СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ НАХОДЯЩЕГОСЯ В ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОЙМЕННОГО ГИДРООТВАЛА ОТХОДОВ ПРЕДПРИЯТИЯ
METHOD TO INCREASE ECOLOGICAL SAFETY OF INUNDABLE DISPOSAL AREA OF ENTERPRISE WASTES UNDER OPERATION

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано при повышении экологической безопасности находящихся в эксплуатации пойменных гидроотвалов отходов предприятий, например золошлаков, шламов и хвостов.
На многих пойменных гидроотвалах складирование отходов производится в течение 30-40 и более лет. Многие из них до сих пор не исчерпали свою потенциальную емкость, например, золоотвал Красноярской ГРЭС-2 (эксплуатируется с 1961 г.), шламохранилище Западно-Сибирского металлургического комбината (с 1964 г.), карта №1 шламохранилища Ачинского глиноземного комбината (с 1969 г.) и многие другие. Эти гидроотвалы часто не отвечают всем современным, постоянно ужесточающимся природоохранным требованиям. Ложе и борта их надежно не экранированы, а сами они полностью или частично оказались в пределах водоохранной зоны водоемов, увеличенной законодательством за предшествующее время.
В таких пойменных гидроотвалах загрязненные сточные воды проникают в основание и беспрепятственно движутся к реке по водопроницаемому крупнозернистому русловому аллювию, который практически всегда имеется под относительно слабопроницаемым пойменным аллювием-наилком. В результате этого происходит загрязнение реки, что создает экологические проблемы из-за снижения экологической безопасности гидроотвала.
Известен способ повышения экологической безопасности находящегося в эксплуатации пойменного гидроотвала отходов предприятия (предприятий), согласно которому по периметру гидроотвала в основании выполняют противофильтрационную вертикальную диафрагму. Эта диафрагма перекрывает в основании водопроницаемый слой, а на глубине низ диафрагмы сопряжен с водоупором. Диафрагму чаще всего выполняют способом «стена в грунте» в виде непрерывной траншеи, заполненной твердеющим материалом или высококачественным и слабопроницаемым связным грунтом [1].
Недостатки известного способа заключаются в следующем.
1. Высокие затраты, обусловленные использованием при создании диафрагмы сложного оборудования и дефицитного грунтового материала.
2. Противофильтрационное действие диафрагмы ограничивается заглублением подошвы диафрагмы в основание. При этом диафрагма должна полностью прорезать водопроницаемый слой рыхлых отложений, который местами может иметь большую толщину, и должна быть сопряжена с водоупором, который обычно является таковым только условно, причем может находиться на большой глубине. Действительно, ниже слоя рыхлых отложений находятся скальные породы, верхний слой которых чаще всего на большую глубину трещиноват и водопроницаем. Перекрыть этот слой можно только высокой, т.е. высоко затратной, диафрагмой. Поэтому диафрагма чаще всего является несовершенной, висячей.
Все это, как правило, обуславливает экономическую нецелесообразность осуществления известного способа на завершающей стадии эксплуатации гидроотвала.
Известен способ, согласно которому по периметру источника загрязнения в основании возводят гидрозавесу, которую выполняют в виде траншеи противодавления и более приближенную к источнику загрязнения водосборно-дренажной траншеи. При этом дно каждой траншеи располагают в водопроницаемом слое основания. Гидрозавесу снабжают двумя водоподающими устройствами, одно из которых обеспечивает подачу в траншею противодавления чистой природной воды, а другое - подачу из дренажно-водосборной траншеи перехваченную сточную воду в системе оборотного водоснабжения предприятия. Затем уровень воды в траншее противодавления поддерживают выше уровня воды в водосборно-дренажной траншее [2].
Этот известный способ имеет высокую эффективность при относительно небольшой суммарной толщине водопроницаемого слоя рыхлых отложений и слоя трещиноватых скальных пород и при неглубоком их залегании. При этом уровень воды в траншее противодавления должен поддерживаться выше уровня воды в водосборно-дренажной траншее обычно не менее чем на 1-1,5 м [2, стр.231]. В более сложных же гидрогеологических условиях гидрозавеса может оказаться несовершенной. В этом случае потребуется увеличение глубины траншей и расстояния между ними и еще большего превышения уровня воды в траншее противодавления. Все это увеличивает затраты на выполнение траншей и не всегда может быть приемлемо из-за увеличения территории гидроотвала. Одновременно с этим снижается надежность гидрозавесы.
Известен способ, согласно которому между гидроотвалом и рекой (водоемом) в основании выполняют траншею и размещенную между траншеей и рекой защитную дамбу, противофильтрационный элемент которой перекрывает в основании водопроницаемый слой и на глубине сопряжен с водоупором, а дно траншеи располагают ниже бытового уровня воды в реке. Траншею водоподающим устройством сообщают с системой оборотного водоснабжения предприятия, а уровень воды в траншее поддерживают ниже уровня воды в реке [3]. В этом способе траншея является водосборно-дренажной, а река выполняет функции траншеи противодавления, т.е. река является элементом гидрозавесы, причем основным, как и траншея.
Этот известный способ имеет высокую эффективность при относительно небольшой суммарной толщине водопроницаемого слоя рыхлых отложений и слоя трещиноватых скальных пород и при неглубоком их залегании, причем при малых колебаниях уровня воды в реке или ином водоеме. В более сложных же гидрогеологических условиях потребуется увеличение глубины траншеи и высоты противофильтрационного элемента, при этом возникают трудности при поддержании уровня воды в траншее постоянно ниже уровня воды в реке. Все это увеличивает затраты, снижает экологическую безопасность гидроотвала и сужает область использования способа, что в целом снижает эффективность способа.
Известен способ, в котором для предотвращения загрязнения грунтовых вод используют гидрозавесу, выполненную в виде горизонтальной выработки, которую располагают перпендикулярно мигрирующим с потоком грунтовых вод вредным примесям от источника загрязнения к инфильтрационному водозабору. При этом горизонтальную выработку посредством нагнетательных скважин гидравлически связывают с водоносным пластом и заполняют водой [4].
Особенность работы такой гидрозавесы заключается в том, что она только отклоняет поток загрязненных грунтовых вод (то же: сточных вод) от защищаемого объекта в стороны и вниз без изъятия этих вод из природы, что сужает область применения такой гидрозавесы и снижает ее технический результат.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения экологической безопасности находящегося в эксплуатации пойменного гидроотвала и экономии средств. Технический же результат заключается в наиболее полном предотвращении проникновения сточных вод из гидроотвала в реку посредством выполнения гидрозавесы, а также в уменьшении объемов работ при создании гидрозавесы.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе повышения экологической безопасности находящегося в эксплуатации пойменного гидроотвала отходов предприятия сначала между гидроотвалом и рекой в основании возводят гидрозавесу, которую выполняют в виде траншеи противодавления и более приближенной к гидроотвалу водосборно-дренажной траншеи. Дно каждой траншеи располагают в водопроницаемом слое преимущественно рыхлых отложений основания, а в траншеях на заданном расстоянии друг от друга выполняют скважины, соответственно нагнетательные (противодавления) и дренажные, каждую из которых заглубляют на заданную величину в водопроницаемый слой трещиноватых скальных пород основания и гидравлически сообщают с траншеей. Гидрозавесу снабжают, по меньшей мере, двумя водоподающими устройствами, одно из которых обеспечивает подачу в траншею противодавления чистой природной воды, а другое - подачу из дренажно-водосборной траншеи перехваченную сточную воду в систему оборотного водоснабжения предприятия. Затем уровень воды в траншее противодавления поддерживают выше уровня воды в водосборно-дренажной траншее.
Дополнительно:
- по длине траншеи перемычками разделяют на участки, при этом перемычку одной траншеи располагают напротив перемычки другой траншеи, а уровень воды на участке траншеи противодавления поддерживают выше уровня воды на участке водосборно-дренажной траншеи;
- расстояние между скважинами равно 15-25 м;
- расстояние между траншеями превышает величину заглубления скважин в основание не менее чем в два раза;
- уровень воды в траншее противодавления поддерживают выше уровня воды в водосборно-дренажной траншее не менее чем на 0,15-0,25 м;
- траншея противодавления полностью пересекает водопроницаемый слой рыхлых отложений, при этом, по меньшей мере, один борт траншеи противодавления содержит противофильтрационный экран.
Именно выполнение на заданном расстоянии друг от друга в траншее противодавления нагнетательных скважин, а в водосборно-дренажной траншее дренажных скважин, заглубленных на заданную глубину в водопроницаемый слой трещиноватых скальных пород, и поддержание уровня воды в траншее противодавления выше уровня воды в водосборно-дренажной траншее обеспечивает выполнение совершенной гидрозавесы, т.е. не висячей. Все это позволяет достичь ранее указанный технический результат: наиболее полное предотвращение проникновения сточных вод из гидроотвала в реку и уменьшение объемов работ при создании гидрозавесы.
На фиг.1 показан план пойменного гидроотвала, находящегося в эксплуатации; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - разрез С-С на фиг.1, вариант.
Пример. Пойменный гидроотвал отходов предприятия (далее: гидроотвал) 1 размещен в плане между защитной дамбой 2 и высоким берегом 3 реки 4. Емкость гидроотвала 1 образована ограждающим сооружением 5. В основании гидроотвала 1 залегают рыхлые отложения, верхний слой 6 которых слабофильтрующий и представлен аллювиальными суглинками, а нижний слой 7 наиболее водопроницаемый и представлен крупнозернистым русловым аллювием. Под рыхлыми отложениями залегает водопроницаемый слой 8 трещиноватых скальных или полускальных пород.
Экологическую безопасность находящегося в эксплуатации гидроотвала 1 повышают следующим образом.
1
2
Между гидроотвалом 1 и защитной дамбой 2 выполняют гидрозавесу в виде траншеи противодавления 9 и более приближенной к гидроотвалу водосборно-дренажной траншеи 10. Дно 11 траншеи противодавления 9 и дно 12 водосборно-дренажной траншеи 10 располагают в водопроницаемом слое 7 рыхлых отложений, а в траншеях 9 и 10 на заданном расстоянии друг от друга выполняют скважины, соответственно нагнетательные (противодавления) 13 и дренажные 14. Скважины 13 и скважины 14 заглубляют на заданную величину h и h в водопроницаемый слой 8 трещиноватых скальных пород и в их верхней части гидравлически сообщают с соответствующей им траншеей 9 или 10.
Эти скважины 13 и 14 формируют путем заполнения пробуренных скважин фильтрующим материалом с использованием обычно извлекаемых обсадных труб (не показаны).
а
Гидрозавесу гидроотвала 1 снабжают водоподающим устройством 15, посредством которого в траншею противодавления 9 из реки 4 подают «свежую» природную воду, а при высоких уровнях воды 18 в реке 4 при необходимости воду подают в обратном направлении: из траншеи противодавления 10 в реку 4. Гидроотвал 1 снабжают водоподающим устройством 16, посредством которого из дренажно-водосборной траншеи 10 воду, собранную с поверхности и перехваченную сточную, через бассейн осветленной воды 17 подают в систему оборотного водоснабжения предприятия. При этом уровень воды 19 в траншее противодавления 10 постоянно поддерживают выше уровня воды 20 в водосборно-дренажной траншее 9 на величину .
В соответствии с топографическими условиями траншеи 9 и 10 по длине перемычками 21 разделяют на участки. Перемычку 21 одной траншеи располагают напротив перемычки 21 другой траншеи, а уровень воды 19 на участке траншеи противодавления 9 поддерживают выше уровня воды 20 на соответствующем участке водосборно-дренажной траншеи 10.
1
2
1
2
а
Расстояние l и l между скважинами 13 и скважинами 14, величину их заглубления h и h в водопроницаемый слой 8 трещиноватых скальных пород, а также разницу  в уровнях воды 19 и 20 в траншеях 9 и 10 определяют специальными гидравлическими расчетами и исследованиями, проводимыми методом электрогидродинамических аналогий, а также гидравлическим опробованием скважин.
Известно, что расстояние между скважинами в цементационной завесе в различных грунтах в среднем составляет от 2 до 4,5 м, а в некоторых плотинах доходит до 5 и даже 6 м [5]. Сопоставление механизма, осуществляющего массоперенос при создании цементационной противофильтрационной завесы, с механизмом, направленным главным образом на передачу в гидрозавесе давления, позволяет утверждать, что расстояние между скважинами 13 и скважинами 14 в гидрозавесе может кратно превышать расстояние между скважинами в цементационной завесе.
3
Действительно, противофильтрационное воздействие гидрозавесы при достаточном расстоянии l между траншеями 9 и 10 и при заглублении прежде всего нагнетательных скважин 13 в водопроницаемый слой 8 трещиноватых скальных пород распространяется на всю водопроницаемую толщу горных пород до истинного водоупора, а не только до «условного». Достаточно скважине 13 пересечь хотя бы одну ниже не заполненную мелкоземом трещину, как малейшее изменение уровня воды 19 в траншее противодавления 9 приведет к изменению давления на значительном расстоянии от скважины 13 во всей толще водопроницаемого слоя 8 трещиноватых скальных пород. Это давление обеспечит направление сточных вод из фильтрующего основания в водосборно-дренажную траншею 10. Пересечение скважиной на глубине полой трещины является условием необходимым, поскольку устья трещин обычно закольматированы мелкозернистым материалом, что таким образом формирует на глубине слабопроницаемую разделительную прослойку 22. Эта прослойка 22 (на чертежах показана пунктиром) препятствует передаче давления в основание и в условиях близости места разгрузки (река) обуславливает неравенство пьезометрических уровней, т.е. давления, в водопроницаемом слое 7 рыхлых отложений и в водопроницаемом слое 8 трещиноватых скальных пород.
Выделение в трещиноватых скальных породах на их контакте с вышерасположенными рыхлыми отложениями слабопроницаемой прослойки 22, расположенной между двумя водоносными, но разнонапорными слоями, не известно из уровня техники и осуществлено впервые. Не установлена также известность влияния, обязательного в заявляемом изобретении, «заглубления на заданную величину в водопроницаемый слой трещиноватых скальных пород основания» элементов гидрозавесы, прежде всего нагнетательных скважин 13. Именно это заглубление в сочетании с другими признаками обеспечивает получение заявленного технического результата, что позволяет сделать вывод о наличии как новизны, так и изобретательского уровня.
1
2
1
2
1
2
1
2
Исходя из вышеизложенного и гидравлического опробования скважин, назначают величину заглубления h и h скважин нагнетательных 13 и дренажных 14 под прослойку 22 в слой 8 трещиноватых скальных пород. Предварительное же это заглубление принимают 5-7 м, а расстояние между скважинами 13 и скважинами 14 принимают 15-25 м, но обычно не более полуторной величины их заглубления H и H в основание от дна 11 и 12 траншей 9 и 10. При этом расстояние между траншеями 9 и 10 должно превышать величину заглубления H и H скважин 13 и 14 в основание не менее чем в два раза, причем обычно H≥H.
Дополнительно, исходя из местных гидрогеологических условий и характера работы перехватывающего дренажа [2, стр.227 и 231], можно полагать, что разница в уровнях воды 19 и 20 в траншеях 9 и 10 может колебаться от 0,15-0,25 до 1-1,5 м.
Чем выше водопроницаемость слоев 7 и 8 и больше разница а в уровнях воды 19 и 20 в траншеях 9 и 10, тем сильнее увеличивается перетекание воды из траншеи противодавления 9 как в водосборно-дренажную траншею 10, так и в реку 4, особенно при низких зимних уровнях воды 18 в реке 4. Это ведет к непродуктивному расходованию чистой природной воды и обуславливает увеличение перекачки воды из водосборно-дренажной траншеи 10 в гидроотвал 1. К тому же последнее обстоятельство может нарушить баланс воды в оборотной системе водоснабжения предприятия.
В случае относительно небольшой толщины и неглубокого залегания слоя 7 рыхлых отложений, его, как наиболее водопроводящего слоя основания, целесообразно полностью пересечь траншеей противодавления 9 (фиг.4). Одновременно с этим, по меньшей мере, один борт траншеи противодавления 9 следует снабдить противофильтрационным экраном 23 (суглинок) со стороны реки 4 и/или противофильтрационным экраном 24 (пленка) со стороны гидроотвала 1 (на фиг.4 экран 24 показан пунктиром). Экран 23 существенно предотвратит перетекание воды из траншеи противодавления 9 в реку 4, а экран 24 - в водосборно-дренажную траншею 10.
Способ наиболее эффективен в пойме водоема, в котором уровень воды практически постоянный, например, у прудка-охладителя тепловой станции.
О терминологии. Целесообразно траншею противодавления 9 называть нагнетательной гидрозавесой, водосборно-дренажную траншею 10 - дренажной гидрозавесой, а при их совместной работе (заявляемое изобретение и его ближайший аналог) - комбинированной гидрозавесой. Такое понимание вводятся впервые Ягиным В.П.
Эффективность работы комбинированной завесы, выполненной по указанным в изобретении правилам, всегда превышает простую сумму эффективностей нагнетательной завесы и дренажной завесы.
На чертежах обозначены и друге элементы гидроотвала и средств осуществления способа, а именно:
25 - подсыпка;
26 - крепление откоса (траншеи);
27 - линии тока;
28 - водосбросной колодец;
29 - коллектор осветленной воды;
30 - отстойный пруд;
31 - насосная станция осветленной воды;
32 - напорный водовод осветленной воды;
33 - противофильтрационная завеса;
34 - водосборная канава.
Источники информации
1. Филатов А.Л. и др. Опыт возведения сооружений методом «стена в грунте». - Киев: Будивильник, 1981, с.192, рис.71, г.
2. Кузовлев Г.М. Гидротехнические сооружения атомной промышленности. - М.: Атомиздат, 1973.
3. Патент Российской Федерации №2275457, кл. E02B 3/16, опубл. 27.04.2006.
4. Патент Российской Федерации №2052575, кл. E02B 3/16, опубл. 20.01.1996.
5. Адамович А.Н. Закрепление грунтов и противофильтрационные завесы в гидроэнергетическом строительстве. - М.: Энергия, 1980, с.60-61.