7.2. Накопитель мерзлого типа
Восстановление мерзлоты в основании, оттаявшем в естественных условиях или под теплым массивом дисперсных отходов, обеспечивается при определенном режиме их складирования. Наиболее эффективное охлаждение и полное промерзание насыпи достигается за счет правильно подобранной в конкретных климатических условиях технологической схемы заполнения емкости накопителя, которая заключается в чередовании поярусной отсыпки отходов с осенне–зимними охлаждающими перерывами. Насыпной массив, промерзая, выполняет роль теплоизолятора, "отсекающего" от основания приток атмосферного холода. Эксплуатация такого накопителя приводит к термопросадочным деформациям и снижению водоупорности мерзлого основания; температурный режим формируемого массива отходов необходимо учитывать в оценках несущей способности и деформаций высокотемпературного мерзлого грунта при передаче на него значительных нагрузок в случае наращивания накопителя по высоте до 20 м и выше.
Первый способ возведения. Предлагаемое техническое решение не требует сложной инженерной подготовки основания, исключает пыление и фильтрационное загрязнение территории, обеспечивает надежную консервацию дисперсных отходов, позволяет контролировать и регулировать температурно-фильтрационные факторы и устойчивость ограждающих и экранирующих конструкций, основано на эффективном использовании естественного холода и гарантирует полную экологическую безопасность сооружения.
Основными его элементами (рисунок 7.4) являются:
Ограждающая дамба мерзлого типа 1, выполненная из связного или песчаного грунта, золошлаков, хвостов или их смеси с грунтами, отсыпаемыми и послойно промораживаемыми с влажностью 16–20 %, что гарантирует заполнение пор водой, монолитность и водоупорность мерзлого сооружения.
Однорядная мерзлотная завеса 4, образуемая термосифонами 3, устанавливаемыми на гребне дамбы. Назначение завесы – обеспечение температурной устойчивости и водоупорности сооружения на участках наиболее мощного теплового влияния внутренней емкости и высокотемпературных массивов отходов, отсыпаемых в теплый период года. Устройство завесы следует предусматривать при сложном сочетании мерзлотно-климатических и технологических факторов (высокотемпературная мерзлота и талики в основании, обильные летние и зимние осадки, высокая температура и значительные объемы складируемых отходов и др.), затрудняющих естественное охлаждение и промерзание грунтов, слоев отсыпаемых отходов и загрязненных стоков, консервируемых во внутренней емкости.
Ширина гребня дамбы на участках расположения завес должна быть достаточной для проезда механизмов при строительстве и эксплуатации накопителя
Массив отвала 6, 7, разделенный (без устройства внутренних перемычек) на две карты, заполняемые отходами по различным для холодного и теплого периодов года технологическим схемам. В зависимости от исходных характеристик отсыпаемого материала (температура, плотность – влажность, теплофизические свойства) назначается оптимальный календарный график отсыпки и технологических перерывов, обеспечивающий достаточное для температурной устойчивости и водоупорности охлаждение и промерзание насыпи, сохранение вечномерзлого состояния основания или регулирование его оттаивания на заданную глубину (в последнем случае требуется инженерная подготовка основания, исключающая его термопросадочные деформации, например, предварительное оттаивание и уплотнение потенциально оттаивающего слоя).
Внутренняя емкость для накопления загрязненных поверхностных и инфильтрационных стоков 8, консервируемых в виде льда, погребенного под слоем отходов 9, отсыпаемых в последнюю зиму.
Водопроницаемая разделительная дамба 2 из каменной наброски, отделяющая внутреннюю емкость от послойно промораживаемой насыпи и обеспечивающая отвод загрязненных вод от массива складируемых отходов.
Теплогидроизоляционный экран 5 под внутренней емкостью, выполняемый из талого суглинка, золобетона или иного материала, обладающего достаточной водоупорностью и уложенного на специально подготовленное непросадочное основание. Назначение экрана – ослабление теплового влияния емкости на мерзлое основание в начальной стадии заполнения, до образования первого слоя льда, выполняющего функции противофильтрационного экрана при дальнейшей эксплуатации.
Рекультивационный слой 10 толщиной не менее 0,2 м из местного грунта, не подверженного ветровой и криогенной эрозии. Этот слой наносится на поверхность отсыпанного и промороженного массива отходов при консервации накопителя.
Транспортный пандус 11 для механизмов, участвующих в отсыпке, разравнивании и уплотнении отходов, а также необходимых для монтажа термосифонов и эксплуатации мерзлотных завес.
Граница раздела талых и мерзлых зон 12 в теле и основании ограждающей дамбы, прогнозируемая при тепловых расчетах и контролируемая в течение всего периода строительства и эксплуатации накопителя.
Рис.7.4. Экологически безопасный мерзлый накопитель с консервацией загрязненных стоков во внутренней емкости
Второй способ возведения. В предлагаемом способе [11, 30] возведения экологически безопасного накопителя, включающем возведение из грунта первичной дамбы, поярусную отсыпку отходов в секции и их промораживание естественным путем в холодное время года и отвод в водосборную емкость стоков, образовавшихся из атмосферных осадков и загрязненных в секции в теплое время года. Эту емкость создают в пределах площади секции и с отметкой дна, повышающейся в процессе отсыпки отходов в ярус; его наружной поверхности придают уклон в сторону емкости. В теплое время года в секции осуществляют пылеподавление водой, взятой из емкости и с интенсивностью, обеспечивающей, по меньшей мере, полуопороженное состояние емкости к началу холодного периода года.
На рисунках 7.5 и 7.6 изображены основные элементы равнинного и овражно-балочного накопителя.
1 – мерзлое основание; 2 – отходы, поярусно заполняющие секцию 3; 4 – первичная дамба мерзлого типа, возводимая по периметру секции; 5 – емкость для складирования первого яруса отходов; 6 – вторичная дамба, образующая емкость для каждого последующего яруса; 7 – углубление в основании, которое образует нижнюю часть водосборной емкости 8; 9 – часть яруса, отсыпаемая в холодное время года («зимняя» часть яруса); 10 – часть яруса, отсыпаемая в теплое время года («летняя» часть яруса); 11 – отметка дна водосборной емкости, которая повышается в процессе отсыпки отходов; 12 – защитный слой толщиной 0,05-0,1 м. из фильтрующего грунта или шлака, примыкающий к водосборной емкости; 13 – пандус, поярусно наращиваемый по мере заполнения секции; 15 – верхний ярус; 16 – рекультивационный слой; 17 – секция, примыкающая к ранее заполненной; 18 – нефильтрующая мерзлая верховая перемычка с временными замораживающими колонками 19; 20 – водоотводящие канавы в бортах 21; 22 – емкость под первый выравнивающий ярус отходов; 23 – тальвег оврага.
При обосновании конструктивно – технологических параметров накопителя мерзлого типа необходимо:выполнить теплофизическое обоснование предлагаемой криогенной технологии возведения насыпного массива складируемых отходов, в частности, установить оптимальные параметры его послойного наращивания и промораживания.
Для тепловых расчетов использованы известные решения нестационарной задачи теплопроводности в анизотропной влажной зернистой среде с фазовыми превращениями на границах раздела талых и мерзлых зон (задача Стефана). Учитывается специфика исследуемых процессов формирования мерзлого массива накопителя, в частности учитывается динамика внешних границ расчетной области температурного поля при послойном наращивании насыпи и динамика внутренних границ между слоями и зонами в процессе промерзания-оттаивания насыпи.
При вычислительном моделировании применяется явный метод конечных разностей. На каждом временном слое получаем температурное поле исследуемой области. Для любого момента времени можно вывести на печать полученные результаты для всех точек области или части их. Результаты расчетов представлены в виде геотермограмм, характеризующих распределение температур в основании и насыпном массиве накопителя в показательные моменты времени.
Рис. 7.5. Возведение насыпного накопителя мерзлого типа по второму способу (вариант равнинного накопителя)
Рис. 7.6. Возведение насыпного накопителя мерзлого типа по второму способу (вариант овражно-балочного накопителя)
При теплофизическом обосновании предлагаемой криогенной технологии возведения накопителя мерзлого типа, обоснованы три варианта технологии заполнения емкости складируемыми отходами (зола) в климатических условиях Центральной Якутии. Результаты расчетов приведены на рис. 7.7.
Рис. 7.7. Геотермограммы в насыпи и основании
Установлено, что в рассмотренных условиях может быть сформирован полностью промороженный массив на мерзлом основании.
В других условиях может формироваться анизотропный тало-мерзлый массив, постепенно промерзающий после прекращения отсыпки «теплых» слоев складируемых отходов.
Конструктивно-технологические решения накопителя мерзлого типа предусматривают использование водоупорных свойств вечномерзлого основания и промороженного массива отходов, что обеспечивает их экологически безопасное хранение. При оптимальной схеме возведения накопителя обеспечивается мёрзлое состояние основания и полное промерзание массива отходов без устройства мерзлотной завесы по периметру накопителя.
Контрольные вопросы.
В чем заключаются преимущества предлагаемого технического решения дренированного накопителя?
С помощью каких расчетов обосновывают экологическую безопасность накопителей?
Для каких режимов эксплуатации выполняются расчеты фильтрации из дренированного накопителя?
Чем отличается первый и второй способ возведения «сухого» накопителя мерзлого типа?