Проектирования золоотвала

Проектирования золоотвала

Введение

Вследствие подпора воды после наполнения накопителей промстоков возникает существенное изменение режима грунтовых вод на прилегающих территориях. В результате уровни грунтовых вод повышаются на значительных площадях. На некоторых участках происходит подтопление территории загрязненными грунтовыми водами и заболачивание ее. Карьеры, золоотвалы являются распространенными и мощными источниками загрязнения длительного действия, создающие серьезные экологические проблемы на обширных территориях. В результате фильтрации, т.е. движения жидкости в пористой или трещиноватой среде может произойти вынос загрязняющих веществ. Фильтрация промышленных стоков отрицательно влияет на экологическую ситуацию вокруг карьера, золоотвала, ухудшая санитарное состояние подземных вод и открытых водоемов. При неблагоприятном сочетании природных и технологических факторов фильтрация может привести к нарушению устойчивости дамбы, ее прорыву и вытеканию загрязненной воды и золовой пульпы, образованию мощного селевого потока и затоплению прилегающих территорий, т.е. к масштабной экологической катастрофе.

Для предотвращения или максимально возможного смягчения фильтрационных воздействий золоотвалов на окружающую среду и выбора наиболее эффективных мероприятий по её защите выполняется комплекс фильтрационных расчетов, включающий следующие позиции:

определение положения свободной поверхности фильтрационного потока в ограждающей дамбе;

прогнозирование границ зоны фильтрационного воздействия карьера, золоотвала, в частности прогнох гарниц области возможного загрязнения подземных вод, областей подтопления, обводнения, эрозии и других геоэкологических нарушений, обусловленных фильтрацией;

определение расхода и скорости течения жидкости, фильтрующейся через тело и основание дамбы;

оценка эффективности действующих и проектируемых противофильтрационных и дренажных устройств;

назначение дополнительных конструктивно - технологических мероприятий на участках опасного фильтрационного высачивания (дренирующие пригрузки, дренажные разгрузочные колодца, внешний водоотвод и др.)

В данной работе рассматривается карьер, для которого определяется количество поступающей воды, рассчитывается фильтрация, предусматривающая определение кривой депрессии, т.е. свободная поверхность фильтрационного потока - напоры, линии тока. Определяется расход подземного потока.

Накопитель - земляное сооружение (золоотвалы, хвостохранилища, шламохранилища), предназначенные для защиты от загрязнения токсичными промышленными веществами подземных вод и поверхностных водных источников, а также для отстаивания, осветления, испарения, доочистки и накопителя при повторном использовании в системе водооборота или перед сбросом в водоёмы сточных вод. В накопителях применяется комплекс противофильтрационных устройств, обеспечивающих надежную работу сооружений и полностью исключающих утечку сточной жидкости.

Золоотвал - земляные ёмкости для складирования твердых отходов от ТЭС, образованные специальными гидротехническими сооружениями. Они характеризуются непрерывными изменениями во времени конструктивных и технологических параметров.

Борта накопителя - естественные склоны или ограждающие дамбы.

Фильтрация - движение подземных вод, газов, других жидкостей сквозь пористые (трещиноватые) горные породы.

Коэффициент фильтрации - показатель водопроницаемости грунта, численно равный скорости фильтрации при ламинарном режиме и градиенте напора, равном 1.

Фильтрационный поток - поток жидкости, движущейся в трещиноватом (пористом) массиве.

Гидроизогипсы - линии, соединяющие точки с одинаковыми относительными или абсолютными отметками уровней грунтовых вод.

Депрессионная кривая - положение уровней безнапорных или пьезометрических уровней напорных вод.

Дренаж - система дрен, служащая для понижения уровня кривой депрессии в теле ограждающих дамб и повышения устойчивости низового откоса, а также для предотвращения выхода фильтрационного потока на внешний откос или в слой сезонного промнрзания.

Свободная (депрессионная) поверхность - поверхность, ограничивающая сверху гравитационную зону фильтрационного потока и характеризуемая давлением, равным атмосферному.

Напоры - давление воды, выраженное высотой водяного столба над рассматриваемой плоскостью сранения.

Линия тока - линия, в каждой точке которой касательная совпадает с направлением вектора скорости фильтрации в этой точке.

Водоносный горизонт - слой или несколько слоев водопроницаемых горных пород, поры, трещины и другие пустоты которых заполнены подземной водой.

Водоупор - слой горных пород, практически не пропускающих сквозь себя воду (глины, лишенные трещин скальные породы и мерзлые ледонасыщенные горные породы). Водоупор ограничивает сверху и снизу водоносный горизонт.

Водопроводимость (проводимость) - сумма произведений коэффициента фильтрации на элемент мощности пласта, в пределах которого коэффициент фильтрации постоянный.

1   Высота участка высачивания грунтовой воды - измеряемое по
вертикали превышение точек выхода депрессионной поверхности на поверхность склона (откоса) грунтового массива над плоскостью сравнения
(подошва откоса, уровень воды в водоеме, подтапливающем откос и т.д.)..

2   Гидроизогипсы - горизонтальные линии на свободной (депрессионной) поверхности, проходящие через точки с одинаковыми отметками.

3   Гидроизопьезы - проходящие через точки с равными напорами
горизонтальные линии на кровле или подошве области фильтрации, занятой напорным потоком.

4   Область фильтрации - область пространства, занятого фильтрационным потоком.

5   Поверхность (линия) равного напора - установленная расчетом
или наблюдениями поверхность внутри фильтрационного потока или - на
его границах, во всех точках которой напор одинаков.

6   Подземный контур сооружения - линия, ограничивающая снизу
водонепроницаемые части сооружения и отделяющая эти части от водопроницаемого грунта основания.

1. Исходные данные

проектирование золоотвал фильтрация дамба

Исходные данные к работе представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Исходные данные

Краткая характеристика объекта. Для складирования твердых отходов от ТЭС применяются земляные емкости, образованные специальными гидротехническими сооружениями - золоотвал. Золоотвалы являются звеном технологического цикла тепловых электрических станций, работающих на твердом топливе, и предназначены для организованного складирования золошлаковых отходов. По способу складирования золошлаковых отходов выделяют насыпные и гидравлические золоотвалы. Емкость (чаша) для складирования золошлаков состоит из ложа (дна) и бортов золоотвала. Бортами могут служить как естественные склоны, так и ограждающие дамбы - грунтовые подпорные сооружения.

Золоотвалы, как и другие накопители, характеризуются непрерывным изменением во времени конструктивных и технологических параметров - действующего напора, контуров сооружения в плане, поперечных и продольных профилей ограждающих сооружений, материала тела дамб наращивания, мощности и физико-механических свойств золошлаковых отложений, интенсивности намыва, рельефа откосов и дна отстойного пруда.

В зависимости от способа образования емкости для складирования золоотвалы подразделяются на одноярусные, многоярусные и бездамбовые. На одноярусных золоотвалах емкость создается возведением ограждающих дамб на полную проектную высоту. Многоярусные возводятся поэтапно: первичная создается возведением невысоких первичных дамб обвалования, а затем по мере ее заполнения, на золошлаковом основании возводится вторичные дамбы поярусного наращивания, создающие новую емкость для дальнейшего складирования. Бездамбовые золоотвалы устраивают в естественных понижениях рельефа (котловинах) или в отработанных карьерах без возведения ограждающих дамб.

По количеству секций различают односекционные и многосекционные золоотвалы. Важная особенность золоотвалов - постоянное уменьшение свободной емкости в процессе эксплуатации. Характерной же особенностью золоотвалов является беспрецедентно высокая аварийность, отражающая неудовлетворительное состояние их проектирования, строительства и эксплуатации. Эксплуатации золоотвалов действующих ТЭС уделяется недостаточное внимание. Эксплуатационные подразделения, как правило, не оснащены достаточным числом необходимых механизмов; персонал не обладает необходимой квалификацией. Качество строительства в большинстве случаев низкое.

Кроме задач, обычно решаемых при проектировании и строительстве водоподпорных грунтовых сооружений, при проектировании и строительстве золоотвалов возникают дополнительные специфические задачи, свойственные сооружениям накопителей. В первую очередь, это вопросы экологии - предотвращение попадания загрязненных стоков в поверхностные водоемы и грунтовые воды, вопросы пыления и пылеподавления, вопросы наращивания ограждающих дамб и сложные проблемы эксплуатации в суровых климатических условиях. Дефицит свободных площадей для размещения золоотвалов ведет к увеличению их высоты. Высота многих существующих золоотвалов достигает 20-30 м. При дальнейшем наращивании ограждающих дамб соответственно повышается класс сооружения. При дефиците свободных земель многие золоотвалы вынужденно размещают на площадках, расположенных выше отметок территорий жилой застройки, промышленных предприятий, других объектов, которые при этом попадают в зону возможного подтопления и затопления. В таких условиях особую ответственность приобретают проектирование и строительство защитных инженерных сооружений в комплексе с золоотвалами.

. Методика моделирования фильтрации

Решение двумерной геофильтрационной задачи в плоско-вертикальной постановке включает:

- построение депрессионной поверхности и линий равных напоров
(эквипотенциалей);

построение линий тока и полных гидродинамических сеток;

определение (по сеткам) параметров подземного потока;

определение границы зоны загрязнения потока подземных вод
фильтратом из накопителя;

анализ результатов моделирования и сравнительную оценку
вариантов противофильтрационных мероприятий, ограничивающих
загрязняющее влияние накопителя на подземные воды.

Задача фильтрации решается методом конечных разностей. Для этого нужно построить расчетную схему и дискретную модель области фильтрации, задать исходные расчетные параметры и граничные условия [1].

.Файлы исходных данных

Вариант 1

21 5 Т24-2 Глызина Олеся

.00

.0

.0 5

.5 16

.0 10

.5 18

.0 1

.5 1

.0 17

.5 1

.0 9

.5 30.0 120.0 0.001

.0

.5 30.0 120.0 0.001

.0

57

57

57

57

57

12

29

1

4

11

13

32

12

14

30

13

15

1 28

4 14

16

26

15

17

24

16

18

22

17

19

20

18

20

18

19

21

16

20

22

14

21

23

12

22

24

10

23

25

8

24

26

6

25

57

285

41

1

15

855

.00 21

.00 21

.00 57

.00 57

.00 21

.00 21

13

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

5

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

11

.00 26

.00 31

.50 12

.00 1

.50 1

.00 1

.50 1

.00 1

.50 1

.00 1

.50 1

.00 1

.50 1

.00 1

.50 1

.00 1

.50 1

.00 31

.01

Вариант 2

21 5 Т24-2 Глызина Олеся

.00

.0

.0 5

.5 16

.0 10

.5 18

.0 1

.5 1

.0 17

.5 1

.0 9

.5 30.0 120.0 0.001

.0

.5 30.0 120.0 0.001

.0

57

57

57

57

57

12

29

1

4

11

13

32

12

14

30

13

15

28

14

16

26

15

17

24

16

18

22

17

19

20

18

20

18

19

21

16

20

22

14

21

23

12

22

24

10

23

25

8

24

26

6

25

57

285

41

1

15

855

.00 21

.00 21

.00 57

.00 57

.00 21

.00 21

13

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

5

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

11

.00 26

.00 31

.50 12

.00 1

.50 1

.00 1

.50 1

.00 1

.50 1

.00 1

.50 1

.00 1

.50 1

.00 1

.50 1

.00 1

.50 1

.00 31

.01

Вариант 3

25 7 Т24-2 Глызина Олеся

.00

.0

.0 1

.5 24

.0 10

.0 1

.5 1

.0 17

.5 1

.5 14

.0 7

.0 2

.5 30.0 120.0 0.001

.0 70.0 0.1

.5 30.0 120.0 0.001

.0 70.0 0.1

71

71

71

71

71

51

1

2

1

16

50

6

15

49

8

14

49

8

14

12

34

15

10

13

32

15

11

14

30

2

13

12

15

28

2

13

13

16

26

2

2

25

17

24

2

2

26

18

22

31

19

20

32

20

18

33

21

16

34

22

14

35

23

12

36

24

10

37

25

8

38

26

6

39

71

355

52

2

18

1349

.00 25

.00 25

.00 71

.00 71

.00 25

.00 25

12

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

6

1

1

1

1

1

1

1

1

5

1

12

1

1

1

10

.00 26

.00 45

.50 12

.00 1

.50 1

.00 1

.50 1

.00 1

.50 1

.00 1

.50 1

.00 1

.50 1

.00 1

.50 1

.00 1

.50 1

.00 45

.01

. Расход для варианта с внутренним дренажом определяют по зависимости

Рисунок 5.1 - Расчетная схема фильтрации в дамбе на водоупорном горизонтальном основании

 (5.1)

где Lр= L + ∆LВ ; (5.2)

 (5.3)

 (5.4)

 (5.5)

 (5.6)

 (5.7)

Lр= 29 + 15,3=44,3

Ординаты кривой депрессии на участке между сечением 1 - 1 и дреной находятся по формуле:

 (5.8)

Ординаты кривой депрессии на участке между сечением 1 - 1 и осью ординат h находятся по формуле:

 (5.9)

Величину h0 в формулах (5.8) и (5.9) определяют по зависимости

 (5.10)

. Проектирование противофильтрационных мероприятий

Для схем, в которых не происходит высачивание потока на откосе и в основании у подошвы дамбы предусматриваются внешние теплоизоляционные пригрузки.

Для защиты от зимнего промерзания создают внешние теплозащитный грунтовый слой.

Откос дамбы защищается от сезонного промерзания теплозащитным слоем из любых местных грунтов, в частности и: вскрышных пород карьера. Толщина его назначается равной глубине сезонного промерзания грунта + 10%. Фильтрационный поток должен беспрепятственно высачиваться и отводится. Нарушение этого условия приводит к поднятию депрессионной кривой, появлению высачивания выше укрепительного участка и к ослаблению борта.

Расчет расхода фильтрационного потока. Расход необходим для подбора оборудования, необходимого для водоотведения.

Расчетная формула для определения полного расхода фильтрационного потока, м3/сут:

,

где  - удельный фильтрационный расход, м3/сут,

- длина золоотвала, м;

,

где - коэффициент фильтрации грунта, м3/сут,

 - разность напоров, м,

 - расстояние между соседними эквипотенциалями, м,

 - мощность слоя грунта, м;

;

Для плоско-вертикальной задачи принимаем, что величины N1 , N2 умножены на 1 метр.

k=70 м3 / сутки;

N = 7,0 м;

L = 136 м;

l = 2,5м ;

q=70*0,7*1/2,5=19,6 м3 / сутки

Полный расход:

Q =19,6*136=2665,6 м3 / сутки

. Контрольно - измерительная аппаратура (КИА)

Для контроля фильтрационного потока предусмотрены пьезометры.

Пьезометры необходимы для получения основной исходной информации о фактической фильтрационной картине для последующего сравнения ее с расчетной и обоснования критериев безопасности. В частности, пьезометры позволяют определить положение кривой депрессии, скорость потока, его химический состав, наличие суффозии и кольматации и назначить соответствующие мероприятия по обеспечению промышленной и экологической безопасности объекта.

Пьезометр состоит из водоприёмника, отстойника и открытой пьезометрической трубы. Водоприёмник включает в себя корпус, крышку с патрубком и резиновую цилиндрическую камеру. Труба перфорируется отверстиями диаметром 8-10 мм рядами вдоль оси трубы через 20-30 мм. Отверстия в ряду располагаются в шахматном порядке через 40 мм. Снаружи корпус покрывается подкладочной гофрированной перфорированной сеткой из винипласта и стеклотканью. Цилиндрическая камера выполняется из морозостойкой резины и служит для передачи фильтрационного давления воды на незамерзающую жидкость (антифриз), которая заливается в камеру до нулевой отметки перед установкой пьезометра. Пьезометрическая труба выполняется из обычных газоводопроводных труб. Затрубное пространство вокруг водоприёмника заполняют крупнозернистым промытым песком или смесью песка с гравием. Выше фильтровой обсыпки пространство засыпают обычным песком или хвостами. Верхнюю часть скважины до глубины не менее 2 м забивают пластичной глиной и суглинками.

На рисунке 7.1 представлена схема пьезометра.

1

Рисунок 7.1 - Схема пьезометра

- крышка пьезометра, 2- глухая труба диаметром , 3 - фильтр, 4 - отстойник

Заключение

В результате проектирования золоотвала были:

выполнены фильтрационные расчеты двумя методами - численным и аналитическим;

определены фильтрационные расходы;

приведены расчеты устойчивости дамбы;

назначены дополнительные противофильтрационные мероприятия;

предусмотрена КИА для контроля за основными параметрами фильтрационного потока (кривая депрессии, скорость потока), выносом частиц грунта, наличием суффозии или кальмотации и химическим составом фильтрата.

Удельный фильтрационный расход q = 19,6 м3 / сут.

Полный расход Q = 2665,6 м3 / сут.

Список использованной литературы

1. Экология промышленных накопителей. Приток воды в карьер. Фильтрация промышленных стоков из накопителя: Метод. указания по курсовому проектированию / Сост. Л. Т. Шалгинова, Н. В. Балацкая. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006 - 32 с.

. Экология промышленных накопителей. Расчет устойчивости грунтовых откосов: Метод. указания по выполнению лабораторных и практических работ / Сост. Л. Т. Шалгинова, Н. В. Балацкая. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006 - 19 с.

. Кузнецов Г. И. Основы проектирования золоотвалов: Учеб. пособие/ КГТУ. Красноярск, 2006 - 160с.