Разработка критериев безопасности. Часть 2

1  2  3  4

---

1.4 Перечень объектов мониторинга безопасности ГТС

 

На основании анализа проектной документации [29] в работе «Разработка проекта мониторинга безопасности проектируемых гидротехнических сооружений хвостохранилища Светлинской ЗИФ в Челябинской области» к объектам мониторинга безопасности гидротехнических сооружений хвостохранилища Светлинской ЗИФ отнесены:

Гидротехнические сооружения:

• III очередь хвостохранилища:
• емкость,
• ограждающая дамба
• дренажная система (насосная станция забора дренажных вод, дренажный водовод, дренажная канава с зумпфом);
• системы гидротранспорта хвостов:
• пульповоды (магистральные и распределительные) с выпусками,
• аварийная емкость для опорожнения пульповода;
• системы оборотного водоснабжения:
• насосные станции оборотного водоснабжения,
• водовод (магистральный и распределительный);
• аварийная емкость для опорожнения водовода;
• сооружения гидрозащиты:
• нагорные канавы (левая и правая).

2. Контрольно-измерительную аппаратуру на ГТС (водомерные рейки, пьезометры и наблюдательные скважины), а также измерительные приборы и средства автоматики систем гидротранспорта, оборотного водоснабжения (манометры, расходомеры и др.).
3. Технологические процессы: гидротранспорт хвостов (пульпы), складирование хвостов (заполнение хвостохранилища), осветление и возврат оборотной технологической воды, сбор и возврат дренажных вод.
4. Внешние (природно-климатические воздействия) и эксплуатационные нагрузки на сооружения.
5. Окружающую природную среду (грунтовые воды, почвыи атмосферный воздух в районе ГТС).
6. Зону возможного затопления в случае аварии на ГТС.
7. Проектную и эксплуатационную документацию по ГТС в части сохранности, полноты, обновления и соответствия требованиям нормативных документов по безопасной эксплуатации ГТС.
8. Эксплуатационный персонал и специалистов, осуществляющих мониторинг безопасности ГТС, в части образования, обучения и аттестации на право эксплуатации накопителей жидких промышленных отходов и готовности к выполнению работ в чрезвычайной ситуации.

К технологическим процессам, на которые распространяется мониторинг безопасности, относят:

• технологию гидротранспорта пульпы;
• технологию намыва хвостов (заполнения хвостохранилища);
• технологию осветления (отстаивания) и возврата оборотной технологической воды.

В работе » Разработка проекта мониторинга безопасности проектируемых гидротехнических сооружений хвостохранилища Светлинской ЗИФ в Челябинской области» составлена схема организации мониторинга безопасности на ГТС объекта, которая приводится на рис. 2.

 

2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТЕРИАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СОСТОЯНИЯ ГТС

 

2.1. Назначение диагностических показателей состояния ГТС

 

Для каждого ГТС и каждого объекта диагностирования есть множество контролируемых показателей и косвенных признаков, по которым можно судить об эксплуатационном состоянии сооружения, а именно:

• Наиболее значимые показатели, возникающие при действии нагрузок и воздействий (уровни воды, напор, высота волн, толщина льда, температура воздуха, температура воды и др.);
• Реакция сооружения на нагрузки и воздействия (напряжения, деформации, положение кривой депрессии, фильтрационный расход, температура сооружения в характерных точках и др.)

Наиболее значимые для диагностики состояния контролируемые показатели (в минимальном необходимом количестве) называют диагностическими.

Для грунтовой плотины основными диагностическими показателями являются:

• отметки уровня воды в верхнем и нижнем бьефах;
• геодезические отметки гребня;
• тело плотины и ее основания;
• положение кривой депрессии;
• фильтрационный расход;
• температура воды;
• мутность воды, фильтрующейся через тело плотины.

Диагностические показатели назначены в настоящей работе согласно РД 03-443-02[2], РД 03-259-98[3] и ПБ 03-438-02[4] из контролируемых (количественных и качественных) показателей, в том числе для наиболее ответственных или «опасных» зон сооружений.

Перечень диагностических показателей состояния проектируемых ГТС хвостохранилища (количественные: уровень заполнения, деформации ограждающих дамб, отклонение/ оседание дамб от проектного положения; качественные показатели состояния ГТС) приведен в таблицах 7÷10.

Следует отметить, что коэффициент запаса устойчивости для ограждающих дамб хвостохранилища не предусмотрен для оперативного контроля состояния ГТС, в связи с чем, не включен в итоговую таблицу (табл. 7 «Критерии безопасности…»), так как является количественным диагностическим показателем, контролируемым путем соответствующего расчета.

Фактическое значение этого показателя предусмотрено «Проектом мониторинга…» определять (рассчитывать) при эксплуатации сооружений в случае изменения фактических параметров и/или конструкции сооружения, уточнения информации о его строении и свойствах грунтов, в случае существенного изменения фильтрационного режима, а также в случае появления данных о начавшемся процессе деформаций, если такие будут установлены по результатам геодезического контроля.

Кроме того, предусмотрено при эксплуатации сооружений производить расчет фактического значения данного показателя в случае выявления отклонений режима эксплуатации сооружения от нормальной работы, в том числе зафиксированного в виде превышения (несоблюдения) качественных критериев безопасности для дамб хвостохранилища, указанных в табл. 10 «Критерии безопасности…».

Количественные диагностические показатели состояния ГТС определены с использованием соответствующих расчетных обоснований в соответствии с требованиями нормативных документов.

Диагностические показатели состояния ГТС назначены:

• для визуальных наблюдений (должны выполняться службами эксплуатирующей организации);
• для инструментальных наблюдений (должны выполняться специализированной организацией);
• для расчетных обоснований состояния сооружений (должны выполняться специализированными организациями).

Качественные диагностические показатели состояния ГТС являются важной составляющей в общей системе оценки надежности сооружений при их эксплуатации. Критериями качественных диагностических показателей состояния ГТС являются наличие и развитие во времени деструктивных процессов, которые обнаруживаются при визуальных наблюдениях.

Для диагностических показателей в настоящей работе определены критериальные значения.

Анализ остальных рекомендованных нормативными документами показателей – контролируемых проектных параметров (отклонение от которых может привести к нарушению условий эксплуатации) следует производить согласно разработанной в установленном порядке проектной документации.

Для каждого ГТС и каждого объекта диагностирования есть множество контролируемых показателей и косвенных признаков, по которым можно судить об эксплуатационном состоянии сооружения.

Наиболее значимые для диагностики состояния контролируемые показатели (в минимальном необходимом количестве) называют диагностическими

Действующими нормативными документами рекомендованы следующие методы определения критериев безопасности (критериальных значений К1 и К2): аналитические (анализ результатов расчетов и исследований фильтрационного режима при напорной и безнапорной фильтрации, гидравлического и температурного режимов, напряженно-деформированного состояния, прочности и устойчивости ГТС), графические, численные, метод ЭГДА, а также методы экспериментальных исследований и моделирования.

Для проектируемых гидротехнических сооружений при определении критериев безопасности используются, как правило, детерминистические (расчетные) типы математических моделей.

При проектировании гидротехнических сооружений СП 58.13330.2012[5] предусматривает расчет гидротехнических сооружений производить по двум группам предельных состояний:

— по первой – полная непригодность сооружений, их конструкций и оснований к эксплуатации (расчеты общей прочности и устойчивости системы сооружение-основание, общей фильтрационной прочности оснований и грунтовых сооружений, разрушение которых приводит к прекращению эксплуатации сооружений; расчеты перемещений конструкций, от которых зависит прочность или устойчивость сооружения в целом);

— по второй – непригодность к нормальной эксплуатации (расчеты оснований на местную прочность, расчеты по ограничению перемещений и деформаций, образованию или раскрытию трещин и строительных швов, нарушению местной фильтрационной прочности или прочности отдельных элементов сооружений, не рассматриваемым по предельным состояниям первой группы).

Согласно РД 03-443-02 [2] при определении количественных критериев безопасности 1-го (предупреждающего) уровня (К1) необходимо выполнять расчеты по первой и второй группам предельных состояний при основном сочетании нагрузок и воздействий, а при определении критериев безопасности 2-го (предельного) уровня (К2) – по первой группе предельных состояний при особом сочетании нагрузок и воздействий.

Количественные критериальные значения К1 и К2 диагностических показателей установлены на основе оценок реакции сооружений при основном и особом сочетании нагрузок соответственно. Состав нагрузок в сочетаниях и способ их определения, с учетом предусмотренной проектом программы натурных наблюдений приведены в соответствующем разделе настоящей работы.

Значения количественных критериальных значений для объектов мониторинга – гидротехнических сооружений и систем проектируемого хвостохранилища Светлинской ЗИФ приведены в табл. 7-9.

При оценке эксплуатационного состояния ГТС наряду с количественными диагностическими показателями предусматривается контролировать на основе наблюдений и оценок качественные диагностические показатели.

Качественные критерии безопасности для объектов мониторинга – гидротехнических сооружений и систем хвостохранилища Светлинской ЗИФ приведены в табл. 10.

 

3 РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ КРИТЕРИЕВ БЕЗОПАСНОСТИ

3.1 Уровень заполнения III очереди хвостохранилища

 

Для условий рассматриваемой емкости – III очереди хвостохранилища в качестве самого оперативного и интегрального показателя, обеспечивающего безопасную работу сооружений в период паводка и других природных воздействий, с учетом конструкции ограждающих сооружений (дамб), а также назначения и условий работы хвостохранилища следует принимать требуемое в соответствии нормативными документами возвышение гребня ограждающих сооружений над уровнем воды в емкостях.

расчет минимально-допустимого возвышения гребня дамб над уровнем воды в емкостях необходимо производить по следующим основным факторам:

• по величине ветрового нагона воды, в соответствии со СП 39.13330.2012[6];
• по высоте гравитационной волны, которая может возникнуть в накопителе в случае образования в нем сейсмотектонических деформаций при землетрясениях (в соответствии со СП 14.13330.2011[9]).

При выполнении расчета была учтена особенность заполнения хвостохранилища, а именно: при поступлении пульпы в рабочую очередь будет происходить осаждение хвостов со стороны верхового откоса ограждающих дамб в районе выпусков из распределительных пульповодов, в результате в районе насосной станции забора оборотной воды, будет образовываться так называемый прудок, по форме напоминающий конус или усеченный конус. В связи с чем, для работы были использованы параметры максимально возможной прудковой зоны, а именно глубина и ширина. Следует так же отметить, что параметры прудковых зон во всех очередях будут идентичными.

 

3.1.1 Расчет по величине ветрового нагона волны

 

Возвышение гребня ограждающего сооружения над уровнем воды (рис. 3) определяют по формуле (CП 38.13330.2012) [7]

Ветровой нагон воды определяют по данным натурных наблюдений, а при их отсутствии в соответствии со СП 38.13330.2012 [7] по формулегде a – запас возвышения гребня дамбы (не менее 0,5 м); Dh_set – ветровой нагон воды в верхнем бьефе, м; h_run1%– высота наката ветровых волн обеспеченностью 1%, м.

При предварительном определении элементов волн среднее и предельное значения разгона волны определяют в зависимости от скорости ветра (СП 38.13330.2012 [7]). Для существующих гидротехнических сооружений величину разгона волны принимают равной размеру водоема по расчетному направлению.где k_w– коэффициент, принимаемый в зависимости от скорости ветра; V_w – расчетная скорость ветра, м/с; L – разгон волны, м; g – ускорение свободного падения, м/c²; d – глубина водоема перед ограждающим сооружением, м; a_w – угол между продольной осью водоема и направлением ветра, град.

Высоту наката ветровых волн1% обеспеченности (h_run1%) при постоянной скорости ветра, согласно СП 38.13330.2012 [7], определяют в следующем порядке:

Определяют значения безразмерных величин

где t – продолжительность непрерывного действия ветра.

По значениям безразмерных величин и верхней огибающей кривой определяют значения / и / :

• по ® и ,
• по ® и ,

3. По меньшему из значений / и / определяют среднюю высоту ( , м) и средний период ( , с) волн.
4. Среднюю длину волн при известном значении периода волн  определяют по формуле
5. Определяют пологость волны: / .
6. Высоту наката на откос волн обеспеченностью 1% по накату (h_run1%) для фронтально подходящих волн при глубине перед ограждающим сооружением d³ 2h_d1%определяют по формуле

где k_rи k_p – коэффициенты шероховатости и проницаемости откоса, принимаемые в зависимости от конструкции крепления откоса и величины относительной шероховатости; k_sp – коэффициент, принимаемый в зависимости от скорости ветра и угла наклона откоса к горизонту; k_run– коэффициент, принимаемый в зависимости от пологости волн и угла наклона откоса к горизонту.

Относительная шероховатость равна r /h_d1% , где r– характерный размер шероховатости, который следует принимать равным среднему диаметру зерен материала крепления откоса.

Значения коэффициентов в формуле (4) определяют согласно СП 38.13330.2012[7]: k_rи k_p–в зависимости от величины относительной шероховатости; k_sp – в зависимости от котангенса угла наклона верхового откоса ограждающего сооружения к горизонту(ctgj) и расчетной скорости ветра (V_w); k_run– в зависимости от котангенса угла наклона верхового откоса ограждающего сооружения к горизонту(ctgj) и пологости волн (  / ).

Расчет (табл. 4) выполнен для наиболее неблагоприятных условий, которые могут способствовать максимально возможному ветровому нагону воды в емкостях (очередях) хвостохранилища. В частности, для положения накопителя при максимальной длине прудковой зоны, максимально-возможной скорости ветра при рекомендуемой для сооружений III класса обеспеченности расчетного уровня (4%).

Таблица 4 «Расчет минимального возвышения гребня дамб над уровнем воды с учетом величины ветрового нагона воды»

Из результатов расчета, приведенных в табл. 4, следует, что минимальное значение возвышения гребня дамб над уровнем воды для очередей хвостохранилища, с учетом величины ветрового нагона воды, должно быть не менее 0,641 м.

 

3.1.2 Расчет по величине гравитационной волны

 

В связи с пересмотром нормативного документа СП 14.13330.2011 и введением новой редакции нормативного документа — СП 14.13330.2014 [9], изменился учет воздействия гравитационной волны, возникающей в водохранилищах и других водных объектах на определение отметки гребня дамбы. В новом документе высота гравитационной волны зависит не только от количественной оценки землетрясения в баллах J, но и магнитуды землетрясения М и глубины очага землетрясения Но. В условиях отсутствия таких сведений принято решение использовать простую и проверенную формулу из редакции документа от 2011 г, а именно высота гравитационной волны, возникающей в накопителе, определяется по формуле:

Кроме того, учитывая, что для района расположения рассматриваемых ГТС расчетная интенсивность сейсмических воздействий составляет 5 баллов по шкале MSK-64 c 5% вероятностью превышения указанного значения в течение 50 лет, данный параметр определять не целесообразно, так как он определяется в случае реального прогноза о возможности в рассматриваемом районе землетрясений интенсивностью более 7 баллов.

 

3.1.3 Требования нормативных документов и проектные решения

 

В соответствии с требованиями п. 8.15 «Правил безопасности…» ПБ 03-438-02 [4] возвышение гребня дамбы над уровнем воды в накопителе III класса должно соответствовать проекту, но быть не менее 1,0 м для сооружений III класса.

Решениями проектной документации по объекту [29] предусматривается заполнять хвостохранилище с обеспечением превышения гребня дамбы над уровнем воды в отстойном прудке не менее 1,0 м. Расчет (табл. 4) подтверждает обоснованность такого решения. Водный баланс хвостохранилища не предполагает накопления излишней воды в отстойном прудке и не требует дополнительного увеличения запаса возвышения гребня дамбы над уровнем воды.

Таким образом, на основании расчетов, требований нормативных документов, а также решений, предусмотренных проектной документацией по объекту [29], в качестве критерия безопасности 1-го (предупреждающего) уровня (К1) принимается максимальное превышение гребня дамбы над уровнем воды, равное 1,0 м.

В качестве критерия безопасности 2-го (предельного) уровня (К2) при рассматриваемых условиях принята критическое превышение гребня дамбы над уровнем воды 0,5 м, которое принято по расчетному значению высоты наката ветровых волн с учетом ветрового нагона воды в верхнем бьефе, а также согласно требованиям СП 39.13330.2012 [6] и СП 38.13330.2012 [7], которые не допускают уменьшения указанного значения величины превышения гребня ограждающего сооружения над уровнем воды.

При уменьшении значения превышения равного 0,5 м (К2) сооружение может перейти в предаварийное состояние.

Вместе с тем, для обеспечения (не превышения) определенной в настоящей работе отметки уровня воды в емкостях хвостохранилища Светлинской ЗИФ необходимо соблюдать предусмотренный проектом водный баланс.

Кроме того, для обеспечения необходимого запаса возвышения гребня дамб над уровнем воды в емкостях хвостохранилища в качестве критериальных значений следует также принимать качественный показатель – состояние гребня дамб.

С учетом выполненных расчетов и принимая во внимание заданную в проектной документации [29] отметку гребня дамбы III очереди хвостохранилища, равную 330 м (БС), максимальное заполнение прудка хвостохранилища должно быть на уровне К1 = 329 м (БС) и не превышать К2=329,5 м (БС).

 

3.2 Положение депрессионной кривой

 

Для контроля уровня депрессионной кривой в теле ограждающих дамб, а так же надежности и работоспособности противофильтрационного экрана, расположенного на верховом откосе дамб и в ложе емкостей хвостохранилища, проектом предусмотрена установка пьезометров.

Максимально-допустимое положение депрессионной кривой в теле ограждающих дамб хвостохранилища определено в настоящей работе аналитически, расчетным путем.

Для расчета уровня депрессионной кривой применен способ виртуальных длин (рис. 4):

При m₂³1 значение f(m₂)=0,5+m₂; при m₂<1 значение f(m₂)=0,7+0,8m_2.

Кривую депрессии исправляют визуально в зоне где:

Для формул, приведенных выше, приняты следующие обозначения: q – удельный фильтрационный расход в дамбе на единицу ее длины, м³/м;  – коэффициент фильтрации тела дамбы;  – коэффициент фильтрации экрана дамбы;  – коэффициент фильтрации основания дамбы;  – коэффициент фильтрации тела дамбы; x – абсцисса депрессионной кривой, м; L– расстояние от оси ординат до сопряжения низового откоса с основанием, м;  – ордината депрессионной кривой в любой точке, м.; H₁ – напор, действующий на дамбу, м; H₂ – глубина воды в нижнем бьефе дамбы, м.; m₁ – коэффициент заложения верхового откоса дамбы (при m₁ ≥ 2 значение  ≈ 0,4); – коэффициент заложения низового откоса дамбы; dв и dн – ширина экрана по верху и по низу соответственно.

Положение депрессионной кривой в теле ограждающих дамб III очереди хвостохранилища, рассчитано с использованием описанной выше схемы, для уровней воды равных: 329 м (К1) и 329,5 м (К2).

Расчетные случаи при определении фильтрационного режима грунтового сооружения указаны в нормативном документе (СП 39.13330.2012)[6].

Полученные расчетом отметки уровня воды в расчетных сечениях дамбы III очереди хвостохранилища, соответствующие положениям депрессионной кривой К1 и К2 (показаны на сечениях в Графических приложениях к настоящей работе зеленым и голубым цветом соответственно, приведены в табл. 8 настоящей работы.

Также, в качестве критерия, указывающего на нормальное, безопасное состояние ограждающих дамб хвостохранилища, следует принять характер изменения уровня депрессионной кривой – отметки уровня воды в пьезометрах должны понижаться или (характер изменения положения депрессионной кривой, соответствующий критерию К1) оставаться стабильными с течением времени.

Повышение (с течением времени) уровня депрессионной кривой (критерий К2) в данном случае следует рассматривать как признак нарушения фильтрационной прочности сооружения (работоспособности противофильтрационного экрана), в результате которого возможна потеря устойчивости низового откоса дамбы.

---

1  2  3  4