Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса мониторинга безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий 12
1.1. Деструктивные процессы и деформации при эксплуатации гидротехнических сооружений 12
1.2. Нагрузки и воздействия, вызывающие деформации грунтовых дамб 23
1.3. Методы контроля состояния грунтовых дамб 35
1.4. Выводы, цель и задачи исследования 44
2. Разработка системы мониторинга безопасности грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий 48
2.1. Анализ видов накопителей и конструкций грунтовых дамб 48
2.2. Моделирование системы мониторинга безопасности грунтовых дамб 59
2.2.1. Структуризация системы мониторинга безопасности 59
2.2.2. Методика определения элементов системы мониторинга безопасности 62
2.2.3. Обоснование элементов системы мониторинга 71
Выводы по главе 2 80
3. Обоснование критериев мониторинга напряженно деформированного состояния грунтовых дамб 82
3.1. Алгоритм оценки напряжено-деформированного состояния грунтовых дамб 82
3.2. Анализ характера нагрузок и воздействий, определяющих устойчивость грунтовых дамб 87
3.3. Исследование влияния нагрузок и воздействий на устойчивость грунтовых дамб 91
3.3.1. Изучение изменчивости физико-механических свойств грунтов
3.3.2. Анализ геометрических параметров дамб 96
3.3.3. Диагностирование воздействия гидростатического давления 99
2.3.2. Оценка значимости нагрузок и воздействий на устойчивость грунтовой дамбы 101
Выводы по главе 3 103
4. Обоснование методики маркшейдерского мониторинга грунтовых дамб 105
4.1. Контроль смещений дамбы 105
4.2. Контроль высотных отметок
4.2.1. Проверка высотных отметок гребня дамбы 117
4.2.2. Проверка «нуля» водомерной рейки и устьев пьезометров
4.3. Контроль геометрических параметров 130
4.4. Методика маркшейдерского мониторинга для обеспечения безопасности грунтовых дамб 133
Выводы по главе 4 136
Заключение 140
Список использованных источников
- Нагрузки и воздействия, вызывающие деформации грунтовых дамб
- Структуризация системы мониторинга безопасности
- Исследование влияния нагрузок и воздействий на устойчивость грунтовых дамб
- Проверка «нуля» водомерной рейки и устьев пьезометров
Введение к работе
Актуальность работы
Гидротехнические сооружения (ГТС) накопителей жидких отходов являются объектами, непосредственно обеспечивающими технологический процесс большинства горнопромышленных предприятий. На территории Кузбасса эксплуатируют около 170 комплексов накопителей жидких отходов, более половины из них потенциально опасны и в соответствии с требованиями Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений» №117-ФЗ подлежат декларированию безопасности.
По данным мировой статистики, самое большое число аварий ГТС связано с разрушением грунтовых дамб. В большинстве случаев отсутствие эффективной системы наблюдений за сооружениями не позволяет своевременно фиксировать деструктивные процессы, вследствие чего происходят деформации сооружений, вызывающие нарушение технологического режима работы предприятия, а также возникновение гидродинамических аварий, приводящих к чрезвычайным ситуациям от локального до федерального характера.
Разработанные и реализованные в настоящее время в практике горнопромышленных предприятий методы мониторинга безопасности ГТС, включающие визуальные и инструментальные наблюдения с использованием контрольно-измерительной аппаратуры, в целом позволяют контролировать состояние грунтовых дамб, свойства слагающих их грунтов, интенсивность протекающих в теле и основании сооружений фильтрационных и деформационных процессов. Вместе с тем, отсутствуют четко установленные взаимосвязи между конструктивными особенностями грунтовых сооружений, подверженных воздействию на них нагрузок природного и техногенного характера, и объектами мониторинга, количественными и качественными критериями безопасности этих сооружений, видами и методами натурных наблюдений, а также требования к их точности.
Комплекс инструментальных наблюдений, включающий маркшейдерский контроль положения контрольно-измерительной аппаратуры, уровня заполнения накопителя, высотных отметок гребня, осадок и горизонтальных смещений дамб, фильтрационного режима и порового давления в их теле и основании, обеспечивается геодезическими методами определения местоположения в пространстве конструктивных элементов грунтовой дамбы либо установленной на этом сооружении контрольно-измерительной аппаратуры. При этом отсутствие научно обоснованных требований к допустимым погрешностям маркшейдерского мониторинга ГТС зачастую приводит как к завышенной точности наблюдений и, следовательно, значительным материальным затратам, так и использованию инструментов, точность которых не позволяет обнаруживать деформации на ранней стадии, когда их предупреждение можно обеспечивать незначительными затратами. В этой связи необходимы исследования по обоснованию требований к точности определения пространственно-временного местоположения конкретных элементов (объектов мониторинга) грунтовых дамб и установленной на них контрольно-измерительной аппаратуры.
Основные нерешенные задачи в части обеспечения безопасности грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий связаны с анализом риска гидродинамических аварий, моделированием системы мониторинга безопасности, дифференцированием объектов мониторинга и их контролируемых показателей, оптимизацией требований к критериям мониторинга напряженно-деформированного состояния, а также увязкой конструктивных параметров грунтовых дамб, нагрузок и воздействий на них с составом и точностью маркшейдерских методов контроля.
Вышеизложенное предопределяет актуальность обоснования критериев мониторинга напряженно-деформированного состояния и создания системы маркшейдерского мониторинга, адекватной конструктивным особенностям грунтовых дамб, находящихся под влиянием нагрузок и воздействий природного и техногенного характера, прогноза их устойчивости для обеспечения безопасной эксплуатации гидротехнических сооружений.
Объект исследований - грунтовые дамбы накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий.
Предмет исследований - маркшейдерский мониторинг напряженно-деформированного состояния грунтовых дамб.
Основная идея работы заключается в установлении точности маркшейдерских наблюдений на грунтовых дамбах по отклонению коэффициента запаса устойчивости от нормативного значения.
Цель работы - обоснование точности маркшейдерского мониторинга грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий, сочетающего надежность с рациональными затратами и обеспечивающего безопасность их эксплуатации.
Исследования выполнялись в рамках реализации Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений» (№ 117 - ФЗ от 21.07.1997) совместно с Новационной фирмой «КУЗБАСС-НИИОГР», являющейся аналитическим центром по мониторингу безопасности ГТС предприятий угольной промышленности России. Ежегодно с участием диссертанта составляются аналитические отчеты о состоянии и уровне риска аварий на гидротехнических сооружениях Кузбасса и других регионов страны с целью выработки рекомендаций для Ростехнадзора по обеспечению их безопасной эксплуатации.
Основные задачи исследований:
разработка принципов построения системы мониторинга безопасности грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий;
обоснование критериев мониторинга напряженно-деформированного состояния грунтовых дамб;
- обоснование методики маркшейдерского мониторинга грунтовых дамб.
Методы исследований
Ретроспективный анализ и обобщение литературных источников в области мониторинга безопасности грунтовых дамб гидротехнических сооружений; метод системного анализа при разработке системы мониторинга безопасности ГТС; метод экспертных оценок при определении степени влияния нагрузок и воздействий на напряженно-деформированное состояние грунтовых дамб и установление относительной значимости объектов мониторинга; метод «HAZOP»
при идентификации опасностей риска аварий грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий; методы математической статистики при обработке результатов лабораторных исследований физико-механических свойств грунтов; метод моментов сил при оценке устойчивости грунтовых дамб.
Научные положения, выносимые на защиту:
безопасность накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий обеспечивается созданием системы мониторинга безопасности грунтовых дамб, выраженной идеально-знаковой моделью различного уровня сложности, структурируемой по типам дамб и их конструктивным особенностям на объекты мониторинга, контролируемые показатели, критерии безопасности, виды натурных наблюдений и методику маркшейдерского мониторинга;
при повышении гидростатического давления на 0,2 высоты грунтовой дамбы коэффициент запаса ее устойчивости снижается на 5 %, что вызывает переход сооружения в состояние предельного равновесия и повышает риск возникновения оползания низового откоса;
необходимая точность контроля смещений грунтовых дамб и минимальная трудоемкость полевых работ обеспечиваются в вертикальной плоскости тригонометрическим нивелированием с использованием электронного тахеометра, нивелированием IV и III классов при максимальной удаленности поверхностных марок от опорного пункта соответственно до 0,75, 1 и 3 км; в горизонтальной - геодезическими методами точными приборами {тр =5; ті = 5+3 мм/км) и приборами технической точности (тр= 10; mi = 10+5 мм/км) при удаленности соответственно до 0,8 и 0,2 км;
точность контроля высотных отметок гребня дамбы, отметки «нуля» водомерной рейки и устьев пьезометров, соответствующая критериям безопасности, обеспечивается приборами технической точности в зависимости от протяженности дамбы тригонометрическим, с использованием оптического теодолита, (до 1,5 км) либо техническим (до 5 км) нивелированием.
Научная новизна работы заключается:
в обосновании алгоритма разработки системы мониторинга безопасности грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий, обеспечивающей дифференцирование объектов мониторинга и контролируемых показателей в увязке с их типом и конструкцией;
в установлении степени влияния нагрузок и воздействий на напряженно-деформированное состояние грунтовых дамб, вызывающих переход сооружения в состояние предельного равновесия;
- в обосновании методики маркшейдерского мониторинга грунтовых
дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
применением апробированных научных методов системного анализа, экспертных оценок, анализа опасности и работоспособности «HAZOP»;
использованием методов математической статистики для обработки экспериментальных данных;
- положительным опытом реализации системы маркшейдерского мони
торинга на большинстве грунтовых дамб накопителей жидких отходов горно
промышленных предприятий Кузбасса в течение 10 лет.
Личный вклад автора заключается:
в обосновании критериев и состава мониторинга безопасности гидротехнических сооружений в зависимости от конструктивных особенностей грунтовых дамб, нагрузок и воздействий на них и опасности риска гидродинамических аварий;
в анализе результатов натурных наблюдений, проводимых на гидротехнических сооружениях накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий Кузбасса, оценке устойчивости грунтовых дамб и разработке рекомендаций по обеспечению безопасных условий их эксплуатации;
в разработке и организации внедрения системы маркшейдерского мониторинга на грунтовых дамбах накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий Кузбасса.
Научная ценность работы состоит в разработке идеально-знаковой модели системы мониторинга безопасности грунтовых дамб, обосновании критериев мониторинга напряженно-деформированного состояния и требований к точности маркшейдерского мониторинга грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий.
Отличие от ранее выполненных работ заключается в применении метода идентификации опасностей риска аварий («Анализ опасности и работоспособности») для дифференцирования объектов мониторинга, контролируемых показателей и обоснования состава наблюдений в увязке с конструктивными особенностями различных типов грунтовых дамб. Впервые обоснованы требования к точности маркшейдерского мониторинга грунтовых дамб.
Практическая ценность работы состоит:
в обосновании алгоритма оценки риска аварий методом «HAZOP», типового перечня объектов, контролируемых показателей и критериев для моделирования системы мониторинга безопасности грунтовых дамб на основе классификационных признаков их типов и конструктивных особенностей;
в составлении графиков зависимости средней квадратической погрешности маркшейдерских измерений от удаленности контролируемого объекта относительно опорных пунктов, упрощающих составление программы маркшейдерского мониторинга для грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий;
в установлении условий выполнения маркшейдерских работ для обеспечения необходимой точности определения контролируемых показателей грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий.
Реализация работы
Теоретические и методические положения, разработанные в ходе диссертационных исследований, изложены в Методическом руководстве по разработке системы мониторинга безопасности грунтовых дамб накопителей жидких отходов промышленных предприятий (Новационная фирма «КУЗБАСС-НИИОГР»; КузГТУ. - Кемерово, 2013. - 57 с), согласованном с ведущими
компаниями региона (ОАО «УК «Кузбассразрезуголь», ОАО «ОУК «Южкуз-бассуголь», ОАО «СДС-Уголь») и применяемом на предприятиях Кузбасса.
Основные результаты исследований использованы при назначении критериев безопасности и разработке проектов мониторинга безопасности для более 50 гидротехнических сооружений горнопромышленных предприятий Кузбасса и России, а также при оценке состояния ГТС и разработке рекомендаций по обеспечению безопасных условий их эксплуатации.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы рассмотрены на Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» (Кемерово, 1998, 2000 гг.), конференции «Геомеханика и технологическое развитие угледобычи» (Кемерово, 2000 г.), Международной научно-практической конференции «Комбинированная геотехнология: проектирование и геомеханические основы» (Магнитогорск, 2001 г.), Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово, 2012 г.); Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России: Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово, 2002, 2009, 2011-2013 гг.), Международном научном симпозиуме «Неделя горняка-2012» (Москва, 2012 г.).
Ряд работ, выполненных с участием автора и включающих основные результаты диссертации, удостоены дипломов международной выставки-ярмарки «ЭКСПО-УГОЛЬ»: III степени за комплекс работ по проектам мониторинга безопасности ГТС (2003 г.); I степени за комплекс работ по обеспечению устойчивости откосов (2005 г.); I степени за лучший экспонат «Методическое руководство по разработке системы мониторинга безопасности грунтовых дамб накопителей жидких отходов промышленных предприятий» (2013 г.), а также получены дипломы на лучшие доклады (2009 и 2012 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 6 статей в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК.
Объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение, изложена на 184 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков, 24 таблицы, список использованных источников из 129 наименований, 6 приложений.
Автор выражает глубокую признательность за помощь в организации исследований при работе над диссертацией директору Новационной фирмы «КУЗБАСС-НИИОГР», кандидату технических наук С. И. Протасову.
Нагрузки и воздействия, вызывающие деформации грунтовых дамб
Отсутствие геотехнического контроля при строительстве не позволило обнаружить слой фильтрующего грунта, отсыпанного в тело дамбы, явившегося причиной развития фильтрационных, а затем суффозионных процессов в теле ограждающей дамбы золоотвала, расположенного в пределах городской черты города Калтан (2006 г.); произошел ее размыва с последующим сбросом из емкости воды (около 24 тыс. м3), золошлаковой пульпы (около 6,9 тыс. м ), и подтопление 10 частных строений в поселке Малышев лог, расположенном в нижнем бьефе золоотвала. В результате сброса части воды из емкости золоотвала по дренажной канаве на территорию нижнего бьефа произошло загрязнение озера Еремеш. В процессе эксплуатации ГТС проводились наблюдения за их состоянием и выполнялись работы по ликвидации выявленных дефектов и повреждений (пригрузы низового откоса, мероприятия по предотвращению суффозии, отводу дренажных вод и пр.). Однако контроль проводился не систематически, а принимаемые меры носили локальный характер, вследствие чего не обеспечили требуемого уровня надежности и безопасности золоотвала.
Бесконтрольное заполнение хвостохранилища № 2 Абагурской аглофабрики (в районе поселка Елань города Новокузнецка) привело к переливу воды через гребень дамбы высотой около 36 м, образованию прорана в теле основной ограждающей дамбы хвостохранилища шириной от 50 м по гребню до 25 м у подошвы дамбы и высотой около 28 м и разрушению этой дамбы на участке длиной около 12 м. Потоком, состоящим из воды и хвостов, вытекшим из емкости хвостохранилища (более 216 тыс. м ), а также грунтов тела дамбы (около 33 тыс. м ), перемещавшимся по территории нижнего бьефа хвостохранилища до р. Кондома затоплено и загрязнено хвостами площадь земель порядка 31,5 тыс. м2, подтоплена (до 2 м) насыпь железной дороги Новокузнецк - Междуреченск и разрушен участок гравийной автодороги «Новокузнецк - Абагуровский разъезд» длиной около 20 м, а также загрязнена река Кондома (2010 г.). Отсутствие геомеханического контроля массива горных пород не позволило зафиксировать деформации земной поверхности территории нижнего бьефа накопителей, расположенных на подработанной территории, приводивших к неоднократным случаям выхода воды из подработанного подземными горными работами отстойника шахтных вод в городе Полысаево [10, 11]. При ведении под отстойником шахтных вод очистных работ на глубине 330 + 370 м произошло оседание дамбы на 1 м, образовались водопроводящие трещины на контакте основания дамбы с земной поверхностью (подошва дамбы), через которые начался выход воды, повлекший за собой разрушение тела дамбы на участке длиной 20 м (2001 г.). После выполнения ремонтных работ отстойник был введен в эксплуатацию. Однако, в 2005 году вновь произошел прорыв воды из отстойника (около 70 тыс. м ) через образовавшийся в основании дамбы проран размером 2x2,5 м, в результате чего, были подтоплены частные дома.
Имевшие место инциденты и аварийные ситуации наглядно демонстрируют риски гидродинамических аварий, связанные с отсутствием мониторинга безопасности гидротехнических сооружений.
По статистическим данным Комитета по авариям и разрушениям Международной комиссии по большим плотинам [70, 77], из 1150 случаев разрушений, зафиксированных в 35 странах мира, 21 % - повреждение бетонных сооружений и их оснований; 36 % - грунтовых сооружений и их оснований; по 2 + 5 % - других напорных сооружений (каменных, железобетонных и пр.). Таким образом, анализ этих и других данных показывает, что самое большое число аварий наблюдается из-за разрушения грунтовых сооружений; при этом большая частота (вероятность) возникновения аварии с серьезными повреждениями и катастрофическими последствиями отмечается на ГТС, имеющих в своем составе напорные сооружения высотой от 15 до 30 м (рис. 1.2). более 100 м нет данных
В печати приводятся различные статистические данные о причинах аварий и аварийных ситуаций грунтовых гидротехнических сооружений [2, 3, 70, 77 и др.]. Например, В. В. Малаханов [58] приводит следующую статистику: 40 + 50 % аварий - ошибки при проектировании; 20 % - ошибки при строительстве; 30 % - нарушение условий эксплуатации; 5 7 % - износ и истирание материала сооружения. Большая часть (около 50%) аварий и аварийных ситуаций на гидротехнических сооружениях связаны с повреждением тела напорного сооружения (рис. 1.3).
Обобщающий анализ аварий и аварийных ситуаций на гидротехнических сооружениях Кузбасса (рис. 1.4), а также мировой опыт эксплуатации грунтовых дамб [58] показывает, что 29 + 32 % всех аварий произошли из-за некачественного строительства (подготовка основания, укладка и уплотнение грунтов, использование слабых грунтов), что привело к сосредоточенной фильтрации воды в теле грунтовых сооружений.
Другой наиболее частой причиной аварий является превышение уровня заполнения накопителя, что ведет к переливу воды через гребень (около 21 %). В намывных сооружениях в результате интенсивного наращивания гребня дамбы происходят сложные геомеханические и гидродинамические процессы, проявляющиеся в возрастании избыточного порового давление в водоупорных элементах сооружения и ее основания. Для накопителей, расположенных на подработанной территории, высота напорных сооружений которых составляет всего 5 + 15 м, риск возникновения гидродинамической аварии из-за осадок грунтов основания дамб весьма велик (для условий Кузбасса составляют около 36 % от общего числа зафиксированных инцидентов и аварийных ситуаций).
Приведенный анализ, показывает, что большая часть аварийных ситуаций на гидротехнических сооружениях могла быть предотвращена, а риск возникновения гидродинамических аварий существенно снижен за счет создания системы мониторинга безопасности гидротехнических сооружений, позволяющей своевременно выявить негативные деструктивные процессы, и оперативно принять меры по предотвращению деформаций грунтовых дамб.
Структуризация системы мониторинга безопасности
Мониторинг безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий - это совокупность постоянных (непрерывных) наблюдений за состоянием безопасности гидротехнических сооружений и характером их воздействия на окружающую среду. Мониторинг, реализуемый через систему наблюдений, интерпретацию результатов и сравнение их с критериями безопасности, позволяет своевременно обнаруживать деструктивные процессы, прогнозировать возможные деформации и в результате оперативного принятия мер предупредить возникновение чрезвычайной ситуации.
В качестве научного метода, позволяющего выполнить системную структуризацию мониторинга безопасности грунтовых дамб, принят метод системного анализа, идея которого заключается в расчленении сложной проблемы на подпроблемы (этапы) до определенного уровня, т. е. построение иерархической схемы, отражающей модель системы мониторинга безопасности.
Рассмотрим построение отдельных уровней этой схемы.
Верхние уровни иерархии строятся «сверху» путем декомпозиции. Учитывая, что главной целью мониторинга является обеспечение безопасности гидротехнических сооружений, строим идеально-знаковую модель системы мониторинга безопасности грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий, в которой в качестве иерархических уровней приняты следующие (рис. 2.6): первый уровень - тип дамбы (конструкция); третий уровень - количественные и качественные контролируемые показатели, измеренные на данном сооружении с помощью технических средств или вычислены на основе измерений; из общего перечня контролируемых показателей выделяют наиболее значимые для диагностики и оценки состояния сооружения в целом и отдельных ее конструктивных элементов, которые называют критериями безопасности.
Критерии безопасности гидротехнического сооружения - это предельные значения количественных и качественных показателей состояния гидротехнического сооружения и условий его эксплуатации, соответствующие допустимому уровню риска аварии гидротехнического сооружения.
Предусмотрено введение двух уровней критериальных значений диагностических показателей состояния сооружений [39]. При этом первый уровень критериальных значений (К1) является предупреждающим, т. е. значения диагностических показателей состояния ГТС, определяемые, как правило, при основном сочетании нагрузок, при достижении которых устойчивость, механическая и фильтрационная прочность гидротехнических сооружений и его основания, а также пропускная способность водосбросных и водопропускных сооружений еще соответствуют условиям их нормальной эксплуатации. Превышение первого уровня сигнализирует о наступлении потенциально опасного состояния и требует от собственника (эксплуатирующей организации) принятия соответствующих оперативных мер по приведению сооружений в нормальное состояние.
Второй (предельный) уровень критериальных значений (К2) - значения диагностических показателей состояния гидротехнических сооружений, устанавливаемые при особом сочетании нагрузок, при превышении (уменьшении) которых эксплуатация ГТС в проектном режиме недопустима, состояние сооружения может перейти в предаварийное.
Четвертый уровень иерархической схемы - виды натурных наблюдений (метод контроля) строится одновременно целевым методом «сверху» и тезаурусным «снизу» на основе анализа риска гидродинамической аварии (см. параграф 2.2.3).
На пятом уровне иерархической схемы для каждого вида натурных наблюдений, исходя из надежности получаемой информации и рацинальных затрат на его реализацию, определяют методику маркшейдерского монитринга, включающего метод наблюдений, средства измерений и требования к точности наблюдений (приведены в главе 4).
Разработанная идеально-знаковая модель мониторинга безопасности [125, 126], структурированная методом системного анализа, и описываемая следующими признаками: тип сооружения, конструктивные элементы (объекты мониторинга), контролируемые показатели отдельных элементов сооружения и их критерии безопасности (рис. 2.7), адекватно отражает необходимую последовательность работ по контролю состояния грунтовых дамб.
Элементы системы мониторинга безопасности гидротехнических сооружений определены экспертным методом на основе анализа риска аварий с учетом конструктивных особенностей и условий эксплуатации, а также оценки влияния деструктивных процессов, которые могут привести к гидродинамической аварии.
В процессе эксплуатации гидротехнического сооружения под влиянием нагрузок и воздействий происходит его физический или моральный износ, и сооружение может достигнуть предельного состояния, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима по условиям опасности возникновения аварии.
Исследование влияния нагрузок и воздействий на устойчивость грунтовых дамб
При разделении призмы возможного обрушения на п элементарных блоков коэффициент запаса устойчивости откоса дамбы выражают следующими формулами: где 5/ - площадь элементарного блока,м2; yt - средневзвешенное по площади значение плотности грунтов в блоке, т/м3; at - угол наклона касательной к поверхности скольжения в середине блока к горизонту (угол между вектором веса Р/ и радиусом R поверхности скольжения), град.; Sf - площадь в пределах блока «свободной» воды, находящейся выше линии откоса, м2; у8— плотность воды, т/м3; 8- угол откоса дамбы, град.; hf- высота обводненной части в блоке (вертикальное расстояние от поверхности скольжения до кривой депрессии), м; If— протяженность обводненной части в блоке по поверхности скольжения, м; (pt - средневзвешенное по длине поверхности скольжения значение угла внутреннего трения грунтов в пределах блока, град.; С,- - средневзвешенное по длине поверхности скольжения сцепление грунтов в блоке, МПа; /,- - длина поверхности скольжения в пределах элементарного блока, м; ц — коэффициент динамической сейсмичности.
Влияние нагрузок и воздействий на напряженно-деформированное состояние грунтовой дамбы оценивают через измеряемые показатели (рис. 2.2), которые определяют по результатам инженерно-геологических изысканий (физико-механические свойства грунтов тела и основания дамбы: сцепление - С, угол внутреннего трения — (р , плотность - у ) или маркшейдерской съемки (параметры блока призмы возможного обрушения: угол откоса дамбы — S, площадь расчетного блока - S, угол наклона касательной к поверхности скольжения - а, длина поверхности скольжения в пределах блока - /; параметры гидростатического давления: высоты подтопления откоса — высота обводненной части в блоке — hB). Оценим характер нагрузок и воздействий и степень их влияния на напряженно-деформированное состояние грунтовой дамбы через измеряемые показатели (аргументы), входящие в формулы (3.4) и (3.5) расчета коэффициента запаса устойчивости kf грунтовой дамбы.
В общем виде напряженно-деформированное состояние грунтовых сооружений определяется влиянием на них нагрузок и воздействий природного и техногенного характера, рассмотренных подробно в параграфе 1.2, и коэффициент запаса устойчивости откоса грунтовой дамбы, определяемый по формулам (3.4) и (3.5), представляет в общем виде функцию истинных значений аргументов kf = F(C, р, у, S, S, а, I, Яв, Лв), (3.6) где: С, (р, у — соответственно сцепление (МПа), угол внутреннего трения (град.) и плотность (т/м3) грунта; 5- угол откоса дамбы (град.); S и / - соответственно площадь (м2) и длина поверхности скольжения (м) элементарного блока; at — угол наклона (град.) касательной к поверхности скольжения в средине блока; If - высота (м) подтопления откоса (вертикальное расстояние от подошвы дамбы до уровня воды со стороны откоса); hB - высота (м) обводненной части в блоке (вертикальное расстояние от поверхности скольжения до уровня поверхности депрессии).
Согласно теории погрешностей измерений непосредственные измерения сопровождаются неизбежными погрешностями и значение функции, вычисленное по этим измерениям, будет найдено с некоторой погрешностью. Для простоты рассуждений число измерений каждого аргумента в формуле (3.6) примем одинаковым, равным j.
Составим ряд частных значений функций, подставив в них непосредственно измеренные значения аргументов:
Каждую из измеренных величин можно рассматривать как сумму истинного значения аргумента и истинной погрешности этого аргумента: г -=(0 С =С+А1С; р() = р+ Д{,; т 0 = у + AlY; /} = S + А15; (3.9) 5( = S + Д; аС0 = а + Аьа; 7( = I + А\; = НВ+ Д в; — Нв l l) = hB+ Д в-j Тогда система уравнений (3.7) примет вид: k f = F (С + А с, р + Ыф, y + A Y,8 + A s,S + A s, a + A a,l + А\,НВ + A Hs,hB + A h ); k l = F{C + Д (p + A y + A ;, 8 + Д S + Д a + Д I + A[ , HB + A B, h + Д); Лі) kf = F(C + A(cj\ p + A%\ у + A \ 8 + ACJ\ S + A{J\ a + A , I + АС/\ HB + Д$, hB + A$). (3.10) Раскладывая функции (3.10) в ряд по строке Тейлора и ограничиваясь, ввиду малости истинных погрешностей аргументов, первыми членами ряда, получена следующая система уравнений:
Проанализируем полученные уравнения (3.12): истинная погрешность функции для ряда измеренных аргументов определяется суммой произведений частных производных по этим аргументам на истинную случайную погрешность измерения этого аргумента.
Изменения частных производных в пределах изменения аргументов (3.9) не окажет существенного влияния на погрешность функции, поэтому для практических расчетов в формулу (3.12) вместо истинных значений аргументов могут быть подставлены их измеренные значения. Примем в качестве истинной случайной погрешности функции (3.6) основной критерий безопасности грунтовой дамбы — предельное отклонение коэффициента запаса устойчивости от нормативного значения Ак = 0,05 (см. параграф 3.1) и определим максимально допустимые отклонения (истинные случайные погрешности) измеренных аргументов от заданного (проектного) значения измеряемых аргументов, при которых коэффициент запаса устойчивости не превысит нормативного значения, и тем самым не будет допущен переход грунтовой дамбы от надежного состояния в состояние предельного равновесия.
В теории погрешностей измерений уравнения (3.6) и все последующие рассуждения справедливы для независимых измеренных аргументов. Известно, что между показателем сцепления С, углом внутреннего трения (р и плотностью /грунтов существует корреляционная связь [12]; параметры расчетного блока призмы возможного обрушения (S, I и а) зависят от геометрических параметров (угла откоса — 5 и высоты — Н) дамбы; положение кривой депрессии в теле дамбы /гв описывается функциональной зависимостью от подтопления верхового откоса Нв [98], т.е. между отдельными аргументами функции общего вида (3.6) существуют функциональные связи. Поэтому разделим их на три независимые группы: физико-механические свойства грунтов дамбы (Дс, Ay, Ау); параметры призмы возможного обрушения (As, As, Aa,Ai) и параметры гидростатического давления (Аяв, АЛв).
В последующих рассуждениях при решении поставленной в диссертации задачи - обоснование критериев мониторинга напряженно-деформированного состояния грунтовых дамб, т.е. определение максимально допустимого отклонения измеряемых аргументов от заданного нормативного значения, будем рассматривать влияние групп аргументов на значение функции F. Анализируя идеальную модель грунтовой дамбы, поочередно изменяем только один аргумент, принимая значения остальных аргументов постоянными.
Проверка «нуля» водомерной рейки и устьев пьезометров
Уровень воды в емкости накопителя и теле грунтовой дамбы является интегрированным показателем ее безопасности. Превышение уровня заполнения накопителя повышает риск перелива воды через гребень; увеличивается силовое воздействие фильтрационной воды в теле сооружения, снижая устойчивость и фильтрационную прочность дамбы.
Оценка влияния нагрузок и воздействий на напряженно-деформированное состояние грунтовых дамб, выполненная в главе 3, показала, что истинные случайные погрешности определения высоты подтопления откоса Дяв и положения кривой депрессии (уровня воды) в теле дамбы ЛЛв, при которых отклонение коэффициента запаса устойчивости от нормативного значения не превысит 5 % (Ак= 0,05), составляют от 0,2 м (при высоте дамбы Н 10 м) до 0,5 м (приіУ 65м).
Исходя из условия недопущения наступления предельных состояний сооружений, примем в качестве критерия безопасности минимальное значение случайной погрешности определения высоты подтопления откосаАн в и уровня воды в теле дамбы АЛв , при которых отклонение коэффициента запаса устойчивости от нормативного значения не превысит 5 % (параграф 3.3.3) -К1 = 200 мм.
С учетом принятого критерия безопасности (ш(доп) = 200 мм), средняя квадратическая погрешность определения высоты подтопления откоса и уровня воды в теле грунтовой дамбы не должна превышать mf = 100 мм (при Р = 0,95).
Высоту подтопления откоса дамбы определяют путем замера уровня воды в накопителе по водомерной рейке, установленной в емкости, отметка «нуля» которой «привязывается» к опорному реперу, закрепленному вблизи дамбы, или пункту МОС.
Положение кривой депрессии (уровень воды) в теле и основании сооружения вычисляют через отметку устьев пьезометров и глубину воды, замеряемую лот-свистком или хлопушкой по пьезометрам.
Исходя из допустимых невязок хода (табл. 4.6), выполним предрасчет средней квадратической погрешности (СКП) определения высотной отметки «нуля» водомерной рейки и среза пьезометра различными методами: тригонометрическое нивелирование с использованием оптического теодолита и электронного тахеометра, техническое и геометрическое нивелирование IV класса при их удалении относительно опорного репера (пункта МОС) на расстояние от 0,1 до 5,0 км.
Результаты выполненного предрасчета представлены кривыми связи средней квадратической погрешности от удаленности водомерной рейки или пьезометра от опорного репера (рис. 4.13). 130 - тригонометрическое нивелирование оптическим теодолитом; 2 -тригонометрическое нивелирование электронным тахеометром; 3 -техническое нивелирование; 4 - нивелирование IV класса Рис. 4.13. Зависимость погрешности определения «нуля» водомерной рейки и устья пьезометра от удаленности опорного репера
Анализ построенных кривых показывает, что при удаленности водомерной рейки или пьезометра от опорного репера на расстояние до 2,2 км может использоваться любой метод (тригонометрическое нивелирование, техническое и геометрическое нивелирование IV класса) определения высотной отметки. При большем удалении объекта от опорного репера предпочтение следует отдать техническому нивелированию, как наиболее производительному и обеспечивающему требуемую точность (mzB =100 мм) определения высотной отметки «нуля» водомерной рейки или устья пьезометра, что позволит не допустить превышения допустимой погрешности определения критериального значения уровня воды в емкости накопителя К1 = 200 мм.
Установим требования к точности определения плановых контуров дамбы и высотных отметок по гребню, исходя из оценки влияния геометрических параметров дамбы на коэффициент запаса устойчивости откосов, который характеризует напряженно-деформированное состояние сооружения. Оценка, выполненная методом графического моделирования (с высотами дамбы Н: 5, 10, 15, 20, 35, 50 и 65 м при различных заложениях откосов т: 1,0, 1,5, 2,0, 2,5 и 3,0) в параграфе 3.3.2, показала, что дамба находится в состоянии предельного равновесия, т.е. коэффициент запаса устойчивости к 1 ± 0,05, при следующих параметрах: Н 20мит 1,5. Коэффициент запаса устойчивости на предельную величину равную лк=0,05 изменяется при приращении высоты дамбы АН на 2,9 м, либо коэффициента заложения ее низового откоса Am на 0,16 (в относительных единицах).
Примем приращение высоты дамбы АН= 2,9 м за предельную погрешность определения высоты, а приращение коэффициента заложения откоса Am = 0,16 — за предельную погрешность определения коэффициента заложения откоса. Допустим, что высотные отметки гребня и подошвы, а также верхний и нижний контуры откоса дамбы определены с одинаковой точностью.
Высота дамбы Н определяется из разности высотных отметок ее гребня и подошвы. Следовательно, средняя квадратическая погрешность положения снимаемого пикета по высоте равна ти = 1 м (т. е. с учетом критерия безопасности К1 = 2,9 м - ти = 2,9 / \2 / 2).
Коэффициент заложения откоса т вычисляется как отношение высоты дамбы Н к заложению / откоса и соответствует тангенсу угла откоса дамбы. Следовательно, Ат= 0,16 соответствует изменению угла откоса на 9,1 (arctg 0,16). Предельная погрешность определения горизонтального заложения откоса / для дамбы высотой Н= 20 м составит 3,2 м (9,1 / 57,3 х 20 м, где 57,3- переводной коэффициент из градусной меры в радианную). Тогда суммарная (съемки и нанесения результатов на план) средняя квадратическая погрешность определения контура откоса составит тр= 1,1м (т.е. при К1 = 3,2 м - тр = 3,2 / V2 / 2).
