ВСН 291-72*. Инструкция по проектированию гидроотвалов из глинистых грунтов и прогнозированию их состояния

5. РАСЧЕТЫ Фракционирование связных грунтов при намыве

5.1. При расчете фракционирования (раскладки) связных намываемых грунтов необходимо учитывать следующие обстоятельства.

При намыве гидроотвалов происходит фракционирование грунта по крупности с уменьшением диаметра частиц по мере удаления от выпуска. Характер фракционирования при намыве связных грунтов зависит от степени неоднородности карьерного грунта, количества мелкодисперсных частиц, удельного расхода и консистенции пульпы, а также от изменения положения уреза воды в прудке-отстойнике.

Фракционирование в процессе намыва связных грунтов становится заметным при коэффициенте неоднородности грунта K_н = d₆₀/d₁₀ ³ 5 и зависит от расхода и консистенции пульпы.

Значительное влияние на характер раскладки фракций имеет положение границ прудка-отстойника. В упорной призме откладывается большая часть песчаных частиц. В промежуточной зоне (зоне колебания уреза воды в прудке) резко возрастает содержание глинистых фракций. В центральной (прудковой) зоне преимущественно осаждаются глинистые и пылеватые частицы, в местах поступления потока пульпы в прудок-отстойник - мелкопесчаные частицы (рис. 4, 5).

Рис. 4. Изменение гранулометрического состава грунта по длине откоса намыва:

I, II, III - зоны гидроотвала

5.2. Размеры зон гидроотвала и расчетные характеристики намываемого грунта следует принимать по гидроотвалам-аналогам, у которых способы намыва одинаковые, а разрабатываемый грунт близок по своим характеристикам к грунту, складируемому в проектируемый гидроотвал. При отсутствии гидроотвалов-аналогов рекомендуется использовать графические методы В.Н. Маслова, П.И. Гордиенко или разработанный ВНИИГС метод расчета фракционирования по откосу намыва для отвалов из связных грунтов (приложение 3).

Рис. 5. Изменение характера фракционирования по длине откоса намыва:

1 - d₅₀; 2 - K_н ; 3 - П (П - параметр фракционирования)

При проведении расчетов графическими методами можно руководствоваться следующими рекомендациями Б.А. Волнина по прогнозу распределения фракций намываемого грунта:

в упорной призме отвала будут откладываться частицы крупностью > 0,1 и ³ 0,05 мм при содержании в карьерных грунтах соответственно до 60 и до 25 % частиц менее 0,1 мм;

в центральной части отвалов в обоих случаях откладываются частицы размерами менее 0,1 мм.

5.3. Расстояние от начала намываемого откоса до центра распределения фракции без учета изменения плотности по откосу намыва можно вычислить по формуле В.А. Мелентьева:

(5)

где L_i - длина каждой из зон L_I, L_II, L_III, M;

L - длина откоса намыва, м;

Ф_i - содержание фракций от d_i до d_макс в исходном грунте.

5.4. Ширину каждой зоны с учетом плотности грунта следует определить по формулам:

где L - длина откоса намыва от обвалования до центральной части прудка, м;

b_i - коэффициент гидроразрыхления.

5.5. Длину пляжа необходимо проверять исходя из условий безопасного положения кривой депрессии (см. п. 5.25).

5.6. Средний уклон поверхности намыва грунтов зависит от удельного расхода пульпы на откосе намыва, ее консистенции, крупности частиц грунта и принимается по табл. 3.

Таблица 3

Грунт

Уклоны поверхности намыва

надводные J_надв

Подводные J_подв

Песок:

крупнозернистый

0,15 - 0,05

0,30 - 0,20

среднезернистый

0,08 - 0,05

0,20 - 0,15

мелкозернистый

0,06 - 0,02

0,15 - 0,10

Супесь

0,03 -0,01

0,07 - 0,015

Глина

0,015 - 0,007

< 0,003

Глина, мел

0,02 - 0,008

< 0,003

Профиль отложения пляжной зоны имеет вогнутую форму с общим уклоном от места выпуска пульпы к прудку-отстойнику.

Профиль поверхности намытых грунтов ниже уровня воды также имеет вогнутую форму с постепенным уполаживанием откоса по мере удаления от уреза воды прудка.

Расчетные физико-механические характеристики грунтов, укладываемых в отвал

5.7. Для проектирования и возведения гидроотвала необходимо установить расчетные физико-механические характеристики грунтов основания, дамбы первичного обвалования и грунтов, подлежащих укладке в гидроотвал.

5.8. Расчетные характеристики грунтов следует устанавливать по данным:

инженерно-геологических и гидрологических изысканий карьера, подлежащего разработке, и района, отведенного под складирование пород в гидроотвал;

расчета фракционирования карьерного грунта в гидроотвале;

лабораторного определения характера изменения физико-механических свойств карьерного и намытого в гидроотвал грунтов;

материалов полевых и лабораторных исследований складирования глинистых грунтов в аналогичных условиях.

Примечание. Если проектируемый гидроотвал располагается в районе действующих гидроотвалов, то необходимо использовать результаты исследований этих отвалов.

5.9. Основными расчетными характеристиками грунтов при проектировании гидроотвалов должны быть:

гранулометрический состав грунтов;

число и пределы пластичности глинистых грунтов (текучести W_т и раскатывания W_р) и максимальная молекулярная влагоемкость W_м;

плотность грунта g;

объемная масса скелета грунта g_ск;

влажность грунта W;

коэффициент фильтрации K_ф;

коэффициент внутреннего трения tgj;

удельное сцепление C;

коэффициент уплотнения a.

Кроме указанных характеристик, для намываемых грунтов устанавливают средневзвешенный диаметр частиц d_ср, действующий диаметр d₁₀, меньше которого имеют 10 % массы всех частиц, диаметры d₆₀ и d₉₀ меньше которых имеют соответственно 60 и 90 % массы всех частиц.

5.10. Расчетные характеристики грунтов при проектировании гидроотвала устанавливают отдельно для основания гидроотвала, дамбы первичного обвалования и упорной призмы.

5.11. Расчетные характеристики грунтов основания гидроотвала устанавливают по результатам статистической обработки материалов инженерно-геологических изысканий на площади, отведенной для намыва отвала.

При определении расчетных характеристик грунтов основания особое внимание должно быть уделено прочностным свойствам.

Коэффициент запаса прочности основания определяют как отношение предельной нагрузки P_п к расчетной P_р:

. (6)

Для неслабых грунтов основания на стадии технического проекта расчетные характеристики разрешается устанавливать по аналогии, а также по усредненным значениям характеристик, приведенным в табл. 4.

5.12. Для дамб первичного обвалования расчетные характеристики грунтов следует принимать исходя из физико-механических свойств грунтов, планируемых для использования при строительстве дамбы.

Для определения расчетных характеристик грунта необходимо установить его гранулометрический состав на основании лабораторных определений проб, отобранных из грунта (местного или привозного), предназначенного для строительства дамбы обвалования.

Основные расчетные характеристики грунтов для выполнения расчетов фильтрации и устойчивости откосов дамбы первичного обвалования: плотность, объемная масса скелета, массовая влажность грунта (в долях единицы), коэффициент фильтрации, коэффициент сопротивления сдвигу (угол внутреннего трения и сцепления), пределы и число пластичности, консистенция.

После возведения дамбы первичного обвалования перед заполнением гидроотвала принятые в расчетах характеристики грунтов необходимо проверить на основе контрольных лабораторных определений. В случае расхождения расчетных и фактических характеристик грунта в рабочие чертежи следует внести исправления.

5.13. Расчетные физико-механические характеристики намываемого грунта упорной призмы назначают в зависимости от технологии намыва и физико-механических свойств грунтов карьера по аналогии с ранее намываемыми отвалами. Это допускается при совпадении гранулометрического состава карьерных грунтов.

Таблица 4

Грунты

Угол внутреннего трения j, град (числитель) и удельное сцепление С, кгс/см² (знаменатель) при коэффициенте пористости e

0,41-0,5

0,51-0,6

0,61-0,7

0,71-0,8

0,81-0,95

0,96-1,1

Песчаные:

гравелистые и крупные

41/0

38/0

36/0

-

-

-

средней крупности

38/0

36/0

33/0

-

-

-

мелкие

36/0,01

34/0

30/0

-

-

-

пылеватые

34/0,02

32/0,01

28/0

-

-

-

Глинистые при влажности на границе раскатывания, %:

9,5-12,4

23/0,03

22/0,01

21/0

-

-

-

12,5-15,4

22/0,14

21/0,07

20/0,04

19/0,02

-

-

15,5-18,4

-

20/0,19

19/0,11

18/0,08

17/0,04

16/0,02

16,5-22,4

-

-

18/0,28

17/0,19

16/0,10

15/0,06

22,5-26,4

-

-

-

16/0,36

15/0,25

14/0,12

26,5-30,4

-

-

-

-

14/0,40

13/0,22

Примечание. Данные таблицы приведены по приложению 1 СНиП II-И.4-62*.

При выборе расчетных характеристик грунта необходимо учитывать следующее:

при намыве связных грунтов карьера с коэффициентом неоднородности K_н  происходит четкое фракционирование грунта по зонам; в упорной призме откладываются в основном частицы диаметром более 0,1 мм;

естественная влажность и объемная масса скелета намытого грунта упорной призмы изменяются во времени: за период 4-6 суток W уменьшается от 17-20 до 12-10 %, g_ск увеличивается от 1,45-1,50 до 1,55-1,60 г/см³;

для грунтов упорной призмы характерна тонкослоистая текстура отложений, которая возникает в результате периодического изменения режима намыва и гранулометрического состава твердого компонента пульпы; намытые тонкослоистые грунты имеют различный коэффициент фильтрации K_ф в продольном направлении K_ф больше, чем в поперечном.

Гранулометрический состав намытых грунтов упорной призмы следует рассчитывать графоаналитическим методом, исходя из состава карьерного грунта и характера фракционирования (приложение 4). Основные расчетные физико-механические характеристики грунта при наращивании гидроотвалов высотой до 30 м принимают по табл. 5. При отклонении состава карьерного грунта более чем на 5 % характеристики грунта должны быть проверены дополнительными расчетами.

Объемную массу скелета намытого грунта можно определить по рис. 6, 7, 8, угол внутреннего трения - по рис. 9.

Для песчаных грунтов упорной призмы в зависимости от g_ск необходимо определять угол внутреннего трения и коэффициент фильтрации (табл. 6 и 7) по СНиП II-И.5-62*.

Таблица 5

Показатель

Усредненные значения характеристик

грунта карьера

намытого грунта

упорная призма

промежуточная зона

центральная зона

Естественная влажность грунта, %

13,0

18,0

31,0

76,0

Объемная масса грунта, г/см³

1,83

1,88

1,84

1,58

Объемная масса скелета грунта, г/см³

1,62

1,60

1,40

0,90

Плотность, г/см³

2,69

2,68

2,70

2,73

Коэффициент пористости

0,66

0,68

0,93

2,03

Пористость, %

39,5

40,3

48,2

62,1

Коэффициент водонасыщения

0,53

0,72

0,91

> 1,0

Консистенция

< 0

0 - 0,5

0,75 - 1,0

> 1,0

Коэффициент фильтрации, м/сутки

0,43 - 3,88

Песок - 0,9, супесь - 0,2

< 0,01

10^-5

Угол внутреннего трения, град

26

30

4 - 10

0 - 3

Сила сцепления, кгс/см²

0,25

0,01 - 0,04

0,2 - 0,4

< 0,2

Содержание частиц, %:

d > 0,05 мм

44,0

74,0

47,0

4,0

d = 0,05¸0,005 мм

21,0

17,0

27,0

47,0

d < 0,005 мм

35,0

9,0

26,0

49,0

Рис. 6. Область возможной объемной массы скелета намытого грунта через 2-6 суток после намыва

Рис. 7. Область возможного изменения объемной массы скелета грунта при длине намываемого откоса

Рис. 8. Усредненные показатели объемной массы скелета грунта с учетом консолидации во времени при наращивании гидроотвалов

1 и 2 - для центральной зоны при глубине прудка-отстойника соответственно 0,4-0,6 и 0,2-0,4 м; 3 - для промежуточной зоны; 4 - для упорной призмы

Рис. 9. Корреляционная зависимость угла внутреннего трения от объемной массы скелета намытого грунта:

1 - для супесей при W_е < 20 %; 2 - для глин и суглинков при W_е > 30 %

Таблица 6

Пески

Объемная масса скелета g_ск, г/см³

Угол внутреннего трения j, град

Пылеватые

1,38

24

1,40

25

1,45

26

1,50

27

Мелкие

1,45

29

1,50

30

Таблица 7

Эффективный, или действующий, диаметр частиц d₁₀, мм

Коэффициент фильтрации песков K_ф, см/с

при g_ск = 1,5 г/см³

при g_ск = 1,8 г/см³

0,05

0,006

0,0038

0,08

0,016

0,0100

0,10

0,025

0,0160

0,20

0,090

0,0600

Естественную влажность грунтов по длине пляжа намыва следует определять по зависимости

(7)

где W_a - массовая влажность грунта у выпуска пульпы, составляющая 10-15 %;

n - коэффициент, равный 20-25;

x/L - относительное расстояние, равное отношению расстояния x от выпуска пульпы до рассматриваемого участка к общей длине пляжа L.

Песчаные грунты имеют следующую степень влажности g (по СНиП II-15-74):

Маловлажные 0-0,5

Влажные 0,5-0,8

Насыщенные 0,8-1

Определение размеров прудка-отстойника

5.14. Прудок-отстойник, образуемый в центре гидроотвала должен выполнять две основные функции:

улавливание и осаждение мелких фракций;

обеспечение запасов воды для организации оборотного водоснабжения, которое обычно применяют на гидроотвалах.

5.15. Осветленная в прудке-отстойнике вода отводится за пределы гидроотвала самотеком через водосбросные колодцы либо ее откачивают плавучими насосными станциями (оборотная вода). Способ отвода осветленной воды в каждом конкретном случае предусматривается в ППР. Водосбросные колодцы и плавучие насосные станции должны располагаться в зоне чистой воды прудка-отстойника и осуществлять водозабор из верхнего слоя воды, освобожденного от взвеси.

5.16. При проектировании водосбросных колодцев необходимо учитывать следующее:

водосбросные колодцы используют для отвода осветленной воды, а при необходимости и для пропуска паводковых или ливневых вод, что должно быть обосновано в ППР;