Содержание к диссертации
Введение
1. Методы контроля физического состояния массивов горных пород и прогноза происходящих вних процессов 11
1.1. Актуальность проблемы прогноза устойчивости техногенных массивов гидротехнических сооружений 11
1.2. Методы прогноза устойчивости естественных и техногенных породных массивов при ведении открытых горных работ 21
1.3. Методы контроля физического состояния массивов горных пород 25
1.3.1. Геолого-маркшейдерские, инструментально-механические и гидро-газодинамические методы 29
1.3.2. Геофизические методы 34
1.3.3. Геоэяектрическые методы 37
1.4. Выводы» Цель и задачи исследований 44
2. Установление особенностей техногенных грунтовых массивов дамб гтс как объектов геоэлектрического контроля 47
2.1. Исследование взаимосвязи физико-механических и электрофизических свойств техногенных грунтовых массивов гидротехнических сооружений 47
2.2. Исследование влияния геологической структуры массива на глубинность геоэлектрического зондирования 52
2.3. Исследование влияния геометрических параметров дамб при геоэлектрическом контроле их состояния 56
Выводы 64
3. Комплексные исследования параметров зон влагонасыщения и разуплотнения, определяющих физическое состояние грунтовых дамб гидротехнических сооружений, на основе геоэлектрического мониторинга 67
3.1. Определение параметров зон влагонасыщения тела протяженной дамбы малого сечения равнинного типа геоэлектрическим методом 67
3.2. Исследование гидродинамических процессов в дамбе овражного типа среднего сечения и протяженности па устойчивом основании геоэлектрическим и пьезометрическим методами 75
3.3. Комплексное исследование гидродинамических и деформационных процессов в ограждающей перемычке большого сечения на намывном основании 82
Выводы 98
4. Совершенствование способов, методик и компьютерных программ для оценки устойчивости грунтовых дамб гидротехнических сооружений 100
4.1. Разработка способов прогноза и повышения устойчивости массивов горных пород на угольных предприятиях на основе геоэлектрического контроля их состояния 100
4.2. Совершенствование методики и разработка компьютерных программ прогноза устойчивости техногенных массивов гидротехнических сооружений
4.3. Совершенствование методик и разработка компьютерных программ прогноза ущерба от нарушения устойчивости гидротехнических со оружений 118
Выводы 126
Заключение 128
Литература 132
Приложения 144
- Методы прогноза устойчивости естественных и техногенных породных массивов при ведении открытых горных работ
- Исследование влияния геологической структуры массива на глубинность геоэлектрического зондирования
- Исследование гидродинамических процессов в дамбе овражного типа среднего сечения и протяженности па устойчивом основании геоэлектрическим и пьезометрическим методами
- Совершенствование методики и разработка компьютерных программ прогноза устойчивости техногенных массивов гидротехнических сооружений
Введение к работе
Гидротехнические сооружения (ГТС) являются объектами, непосредственно обеспечивающими технологические процессы предприятий горнодобывающей и смежных отраслей промышленности. Нарушение устойчивости дамб ГТС может привести к значительному экономическому и экологическому ущербу» В мировой практике известны случаи прорыва дамб и плотин, приведших к человеческим жертвам и имевшие масштабы национальных катастроф. В Кузбассе эксплуатируются более 130 накопителей, отстойников, шламохранилищ, гидроотвалов, различающихся по классу ответственности, емкости, высоте, протяженности, рельефу основания, способу возведения и другим признакам. Зафиксирован ряд случаев деформаций техногенных массивов ГТС, причем основными причинами разрушения дамб являются отсутствие и недостаточная информативность инженерно-геологических изысканий, нарушения норм проектирования, технологии строительства и правил эксплуатации объектов. По данным Ростехнадзора более 2% хвостохраннлищ находятся в аварийном состоянии» В этой связи в соответствии с Федеральным Законом «О безопасности ГТС» созданы специальные аналитические центры, разработана программа, предусматривающая периодическое обследование объектов, мониторинг и прогноз их безопасной эксплуатации.
Оценка устойчивости откосов техногенных массивов, основанная на определении соотношения моментов сдвигающих и удерживающих сил, суммируемых в пределах призмы возможного обрушения, требует знания динамики происходящих в них физических процессов. Геолого-маркшейдерские, инструментально-механические, гидро- и газодинамические методы геоконтроля не обеспечивают требуемого объема информации, связаны со значительными объемами буровых работ. Целесообразно развитие в данном направлении бес-скважинных геоэлектрических методов, основанных на оперативном мониторинге аномалий геоэлектрических полей, взаимосвязанных с изменениями фи-
зических свойств техногенных массивов. До настоящего времени не отработаны методики геоконтроля (не установлены диапазоны изменения расчетных постоянных для насыпных пород и зависимости между ними, не оценены глубинность зондирования объектов и влияние на точность измерений их геометрических параметров), не изучены особенности гидродинамических и деформационных процессов в массивах ГТС различного типа, применяемые методики оценки устойчивости откосов не адаптированы к возможностям оперативного мониторинга состояния горных пород.
Решение данных задач позволит значительно снизить затраты на обследование объектов ГТС, повысить точность оценки их устойчивости.
Актуальным представляется исследование физического состояния (вла-гонасыщенности, степени уплотнения) техногенных массивов грунтовых дамб комплексом методов, включая геоэлектрические, совершенствование на этой основе способов и методик оценки устойчивости объектов ГТС, обеспечивающих их безопасную эксплуатацию.
Исследования выполнялись в соответствии с планами хоздоговорных НИР ГУ КузГТУ и Минтопэнерго (объем финансирования в 2002 -г 2004 гг. 260,0 тыс. руб.) при поддержке гранта Минобразования РФ А 03-2ЛЗ-12, гранта РФФИ по проекту № 05-05-64100, а также планом работ аналитического центра по мониторингу ГТС предприятий угольной промышленности России -НФ "КУЗБАСС-НИИОГР",
Основная идея работы заключается в использовании аномалий геоэлектрических полей в комплексе с данными маркшеидерско-геологических и инструментальных наблюдений для определения параметров физического состояния техногенных массивов ГТС, установления расположения опасных зон и оценки устойчивости дамб из грунтовых материалов.
Методы исследований. Выполнен комплекс исследований, включающий анализ, обобщение данных технической литературы и патентной информации, аналитические исследования с использованием классических методов и моделей геоэлектрического контроля, лабораторные методы изучения физических свойств образцов горных пород и моделирования объектов геоконтро-
ля на экспериментальной установке, натурные экспериментальные исследования на объектах ГТС предприятий угольной отрасли с привлечением данных геологических служб и инструментальных наблюдений, методы реализации многоэтапных и циклических расчетов в форме компьютерных программ, ста-тистическая обработка результатов измерений.
Объекты исследования — техногенные массивы дамб, плотин, перемычек ГТС, сложенные вскрышными скальными породами и мягкими связными грунтами.
Научные положения, защищаемые в диссертации:
изменения пористости и влагонасыщенности техногенных грунтовых массивов дамб ГТС связаны с приращениями удельного электросопротивления степенными зависимостями» при этом входящие в них структурные параметры извилистости и смачиваемости поровых каналов изменяются в диапазонах р = 1,3 ~^ 1,5 и у = 3,4-г 4,6, а учет геометрических параметров объектов и степени заполнения емкости обеспечивается введением дополнительных коэффициентов измерительной установки, изменяющихся в пределах 0,74 * 1;
изменение физического состояния грунтовых дамб на естественных основаниях определяется интенсивностью гидродинамических процессов формирования скрытых обводненных зон в теле дамб и породах основания, причем в дамбах равнинного типа протяженность этих зон в плане составляет 20 т 100 м, а в дамбах овражного типа они приурочены к тальвегам логов с расположением верхней границы на глубине 4 -s- 8 м от гребня и 2,5 -з- 3 м от низового откоса;
изменение физического состояния дамб на намывных основаниях определяется гидродинамическими процессами формирования по контакту намывного слоя скрытых фильтрационных коллекторов шириной 30 ч- 50 м и деформационными процессами, связанными с консолидацией насыпных пород под действием внешних нагрузок и порового давления, локальным разуплот-
нением над зонами коллекторов^ плоскопараллельным перемещением участков дамбы вместе с намывными грунтами основания;
- повышение точности оценки устойчивости откосов дамб ГТС обеспе
чивается установлением площади зоны водонасыщения (разуплотнения), раз
меры которой определяют по отрицательным (положительным) аномалиям на
графиках продольного и поперечного электропрофилирования, а также выбо
ром наиболее опасного участка дамбы по минимальным значениям коэффици
ента запаса устойчивости, рассчитываемого с учетом изменяющейся по длине
дамбы глубины залегания вероятной поверхности скольжения, устанавливае
мой по графикам продольного электропрофилирования по оси гребня.
Научная новизна работы заключается:
в установлении диапазонов изменения структурных параметров грунтов, определяющих зависимости их свойств от удельного электросопротивления, а также поправочных коэффициентов, учитывающих влияние геометрических параметров дамб при бесскважинном геоэлектрическом контроле;
в установлении закономерностей комплексным геоэлектрическим методом гидродинамических и деформационных процессов в дамбах ГТС равнинного и овражного типа на естественных и намывных основаниях, определяющих изменение их физического состояния;
- в разработке способов оценки устойчивости откосов дамб ГТС и усту
пов бортов карьеров, включающих продольное, поперечное геоэлектрическое
профилирование и зондирование с поверхностей гребня и откоса дамбы..
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
- использованием для совершенствования методик геоэлектрических ис
следований фундаментальных и апробированных зависимостей электрораз
ведки;
- применением стандартных методов лабораторных исследований ме
ханических и электрофизических свойств насыпных пород, апробированных
методик и аппаратуры бесскважинных натурных геоэлектрических исследований, пьезометрических, прецизионных инструментальных измерений и системы спутникового определения местоположения (GPS);
- значительным объемом натурных экспериментальных исследований
(более 7000 м профилей геоэлектрических измерений, 500 м скважин инже
нерно-геологических изысканий, 200 определений координат реперов марк
шейдерских станций) на 15 объектах ГТС угольных предприятий;
- положительными результатами сопоставления данных оценки устой
чивости откосов дамб на основе инженерно-геологических изысканий, гео
электрических и пьезометрических измерений (расхождение не превышает
20%), а также внедрения разработанных рекомендаций при эксплуатации объ
ектов ГТС на угледобывающих предприятиях Кузбасса.
Личный вклад автора заключается:
в теоретическом анализе решений прямых задач электроразведки и экспериментально-аналитических зависимостей геоэлектрического метода;
в проведении комплексных лабораторных исследований физических свойств образцов насыпных пород и поронасыщающих жидкостей;
в физическом моделировании геоэлектрического контроля состояния дамб на экспериментальной установке;
в разработке методики, проведении комплексных натурных исследований физического состояния техногенных массивов ГТС, обработке и анализе результатов;
в разработке способов оценки устойчивости откосов дамб и уступов на основе геоэлектрического контроля их состояния;
в разработке компьютерных программ для оценки устойчивости дамб и расчета эколого-экономического ущерба от их нарушения;
- в разработке рекомендаций по безопасной эксплуатации дамб ГТС.
Научное значение работы заключается в определении диапазонов из
менения структурных параметров пород и поправочных коэффициентов, обес-
почивающих повышение точности геоэлектрического контроля физического состояния грунтовых дамб, установлении закономерностей гидродинамических и деформационных процессов в техногенных массивах ГТС и разработке на этой основе способов оценки их устойчивости.
Практическая ценность работы заключается:
- в разработке методик определения параметров обводненных зон и
фильтрационных коллекторов в теле грунтовых дамб на основе методов бес-
скважинного электрического зондирования и профилирования в комплексе с
анализом геологических данных, пьезометрическими и инструментальными
маркшейдерскими наблюдениями;
- в разработке пакетов компьютерных программ, обеспечивающих авто
матизацию расчетов по оценке устойчивости грунтовых дамб и эколого-
экономического ущерба от предполагаемой гидродинамической аварии»
Реализация работы.
Рекомендации по безопасному режиму эксплуатации дамб ГТС, разработанные на основе результатов исследования физического состояния техногенных массивов, расчетов с помощью компьютерных программ коэффициентов запаса устойчивости и эколого-экономического ущерба от возможной аварии, использованы НФ "КУЗБАСС-НИИОГР" при оценке устойчивости и разработке мероприятий по повышению безопасности ГТС ОАО «Шахта им. СМ. Кирова» (шламовый отстойник «Дальний» обогатительной фабрики), ЗАО «Черниговец» (илонакопитель обогатительной фабрики), ОАО «Разрез Кедровский» (ограждающая перемычка гидроотвала №3).
Методики бесскважинного геоэлектрического контроля гидродинамических и деформационных процессов в теле дамб, результаты их применения вошли составной частью в «Методические указания по контролю геомеханических и фильтрационных процессов в техногенных породо-грунтовых массивов ГТС горных предприятий комплексным геоэлектрическим методом», утвержденные НФ "КУЗБАСС-НИИОГР" и ОАО ХК (УК) "Кузбассразрезуголь".
Методические разработки и установки для исследования физических свойств грунтов использованы при создании учебно-лабораторного комплекса, а результаты исследований - в учебном процессе при чтении курсов «Методы и средства геоконтроля» и «Геоэлектрический контроль массива горных пород» для специальности 070600 «Физические процессы горного производства» в ГУ КузГТУ.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы обсуждались на II Российско-китайском симпозиуме «Строительство подземных сооружений и шахт» (Кемерово, 2002 г,), Неделе горняка-2004 (Москва, 2004 г.), Международной научно-практической конференции в рамках выставки «Уголь России и майнинг» (Новокузнецк, 2004 г.), ежегодных научных конференциях студентов и преподавателей ГУ КузГТУ (Кемерово, 2002 -з- 2004 гг.).
Экспонат «Геоэлектрический прогноз устойчивости дамб ГТС», подготовленный с участием автора диссертации, награжден дипломом Международной выставки-ярмарки «Экспо-Сибирь» (Кемерово, 2004 г»).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе получено 2 патента на изобретения.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка» 7 таблиц, список литературных источников из 118 наименований, приложения.
Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю д.т.н. СМ. Простовуза организационную и методическую помощь» к.т.н. C.IL Бахаевой за постоянное внимание, поддержку и полезное обсуждение результатов исследований, а также коллективу НФ "КУЗБАСС-НИИОГР" во главе с К-т.н. СИ. Протасовым за помощь в проведении экспериментальных исследований.
Методы прогноза устойчивости естественных и техногенных породных массивов при ведении открытых горных работ
Основным критерием безопасной эксплуатации гидротехнических сооружений является коэффициент запаса устойчивости ограждающих дамб (плотин). Значение коэффициента запаса устойчивости сооружений определяется на основании расчетов устойчивости их откосов. При выборе расчетных методов необходимо учитывать специфику гидрогеомеханическнх условий данных сооружений, определяемую следующими особенностями [7,13,14]: - неоднородность строения откосов, обусловленная присутствием элементов с различными физико-механическими свойствами; - обводненность откосов или их оснований, наличие одного или нескольких водоносных горизонтов напорного или безнапорного характера; - возможность формирования в породах намывного массива или в основании избыточного порового давления; - изменчивость прочностных параметров пород, вызванная пространственной неоднородностью их напряженного состояния.
Среди известных методов расчета устойчивости откосов наиболее полно учесть отмеченные факторы позволяет метод алгебраического сложения моментов сдвигающих и удерживающих сил по плавной криволинейной поверхности скольжения [15,16,17], Этот метод наиболее часто используется в практике гидротехнического строительства. Остальные методы (например, весового давления Р.Р.Чугаева [18]) широкого распространения не получили и применяются эпизодически.
Метод алгебраического сложения моментов сил имеет в своей основе допущение о том, что состояние предельного равновесия фиксируется только в точках на поверхности скольжения, а призма возможного обрушения рассматривается как одно монолитное тело. Согласно К.Терцаги и В.Феллсниусу состояние предельного равновесия определяется только по одному условию статики - равенству моментов удерживающих и сдвигающих сил относительно центра вращения смещающегося тела. При этом исходят из предположения, что поверхность скольжения имеет вогнутую круглоцилиндрическую форму.
Момент сдвигающих сил равен произведению сдвигающей составляющей силы тяжести Т на плечо, равное радиусу вращения R. Так как угол на-клона поверхности скольжения в разных ее точках неодинаков, соответственно и сдвигающая составляющая силы тяжести в этих точках изменяется. Рассмотренный метод расчета устойчивости предполагает, что наиболее напряженная поверхность скольжения имеет условно круглоцилиндрическую форму. Ее положение устанавливается путем подбора при проведении многократных поверочных расчетов.
Метод алгебраического сложения сил, базируясь на изложенной теоретической основе метода К.Терцаги, предполагает разделение выделенной призмы обрушения на отдельные фрагменты (блоки) и определение сдвигающих и удерживающих сил отдельно по каждому блоку в зависимости от напряженного состояния и свойств пород в пределах блока. Общий коэффициент запаса устойчивости определяется в этом случае соотношением суммы всех удерживающих сил к сумме сдвигающих сил. В зависимости от применяемой физической основы полевые и подземные методы контроля разделяют на 2 группы (рис» 1.3): - прямые, предусматривающие визуальные наблюдения и лабораторные исследования образцов горных пород, полученных в том числе с применением буровых работ, включая методы геолого-маркшейдерских, гидрогеологиче ских, гидро- и газодинамических наблюдений, аэро- и космической съемки; косвенные (геофизические), основанные на связи физико-технических параметров состояния и свойств горных пород в аномальных зонах с параметрами разного рода физических полей.
Прямые методы контроля являются наиболее распространенными и разработанными, однако в ряде случаев они не обеспечивают требуемой точности и детальности прогноза в пространстве, недостаточно оперативны во времени. При применении буровых работ прямые методы весьма трудоемки и требуют значительных затрат. Геофизические методы контроля в зависимости от вида используемого физического поля разделяют на акустические, термические, геомагнитные, геоэлектрические и др.
Геофизические методы характеризуются большой базой, высокой производительностью» малой трудоемкостью измерений. Ряд методов геоконтроля позволяет обеспечить автоматизированный режим мониторинга. Перспективность развития данных методов общепризнанна.
Акустические методы контроля предусматривают возбуждение в массиве упругих колебаний определенного диапазона: низкочастотного сейсмического, акустического или ультразвукового- Фиксируя сейсмический сигнал, прошедший через контролируемый участок массива, определяют изменение скорости распространения составляющих сигнала или его затухание, зависящих от плотности, пористости и влажности пород.
Термометрический контроль предусматривает измерение аномалий температуры массива или его тешюфизических параметров (теплопроводности, теплоемкости), зависящих от состояния и свойств горных пород. Геомагнитные методы основаны на измерении аномалий геомагнитных полей. Методы постоянного тока и низкочастотные реализуются при наличии электрического контакта с породным массивом. Они включают: методы регистрации тока, зондирование (подземное и вертикальное с земной поверхности), профилирование, межскважинное просвечивание, скважинный каротаж на постоянном, переменном токе и диэлектрический, методы вызванной поляризации, а также комплекс методов регистрации параметров естественных электрических полей (электрохимических, стационарных, фильтрационных нестационарных).
Исследование влияния геологической структуры массива на глубинность геоэлектрического зондирования
Полученные результаты позволяют перейти к анализу аномалий активных электрических полей в районе зоны гсоконтроля техногенных массивов ГТС. В соответствии с подходом, предложенным в [92], можно выделить две основные геоэлектрические модели исследуемой среды: если обводненная зона представляет собой протяженный проводящий слой, верхняя граница которого находится на глубине h от плоскости гребня, следует рассматривать двухслойное полупространство при р2 р\ (рис. 2.3, а); если обводненная зона локализована (имеет соизмеримые размеры в различных направлениях), ее целесообразно аппроксимировать сферическим проводящим включением (рис. 2.3, 6).
Расчетные схемы для двухслойной среды (а) и сферического проводящего включения (б): h - мощность слоя 1 и глубина центра включения; а — радиус включения; х9 х\ z, г, 0 - координаты; р\, Й2 УЭС сред; А - источник поля; М — расчетная точка Воспользуемся классическими решениями поставленных задач, основанными на применении уравнения Лапласа при соответствующих условиях на границах слоев, в бесконечности и вблизи источника А, приведенными в работах по теории электроразведки [95, 96, 97].
При оценке глубинности z3 в однородной среде применяют два критерия: -npHz= 2Э имеет место перегиб графика функции jx(z); - через сечение на глубине z3 протекает половина зондирующего тока /.
Таким образом, даже для однородной среды нет единого мнения о глубинности зондирования, т.к. ее принимают в довольно широком диапазоне гэ = (0,25 ч- 0,5) АВ. В рассматриваемом случае техногенных массивов дамб ГТС ь среда является существенно неоднородной. В этом случае величина z зависит от структуры и УЭС слоев, слагающих геологический разрез, и не может быть рассчитана заранее. В электроразведке рекомендовано при наличии высоко-проводящих слоев значительной мощности принимать гэ в диапазоне (ОД ч 0,25)АВ. При мониторинге физического состояния дамб ГТС целесообразно применять экспериментальный метод определения z3 на исследуемом участке, сопоставляя результаты ВЭЗ и ЭП с данными инженерно-геологических изы сканий (геологическими разрезами)»
Особенностью дамб как объекта гсоэлектрического контроля является сложная форма поверхности, существенно отличающаяся от плоскости. При этом массив не является полупространством, как это заложено в теоретических моделях. Степень влияния геометрических параметров дамбы (ширина гребня, высота насыпного слоя, заложение откосов, степень заполнения хранилища) на изменение плотности зондирующего тока и геометрического коэффициента установки была исследована на физической модели с использованием геометрического подобия (с учетом одинаковых УЭС среды и модели, а также режимов тока и падения напряжения). Модель дамбы представляет собой герметичную емкость из непроводящего материала с внешними размерами 1 x 1 хО,3 м, заполненную проводящей жидкостью (водопроводной водой) (рис- 2.6).
Рис. 2.6 Схема электролитической модели дамбы хранилища жидких промышленных отходов: 1 - низовой откос; 2 - верховой откос; 3 - уровень заполнения накопителя; 4 - электропроводящая жидкость; 5 — измерительная установка; а - угол наклона откоса; в - расстояние от оси профиля до бровки откоса; Н— высота дамбы; Н3 - высота заполнения хранилища
Подвижность внутренних элементов модели предоставляла возможность проведения исследований для широкого диапазона изменения основных параметров дамб, а именно: угол наклона а низового 1 и верхового 2 откосов дамбы изменялся от 27 до 55а; уровень заполнения накопителя регулировался горизонтальной панелью 3 и устанавливался в три основных положения: Hj = 0,17Н; 0,5Н; 0,7Н. Поскольку в качестве материала заполнителя внутреннего пространства модели была использована водопроводная вода, в эксперименте имитировался однородный изотропный насыпной массив дамбы. Измерения проводили по схеме четырехэлектродной установки AMNB (AM=MN=NB).
Так, на ограждающей дамбе шламового отстойника «Дальний» ОФ ОАО «Шахта им. СМ. Кирова» выполняли комплекс геоэлектрических наблюдений с целью выявления фильтрационных коллекторов в теле сооружения и проверки фильтрационной устойчивости дамбы [98]. Дамба характеризуется большой протяженностью (длина напорного фронта 1840 м) и постоянной высотой 7 м9 при а = 38.
Корректировка результатов геоэлектрического мониторинга на ограждающей дамбе шламового отстойника «Дальний» ОФ ОАО «Шахта им. СМ. Кирова» (а) и дамбе илонакопителя ОФ ЗАО «Черниговец» (б) Ширина плотины выдержана по всей длине (2в = 5 м). В этом случае значение поправочного коэффициента определяли одновременно по двум факторам: шкале в/Н и переменному соотношению АВ/Н при АВ = const = 60 м. Наибольшее влияние изменения высоты дамбы Н на результаты геоэлектрических измерений происходит в средней части дамбы при Н - 12ч-16 мэ где скорректированная величина отличалась на 23% (рис, 2.16 ,б).
Поскольку минимальные возможные значения поправочного коэффициента кп = кпї кп2 0,6, приведенная методика позволяет существенно повысить точность прогноза физического состояния дамб» Рассмотренные в данной работе теоретические и методические аспекты геоэлектрического контроля техногенных массивов ГТС реализованы в отраслевых указаниях [92] и используются при мониторинге деформационных и гидродинамических процессов в насыпных грунтовых дамбах горнодобывающих предприятий.
Исследование гидродинамических процессов в дамбе овражного типа среднего сечения и протяженности па устойчивом основании геоэлектрическим и пьезометрическим методами
В тело земляных плотин (дамб) допускается отсыпать практически любые местные грунты, поэтому в практике строительства таких сооружений на горнодобывающих и перерабатывающих предприятиях широко используют вскрышные породы или отходы обогащения, зачастую даже без изучения фильтрационных свойств этих грунтов. Это, в свою очередь, предопределяет развитие водопроводящих коллекторов и фильтрационных зон в массиве дамбы» Следует отметить, что возведение дамб из глинистых разновидностей грунтов, обладающих крайне малым коэффициентом фильтрации, также не гарантирует отсутствия фильтрации через тело сооружения.
В большинстве случаев появление выходов воды на низовом откосе при грамотной организации регулярных наблюдений не приводит к нарушению нормального режима эксплуатации» Наряду с традиционными методами контроля фильтрационного режима тела дамбы (пьезометры, мерные водосливы и т.д.) весьма перспективно применение геоэлектрического мониторинга.
Комплекс экспериментальных исследований включал следующие методы: - инженерно-геологические изыскания посредством колонкового бурения скважин, отбора монолитов грунта и определения их физико-механических параметров (объемная масса р\ влажность W консистенция Д, сцепление С, угол внутреннего трения р) (изыскания проведены совместно с ЗАО "Спецфунда-ментстрой"); - гидрогеологические наблюдения в пьезометрах, установленных в Скв. 1 (на участке дамбы с максимальной высотой) и Скв, 2; - геоэлектрический мониторинг состояния тела дамбы, включающий вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) с центрами установок в точках 0\ и 02, соответственно, на гребне и низовом откосе, электропрофилирование (ЭП) по профилям 0\Х[ и 02х2 с фиксированными разносами, соответствующими расположению верней границы зоны влагонасыщения. При разносах АВ 100 м замешьш становится влияние слоя 3 мололо-ристых груитой основания дамбы. При дополнительном заполнении штнаш гштеля проигшш_ю повышение уровня грунтовых вод в пьезометре (рне. 3/7, б) и подъем более чем на 2 м верхней границы шт слоя 2. В аномальном по электрическим свойствам слое 2 изменение эффективного УЭС р достигало Арк = 9 Ом-м (до 30 % от среднего уровня)» Сопоставление результатов ВЭЗ и наблюдений по пьезометрам позволили установить соотношение между глубиной зондирования и разносом АВ: h = 0,15 АВ.
Анализ изменения физико-механических свойств по глубине h техногенного массива показывает (рис. 3.7, в), что определяющим является действие двух основных факторов: уплотнения пород под действием статического давления объемных гравитационных сил и влагонасыщения пор за счет фильтрации воды через тело дамбы. Первый фактор является причиной увеличения объемной массы пород р и сцепления С пропорционально глубине й, а также снижения консистенции IL более чем в 5 раз. Второй фактор определяет увеличение влажности WM снижение угла внутреннего трения р на 50 %. Влагонасыщение грунтов по глубине, сопровождающееся увеличением статической нагрузки не приводит к заметному снижению их прочностных свойств, поэтому расчет устойчивости подобного рода дамб следует вести с сохранением механических характеристик грунтов, но с учетом изменившейся гидрогеологической ситуации, в соответствии с методикой, изложенной в статье [103]»
Измерения методом ЭП по профилю 0\Х\ проводили при разносе АВ — 60 м, соответствующем расположению верхней границы обводненной зоны. Результаты ЭП по гребню дамбы позволили проследить динамику развития гидродинамических процессов в данном продольном сечении и прогнозировать в соответствии с расчетными зависимостями, обоснованными в статье [102], изменение глубины h расположения верхней границы влагонасыщенной зоны от плоскости гребня (рис. 3,8).
Из графиков на рис. 3,8, а следует, что обводненная зона в районе профиля 0\Х\ соответствует отрицательной аномалии УЭС на интервале xi = -5 4- 60 м. На момент второго замера (октябрь 2003 г.) зафиксировано снижение общего уровня УЭС и увеличение ширины обводненной зоны в плане в следующих границах: Х\ = -20 -ь 70 м.
Анализ графиков pjx2) и результатов их обработки &#(.х2) (рис. 3.9Ч б) показывает, что обводненная зона м данном продольном сечении тела дамбы соответствует oip и дательной аномалии ЮС im интервале хА -10 -ь 25 м в первой серии измерений и х2 - -20 30 ы во второй. Полученные результаты подтверждают выявленные тенденции к слиянию локальных коллекторов и общий и смещению линии максимального напора подземных вод относительно пьезометрического створа па величину Ах2 = 10 4- 20 м.
Совмещение результатов гидрогеологических и іт дектричеіжнх исследований методом ЭП на плане (рис, ЗА а) и методом ВЭЗ ну вертикальном сечении (рис. ЗА б) позволили получить объемную картину фильтрации через тело ограждающей дамбы. Форма н направленность выявленной водопроводя-щей зоны характерны для дамб балочного типа, поскольку основная фильтрация в низовой части откоса происходит в русле естественного рельефа :ю тальвегу лога. Уровень обводнения и площадь зоны волопасы ще кия техногенною массива дамбы увеличиваются пропорционально степени заполнения емкости илонакопителя.
Депрессионпая кривая наиболее сильно подвержена колебаниям в верховой части дамбы (со стороны верхнего бьефа), в меньшей степени в ее средней части и на участке приближения фильтрационного потока к низовому откосу.
Поскольку визуальные наблюдения и расчет устойчивости дамбы показали на отсутствие существенных признаков нарушения ее технологического состояния, ВЬЇЯВЛЄННЬІЄ закономерности гидродинамических процессов характеризуют плановый режим эксплуатации дамб подобного типа.
Представленные результаты свидетельствуют о том, что геоэлектрический мониторинг в техногенных массивах ГТС в комплексе с инженерно-геологическими изысканиями и пьезометрическими наблюдениями является эффективным методом оперативного и детального прогноза гидродинамических процессов и физического состояния дамб,
Совершенствование методики и разработка компьютерных программ прогноза устойчивости техногенных массивов гидротехнических сооружений
Повышение информативности прогноза гидродинамических процессов в техногенных массивах гидротехнических сооружений обеспечивается применением в комплексе с пьезометрическими измерениями геофизических, в частности, геоэлектрических методов, основанных на взаимосвязи удельного электросопротивления грунтов с их пористостью и влагонасыщенностью. ГУ Куз-ГТУ совместно с НФ "КУЗБАСС-НИИОГР" разработана методика контроля физического состояния грунтового массива, включающая бесскважинные измерения с поверхности дамбы [92], положения которой были рассмотрены в третьей главе настоящей работы
Основные этапы геоэлектрических исследований дамб, отработанные в результате исследований, изложенных в гл. 3, заключаются в следующем. На участках бурения геологических скважин или установки пьезометров производят вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ), по результатам которого определяют расположение верхней границы обводненной зоны и глубину зондирования. Затем намечают профили по гребню и откосам дамбы, производят электропрофилирование (ЭП) с требуемым шагом и разносом, соответствующим расположению выявленной границы. По результатам ВЭЗ и ЭП устанавливают контуры обводненных зон в теле дамбы, степень обводненности грунтов и форму депрессионной поверхности в вертикальных сечениях дамбы.
Геоэлектрический контроль обеспечивает значительное повышение детальности и точности прогноза физического состояния грунтовых массивов дамб, позволяет получить объемную картину степени насыщения грунтов водой, что в свою очередь повышает надежность расчета устойчивости ограж дающих дамб гидротехнических сооружений. Наблюдения в течение 1,5 лет позволили проследить динамику развития фильтрационных зон в насыпом массиве тела дамбы, установить параметры поверхностей депрессии в двух наиболее опасных сечениях. Контроль развития фильтрационных коллекторов в дамбе шламового отстойника ОФ ОАО "Шахта км. СМ. Кирова" осуществлялся путем периодических наблюдений визуальных признаков водопроявлений. Результаты геоэлектрического прогноза расположения и размеров обводненных зон приведены в [98]. На дамбе илонакопителя ОФ ЗАО "Черниговец" по гребню были установлены пьезометрические наблюдательные станции в двух створах. Пьезометр №1 установлен в створе максимальной высоты дамбы - по тальвегу лога. Следует отметить, что на этом же участке наблюдались выходы воды на низовой откос дамбы. Пьезометр №2 был установлен в 55 м от створа №1 в сечении на склоне лога.
Диапазон изменения значений коэффициента запаса устойчивости к$ составляет 4% (ОАО "Шахта им, СМ. Кирова"), 12% (ОАО "Разрез Кедровский") и 10% (ЗАО "Черниговец"), что указывает на высокую степень сходимости результатов определения обводненной части дамбы геоэлектрическим и пьезометрическим методами. При оценке устойчивости дамб гидротехнических сооружений могут быть уменьшены затраты на бурение скважин и установку пьезометров за счет использования наряду с точечными замерами уровня воды по пьезометрам геофизических исследований по всему объекту. Использование геоэлектрических методов контроля в комплексе с традиционными методами позволяет повысить надежность прогноза устойчивости дамб, а также своевременно разработать рекомендации по укреплению (усилению) низового откоса (создание выполаживающих полочек, контрфорсов, возведение инъекционных буронабивных свай).
"Правила безопасности гидротехнических сооружений.--" (ПБ 03-438-02) [109] предусматривают обязательную оценку последствий разрушения ограждающих сооружений- Для предприятий, поднадзорных Госгортехнадзору России, такие оценки рекомендовано выполнять на основе "Методических рекомендаций-.-" [ПО].
Основные этапы расчета последствий гидродинамической аварии по упомянутой методике представлены в виде блок-схемы (рис. 4Л0), описание которой приводится ниже [111].
Производству расчета предшествует выбор наиболее вероятного сценария развития аварии (нарушение устойчивости ограждающего сооружения, развитие суффозионных процессов). На основе анализа причин, способных привести к аварии (например, по результатам расчетов устойчивости или на основании визуального обнаружения признаков нарушения фильтрационного режима) выбирают поперечное сечение дамбы для расчета прорана. Основным элементом методики является поэтапный расчет геометрических параметров прорана и гидравлических параметров развивающегося потока. После расчета гидродинамических параметров потока в проране и у подошвы откоса дамбы намечают трассу растекания потока и определяют размеры затопляемой территории.
