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

< 10

5,0-8,0

1:2,0

4,0-8,0

1:2,5

10-30

4,0-6,0

1:2,5

3,0-6,0

1:3,0

> 30

3,0-5,0

1:3,0

2,0-5,0

1:3,5

5.34. Расчеты устойчивости откоса рекомендуется вести по методу круглоцилиндрических поверхностей сдвига способом массового давления Р.Р. Чугаева (ВСН 04-71 Минэнерго СССР).

В случае переслаивания грунтов различного состава и прочности в упорной призме при водоупорном основании и большом объеме текучих грунтов в центральной части отвала необходимо произвести проверочный расчет устойчивости откоса с применением метода ломаных поверхностей скольжения.

5.35. Коэффициент запаса устойчивости гидроотвала следует определять для наиболее опасной поверхности скольжения, при которой он имеет минимальное значение. Эту поверхность отыскивают методом последовательных приближений с учетом положения граничных зон фракционирования (см. п. 5.4).

5.36. При расчете устойчивости откоса следует учитывать, что грунт центральной части гидроотвала находится в состоянии «тяжелой» жидкости (глинистой суспензии с объемной массой скелета g_ск < 0,60¸0,70 г/см³ и коэффициентом бокового давления e = 1) только до глубины 9-10 м. Ниже указанной глубины объемная масса скелета грунта увеличивается, и коэффициент бокового давления уменьшается.

Для наиболее опасных зон (узких сечений) упорной призмы средних и высоких гидроотвалов типа Б и В необходимо производить проверочные расчеты устойчивости откосов по методу разжиженного ядра (Рекомендации по проектированию хвостовых хозяйств предприятий металлургической промышленности. М., Стройиздат, 1975).

6. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ГИДРООТВАЛОВ 6.1. Состояние гидроотвалов прогнозируют для оценки устойчивости откосов и своевременного выявления возможных оползаний и выпоров разжиженного намытого грунта, решения вопросов о возможности дальнейшего его наращивания по высоте, а также для предотвращения аварий и улучшения условий производства работ.

Прогнозирование следует производить перед сдачей в эксплуатацию всех гидроотвалов независимо от класса капитальности и в ходе наращивания гидроотвалов I и II классов (см. п. 1.5).

6.2. При прогнозировании состояния гидроотвалов необходимо учитывать следующие обстоятельства.

При срезке грунта с наружного откоса гидроотвала для устройства повторного обвалования в процессе наращивания обнажается намытый в упорную призму грунт, поэтому путь фильтрации в наружный откос сокращается. Выход воды на откосах является следствием нарушения технологических правил - продолжительности, периодичности или тонкослойности намыва. Интенсивное просачивание воды в наружный откос указывает на слабое уплотнение намытых грунтов упорной призмы, связано с выносом грунтовых частиц и влечет за собой еще большее разуплотнение грунта.

В теле гидроотвала грунты консолидируются неравномерно: супесчаные грунты упорной призмы (до g_ск = 1,55 г/см³) уплотняются в течение нескольких суток, консолидация же текучего глинистого грунта в центральной зоне протекает десятилетия (см. приложение 2).

Анализ аварий на гидроотвалах показывает, что они происходят в основном вследствие усиленной фильтрации воды через тело ограждающей дамбы, неравномерной осадки основания гидроотвала, оползневых явлений в массиве гидроотвала, неисправной работы водосбросных колодцев, деформации дамб обвалования и нарушения схемы намыва, предусмотренной проектом, перелива потока пульпы через гребень и размыва обвалования.

6.3. При наращивании гидроотвалов для прогнозирования устойчивости верхних ярусов необходимо сравнить расчетные характеристики грунта, принятые в проекте, с фактическими, установленными по результатам контроля за качеством намыва нижнего яруса. При расхождении значений более чем на 10 % следует пересматривать расчеты по фракционированию и устойчивости откосов.

6.4. При расчетах устойчивости наращиваемых гидроотвалов следует учитывать поровое давление, возникающее ниже депрессионной кривой (по методу Водгео). Для грунтов с коэффициентом фильтрации K_ф > 0,01 м/сутки поровое давление не учитывают.

6.5. Устойчивость гидроотвала необходимо рассчитывать с учетом процессов консолидации глинистых грунтов промежуточной и центральной зон и основания гидроотвала лишь в случаях, когда глинистый грунт имеет степень влажности g³0,85 с коэффициентом консолидации d < 1×10⁷ см²/г. (СНиП II-Б.3-62).

Коэффициент консолидации следует вычислять на основе данных геотехнического контроля (см. приложение 2):

(17)

где a - коэффициент уплотнения, см²/кг;

e₁ - начальный коэффициент пористости;

g_в - плотность воды, равная 0,001 кг/см³.

6.6. Для прогнозирования устойчивости наращиваемых гидроотвалов I и II классов необходимо проводить натурные наблюдения c помощью контрольно-измерительной аппаратуры. На гидроотвалах III класса можно ограничиться только визуальными наблюдениями.

Размещение контрольно-измерительной аппаратуры и методика наблюдений в строительный и эксплуатационный периоды должны осуществляться в соответствии с инструкцией, прилагаемой к проекту. Для прогнозирования состояния откосов опасных зон (особенно в районе населенных пунктов) следует предусматривать не менее трех створов по откосу намыва, располагаемых через 50-100 м.

6.7. Для уточнения геологического строения тела и основания гидроотвала, а также с целью отбора образцов грунтов по створам следует пробурить скважины - не менее трех в упорной призме и по одной в промежуточной и прудковой зонах. Глубину скважин необходимо задать на всю мощность намытых грунтов до основания гидроотвала. При бурении следует отбирать пробы грунта через 1-2 м для определения объемной массы скелета, коэффициента фильтрации, угла внутреннего трения и сцепления. При оформлении документации должны быть указаны даты намыва грунта и отбора проб. Для определения плотности намытых грунтов периодически следует выполнять динамическое зондирование в упорной призме и статическое - в промежуточной зоне. К выполнению бурения и зондирования следует привлекать специализированные изыскательские организации.

6.8. Для сопоставления фактического и проектного положений фильтрационного потока необходимо проводить наблюдения за уровнем воды в пьезометрах, устанавливаемых предпочтительно в местах, где основание гидроотвала сложено водоупорными грунтами, а упорная призма имеет максимальную высоту при минимальных размерах пляжа. Глубину заложения и оборудование водоприемной части пьезометров выбирают исходя из конкретных условий. Расчетное положение депрессионной кривой следует проверять по результатам наблюдений за уровнем воды в пьезометрах.

Коэффициенты фильтрации и анизотропии намытых грунтов необходимо определять методом налива в шурфы.

6.9. Для определения степени консолидации намытых грунтов и возможных деформаций откосов на гидроотвале следует устанавливать осадочные марки. Результаты наблюдений деформаций в вертикальном и горизонтальном положениях сравнивают с нормативными данными, принятыми для земляных сооружений. В случае значительных расхождений наращивание гидроотвала не производят.

6.10. По результатам натурных наблюдений и лабораторных определений должна быть составлена документация (приложение 8), на основе которой следует производить контрольные расчеты устойчивости откосов и прогнозирование состояния гидроотвалов. Наращивать гидроотвал разрешается в случае выполнения требований настоящей инструкции.

7. КОНТРОЛЬНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ГИДРООТВАЛАМИ В ПРОЦЕССЕ НАМЫВА 7.1. При намыве гидроотвалов должен быть организован технический контроль за их качеством.

Основная задача контроля - сравнение полученных геотехнических характеристик грунтов с проектными, что позволяет своевременно вносить поправки в технологию намыва и организацию работ. Систематические контрольные наблюдения следует проводить силами строительной организации, документацию контроля должны проверять представители технического надзора заказчика и проектной организации не реже двух раз в год: в предпаводковый период (начало намыва) и после окончания сезона работ по намыву.

7.2. Для обеспечения качества намываемого грунта необходимо проводить:

контроль за подготовкой основания гидроотвала;

наблюдения за разработкой карьеров с целью контроля качества разрабатываемого грунта;

наблюдения за технологией намыва;

фиксацию отметок намытой поверхности по рейкам, установленным на картах намыва;

отбор проб грунта, уложенного в гидроотвал, для определения физико-механических характеристик грунта;

отбор проб сбрасываемой воды для определения ее концентрации и гранулометрического состава твердой составляющей;

контроль конфигурации, размеров и положения прудка;

контроль за положением депрессионной кривой поверхности;

наблюдения за деформацией откосов, осадкой и консолидацией грунта;

наблюдения за состоянием обвалования, выходами фильтрационных вод;

обработку полученных материалов наблюдений, анализов и лабораторных определений, составление и оформление технической документации.

7.3. На грунтовую лабораторию строительной организации должен быть возложен постоянный контроль в ходе намыва за соответствием гранулометрического состава и плотности грунтов, определяемых при намыве, принятом в проекте.

Критерием, определяющим качество намытого грунта, должна служить проектная плотность уложенного грунта, выражаемая объемной массой скелета и влажностью. Объемная масса скелета грунта, намываемого в упорную призму, должна быть не менее 1,53 г/см³, а влажность - не более 16-18 %.

7.4. Количество контрольных проб для определения объемной массы и влажности грунта должно быть установлено в каждом конкретном случае в зависимости от класса капитальности гидроотвала, характеристики грунтов и инженерно-геологических условий. Точки отбора проб должны распределяться по намываемому слою равномерно, в шахматном порядке, из расчета: одна контрольная проба на 2000-5000 м³ намытого грунта. Пробы для определения объемной массы скелета грунта должны отбираться методом режущего кольца в каждом намытом слое через 0,4-0,5 м по высоте.

7.5. Необходимость более полного исследования свойств намываемого грунта (определения коэффициента фильтрации, сопротивления грунта сдвигу и сжимаемости) должна быть обоснована проектом.

При лабораторных определениях следует пользоваться:

ГОСТами по методике лабораторного определения грунтов (5179-64, 5180-64, 5181-64, 5182-64, 5283-64, 5184-64; 12248-66, 12071-66, 12374-66, 12536-67);

«Инструкцией по контролю качества возведения намывных земляных сооружений» BCH 43-71*.

7.6. При наблюдении за отстойным прудком необходимо фиксировать отметки уровня воды, вести зарисовку границ по створам и промерять глубины прудка. Предельный уровень прудка-отстойника назначают с учетом минимальной отметки гребня дамбы и фиксируют в ходе намыва по рейкам. Рейки устанавливают у колодцев и в других местах, удобных для наблюдений. Превышение гребня дамбы над уровнем воды в прудке для гидроотвалов I класса не должно быть менее 2 м, II класса - 1,5 и III класса - 1 м.

7.7. Наблюдения за положением поверхности фильтрационного потока следует проводить по пьезометрическим створам, располагаемым по направлению потока от уреза прудка-отстойника до низового откоса. Наблюдения за уровнем воды в пьезометрах должны проводиться не менее одного раза в неделю, а в паводковый период - ежедневно. Глубина заложения пьезометров и густота сетки их расположения определяются высотой гидроотвалов и фильтрационными свойствами грунтов упорной призмы и основания. При водоупорном основании пьезометры можно располагать через 15-30 м со сгущением сети в местах выхода фильтрационного потока до 5-10 м.

7.8. Оформление производственной документации при намыве отвалов должно осуществляться по инструкции BCH 43-71*.

7.9. Для записи результатов контрольных наблюдений необходимо вести:

журнал отбора проб грунта;

журнал наблюдений за технологией намыва, в котором фиксируют консистенцию гидросмеси, расход и концентрацию сбросной воды, наблюдения за положением уреза воды в отстойном прудке.

7.10. Журналы производства работ и контроля качества намыва следует заводить на каждом объекте до начала производства работ. По окончании работ на объекте журнал производства работ должен быть приложен к акту сдачи-приемки объекта.

7.11. По достижении проектной высоты гидроотвал перед сдачей должен быть рекультивирован. Комплекс мероприятий по рекультивации гидроотвала следует предусматривать в проекте производства работ.

Вид рекультивации поверхности гидроотвала принимают в зависимости от назначения: сельскохозяйственный, лесохозяйственный, водохозяйственный, рыбохозяйственный или строительный.

Рекультивацию необходимо производить по следующим основным этапам:

удаление воды из прудка-отстойника;

осуществление системы отвода весенних и ливневых вод;

выравнивание поверхности гидроотвала;

покрытие гидроотвала суглинистым и почвенным грунтами слоем мощностью соответственно 1 и 0,5 м;

посев трав и посадка кустов на откосах.

Каждый вид рекультивации в зависимости от местных условий определяет необходимость выполнения и последовательность этапов.

Приложение 1 Классификация связных и полусвязных грунтов Связный грунт

Число пластичности W_п

Содержание частиц d < 0,005 мм (в % от массы сухого грунта)

Коэффициент фильтрации, K_ф, см/с

Плотность грунта g г/cм³

Супесь

1 - 7

3 - 10

10^-5 - 10^-4

2,70

Суглинок

7 - 17

10 - 30

10^-7 – 10^-5

2,71

Глина

> 17

> 30

< 10^-7

2,74

Глинистые грунты имеют следующий показатель консистенции В (по табл. 7 СНиП II-15-74):

Супеси:

твердые < 0

пластичные 0-1

текучие > 1

Суглинки и глины:

твердые < 0

полутвердые 0-0,25

тугопластичные 0,25-0,50

мягкопластичные 0,50-0,75

текучепластичные 0,75-1,00

текучие > 1

Приложение 2 Изменения физико-механических свойств грунтов центральной зоны гидроотвала Консистенция глинистого грунта

Период консолидации грунта после намыва

Гранулометрический состав фракций d < 0,05 мм, %

Естественная влажность W_e, %

Объемная масса скелета g_ск, г/см³

Коэффициент пористости e

Степень влажности g

Показатель консистенции В

Угол внутреннего трения j, град

Удельное сцепление

С

Коэффициент уплотнения a, см²/кг

Коэффициент фильтрации K_ф, м/сутки

Коэффициент консолидации d, см²/год

Глинистые грунты

Суспензия

4-6 суток

90,0-98,0

460,0

0,20

12,70

-

> 1,00

-

-

-

-

-

Текучий