Министерство монтажных и специальных
строительных работ СССР

Главное техническое управление

УТВЕРЖДАЮ:

Заместитель министра монтажных

и специальных строительных

работ СССР

Л.Д. СОЛОДЕННИКОВ

21 марта 1972 г.

ИНСТРУКЦИЯ
по проектированию гидроотвалов
из глинистых грунтов
и прогнозированию их состояния

ВСН 291-72*

ММСС СССР

Центральное бюро
научно-технической информации

Москва-1977

Настоящая инструкция предназначается для проектных и производственных организаций Минмонтажспецстроя СССР, осуществлявших земляные работы способом гидромеханизации.

В инструкции рассматриваются вопросы проектирования гидроотвалов из связных грунтов и прогнозирования их состояния. При этом общие для всех видов намываемых сооружений требования, содержащиеся в СНиП II-53-73 и СНиП III-Б.2-62, в настоящую инструкцию не включены.

Инструкция разработана Всесоюзным научно-исследовательским институтом гидромеханизации, санитарно-технических и специальных строительных работ (ВНИИГС) и трестом Гидромеханизация Минмонтажспецстроя СССР на основе обобщения материалов исследований, опыта проектирования и возведения гидроотвалов, а также литературных данных об исследованиях намывных плотин, шламохранилищ, золо- и гидроотвалов и представляет собой дополненное и переработанное издание «Временных указаний по проектированию гидроотвалов из глинистых грунтов и прогнозированию их состояния» ВСН 291-72/ММСС СССР.

Составители инструкции: канд. техн. наук В.И. Каминская, инженеры Л.П. Коновалов и Б.М. Лунин. В составлении инструкции принимали участие инженеры Ю.Д. Дмитриенко, И.М. Левченко и Т.А. Медведева.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Область применения

1.1. Настоящая инструкция распространяется на проектирование гидроотвалов из вскрышных песчано-глинистых грунтов месторождений полезных ископаемых.

Примечание. Настоящая инструкция не распространяется на гидроотвалы, сооружаемые в сейсмических районах и на Крайнем Севере, а также на период работ с минимальной среднесуточной температурой ниже 0 °С.

1.2. В инструкции принято, что усредненный гранулометрический состав карьерного грунта, намываемого в отвал, содержит до 70 % глинистых и пылеватых фракций диаметром менее 0,05 мм. При содержании этих фракций свыше 70 % гидроотвалы относятся к наливному типу и в настоящей инструкции не рассматриваются.

Отвалы намывают послойно (с эстакад высотой до 2,5 - 3,5 м). Средняя мощность намытого слоя 0,3 - 0,9 м, средний удельный расход пульпы при ее распределительном выпуске в начале откоса 3 - 10 л/с.

Основные определения и терминология

1.3. При проектировании гидроотвалов следует придерживаться такой терминологии.

Гидроотвал - специальное намывное сооружение, образованное при складировании вскрышных пород месторождений полезных ископаемых и предназначенное для приема пульпы, аккумулирования грунта, осветления и накопления отработанной воды с использованием ее в системе оборотного водоснабжения. Гидроотвал состоит из трех зон с различным гранулометрическим составом намытого грунта: упорной призмы, промежуточной и центральной зон.

Упорная призма - наружная упорная часть гидроотвала, образуемая в результате надводного намыва и ограниченная с внешней стороны дамбами обвалования, слагается в основном песчаным и супесчаным грунтом.

Промежуточная (переходная) зона - область между упорной призмой и центральной зоной. Размеры промежуточной зоны определяются пределами колебания уреза воды в отстойном прудке. В промежуточной зоне откладываются более мелкие фракции, чем в упорной призме.

Центральная зона - область осаждения под водой пылевато-глинистых частиц. Размеры этой зоны определяются площадью отстойного прудка с минимальными пределами блуждания уреза воды.

Дамба первичного обвалования - дамба, возводимая по контуру гидроотвала с целью образования емкости для прудка при намыве первого яруса.

Дамба обвалования - дамба, возводимая в процессе намыва гидроотвала по его контуру на каждом ярусе из намытого или привозного грунта.

Откос намыва - надводная и подводная поверхности намыва гидроотвала, ограниченная дамбой обвалования и центром прудка-отстойника.

Пляж - надводная поверхность гидроотвала, ограниченная дамбой обвалования и урезом воды прудка-отстойника.

Прудок-отстойник - емкость, в которой происходит осветление пульпы в результате осаждения мелких частиц грунта в процессе намыва. Прудок-отстойник обеспечивает оборотное водоснабжение.

Фронт намыва - общая ширина потоков пульпы, выпускаемой одновременно из отверстий распределительного пульпопровода на пляж гидроотвала. Проектная величина фронта намыва рассчитывается в зависимости от рода складируемых грунтов, производительности землесосной установки или земснаряда и от продолжительности намыва на данном участке.

Ярус намыва - слой намытого грунта, мощность которого определяется высотой эстакад и обвалования.

Пульпа (гидросмесь) - механическая смесь грунта с водой, транспортируемая из карьера в гидроотвал.

Консистенция пульпы - степень насыщения грунтом потока пульпы, определяемая отношением расхода грунта к расходу воды или гидросмеси. Различают массовую и объемную консистенцию пульпы.

Пульпопровод (пульповод) - система труб, по которой транспортируется гидросмесь.

Водосбросный колодец - устройство для приема осветленной воды и регулирования уровня воды в прудке-отстойнике.

Водосбросная труба - трубопровод для отвода осветленной воды из водосбросного колодца за пределы гидроотвала.

Интенсивность намыва - мощность намываемого слоя отвала (по высоте) в единицу времени, м/сутки.

Расчетные характеристики грунтов - численные значения геотехнических параметров грунтов (объемная масса скелета, угол внутреннего трения, сцепление и др.), при которых рассчитывается устойчивость откосов гидроотвала.

Типы гидроотвалов

1.4. Гидроотвалы в зависимости от рельефа местности подразделяются на типы (рис. 1):

А - овражные и балочные, создаваемые в оврагах или балках путем перегораживания их дамбами;

Б - равнинные, расположенные на местности ровной или с небольшим уклоном, огражденные со всех сторон дамбами;

В - косогорные, устраиваемые на косогорах, огражденные дамбами и частично рельефом местности;

Г - котловинные и котлованные, расположенные соответственно в местных понижениях (котловинах) и выемках отработанных карьеров.

В зависимости от высоты гидроотвалы делятся на низкие - менее 10 м, средние – 10 - 30, высокие - более 30 м.

Рис. 1. Типы гидроотвалов

1.5. В зависимости от степени ответственности, местных условий, высоты и интенсивности намыва гидроотвалы делятся на классы капитальности (табл. 1):

класс I - особо ответственные - средние и высокие, авария на которых сопряжена с катастрофическими последствиями для населенных пунктов и предприятий;

класс II - ответственные - средние и низкие, разрушение которых не может вызвать серьезных последствий для населенных пунктов;

класс III - малоответственные - низкие, расположенные в незастроенных местностях.

Примечание. Класс капитальности отдельных элементов гидроотвала (ограждающих дамб, водосбросных устройств и др.) определяют в соответствии со СНиП II-А, 3-62, СНиП II-50-74 и действующими техническими условиями на проектирование золоотвалов и хвостохранилищ.

Таблица 1

Примечания. 1. Для гидроотвалов типа Г класс капитальности гидроотвалов следует снижать на единицу.

2. К районам с неблагоприятными гидрометеорологическими условиями следует относить зоны с выпадением осадков более 600 мм/г и нормой годового стока более 10 л/с×км².

2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГИДРООТВАЛА

2.1. Гидроотвалы проектируют на основе проекта разработки месторождения полезного ископаемого по техническому заданию в зависимости от общего комплекса проектируемых вскрышных работ.

2.2. В техническое задание на проектирование необходимо включать:

календарный план горных работ по вскрытию месторождений;

материалы инженерно-геологических изысканий в районе вскрышных работ (карьера);

данные о расходе пульпы, подаваемой в гидроотвал (м³/ч), и содержании в ней твердого компонента.

2.3. Материалы инженерно-геологических изысканий должны содержать следующую документацию:

топографическую карту (в масштабе 1:10000 или 1:5000) территорий, на которых находятся возможные земельные участки под гидроотвал;

топографическую карту участка гидроотвала в масштабе 1:2000 или 1:1000;

сведения о расходе и уровне воды в водотоках (озерах, реках, ручьях), режиме водотоков (сроки паводков, ледостава, мутность и др.);

гидрометеорологические данные (скорость ветра, элементы ветровых волн водотоков, количество выпадающих осадков, норма годового стока).

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИДРООТВАЛОВ

Общие положения

3.1. Проектирование гидроотвала следует производить в две стадии: технический проект и рабочие чертежи. Кроме того, должен быть составлен проект производства работ (ППР).

В техническом проекте определяют: место расположения и геометрические размеры гидроотвала, границу опасной зоны, объемы грунта, намываемого в него по годам, объем подготовительных работ и технико-экономические показатели. Утвержденный технический проект является основанием для заказа оборудования, разработки рабочих чертежей и финансирования строительства.

3.2. Конструкция гидроотвала должна удовлетворять следующим требованиям:

устойчивости внешнего откоса на сдвиг и оползание;

плотности намытых грунтов пляжа, необходимой для производительной и безопасной работы по намыву;

достаточному водоосветлению в местах водослива.

Выбор места расположения гидроотвала

3.3. Гидроотвалы необходимо располагать на площадях, непригодных или малопригодных для сельского хозяйства, промышленности, жилищного строительства и зон отдыха.

Расположение гидроотвала должно обеспечить минимальную длину транспортировки и высоту подъема пульпы, удобную организацию водоудаления. При прочих равных условиях гидроотвал относительно карьера следует располагать на участке, где ограждающие дамбы будут иметь меньшую протяженность и годовое приращение не выше 3 - 5 м.

При выборе места расположения гидроотвала необходимо учитывать поверхностный сток и предусматривать, если это целесообразно, использование его для организации оборотного водоснабжения и возможность отвода ливневых и талых вод с территорий, прилегающих к отвалу.

3.4. При выборе площадки под гидроотвал следует учитывать, что согласно СНиП II-53-73 к основанию на участке упорной призмы должны быть предъявлены те же требования, что и к основанию плотин.

На участке, выбранном для возведения гидроотвала, должны быть проведены изыскания, построен геологический разрез и определены геотехнические свойства грунтов.

Материалы изысканий должны содержать:

топографический план (в масштабе 1:2000 - 1:1000) с обозначениями геологических выработок (шурфов и скважин) и линий геологических разрезов;

геолого-литологические разрезы с нанесенным уровнем грунтовых вод: горизонтальный в масштабе 1:500 - 1:1000 и вертикальный в масштабе 1:50 - 1:100;

колонки по геологическим выработкам;

сводные таблицы и графики физико-механических свойств грунтов: гранулометрический состав, плотность и объемная масса, влажность, пористость, пределы и число пластичности, сопротивление сдвигу и сжатию, коэффициент фильтрации, содержание органических веществ.

3.5. Место расположения гидроотвала должно быть согласовано с исполкомом местного Совета, санитарной инспекцией, Госгортехнадзором горного округа и организацией, проектирующей данный карьер.

На основании акта о выборе места расположения гидроотвала, составленного проектировщиками при участии заказчика, должны быть изучены варианты, связанные с выбором площадки под гидроотвал, и произведено технико-экономическое обоснование принятого решения.

Определение объема грунта, подлежащего разработке гидравлическим способом

3.6. Объем вскрышных пород, подлежащих укладке в отвал, определяется календарным планом разработки и вскрыши данного месторождения с учетом способа производства работ.

3.7. На основании данных изысканий из общего объема вскрыши определяют объемы грунта, разработка которых гидравлическим способом и укладка в гидроотвал возможны и экономически целесообразны.

Из объема грунта, планируемого для разработки гидравлическим способом, необходимо исключить:

недоборы грунта в забое, разработка которых невозможна способом гидромеханизации;

охранный целик над полезным ископаемым, предохраняющий его от замачивания (размеры его определяют в проекте в зависимости от свойств грунтов вскрыши и схемы производства работ);

верхний черноземный слой, используемый в дальнейшем для нужд сельского хозяйства при проведении рекультивационных работ.

3.8. Емкость гидроотвала должна соответствовать сроку разработки карьера, предусмотренного проектом.

3.9. Емкость гидроотвала, потребная для складирования карьерного грунта, соответствует объему грунтов вскрыши и может быть вычислена по формуле

E = b₀V₀ + V_п + V_д,                                                   (1)

где        V₀ - объем породы в естественном состоянии (целике), планируемый для заполнения гидроотвала в начале и за весь период эксплуатации, м³;

         V_п - объем прудка-отстойника, рассчитанного как отстойник непрерывного действия, м³ (ориентировочно его можно принимать равным 5 - 10-суточному объему пульпы, подаваемой в гидроотвал);

         V_д - дополнительная емкость, необходимая главным образом, для аккумуляции стока поверхностных вод, тяготеющего к гидроотвалу, м³ (размер этой емкости определяют в проекте);

         b₀ - коэффициент гидроразрыхления карьерного грунта, принимаемый в зависимости от средневзвешенного состава грунта в карьере (приложение 1):

Песок............................................................. 1,00

Песок с примесью:

глины.................................................. 1,05 - 1,10

пыли................................................... 1,10

Супесь........................................................... 1,05 - 1,15

Суглинки...................................................... 1,2 - 1,5

Глина............................................................ 1,5 - 2,0

3.10. Объем намытого грунта для каждой зоны (рис. 2) определяют по формуле

,                                                    (2)

где        - масса грунта в соответствующей зоне, т;

            - процентное содержание фракций карьерного грунта, крупность которых для соответствующей зоны принимается по табл. 2;

          - средневзвешенное значение объемной массы скелета грунта в соответствующей зоне, т/м³;

         G - масса карьерного (вскрышного) грунта, т;

                                            (3)

здесь    v_j - объем грунта j-го слоя, м³;

         h_j - средняя мощность j-го слоя, м;

         S_j - площадь j-го слоя вскрыши, м²;

              - объемная масса скелета карьерного грунта j-го слоя, т/м³.

Объемная масса скелета намытого грунта и диаметры частиц по зонам приведены ниже (см. табл. 2 и приложение 2).

Объем намытого в отвал грунта равен сумме объемов грунта по зонам и может быть определен из выражения

                               (4)

Результаты расчетов по формуле (4) должны быть сопоставлены с произведением b₀v₀ [формула (1)]. В случае расхождения более 5 % расчеты следует пересмотреть.

Рис. 2. Зоны фракционирования намытого грунта:

I - упорная призма; II - промежуточная зона; III - центральная (прудковая) зона; 1 и 2 - дамбы соответственно первичного и вторичного обвалования; 3 - разводящий пульпопровод; 4 - прудок-отстойник; 5 - шандорный колодец; 6 - основание; 7 - возможные кривые скольжения

Таблица 2

Примечание. При наращивании гидроотвала свыше 30 м объемная масса скелета грунта должна быть уточнена контрольным определением.

4. НАМЫВ ОТВАЛОВ

Технология намыва

4.1. Выбранная технология намыва отвала должна обеспечить устойчивость гидроотвала и минимальную стоимость производства работ, а также требуемую степень осветления сточной воды в отстойном прудке.

Технология намыва должна предусматривать:

обеспечение приема грунта на отвале без нарушения режима работы оборудования;

создание упорной призмы из супесчаных грунтов с несущей способностью, обеспечивающей возможность производства работ и устойчивость внешних откосов;

механизацию подготовительных и вспомогательных работ на гидроотвале.

4.2. При выборе схемы намыва связных грунтов необходимо учитывать следующие обстоятельства:

осаждение песчаных фракций намываемого грунта происходит в среде повышенной плотности, поэтому скорость их выпадения замедляется, а объемная масса намытого грунта уменьшается;

при выпадении песчаных частиц поры между ними заполняются пылеватыми и глинистыми частицами, намытый грунт имеет микрослоистую текстуру, что резко ухудшает фильтрационные свойства намытого грунта;

в процессе намыва в пляжной зоне грунт может быть уложен с плотностью, не обеспечивающей достаточной несущей способности для работы людей и механизмов, что усложняет технологию работ;

роль технологии намыва не всегда ограничивается укладкой грунта, в ряде случаев появляется необходимость в выборе химических или других способов ускорения осветления воды, а также консолидации больших объемов разжиженной массы, поступающей в отвал;

в зависимости от типа гидроотвала схема намыва принимается односторонней, двусторонней или кольцевой; взятый за основу низкоэстакадный способ не исключает возможности выбора других способов намыва гидроотвалов (низкоопорный, зенитный и др.).

4.3. Принципиальная основа технологии намыва должна отвечать следующим требованиям.

Гидроотвал необходимо возводить так, чтобы по всей его периферии был образован пляж шириной не менее 60 м, а отстойный прудок прижат к естественному откосу или расположен в центре гидроотвала.

Площадь отстойного прудка должна обеспечивать осветление отработанной воды (с учетом допускаемого содержания мелких фракций) и создавать условия для работы на водообороте. Излишек площади прудка нежелателен, так как он способствует снижению объема грунта, намываемого в надводной части, и увеличению разжижения глинистого грунта в прудке.

Скорость поднятия уровня воды в прудке определяется интенсивностью наращивания гидроотвала по всей его площади.

При намыве пляжа должна максимально использоваться возможность фракционирования грунта для образования надводного профиля, при котором крупность фракций закономерно возрастает в сторону наружного откоса.

Пляж намывают тонкими слоями, с перерывами для консолидации грунтовой массы, требующейся по условиям устойчивости гидроотвала. При этом необходимо учитывать, что уплотнение намытого слоя происходит в результате понижения депрессионной кривой фильтрационного потока и испарения, в то время как длительный намыв в одном месте может привести к переувлажнению намытого грунта на значительную глубину. Толщину слоя намыва принимают: для глин 0,25 - 0,30 м, для суглинков 0,3 - 0,4, для супесей 0,4 - 0,5 м. Максимальную продолжительность непрерывного намыва слоев во избежание переувлажнения уже уплотненных нижележащих слоев ограничивают временем: для глин 18 ч, для суглинков 24 ч. Возобновление намыва на ранее намытый супесчаный слой допускается после снижения влажности грунта на пляже до 18 - 20 % (примерно через 4 - 6 суток).

Скорость потока пульпы на пляже для мелкопесчаных и пылевато-глинистых грунтов может быть определена по рис. 3 или по формуле

,

где        d_ср - средневзвешенная крупность намытого грунта, мм;

         c_п - массовая консистенция пульпы;

         g - ускорение силы тяжести; g = 9,81 м/с²;

         q_п - удельный расход пульпы, л/с.

Требуемую скорость потока пульпы следует подбирать по ходу проектирования путам выбора диаметра и количества одновременно работающих выпусков. Для расхода пульпы 1500 - 2000 м³/ч рекомендуется использовать 6-10 открытых выпусков диаметром 100 - 200 мм.

Расстояние между выпусками не должно превышать 6 - 8 м во избежание образования застойных зон вблизи обвалования.

4.4. Выполнения требований п. 4.3 можно достичь при рассредоточенном выпуске пульпы из отверстий пульпопровода, уложенного на эстакаде. Эстакадный способ обеспечивает высокие качество и производительность намыва.

4.5. При эстакадном способе следует проектировать укладку пульпопровода по периметру площади намыва в непосредственной близости от обвалования. Стойки опор рекомендуется располагать не далее подошвы откоса обвалования.

Рис. 3. Зависимость скорости потока намыва v от удельных расходов пульпы q_п и крупности намываемого грунта:

1 и 2 - песок соответственно крупно- и мелкозернистый; 3 - пылеватый грунт

При высоте обвалования около 3 м высота эстакад должна быть около 2,5 м. В таком случае эстакада имеет простую конструкцию, обеспечивающую благоприятные условия для отсыпки обвалования, и замытые стойки опор можно сравнительно легко извлечь подъемным механизмом.

4.6. Для отсыпки обвалования забор грунта из намытого пляжа не допускается. Грунт для отсыпки обвалования необходимо забирать экскаватором (драглайном) из излишков наружного откоса с одновременной планировкой этого откоса под запроектированное заложение.

Дамбу вторичного обвалования при наращивании гидроотвала на устойчивость не рассчитывают. Во избежание размыва внешнего откоса гидроотвала укладывать распределительный пульпопровод на дамбе обвалования не разрешается.

Для перехода в течение сезона на новые ярусы намыва намывной пульпопровод следует составлять из двух ветвей, противоположно направленных от магистрального пульпопровода. Тогда перекладку одной ветви можно производить без длительной остановки гидромеханизмов.

4.7. Размеры пляжа назначают исходя из гранулометрического состава грунтов карьера и скорости осаждения пылевато-глинистых частиц в прудке-отстойнике. При этом следует избегать образования в верхних горизонтах прудка застойных зон из-за перемещения уреза воды в прудке.

4.8. При проектировании гидроотвалов высотой более 10 м необходимо учитывать, что давление слабых глинистых грунтов центральной зоны на упорную призму увеличивается пропорционально высоте. Незначительные нарушения технологии намыва могут привести к образованию оползней и утечке глинистой суспензии из отстойного прудка. Для предотвращения этих повреждений при намыве отвала следует предусмотреть возможность увеличения устойчивости намытых масс грунта путем пригрузки наружных откосов гидроотвала сухим грунтом с высокими фильтрационными свойствами, а также путем устройства берм на наружном откосе.

Бермы необходимы, кроме того, как проезды и площадки для наращивания последующих ярусов намыва. Расположение и размеры берм следует выбирать исходя из условий и средств производства работ.

4.9. В случае проектирования гидроотвалов высотой более 30 м при расчетных коэффициентах запаса устойчивости откосов менее 1,2 и объеме отстойного прудка, не обеспечивающем требуемого осветления воды, необходимо рассмотреть вариант выноса прудка-отстойника за пределы гидроотвала. Следует учесть, что помимо снижения класса капитальности гидроотвала при этом достигается увеличение его емкости и значительно облегчается работа прудка-отстойника. Однако строительство вторичного отстойника требует более массивного обвалования, которое необходимо рассчитывать согласно СНиП II-53-73 как водоудерживающую плотину. Исходя из этого, вторичный отстойник целесообразно располагать в выработанном пространстве карьера.

Выбор типа дамбы первичного обвалования

4.10. Дамба первичного обвалования обеспечивает образование начальной емкости гидроотвалов и фильтрацию воды из намытого грунта.

Дамбу в основании наружного откоса отвала следует проектировать с таким расчетом, чтобы после окончания намыва начального яруса объем срезаемого грунта обеспечил бы отсыпку дамбы обвалования следующего яруса. Предельно допустимые размеры первичной дамбы обвалования после среза грунта должны быть указаны в проекте.

4.11. Основные параметры и конструкция ограждающей дамбы зависят от типа гидроотвала, рельефа местности и инженерно-геологических условий основания гидроотвала.

Высота дамбы первичного обвалования должна назначаться с учетом состава карьерного грунта, интенсивности намыва, емкости прудка-отстойника и гидроотвала в целом. Минимальную высоту дамбы следует принимать близкой к высоте намыва, т.е. 3 - 5 м.

Превышение гребня ограждающей дамбы первичного и вторичного обвалований над уровнем воды в прудке должно быть достаточным для предотвращения перелива через него пульпы во время намыва.

Ширину гребня дамбы первичного обвалования следует назначать с учетом условий строительства и эксплуатации гидроотвала, но не менее 4 м при необходимости проезда машины и не менее 3 м при отсутствии такой необходимости.

4.12. Откосы дамбы первичного обвалования должны иметь достаточную устойчивость против оползания при заданных условиях возведения и эксплуатации гидроотвала.

При высоте дамбы первичного обвалования более 3 м заложение откосов следует определять расчетом на устойчивость дамбы.

При проектировании гидроотвалов III класса заложение откосов дамбы первичного обвалования высотой до 3 м должно соответствовать углу естественного откоса грунта.

4.13. Выбор материала для возведения дамбы первичного обвалования должен производиться с учетом возможности использования местных грунтов, применения гидромеханизации, а также с учетом дренирующей способности материала.

Ограждающие дамбы необходимо возводить из песчаных грунтов. Применение суглинков и супесей требует специальных технико-экономических обоснований (СНиП II-53-73).

Грунты для устройства дамбы первичного обвалования следует выбирать с более высокими свойствами по сравнению с грунтами упорной призмы. Фильтрационный поток на отдельных участках при выходе в низовой откос дамбы первичного обвалования не должен вызывать фильтрационных деформаций.

4.14. Для надежного сопряжения тела первичной дамбы обвалования с основанием необходимо удалять со всей площади ее основания почвенно-растительный слой и слабые грунты.

Сопряжение ограждающей дамбы с водосбросными сооружениями должно предотвращать появление опасной для сооружения сосредоточенной фильтрации.

Проектирование водосбросных и водозаборных сооружений. Отвод поверхностных вод

4.15. Водосбросные сооружения предназначаются для отвода осветленной воды за пределы отвала. Они могут выполняться в виде сбросных колодцев, водозаборных плавучих насосных установок или передвижных насосных установок с плавучим водозабором.

Примечание. Необходимость в полном или частичном опорожнении прудка-отстойника может возникнуть в тех случаях, когда первичной дамбе или боковой призме отвала угрожает опасность разрушения вследствие переполнения прудка-отстойника, разрушения пляжа намыва от волновых воздействий, интенсивной фильтрации, сопровождающейся выпором грунта и др.

4.16. При проектировании водосбросных устройств для гидроотвалов овражного и балочного типов должен быть предусмотрен комплекс мероприятий, обеспечивающих пропуск ливневых и паводковых вод с водосбросной площади гидроотвала. Отказ от применения специального водосбросного устройства необходимо обосновать.

4.17. Сооружения и оборудование для сброса воды (водосбросные колодцы и насосные станции) должны быть расположены в зоне наиболее осветленной воды в центральной части прудка-отстойника. При этом необходимо учитывать возможность влияния ветро-волновых течений на процесс отстоя воды в прудке.

Для обеспечения слива верхнего, наиболее осветленного слоя воды на всасывающей трубе плавучих насосных станций рекомендуется предусматривать устройства в виде металлических ящиков, обеспечивающих слой слива толщиной 5 - 8 см.

4.18. Для возмещения потерь и регулирования положения горизонта воды в прудке-отстойнике (с целью обеспечения осветления воды) подпиточную воду необходимо подавать на возможно большем расстоянии от водосбросного колодца или насосной станции. Расход подпиточной воды следует принимать из расчета 0,6 - 1,0 м³ на 1 м³ карьерного грунта.

4.19. Качество осветленной воды при сбросе ее из гидроотвалов во внешние водоисточники должно удовлетворять «Правилам охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами» № 372-61 и нормам «Предельные допустимые концентрации вредных веществ в воде водоемов санитарно-бытового водопользования» № 847-70.

4.20. Сбросные колодцы следует рассчитывать согласно действующим типовым проектам. Для регулирования уровня воды в прудке-отстойнике на сбросных колодцах следует предусматривать шандоры.

4.21. Для повышения устойчивости откосов гидроотвала за счет снижения кривой депрессии и отвода фильтрационных вод при намыве во избежание обводнения района работ должны быть запроектированы дренажные устройства. Необходимость устройства дренажа на гидроотвалах, а также его конструкция и расположение должны быть обоснованы проектом в зависимости от типа гидроотвала, его высоты, инженерно-геологических условий основания, конструкций первичной дамбы и др. (СНиП II-53-73, пп. 2.53-2.65).

Наиболее простой способ дренирования гидроотвала - возведение первичной дамбы обвалования из водонепроницаемого грунта, коэффициент фильтрации которого больше, чем у намываемых грунтов.

4.22. Для защиты гидроотвала от поступления ливневых и паводковых вод с прилегающей территории следует устраивать дренажные канавы. Сечение канав, уклоны и количество поступающей воды определяют в проекте с учетом площади водосброса, рельефа местности и гидрометеорологических условий.

5. РАСЧЕТЫ

Фракционирование связных грунтов при намыве

5.1. При расчете фракционирования (раскладки) связных намываемых грунтов необходимо учитывать следующие обстоятельства.

При намыве гидроотвалов происходит фракционирование грунта по крупности с уменьшением диаметра частиц по мере удаления от выпуска. Характер фракционирования при намыве связных грунтов зависит от степени неоднородности карьерного грунта, количества мелкодисперсных частиц, удельного расхода и консистенции пульпы, а также от изменения положения уреза воды в прудке-отстойнике.

Фракционирование в процессе намыва связных грунтов становится заметным при коэффициенте неоднородности грунта K_н = d₆₀/d₁₀ ³ 5 и зависит от расхода и консистенции пульпы.

Значительное влияние на характер раскладки фракций имеет положение границ прудка-отстойника. В упорной призме откладывается большая часть песчаных частиц. В промежуточной зоне (зоне колебания уреза воды в прудке) резко возрастает содержание глинистых фракций. В центральной (прудковой) зоне преимущественно осаждаются глинистые и пылеватые частицы, в местах поступления потока пульпы в прудок-отстойник - мелкопесчаные частицы (рис. 4, 5).

Рис. 4. Изменение гранулометрического состава грунта по длине откоса намыва:

I, II, III - зоны гидроотвала

5.2. Размеры зон гидроотвала и расчетные характеристики намываемого грунта следует принимать по гидроотвалам-аналогам, у которых способы намыва одинаковые, а разрабатываемый грунт близок по своим характеристикам к грунту, складируемому в проектируемый гидроотвал. При отсутствии гидроотвалов-аналогов рекомендуется использовать графические методы В.Н. Маслова, П.И. Гордиенко или разработанный ВНИИГС метод расчета фракционирования по откосу намыва для отвалов из связных грунтов (приложение 3).

Рис. 5. Изменение характера фракционирования по длине откоса намыва:

1 - d₅₀; 2 - K_н; 3 - П (П - параметр фракционирования)

При проведении расчетов графическими методами можно руководствоваться следующими рекомендациями Б.А. Волнина по прогнозу распределения фракций намываемого грунта:

в упорной призме отвала будут откладываться частицы крупностью > 0,1 и ³ 0,05 мм при содержании в карьерных грунтах соответственно до 60 и до 25 % частиц менее 0,1 мм;

в центральной части отвалов в обоих случаях откладываются частицы размерами менее 0,1 мм.

5.3. Расстояние от начала намываемого откоса до центра распределения фракции без учета изменения плотности по откосу намыва можно вычислить по формуле В.А. Мелентьева:

                                                        (5)

где        L_i - длина каждой из зон L_I, L_II, L_III, M;

         L - длина откоса намыва, м;

         Ф_i - содержание фракций от d_i до d_макс в исходном грунте.

5.4. Ширину каждой зоны с учетом плотности грунта следует определить по формулам:

где        L - длина откоса намыва от обвалования до центральной части прудка, м;

         b_i - коэффициент гидроразрыхления.

5.5. Длину пляжа необходимо проверять исходя из условий безопасного положения кривой депрессии (см. п. 5.25).

5.6. Средний уклон поверхности намыва грунтов зависит от удельного расхода пульпы на откосе намыва, ее консистенции, крупности частиц грунта и принимается по табл. 3.

Таблица 3

Профиль отложения пляжной зоны имеет вогнутую форму с общим уклоном от места выпуска пульпы к прудку-отстойнику.

Профиль поверхности намытых грунтов ниже уровня воды также имеет вогнутую форму с постепенным уполаживанием откоса по мере удаления от уреза воды прудка.

Расчетные физико-механические характеристики грунтов, укладываемых в отвал

5.7. Для проектирования и возведения гидроотвала необходимо установить расчетные физико-механические характеристики грунтов основания, дамбы первичного обвалования и грунтов, подлежащих укладке в гидроотвал.

5.8. Расчетные характеристики грунтов следует устанавливать по данным:

инженерно-геологических и гидрологических изысканий карьера, подлежащего разработке, и района, отведенного под складирование пород в гидроотвал;

расчета фракционирования карьерного грунта в гидроотвале;

лабораторного определения характера изменения физико-механических свойств карьерного и намытого в гидроотвал грунтов;

материалов полевых и лабораторных исследований складирования глинистых грунтов в аналогичных условиях.

Примечание. Если проектируемый гидроотвал располагается в районе действующих гидроотвалов, то необходимо использовать результаты исследований этих отвалов.

5.9. Основными расчетными характеристиками грунтов при проектировании гидроотвалов должны быть:

гранулометрический состав грунтов;

число и пределы пластичности глинистых грунтов (текучести W_т и раскатывания W_р) и максимальная молекулярная влагоемкость W_м;

плотность грунта g;

объемная масса скелета грунта g_ск;

влажность грунта W;

коэффициент фильтрации K_ф;

коэффициент внутреннего трения tgj;

удельное сцепление C;

коэффициент уплотнения a.

Кроме указанных характеристик, для намываемых грунтов устанавливают средневзвешенный диаметр частиц d_ср, действующий диаметр d₁₀, меньше которого имеют 10 % массы всех частиц, диаметры d₆₀ и d₉₀ меньше которых имеют соответственно 60 и 90 % массы всех частиц.

5.10. Расчетные характеристики грунтов при проектировании гидроотвала устанавливают отдельно для основания гидроотвала, дамбы первичного обвалования и упорной призмы.

5.11. Расчетные характеристики грунтов основания гидроотвала устанавливают по результатам статистической обработки материалов инженерно-геологических изысканий на площади, отведенной для намыва отвала.

При определении расчетных характеристик грунтов основания особое внимание должно быть уделено прочностным свойствам.

Коэффициент запаса прочности основания определяют как отношение предельной нагрузки P_п к расчетной P_р:

.                                                               (6)

Для неслабых грунтов основания на стадии технического проекта расчетные характеристики разрешается устанавливать по аналогии, а также по усредненным значениям характеристик, приведенным в табл. 4.

5.12. Для дамб первичного обвалования расчетные характеристики грунтов следует принимать исходя из физико-механических свойств грунтов, планируемых для использования при строительстве дамбы.

Для определения расчетных характеристик грунта необходимо установить его гранулометрический состав на основании лабораторных определений проб, отобранных из грунта (местного или привозного), предназначенного для строительства дамбы обвалования.

Основные расчетные характеристики грунтов для выполнения расчетов фильтрации и устойчивости откосов дамбы первичного обвалования: плотность, объемная масса скелета, массовая влажность грунта (в долях единицы), коэффициент фильтрации, коэффициент сопротивления сдвигу (угол внутреннего трения и сцепления), пределы и число пластичности, консистенция.

После возведения дамбы первичного обвалования перед заполнением гидроотвала принятые в расчетах характеристики грунтов необходимо проверить на основе контрольных лабораторных определений. В случае расхождения расчетных и фактических характеристик грунта в рабочие чертежи следует внести исправления.

5.13. Расчетные физико-механические характеристики намываемого грунта упорной призмы назначают в зависимости от технологии намыва и физико-механических свойств грунтов карьера по аналогии с ранее намываемыми отвалами. Это допускается при совпадении гранулометрического состава карьерных грунтов.

Таблица 4

Примечание. Данные таблицы приведены по приложению 1 СНиП II-И.4-62*.

При выборе расчетных характеристик грунта необходимо учитывать следующее:

при намыве связных грунтов карьера с коэффициентом неоднородности K_н  происходит четкое фракционирование грунта по зонам; в упорной призме откладываются в основном частицы диаметром более 0,1 мм;

естественная влажность и объемная масса скелета намытого грунта упорной призмы изменяются во времени: за период 4-6 суток W уменьшается от 17-20 до 12-10 %, g_ск увеличивается от 1,45-1,50 до 1,55-1,60 г/см³;

для грунтов упорной призмы характерна тонкослоистая текстура отложений, которая возникает в результате периодического изменения режима намыва и гранулометрического состава твердого компонента пульпы; намытые тонкослоистые грунты имеют различный коэффициент фильтрации K_ф в продольном направлении K_ф больше, чем в поперечном.

Гранулометрический состав намытых грунтов упорной призмы следует рассчитывать графоаналитическим методом, исходя из состава карьерного грунта и характера фракционирования (приложение 4). Основные расчетные физико-механические характеристики грунта при наращивании гидроотвалов высотой до 30 м принимают по табл. 5. При отклонении состава карьерного грунта более чем на 5 % характеристики грунта должны быть проверены дополнительными расчетами.

Объемную массу скелета намытого грунта можно определить по рис. 6, 7, 8, угол внутреннего трения - по рис. 9.

Для песчаных грунтов упорной призмы в зависимости от g_ск необходимо определять угол внутреннего трения и коэффициент фильтрации (табл. 6 и 7) по СНиП II-И.5-62*.

Таблица 5