ОГРАЖДАЮЩАЯ ПЛОТИНА ГИДРООТВАЛА МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ ОТХОДОВ
WING DIKE FOR FINE-GRAINED WASTE DISPOSAL AREA

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть применено при создании ограждающей плотины гидроотвалов мелкозернистых отходов типа шламонакопителей и хвостохранилищ.
Известна ограждающая плотина гидроотвала в виде упорной призмы, которая создается односторонним намывом складируемых зернистых отходов. Крупные фракции оседают на пляже намыва и образуют упорную призму плотины, а мелкие фракции откладываются в отстойном пруде [1, рис.21.4, б]. Однако возведение такой экономичной плотины возможно, когда исходный материал содержит фракции диаметром менее 0,074 мм не свыше 50% по весу, что ограничивает область применения плотины [2, с.71, п.8.30].
Аналогичная ограждающая плотина практически полностью может быть намыта из отходов путем создания из отходов пляжа ограждающих дамб вторичного обвалования посредством землеройных машин [1, рис.21.1]. В такой плотине содержание в исходном материале фракций диаметром менее 0,074 мм может быть повышено до 60% по весу, что недостаточно расширяет область применения плотины [2, с.75, п.8.38].
При возведении дамб вторичного обвалования ограждающей плотины может быть применена искусственная раскладка отходов известными устройствами, а также при выполнении этих дамб может быть использован нескальный грунт и применен картовый намыв [2, с.84, пп.8.66-8.70 и с.76-79, пп.8.42-8.53]. Однако и в этом случае содержание в исходном материале фракций диаметром менее 0,074 мм может быть доведено не выше 70% по весу [2, с.76, п.8.43]. При этом в золоотвалах содержание шлаковых фракций в исходном составе золошлакового материала ТЭЦ должно быть более 15-20% по весу [3, с.23-25, пп.3.12-3.16]. Все это также только частично расширяет область применения плотины.
При более мелких отходах выполняются наливные гидроотвалы, емкость которых создается ограждающими плотинами, возводимыми из грунта, чаще всего насыпным способом, на полную высоту или отдельными очередями-ярусами. Такие плотины состоят из центральной части и низовой и верховой упорных призм [1, с.509 и 510] или [3, с.10 и 11, рис.2, тип IV и с.26, рис.7].
Недостатком такой ограждающей плотины является ее высокая стоимость из-за большого ее объема. При этом после заполнения гидроотвала отходами верховая упорная призма, составляющая обычно до 40% объема плотины и занимающая часть емкости гидроотвала, является излишней. Это обуславливает высокие затраты на возведение плотины и уменьшает полезную емкость гидроотвала.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в снижении затрат, а достигаемый при этом технический результат заключается в уменьшения объема плотины и в увеличении емкости гидроотвала.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что ограждающая плотина гидроотвала мелкозернистых отходов в поперечном сечении содержит поярусно возведенную стенку, отделяющую поярусно возведенную низовую упорную призму от поярусно намытых в гидроотвал отходов, удерживающих стенку в вертикальном положении. Стенка выполнена из связанных между собой габионов, корзины которых имеют коробчатую форму, выполнены из проволочной сетки и заполнены грунтовым материалом. Между такой стенкой и отходами расположен противосуффозионный или противофильтрационный слой из геосинтетического материала, который поярусно покрывает верховую грань стенки и превышает перед стенкой уровень отходов, образующих собой после лежания верховую упорную призму плотины.
Дополнительно:
- плотина содержит пленочное противофильтрационное покрытие основания гидроотвала перед стенкой, основания стенки и дренажа, расположенного в основании низовой упорной призмы и сообщенного с системой гидротранспорта отходов;
- противофильтрационный слой выполнен из полимерной пленки, заключенной в геотекстиль;
- противосуффозионный слой выполнен из геотекстильных полотен, при этом расчетный диаметр водопроводящих отверстий в геотекстильном полотне  удовлетворяет условию:
,
макс
где d - максимальный диаметр частиц отходов, перемещение фильтрационным потоком которых в направлении противосуффозионного элемента при намыве отходов временно возможно и допустимо;
- корзины габионов наполнены песчаным или гравийно-песчаным грунтом в индивидуальной синтетической упаковке;
- противосуффозионный слой по толщине состоит из двух или более геотекстильных полотен.
Именно выполненная из габионов стенка, верховая грань которой покрыта слоем из геосинтетического материала, позволяет при поярусном возведении плотины создать из отходов верховую упорную призму, за счет чего обеспечивается достижение ранее указанного технического результата. При этом под низовой упорной призмой в дальнейшем понимается вся грунтовая часть тела плотины, расположенная с низовой стороны от габионной стенки.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено следующее:
на фиг.1 - поперечный разрез поярусно возводимой очередями ограждающей плотины на момент неполного заполнения гидроотвала отходами, пример 1;
на фиг.2 - принципиальная схема сил, действующих на стенку при возведении плотины;
на фиг.3 - то же, что и на фиг.1, пример 2;
на фиг.4 - габионная сетка с дополнительными проводами.
Пример 1. Плотина расположена на подготовленном основании 1 и в поперечном сечении содержит поярусно возведенную стенку 2, отделяющую поярусно возведенную низовую упорную призму 3 от поярусно намытых хвостов 4. Эти хвосты 4 намыты способом «от плотины», удерживают стенку 2 в вертикальном положении и содержат частиц диаметром крупнее 0,074 мм менее 30%, т.е являются пылеватыми.
Стенка 2 выполнена из связанных между собой габионов 5, корзины 6 которых имеют коробчатую форму, выполнены из проволочной сетки и заполнены песчаным или гравийно-песчаным грунтом 7 в индивидуальной мешкообразной синтетической упаковке 8. Между стенкой 2 и отходами 4 расположен противофильтрационный слой 9 из геосинтетического материала, который покрывает верховую грань 10 стенки 2 и всегда превышает перед стенкой 2 уровень хвостов 4, образующих собой после лежания верховую упорную призму 11 плотины.
Противофильтрационный слой 9 выполнен из полимерной пленки, заключенной в геотекстиль. Каждая лента 12 противофильтрационного слоя 9 образует его ярус и покрывает верховую грань 10 стенки 9 в пределах ее яруса, состоящего обычно из 3-х расположенных друг над другом рядов габионов 5. Ленты 12 по высоте стенки 2 соединены нахлестом 13.
Плотина содержит пленочное противофильтрационное покрытие 14 основания 1 перед стенкой 2, основания стенки 2 и дренажа 15. Дренаж 15 расположен в основании низовой упорной призмы 3 и посредством отводящей трубы 16 сообщенного с системой гидротранспорта хвостов.
На чертежах обозначены и другие элементы плотины, а именно:
17 - ячейка (корзины);
18 - слой грунта;
19 - нахлест;
20 - мешки с грунтом;
21 - пульповод;
22 - выпуска;
23 - заданный уровень намыва хвостов в ярусе;
24 - конечный уровень плотины;
25, 26 и 27 - очереди наращивания плотины;
28 - эпюра давления разжиженных хвостов;
29 - эпюра активного давления грунта;
30 - эпюра активного давления структурированных хвостов;
31 - эпюра давления пассивного сопротивления структурированных хвостов;
32 - анкерный элемент.
Плотину возводят поярусно в следующей последовательности.
яс
к
к
яc
яп
Сначала на подготовленное основание 1 стенки 2 укладывают противофильтрационное покрытие 14. Затем из габионов 5 возводят первый (нижний) ярус стенки 2 высотой h=3h, где h - высота корзины 6. Эта высота яруса стенки h обычно равна высоте яруса плотины h, а точнее ее низовой упорной призмы 3. Каждый габион 5 образуют путем заполнения ячеек 17 корзин 6 песчаным или гравийно-песчаным грунтом 7 в индивидуальной синтетической упаковке 8.
Образовывать габионы 5 целесообразно на специальных площадках, а транспортировать их и осуществлять кладку стенки 2 посредством приспособленных для этой цели погрузчиков с вилочным подхватом или челюстным захватом. Габионы 5 в ярусе связывают между собой, после чего с низовой стороны стенки 2 укладывают противофильтрационный слой 9 и выполняют дренаж 15 с отводящей трубой 16.
c
яx
Затем слоями 18 толщиною h укладывают местный грунт, например, песчаный и/или глинистый, в низовую упорную призму 3, а вертикальную верховую грань 10 стенки 2 покрывают лентой 12, выполненной из заключенной в геотекстиль полимерной пленки. При этом нижнюю кромку ленты 12 сопрягают с противофильтрационным покрытием 14 посредством нахлеста 19, а верхнюю - располагают на возведенном ярусе стенки 2, где ленту 12 закрепляют заполненными местным грунтом мешками 20. Одновременно на ярусе стенки 2 на высокопрочных опорных мешках 20 располагают пульповод 21 с выпусками 22, а перед стенкой 2 на основание гидроотвала укладывают противофильтрационное покрытие 14. После чего осуществляют намыв хвостов 4 в первый (нижний) ярус высотой h до заданного уровня 23, чем и завершается возведение первого яруса ограждающей плотины.
Далее намыв хвостов 4 производят с противоположного борта гидроотвала, а на рассматриваемом участке стенку 2 освобождают от пульповода 20 и осуществляют возведение последующего яруса ограждающей плотины, необходимого для последующего намыва яруса хвостов 4.
При таком поярусном возведении ограждающей плотины каждый раз ленту 12 сопрягают с нижерасположенной лентой 12 посредством нахлеста 13, а допустимое перед стенкой 2 превышение а (фиг.2) уровня грунта плотины над уровнем хвостов 4 для каждого яруса устанавливается проектом из условия устойчивости стенки 2. При этом наращивание грунтовой части плотины до ее конечного уровня 24 осуществляют с внешней стороны очередями: 25 - первая очередь и 26 и 27 - последующие очереди.
Основная особенность работы такой поярусно возводимой ограждающей плотины при заполнении гидроотвала хвостами заключается в следующем.
3
x
n
x
i
1. Объемный вес как водонасыщенных хвостов, так и объемный вес грунта естественной влажности плотины обычно близки к величине 2 т/м. Если в первом приближении всю толщу намытых хвостов h рассматривать как тяжелую жидкость, эпюра давления 28, то при высоте возведения плотины h=h активное давление на стенку со стороны хвостов примерно в 3-4 раза будет превышать активное давление грунта со стороны плотины, эпюра давления 29. По мере приобретения лежалыми хвостами структурной прочности их активное давление на стенку уменьшится, эпюра 30, но их пассивное сопротивление, что очень важно для устойчивости стенки 2, существенно увеличится, эпюра 31. Такое оценочное сопоставление позволяет сделать вывод о том, что в случае хвостохранилища общая устойчивость стенки 2 не вызывает сомнения. Однако ее устойчивость в верхней части для каждого яруса возведения должна быть исследована на предмет определения допустимой величины а (фиг.2) превышения уровня грунта плотины перед стенкой 2 над уровнем хвостов 4 с учетом конкретных условий, веса габионов q и наличия анкерных элементов 32 (фиг.1). Устойчивость верхней части стенки 2 должна быть обеспечена относительно любого горизонтального сечения n-n, проведенного в пределах верхней части стенки.
2. Проникшая через противофильтрационный слой 9 вода дренируется стенкой 2, собирается дренажом 15 и отводящей трубой 16 направляется в систему гидротранспорта хвостов.
3. Габионной стенке 2 присуща не только гибкость, но и пластическая деформативность, а хвосты 4 при сильном сейсмическом сотрясении разжижаются. Поэтому противофильтрационный слой 9, расположенный между хвостами 4 и стенкой 2, к тому же сам обладающий пластической деформативностью, в такой плотине обладает высокой сейсмостойкостью, а плотина в целом высокой трещиностойкостью, что повышает ее надежность.
Пример 2. Плотина создает емкость, в которую намывают золошлаки ТЭЦ, содержащие шлаковые фракции крупностью более 0,25 мм менее 15% по весу. Эти золошлаки (далее: зола) 33, в сравнении с грунтами и хвостами, имеют более низкую плотность и более высокую пористость, и в водонасыщенном состоянии они создают давление на стенку 2 на 20-40% меньше, чем водонасыщенные хвосты 4. Это сказывается на устойчивости верхней части стенки 2, точнее, на величине а - допустимого превышения уровня грунта над уровнем золы 33 перед стенкой 2.
Предлагаемая ниже плотина учитывает это обстоятельство, и она имеет следующие особенности в конструкции и при работе.
1. Противосуффозионный слой 9 выполнен многослойным из геотекстильных полотен, при этом расчетный диаметр водопроводящих отверстий в геотекстильном полотне  удовлетворяет условию:
,
макс
где d - максимальный диаметр частиц золы 33, перемещение фильтрационным потоком которых в направлении противосуффозионного элемента при намыве отходов временно возможно и допустимо.
макс
Диаметры  и d устанавливаются проектом по известным математическим формулам и исследованиям.
При намыве частицы золы, диаметр которых менее диаметра водопроводящих отверстий в геотекстильном полотне, в большинстве случаев проходят через полотно и вместе с водой сливаются в дренаж 15. Более крупные частицы задерживаются полотном, и они создают по принципу обратного фильтра переходный слой, толщина которого обычно не превышает 1 мм. В дальнейшем этот переходный слой задерживает все мелкие частицы и не пропускает их через себя даже при сильном сейсмическом сотрясении. В результате высокого силового воздействия фильтрационного потока на скелет золы со временем перед геотекстильным полотном естественным путем из наиболее мелких частиц золы происходит создание высококачественного противофильтрационного слоя. В результате всего этого достаточно быстро происходит преобразование противосуффозионного элемента в противофильтрационный.
2. Корзины 6 габионов 5 выполнены из проволочной сетки 34, снабженной дополнительными проводами 35 (фиг.4), которые вплетены в сетку и делят каждый шестигранник сетки поперек на два равных пятигранника. Такая габионная сетка 34 имеет меньшие размеры отверстий и известна из патента РФ №2330915 С2, опубликованного 2008.08.10. Поэтому ячейки 17 в корзинах 6 из такой сетки 34 могут быть заполнены галечником 36, частицы которого окатаны, что улучшает условия работы противофильтрационного слоя 9.
3. Стенке 2 придан уклон в сторону низовой части плотины, которую возводят из скального грунта. Это уменьшает активное давление 29 грунта на стенку 2, что повышает устойчивость стенки 2, в том числе и в ее верхней части.
После завершения намыва в гидроотвал отходов состояние габионной стенки 2, как правило, не имеет существенного значения, что позволяет снизить требования к габионной сетке в части толщины проволоки и ее антикоррозионного покрытия. Это упрощает изготовление габионной сетки при одновременном уменьшении в ней размеров отверстий, как шестигранных, так и пятигранных.
В примерах 1 и 2 описаны наиболее простые и предпочтительные варианты ограждающей плотины хвостохранилища и золоотвала при частичном или полном экранировании основания гидроотвала. Настоящее изобретение этими примерами не ограничивается. В настоящее изобретение могут быть внесены различные модификации и изменения без отхода от его объема. Например, в поперечном сечении стенки габионы могут содержать две ячейки 17. Это увеличит толщину стенки, следовательно, и ее устойчивость, что особенно важно для верхней части стенки.
Использованные источники
1. Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика / Под ред. В.П.Недриги. М.: Стройиздат, 1983. Стр.515 и 516.
2. Рекомендации по проектированию и строительству шламонакопителей и хвостохранилищ металлургической промышленности / ВНИИ ВОДГЕО. - М.: Стройиздат, 1986.
3. Рекомендации по проектированию золошлакоотвалов тепловых электрических станций: П 26-85 / ВНИИГ, Л., 1986.
Обозначения
1 - основание
2 - стенка (плотины)
3 - низовая упорная призма
4 - хвосты
5 - габион
6 - корзина (габиона)
7 - грунт (в габионе)
8 - упаковка (грунта)
9 - противофильтрационный слой (из геосинтетического материала)
10 - верховая грань стенки
11 - верховая упорная призма (из лежалых хвостов)
12 - лента (слоя 10)
13 - нахлест
14 - противофильтрационное покрытие
15 - дренаж
16 - отводящая труба
17 - ячейка (корзины)
18 - слой грунта
19 - нахлест
20 - мешки с грунтом
21 - пульповод
22 - выпуска
23 - заданный уровень намыва хвостов в ярусе
24 - конечный уровень плотины
25, 26 и 27 - очереди наращивания плотины
28 - эпюра давления разжиженных хвостов
29 - эпюра активного давления грунта
30 - эпюра активного давления структурированных хвостов
31 - эпюра давления пассивного сопротивления структурированных хвостов
32 - анкерный элемент
33 - зола
34 - габионная сетка
35 - дополнительный провод (сетки)
36 - галечник
яс
h - высота яруса стенки
к
h - высота корзины (габиона)
яп
h - высота яруса плотины (ее низовой упорной призмы)
с
h - толщина слоя грунта
ях
h - высота яруса намыва хвостов
а - величина превышения уровня грунта плотины над уровнем хвостов
x
h - толща намытых хвостов
п
h - высота возведенной плотины
i
q - вес габиона
яз
h - высота яруса намыва золы
α - угол наклона стенки (фиг.3)