Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Кольматаж элементов грунтовых плотин марганцевыми и железистыми соединениями 13
1.1. Оценка актуальности влияния хемогенного кольматажа на эксплуатационную надежность грунтовых плотин 14
1.1.1. Характеристика территорий, на которых потенциально возможен хемогенный кольматаж элементов гидротехнических сооружений 14
1.1.2. Примеры осложнений в работе гидротехнических сооружений в результате хемогенного кольматажа их элементов марганцем и железом... 16
1.2. Современное состояние изученности проблемы заиления элементов грунтовых плотин марганцевыми отложениями 21
1.2.1. Общие сведения об источниках поступления марганца в природные воды 21
1.2.2. Общие сведения о формировании железистых и марганцевых отложений 22
1.2.3. Морфология образования марганцевых отложений 24
1.3. Мероприятия по предотвращению и ликвидации последствий хемогенного заиления дренажей .' 28
1.3.1. Мероприятия по защите мелиоративных дренажных систем от заохривания 28
1.3.2. Методы восстановления эффективности вертикального дренажа 29
1.3.3. Методы обезжелезивания и деманганации в водоподготовке 30
Выводы по главе 1 33
Глава 2. Натурные исследования состояния грунтовых плотин Боткинской ГЭС, эксплуатируемых в условиях прогрессирующего заиления дренажей 35
2.1. Характеристика гидротехнических сооружений 35
2.1.1. Общие данные 35
2.1.2. Конструкция грунтовых плотин и их дренажное обустройство 36
2.2. Гидрохимические условия в районе размещения гидроузла 37
2.3. Результаты натурных наблюдений 42
2.3.1. Конструктивные причины заиления дренажей 42
2.3.2. Объемы заиления элементов дренажа 44
2.4. Систематизация факторов влияния конструкции дренажных систем на формирование марганцевых отложений и видов отложений по зонам локализации 46
2.5. Факторы, влияющие на интенсивность хемогенного кольматажа элементов грунтовых плотин 50
2.6. Методика проведения мониторинга дренажа, подверженного заилению... 54
Глава 3. Лабораторные исследования марганцевого кольматажа на фильтрационные свойства грунтов 64
3.1. Результаты определений физико-механических характеристик марганцевых отложений 64
3.1.1. Взвешенные отложения из дренажного коллектора плотины № 2 65
3.1.2. Отложения со дна подводящей дренажной трубы колодца СК-2 плотины №2 65
3.1.3. Отложения из устья временного водоотвода из СК-3 плотины № 2 68
3.1.4. Отложения из отстойника колодца СК-5 плотины № 2 68
3.1.5. Физико-механические характеристики марганцевых отложений, находящихся в различном агрегатном состоянии 68
3.2. Исследование свойств грунтов, закольматированных хемогенными соединениями марганца 70
3.2.1. Исследование свойств закольматированного 1-го слоя обратного фильтра 70
3.2.2. Исследование свойств закольматированного прослоя по контакту песков тела плотины и 1-го слоя обратного фильтра 74
3.2.3. Исследование свойств закольматированного 2-го слоя обратного фильтра 75
3.3. Моделирование условий возникновения и развития кольматажа грунтов марганцевыми отложениями 77
3.3.1. Наблюдение естественной деманганации воды при аэрации проб подземных вод воздухом 79
3.3.2. Исследование механической суффозии «марганцевой суспензии» в поры песчаного грунта тела плотины № 2 79
3.3.3. Исследование механической суффозии «марганцевой суспензии» в поры гравийного материала 1 слоя обратного фильтра 82
3.3.4. Исследование механической суффозии «марганцевой суспензии» в поры галечникового материала 2 слоя обратного фильтра в условиях переменного направления подачи воды 83
3.4. Результаты исследования влияния марганцевого кольматажа на фильтрационные свойства грунтов... 83
3.4.1. Исследование влияния марганцевого кольматажа на пески тела плотины и материалы обратного фильтра в вертикальном фильтрационном приборе 83
3.4.2. Исследование влияния марганцевого кольматажа галечникового грунта 2 слоя обратного фильтра в горизонтальном фильтрационном лотке 87
Глава 4. Прогноз эксплуатационного состояния грунтовых плотин в условиях потенциального марганцевого заиления 93
4.1. Методика прогнозной оценки состояния грунтовых плотин, элементы которых подвержены заилению 93
4.2. Пример прогнозной оценки состояния грунтовых плотин Боткинской ГЭС, работающих в условиях заиления 97
4.2.1. Контролируемые показатели и технические средства контроля 97
4.2.2. Анализ динамики контролируемых показателей по данным визуальных и натурных наблюдений 98
4.2.3. Прогноз эксплуатационного состояния грунтовых плотин 104
Выводы по главе 4 106
Глава 5. Разработка конструкций элементов грунтовых плотин, обеспечивающих надежную работу (ТС в условиях потенциального заиления 108
5.1. Основные принципы конструирования элементов грунтовых плотин, работающих в условиях потенциального кольматажа 108
5.2. Разработка и классификация дренажных конструкций, эффективных в условиях заиления 110
Выводы по главе 5 117
Заключение 119
Список литературы 121
В Приложении
- Современное состояние изученности проблемы заиления элементов грунтовых плотин марганцевыми отложениями
- Гидрохимические условия в районе размещения гидроузла
- Исследование свойств грунтов, закольматированных хемогенными соединениями марганца
- Пример прогнозной оценки состояния грунтовых плотин Боткинской ГЭС, работающих в условиях заиления
Введение к работе
Актуальность работы. Заиление дренажа объектов промышлен-но-гражданского строительства (механическое, биологическое и химическое, а также возможные их сочетания) приводят к ряду негативных последствий: повышению уровней грунтовых вод и подтоплению оснований сооружений и прилегающих к ним территорий. Особую опасность представляет собой заиление и кольматаж придренной зоны и дренажной инфраструктуры напорных грунтовых гидротехнических сооружений, последствия аварий на которых могут носить катастрофический характер.
Вопросами генезиса железо-марганцевых отложений, развития процессов заиления элементов дренажа и разработкой методов борьбы с заилением занимались такие ученые как Алексеев B.C., Гинц А.В., Голь-дина Т.М., Гордиенко С.Г., Гусакова И.Н., Даишев Ш.Т., Добрецов В.Б., Жиленков В.Н., Зайдельман Ф.Р., МасловБ.С, Морозов Э.А., Мурашко А.И., Коммунар Г.М., Плотников Н.А., Самофалов Д.П., Сольский СВ., Сотников В.И., Терский В.П., Фисенко В.Ф., Штыков В.И., Эггельсманн Р., Халлберг Р., Мартинелл Р. и др.
Несмотря на значительный объем проведенных ранее исследований на сегодняшний день проблема защиты дренажа от заиления является недостаточно изученной, поэтому разработка подходов к повышению эксплуатационной надежности грунтовых плотин в условиях потенциального заиления дренажа является актуальной.
Цель диссертации заключается в разработке решений, обеспечивающих повышение эксплуатационной надежности грунтовых плотин в условиях потенциального заиления их элементов, включая рекомендации по ведению соответствующего эксплуатационного мониторинга.
Основные задачи исследования:
оценка влияния на работу грунтовых плотин прогрессирующего марганцевого заиления, проведение натурных исследований по уточнению характера и динамики марганцевого кольматажа в различных элементах грунтовых плотин;
разработка основных принципов конструирования элементов грунтовых плотин и на их основе конструкций, эффективных в условиях потенциального заиления;
исследование в лабораторных условиях фильтрационных свойств грунтов тела и обратного фильтра плотин, подвергнувшихся кольматажу, а также физико-механических свойств кольматанта (марганцевых отложений), исследование на физических моделях условий формирования марганцевых отложений;
разработка Методики эксплуатационного мониторинга дренажа и Методики прогнозной оценки состояния грунтовых плотин, элементы которых подвержены заилению.
Научная новизна:
1. Разработаны принципы конструирования дренажей грунтовых плотин, работающих в условиях потенциального заиления, на их основе предложено около 20 эффективных конструкций (в т.ч. защищенных приоритетами и патентом) и разработана их классификация.
2.Разработана Методика эксплуатационного мониторинга дренажных систем, подверженных заилению.
3.Разработана Методика прогнозной оценки влияния процесса заиления на эксплуатационную надежность грунтовых плотин.
4.Разработана систематизация факторов влияния конструкции дренажных систем на формирование марганцевых отложений и видов отложений по зонам их локализации.
5.Определено влияние хемогенного марганцевого кольматажа на водопроницаемость грунтов тела плотины и обратного фильтра дренажа, также получены физико-механические характеристики кольматирующих отложений.
Практическая ценность и реализация работы
на две конструкции дренажей, эффективных в условиях потенциального заиления, поданы заявки на изобретение «Система кислородной завесы для защиты дренажа» № 2009131796 с приоритетом от 21.08.2009 г. и на полезную модель «Самопромывной дренаж периодического действия» № 2009137439 с приоритетом от 09.10.2009 г. с решением о выдаче патента от 26.10.2009 г.;
предложенные технические решения позволяют повысить эксплуатационную надежность грунтовых плотин, работающих в условиях потенциального заиления их дренажных элементов;
результаты работы внедрены на «Боткинской ГЭС», в ГУЛ «Лен-водхоз» (г. Санкт-Петербург), в ООО «НПК Проектводстрой» (г. Санкт-Петербург), используются в учебном процессе при чтении курса лекций по дисциплинам «Инженерная мелиорация» и «Эксплуатация и безопасное обслуживание гидротехнических сооружений объектов промышленности и энергетики».
Методы исследований
При решении поставленных задач использовались экспериментальные методы - гидрометрические, гидрохимические; методы физического и численного моделирования; стандартные методы определения физико-механических характеристик; методы математической статистики.
Достоверность результатов подтверждается использованием экспериментального и лабораторного оборудования, имеющего метрологическое обеспечение, выполнением численного моделирования фильтрационных процессов и устойчивости грунтовых плотин на сертифицированных специализированных программных комплексах PLAX FLOW и PLAXIS, соответствием данных натурных наблюдений и расчетов.
Личный вклад автора состоит в обобщении материалов исследований по кольматажу дренажей в отечественной и мировой практике, участии в постановке задачи, разработке методики и программ натурных и лабораторных исследований и экспериментов, численном моделировании фильтрационных процессов на программном комплексе PLAX FLOW, непосредственном участии в проведении и обработке результатов натурных и лабораторных исследований и экспериментов, обосновании основных принципов проектирования дренажных элементов грунтовых плотин, работающих в условиях потенциального заиления, разработке на их основе эффективных конструкций и их классификации.
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» и ОАО «Боткинская ГЭС», принимавшим участие в проведении натурных и экспериментальных исследований.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались на 7-ой Международной выставке и конференции «AQUATERRA» г. Санкт-Петербург (2004 г.); научно-технической конференции РАО «ЕЭС России» г. Санкт-Петербург (2005 г.); на научно-технической конференции «Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии» г. Санкт-Петербург (2008 г.); XVI научно-практической конференция изыскателей Гидропроекта «Оптимизация управления качеством изысканий в условиях расширяющейся международной интеграции» г. Звенигород (2009 г.); Международной научно-практической конференции «Роль мелиорации в обеспечении продовольственной и экологической безопасности России» Московский государственный университет природообустройства (2009 г.); результаты работы неоднократно докладывались на секциях Ученого совета ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева»; Технических советах «Боткинской ГЭС», ГУЛ «Ленводхоз», ООО «НПК Проектводстрой».
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
Классификация конструкций дренажей грунтовых плотин, разработанных в соответствии с предложенными принципами проектирования сооружений, работающих в условиях потенциального заиления.
Методика эксплуатационного мониторинга дренажных систем, подверженных заилению.
Методика прогнозной оценки состояния грунтовых плотин, дренажные элементы которых подвержены заилению.
Выявление и систематизация факторов влияния конструкции дренажных систем на формирование марганцевых отложений и видов отложений по зонам их локализации.
Результаты лабораторных исследований влияния хемогенного марганцевого кольматажа на водопроницаемость грунтов тела плотины и обратного фильтра дренажа, физико-механических свойств марганцевых отложений.
Публикации. По теме диссертационной работы автором опубликовано 6 печатных работ, из них 1 в сборнике, рекомендуемом ВАК, получен приоритет на изобретение и приоритет с решением о выдаче патента на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (204 наименования); содержит 136 страниц основного текста, в том числе 43 рисунка и 18 таблиц.
Современное состояние изученности проблемы заиления элементов грунтовых плотин марганцевыми отложениями
Заиление элементов грунтовых плотин соединениями марганца, прежде всего, ставит вопрос об источнике привнесения в воду этого элемента, концентрации которого в воде в отдельных случаях могут быть весьма высоки.
В природе марганец, также как и железо, существует в различных стадиях окисления: Мп2+, Мп3+, Мп4+, Мп6+, Мп7+, переходящих друг в друга под влиянием изменения внешних условий. Кроме того, марганец, подобно железу, наряду с существованием в ионных формах различной степени окисления может входить в состав различных соединений: оксидов, гидроксидов, карбонатов, минеральных и органических комплексов и других форм. Растворимость различных соединений марганца в большой степени зависит от степени окисления входящего в них марганца. Наиболее важным условием подводной аккумуляции Fe-Mn-оксидов в виде конкреций является высокая степень окисления рудо-образующей среды (до уровня, когда происходит окисление Мп до Мп и формирование Мп02). [1, 3, 10, 13, 14, 23, 24, 33, 52, 60, 65, 84, 88, 115, 120, 138, 144-146, 156, 158, 180,184,186].
Особенности состава подземных вод объясняются условиями их формирования. При контакте подземных вод с окружающими их горными породами, в воду поступают химические элементы, входящие в состав этих пород. Железо и марганец растворяются подземными водами в местах, куда не проникает кислород, например под плотными водонепроницаемыми породами, куда не проникают дождевые и талые воды.
В местах, куда с дождевыми или другими водами поступает кислород, железо и марганец переходят в окисленное состояние и входят в состав практически нерастворимых соединений, вследствие чего, их содержание в подземных водах чрезвычайно низко.
Прямой зависимости между содержанием марганца и железа в породах и в подземных водах нет. Влияние литолого-геохимических особенностей пород на распространение марганца и железа в подземных водах в большей степени связано не с его концентрациями в породах, а с геохимическими состояниями данных элементов в них, различающимися по своей доступности для подземных вод. Максимальными возможностями для накопления марганца отличаются подземные воды с высокими концентрациями органических веществ гумусового ряда.
Биохимические реакции, связанные с бактериями, имеют огромное значение в геохимической истории марганца (так же как и железа). Они превращают закисные соединения марганца в окиси и двуокиси. Такое же глубокое окисление марганца совершается и другим путем - при воздействии озона и перекиси водорода, т.е. веществами, связанными со свободным кислородом. Таким образом, биохимические процессы также регулируют концентрации марганца в природных водах. [25, 63, 65, 87, 89, 115, 169, 179 и др.]
В загрязненных подземных водах геохимическую значимость имеют следующие миграционные формы марганца: Мп2+, МпБОД МпОН+", МпС1+, МпСОз0 и комплексы с органическими лигандами. Техногенные осадки обычно представлены MnOi, пиролюзитом и манганитом (Мп203) [29, 50, 88, 107, 120, 132, 138, 157 и др.].
Повышенное содержание ионов марганца и железа может быть как в грунтовых водах, сформировавших свой состав далеко за пределами площадки размещения гидротехнического сооружения, так и в почвах этой площадки или грунтовом материале гидротехнического сооружения (например, тело плотины, золошлаковые отложения), в свою очередь взаимодействующих с подземными водами и формирующими их состав.
Вопросы формирования железо-марганцевых отложений в природе широко изучались в геологии [14, 23, 24, 33, 60, 65, 144, 156, 158, 186 и др.]. Формирование хемогенных железистых отложений в дренажных системах и трубопроводах исследовалось в мелио рации и водоснабжении [4-9, 66, 78, 79, 86, 99, 105, 106, 111, 112, 118, 127, 129, 130, 149, 150, 173, 174, 185, и др.].
Заиление дренажа отложениями железистых соединений называется заохриванием. Заохривание дренажа значительно снижает его эффективность. Процесс обусловлен переходом водорастворимых форм соединений двухвалентного железа в практически нерастворимые бурые соединения трехвалентного железа (гидроксида железа [Те(ОН)з]) при определенном окислительно-восстановительном состоянии и кислотности среды. При наличии свободного кислорода и благоприятных окислительных условий происходит химическое окисление, которое значительно ускоряется при участии железобактерий. Образовывающаяся охра может осаждаться в дренах, на стенках траншей и каналов, в местах выхода на поверхность источников.і - уклон дренажных линий; DBH — диаметр дренажных труб; q - расход дренажного стока. Степень воздействия перечисленных факторов может значительно варьироваться в зависимости от химического состава дренажных вод, условий взаимодействия железистых и кислородсодержащих вод, особенностей конструкции дренажных устройств, их гидравлических характеристик и др.
Помимо концентрации железа в грунтовой воде и физико-химических констант среды на интенсивность заохривания оказывают влияние и ряд факторов физической природы. Отложение (прилипание) охры на стенках дрен зависит от напряжения граничныхплоскостей. Если сила сцепления выпадающей охры со стенками дренажных труб больше транспортирующей силы потока, происходит отложение охры. Кроме того, выпадение охры зависит от параметров водоприемных отверстий и материала дренажных труб.
Ввиду малой изученности кольматажа дренажей напорных гидротехнических сооружений хемогенными отложениями марганца, при разработке рекомендаций по дренажному обустройству гидротехнических сооружений должны учитываться имеющиеся сведения о формировании железистых отложений в дренажах и трубопроводах. Можно предположить, что интенсивность отложения марганцевых соединений Амп в элементах дренажных систем в целом зависит от тех же факторов, что и интенсивность отложения железистых соединений Afe, описываемая выражением (1.1).
При подъеме подземных вод на поверхность и контакте их с воздухом, нарушаются равновесные состояния растворенных веществ. Из воды выделяется газообразная двуокись углерода ЄОг, что повышает щелочность воды, и поглощается кислород воздуха. Повышение рН за счет данной реакции приводит к образованию нерастворимого вводе белого гидрата закиси марганца Мп(ОН)г. При обогащении подземной воды кислородом, гидрозакись марганца, постепенно окисляясь, превращается,в гидроокись четырехвалентного марганца Мп(ОН)4, образующего бурые или черные землистые отложения. Суммарно, реакции образования гидроокиси марганца могут быть записаны в следующем виде:
В опубликованных результатах исследований даются неоднозначные оценки влияния природных и техногенных факторов, входящих в выражение (1.1), на заиление дренажа соединениями железа [25, 26, 66, 73, 77, 86, 89, 99, 100, 106, 113, 127, 131, 142, 149, 150, 151, 157, 182, 185, 183, 191 и др.]. Литературные данные о влиянии различных факторов на интенсивность формирования марганцевых и железистых соединений обобщены автором в таблице 1.1. Эти данные учитывались при исследовании состояния грунтовых сооружений гидроузла Боткинской ГЭС и разработке конструкций плотин, устойчивых к условиям хемогенного марганцевого кольматажа. В главе 2 приведены полученные в ходе исследований данные о влиянии ряда факторов, приведенных в выражении (1.1), на интенсивность хемогенного марганцевого кольматажа грунтовых плотин.
Гидрохимические условия в районе размещения гидроузла
Наличие марганецсодержащих вод достаточно характерно для пойменных террас р. Кама выше и ниже Боткинского гидроузла. Зоны их распространения носят локальный характер. Одно из мест локализации отмечается в районе размещения Боткинской ГЭС.
Гидрохимическое опробование с целью определения концентрации ионов марганца в фильтрационных, подземных и поверхностных водах в районе расположения гидроузла Боткинской ГЭС ведется с 2004 г. Отбор проб выполняется 3 раза в год (весна, лето, осень) в узловых точках дренажно-коллекторной сети (смотровые колодцы, водоприемные отверстия закрытого дренажа, водовыпуски), разгрузочных скважинах, пьезометрах, установленных в теле и основании плотины, поверхностных источниках, расположенных в нижнем бьефе грунтовых плотин, в верхнем и нижнем бьефах гидроузла. За период 2004 - 2009 г.г. исследовано около 700 проб.
Содержание марганца в подземных напорных водах исследовалось по разгрузочным скважинам и глубинным пьезометрам, в дренажных водах определялись в смотровых дренажных колодцах, на водовыиусках и водоприемных отверстиях (исследовались дренажные отверстия со стороны плотины, поймы, верха и дна коллектора).
Пример составления карты геохимического опробования с выделением зон равных концентраций ионов марганца для плотины № 3 приведен на рисунке 2.5. Распределение концентраций ионов марганца в подземных и фильтрационных водах на грунтовых плотинах Боткинской ГЭС (за период 2004 — 2009 г.г.) показано на рисунке 2.6.
В водах р. Камы в верхнем бьефе Боткинской ГЭС содержание ионов марганца находится в пределах 0,03 — 0,33 мг/л. Концентрации марганца в р. Кама в нижнем бьефе гидроузла вне зоны влияния водовыпусков дренажной системы: 0,04 - 0,18 мг/л.
Повышенные концентрации марганца в поверхностных водных объектах, расположенных в нижнем бьефе гидроузла, обусловлены разгрузкой в них подземных марганец-содержащих или дренажных вод. Так повышенные концентрации марганца отмечены в карьерах (2 - 3,45 мг/л) и пруду (5 мг/л), расположенных в пойме плотины № 2; в строительном котловане колодца отводного коллектора плотины №2 в створе ПК 41+00 (17,43 мг/л); в канавах и лотках, дренирующих пойменные территории плотин № 2 — 4 (1 — 14 мг/л).
Результаты гидрохимических исследований показали: - на территории Боткинской ГЭС подземные воды с повышенным содержанием растворенного марганца не имеют единого источника формирования, что исключает возможность его локализации инженерными методами; - сезонные изменения концентраций Мп в фильтрационных, дренажных и подземных водах отсугствуют; - при значительной разнице концентраций в разгрузочных скважинах диапазон температур изливающейся из них воды свидетельствует о том, что все скважины дренируют один напорный горизонт; - максимальные концентрации Мп зафиксированы на грунтовой плотине № 2: в подземных водах - 18,3 мг/л, в дренажных - 6,2 мг/л. Интенсивный кольматаж дренажей грунтовых плотин Воткинской ГЭС обусловлен конструктивными особенностями дренажного обустройства плотин и гидрохимическими условиями в районе расположения гидроузла [35-38, 96, 174]. Принципиальная схема дренажа грунтовых плотин Воткинской ГЭС с направлениями разгрузки марганец- и кислородсодержащих фильтрационных потоков приведена на рис. 2.7.
Исследование свойств грунтов, закольматированных хемогенными соединениями марганца
В лаборатории фильтрационных исследований ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» с участием автора проводились исследования материалов обратного фильтра и придрен-ной зоны плотины, имеющих разную степень кольматажа марганцевыми соединениями.3.2.1. Исследование свойств закольматированного 1-го слоя обратного фильтра
Материал 1 слоя обратного фильтра по ГОСТ 25100-95 [42] определен как гравий неоднородный, средневодонасыщенный. Водопроницаемость определялась в вертикальном фильтрационном приборе Дарси согласно «Рекомендациям ...» [129]. Исследуемые образцы в приборе Дарси уплотнялись послойным трамбованием. Осредненные основные характеристики образцов приведены в таблице 3.5.
На фото 3.4 показан 1-й слой обратного фильтра закрытого дренажа грунтовой плотины № 2, подвергнувшийся марганцевому кольматажу. Проба была отобрана из ковша экскаватора при строительстве колодца СК-За (2005 г.). Вероятно, что при отборе проб часть марганцевых отложений, сформировавшихся в материале 1-го слоя фильтра была потеряна.
Материал 1 слоя фильтра, закольматированный марганцевыми отложениями, характеризуется густо-черным цветом с незначительным бурым оттенком, наблюдаемым в высушенных образцах фракционированного материала. Материал представляет собой гравий (окатанный) и дресву (неокатанные грани) с песчаным заполнителем в количестве 48%. Грансостав материала 1 слоя фильтра (проба № 5) по результатам рассева приведен в таблице 3.5 и на графике на рис. 3.2. Для установления вида песка заполнителя был определен его гранулометрический состав в закольматированном и очищенном состоянии: соответственно, проба № 6 и № 7 (табл. 3.5, рис. 3.2). Фракция 0,1 мм не исследовалась.
Песчаная составляющая в естественном и фракционированном состоянии были переданы в химическую лабораторию ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» для определения количественного содержания марганца. Проанализированный грунтовый материал представлен на фото 3.5.
Задачей исследований являлось количественное определение марганцевых соединений в образцах отложений. Принимая во внимание ранее установленный, факт, что в кислотную вытяжку из грунтового материала переходят только соединения марганца, определение проводилось следующим образом.
Навески воздушно-сухого грунта обрабатывались разбавленной (1:3) соляной кислотой при нагревании. Далее растворенная часть отфильтровывалась и отбрасывалась, осадок многократно промывался дистиллированной водой, высушивался при t = 105С и взвешивался. Потеря в весе образца при обработке кислотой, выраженная в процентной форме, относилась к соединениям марганца. Результаты представлены в табл. 3.6.
Дополнительно были проведены исследования изменения диаметра частиц фракционированного материала после отмывки от марганцевых отложений путем рассева на соответствующих ситах. Фракция грунта взвешивалась до и после рассева и определялась потеря в весе в процентной форме. В среднем первоначальный вес каждой фракции уменьшился всего на 2,5%.
Полученные данные свидетельствуют о том, что содержание марганцевых соединений наиболее велико в самом мелкодисперсном материале. Это вполне соответствует природе гелеобразных отложений марганцевых соединений, обволакивающих поверхности грунтовых частиц. Естественно, чем более тонкодисперсный материал, тем выше его удельная поверхность, а, соответственно, и количество сорбированных соединений марганца. Некоторое повышение содержания соединений марганца во фракции более 0,5 мм может быть объяснено явно выраженной обломочной и кавернозной природой частиц этой фракции, хорошо видимой при незначительном увеличении с помощью лупы. Такой материал имеет более высокую удельную поверхность, чем материал более мелкой фракции, представлены визуально более окатанными частицами. Материал не фракционированной пробы № 5, в целом, преимущественно представлен несопоставимо более крупными частицами, что и определяет его низкую удельную поверхность и сорбционный потенциал.
На фото 3.6 показан образец грунта ненарушенной структуры, отобранный на границе тела плотины № 2 и дренажной призмы. Положение образца в натурных условиях дано на рисунке 3.3. Этот образец представлял особый интерес в связи с тем, что в этой зоне ранее не вскрывался так ярко выраженный прослой марганцевых отложений.
Как показали натурные исследования коэффициент фильтрации песков тела плотины № 2 в среднем к = 14 м/сут, материала 1 -го слоя обратного фильтра около к = 20 м/сут.
Коэффициент фильтрации «трехслойного» образца определялся в трубке Каменского, оборудованной пробоотборным кольцом с режущей кромкой для вырезания пробы ненарушенной структуры. Плотность грунта равнялась 1,78 г/см , влажность — 15,9 %, пористость — 42 %. Результаты ситового и ареометрического определения гранулометрического состава приводятся в таблице 3.7 и на рисунке 3.4. По гранулометрическому составу образец представляет собой неоднородный песок, включающий 14,3 % гальки и гравия. Коэффициент фильтрации образца равен 0,00845 см/с (7,34 м/сут).
Толщина прослоя закольматированного грунта составляла в среднем 1,12 см, плот-ность - 1,93 г/см , пористость — 38 % , влажность — 16,8 %. Коэффициент фильтрации прослоя ниже, чем коэффициент фильтрации образца в целом, и равен 0,00125 см/с (1,08 м/сут). Снижение водопроницаемости, вероятно, может объясняться меньшей пористостью прослоя, обусловленной более высокой плотностыо сложения. По грансоставу прослой представляет собой мелкий однородный песок, близкий к песку из тела плотины.
Как показали лабораторные исследования влияния марганцевого кольматажа на фильтрационные свойства грунтов (см. раздел 3.3.2 и 3.3.3), механическая суффозия частиц марганцевых отложений в поры песчаного грунта и гравийного материала 1 слоя фильтра при действующих на сооружении градиентах напора не происходит. Поэтому прослой закольматированного грунта с коэффициентом фильтрации к = 1,08 м/сут на контакте «тело плотины - 1-й слой обратного фильтра» будет устойчиво сохранятся.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что закольматированный прослой может более чем на порядок снизить водопроницаемость контакта «тело плотины - 1-й слой обратного фильтра», затрудняя поступление воды в дренаж.3.2.3. Исследование свойств закольматированного 2-го слоя обратного фильтра
Материал 2 слоя обратного фильтра по ГОСТ 25100-95 [42] определен как галечник. Материал пробы № 8 был покрыт черным марганцевым наилком. Проба № 8 отобрана из ковша экскаватора при строительстве колодца СК-За на плотине № 2 (2005 г.). Вероятно, что при отборе проб часть марганцевых отложений, сформировавшихся в порах 2-го слоя фильтра, была потеряна.
Водопроницаемость образцов 2-го слоя фильтра определялась в вертикальном фильтрационном приборе Дарси согласно «Рекомендациям ...» [129]. Исследуемые образцы в приборе Дарси уплотнялись послойным трамбованием. При проведении опыта сформировался турбулентный режим фильтрации.
Пример прогнозной оценки состояния грунтовых плотин Боткинской ГЭС, работающих в условиях заиления
Натурные визуальные и инструментальные наблюдения с целью контроля влияния заиления на эксплуатационную надежность сооружения и факторов, определяющих интенсивность заиления, проводятся за показателями, перечисленными в таблице 4.1.
Уровни воды в пьезометрахРаботоспособность пьезометров грунтовых плотин перед проведением исследований проверялась методами математической статистики и методом наливов.
Анализ динамики положения депрессионной поверхности в теле грунтовых плотин осложнен из-за отсутствия пьезометрических скважин в придренной зоне. Ближайшие пьезометры расположены на берме низового откоса (отм. 80,0). В настоящее время пьезометрическая сеть грунтовых плотин оснащается дополнительными пьезометрами в зоне дренажа.
Анализ динамики положения депрессионной поверхности в теле грунтовых плотин (1964 - 2009 г.г.) показал, что в течение рассматриваемого периода отмечаются три характерных этапа:1. От наполнения до НПУ (1964 г.) до начала 90-х годов: снижение уровней в пьезометрах с последующей относительной стабилизацией до 1995 г.; в этот период происходила стабилизация фильтрационного режима плотины и снижение водопроницаемости верхового откоса грунтовых плотин, если и имело место влияние заиления дренажа на фильтрационный режим плотины, то оно явно было меньше общих тенденций снижения положения поверхности депрессии.2. С 1995 г. до очистки коллекторов грунтовых плотин (2006 - 2008 г.г.): подъемуровней в теле и основании плотины, особенно в низовом клине, обусловленный заилением дренажа; для этого этапа по статистическим регрессионным моделям был выполнен прогноз положения депрессионной поверхности в расчетных створах (рис. 4.2).3. Очистка коллектора от отложении (2006 - 2008 г.г.) до 2009 г.: резкое падениеуровней в пьезометрах, особенно ближайших к дренажу (от 0,5 до 0,8 м (см. рис. 4.3)); анализ динамики уровней в пьезометрах после очистки коллектора после получения репрезентативного ряда данных позволит определить влияние заиления на положение поверхности депрессии и прогнозировать развитие этого процесса.
Уровни воды в дренажной системе контролируются по смотровым колодцам. В качестве примера приводятся результаты наблюдений по СК-3 плотины № 2. Динамика уровней воды в колодце СК-3 показана на рисунке 4.4. Тенденции повышения уровня в дренаже плотины № 2 прослеживались с 1996 г. В период 1996 - 2002 г.г. замер уровней проводился 1 раз в 2 года, рост уровня в среднем составлял 0,1 м/год, причем уже в 2000 г. вода в коллекторе поднялась до верхней шелыги. В 2002 г. уровень повысился за три месяца на 1 м, поскольку оставшаяся не перекрытой отложениями часть живого сечения трубы перестала справляться с пропуском транзитного потока. Полное перекрытие полости коллектора хемогенными отложениями, сопровождавшееся резким подъемом уровней воды в смотровых колодцах и выходом грунтовых вод на поверхность произошло в 2003 г. Некоторое снижение уровня в 2004 и 2005 г.г. было вызвано сезонным снижением дренажных расходов (а в 2004 г., кроме того и механическим воздействием - забивка шпунтовой стенки при строительстве дублирующей нитки дренажа). После очистки кол лектора от отложений уровни воды в дренажной системе значительно снизились. В настоящее время замер уровней воды в дренажных колодцах выполняется 1 раз в месяц.
Дренажные расходыВ общем случае по величине дренажного расхода можно контролировать динамику водоприемной и водопропускной способности коллектора. Фактические дренажные расходы грунтовых плотин Боткинской ГЭС значительно ниже проектных, таким образом, на сооружении образовался запас по габариту приема и транзита дренажного стока, что обеспечило работу коллектора в условиях интенсивного хемогенного заиления в течении нескольких десятков лет.
Снижение дренажных расходов в период 1974 - 1991 г.г. было вызвано уменьшением водопроницаемости верхового откоса, поэтому оценить влияние заиления на работу коллектора на этом этапе сложно. После очистки от отложений дренажа и отводящего коллектора плотины № 2 (декабрь 2006 г.) наблюдается увеличение дренажных расходов до величин, характерных для второй половины 80-х годов, вызванное улучшением режима стока из дренажа плотины (рис. 4.5). Дальнейшие наблюдения позволят уточнить степень влияния прогрессирующего заиления на режим стока грунтовых плотин.
В соответствии с проектом КИА водовыпуски дренажной системы грунтовых плотин были оборудованы мерными водосливами. С 2004 г. и по настоящее время выполняется оснащение дренажей путевыми мерными водосливами, для оценки изменений транспортирующей и водоприемной способности отдельных участков. Расходы разгрузочных скважин
Для всех пойменных плотин характерно снижение расходов дренажных скважин. Переход значений средних расходов ниже среднемноголетних величин произошел в конце восьмидесятых — начале девяностых годов.После реконструкции разгрузочных скважин (промывка, установка новых взамен вышедших из строя), например, на плотине № 4 среднемесячные расходы значительно превысили среднемноголетние показатели.
На плотине № 3 до 1987 г. среднегодовые расходы были стабильно выше среднемноголетних, но начиная с 2000 г. они уже не превышают среднемноголетних значений (см. рис. 4.6). После реконструкции 2006 г. расходы разгрузочных скважин возросли практически до среднемноголетних значений, но к 2009 г. снова снизились до параметров 2004 г. Объяснить снижение расходов разгрузочных скважин можно увеличением притока в очищенный горизонтальный дренаж (окончание очистки - начало июня 2007 г.) и снижением пьезометрических уровней в основании плотин. Хотя не исключено влияние кольматажа фильтров вертикальных скважин хемогенными отложениями (при промывке ряда скважин водой выносились частички марганцевых отложений, придававшие промывным водам черный цвет).
Гидрохимические условия По результатам геохимических опробований сделаны следующие основные выводы: у і - Концентрация Мп по дренажным водовыпускам всех плотин достаточно выдержанна (Д и 1,5 мг I л ),отсутствуют сезонные изменения. - Стабильные величины концентраций марганца в дренажных водах по трассе коллектора могут обуславливаться как стабильностью состава подземных вод, так и невозможностью большей степени деманганации в сложившихся в зоне дренажа окислительно-восстановительных условиях. - Максимальные концентрации Мп2+ зафиксированы на грунтовой плотине № 2: в подземных водах - 18,3 мг/л, в дренажных - 6,2 мг/л. - Некоторое снижение концентраций Мп2+ в воде разгрузочных скважин после очистки дренажа может обуславливаться снижением пьезометрических напоров в основании. Необходим более длительный ряд наблюдений для уточнения динамики гидрохимических условий после удаления отложений из полости коллектора.
