2626

и

- этапы заполнения полигона. Нагрузка на экран при заполнении первой очереди составит без учета веса техники:

где:

h1 - высота уложенных отходов, γ - удельный вес ТБО.

Рис. 2. Схема передачи нагрузки на защитный экран основания полигона ТБО, в зависимости от этапов заполнения полигон.(1,2,3,4,5,6 - этапы заполнения полигона).

В диссертации выполнены расчеты, позволяющие дать качественную и количественную оценку устойчивости элементов защитных экранов полигона ТБО с учетом последовательного заполнения. Так как основание полигона сложено грунтами, то при передаче нагрузки основание будет уплотняться, и получать осадку (рис. 3). Осадка, согласно механике фунтов, зависит от интенсивности нагрузки, величины загруженной площади, модуля деформации фунтов основания. Чем больше интенсивность нагрузки и величина загруженной площади, тем больше осадка основания. В тоже время на свободной площади BCD нагрузка отсутствует, а, следовательно, осадка равна нулю. Поэтому из-за разности осадок в элементах защитного экрана основания будут возникать не только сжимающие, но и растягивающие усилия.

Осадка после 5 -го этапа

Рис. 3. Эпюра осадок основания полигона ТБО, где 1,2,3,4,5,6 - этапы заполнения полигона.

Напряженное состояние защитного экрана поверхности полигона определяется неоднородностью уплотнения ТБО, что может вызвать образование пустот и ям. В связи с этим элементы защитного экрана поверхности полигона должны воспринимать растягивающие усилия и обладать достаточной прочностью на растяжение.

Конструкцию защитных экранов можно определить как геокомпозиционную слоистую систему. Это обосновано тем, что они состоят из регулярных слоев природных минеральных материалов (глинистые фунты, щебень, песок) и геосинтетических материалов, которые обладают различными физико-механическими свойствами. Геокомпозиционные системы располагаются не только на горизонтальных поверхностях, но и на наклонных - борта котлованов, откосы уложенных ТБО. Поэтому при проектировании необходимо проводить оценку устойчивости геокомпозиционной системы на сдвиг. Устойчивость контактной поверхности различных элементов геокомпозита оценивается с использованием основных положений механики грунтов, теории прочности Мора-Кулона. Расчет устойчивости выполняется по гладким поверхностям скольжения, определенным конструкцией экрана.

13 Прочностные характеристики на контактных поверхностях между различными

типами материаловопределяются экспериментальным путем.

Для оценки устойчивости по формуле 2 определяются коэффициенты запаса устойчивости ηi всех контактных поверхностей. Минимальный коэффициент запаса, определяет общую устойчивость всей геокомпозиционной системы.

η i=Tуд / Тсд (2)

где: Туд - удерживающая сила, Тсд - сдвигающая сила, действующие на поверхности скольжения в пределах элемента. Удерживающая и сдвигающая силы могут быть определены:

где: G - собственный вес элемента, кН; l - элементарная длина, м;

α - угол заложения откоса, град; с - адгезия контакта различных материалов, кПа; φ - угол трения контакта, град.

Глава 3. Модель выбора оптимальных конструкций защитных экранов полигона ТБО.

Оптимизация конструктивных решений защитных экранов полигона ТБО - многопараметрическая задача, для решения которой следует учитывать как инженерно-технические, таки эколого-экономическиефакторы.

Выбор оптимальной конструкций защитных экранов полигона ТБО выполняется на основе вариантного проектирования согласно схеме (рис. 4).

На первом этапе проводиться анализ инженерных изысканий площадки строительства, на основании существующей нормативно-технической базы, определяются предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в окружающей природной среде и разрабатываются варианты защитных экранов полигона ТБО.

На втором этапе для каждого разработанного варианта проводится прогноз эмиссий в окружающую природную среду и определятся

14

экономический ущерб от выбросов вредных веществ. Прогноз эмиссии вредных веществ может быть произведен с использованием расчетных программ или на основании аналогов-данных, полученных для находящихся в эксплуатации полигонов-аналогов.

Рис. 4. Выбор оптимальной конструкции защитных экранов полигонов ТБО

Под экономическим ущербом, наносимым окружающей среде,

понимаются, выраженные в стоимостной форме фактические и возможные убытки, причиняемые народному хозяйству загрязнением окружающей среды, или дополнительные затраты на компенсацию этих убытков.

Экономический ущерб атмосферному воздуху определяется по

загрязнений в атмосферу, руб/год; γ - множитель по экономической оценке ущерба, изменяющийся в зависимости

от роста цен. На 2000 год - 3,3 руб/усл.т.

σ - коэффициент относительной безопасности, зависящий от типа территории.

15

f - безмерный множитель, учитывающий характер рассеивания примеси в

атмосфере. Его величина зависит от скорости оседания частиц, высоты их выбросов от земли, температуры газа.

M - приведенная масса годового выброса загрязнений, усл.т./год.

Оценка экономического ущерба при загрязнении водных источников определяется по следующей формуле:

иной водохозяйственный участок, руб./год;

у - множитель по экономической оценке ущерба, изменяющийся в зависимости от роста цен. На 2000 год - 443,5 руб./усл.т.:

M - приведенная масса годового выброса загрязнений, усл.т./год.

Анализ выше приведенных формул по оценке экономического ущерба показал, что величина экономического ущерба при равных граничных условиях прямо пропорционально зависит только от величины вредных выбросов от полигона ТБО, попадающих в атмосферный воздух или водные источники.

На третьем этапе проводиться экологическое и экономическое сравнение вариантов конструкций защитных экранов полигона ТБО. Экологическое сравнение основывается на сравнении прогнозируемых эмиссий в окружающую природную среду с предельно допустимыми концентрациями вредных веществ. Главным экономическим критерием при выборе оптимальной конструкции защитных экранов является достижение максимального значения годового экономического эффекта, учитывающего капитальные вложения, эксплуатационные затраты на реализацию природоохранных мероприятий.

Необходимо отметить, что в эксплуатационные затраты входят годовые платы за загрязнение окружающей природной среды во время эксплуатации

полигона, которые в свою очередь прямо пропорционально зависят от эмиссий в окружающую среду.

На основании проведенного эколого-экономического сравнения и с учетом требований, предъявляемых к конструкциям защитных экранов

16

полигонов ТБО, автором были разработаны конструкции защитных экранов поверхности и основания полигона. Данные конструкции представляют комбинацию изоляционных и дренажных элементов, позволяющих собирать и отводить в систему коллекторов фильтрат, а также обеспечить изоляцию "тела" полигона от подпитки грунтовыми водами и атмосферными осадками, отводя их в дренажную систему.

Глава 4. Методика экспериментальных исследований контактной прочности защитных экранов полигонов, как геокомпозиционных систем.

Для проведения расчетов устойчивости защитных экранов основания и поверхности полигонов - геокомпозита, определяющим параметром служит контактная прочность между различными материалами, например, между геомембраной (синтетической гидроизоляцией) и грунтом или геомембраной и геотекстилем, геотекстилем и грунтом, щебнем и геотекстилем.

Анализ литературных источников показал, что контактная прочность определяется законом прочности Кулона, следовательно, прочностные характеристики контакта могут быть установлены в результате испытаний на сдвиг. Для этих целей, возможно, использовать два метода - метод выдергивания и метод - сдвига. В результате проведенного анализа геосинтетических материалов, было установлено, что геосинтетические материалы, используемые в конструкциях защитных экранов полигонов ТБО, относятся к группе деформируемых и обладающих реологическими свойствами. Учитывая свойства испытываемых материалов, автором был выбран второй метод испытаний - метод одноосного сдвига.

Прибор для испытания контактной прочности представляет аналог прибора одноплоскостного среза с прямоугольной рабочей камерой. Размер рабочей камеры 30 χ 30 см. Нижняя часть рабочей камеры неподвижно закреплена на рабочем столе. Высота нижней неподвижной каретки - 200 мм. Верхняя часть рабочей камеры может перемещаться относительно нижней неподвижной части прибора по горизонтали. Высота рабочей верхней каретки -

17

400 мм. Верхняя подвижная часть прибора снабжена жестким штампом для

передачи вертикальной нагрузки.

30.0

1

2

3

1м

4

6

1 - верхняя рама; 2 - распределительная подушка; 3 - дренажные маты; 4 - нижняя рама; 5 - неподвижное основание, 6 - искусственная гидроизоляция.

Рис. 10. Схема испытаний контактной прочности двух геосинтетических материалов

Проведение экспериментальных исследований было направлено на решение следующих задач:

1. Обоснование применения закона прочности Кулона к расчету устойчивости защитных экранов поверхности и основания полигонов.

2.Установить влияние структуры синтетической гидроизоляции на прочностные характеристики контактной прочности.

3.Экспериментальное обоснование, разработанной методики определения контактнойпрочности.

Для достижения этих целей автором были проведены опыты по изучению

контактной прочности для следующих комбинации материалов:

1.Глинистый фунт - гладкая синтетическая гидроизоляция.

2.Глинистый фунт - шероховатая синтетическая гидроизоляция.

18

3.Геотекстиль с поверхностной плотностью 200 г/м2 - гладкая синтетическая гидроизоляция.

4.Геотекстиль с поверхностной плотностью 200 г/м2 - шероховатая

синтетическая гидроизоляция.

Выбор данных вариантов основан на том, что сочетания этих материалов наиболее часто встречаются в конструкциях защитных экранов полигонов. Для сопоставления контактной прочности между глинистым фунтом и синтетической гидроизоляции были проведены дополнительные испытания на сдвиг, для определения прочности глинистого грунта.

Анализ результатов показывает, что контактная прочность может быть аппроксимирована законом Кулона.

где: σn- нормальные напряжения на поверхности сдвига;

с-адгезия контакта, параметр аналогичный удельному сцеплению фунта;

φ- угол трения контакта, параметр аналогичный углу внутреннего трения

фунта;

τn - предельное касательные напряжение.

Тогда «с» и φ - прочностные характеристики контакта. Их значения, вычисленные по данным экспериментальных исследований, приведены в

таблице 1.

Таблица 1.

Значения адгезии и угла трения на контактной поверхности

Анализ полученных данных показывает, что прочность контакта зависит от качества поверхности синтетической гидроизоляции. Шероховатая

19

рекомендуется принимать следующие понижающие коэффициенты для адгезии

иугла внутреннего трения:

-0,13 глинистый грунт - гладкая синтетическая гидроизоляции;

-0,74 глинистый грунт - шероховатая синтетическая гидроизоляция. Основныевыводы

На основании выполненных исследований сформулированы следующие выводы:

1. Анализ опыта работы в области обращения и управления твердыми бытовыми отходами позволил установить, что наиболее распространенным методом обезвреживания и утилизации ТБО в Российской Федерации в ближайшие 10-15 лет будет метод захоронения отходов на полигонах. В связи с этим существует необходимость в разработке оптимальных конструкций защитных экранов поверхности и основания полигонов ТБО с целью повышения их экологической безопасности.

2. Разработана и исследована модель для определения оптимальной конструкции защитных экранов поверхности и основания полигонов ТБО на основе вариантного проектирования и технико-экономических и экологических оценках. Показано, что в определении экологической эффективности конструкций решающую роль играют экологические факторы, которые

необходимо учитывать на стадии проектирования, значимость которых возрастает со временем.

3. На основании анализа работы защитных экранов полигона ТБО были определены и обоснованы четыре основных требования к строительным материалам: долговечность; химическая, биологическая устойчивость; температурная устойчивость; механическая прочность. Выбор строительных материалов должен выполнятся согласно сформулированным требованиям.

4. Предложена методика расчета устойчивости защитных экранов полигонов ТБО, геокомнозиционных систем, по плоским поверхностям скольжения. Установлено, что основными расчетными параметрами этой методики является угол трения «φ» и адгезия «с» контактной поверхности.

20

Оценка устойчивости проводится на основании коэффициента запаса устойчивости η, равного отношению суммы удерживающих к сумме

сдвигающих сил, реализуемых на поверхности сдвига.

5. Впервые разработана и экспериментально апробирована методика

испытаний прочностных показателей контактной поверхности в сдвиговом

приборе, которая может быть распространена на испытания контактной прочности различных геосинтетических материалов и грунтов.

6. Результаты диссертации могут быть также использованы и развиты в дальнейшей научно-исследовательской работе по направлениям геоэкологии:

- обеспечение экологической безопасности полигонов ТБО на основе внедрения новых технологий и материалов;

изучения свойств геосинтетических материалов, определения методик и методов их испытаний с учетом области применения, территориальных и геологических условий.

7. Результаты работы используются при разработке нормативнометодической литературы, территориальных строительных норма «Проектирование, строительство и рекультивация полигонов твердых бытовых отходов в Московской области», в учебном процессе для преподавания студентам дисциплины «Депонирование ТБО», при проектировании полигонов в Московской области и Республике Башкортостан.

Публикации Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Щербина E.В. Новые решения защитных экранов полигонов для захоронения твердых бытовых и промышленных отходов. // Тезисы докладов научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов МГСУ, Москва, 1998 г. - с. 51-53.

2. Щербина Е.В., Заволоко Л.М., Потапов П.А., Казаков М.М. Новые подходы к решению проблемы управления отходами. // Известия академии промышленной экологии, 1998. -№ 2. - с.57-59.