книги / Проектирование и эксплуатация хвостовых хозяйств обогатительных фабрик

Мягкие грунты состоят из скоплений частиц различных мине­ ралов разнообразной формы и крупности, сцементированных или не сцемептированных между собой. Частицы минералов, из кото­ рых состоят грунты, делят по крупности на глинистые — размер частиц < 0,005 мм, пылеватые — 0,005—0,05 мм, песчаные — 0,05—2 мм, гравийные (окатанные частицы) или дресвяные (угло­ ватые частицы) — 20—200 мм, валуны (окатанные) и камни (угловатые) — >200 мм.

Классификация частиц но крупности является условной в том смысле, что в действительности частицы грунта не имеют шаро­ образной формы. Особенно это относится к глинистым частицам, которые имеют обычно пластинчатую форму; размеры глинистых частиц в плане превышают толщину в десятки раз.

Мягкие грунты делятся в основном на глины, суглинки, су­ песи, пески и гравелисто-песчаные грунты. В качестве классифи­ кационных признаков используют гранулометрический состав (см. главу III, раздел I) и число пластичности.

Числом пластичности называется разность значений влаж­ ности грунта в нарушенной структуре (перемятого):

где Wn — число пластичности; W n— влажность грунта на пределе текучести; Wp — влажность грунта на пределе раскатывания (предел пластичности).

Влажностью грунта называется массовое содержание в данной пробе грунта воды, выраженное в процентах по отношению к массе пробы, высушенной до постоянной массы при температуре 105° С. Влажность определяют путем высушивания пробы грунта.

Состояние грунта при преде.че текучести характеризуется определенной влажностью WT. Это соответствует переходу грунта из пластического в текучее состояние

лабораторным путем в соответствии с ГОСТ 5183—64 и ГОСТ

181

Сравнение естественной влажности грунта с влажностями его на пределах текучести и пластичности (раскатывании) позволяет составить некоторое косвенное суждение о прочности грунта в естественном состоянии. Чем меньше естественная влажность водонасыщенногб глинистого грунта, тем больше его прочность.

Прочность глинистых грунтов в их естественном состоянии зависит от цементационных связей частиц грунта, обусловленных наличием в грунтах тех или иных солей. При растворении солей, при замачивании грунтов или в особенности при движении в них фильтрационного нотока цементационные связи могут быть нару­ шены и црочпость грунтов ослаблена.

Некоторые виды глинистых грунтов обладают свойством на­ бухания. Влажность таких грунтов при их замачивании повы­ шается, и они увеличиваются в объеме, поверхность их подни­ мается.

Набухание глинистых грунтов объясняется увеличением тол­ щины пленок воды вокруг каждой частицы грунта. Наибольшее набухание глинистых грунтов имеет место при содержании в них минерала монтмориллонита.

При понижении влажности глинистых грунтов вследствие испарения происходит их усадка — уменьшение объема. Усадка происходит вследствие уменьшения толщины оболочек воды во­ круг частиц грунта. Усадка вызывает растрескивание глинистого грунта.

Одним из важнейших свойств грунта является плотность, характеризуемая его пористостью. Весьма часто о плотпости грун­ тов судят по объемной массе скелета грунта, т. е. по массе единицы объема самих частиц грунта, образующих грунт как пористое тело. Напомним, что объемная масса скелета зависит от плотности породы и пористости и имеет следующее выражение:

Т е к • ■ = ? ( ! -т),

где у — плотность породы — отношение массы абсолютно сухих твердых частиц к объему твердых частиц;

где Gs — масса абсолютио сухого групта; Vs — объем твердых частиц.

Плотность грунта зависит от его минерального состава. Плотность некоторых пород следующая, г/см3: гранит — 2,60—

2,70; диабаз — 2,92; песчаник — 2,35—2,65; глина — 2,59—2.92; песок — 2,65;. торф — 0,5—0,8; лёсс — 2,68—2,70.

Масса влажного грунта ■

182

Величина объемной массы грунтов естественной влажности чаще всего колеблется в пределах от 1,60 до 2,20 т/м®.

Объемную массу скелета грунта уск можно определить, поль­ зуясь объемной массой грунта естественной влажности yw, по формуле

где W — влажность грунта в долях единицы.

Объемная масса скелета грунта под водой с учетом его гидро­ статического взвешивания

При исследованиях изменения плотности грунта под давле­ нием обычно пользуются понятием коэффициента пористости или приведенной пористости е:

е - Ы с к .

YCK

Коэффициент пористости е, пористость т, плотность у, объем­ ная масса yw и влажность W связаны между собой следующими зависимостями:

V ( i - ' - W ) - y w _

y(l + W)

Ниже приводятся значения пористости т различных пород, наиболее часто встречающихся в природном сложении в %: песча­ ники — 22—37. пески — 36—45, глины — 37—60, илы — 42—70.

183

Плотность сложения песков обычно выражается коэффициен­ том плотности D :

_ Smax — 8

&max —®min

где emax, emin — коэффициенты пористости песка в самом рыхлом и самом плотном состоянии; е — коэффициент пористости песка в естественном сложении.

Пески называют рыхлыми при D --- 0—0,33; при D — 0,33 — 0,66 — средней плотности; при D 0,66—1,0 — плотными.

Впрактике проектирования и строительства хвостовых хо­ зяйств часто встречаются лёссовые грунты. Лёссы отличаются тем, что кроме обычных для грунтов нор они имеют более крупные поры. Поэтому лёссы часто называют макропористыми грунтами. Лёссы при замачивании их водой уплотняются, что приводит их

косадке, называемой просадкой, иногда значительной.

Вкачестве показателей просадочпости применяют выражения; е//е (но Н. Я. Денисову) и е — 6/ (по Ю. М. Абелеву), где е/ — коэффициент пористости лёссов после их замачивания.

Для оценки грунтов как оснований сооружении и как мате­ риала для возведения земляных сооружений наибольшее значение имеют их строительные свойства — деформируемость, прочность

иводопроницаемость.

Деформируемость грунтов характеризует их сжимаемость в связи с уменьшением пористости при увеличении внешних нагрузок.

Свойства деформируемости разных грунтов различны. Песчаные грунты отличаются малой сжимаемостью под воздействием стати­ ческих нагрузок. Осадки этих грунтов происходят весьма быстро. Динамические нагрузки на пески вызывают большие их уплотне­ ние и осадку. Свойства прочности носков при динамических на них воздействиях отличны от таких же свойств при статических нагрузках. Глинистые грунты обладают большой сжимаемостью и осадками, медленно протекающими по времени. Скорость про­ текания осадок глинистых водонасыщенных грунтов определяется малой их водопроницаемостью, в связи с чем происходит медлен­ ное выжимание из них воды.

Сжимаемость груптов выражают графически компрессионной кривой (рис. 67), получаемой в результате сжатия образца грунта в цилиндрической обойме с возможностью оттока выжимаемой воды. Компрессионная кривая обычно выражается уравнением

184

п о р и с т о с т и п р и н о р м а л ь н о м д а в л е н и и н а г р у н т а = 1 ,0 к г с /с м 2;

А = ---------- , fi —еп

где еп — коэффициент пористости при пормальном давлении на грунт о — 2,718 кгс/см2.

Рис. 67. Кривая компрессии грунтов:

1 — п р я м а я в е т в ь у п л о т н е н и я ; 2 — о б р а тн а я в е т в ь

Рис. 68. Кривая компрессии просадочного грунта

На небольшом отрезке компрессионную кривую можно заме­ нить прямой (рис. 67). Тангенс угла наклона прямой», равный а, называется коэффициентом уплотнения грунта

а — tg а = —- — — ,

а2 —Hi

где ej— коэффициент пористости грунта при нормальном давле­ нии ах; е3 — коэффициент пористости грунта при нормальном давлении при а2.

По величине коэффициента уплотнения а грунты делятся по Н. М. Герсеванову на:

При снятии нагрузки с глинистого грунта наблюдается его набухание (обратная ветвь компрессионной кривой, рис. 67).

Глинистые грунты, подвергшиеся уплотнению в процессе их исторического происхождения и развития, могут иметь горизон­ тальные участки компрессионной кривой, т. е. при приложении к ним нормального давления от 0 до они не уплотняются.

При испытаниях лёссовых грунтов в момент их замачивания наблюдается их просадка при постоянном нормальном давлении

185

(рис. 68). Величина вертикального участка кривой характеризует просадочность лессовых грунтов.

Прочность грунтов характеризуется сопротивляемостью их сдвигу, которая, по Кулону, выражается следующей зависи­ мостью:

х пр —С + а tgfp,

где тпр — предельная, в условиях предельного равновесия, удель­ ная сопротивляемость сдвигу; С, tg ср — параметры прямой, на­ зываемые в механике грунтов соответственно сцеплением и коэф-

Рис. 69. Схема прибора для опреде­ ления угла внутреннего трения и сцепления грунтов методом среза

образцов:

1 — верхняя коробка; 2 — нижняя ко­ робка; 3 — образец грунта; Р — верти­

кальная-® нагрузка, Т — горизонтальная нагрузка

Рис. 70. Результаты испытаний на сопротивление сдвигу песчаных и глини­ стых грунтов в зависимости от вертикальной пагрузки:

1 — песчаные грунты; 2 — глинистые грунты с предварительным уплотнением образца грунта; 3 — глинистые грунты без предварительного уплотнения образца грунта, <р — угол внутреннего трения, С — сила сцепления

фициентом трения грунта; о — нормальное напряжение грунта

вплоскости его сдвига (среза); q) — угол внутреннего трения. Параметры С и tg ср определяют путем испытаний грунтов

различными методами. Одним из наиболее распространенных в СССР является метод среза образца грунта (рис. 69). При срезах образца сухого и водонасыщенного песка при разных нормальных напряжениях о опытные точки хорошо ложатся на прямую тпр — = / (а), выходящую из начала координат (рис. 70). В связи с этим для песков сила сцепления С принимается равной нулю. Опыты показывают, что угол внутреннего трения для песков сильно зависит от плотности: чем плотнее песок, тем выше значение угла внутреннего трония.

Сопротивление глинистых грунтов сдвигу также зависит от плотности (см. рис. 70). С увеличением плотности грунтов сильнее изменяется сцепление, чем угол трения.

Водопроницаемость грунтов характеризуется коэффициентом фильтрации К.

186

Понятие о коэффициенте фильтрации исходит из закона филь­ трации

где (^ф — расход воды, фильтрующей через грунт; со — площадь сечения грунта, через которое фильтрует вода; / — градиент напора;

тIh —И%

1 L ’

где Н1 — напор в первом сечении; Н2 — напор во втором сечении’ L — расстояние между обоими сечениями.

Из зависимости (13) следует, что коэффициентом фильтрации называется скорость фильтрации v — @ф/со при градиенте на­ пора I, равном единице.

Величины коэффициентов фильтрации определяют путем испы­ таний образцов грунтов на специальных приборах. Невозможно для всех встречающихся в природе видов грунтов охарактеризо­ вать численные значения их строительных характеристик.

Свойства деформируемости, прочности и водопроницаемости грунтов определяют путем проведения соответствующих исследо­ ваний и испытаний грунтов.

Таблицы нормативных значений прочностных и деформа­ ционных характеристик грунтов приведены в СНи и П.

3. Плотины и дамбы обвалования хвостохранилшц первой очереди и их конструкции

Использование хвостов для намыва из них ограждающих соору­ жений хвостохранилищ обуславливает наиболее экономичный способ возведения плотин и дамб обвалования. Однако в началь­ ный период эксплуатации хвостового хозяйства не удается сразу приступить к намыву из хвостовой пульпы плотин, так как:

из условия осветления пульпы необходимо устройство перво­ начального водного бассейна, объем и площадь которого обеспе­ чивали бы требуемое санитарными нормами осветление;

в зимний период года устройство плотин и дамб обвалования намывным способом из хвостов считается в настоящее время невозможным; поэтому в случаях ввода фабрики в эксплуатацию в осенний период года необходимо создать к зиме емкость хвостохранилища, обеспечивающую укладку хвостов фабрики в зимний период и надлежащее осветление пульпы;

при устройстве прудов-хвостохранилищ овражного типа для сокращения размеров водосбросных устройств рационально путем перекрытия речек, балок и оврагов аккумулирование паводко­ вых вод;

187

намывные плотины из хвостов требуют предварительного устройства цокольной части насыпным способом; эта часть в даль­ нейшем выполняет роль упорной, а иногда и дренажной призмы, повышающей степень устойчивости намытых из хвостов плотин

идамб обвалования;

вряде случаев оказывается невозможным без устройства первоначальных бассейнов обеспечение опережения в росте гребня намывных плотин и дамб обвалования из хвостов для создания необходимых емкостей прудов-хвостохранилищ, особенно учиты­

вая трудности намыва плотин и дамб в зимние периоды.

Рис. 71. Схема пруда-хвостохранилшца первой очереди:

4 — плотина первой очереди (насыпная); 2 — экран из хвостов; з — осветительный объем; 1 — урез воды пруда первой очереди

Принимая во внимание изложенные выше обстоятельства (особенно когда крупность частиц хвостов до 60% —0,074 мм), разделяют строительство ирудов-хвостохрапилищ на две очереди: первая — устройство насыпных плотин и дамб обвалования, вторая — устройство намывных плотин из хвостов.

При проектировании насыпных плотин первой очереди их высота (отметка гребня) назначается по кривой объемов прудахвостохранилища (см. рис. 64), исходя из обеспечения следующих требований:

1)создание объема водного бассейна, обеспечивающего необ­ ходимое осветление пульпы в первый период эксплуатации хвосто­ вого хозяйства, с учетом объема отложений хвостов на верховых откосах плотин и дамб обвалования (рис. 71);

2)вмещение хвостов за период зимней эксплуатации фабрики (в случаях начала эксплуатации хвостового хозяйства в осенний период года или невозможности создания к зиме нужного объема пруда для укладки хвостов зимнего периода);

188

3)аккумулирование части объема паводков, если такое акку­ мулирование проектом предусматривается;

4)учет толщины льда на поверхности пруда;

5)необходимое превышение гребня плотины над НПГ (нор­ мальный подпертый горизонт) во избежание перелива воды через гребень плотины с учетом высоты волны в хвостохранилище.

При определении высоты плотины первой очереди следует учи­ тывать также необходимость создания емкостей для укладки хвостов в зимнее время под лед в последующие годы эксплуатации хвостохрапилища. Иногда наращивание плотины первой очереди намывом хвостов за летние периоды не обеспечивает запаса необ­ ходимой емкости для укладки хвостов в последующие зимние периоды. В таких случаях необходимо соответствующее увеличе­ ние емкости пруда первой очереди и назначение большей высоты насыпной плотины. Эта задача решается методом попыток путем составления чертежей намыва плотины и заполнения хвостохранилища в летние и зимние периоды эксплуатации фабрики, с опре­ делением мест и объемов укладки хвостов и свободных емкостей хвостохрапилища по сезонам при разных высотах плотины первой очереди.

В практике проектирования хвостовых хозяйств объем прудахвостохранилища первой очереди назначается, исходя из условия вмещения годового количества хвостов фабрики:

У' _ Т’гол

укладке в пруд под воду; а — коэффициент заполнения полезного объема первой очереди пруда-хвостохранилища, принимаемый равным 0,5—0,65.

Принятие полезного объема хвостохранилища по приведенной выше формуле удовлетворяет пп. 1 и 2 перечисленных выше требований.

В случаях, когда проектом предусматривается аккумулирова­ ние части объема паводков, к V^u прибавляется соответствующий

на аккумуляцию паводков по кривой объемов пруда-хвостохра­ нилища (см. рис. 64) находится отметка горизонта воды пруда первой очереди. К этой отметке прибавляется необходимое пре­ вышение гребня плотины над НПГ с учетом толщины льда в зимнее время.

Ниже приведены рекомендации по превышениям гребня пло­ тины первой очереди над НПГ применительно к классам хвостовых хозяйств и хвостохранилищ.

189

Принятое с учетом толщины льда превышение следует про­ верять на высоту волны, которую рекомендуется определять по формуле

Н в= (0,76 -f 0,34 уТГ — 0 , ¥2 Т6 ) ,

где Н в — высота волны, м; L — длина по направлению, перпен­ дикулярному продольной оси плотины до берегов пруда, км.

Во всех случаях рекомендуется делать проверку на высоту вскатывания волны по откосу по формуле

Н в, в = 3,2кНаtga,

где На, в — высота вскатывания волны, м; Н в — высота волны, м;

Следует иметь в виду особые случаи назначения объемов хвостохранилищ первой очереди, когда высоты насыпных плотин превышают высоты, определенные в соответствии с изложенными выше указаниями. Это случаи, когда фабрики выдают очень мелкозернистые хвосты. Большие высоты в этих случаях назна­ чаются, исходя из необходимости удлинения периода выдержки отложений хвостов для их консолидации перед возведением на них следующих ярусов дамб обвалования и в целях создания надежного упора для намывного откоса из мелкозернистых хвостов.

Переходя к освещению вопроса о рациональных конструкциях земляных плотин, сначала установим терминологию.

Земляные плотины, как правило, имеют поперечный профиль по форме неравнобокой трапеции (рис. 72). Отдельные части и элементы профиля плотины имеют наименования:

гребень плотины — горизонтальная плоскость, ограничива­ ющая тело плотины сверху;

подошва плотины — поверхность сопряжения тела плотины с ее естественным основанием;

верховой откос плотины — откос со стороны верхнего бьефа; низовой откос плотины — откос со стороны нижнего бьефа; тело плотины — вся искусственно образованная насыпь, огра­ ниченная сверху гребнем плотины, снизу — подошвой плотины

и с боков — откосами плотины; водоупорные части тела плотины из различных материалов —

противофильтрационные устройства, предназначенные для осла­ бления фильтрации через тело плотины и ее основание: экран, понур, зуб н шпунт;

190