5.2. Локальная устойчивость

Расчеты по плоским поверхностям скольжения обычно проводятся для случая, когда в основании дамбы имеется прослойка из слабого грунта (рис. 5.2).

Для рассматриваемой расчетной схемы коэффициент устойчивости определяется по формуле

Рис. 5.2. К расчету устойчивости дамбы при наличии слабой прослойки в основании

Для решения данной задачи имеются различные приближенные методы, которые не удовлетворяют всем требованиям, в частности трем условиям равновесия.

, (5.7)

где G – вес призмы обрушения аbcd; l – длина подошвы блока аbcd; P_а и P_p – активное и пассивное давление (отпор) на вертикальные боковые грани призмы аbcd; φ_n и с_n – угол внутреннего трения и сцепление грунта в прослойке.

Величины P_а и P_p определяются по следующим зависимостям:

; (5.8)

, (5.9)

где ρ, φ, с – плотность, угол внутреннего трения и сцепление грунта, оказывающего давление на призму аbcd.

Вес призмы G определяется с учетом положения в ней кривой депрессии (КД) и слагается из веса влажного грунта выше КД и веса взвешенного грунта ниже КД.

Локальную устойчивость следует рассматривать при оперативной оценке ситуации на опасном участке в случае выявления деформаций и обоснования первоочередных мероприятий по укреплению сооружения (например, устройству дренированной пригрузки).

Контрольные вопросы.

1. Какие факторы определяют устойчивость ограждающих дамб накопителей?

2. В какой последовательности и какими методам выполняются расчеты устойчивости?

6. Проектирование накопителей в условиях крайнего севера

6.1. Основные положения

Северные территории наиболее чувствительны к загрязнению, что предъявляет особо высокие требования к надежности всех конструктивных элементов накопителей. Прежде всего требуется обеспечить высокий уровень общей статической и фильтрационной прочности ограждающей дамбы на мерзлом основании, неизбежно подвергающемся оттаиванию и термопросадочным деформациям. Нефильтрующая дамба мерзлого типа на мерзлом основании, которое не испытывает термопросадочных деформаций и не подвергается фильтрационному оттаиванию, наиболее полно соответствует требованиям эффективной защиты окружающей среды от фильтрационного просачивания или вытекания загрязненных вод из накопителя. Так может быть возведена лишь внешняя упорная призма и центральная часть профиля дамбы при строгом соблюдении рекомендаций по ее промораживанию в процессе послойной отсыпки или намыва.

Мерзлое основание отстойного пруда при любом типе ограждающей дамбы подвергается длительному оттаиванию и испытывает термопросадочные деформации в течение всего периода эксплуатации накопителя; соответственно деформируются и сооружения, расположенные в зоне теплового влияния пруда (водосбросные колодцы, коллекторы осветленной воды, насосные станции, пульпопроводы и др.)

Возведение дамб с допущением оттаивания основания возможно в том случае, если термопросадочные деформации основания не снижают устойчивости и водоудерживающей способности сооружения, но при этом возникает проблема борьбы с фильтрацией в талом массиве дамбы и в оттаивающем слое основания, что осложняется промерзанием низового откоса. Особенно опасно смыкание промерзшей зоны с депрессионной поверхностью и промерзание дренажа, приводящее к напорному режиму фильтрации и резкому возрастанию фильтрационного давления на водонепроницаемый мерзлый слой. Отрыв или сдвиг этого слоя может привести к потере устойчивости накопителя, вытеканию загрязненных вод и неконсолидированных водонасыщенных отходов. В этих условиях дренажные системы и противофильтрационные элементы должны быть защищены от вредного влияния мерзлотных процессов и приспособлены к неравномерным осадкам оттаивающих оснований.

Низкая отрицательная температура воздуха существенно влияет на гидроледотермический режим отстойного пруда и на процессы намыва отходов, осветления и очистки воды в системе гидротранспорта. Мощный ледяной покров (до 2 м) и глубокое сезонное промерзание надводного пляжа приводят к значительному сокращению продолжительности сезона его намыва и создают предпосылки для образования в намывных отложениях слоев замытого льда, снижающих устойчивость дамбы.

В связи с изложенным особое значение приобретает рациональное проектирование ограждающих дамб талого или мерзлого типа, приспособленных к неравномерным осадкам оттаивающих оснований или обеспечивающих сохранение естественной мерзлоты под мерзлой частью профиля дамбы.

Для проектирования накопителей в районах распространения вечномерзлых грунтов необходимо получить следующий комплекс дополнительный исходных данных при инженерных изысканиях:

• данные, характеризующие общие мерзлотные условия ограждающей дамбы, ложа отстойного пруда, трасс водосбросов, пульпопроводов и водоводов; особенности распространения толщи мерзлых пород в плане и по глубине; температурный и фильтрационный режимы таликов; сезонное оттаивание; естественный температурный режим вечномерзлых пород; наличие и особенности залегания ледяных включений (текстурообразующие льды, линзы, пластовые и клиновидные льды, погребенные наледи в руслах водотоков и др.); наличие и режим подземных вод и наледей, особенно в пределах естественных таликов; наличие и характеристика термокарста, солифлюкционно-оползневых образований, морозобойных трещин, пучения и других криогенных явлений;

• данные, характеризующие состав, строение и свойства грунтов основания (криогенное строение, текстура, суммарная влажность, льдистость, плотность, механические и теплофизические свойства грунтов в мерзлом, талом и оттаивающем состоянии);

• условия возникновения и возможность развития фильтрации в мерзлых и оттаивающих грунтах, коэффициенты фильтрации грунтов в стадии оттаивания и в оттаявшем состоянии;

• для скальных и полускальных пород – сведения о характере распространения и степени раскрытия трещин, о наличии в трещинах льда и минерального заполнителя, о степени выветрелости и морозостойкости, о водопроницаемости в мерзлом, талом и оттаивающем состояниях, о подземных водах в таликах;

• климатические факторы района возведения накопителя; данные о гидротермическом режиме ближайших водоемов-аналогов;

• данные о физико-механических свойствах карьерных грунтов;

• физико-механические и теплофизические характеристики намывных отложений в пляжной зоне и в зоне отстойного пруда.

Тип и конструкция ограждающей дамбы определяются рельефом площадки, криогенным строением и другими мерзлотно-геологическими особенностями основания, климатическими условиями района строительства, прогнозом теплового взаимодействия накопителя и мерзлых пород основания, условиями эксплуатации, наличием местных строительных материалов и другими факторами.

По мерзлотно-геологическим особенностям, криогенному строению и чувствительности к изменениям естественного температурного режима в зоне теплового влияния накопителя можно выделить следующие типы оснований [19, 34, 35]:

тип А – мерзлые или частично талые основания, сложенные относительно прочными и слабо-трещиноватыми скальными породами, прочностные, деформативные и фильтрационные свойства которых практически не изменяются при нарушении первичного криогенного строения и естественного температурного поля массива;

тип Б – мерзлые скальные и полускальные основания, характеризующиеся значительной трещиноватостью и льдонасыщенностью в верхней выветренной зоне; оттаивание таких оснований сопровождается заметной осадкой и резким возрастанием водопроницаемости после вытаивания льда в трещинах;

тип В – основания, сложенные плотными нескальными, в частности крупнообломочными, грунтами, оттаивание которых не сопровождается тепловой осадкой и резким изменением прочностных, деформативных и фильтрационных свойств;

тип Г – основания, образуемые толщей рыхлых, льдонасыщенных аллювиально-делювиальных четвертичных отложений ограниченной мощности, подстилаемых слабопроницаемыми и непросадочными после оттаивания породами;

тип Д – основания, характеризующиеся особо сложными мерзлотногрунтовыми условиями – наличием мерзлых льдонасыщенных отложений значительной мощности с крупными включениями подземного льда; оттаивание таких оснований в зоне теплового влияния накопителя сопровождается значительной осадкой и эрозионно-термокарстовыми процессами, резким снижением прочности и развитием интенсивной фильтрации в оттаивающих грунтах.

Ограждающие дамбы следует проектировать по одному из двух принципов: с сохранением мерзлого состояния грунта под низовым откосом и центральной частью профиля дамбы (I принцип) или с допущением оттаивания (II принцип). Исходя из этого назначается тип дамбы – мерзлый или талый.

Отличительными особенностями дамбы мерзлого типа (рис. 6.1) являются:

• мерзлое состояние центральной части её профиля, низового откоса и основания, достигаемое естественным промораживанием слоев отсыпаемого или намываемого грунта либо с помощью охлаждающих устройств – воздушных замораживающих колонок и термосифонов.

• отсутствие неконтролируемой фильтрации через промороженную

дамбу и в основании; подрусловые талики должны быть полностью проморожены до начала заполнения емкости; в необходимых случаях применяется регулирование температурного режима основания с сохранением фильтрации в талике при стабилизации его боковых границ;

• оттаивание основания верхового клина – естественное в течение всего периода эксплуатации, если осадка оттаивающих грунтов не приводит к потере устойчивости сооружения, или предпостроечное, сопровождающееся уплотнением оттаиваемого грунта; последнее необходимо в тех случаях, когда в основании верхового откоса имеются включения подземного льда мощностью более 0,1 м.

Отличительными особенностями дамбы талого типа являются:

• естественное оттаивание основания под дамбой в течение всего периода эксплуатации накопителя;

• необходимость предпостроечного оттаивания зон льдонасыщенных грунтов и подземных льдов при строительстве дамбы;

• увеличение водопроницаемости грунтов в оттаивающих зонах после разрушения их естественной криогенной текстуры;

• необходимость противофильтрационного закрепления или уплотнения оттаивающих грунтов;

• глубокое сезонное или многолетнее промерзание низового откоса, определяющее необходимость тепловой изоляции дренажей и борьбы с морозным пучением и трещинообразованием;

• мерзлотные процессы на низовом откосе дамбы, на бортах емкости и в нижнем бьефе (наледи, термокарст, солифлюкция, водно-тепловая эрозия), отрицательно влияющие на устойчивость и фильтрационный режим сооружения.

В тех случаях, когда оттаивание основания типа А, Б или В не сопровождается значительным снижением несущей способности и возрастанием водопроницаемости грунтов в процессе эксплуатации накопителя, целесообразно проектировать дамбу талого типа без предварительной тепловой мелиорации основания. Возведение дамбы талого типа в более сложных мерзлотно- геологических условиях (на основаниях типов Г и Д) требует проведения предпостроечной тепловой мелиорации, уплотнения или замены термопросадочнои толщи льдистых грунтов по всей площади основания дамбы и может оказаться нецелесообразным по технико-экономическим соображениям и по условиям эксплуатации накопителя.

Дамбу мерзлого типа можно проектировать на любом вечномерзлом основании, если в нем отсутствуют не заполненные льдом трещины пустоты и зоны сыпучемерзлых рыхлых грунтов, по которым возможно возникновение сосредоточенной фильтрации. Другим обязательным условием является предварительное промораживание таликов и последующее регулирование температурного режима основания.

Рис. 6.1. принципиальная схема накопителя мерзлого типа с естественным послойным промораживанием намывного массива.

1 – первичная ограждающая дамба мерзлого типа; 2, 3 – мерзлые и талые намывные отложения; М, Т – мерзлая и талая зоны

На основании типа Д следует проектировать только мёрзлую дамбу. Выбор принципа строительства обосновывают технико-экономическим сравнением вариантов с талым и мерзлым типами дамбы.

Следует учитывать, что первичная дамба и намывной массив накопителя должны возводиться по одному принципу в течение всего периода эксплуатации. Сочетание I и II принципов по длине и высоте сооружения не допускается.

Для оценки возможности возведения с требуемой интенсивностью намывной ограждающей дамбы с послойным естественным промораживанием намывных отложений должен быть выполнен специальный теплотехнический расчет. При выборе принципа строительства и типа дамбы следует учитывать прогноз изменения мерзлотных условий и гидрогеотермического режима основания в зоне теплового влияния накопителя [17, 21, 22, 34, 35, 36].

Возведение дамбы мерзлого типа полностью исключает фильтрацию из накопителя и обеспечивает эффективную защиту окружающей среды от загрязнения.

В проектах накопителей на мерзлых основаниях рекомендуется применять приведенные на рис. 6.2–6.6 конструктивные схемы первичных ограждающих дамб:

1. однородная дамба из глинистых грунтов, отсыпанных и уплотненных в талом или в мерзлом состоянии;

2. дамбы с ядром из суглинка и с боковыми призмами из любых грунтов или каменной наброски, отсыпанных и укатанных в талом или в мерзлом состоянии;

3. дамбы с низовой призмой из крупнопористой каменной наброски;

4. дамбы с гибкой диафрагмой из полиэтиленовой пленки в защитном песчаном ядре, предохраняющем диафрагму от повреждения при неравномерных осадках боковых призм;

5. фильтрующей дамбы талого типа с низовой призмой из каменной наброски в сочетании с незамерзающим внутренним (рис. 6.6.) дренажем [17, 21, 22].

Дамбы по схемам «а–в» можно выполнять как мерзлого, так и талого типа. В дамбе мерзлого типа по схеме «в» для повышения эффективности естественного охлаждения наброска в низовой призме должна обладать максимально возможной пористостью и воздухопроницаемостью. В дамбе талого типа низовая каменнонабросная призма (или часть её) является дренажом и защищается от промерзания теплоизолирующим грунтовым слоем. Схема «г» позволяет осуществить переход от первоначального талого к мерзлому состоянию ограждающей дамбы.

В случаях когда мерзлотно-геологическое строение основания и другие факторы позволяют принять II принцип строительства, целесообразно проектировать дамбу талого типа в соответствии с конструктивными схемами «б–д». На основаниях типов А, Б, В целесообразно применять естественное оттаивание мерзлых грунтов. На основании типа Г следует предусматривать предварительную тепловую мелиорацию и уплотнение верхних, наиболее льдонасыщенных слоев. На основании типа Д проектирование лервичной дамбы талого типа не рекомендуется. Устойчивость талой дамбы определяется прочностью, гибкостью и водопроницаемостью противофильтрационных устройств, деформирующихся в заданных пределах при осадке оттаивающего основания, надежностью сопряжения этих устройств с мерзлым или талым водоупором, а также эффективностью теплоизоляции дренажа.

Противофильтрационные элементы не должны подвергаться воздействию сезонного промерзания – оттаивания грунта на низовом откосе и гребне дамбы. Глубина сезонного промерзания – оттаивания не должна превышать толщину теплозащитного слоя из песчаного или крупноскелетного грунта, отсыпаемого на гребне и низовом откосе и предохраняющего противофильтрационные устройства от возникновения опасных криогенных процессов – пучения, морозобойных трещин и солифлюкции. При естественном оттаивании основания конструкция дамбы должна быть приспособлена к восприятию деформаций оттаивающих грунтов. Это требование учтено в рекомендуемых конструкциях дамб. Для уменьшения деформаций дамбы, проектируемой на льдистом термопросадочном основании типа Г, рекомендуется предварительное оттаивание верхнего, наиболее льдонасыщенного слоя до глубины залегания мерзлого, водоупора. Допускается применение комбинированного способа, включающего этап интенсивного предпостроечного оттаивания и естественное завершение оттаивания в первые годы эксплуатации. Предварительное оттаивание может быть выполнено путем временного заполнения водой емкости накопителя при недостроенной первичной дамбе, но при полностью завершенных водосбросных сооружениях. После оттаивания и естественного уплотнения верхнего слоя грунта производят опорожнение временного отстойного пруда, заделку деформированных участков тела дамбы и отсыпку её до полного проектного профиля. Отметку гребня дамбы назначают с учетом полной осадки оттаивающего основания.

Рис. 6.2. Рекомендуемая схема первичной ограждающей дамбы

1 – однородное тело дамбы из связного грунта; 2, 3 – защитный слой и дамбочки наращивания из крупнообломочных грунтов; 4 – намывные отложения; 5 – граница мерзлой зоны в дамбе мерзлого типа в момент начала намыва; 6 – термосифоны (для варианта дамбы мерзлого типа)

Рис. 6.3. Рекомендуемая схема первичной ограждающей дамбы

1 – ядро из связного грунта; 2, 3 – упорные призмы и дамбочки наращивания из крупнообломочных грунтов; 4 – защитный слой; 5 – намывные отложения

Рис. 6.4. Рекомендуемая схема первичной ограждающей дамбы

1 – мерзлое ядро из связного грунта; 2 – термосифоны мерзлотной завесы; 3 – низовая призма из каменной наброски; 4, 5 – верховая призма и дамбочки наращивания из крупнообломочных грунтов; 6 – намывные отложения

Рис. 6.5. Рекомендуемая схема первичной ограждающей дамбы

1 – песчаное ядро и диафрагма из пленки; 2 – зуб из суглинка; 3, 4 – упорные призмы и дамбочки наращивания из крупнообломочных грунтов; 5 – намывные отложения

Рис. 6.6. Перспективные конструктивные схемы экологически безопасных намывных накопителей на оттаивающих основаниях

1 – намывные отложения; 2 – низовая перехватывающая дамбочка (в частном случае – с мерзлотной завесой 3); 4 – граница фильтрующей талой зоны; 5 – водоупорная мерзлая зона; 6, 7, 8 – ограждающая дамба талого типа, соответственно, из каменной наброски с постепенным замывом пустот и теплогидроизоляционным экраном (по а.с. 1576639); 9 – дренажный колодец-водозабор; 10 – внутренняя незамерзающая дрена; 11 – дренажная призма; 12 – накопитель осветленных и дренажных вод (с откачкой); 13 – грунтовая теплоизоляция

В случае значительной водопроницаемости оттаивающих пород необходимо устройство противофильтрационной завесы, выполняемой после предварительного оттаивания инъектируемой зоны.

Сопряжение с основанием противофильтрационных устройств из глинистых грунтов или полиэтиленовой пленки выполняют с помощью зуба из талого суглинка, плотно уложенного в траншею. Глубина заделки зуба в плотный, слабопроницаемый массив основания должна быть не менее 1 м. Зуб и инъекционная завеса должны прорезать все поверхностные слои основания до плотных пород, осадка которых при оттаивании не приведет к деформации противофильтрационного устройства. Использование в качестве водоупора мерзлой трещиноватой скалы допускается в том случае, если её трещины заполнены глинистым грунтом или их количество и раскрытие настолько незначительны, что при вытаивании трещинного льда не возникает опасности контактного размыва грунтового противофильтрационного элемента, сопрягающегося со скалой. Если это требование не выполняется, можно применить локальное инъекционное уплотнение оттаивающего основания зуба.

Наиболее распространенным материалом для противофильтрационных устройств дамб в районах Крайнего Севера является щебенистый суглинок со значительным содержанием пылеватых частиц. Толщину ядра из такого суглинка следует назначать не менее 0,25 максимального расчетного напора на первичную дамбу.

Глубина врезки и конструкция сопряжения противофильтрационного элемента с ложем и бортами чаши определяются прогнозом их оттаивания с учетом теплоизолирующего эффекта намывных отложений, а также прогнозом развития термокарста и обходной фильтрации на льдистых участках береговых примыканий дамбы. Рекомендуется предусматривать местную предпостроечную тепловую мелиорацию льдонасыщенных грунтов, неустойчивых при оттаивании в зоне их контакта с сопрягающимися устройствами. В проекте эксплуатации накопителя следует предусматривать заделку талым суглинком трещин, которые могут возникнуть в теле дамбы вследствие осадки оттаивающего основания. Особую опасность представляют трещины в примыканиях талого тела дамбы к мерзлым бортам.

При строительстве дамбы по традиционной технологии в её тело можно укладывать комья мерзлого грунта в количестве, не превышающем 15 % объема грунта противофильтрационного устройства и 30 % объема верховой и низовой упорных призм. Мерзлые включения должны быть равномерно распределены по площади карты укладки без образования пористых зон и слоев. Круглогодичная технология строительства дамб из мерзлых грунтовых смесей рассмотрена в [3, 21, 35].

Применение гибких противофильтрационных элементов из полиэтиленовой пленки рекомендуется при отсутствии качественных глинистых грунтов, а также в случаях явной технико-экономической нецелесообразности применения таких грунтов, переход которых из льдонасыщенного в переувлажненное состояние существенно осложняет технологию их заготовки, подсушки, отсыпки и уплотнения.

Прочность диафрагмы и внутреннего экрана из полиэтиленовой пленки, а также статическая и фильтрационная устойчивость дамбы обеспечиваются при выполнении следующих требований к конструкции и технологии возведения сооружения:

• льдонасыщенные грунты в основании диафрагмы (экрана) необходимо оттаивать, уплотнять или заменять; естественное оттаивание и тепловая осадка оснований низового и верхового откосов первичной дамбы в процессе эксплуатации накопителя допускаются только при устройстве из песка или зернистых отходов защитных зон, предохраняющих диафрагму (экран) от повреждения при деформациях откосов;

• на гребне дамбы необходимо отсыпать теплозащитный слой из непучинистого грунта, толщина которого должна превышать глубину сезонного промерзания – оттаивания на 15 %;

• рекомендуется применять полиэтиленовую полимерную пленку толщиной 0,2–1 мм, морозостойкостью до -70°С и с относительным предельным удлинением при разрыве 600–800 %;

• соединения полотнищ пленки нужно выполнять на сварке специальным переносным прибором;

• подстилающие и защитные слои, внутри которых укладывают пленку, следует отсыпать из песчаного грунта; в дамбах высотой до 15 м можно применять естественные разнозернистые песчано-гравийные смеси с окатанными зернами максимальной крупностью до 40 мм; минимальная толщина защитного слоя должна быть 0,5 м, подстилающего 0,4 м;

• в процессе послойной отсыпки защитных и подстилающих слоев целесообразно осуществлять волнистую укладку пленки в вертикальных и наклонных диафрагмах и экранах, благодаря чему существенно повышается их прочность при осадке оттаивающего основания.

При качественном выполнении грунтовых и пленочных противофильтрационных устройств, надежном сопряжении их с мерзлым водоупором, эффективной предпостроечной тепловой мелиорации и уплотнении опасных зон оттаивающего основания низовой откос и центральная часть профиля первичной дамбы полностью промерзают в процессе эксплуатации. Переход от начального талого к мерзлому состоянию дамбы сопровождается стабилизацией её температурного режима, повышением прочности и устойчивости. Эффект естественного промерзания нефильтрующей дамбы можно использовать для дополнительного повышения устойчивости накопителей. Для предотвращения наледей не допускается высачивание фильтрационньх вод на низовой откос и бортовые склоны в зонах примыканий к ним дамб.

Устройство постоянных внешних открытых дренажей не рекомендуется. В особых случаях (при отказе внутреннего дренажа, появлении сосредоточенной фильтрации, водно-тепловой эрозии откоса) допускается устройство внешнего дренажа на опасных участках поверхности низового откоса или в нижнем бьефе; такой дренаж должен быть защищен от промерзания слоем из грунта или отходов. Внутренний дренаж рекомендуется размещать в постоянно талой части профиля дамбы на таком расстоянии от низового откоса, при котором промерзающая с поверхности водонепроницаемая зона сохраняет устойчивость при передаче на неё гидростатического давления в случае аварийного отказа дренажа. Дренирующую утепленную низовую призму из каменной наброски и внешний дренаж следует предохранять от промерзания теплозащитным слоем из местного грунта или отходов. Толщина этого слоя подбирается из условия, чтобы вода, высачивающаяся в дренаж, не могла замерзнуть при сезонном промерзании грунтовой изоляции. Для этого в теплозащитном слое должна постоянно сохраняться талая зона толщиной не менее 0,5 м, препятствующая контакту фильтрующейся воды и промерзающего грунта. Система, отводящая дренажные воды в нижний бьеф, должна быть защищена от замерзания на всем протяжении.

Замыв мерзлых прослоек при наращивании ограждающей дамбы талого типа допускается в том случае, если вытаивание ледяных включений не приведет к развитию недопустимых деформаций и к уменьшению устойчивости сооружения.

На основании обобщения опыта проектирования, строительства и эксплуатации гидроотвалов в районах с суровыми климатическими условиями предлагаются перспективные конструктивно-технологические схемы ограждающих дамб талого типа с незамерзающим дренажем и теплогидроизоляционным экраном (рис. 6.6). Низовая призма такой дамбы отсыпается от крупнообломочных грунтов или каменной наброски; из таких же грунтов отсыпаются внешние зоны дамб наращивания. Верховая призма, выполняющая функции противофильтрационного элемента, отсыпается из смеси зернистых отходов (хвосты, зола, шлак) и мерзлого комковатого связного грунта.

Дренаж защищен от промерзания теплогидроизоляционным экраном, исключающим поступление фильтрационного потока в промерзающую низовую призму. Гибкие дренажные выпуски могут быть выполнены как в виде дренажных лент из фильтрующих грунтов, так и в виде трубчатых выпусков из гибких полиэтиленовых труб. Конструкция дренажа обеспечивает концентрацию фильтрационного расхода в одном или нескольких теплоизолированных выпусках. При этом исключается выход фильтрационного потока в неконтролируемых руслах, рассредоточенных по длине дамбы, и его промерзание, сопровождающееся опасным наледеобразованием в низовой призме и на откосе.

Гидравлическое оттаивание смесей мерзлых грунтов, хвостов, золы и шлака, отсыпаемых в верховые призмы ограждающих дамб, рекомендуется выполнять с использованием фильтрации воды из технологических прудков и в процессе намыва на поверхность оттаиваемого слоя (см. п. 6.2., рис. 6.17). Оба способа могут применяться как в строительный период при возведении первичной дамбы, так и в процессе эксплуатации при очередном наращивании накопителя [35].

Данная конструкция дамбы может применяться как на талых, так и на мерзлых основаниях, оттаивающих в процессе эксплуатации. Происходящая при этом осадка сильносжимаемых оттаивающих грунтов компенсируется достаточной податливостью основных элементов профиля сооружения, способностью их деформироваться без нарушения фильтрационной прочности, а также кольматирующими свойствами отходов.

Для определения оптимальных технологических параметров гидравлического оттаивания и самоуплотнения мерзлой смеси отходов и суглинка, а также для отработки технологии замыва отходами пустот в рыхлой насыпи из мерзлого суглинка рекомендуется выполнять опытно-производственные отсыпки в подготовительной стадии строительства накопителя.

Устойчивость и водонепроницаемость дамбы мерзлого типа обеспечиваются созданием зоны постоянно мерзлого грунта в пределах низового откоса и центральной части профиля. При сохранении естественного температурного режима основания (а при необходимости и понижении его температуры) мерзлая зона такой дамбы является достаточно надежным противофильтрационным элементом. Гидроотвал, образованный первичной дамбой мерзлого типа, наращивание которого осуществляется путем намыва отходов с послойным естественным промораживанием внешней упорной призмы, в дальнейшем будем называть намывным накопителем мерзлого типа.

Конструкция профиля дамбы и физико-механические характеристики грунтов, отсыпаемых в её тело, должны обеспечивать гибкость и монолитность талой зоны при оттаивании и просадках грунтов её основания. Талую верховую призму следует рассматривать как теплоизоляцию, предохраняющую мерзлое ядро от протаивания. В расчетах устойчивости дамбы должны быть учтены деформации и снижение сопротивления сдвигу оттаивающих грунтов основания верхового откоса. Для усиления теплоизолирующего эффекта верховой призмы дамбы целесообразно устраивать широкие бермы на верховом откосе и назначать его заложение не менее 1:3.

Для создания мерзлой зоны, обладающей достаточной прочностью и водонепроницаемостью к началу заполнения емкости, рекомендуется:

• промораживание центральной части профиля дамбы после отсыпки её на полную высоту путем создания противофильтрационной мерзлотной завесы (этот способ наиболее целесообразен при строительстве на основаниях типа Г и Д); образование мерзлотной завесы должно быть закончено до наполнения емкости;

• послойное естественное промораживание талого грунта, уложенного в зимний период или отсыпанного летом;

• естественное промораживание дамбы со стороны низового откоса, возможное при достаточно низкой водопроницаемости ядра или экрана;

• комбинированный способ, включающий послойное промораживание грунта после его уплотнения, создание мерзлого ядра системой замораживающих колонок (термосифонов) и последующее естественное охлаждение низового откоса в эксплуатационный период.

Проектирование и расчеты противофильтрационных мерзлотных завес выполняют в соответствии с рекомендациями, приведенными в [14, 22, 34, 35]. Для более интенсивного охлаждения поверхности низового откоса необходимо систематически удалять снег. Естественные талики в основании мерзлой противофильтрационной зоны нужно полностью промораживать до заполнения накопителя; талики под верховым откосом дамбы, как правило, не промораживают. Монолитность и водонепроницаемость центральной мерзлой зоны достигается при качественной укладке и уплотнении грунта. В промораживаемой зоне не должно быть трещин, пустот и зон сыпучемерзлого грунта; температура этой зоны к началу заполнения емкости должна быть на 1–1,5°С ниже температуры фазовых переходов влаги в данном грунте.

В проекте овражно-балочного накопителя нужно предусмотреть сохранение мерзлого состояния основания на участках береговых примыканий мерзлой зоны дамбы. Размеры этих участков устанавливают, исходя из предельного положения нулевой изотермы, найденной по результатам прогноза оттаивания основания для наивысшего уровня заполнения отстойного пруда. При отсутствии фильтрации и термокарста талик, формирующийся в мерзлых породах, не распространяется за вертикальную поверхность, проходящую через урез воды на бортах. В проекте дамбы на основании типа Д нужно учитывать возможность развития термокарстовых и термоэрозионных процессов в основании, в береговых примыканиях талого верхового откоса и в зоне теплового влияния отстойного пруда. Водно-тепловую эрозию в форме сосредоточенной фильтрации по термокарстовым полостям в обход береговых примыканий дамбы предотвращают глубокой врезкой промороженного противофильтрационного устройства в толщу берегового склона. Глубину врезки определяют исходя из прогноза предельной границы оттаивания и термоэрозионной переработки вечномерзлых бортов. Развитие термокарста можно предотвратить путем послойного промораживания намывных отложений, намываемых в теплое время года на защищаемых бортах чаши. Зимний намыв часто сопровождается образованием льдистой текстуры в намывных отложениях и последующей подводной солифлюкциеи при дальнейшем подъеме уровня пруда. Применение зимнего намыва для создания теплозащитного слоя, замедляющего оттаивание бортов, допускается только после опытной проверки в натурных условиях.

Тепловую осадку льдонасыщенного основания талой верховой призмы можно уменьшить, применяя предварительное оттаивание и уплотнение грунтов. Поверхностный слой переувлажненного (часто заторфованного) грунта и крупные (мощностью более 1 м) тела подземного льда в зоне сопряжения мерзлого противофильтрационного элемента с основанием рекомендуется полностью удалять. В основании мерзлого низового откоса допускается оставлять торф и лед. Вблизи подошвы дамбы нельзя оставлять заполненные водой естественные впадины, для удаления талых вод от подошвы дамбы нужно предусматривать поверхностный водоотвод.

При строительстве однородной дамбы из связного грунта для предотвращения морозного пучения, трещинообразования и солифлюкции на низовом откосе отсыпают теплозащитный слой из шлака, песчаных или крупноскелетных грунтов. Глубина сезонного оттаивания этого слоя не должно превышать его толщины.

Использование местных мерзлых грунтов и зернистых отходов для строительства ограждающих дамб мерзлого типа позволяет упростить технологию круглогодичного строительства накопителей, снизить их стоимость и повысить надежность при эксплуатации в сложных мерзлотно-климатических условиях. Для обеспечения статической и термической устойчивости намывного накопителя мерзлого типа следует проектировать такую технологию его наращивания, чтобы намытый в теплый период года слой отходов и оттаявший под ним ранее промороженный слой отложений полностью промерзали к началу следующего летнего этапа намыва. Полное естественное промораживание намытого летом слоя достигается при выполнении условия

где h_M – мощность слоя сезонного промерзания полностью водонасыщенных отложений, намытых на мерзлое основание, оттаивающее в процессе намыва; h_T – суммарная мощность теплого слоя к началу промерзания:

где h_H – мощность слоя, намываемого за один теплый сезон; h_0T – глубина оттаивания промороженного массива под воздействием намыва.

Глубину оттаивания мерзлого грунта под намываемым слоем определяют по формуле

(6.1)

глубину сезонного промерзания теплого слоя определяют аналогично:

(6.2)

В формулах (6.1– 6.2) τ_н – продолжительность намыва слоя отходов мощностью h_H, ч; τ_M – продолжительность периода зимнего промерзания, ч; t_H – средняя за период намыва температура на подошве намываемого слоя (значение t_H ориентировочно с запасом может быть принято равным средней, постоянной за период t_H температуре пульпы на выпуске); t_з – среднезимняя температура наружного воздуха; , – теплопроводность талого и мерзлого намываемого материала; – затраты теплоты на фазовые переходы при промерзании-оттаивании 1 м³ грунта; W_c – суммарная влажность; p_d – плотность сухого грунта, кг/м3.

По заданной мощности h_H намываемого слоя и зависимостей (6.1) и (6.2) можно определить критическую температуру намываемого слоя t_H.KP..При температуре t_H < t_H.KP обеспечивается естественное промерзание теплого слоя h_T за время τ_м. Конвективный тепло- массоперенос в намываемом и оттаивающем слое учитывают приближенно, путем назначения несколько завышенной температуры t_H. Фактическая глубина оттаивания h_ОT будет на 10–20 % меньше, чем вычисленная по формуле (6.1), так как отепляющее влияние потока пульпы ослабевает при возрастании термического сопротивления намываемого слоя. В запас расчета принято также, что грунт при промерзании полностью водонасыщен. В действительности из-за консолидации намываемого слоя влажность грунта при промерзании будет несколько меньше, чем в свеженамытом слое. Поэтому фактическая глубина промерзания за время τ_м будет больше, чем вычисленная по формуле (6.2). Данные натурных наблюдений показывают, что к началу промерзания намытый слой имеет температуру, близкую к 0°С. Для повышения эффективности естественного промораживания следует предусмотреть удаление снега с поверхности пляжа.

В намывных дамбах с естественным послойным промораживанием не допускается замыв льда и снега, приводящий к образованию погребенных наледей и макрослоистой криогенной текстуры намывных отложений. Вязкопластическое течение льда под нагрузкой и термокарстовые деформации в слое сезонного оттаивания могут привести к опасным локальным деформациям низового откоса. Если намыв начинается весной, то в проекте нужно предусматривать предварительное гидравлическое оттаивание или механическое удаление льда и снега с карты намыва.

Промороженный массив намывного низового откоса должен быть монолитным; чередование мерзлых слоев с талыми фильтрующими зонами не допускается. В проекте следует указать, что при обнаружении фильтрующих таликов в толще мерзлых отложений рекомендуется выполнять местное замораживание грунта с помощью локальных мерзлотных завес.

Расчетами и натурными наблюдениями обоснованы техническая возможность и экономическая целесообразность строительства намывных гидроотвалов мерзлого типа, устойчивость и водонепроницаемость которых обеспечиваются при полном естественном промерзании за один зимний сезон каждого слоя отходов, намытого за теплый период года в массив наращиваемой внешней упорной призмы. В условиях Енисейского Севера и Западной Якутии за один зимний сезон промерзает слой намывных отложений толщиной до 4 м при удалении снега с поверхности и 2м – при наличии снежного покрова и влажности грунта не более 25 %. При необходимости могут выполняться технологические мероприятия, направленные на повышение интенсивности промораживания: удаление снега с поверхности пляжа, временное технологическое дренирование намываемого слоя, снижающее влажность грунта к началу зимнего сезона до 20-25 %, установка съемных теплоизолирующих пенопластовых покрытий, уменьшающих глубину сезонного оттаивания ранее промороженного массива. Регулируемое с помощью перечисленных технологических приемов естественное промораживание каждого слоя грунта, намываемого летом на промороженный пляж, обеспечивает термическую и, как следствие, статическую устойчивость, а также фильтрационную прочность внешней водоупорной призмы. Строительство таких накопителей может быть рекомендовано в районах со среднегодовой температурой воздуха ниже -8 °С при температуре вечномерзлого основания на глубине нулевых годовых амплитуд -2 °С и ниже. При более высоких температурах воздуха и основания и наличии в нем таликов мерзлая ограждающая дамба может быть создана только с применением искусственного замораживания грунта. Ширина мерзлой зоны, обеспечивающая статическую устойчивость сооружения, определяется расчетом по существующим методам с учетом зависимости прочностных характеристик намывных грунтов от температуры [34, 36].