Особенности противофильтрационных стен дамб хвостохранилищ
Особенности противофильтрационных стен дамб хвостохранилищ
Аннотация
Особенности устройства и применения противофильтрационных стен в конструкциях ограждающих дамб хранилищ жидких промышленных отходов были определены путём анализа информации о проектируемых и уже эксплуатируемых объектах, собранной из публикаций. Выявлено, что в ограждающих дамбах противофильтрационные стены устраиваются методами «стена в грунте», буросекущихся свай и смешивания грунта с цементной смесью. В новых объектах они устраиваются для борьбы с фильтрацией в основании, а в действующих объектах – для обеспечения герметичности при ремонте, реконструкции и ликвидации. Имеется пример устройства методом смешивания диафрагмы в каменно-набросной дамбе. Однако информация о расчётном обосновании конструкций противофильтрационных стен ограждающих дамб не обнаружена, особенности условий их работы требуют изучения.
1. Введение
Противофильтрационные стены (ПФС) – это завесы, которые устраиваются в основании и теле плотин, дамб способами «стена в грунте», буросекущихся свай, струйной цементации, смешивания в целях снижения фильтрации. Этот тип противофильтрационных устройств активно применяется в конструкциях плотин и дамб водохранилищ , . Они выполняются в скальном и нескальном основании, в теле вновь создаваемых грунтовых плотин, а также для их ремонта и реконструкции. Среди противофильтрационных стен есть уникальные, большой глубины и/или протяжённости .
Меньше известны случаи применения противофильтрационных стен в конструкциях ограждающих дамб хранилищ жидких промышленных отходов (ХЖПО) – хвостохранилищ, шламонакопителей, золошлакоотвалов.
Дамбы хвостохранилищ существенно отличаются от плотин водохранилищ, для некоторых из них характерен повышенный риск аварии. Высокие риски возникновения аварий характерны для хранилищ намывного и комбинированного, что обусловлено следующими причинами:
· эти дамбы не имеют противофильтрационных устройств, через них проходит фильтрационный поток;
· дамбы хранилищ намываются или отсыпаются непосредственно из складируемых отходов;
· дамбы постоянно наращиваются, происходит увеличение воспринимаемыми ими нагрузок.
Для ограждающих дамб хранилищ жидких промышленных отходов проблема борьбы с фильтрацией является одной из основных. Известны случаи масштабных аварий хвостохранилищ, вызванных воздействием фильтрационного потока . В этой связи актуальность приобретает вопрос о возможности применение ПФС в качестве одного из одного из мероприятий по борьбе с фильтрацией через ограждающие сооружения складирования жидких промышленных отходов.
Целью данной публикации является выявление особенностей применения противофильтрационных стен в ограждающих дамбах ХЖПО.
2. Методы и принципы исследования
Для достижения поставленной цели был выполнен поиск и анализ публикаций, посвящённых применению ПФС в дамбах ХЖПО. В , , , была найдена информация о 6 эксплуатировавшихся и 3 проектируемых ХЖПО. Общая информация об объектах приведена в табл.1.
Таблица 1 - Информация об объектах размещения жидких промышленных отходов, в конструкциях ограждающих дамб которых устроены противофильтрационные стены
Наименование | Страна | Вид хранилища по способу возведения | Высота дамбы, м | Тип дамбы и её противофильтрационный элемент | Источник |
Aznallcolar | Испания | комбинированное | 55 | каменно-земляная с глинистым экраном | |
Diavik | Канада | наливное | 24 | каменно-набросная с диафрагмой | |
Red Dog | США | наливное | 10 | каменно-земляная с экраном из геомембраны | |
Sillamae | Эстония | наливное | 25 | каменно-набросная | |
Cross Delta | США | наливное | 14,5 | земляная | |
Удоканское | Россия | комбинированное | 39,5 | каменно-набросная с «экраном» из гидромата | |
Сухой Лог | Россия | наливное | 92 | каменно-набросная с экраном из геомембраны | |
Аксуский | Казахстан | комбинированное | 16 | земляная с экраном из геомембраны | |
Олений ручей | Россия | наливное | 16 | земляная |
Среди 9 хранилищ 6 относятся к наливным, а 3 к комбинированным. Дамбы наливных хранилищ выполнены с использованием каменной наброски. Они имеют разные противофильтрационные элементы (экран, диафрагма, комбинированные).
На 5 из 9 хранилищах противофильтрационные стены уже выполнены, а на остальных только проектируются. В последних стена выполняется как новый, дополнительный противофильтрационный элемент для ремонта, реконструкции или вывода из эксплуатации объекта.
Кроме того, был осуществлён поиск научных трудов и публикаций, посвящённых расчётному обоснованию конструкций ПФС, предназначенных для работы в ХЖПО. Но только в была найдена такая информация, что свидетельствует о том, что этому вопросу уделяется недостаточно внимания. Отдельные исследования были выполнены авторами в , .
3. Основные результаты
Анализ показал, что ПФС указанных ХЖПО отличаются по назначению, конструкции и другим признакам. Нами была выполнена классификация противофильтрационных стен по нескольким признакам: назначение, способ возведения стены, расположение относительно дамбы и основания. Информация представлена в табл.2.
Таблица 2 - Информация о противофильтрационных стенах в конструкциях ограждающих дамб жидких промышленных отходов
Наименование | Назначение стены | Тип стены | Год устройства стены | Расположение стены | Слои, в которых выполнена стена | Глубина стены, м |
Aznallcolar | первичная | СГ | 1978 | с ВБ | основание и первичная дамба | 11 |
Diavik | первичная | См | 2003 | по оси | основание и дамба | 25 |
Red Dog | первичная | СГ | 2016 | с ВБ | основание | 25 |
Sillamae | ликвидация | СГ | 2008 | с НБ | основание | 18 |
Cross Delta | ремонт | См | 2015 | по оси | хранилище | 15,5 |
Удоканское | ремонт | БСС | проект | с ВБ | основание и часть дамбы | 57 |
Сухой Лог | первичная | БСС | проект | с ВБ | основание | 20 |
Аксуский | реконструкция | БСС | проект | с НБ | основание и первичная дамба | 16 |
Олений ручей | ремонт | СГ | проект | по оси | основание и дамба | 28 |
Примечание: СГ – способ «стена в грунте», БСС – способ буросекущихся свай, См – способ смешивания, ВБ – верхний бьеф, НБ – нижний бьеф
В результате анализа были выделены два характерных случая применения ПФС: первичные и вторичные стены. Под первичными стенами в табл.2 мы понимаем стены во вновь создаваемых хранилищах, устраиваемые до начала их эксплуатации. Вторичные стены – это завесы, создаваемые в хранилищах при их ремонте, реконструкции или выводе из эксплуатации.
3.1. Первичные стены
Почти половина случаев применения ПФС относится ко вновь создаваемым хранилищам промышленных отходов. Как правило, это дамбы наливных хранилищ или первичные дамбы хранилищ комбинированного типа.
Первичная стена устраивается в толще нескальных грунтов основания, но она может также пересекать тело плотины. Часто дамба имеет комбинированный противофильтрационный элемент – ПФС сочетается с экраном на верховой грани дамбы.
Для устройства первичных ПФС применяются три способа: «стена в грунте», буросекущихся свай и смешивания. Глубина ПФС составляет до 25 м.
Характерным примером применения ПФС во вновь создаваемом хранилище является хвостохранилище Aznallcolar в Испании. ПФС этого хранилища выполнена на глубину 6 м в первичной дамбе и слое основания (рис.1) .
Уникальным случаем является ПФС в хвостохранилище рудника Diavik (Канада). ПФС этого хранилища является диафрагмой каменно-набросной дамбы (рис.2), она имеет толщину 1,2 м. Диафрагма выполнена методом смешивания с цементной смесью, крупнообломочного грунта, разработанного фрезой .
Рисунок 1 - Схема конструкции ограждающей дамбы хвостохранилища Aznallcolar (Испания):
1 – пионерная дамба; 2 – противофильтрационная стена; 3 – тело ограждающей дамбы из каменной наброски; 4 – глинистый экран; 5 – хвосты; 6 – аллювиальные отложения; 7 – глинистый грунт основания
Рисунок 2 - Схема конструкции ограждающих дамб хвостохранилища рудника Diavik (Канада):
1 – центральная зона из дресвяно-щебенистого грунта; 2 – каменная наброска; 3 – щебень; 4 – зона виброуплотнения центральной зоны; 5 – противофильтрационная стена; 6 – струйная цементация грунтов; 7 – цементация трещиноватого скального основания; 8 – водопроницаемый грунт основания; 9 – трещиноватое скальное основание; 10 – хвосты
Вторичные стены используются для снижения фильтрации загрязнённых вод из хранилища. Они возводятся как способом «стена в грунте», так и способом буросекущихся свай. Характерной особенностью вторичных стен, создаваемых в уже действующих объектах, является то, что, как правило, они пересекают тело дамбы. В описан случай, когда в процессе ремонта ПФС была выполнена не в дамбе или в основании, а в самом хранилище складируемых отходов.
Интересным случаем является план применения ПФС для ремонта хранилища Удоканского горнометаллургического комбината . При первом наполнении этого наливного хвостохранилища, образованного каменно-набросной дамбой, обнаружилась сильная фильтрация через оттаявший слой основания. Восстановление водонепроницаемости основания предполагается выполнить путём создания ПФС способом буросекущихся свай (рис.3). Глубина такой стены достигнет 57 м!
Рисунок 3 - Конструкция западной первичной дамбы хвостохранилища Удоканского горнометаллургического комбината:
1 – тело дамбы из каменной наброски; 2 – экран из геомембраны, уложенный по верховому откосу; 3 – противофильтрационная стена; 4 – ложе хвостохранилища; 5, 6, 7, 8 – водопроницаемые слои грунтов основания; 9 – водоупор
Примером такой конструкции является хранилище Sillamae в Эстонии . После десятилетий использования это хранилище, в котором в том числе складировались радиоактивные отходы, было выведено из эксплуатации. Для того чтобы опасный фильтрат не попадал в окружающую среду, при реализации проекта ликвидации по низовому контуру хранилища была выполнена ПФС (рис.4).
Рисунок 4 - Поперечный разрез по хвостохранилищу Sillamae (Эстония) после ликвидации:
1 – ограждающая дамба со стороны берега; 2 – ограждающая дамба со стороны моря; 3 – разделительная дамба хвостохранилища; 4 – берегоохранная дамба; 5 – урановые хвосты; 6 – золошлаки; 7 – защитный/выравнивающий слой из грунта; 8 – глинистый экран; 9 – рекультивационный слой; 10 – противофильтрационная стена; 11 – свайный ростверк (усиление основания); 12 – песчано-гравийный грунт основания; 13 – песчаник основания; 14 – водоупорный слой основания из глины
Мало изученным является вопрос о напряжённо-деформированном состоянии (НДС) ПФС ХЖПО. Только в описаны результаты расчёта НДС ПФС в конструкции дамбы хвостохранилища «Олений Ручей». Расчёты выполнялись в программном комплексе PLAXIS.
4. Заключение
Так же как и в плотинах водохранилищах, противофильтрационные стены хвостохранилищ используют для создания новых объектов, а также для ремонта, реконструкции и ликвидации уже действующих объектов. Есть пример применения ПФС в качестве диафрагмы каменно-набросной дамбы.
Для устройства противофильтрационных стен используют способы «стена в грунте», буросекущихся свай, а также способ смешивания грунта с цементной смеси. Имеется пример использования хвостов для приготовления материала стены способом смешивания.
Расположение противофильтрационной стены в составе ограждающей дамбы может быть различным, она может располагаться с верховой, с низовой стороны и по оси дамбы. Есть пример устройства стены-завесы непосредственно в хранилище отходов.
Для противофильтрационных стен в дамбах хранилищ жидких отходов характерно многообразие конструктивных решений и способов устройства, поэтому вопрос об условиях работы противофильтрационных стен в дамбах хвостохранилищ требует изучения.