книги из ГПНТБ / Фисенко, Г. Л. Укрепление откосов в карьерах

Примером применения тросов (тяжей) могут служить укрепи­ тельные мероприятия при восстановлении части плотины Шерфас

ние откосов каньона р. Нарын в районе створа плотины гибкими тросовыми тяжами.

181

Район створа плотины Токтогульской ГЭС характеризуется сложными геологическими условиями. Участок приурочен к вися­ чему крылу крупного Карасуйского надвига и расположен между двумя тектоническими разрывными нарушениями типа сбрососдвига. Со стороны верхнего бьефа участок ограничивается Тегерекским сбросо-сдвигом с амплитудой смещения не менее 150 м, со стороны нижнего бьефа — Кыз-Курганским сбросо-сдвигом. Ширина влияния разрывных нарушений около 100 м.

Скальный массив сложен известняками, доломитизированными и метаморфизованными в различной степени, разбит несколькими системами трещин.

Среди разрывных тектонических нарушений наиболее значи­ тельны пологопадающие в юго-восточном и северо-западном на­ правлениях и крутопадающие субмеридионального простирания. По всем тектоническим нарушениям в зоне разгрузки развиты трещины бортового отпора, которые определяли объем выемки не­ устойчивых блоков пород и глубину врезки сооружения в Скаль­ ный массив.

Одна из трещин бортового отпора была вскрыта штольней в глубине массива на расстоянии 80 м от дневной поверхности. Она оказалась заполненной супесью с мощностью слоя до 2 м. Поло­ гопадающие нарушения снижали устойчивость откосов.

Коэффициент трещинной пустотности в массиве без учета тре­ щин бортового отпора не превышал 0,5%. Мощность выветрелой зоны колебалась в пределах 10 м; в этой зоне коэффициент тре­ щинной пустотности достигал 1 % •

Объем блоков, ослабленных трещинами бортового отпора, со­ ставлял: на левом берегу— 1950 тыс. м3, на правом берегу—■ 1900 тыс. м3.

Проектным заданием Гидропроекта предусматривались выемка неустойчивых блоков в объеме 1100 тыс. м3 и укрепление остав­ шихся блоков в объеме 640 тыс. м3 различными методами.

С точки зрения физико-механических свойств горных пород в массиве выделялись две зоны:

1. Зона разуплотненных и выветрелых пород мощностью 10— 50 м; для нее Гидропроектом рекомендованы следующие характе­ ристики:

модуль упругости пород — (60—80) ПО3 кгс/см2; коэффициент Пуассона — 0,25—0,27; коэффициент крепости пород ■— 6—8; угол внутреннего трения и сцепление:

2. Зона ненарушенных пород, практически не затронутых про­ цессами бортового отпора. Трещины в этой зоне сомкнуты и запол­ нены кальцитом. Для нее рекомендованы следующие характери­ стики:

модуль упругости— 15-104 кгс/см2;

182

коэффициент Пуассона — 0,3; плотность — 2,7 т/м3; коэффициент крепости пород — 8—9;

угол внутреннего трения и сцепление:

а) скального массива со скрытой трещиноватостью — р= 45°*; &= 3 кгс/см2;

б) по сомкнутым трещинам большой протяженности — р' = 35°;

Анализ структуры массива и расчеты устойчивости показали, что потенциально опасной поверхностью скольжения является по­ верхность, образованная пересечением систем трещин с углами падения 20—25 и 70—80°.

Расчет необходимого дополнительного удерживающего усилия производился графически (методом многоугольника сил). Прини­ малась во внимание сейсмичность района, равная 9 баллам. Ко­ эффициент сейсмичности kc —0,1. Результаты расчетов проверя­ лись на сейсмичность 10 баллов. Рассматривалось два варианта укрепления — гибкими тросовыми тяжами и комбинированно.

Вариант I

Гибкие тросовые тяжи устанавливаются в скважинах, пробу­ ренных из штолен до выхода на поверхность откоса (рис. V.12). Работы по закреплению концов анкеров на поверхности откоса должны производиться с помощью кабель-крана, а по натяжению тросов, их закреплению и контролю'—из штолен.

мендовался при неглубоком залегании поверхности скольжения. Бурение скважин, их установка и закрепление замка, а также на­ тяжение тросовых тяжей должны производиться со специальной рабочей площадки, перемещаемой по откосу.

Расчетная несущая способность одного тяжа диаметром 70 мм

ней части откоса высотой 50—60 м — гибкими тросовыми тяжами; а в нижней — массивными шпонами.

Назначение тросовых тяжей — предотвратить опрокидывание неустойчивого массива. Шпоны же должны создавать основное со­ противление сдвигу.

* Большое значение угла внутреннего трения можно объяснить малыми нор­ мальными нагрузками, которые прикладывались к образцам при испытании на сдвиг.

183

со

Рис. V.13. Вариант укрепления створа плотины с помощью массивного «шпона» п тросо­ вых тяжей:

1 — штольни; 2 — скважины;

3 — шпона

Конструкция шпон предусматривалась следующая. Вдоль про­ стирания пологой трещины проходится штольня сечением 6x 8 м с таким расчетом, чтобы трещина делила сечение штольни пример­ но на равные части. Затем в штольне устанавливаются металли­ ческие стойки (рельсы, двутавр), которые связываются в единую жесткую систему. Через скважины, пробуренные из штольни, на­ гнетается цементный раствор в массив вокруг нее, а затем запол­ няется бетоном пространство между металлическими стойками.

§ 4. У К Р Е П Л Е Н И Е О Т К О С О В Ш Т А Н Г А М И И Н А Б Р Ы З Г Б Е Т О Н О М

Как уже отмечалось, на Зыряновском карьере были выполнены экспериментальные работы по укреплению поверхности откоса торкрет-бетоном для предупреждения выветривания и осыпания пород.

Работы велись в следующей последовательности: а) оборка и промывка поверхности откоса;

б) бурение скважин для установки штанг ручным перфора­ тором;

в) установка железобетонных штанг; г) навеска металлической сетки;

д) крепление сетки к штангам и натяжение штанг; е) нанесение слоя торкрет-бетона.

Обязательным условием подготовки откоса к торкретированию является заоткоска его наклонными скважинами. После соответст­ вующей подготовки откоса с подвесной люльки бурили скважины для установки штанг. Диаметр скважин — 46 мм, расстояние меж­ ду ними по горизонтали 2,5 м, по вертикали — 4 м.

В скважины устанавливались штанги из арматурного железа с нарезанной с одного конца резьбой. Предварительно скважины заполнялись цементным раствором, который вводился с помощью цемент-пушки. На штанги навешивалась готовая рулонная арма­ турная сетка марки 5,5—15. Торкрет-бетон наносился на поверх­ ность откоса цемент-пушкой марки С-320 с шлюзовым барабаном. Состав сухой смеси: портландцемент марки 500—1 часть, песок с крупностью зерен до 2—3 мм — 2,5 части.

Покрытие наносилось в два приема: первоначально создавался слой толщиной 2—3 см, более плотный и обогащенный цементом вследствие отскакивания крупных частиц песка, затем толщина слоя доводилась до конечной, равной 5—7 см, в зависимости от состояния поверхности откоса.

Сжатый воздух давлением 5 кгс/см2 подавался от передвижного компрессора. Вода нагнеталась сжатым воздухом из специального резервуара. Водоцементное отношение регулировалось в сопле ма­ териального шланга с помощью вентиля в зависимости от необ­ ходимой консистенции бетона.

Цемент-пушка марки С-320 имеет существенный недостаток — сухая смесь загружается в нее вручную. Поэтому применение ее

185

допустимо лишь при небольших объемах работ. Но вместе с тем она обладает и рядом преимуществ: простота устройства, порта­ тивность, высокая производительность. На нанесение покрытия пло щадью около 100 м2 было затрачено полторы смены. Весь объем работ по укреплению был выполнен за четыре смены бригадой из 3 человек.

Расчет фактической стоимости работ приведен в табл. V.4.

Т а б л и ц а V. 4

Экспериментальные работы обычно связаны с непроизводитель­ ными затратами и простоями, обусловленными малым объемом ра­ бот, отсутствием налаженной технологии их производства и пр.

При промышленном внедрении способов искусственного укреп­ ления удельные затраты будут значительно ниже.

186

На Кальмакырском карьере в 1970 г. выполнены опытно-про­ мышленные работы по укреплению поверхности откосов набрызгбетоном.*

Опытный участок уступа сложен сиенито-диоритами, разби­ тыми трещинами и тектоническими нарушениями. Сиениты начи­ нают разрушаться после их обнажения. Высота укрепленного усту­ па 10 м, длина опытного участка около 100 м. Заоткоска произво­ дилась наклонными скважинами методом предварительного щелеобразования.

Комплекс оборудования, применявшегося для нанесения покры­ тия, состоял из:

самоходного полка СП-12; насоса К-6; бетономашины БМ-60; смесительно-загрузочной установки конструкции ВНИИЦветмета; емкости для воды и бункера для песка.

Оборудование для нанесения покрытия на поверхность откоса монтируется на прицепных санях, которые перемещаются вместе с самоходным полком СП-12.

Техническая характеристика самоходного полка СП-12

Стоимость 1 м2 набрызгбетона с толщиной слоя 3 см составила 1,03 руб. Расходы на поддержание поверхности откосов на сосед­ нем, Кургашинканском карьере за последние годы составили в среднем 4 руб. на 1 м2 откоса. Следовательно, ожидаемый эффект от внедрения бетонных покрытий составит около 3 руб. на 1 м2 поверхности откосов. Следует отметить, что, если набрызгбетон осуществлять по металлической сетке, затраты несколько увели­ чатся, но зато резко возрастут качество и долговечность покрытия. Ожидаемый годовой экономический эффект уже в 1972 г. составит по карьеру около 200 тыс. руб.**.

брызгбетона откоса уступа, сложенного сильнотрещиноватыми кварцевыми альбитофирами [10]. На этом участке довольно часто наблюдались отслоения и вывалы отдельных кусков породы, пред­ ставляющие опасность для работающих в карьере людей и обору­ дования.

*Использованы материалы из проекта, разработанного ВНИИЦветметом совместно со Средазнипроцзетметом.

**Аннотированный перечень изобретений и технических новшеств. Изд. КазНИИНТИ, Алма-Ата, 1972.

187

Техническая характеристика бетономашины БМ-60 и смесителя

Перед укреплением была произведена тщательная оборка по­ верхности откоса и промыта водой. Работы выполнялись с подвес­ ной люльки, используемой в дальнейшем при нанесении набрызгбетона. Перемещение люльки по откосу производилось с помощью пневматической лебедки, смонтированной на нижней площадке уступа. Отклоняющий ролик каната был закреплен на специаль­ ной раме, расположенной на верхней части уступа. Используемое оборудование и материалы (машина С-630, передвижные компрес­ соры ДК-6, емкости для воды, цемента и песка) располагались на нижней площадке уступа.

Для укрепления применялся набрызгбетон состава 1 :3 (це­ мент : песок) с использованием портландцемента марки 400 и мел­ козернистого речного песка; толщина покрытия составляла в сред­ нем 3 см. Для предотвращения высыхания покрытия в течение 3—4 сут. его обильно увлажняли. Общая площадь укрепления составила 250 м2.

Визуальные и инструментальные наблюдения за состоянием укрепленного участка в течение двух лет показали надежность бетонного покрытия. Видимых деформаций на участке не наблю­ далось, тогда как на соседних, неукрепленных участках с анало­ гичными породами отмечались значительные отслоения и обру­ шения пород.

Исходя из опыта укрепления поверхности откосов набрызгбетоном на Кургашинканском карьере, следует отметить, что без применения металлической сетки покрытие получается недолго­ вечным. Уже через год были зафиксированы разрушения бетонной

188

корки на отдельных участках, которые с течением времени про­ грессировали. Такое покрытие должно постоянно ремонтироваться, что снижает его эффективность.

Немаловажное значение имеет изыскание рациональных спосо­ бов укрепления пород в условиях вечной мерзлоты. Как показы­ вает практика эксплуатации карьеров в районах Крайнего Севера, наиболее интенсивные процессы выветривания пород протекают в толще вечномерзлых пород.

На одном из участков южного борта карьера «Айхал» (Якут­ ская АССР) уступ, представленный мергелями и заоткошенный под углом 80°, через некоторое время выположился до угла естествен­ ного откоса пород, т. е. 35—37°. Анализ применяемых способов укрепления пород откосов показал, что для данных условий тех­ нически приемлемым и рациональным является комбинированный способ укрепления из железобетонных штанг и набрызгбетонного покрытия по металлической сетке, навешиваемой на выступающие концы штанг; при этом замок штанг должен располагаться в мас­ сиве вечномерзлых пород [45]. На опытном участке железобетон­ ные штанги длиной 2—2,5 м закладывались в шпуры, пробурен­ ные на расстоянии 1—2 м от основания и от верхней бровки усту­ па. Расстояние между штангами по высоте откоса принималось равным 1 м, а по длине откоса— 7 м. Замок штанг длиной не ме­ нее 0,5 м закладывался в мерзлых породах.

Вместо набрызгбетона при опытных работах применяли де­ ревянные щиты, которые укрепляли на выступающих концах штанг. Был укреплен небольшой участок, и в дальнейшем опыты были прекращены.

П ри с т р о и т е л ь с т в е - А с у а н с к о й п л о т и н ы по про­ екту и под руководством института «Оргэнергострой» были прове­ дены работы по укреплению неустойчивых откосов, сложенных сильнотрещиноватыми, выветрелыми гранито-гнейсами. Укрепле­ ние откосов высотой 25 м было произведено набрызгбетоном толщиной от 5 до 20 см, общая площадь укрепления составила

800 м2.

§ 5. У К Р Е П Л Е Н И Е О Т К О С О В Р Ы Х Л Ы Х П О Р О Д

В настоящее время способ укрепления фильтрующих откосов песчано-глинистых пород путем их пригрузки щебнем скальных пород уже прошел экспериментальную проверку на ряде карьеров и может рекомендоваться к широкому внедрению.

Технологически более проста пригрузка щебнем крутых отко­ сов песчано-глинистых пород, когда она осуществляется непосред­ ственно вслед за отработанной экскаватором последней заходки по границе карьера. Первые опыты такого укрепления проведены на карьерах Кривого Рога для укрепления фильтрующих откосов суглинка, подстилаемого водоупорными жирными глинами.

На Зыряновском карьере уступы верхних горизонтов юго-запад­ ного борта пройдены в песчано-глинистых наносах. В результате

189

фильтрации воды откосы деформировались, и для их восстановле­ ния требовались периодическая подсыпка и планировка поверхно­ сти берм и откосов. В последние годы начали широко практико­ вать пригрузку поверхности песчано-глинистых откосов скальными породами вскрыши. Вначале производят планировку поверхности откосов, а затем с верхней площадки уступа насыпают скальные породы. В процессе отсыпки происходит распределение материала различной крупности по высоте откоса, благодаря чему крупные куски скатываются к его основанию. Пригрузочная призма в по­ перечном сечении имеет форму треугольника.

На Михайловском железорудном карьере проводились экспери­ ментальные работы по укреплению песчано-глинистых пород энер­ гией малых камуфлетных зарядов ВМ; образованная полость за­ полнялась бетоном [9]. В результате этого в массиве образуются бетонные шпоны, окруженные уплотненными породами.

Первый эксперимент проводился на уступе южного борта карь­ ера, который сложен неоком-нижневолжскими песчаными глина­ ми с прослойками песка, пластичных глин и келловейскими плот­ ными глинами. Уровень подземных вод был зафиксирован на глу­ бине 2,5—3,4 м от верхней площадки уступа.

Скважины диаметром 150 мм бурили в 16 м от верхней бровки уступа без обсадных труб. Всего было пробурено семь скважин на расстоянии 5—5,5 м друг от друга. В процессе бурения контро­ лировались влажность и гранулометрический сост.ав пород. Для определения влияния взрывных волн на устойчивость уступов была заложена маркшейдерская наблюдательная станция. Скважины

После взрыва провели серию маркшейдерских наблюдений и заме­ рили глубины скважин; две заполнили бетоном, а остальные песком, причем расход этих материалов фиксировался.

Наблюдения и замеры показали, что стволы скважин не нару­ шились, интервалы между реперами сохранились, глубина увели­ чилась на 0,3—0,5 м, а вода из них ушла.

Вскрытие четырех скважин показало следующее. В концах скважин образовались полости грушевидной и сферической форм. Диаметр их составил 1,1—0,5 м, а объем полостей— 1—0,4 м3. Тре­ щин вокруг полостей обнаружено не было.

Исследование образцов пород, отобранных из уплотненной зоны, свидетельствует об увеличении сопротивления их сдвигу на

10— 20% .

Второй эксперимент был проведен на западном борту карьера на участке действующего оползня. В этот раз было пробурено пять скважин диаметром 150 мм, глубиной 10—15 м.

Скважины заряжались рассредоточенными зарядами ВМ в ко­ личестве 2,4—4,4 кг. Общая масса зарядов в пяти скважинах со­ ставила 15,6 кг. Обследование после взрыва показало, что камуфлетные полости имеют цилиндрическую форму (в соответствии с

190