;
- разработка методики оценки устойчивости откоса и построения наиболее опасной поверхности скольжения в теле дамбы;
- создание программного обеспечения для расчета устойчивости откосов грунтовых ограждающих дамб,
Методы исследования - в диссертационной работе использован комплексный метод научных исследований, включающий анализ и теоретическое обобщение закономерностей устойчивости техногенных сооружений с откосами в физических полях; математическое моделирование поведения объекта исследований; сопоставление теоретических результатов с результатами фактических наблюдений.
Научные положения, выносимые на защиту:
- наиболее опасной поверхностью скольжения является поверхность, описываемая в плоском сечении логарифмической спиралью;
- при пологих (до 15°) откосах наиболее вероятными являются оползни с выдавливанием пород основания или оползни, развивающиеся по контакту тела дамбы и пород основания;
- для контактных оползней при пологих откосах с увеличением высоты дамбы растет ее устойчивость.
Научная новизна работы заключается:
- в учете излома поверхности скольжения на контакте с породами основания грунтовых сооружений с пологими откосами;
- в разработанной методике построения поверхности скольжения для различных типов оползней;
- в установленных закономерностях изменения устойчивости откосов дамб при изменении высоты сооружения и заложения откосов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечивается:
- применением фундаментальных законов физики и основных положений геомеханики;
- сходимостью результатов теоретических исследований с результатами практических наблюдений;
- положительными результатами внедрения рекомендаций на промышленных предприятиях.
Практическая ценность работы заключается в повышении надежности расчетов параметров устойчивости откосов грунтовых ограждающих дамб. Личный вклад автора:
- обоснование расчетных схем, используемых при оценке устойчивости откосов техногенных сооружений на различных типах оснований;
- разработка алгоритма расчета устойчивости откосов;
- разработка программы расчета устойчивости техногенных сооружений с откосами.
Реализация результатов работы. Результаты исследования послужили теоретической основой при разработке рекомендаций, используемых на ОАО «Ванадий» и ОАО «Гайский ГОК».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной научно-технической конференции «Комбинированная геотехнология: масштабы и перспективы применения» (Магнитогорск, Учалы, 2005 г.) На 10-й Юбилейной международной научно-технической конференции «Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья» {16-21 мая 2005 г.), г Екатеринбург, а также на научных семинарах кафедры РРМ УГГУ. Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 125 страницах машинописного текста, списка литературы из 138 наименований, а также включает 25 рисунков и 8 таблиц.
Современные методы оценки устойчивости откосов
Для проведения практических расчетов используемых в настоящее время коллективом авторов под руководством Г.Л.Фисенко [33] созданы правила для расчетов устойчивости откосов и бортов на угольных разрезах. По рекомендации правил, задачи по расчету устойчивости разбиваются на ряд типовых с привязкой к конкретным горно-геологическим условиям и, в зависимости от физико-механических свойств грунтов. Факторы, влияющие на устойчивость бортов разрезов, представлены автором в виде четырех групп; Инженерно-геологические; Гидрогеологические; Физико-географические; Горнотехнические. И структурированы в виде схемы (рис 1.2.). При определении местоположения линии скольжения в массиве откоса по правилам разработанным ГЛ. Фисенко и рекомендованным ВНИМИ используется круглоцилиндрическая модель, и специально созданные таблицы и графики. Расчеты ведутся вручную. При расчетах устойчивости откосов оценивается баланс сдвигающих и удерживающих сил, при этом рассматривается либо многоугольник сил (способ геометрического сложения сил), либо метод алгебраического сложения сил (алгебраическое сложение сдвигающей и удерживающей сил по линии скольжения). Вопросам изучения устойчивости гидротехнических сооружений посвящены работы ВТ. Зотеева [13-15, 49, 108], A.M. Гальперина [103], О.В.Зотеева и других авторов [17-20]. Под руководством В.Г. Зотеева научным коллективом сотрудников была проведена большая методическая и аналитическая работа, ре- зультатом которой стала «Методика расчета устойчивости грунтовых плотин с учетом сейсмических нагрузок» [14], В созданной методике, на основе основных положений теории предельного равновесия, механики грунтов и с учетом влияния фильтрационных процессов и внешних воздействий, созданы расчетные схемы для оценки устойчивости плотин и дамб. Полученные решения обеспечивают однозначное определение местоположения и формы наиболее опасной поверхности скольжения при формировании оползней.
Для расчета разработано несколько вариантов учета сейсмических и динамических нагрузок. Результаты расчетов устойчивости техногенных сооружений, полученные согласно представленной методике [14] хорошо согласуются с результатами практических исследований, обладают высокой степенью достоверности и доступностью для применения рядовыми пользователями. В работе ВТ. Зотеева [14] определены границы возможного применения расчетных схем с монотонной криволинейной (логарифмическая спираль), ломанной, плоской поверхностями скольжения. Даны рекомендации по определению сдвиговых сил возникающих в теле плотин и дамб от действия фильтрационного потока. Приведены примеры учета этих сил при расчете коэффициента устойчивости сооружений. 1.3.3. Особенности расчета устойчивости обводненных откосов В реальных условиях полностью осушенные откосы практически не встречаются. Доказано, что подземные воды оказывают существенное влияние на устойчивость бортов, уступов, отвалов и дамб [14,15,17,33,38,103]. Степень влияния на параметры устойчивости зависит от уровня подземных вод в теле сооружения. Очевидно, что поведение техногенных сооружений с откосами в естественных условиях можно описать, используя понятие градиента, как-то градиент поля силы тяжести [1,32,38,103,131], градиент температуры [50] и градиент напора [15,38,99,103]. При этом обязательно учитывают физические свойства грунтов слагающих тело сооружения, геометрию откосов и внешние факторы [16,18,63-89,92].
Обводненность техногенных сооружений с откосами в поле силы тяжести
Механизм протекания жидкостей в массиве техногенных сооружений носит сложный физико-химический характер и определяется огромным числом независимых факторов. Коротко перечислим основные положения теории. Все влажные материалы в зависимости от их основных коллоидно-физических свойств можно разделить на три вида; Типичные коллоидные тела (желатин, тесто); Капиллярнопористые тела {увлажненные керамические материалы, влажный кварцевый песок); Капиллярнопористые коллоидные тела, обладающие свойствами первых двух видов {глина, почвы, грунты, торф). Коллоидные тела поглощают наиболее близкие по полярности жидкости и при этом набухают. Капилярнопористые тела впитывают любую смачивающую их жидкость независимо от ее химического состава. Согласно схеме академика ПАРебиндера [50] классификация форм связи вещества с влагой может быть представлена как: Химическая связь (связь з точных количестеенных соотношениях); Физико-химическая связь (связь в различных нестрого определяемых соотношениях); Физико-механическая связь (удержание воды в неопределенных соотношениях). При изменении физических условий, например при изменении температуры жидкости и массива сооружения картина явления фильтрации изменяется.
Перенос жидкости внутри капиллярнопористого тела в большой степени зависит от характера молекулярной связи жидкости содержащейся в теле с веществами скелета тела. При поглощении жидкости коллоидными телами происходит контракция системы тело плюс жидкость. Тело, поглощая жидкость, увеличивает свои размеры, при этом объем набухшего тела кя.т. меньше суммы объемов тела Гс.т. и поглощенной жидкости Кж. Эту разность можно вычислить по эмпирической формуле [50]: где и- количество поглощенной жидкости, а\ и -постоянные коэффициенты Контракция системы: Связанная вода обладает свойствами упругого твердого тела, а тонкие пленки связанной воды толщиной 0,1 мк. обладают расклинивающим эффектом. Такие пленки наблюдаются на насыпках из песка [50] причем толщина пленки уменьшается с увеличением дисперсности. Связанная вода в грунтах имеет повышенную плотность {1,13-1,74)кг/м3. Количественный метод определения связанной воды в сыпучих влажных материалах, предложил Н.В.Книппер [119], Метод основан на независимости коэффициентам от частоты удля связанной воды: где/gp -тангенсугла потерь, г -диэлектрическая проницаемость. Для свободной воды коэффициент К. резко изменяется в зависимости от частоты. Капиллярная связь жидкости характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения жидкости а и капиллярным давлением Ра. В зависимости от угла смачивания поверхность подразделяют на лиофильную и лиофобную. Экспериментальное обоснование деления капилляров на микрокапилляры (г Ю"7м), макрокапилляры {г Ю"7м) дано Ю.Л.Кавказовым. Все поры, радиус которых (г 10"3м), не являются капиллярами и поведение жидкости в таких системах необходимо рассматривать с учетом действия силы тяжести. Величина перового давления в микрокаппиллярах может достигать весьма значительных величин.
Например при полном смачивании cos8=l, t=20aC, г=10 8м (уголь, мел...) возможное капиллярное поднятие жидкости 1500 м, а всасывающая сила F=\S0 кг/см2. Вышесказанное позволяет обозначить наше понимание термина пористая среда. Под пористой средой следует понимать твердое тело со сквозными, несквозными и закрытыми каналами. Исходя из этого пористость бывает открытой (эффективной) и закрытой. Согласно модельным представлениям пористые тела описывают как систему капилляров, либо как насыпки зернистых тел правильной геометрической формы.
Описание программы расчета устойчивости пологих откосов
Программа Otkos позволяет используя исходные и полученные путем расчетов данные с учетом параметров геометрического образа объекта подсчитать запас устойчивости сооружения с пологими откосами в поле силы тяжести как целого.
Полученная информация может отображаться на экране в графическом виде и сохраняться в файл с выходными данными используемом для дальнейших расчетов. Пакет написан на языке Fortran Power Station 1.0 и может работать под управлением MS-DOS и Windows 9х. Для нормальной работы пакета файл DOSXMF.EXE должен находиться в директории, куда прописан путь (path). Кроме того, при работе из-под системы Wind ows-9x и старше в файле system.ini в разделе [386Enh] должны быть указаны две строки device, определяющие путь к файлам Dosxnt.386 и mmd.386, например: [386Enhj - имя раздела в файле system.ini После запуска программа запрашивает имя файла с исходными данными. Файл должен быть создан заранее с помощью любого текстового редактора и записан как файл DOS в кодировке ASCII (редакторы Лексикон, Multi-Edit, и др. Также можно использовать Word или Notepad, выгружая файл как "текст DOS"). Файл с исходными данными имеет следующую структуру; В первой строке, через пробел, вводятся параметры откоса: высота откоса от нижней бровки, углы низового и верхового откосов (градусы), ширина гребня плотины, уровни верхнего и нижнего бьефов (м), коэффициент сейсмичности, период колебаний основания (сек), масса взрываемых зарядов (т), расстояние о места взрывов до плотины (м), количество рассматриваемых контактов Во второй строке вводятся отметки профиля и откоса. В третьей строке вводятся физико-механические свойства грунтов тела дамбы: сцепление (МПа), угол внутреннего трения (град.), пористость (доли ед.)т плотности в условиях естественной влажности и минеральной части (т/куб.м), скорость распространения упругих волн (км/сек), коэффициент зависящий от свойства грунтов для расчета амплитуды смещений от массовых взрывов, В четвертой строке вводятся физико-механические свойства грунтов основания: сцепление (МПа), угол внутреннего трения (град.), пористость (доли ед.}, плотности в условиях естественной влажности минеральной части (т/куб.м), скорость распространения упругих волн (км/сек), коэффициент свойств грунтов для расчета амплитуды смещений от массовых взрывов мощность, м В пятой и шестой строках вводятся характеристики контактов: сцепления (МПа) и угла внутреннего трения (град) по контактам, а также углов наклона контактов (град, отрицательный угол - падение от рассматриваемого откоса)
В седьмой строке вводятся параметры депрессионной кривой: вводится количество точек депрессионной кривой если точек 0, то воды нет вообще, соответственно нет и уровней верхнего и нижнего бьефов. В восьмой строке вводятся признаки учета при подсчете коэффициентов запаса: фильтрационное давление, поровое давление от землетрясений, от массовых взрывов и сдвигающей сейсмической силы, а также с присоединенной водой (1 - учитываем, 0 - не учитываем) Далее в девятой строке вводится количество точек, определяющих контур скальной наброски, служащий для пригрузки откоса. В том случае, если пригрузка откоса не предусмотрена, вводится 0. Описание пригрузки осуществляется следующим образом: Далее после ввода имени файла программа предлагает выбрать: «Показывать все варианты поверхностей скольжения (1) или только наиболее опасную (0)». Если выбрано «Показывать все поверхности скольжения», то программа численными методами производит расчет минимально возможного значения коэффициента запаса выводя промежуточные графически построенные схемы на экран. Сброс изображения с экрана осуществляется нажатием клавиши Enter, после чего на экран выводится запрос о необходимости записать изображение на диск в виде черно-белого Bitmap-файла (bmp). В случае такой необходимости будет выдан запрос о имени, под которым этот файл будет сохранен. После каждого построения на экран выводятся исходные данные, использовавшиеся для построения графического изображения. Вывод графических изображений на экран будет осуществляться пока не найдено критическое значение коэффициента запаса. Если выбрано построение только наиболее опасной поверхности программа рассчитает и построит наиболее опасную поверхность скольжения при минимальном возможном коэффициенте запаса. После чего на экран выводится запрос о необходимости записать изображение на диск в виде черно-белого Bitmap-файла (bmp). Затем выводятся исходные данные, использовавшиеся для расчетов.
Исследование закономерностей изменения устойчивости пологих откосов
На очень пологих откосах, как это было показано в разделе 3, поверхность скольжения не может реализоваться в теле откоса. Оползень может сформироваться лишь за счет выдавливания слабых пород осно- вания, либо по контакту прочных пород основания и тела дамбы. Для изучения закономерностей изменения запаса устойчивости пологих откосов был проведен ряд расчетов по методике [15]. При этом рассматривались только контактные оползни и изучалась зависимость устойчивости от угла откоса дамбы, ее высоты и от угла трения по контаїоу грунтов дамбы и основания. Полученные результаты отображены в виде графических зависимостей (рис. 4.2.). Анализ полученных зависимостей позволяет сделать выводы: - при увеличении угла откоса значение коэффициента запаса уменьшается, как это отмечается и в крутых откосах; - при увеличении высоты пологих откосов значение коэффициента запаса возрастает за счет увеличения призмы упора. Таким образом, приведенные на рис.4.1 и 4.2. результаты расчетов позволяют утверждать, что влияние высоты откосов на их устойчивость различно и зависит от типа оползня, В случае крутых склонов, когда поверхность скольжения локализуется в теле откоса, с ростом высоты снижается доля сцепления в сумме удерживающих сил. В случае пологих откосов, когда призма упора возрастает быстрее призмы давле- ния, наращивание высоты приводит к увеличению устойчивости всей дамбы.
В качестве иллюстрации реализации результатов приведем пример расчета параметров устойчивости ограждающих дамб хвостохрани-лища ОАО Качканарский ГОК «Ванадий». Хвостохранилище расположено в долине реки Выя и её правобережного притока реки Рогалевки Участок размещения хвостохранилища с юго-запада, запада и северо-запада ограничен долинами рек Рогалевки и Выят а с северо-востока и востока горами Большая и Малая Луговые и разделяющими их седловинами с перепадом отметок естественного рельефа от 230 до 350 м. Таким образом, ограждающими дамбами, образующими емкость для хвостов обогатительной фабрики, являются: Береговая, Раздельная, № 1, Восточная, № 2, № Зт № 4, Южная и отсутствующая в настоящее время дамба № 5. Все дамбы намыты на скальном основании, выше которого местами залегают слабые прослои глины (дамбы Береговая, №3,№4). Исключение составляют дамбы №1, Раздельная и Южная. Дамба №1 намыта на отвале скальных пород, что привело к ее практически полному осушению. Дамба Раздельная намыта на слое песков мощностью до 20м, а дамба Южная - на слое песков мощностью до 40м, Дамбы намывные, у всех дамб угол низового откоса 9,46 (заложение 1:6). Угол верхового откоса 0,7 (заложение 1:75).
Результаты расчетов устойчивости дамб при достижении их гребнями отметки +331 м приведены в таблице 4.2, Расчетные схемы и положения поверхностей скольжения для различных сочетаний нагрузок применительно к дамбам Береговая и Южная приведены на рис. 4-3 -4,8. Эти результаты были использованы при разработке рекомендаций [135] и использованы в проектах [136, 137], Повышенные значения коэффициентов устойчивости дамб №1 и Восточная объясняются их эффективным дренажом (дамба №1 намыта на крупнообломочном основании, а в теле дамбы Восточная при аварии 1999г. образовалось два прорана шириной 8-10мм которые были, в последствии засыпаны скальной наброской). Повышенная устойчивость дамб Раздельная и Южная объясняется тем, что на них могут сформироваться только оползни с выдавливанием пород основания (песков). Учет взвешивающего эффекта и фильтрационного давления (рис.4.3): параметры логарифмической спирали: координаты центра Х=523,34 м, Y=87,20 м; ширина оползневой призмы 50,43 м; начальный радиус-вектор 41,59 м; координаты точки пересечения спирали с контактом Х=456,12 мт =0,00 м; угол между спиралью и контактом в точке пересечения 18,37.
