КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАСЫПНОЙ ЗЕМЛЯНОЙ ПЛОТИНЫ КАК ПРОТОТИПА ОГРАЖДАЮЩЕЙ ДАМБЫ ХВОСТОХРАНИЛИЩА

Научная статья
Выпуск: № 4 (4), 2012
Опубликована:
2012/09/30
PDF

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАСЫПНОЙ ЗЕМЛЯНОЙ ПЛОТИНЫ КАК ПРОТОТИПА ОГРАЖДАЮЩЕЙ ДАМБЫ ХВОСТОХРАНИЛИЩА

Научная статья

Калашник Н.А

Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук, Апатиты, Россия

 

Аннотация

На основе комплексных георадарных и сейсмотомографических исследований разработана геомеханическая модель ограждающего насыпного гидротехнического сооружения-плотины. Модель исследована в упругопластической постановке методами компьютерного моделирования, в результате чего установлены закономерности деформирования и смещения тела сооружения, а также формирование кривой депрессии в теле в зависимости от свойств слагающих его грунтов и уровня внешней водной нагрузки. Полученные данные представляют собой основу для обоснования мероприятий по снижению рисков локальных разрушений ограждающих дамб хвостохранилищ.

Ключевые слова: насыпная плотина, моделирование, деформирование

Key words: the bulk dam, modelling, deformation  

Основные гидротехнические сооружения на горных предприятиях представляют собой систему хвостохранилищ и ограждающих их дамб и являются потенциально опасными объектами [1, 2]. Опыт эксплуатации таких объектов имеет многочисленные примеры возникновения чрезвычайных ситуаций и аварий, наиболее известные из которых: Качканарский ГОК (РФ), рудник Эль-Кобра (Чили), Карамкенский ГМК (РФ) углеобогатительная фабрика в Буффало-Крик (Западная Виргиния, США), шахта «Преставель» (Италия), хвостохранилище в Колонтаре (Венгрия), ОАО «Аммофос» (РФ) и др. Основной причиной аварий стало локальное или полное разрушение ограждающих дамб, представляющих собой насыпные (или намывные) грунтовые сооружения, вследствие формирования в теле дамб водопроводящих каналов и размыва. Поэтому изучение состояния дамб комплексами экспериментальных и аналитических методов необходимо проводить начиная со стадии строительства дамбы, во время ее первоначального нагружения и в процессе эксплуатации гидротехнической системы «хвостохранилище-дамбы», в целях оперативного выявления неблагоприятных деформационных и фильтрационных процессов и своевременного принятия мероприятий по обеспечению устойчивости ограждающих дамб. Эти проблемы являются актуальными для ряда предприятий Кольского региона: в частности, СЗФК на месторождении Олений ручей строится хвостохранилище в пойме ручья Олений ручей; на АНОФ-2 ОАО Апатит более чем на одну треть в высоту наращивается хвостохранилище и т.п.

В этой связи Горным институтом КНЦ РАН проведены постановочные комплексные экспериментальные и компьютерные исследования, выбрав в качестве прототипа объекта исследований насыпную земляную плотину. Экспериментальные исследования включали в себя георадарные зондирования и сейсмотомографию тела плотины, в результате чего были определены механические характеристики грунтов, местоположение кривой депрессии и водопроводящих каналов, и была построена геомеханическая модель плотины [2].

  

Рис. 1. Геомеханическая модель и компьютерное моделирование насыпной грунтовой плотины-дамбы.

Модель исследована в упругопластической постановке методами компьютерного моделирования, в результате чего установлены закономерности деформирования и смещения тела сооружения, а также формирование кривой депрессии в теле в зависимости от свойств слагающих его грунтов и уровня внешней водной нагрузки. Из рис.1, 2 следует, что процессы деформирования захватывают не только тело самой плотины, но и подстилающее основание на глубину, примерно равную высоте плотины (для исследуемого случая). Причем на начальной стадии нагружения в центральной части плотины происходит уплотнение (усадка), но в последующем происходит ее «выпучивание» примерно на величину усадки (рис. 2а). Горизонтальные перемещения аппроксимируются зависимостью у=0,15х2+0,17х+17 и возрастают с увеличением нагрузки (уровня воды) до относительных значений 5*10-2 (рис. 2б).

Горизонтальные перемещения нагружаемого склона плотины аналогичны перемещениям гребня с достижением максимальных величин примерно 4*10-2 (рис. 2г). Вертикальные перемещения при промежуточном нагружении также имеют аналогичный характер, но при максимальном нагружении, когда уровень воды повышается и достигает уровня гребня плотины, графики вертикальных перемещений свидетельствуют об образовании в приповерхностной части зоны разуплотнения (мощностью до 0,2 высоты плотины) и далее зоны уплотнения (мощностью до 0,5 высоты плотины) (рис.2в).

Рис. 2. Приращение вертикальных и горизонтальных перемещений в наиболее опасных зонах водоограждающей плотины.

По данным Госгортехнадзора РФ, в стране находится в эксплуатации около 300 хвостохранилищ, при этом более 180 из них – в аварийном состоянии, что подтверждается высокой частостью их отказов. В этой связи полученные данные представляют собой дополнительную научную основу для прогнозирования наиболее уязвимых мест (зон) насыпного грунтового гидротехнического сооружения – дамбы. В практическом приложении результаты работы использованы для обоснования мероприятий по снижению рисков локальных разрушений дамб на начальном этапе заполнения хвостохранилища одного из горнодобывающих предприятий Кольского полуострова.

Список литературы / References

  1. Проблемы защиты окружающей среды [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.secandsafe.ru, свободный.
  2. Калашник Н.А. Моделирование гидротехнических сооружений при ведении горных работ // Горное дело: Технологии. Оборудование. Спецтехника. Тез. докл. Екатеринбург: Изд. АМБ, 2011. С.197.

  Опубликовать статью

Список литературы