Организации маркшейдерско-геодезических наблюдений за деформациями дамб хвостохранилищ

5. Рассчитываются величины и скорости деформации для каждого интервала наблюдений, по которым определяется время достижения критической величины горизонтальной деформации

6. По результатам наблюдений за вертикальными смещениями хтя каждой профильной линии, расположенной как вдоль, так и перпендикулярно дамбе хвостохранилища. строятся графики вертикальных деформаций и их скоростей.

7. По прогнозному графику (см. рисунок) строят для вышеуказанных профильных линий графики ожидаемых скоростей оседаний, обусловленных консолидацией тела дамбы.

8. Производится сравнение графиков скоростей деформирования, полученных по данным инструментальных измерений и по данным прогнозных величин В том случае, когда указанные графики отличаются между собой на величину, большую доверительного интервала прогнозного графика вертикальных скоростей деформирования, то даются объяснения отклонений измеренных величин от прогнозных.

Если объяснить эти отклонения не удаётся, а разность их величин имеет знак плюс, то, вычитая из измеренных величин прогнозные значения, получаем величины скоростей оседаний, обусловленные нарушением устойчивости дамбы, анализ которых позволяет оценить устойчивость дамбы и наметить противодеформационные мероприятия.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Исследование устойчивости дамбы хвостохранилища ОФ ГОКа «Эроэнэт: Отчёт о НИР по теме 37-203-91. - Екатеринбург. УГГГА. 1993. - 77 с.

2. Правила охраны сооружении и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. - М.: Недра. 1981. - 286 с.

3. Сапожников В.Т.. Ким Д.Н., Афанасьев Б.Г. Характер деформирования бортов уральских разрезов в околопредельном состоянии // Способы управления деформациями горного массива подрабатываемых сооружений, бортов разрезов и природных объектов при разработке свит угольных пластов. - Л.: ВНИМИ. 1986. - С. 64-71.

УДК 622.27:528.48

А.П. Бадулнн, В.Н. Яковлев

ОРГАНИЗАЦИЯ МАРКШЕЙДЕРСКО-ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ДЕФОРМАЦИЯМИ ДАМБ X ВОСТОХ РА Н ИЛ И Щ

Важнейшим элементом хвостохранилища является ограждающая дамба, сооружение которой осуществляется путём последовательного строительства ряда дам бочек вторичного обвалования (ярусов дамбы).

При строительстве и эксплуатации хвостохранилищ необходим оперативный контроль за устойчивостью дамбочек обвалования, несущей способностью основания, напряженно-деформированным состоянием массива дамбы для обеспечения безаварийной работы сооружения. В этих целях организуются специальные маркшейдсрско-геодезическис инструментальные наблюдения с учетом требований действующих нормативных документов [3, 5. 7).

В целях оптимальной организации маркшейдерско-геодсзических наблюдений за деформациями дамбы хвостохранилища необходимо вначале изучить проектные решения строительства и эксплуатации дамбы, инженерно-геологические и гидрогеологические условия основания и тела дамбы, геометрические параметры сооружения. На основании результатов изучения выше перс-численных факторов произвести оценку устойчивости дамбы, определить наиболее вероятную область возможного проявления деформаций дамбы. Это позволит правильно создать наблюдательную сеть, обосновать точность и периодичность и наметить методику производства наблюдений.

Контрольные наблюдения подразделяются на обязательные и специальные. К обязательным относятся наблюдения:

- за шириной пляжа намыва и превышением между гребнем плотины и прудком;

- за качеством намыва ограждающей дамбы:

- за деформациями основания и дамбы хвостохранилиша;

- за фильтрационным режимом сооружения и прилегающей к хвостохраннлищу территории;

- за заполнением чаши хвостохранилиша.

К специальным относятся исследования напряженно-деформированного состояния, процесса консолидации намывного материала, температурного режима, влияния сейсмических, динамических и статических нагрузок и др.

Эффективность контроля обеспечивается реализацией следующих принципов:

- контроль должен вестись за наиболее опасными участками сооружения (наибольшая высота. наличие ослабленной зоны, выход источников воды на поверхность дамбы и т.д.);

- контроль должен обеспечивать необходимую точность выявления деформаций;

- периодичность наблюдений должна быть оптимальной.

Наблюдения за деформациями дамбы хвостохранилиша начинаются с начала строительства и продолжаются в течение всего периода ее эксплуатации. Они состоят из инструментальных наблюдений за вертикальными и горизонтальными смешениями рабочих реперов, заложенных в поверхностном слое намывного массива.

В зависимости от поставленной цели и задач производства наблюдений осуществляется выбор реперов опорной геодезической сети и сети рабочих реперов наблюдательной станции Реперы наблюдательной станции по назначению подразделяются на высотные, плановые и планоро-высотные.

Опыт эксплуатации рабочих реперов, заложенных в горных породах и намывных грунтах, показывает, что они имеют тенденцию с течением времени менять свое планово-высотное положение. Основными факторами, которые определяют нестабильность рабочих реперов наблюдательной станции, являются изменения нагрузок на тело дамбочек обваювания. колебания температуры грунтов и вариации уровня воды в теле дамбы.

Для обеспечения устойчивости рабочих реперов, расположенных в зоне действия переменных нагрузок, необходимо, чтобы глубина заложения их была ниже границы сжимаемой толщи фунтов. За эту границу может быть принята ориентировочно глубина, где дополнительное давление Ря от оборудования, движения автотранспорта по дамбочке обваювания составляет 20 % природного давления Л, [ 1 ], т.е. Ря = 0,2 Р„.

Другой причиной, нарушающей стабильность реперов, являются колебания температуры грунтов. Термический режим грунтов, как правило, имеет закономерности, сформулированные Фурье (6):

- период колебания температуры остается неизменным на всех глубинах (в течение суток, года и т.д.);

- амплитуда колебаний температуры уменьшается с глубиной в геометрической прогрессии и на определённой глубине затухает,

- время наступления температурных максимумов и минимумов происходит с 'запозданием пропорционально глубине;

- глубины постоянной годовой температу ры Н, и суточной Н. относятся как корни квадратные из периодов Т колебаний, т.е.

иС ^С Л

Зная Нс, можно приближенно определить зону постоянных температур За зону постоянных температур следует принимать слой, где сезонные изменения температуры не превышаю! 0,2 + 0,3 °С.

Если Ис неизвестно, то зону постоянных температур можно найти по формуле [6|

Ас

где а - амплитуда колебаний температуры на глубине Я: А - амплитуда годичных колебаний температуры воздуха в граду сах; Т - период колебаний температуры в секундах (для годичных коле баний Т- 31.6106с); к - коэффициент теплопроводности грунта

Возможный характер этих изменений должен учитываться при решении вопроса о глубине заложения якоря рабочего репера

Нарушает стабильность реперов также колебание уровня воды в теле дамбы, которое изменяет состояние грунта, уплотняет его при понижении и разуплотняет при повышении. Приближенную величину вертикального смещения репера при изменении уровня водоносного горизонта можно подсчитать по формуле [2]

где И - величина изменения уровня водоносного горизонта в сантиметрах. Е - модуль деформации. Л10 - дополнительное давление за счёт изменения уровня воды (0,1 кг/см" при Л=1м).

Таким образом, можно сделать выводы относительно глубины заложения якоря высокоточного репера

1. Якорь плановых и высотных реперов должен быть расположен ниже границы сжимаемой толщи грунтов и близко к зоне постоянных температур.

2. Если зона постоянных температур расположена ниже границы сжимаемой толщи, то для высотных реперов глубина заложения якоря определяется зоной постоянных температур.

3. При выборе глубины заложения якоря необходимо учитывать уровень грунтовых вод и его сезонные колебания с тем, чтобы якорь репера был расположен вне зоны его колебания.

Профильные линии рабочих реперов располагаются как по простиранию, так и вкрсст простирания дамбочек обвалования, в первую очередь, в местах возможного проявления деформаций массива дамбы.

Выбор методики проведения наблюдений осуществляется на основе анализа точности существующих методов определения вертикальных смещений (геометрическое, тригонометрическое, гидростатическое нивелирование, фотограмметрический способ) и горизонтальных смещений (створные измерения, засечки, триангуляция, трилатерация, полигономстрия. фотограмметрия. СР5-определения) с учётом конкретных условий рельефа местности и параметров сооружения.

Периодичность наблюдений зависит от величин абсолютного смещения реперов и скорости деформирования насыпного массива. Прекращаются инструментальные наблюдения в случае затухающего характера деформаций откосов и возобновляются - при обнаружении визуальными или упрощенными наблюдениями признаков деформирования массива.

В случае, когда инструментальными наблюдениями выявляются незатухающие или возрастающие во времени деформации отдельных участков дамбы и основания, необходимо установить причины этого явления и разработать мероприятия, обеспечивающие безаварийную работу сооружения.

Маркшейдсрско-гсодезическис инструментальные наблюдения за деформациями откосов позволяют надежно контролировать деформации породных массивов. Однако для уточнения распределения деформаций внутри массива и мощности оползающих пород необходимо дополнительно проводить измерения глубинных деформаций.

Методы измерения глубинных деформаций делятся на две большие группы: контактные и бесконтактные, отличающиеся принципом связи системы отсчёта с контролируемой точкой. Для контактных методов эта связь осуществляется механическим способом, а для бесконтактных - посредством какого-либо излучении.

Из всех контактных методов для наблюдений за глубинными деформациями дамбы наиболее приемлема группа методов измерения угловых деформаций внутри массива, таких, как методы инклиномстрии и измерения кривизны. Они осноЕаны на определении в соответствии с ориентировкой в вертикальной плоскости и интенсивностью кривизны первоначального положения элс-

мента в исследуемом массиве В качестве такого элемента используется полиэтиленовая тр\,ба. устанавливаемая в скважине.

Выбор места заложения инклинометрических скважин в целях экономии средств, материалов и оборудования необходимо разделить на два этапа Цель первого этапа - закладка скважин для выявления признаков наличия поверхности ослабления в теле дамбы. Для выявления поверхности скольжения достаточно заложить 4-5 скважин в области возможных деформаций.

После обнаружения поверхности скольжения в теле дамбы будет определена необходимость второго этапа выбора мест заложения следующих инклинометрических скважин.

Методы измерения кривизны позволяют обнаруживать места и интенсивность искривления стволов наблюдаемых скважин. Методы инклинометрии позволяют определять пространственную ориентировку стволов наблюдательных скважин; интенсивность их искривления в процессе деформирования массива и соответственно смещение горных пород в массиве Дтя измерений используют различные типы инклинометров - приборов, измеряющих поинтервально зенитный угол.

Измерения инклинометром производятся по следующему принципу. В исследуемом массиве вкрест предполагаемого направления перемещении массива бурят наблюдательную скважину, обсаженную гибкими трубами. В процессе деформаций обсадные трубы скважины перемешаются и искривляются согласно деформациям массива. Путем повторного измерения отклонения трубы от се первоначального положения с помощью инклинометра могут быть установлены величина. направление и скорость возникающих перемещений для любого количества точек этого профиля.

При проведении инклинометрии целесообразнее и проще определять угловые деформации - деформации сдвига Величину деформации сдвига в интересующем интервале пород оценивают по углу поворота (величине изменения зенитного угла) ствола наблюдательной скважины в эюм интервале.

Инклинометрические замеры в наблюдательных скважинах следует производить сразу после окончания бурения и обсадки скважин; замеры производят для установления исходного профиля вертикальных скважин и выполняют с интервалом 0.5 м по глубине от забоя до устья. Контрольные замеры производятся не реже 1...2 раза в месяц. При обнаружении искривлений скважин. указывающих на появление в массиве поверхности скольжения, эти места контролируются с интервалом 0.2...0.5 м.

При отсутствии искривлений скважин контроль их состояния можно производить с интервалом 1...2 раза в квартал.

Для осуществления взаимосвязи наблюдений глубинных деформаций в теле дамбы с системой наблюдений по реперам, заложенным непосредственно около устьев скважин, производят наблюдения за смещением земной поверхности и устьев наблюдательных скважин.

Инклинометрия скважин позволяет определить местоположение поверхности скольжения, фактическую мощность деформирующихся пород, установить величин) смещений и деформаций внутри массива

Указанные выше методы определения деформаций требуют бурения специальных сква* мн с их обсадкой полиэтиленовыми трубами. При этом предполагается, что деформации скважины совпадают с деформационным процессом окружающего насыпного (намывного) массива. Использование скважин, обсаженных стальными трубами, которых, как правило, на дамбе более чем достаточно (пьезометрические, инженерно-геологические и др.). представляется перспективным.

Поэтому заслуживает внимание разработанный НИИ ВИОГЕМ метод измерения напряженно-деформированного состояния (НДС) гидротехнических сооружений, позволяющий использовать имеющиеся на дамбе скважины, обсаженные стальными тр\бами |4].

При реализации этого метода в начале производится магнитная обработка обсадных труб. После этого в скважину периодически опускается спускоподъемнос оборудование и аналоговый регистратор каротажной станции, позволяющие регистрировать изменения НДС обсадной трубы, по которому определяется место зарождения и развития поверхности скольжения в теле дамбы.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИ Й С II И С О К'

1. Брайт П.П.. Галицкий ВТ.. Новиков Ю. II. Уровснный обратный отвес // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1963. -№8. - С. 15-16.

2. Видуев Н.Г.. РакитскийД.И., Гржибовский В.П. Геодезические измерения при установке машин и оборудования - М.: Недра. 1970. - С. 12-25.

3. Инструкция по организации и проведению натурных наблюдений на хвостохранилищах обогатительных фабрик.- Белгород: Изд. НИИ ВИОГЕМ. 1979.- 38 с.

4. Метод и аппаратура колтроля за устойчивостью ограждающих конструкций геотехнических сооружений, породного массива. Патент России н№ 1730451!/ Инф листок НИИ ВИОГЕМ. 1993. - 2 с.

5. Правила безопасности при эксплуатации хвостовых, иааиовых и гидроотчальных хозяйств. -Белгород: Изд. НИИ ВИОГЕМ. 1997. -98 с. '

6. Пришельцев FI.П. Геофизика. - М.: Геоиздат. 1946. - 320 с.

7. Рекомендации по проектированию и строительству ииамонакопителей и хвостохранилищ металлургической промышленности. - М.: Стройиздат. 1986 - 127 с.

УДК 622.833.5:51.001.57

О. В. Зотесв

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРЕЩИН ПРИ РАСЧЕТАХ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ

Наиболее распространенным способом учета влияния трещиноватости в геомеханических расчетах является применение коэффициентов структурного ослабления, которое позволяет заменить реальный массив эквивалентной по свойствам сплошной средой. Однако во многих случаях требуется моделирование трещин именно как поверхностей ослабления. В случае применения численных методов (методы конечных и граничных элементов) с этой целью используются так называемые контакт-элементы |2,7-9|. Все они основаны на общей идее: имеют нулевое раскрытие, причем узлы, лежащие "напротив" друг друга, совпадают в пространстве (см. рисунок). Деформационные характеристики этих контакт-элементов определяются двумя независимыми параметрами: нормальной (А"„) и сдвиговой (А*с.) жесткостями.

Контакт-элсме»ггы для моделирования трещин:

а - контакт-элемент для решения плоских задач; б - для решения о5ъемных задач; Х- У. - оси глобальных координат, А"-Z'• оси локальных координат. 1-6- локальные номера узлов ко}гпигг-->леме1гта