Введение к работе
Актуальность работы. Предметом настоящей работы является обоснование надежных и экологически безопасных конструктивно-технологических решений накопителей промышленных отходов в криолитозоне (золоотвалов, хвостохранилнщ, шламонакопителен). Необходимость исследований определяется значительным увеличением количества и продолжительности эксплуатации этих сооружений, неблагополучным состоянием многих из них и недостаточной нормативно-методической базой проектирования, не отвечающей современным природоохранным требованиям и специфическим природным условиям (суровый климат, вечная и сезонная мерзлота, криогенные процессы и определяющая роль температурного фактора).
В России к 1999 г. накоплено более 1 400 млн. тонн токсичных промышленных отходов. К 1991 г. от сжигания твердого топлива на ТЭС стран СНГ ежегодно образовывалось свыше 100 млн. тонн, а в отвалах было накоплено свыше 1,5 млрд. тонн золошлаковых отходов. Уровень их использования составлял 13 - 15 %, что значительно ниже уровня, достигнутого в развитых странах. К настоящему времени этот показатель снизился по России до 8 %. В частности, только тепловыми электростанциями АОЭиЭ "Иркутскэнерго" производится в год до 3 млн. тонн золошлаков, а используется всего 230 тыс. тонн золы и 500 тыс. тонн шлака; остальной объем складируется в золошлакоотвалах.
Неудовлетворительное состояние накопителей наблюдается не только в криолитозоне, но и за ее пределами, где сезонное промерзание-протаивание грунтов также оказывает негативное воздействие на устойчивость и экологическую безопасность сооружений, особенно в сочетании с фильтрацией загрязненных вод.
За последние 40 лет возведены многочисленные накопители в зоне вечной мерзлоты, в частности, такие уникальные сооружения, как хвостохранилища Норильского ГМК и компании АЛРОСА в Якутии, эксплуатационная надежность которых во многом определяется теплофизическими и криогенными процессами. В южной части криолитозоны, характеризующейся островным распространением высокотемпературной вечной мерзлоты и глубоким сезонным промерзанием, также расположены многочисленные золоотвалы, хвосте— и шламохранилища. Деформации и аварийные ситуации на этих объектах были обусловлены неконтролируемым развитием теплофизических, фильтрационных и криогенных процессов (например, золоотвалы Абаканской ТЭЦ, Иркутской ТЭЦ-П, Красноярской ТЭЦ-1, Благовещенской ТЭЦ и др.).
Проектирование и возведение надежных и экологически безопасных гидротехнических сооружений накопителей в сложных природных условиях криолитозоны является крупной научно-технической проблемой, имеющей важное народно-хозяйственное значение. В качестве исходной концепции при решении этой проблемы принято, что перспективные и экологически безопасные технологии складирования отходов - хвостов, золошлаков, шламов и соответствующие технические решения накопителей должны быть основаны на эффективных методах регулирования тепло- и массообмена в системе атмосфера - накопитель -основание. Эта концепция определяет цель исследований и состав комплекса научно-технических задач, рассматриваемых в диссертационной работе.
Целью настоящей работы является создание эффективных способов регулирования процессов тепло- и массообмена в системе атмосфера - накопитель -основание, а также разработка и обоснование надежных и экологически безопасных
4 конструктивно-технологических решений накопителей, соответствующих сложным природным условиям криолитозоны.
Для достижения поставленной цели решены следующие научно-технические задачи:
Проведен комплекс натурных исследований, позволяющих выявить и
обобщить закономерности протекания криогенных процессов и тепло-массоообмена
в системе атмосфера - накопитель - основание, а также провести сравнительный
анализ расчетных и натурных данных.
Разработан комплексный метод регулирования теплового режима накопителей мерзлого типа, позволяющий эффективно использовать водонепроницаемость и высокую прочность мерзлых грунтов для обеспечения устойчивости и экологической безопасности сооружений.
Выполнено математическое моделирование процессов тепло- и массообмена в тало-мерзлых грунтовых массивах сложного криогенного строения, позволяющее достаточно обоснованно прогнозировать тепловой режим проектируемых сооружений и проводить их мониторинг.
Составлены рекомендации по регулированию теплового и фильтрационного режимов в ограждающих дамбах талого типа и проведены расчеты, позволяющие обосновать оптимальные проектные решения для конкретных объектов.
Проведены экспериментальные исследования, позволяющие обосновать эффективные способы тепловой мелиорации мерзлых грунтов в насыпях и круглогодичные технологии строительства накопителей.
Разработаны криогенные технологии экранирования намывных накопителей и обоснованы необходимые параметры тепло- и пщроизоляционных экранов.
Выполнены экспериментальные исследования воздействия криогенных процессов на пленочные экраны накопителей, позволяющие предотвратить деформации экранов при развитии морозобойных трещин и термокарста.
Составлены рекомендации по проектированию накопителей в криолитозоне.
Методы исследования. Для достижения поставленной цели и решения перечисленных задач использован комплексный метод, включающий:
натурные исследования объектов;
обобщенный анализ экспертных оценок состояния накопителей;
экспериментальные исследования на физических моделях;
патентные исследования и разработки новых технических решений;
математическое моделирование процессов тепло- и массообмена в грунтовых массивах накопителей с использованием аналоговых моделей, численных методов.
Экспериментальные исследования воздействия криогенных процессов на пленочные экраны накопителей проводились на установке, запроектированной автором. Для натурных исследований использовались как стандартные измерительные приборы, так и специально изготовленные влагостойкие термогирлянды.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием методов исследований, соответствующих современному состоянию прикладной теплофизики, геофильтрации и геокриологии. Результаты, полученные различными методами, в частности, данные натурных наблюдений и расчетные параметры исследуемых процессов вполне удовлетворительно совпадают; в частности,
5 расхождение измеренных в натуре и прогнозируемых температур мерзлых элементов дамб не превышает 10-15 %. Важным фактором, подтверждающим достоверность выводов, является их использование в практике проектирования и эксплуатации накопителей и в инструктивно-нормативных изданиях.
