Специфика инженерно-геологического и гидрогеологического изучения пород золоотвалов ТЭЦ

- © С.В. Практика, 2014

УДК 624.131

С.В. Практика

СПЕЦИФИКА ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОГО И ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОГО ИЗУЧЕНИЯ ПОРОД ЗОЛООТВАЛОВ ТЭЦ

Рассмотрены специфические особенности водно-физических, фильтрационных и механических свойств намывных отложений золоотвалов, которые отличают их от естественных грунтов аналогичного гранулометрического состава. Ключевые слова: золоотвал, инженерно-геологические условия, проницаемость, градиент, фильтрация.

Золоотвалы ТЭЦ сложены слабо уплотненными грунтами с низкими прочностными свойствами и содержат большие объемы загрязненной воды. Эти обстоятельства при выполнении инженерной подготовки территорий для строительства предопределяют необходимость проведения инженерно-геологического и гидрогеологического их изучения. Ниже будут рассмотрены особенности изучения золоотвалов применительно к сооружению, расположенному на территории квартала 9А СУН.

Территория квартала находится в северо-восточной правобережной части Невского административного района г. Санкт-Петербурга. Квартал ограничен с восточной стороны улицей Белышева, с северной - улицей Коллонтай. На западе квартал ограничен межквартальным проездом, а на юге - улицей Подвойского. Общая площадь территории квартала 19,8 га.

До 1955 г. территория квартала, представляющая собой часть При-невской равнины, была заболочена. Поверхность территории имела абсолютные отметки около 0,5 м. После возведения дамбы, оградившей территорию от улиц Белышева и Кол-лонтай, на ней начался намыв золы от ТЭЦ-2. В 90-е годы в северной половине территории на золоотвале

была организована свалка строительного мусора. В результате перед началом инженерной подготовки территории квартала абсолютные отметки ее поверхности изменялись от 5,9 до 12,5 м БС с уклоном на северо-восток и на 2-6 м превышали абс. отметки окружающих территорий [1].

Разработке проекта инженерной подготовки предшествовали специальные исследования, направленные на уточнение механических и водно-физических характеристик гидрозолы с учетом выявленных специфических особенностей ее химико-минералогического состава, обусловливающего способность данных отложений к самоцементации со временем и приобретение структурной прочности. Наличие жестких структурных связей в грунтах придает им особое деформационное поведение, при котором до преодоления структурной прочности стр грунт практически несжимаем, а при нагрузках свыше стр сжимаемость резко повышается.

Компрессионные опыты показали, что величина структурной прочности

на сжатие ст для грунтов данного зо-

стр

лоотвала незначительная - 0,25 кг/см2. Упругое деформирование грунта происходит с более низким коэффициентом сжимаемости, свыше нагрузки 0,25 кг/см2 сжимаемость повышает-

ся, прослеживается почти линейный характер изменения пористости при нарастании нагрузки до 2,5 кг/см2 со средним коэффициентом сжимаемости а = 0,055 см2/кг, Е0 = 35 кг/см2. Свыше нагрузки 2,5 кг/см2 сжимаемость снижается: а = 0,03 см2/кг, Е0 = 50 кг/см2.

В грунтах с цементационными связями прочность на сдвиг обусловлена наличием двух видов сцепления - ко-агуляционного СW и структурного С. (помимо внутреннего трения). В ненарушенном сложении проявляются обе составляющие сцепления, а при нарушении естественного сложения пород структурная составляющая необратимо исчезает. В результате сопротивление сдвигу таких пород в нарушенном и ненарушенном состоянии разное за счет величины С . В расчетах устои-

стр 1 ^

чивости откосов золоотвала в зависимости от ситуации учитывается либо общее сцепление пород С, либо только остаточное Сш (коагуляционное), что требует специальных исследовании по выяснению величины структурной составляющей С .

стр

Прочностные показатели гидрозолы определялись методом сдвиговых испытаний по схеме неконсолидиро-ванно-недренированного сдвига на образцах ненарушенной структуры и после нарушения. Угол внутреннего трения 19° в большей степени соответствует песчано-супесчаным грунтам, которые обычно получают для суглинков и супесей аналогичного гранулометрического состава, но естественного происхождения. Сцепление ненарушенных образцов золы - 0,20 кг/см2 - не характерно для грунтов песчаного состава. Это специфическая особенность золы, обусловленная формированием жестких цементационных связей, прочность которых может быть оценена по величине структурного сцепления. В данном случае структурное сцепление в среднем 0,13 кг/см2,

что составляет почти 70% от величины общего сцепления.

Гидрозола отличается от естественных песчано-супесчаных грунтов повышенной влагоемкостью - способностью удерживать на поверхности минеральных частиц и внутри микропор большое количество воды, в составе которой преобладает вода связанная. В золоотвале на территории квартала 9А-СУН влагоемкость и водоотдача гидрозолы определялись в 19-ти пунктах, примерно поровну в северной и южной ее частях. Анализ результатов лабораторного изучения влаго-емкости и водоотдачи гидрозолы показал, что в северной, нагруженной насыпным грунтом, части территории квартала 9А-СУН слой гидрозолы имеет среднюю пористость, равную 51%, и среднюю естественную влажность (весовую), равную 54%. В том числе 43% воды, связанной с частицами золы, и 11% воды свободной, способной фильтроваться и вытекать из золы при дренировании. В результате, средний коэффициент гравитационной водоотдачи гидрозолы в северной части территории квартала 9А-СУН, несмотря на высокую пористость и влажность, составляет всего 0,1 от объема породы (ц = 0,1).

В южной части территории квартала 9А-СУН слой гидрозолы не нагружен и поэтому имеет более высокую пористость, равную в среднем 65%, и естественную весовую влажность, равную так же 65%. При этом здесь 46% воды связанной и 19% свободной. Это почти в два раза больше, чем в северной части квартала. Следовательно, средняя гравитационная водоотдача гидрозолы в южной, не нагруженной, части территории квартала 9А-СУН равна 0,19 (ц = 0,19).

Водоотдача гидрозолы, как и любой другой полностью водонасыщен-ной породы, зависит от плотности сложения и пористости. Чем менее

уплотнен грунт, тем больше его пористость, тем выше естественная влажность, и, следовательно, в нем содержится больше свободной воды, которая в основном определяет величину водоотдачи. Величина водоотдачи для исследованных образцов может быть различная - от 0,50 (при е = 2,04) до 0,15 (при е = 1,46). При низких коэффициентах (е = 1,10) влажность гидрозолы равна величине W , т.е.

1 1 шш'

вся вода в ней связанная и водоотдача равна нулю. Средние показатели водно-физических свойств изученных образцов составляют: е = 1,78, W = 0,78, W = 0,53. Следователь-

шш

но, средняя величина водоотдачи изученных образцов гидрозолы составляет примерно 0,25. В пересчете на более употребительный для гидрогеологических расчетов коэффициент водоотдачи ц, равный отношению объема стекающей воды к объему породы, получается, что ц = 0,20. Эта величина соответствует максимальному количеству воды, которое можно удалить из зольного грунта при его дренировании после разрушения структуры [2].

Достоверные оценки фильтрационных параметров грунтовых массивов могут быть получены только натурными методами. Попытки выполнить опытно-фильтрационные работы на золоотвале не имели успеха вследствие низкой водоотдачи зольных отложений. Поэтому определение проницаемости гидрозолы выполнялось по результатам лабораторных исследований на образцах ненарушенного сложения с использованием двух приборов: трубки СПЕЦГЕО и компрессионно-фильтрационного прибора. Условия фильтрации в этих приборах отличаются по величине создаваемого градиента напора. В первом приборе фильтрация осуществляется при низких градиентах (от 0,1 до 1,0), во втором - при более высоких гра-

диентах (от 0,1 до 25 и выше). Для определения расчетных параметров проницаемости зольных грунтов достаточно опытов в трубке СПЕЦГЕО, в которой условия фильтрации более соответствуют фактическим - осушение золоотвала происходит при небольших градиентах. Компрессионно-фильтрационные испытания были необходимы для определения характера изменения проницаемости гидрозолы после нарушения ее структуры.

Из результатов фильтрационных опытов видно, что в ненарушенном сложении грунт характеризуется более высокой проницаемостью, чем после разрушения структурного каркаса, что связано с уничтожением крупных фильтрационных каналов в макропористом скелете. В том и другом случае проницаемость зольного грунта снижается при уменьшении его пористости. Для ненарушенных образцов в диапазоне изменения коэффициента пористости от 2,04 до 1,6 коэффициент фильтрации уменьшается не так существенно (от 0,25 до 0,085 м/сут), как для нарушенных грунтов, у которых коэффициент фильтрации снижался на порядок от 0,15 до 0,02 м/сут. При выборе расчетного параметра проницаемости следует ориентироваться на результаты изучения ненарушенных образцов, у которых среднему значению пористости (е = 1,78) соответствует величина Кф = 0,1 м/сут. Эта средняя величина и даже максимальная (Кф = 0,25 м/сут), полученная для исследованных нами образцов, оказались существенно ниже значений коэффициентов фильтрации, свойственных обычно естественным песчаным грунтам аналогичного грансо-става (Кф = 0,5-1,0 м/сут).

В ходе экспериментов выяснилось, что зольный грунт характеризуется начальным градиентом фильтрации, и его проницаемость зависит от дей-

ствующего градиента напора. Интерпретация результатов опытов с целью получения величины начального градиента фильтрации 10 заключается в зависимости скорости фильтрации V от действующего градиента напора I, где скорость фильтрации - это расход воды Q за единицу времени t через единицу площади сечения образца Р, т.е. V = Q/Ft. Движение воды в естественных песках подчиняется закону Дарси, согласно которому скорость фильтрации прямо пропорционально зависит от коэффициента фильтрации грунта и действующего градиента напора (линейная связь). Для них начальный градиент фильтрации 10 = 0.

Полученные в результате компрессионно-фильтрационных испытаний одного образца зольного грунта, который среди всех исследованных разновидностей характеризовался наибольшим значением начального градиента 10 = 1 при первоначальной пористости. Этот случай не типичен для гидрозолы, т.к. большинство образцов имело начальный градиент порядка 0,1-0,2, но он позволяет, как будто в увеличенном масштабе, увидеть те закономерности, которые проявляются у всех образцов, но на маленьком участке зависимости.

Зависимость V = f (I) имеет два участка: линейный, соответствующий фильтрации по закону Дарси, и искривленный - при градиентах, приближающихся к величине 10. В литературе начальным называется градиент напора 10 , при котором движение воды прекращается, и скорость фильтрации равна нулю на протяжении длительного времени. Величина градиента, при которой начинается снижение фильтрационной способности грунта (коэффициент фильтрации падает на порядок, затем на два и ниже) назовем градиентом отклонения от закона Дарси и обозначим !0.

Для данного образца при естественных показателях физического состояния - коэффициенте пористости Е0 = 1,85 и влажности W0 = 0,88 величина градиента !0 составляла 2,5, а начальный градиент 10 был равен 1. При уменьшении в ходе компрессии коэффициента пористости до 1,6 и влажности до 0,7 величина градиента отклонения постепенно возрастала до !0 = 3,5 при неизменной величине 10. Подобные характеристики получены и для других образцов гидрозолы, но величины !0 и 10, как правило, были значительно меньше, составляя соответственно 0,2^0,4 и 0,1^0,2.

Изменение водопроницаемости гидрозолы при снижении градиентов напора обусловлено влиянием на фильтрационный процесс связанной воды, которая обладает повышенной вязкостью и плотностью и, занимая часть порового пространства в виде оболочек на минеральном скелете, оказывает сопротивление движущемуся потоку. При достаточно высоких градиентах напора это сопротивление преодолевается потоком, фильтрация идет с постоянными параметрами (скоростью и расходом). При снижении градиента энергия фильтрационного потока падает, фильтрация замедляется, и, наконец, наступает состояние, когда энергии становится недостаточно для преодоления сопротивления оболочек связанной воды, движение останавливается. Этому состоянию отвечает равенство действующего градиента напора и начального градиента фильтрации, при котором скорость фильтрации равна нулю. Влияние связанной воды на проницаемость тем существеннее, чем меньше пористость грунта и плотнее сомкнуты гидратные оболочки на путях фильтрации. Поэтому в образцах гидрозолы плотного сложения отклонение от линейного закона фильтрации наступает раньше (при более высоких градиентах), чем

в образцах с высокой пористостью. Следует заметить, что вода, заключенная в микропорах зерен и агрегатов зольного грунта в фильтрационном процессе участия не принимает.

При инженерной подготовке территорий золоотвалов для дальнейшего использования под строительство следует учитывать, что гидрозола является результатом гидравлического складирования продуктов сжигания

твердого топлива и, как многие намывные грунты, мало уплотнена, имеет высокую влажность, низкую несущую способность, содержит поровые воды, загрязненные токсичными компонентами. Разработка технологических схем осушения и удаления отложений золоотвалов и инженерные изыскания для их обоснования должны производится с учетом специфики состава и свойств зольных грунтов.

1. Технический отчет об инженерно-геологических изысканиях для разработки проекта строительства (квартала 9А СУН), т. I. -СПб.: ГУП «ТРЕСТ ГРИИ», 2001.

_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Инженерная петрология. - Л.: Недра, 1970. - 511 с. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_

Практика Станислав Валерьевич - старший научный сотрудник, e-mail: praktikas@mail.ru, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Научный Центр геомеханики и проблем горного производства.

UDC 624.131

SPECIFICITY OF GEOTECHNICAL AND HYDROGEOLOGICAL STUDY ROCKS OF ASH-DISPOSAL DUMPS OF HEATING AND POWER PLANT

Praktika S.V., Senior Researcher, e-mail: praktikas@mail.ru, National Mineral Resource University «University of Mines», Scientific Center for Geomechanics and Mining Problems.

There are viewed specific details of hydrophysical, weepage and mechanical properties of raised deposits ash-disposal dump, which are difference them from natural soil of same grain-size classification.

Key words: ash-disposal dump, geotechnical conditions, penetrating, gradient, weepage.

REFERENCES

1. Tehnicheskij otchet ob inzhenerno-geologicheskih izyskanijah dlja razrabotki proekta stroitel'stva (kvar-tala 9A SUN), t. I. (Technical report of engineering-geological survey for construction project (9A SUN block), vol. I), Saint-Petersburg, GUP «TREST GRII», 2001.

2. Lomtadze V.D. Inzhenernaja geologija. Inzhenernaja petrologija (Engineering geology. Engineering petrology), Leningrad, Nedra, 1970, 511 p.

A