Оценка опасността от втечняване на хвоста от хвостохранилище «люляковица» определяне динамичната якост на хвоста“



Дата03.02.2017
Размер215.82 Kb.
#14125
ГОДИШНИК НА МИННО-ГЕОЛОЖКИЯ УНИВЕРСИТЕТ “СВ. ИВАН РИЛСКИ”, Том 58, Св. I, Геология и геофизика, 2015

ANNUAL OF THE UNIVERSITY OF MINING AND GEOLOGY “ST. IVAN RILSKI”, Vol. 58, Part I, Geology and Geophysics, 2015



ОЦЕНКА ОПАСНОСТТА ОТ ВТЕЧНЯВАНЕ НА ХВОСТА ОТ ХВОСТОХРАНИЛИЩЕ «ЛЮЛЯКОВИЦА» - ОПРЕДЕЛЯНЕ ДИНАМИЧНАТА ЯКОСТ НА ХВОСТА“
Стефчо Боянов Стойнев, Антонио Вутов Лаков
Минно-геоложки университет “Св. Иван Рилски”, 1700 София; stoynev@mgu.bg
РЕЗЮМЕ. Направени са изследвания за физикомеханичните свойства на хвоста от стената на хвостохранилище „Люляковица. Въз основа на анализа на данните за зърнометричния състав и плътностните характеристики на хвостовия материал са избрани две плътностни състояния, които са характерни за отделните зони на разреза. Проведени са динамични триаксиални изследвания на проби за всяка една от избраните плътности. За всяка една от тях е построена зависимостта между коефициента на цикличните напрежения dp/23' и броя на колебанията N, което представлява паспорт на динамичната якост на хвоста за съответната плътност, изразяваща граничното напрегнато състояние при динамични въздействия.
ESTIMATION OF THE LIQUEFACTION HAZARD OF THE TAILINGS FROM LYULYAKOVITZA TAILINGS DAM – DETERMINATION OF THE DYNAMIC STRENGHT OF THE TAILINGS

Stefcho Boyanov Stoynev, Anotnio Vutov Lakov

University of Mining and Geology “St. Ivan Rilski”, 1700 Sofia; stoynev@mail.bg
ABSTRACT. The tailnig materials of the tailing dam wall “Lyulyakovitza” were studied in order to identify their physical and mechanicl properties. Based on the grain-size distribution and in-situ the dry density two dry density values were identified as characterisitic for the different zones of compaction of the profile the wall. For each of them a series of specimens were tested under triaxial dynamic compression conditions and the relationships between the cyclic stress ration dp/23' and the applied number of cycles N at yield were derived, that are considered as limit state curves of the tailings under dynamc conditions.
.


Въведение
Дългосрочните планове за развитие на рудник Асарел изискват да се извърши надграждане на стената на хвостохранилище „Люляковица“ до кота 900. Един от анализите, който трябва да бъде направен при изследванията за устойчивостта й, е свързан с оценка на опасността от втечняване на хвостовия материал при сеизмични въздействия. Най-достоверният от редицата методи, които съществуват за оценка опасността от втечняване на водонаситени слаби почви, са аналитичните методи. Те се основават на сравнение на срязващите напреженията, индуцирани в почвата от сеизмично въздействие с динамичната якост на водонастената почва, определени в лабораторни условия чрез циклични изпитвания. Най-често тези изпитвания се провеждат в апарати за просто срязване и триаксиални апарати, откъдето носят наименованията си двата основни метода за лабораторни изследвания – cyclic simple shear test и cyclic triaxial compression test.
Определянето на динамичната якост на хвоста при настоящото изследване е извършено чрез циклични триаксиални опити, като пробите от хвоста са изследвани при две степени на уплътненост, които са най-характерни за неговото състояние.
Характеристика на хвоста
Стената на хвостохранилището се изгражда чрез намиване на отпадъка от обогатителната фабрика. Основата на стената е каменно-насипна с кота на короната 750 m. Над тази кота надграждането на стената е изпълнявано чрез циклониран хвост (до кота 793) и чрез директно намиване на пулпа по плажа, без частично предварително хидроциклониране на хвоста. Веднъж годишно се изгражда дига с височина 3,0 m, върху която се монтира намивният тръбопровод. За изграждане на дигата се използва хидроциклониран хвост, добит от към въздушната страна, непосредствено до последната намивна дига с помощта на хидроциклони, захранени директно от намивния пулпопровод. Предвижда се, тя да бъде надградена до височина 190 m (до кота 829).

Извършените сондажни, пенетрационни и лабораторни изследвания (Стойнев (ред.), 2014) показват, че над кота 782 хвостът се характеризира със сравнително ниски плътностни характеристики – обемната плътност на скелета се изменя от 1,51 g/cm3 до 1,88 g/cm3, средна стойност 1,62 g/cm3 (фиг. 1), а относителната плътност, определена от пенетрационните изследвания, се изменя от 0,26 до 0,65 (рахъл до средно сбит хвост).


Обработените данни за съдържанието на финните фракции в състава на хвоста (фиг. 2.) показват една зна-


Фиг. 1. Изменение на обемната плътност на скелета в дълбочина в сондаж МС3.
Обработените данни за съдържанието на финните фракции в състава на хвоста (фиг. 2.) показват една значителна пространствена нееднородност по отношение на състава му. Независимо, че като класификация, преобладаващо хвоста се определя като „глинест пясък”, съдържанието на финните фракции с d<0,075 mm се изменя от 20% до повече от 60%, като практически няма закономерност в разпределението им в стената.


Фиг. 2. Съдържание на финни фракции с d<0,075 mm в хвоста в дълбочина в сондаж МС3.
За определяне на естествената степен на уплътненост на хвоста, за три броя проби са определени минималната и максималната стойност на обемната плътност на скелета. Минималната стойност dmin е определена чрез свободно насипване на пробата във въздушно сухо състояние, а максималната стойност dmax е определена чрез уплътняване по метода Проктор. Получените стойности за dmin се изменят в границите 1,25÷1,31 g/cm3 (средна стойност 1,27 g/cm3), а тези за dmax - в границите от 1,98÷ 2,02 g/cm3 (средна стойност 2.01 g/cm3). Тези резултати, както и стойностите от обемната плътност на скелета d на пробите, показват, че средната стойност на относителната плътност ID за хвоста е 0,46. Това го характеризира като средно сбит (ID=0,33÷0,66), като преобладаващата част от пробите имат относителна плътност в зоната на долната част на интервала.
Условията на залягане, зърнометричният състав, плътностното му състояние и хидрогеоложките условия на хвоста, изграждащ стената на хвостохранилището над кота 782, се характеризират със следните особености, които предполагат възможност за втечняването му при сеизмични въздействия, а именно:

  • наличие на несвързани почви, дребнозърнести, с високо съдържание на прахова и глинеста фракции;

  • рахло до средно сбито състояние на хвоста в тази зона;

  • водонаситено състояние на хвоста под кота 802.

Средните стойности на определените физикомеханични характеристики, както и границите на тяхните изменения, са посочени в таблица 1.


Под кота 782 в разреза на стената преобладават по-уплътнени зони, като обемната плътност на скелета на хвоста се изменя от 1,51 g/cm3 до 1,89 g/cm3 (средна стойност 1,69 g/cm3), а относителната плътност ID, определена от пенетрационните изследвания, се изменя от 0,78 до 0,82 (сбит хвост). Данните от лабораторните изследвания на земни проби от този дълбочинен интервал. показват, че хвостът се намира в средно сбито и сбито състояние. Въпреки, че хвостът от тази зона е водонаситен, по-високата плътност и по-високото съпротивление на пенетрация индикират намалена опасност от втечняване.

Методи за определяне на динамичната якост на несвързани почви в лабораторни условия
Цикличното просто срязване (cyclic simple shear test) най-добре възпроизвежда естественото напрегнато състояние. За първи път е използвано от Seed, Peacock (1971). Изпълнението му, обаче, е свързано с редица проблеми (Seed et al., 1982; Hird, Hassona, 1990), свързани с:

  • подготовката на представителни образци;

  • реализирането на еднаква срязваща деформация в различните точки на образеца;

  • реализирането на еднакво натоварване върху образеца;

  • отстраняването на условията за концентрация на напрежения в отделни части от образеца.

Цикличните триаксиални изследвания (cyclic triaxial compression test) са по-широко използваният метод за определяне напреженията, при който възниква втеч­няване. Първата методика за провеждане на динамични изпитвания в триаксиални апарати е разрабо-тена от



Таблица 1.

Обобщена таблица с физико-механичните показатели от хвоста


Показател

мин.

сред-но

макс.

Водно съдържание

Wn, (%)

5,02

15,47

29,50

Обемна плътност

n (g/cm3)

1,80

1,99

2,20

Специфична плътност

s (g/cm3)

2,68

2,77

2,88

Обемна плътност на скелета

d (g/cm3)

1,51

1,62

1,88

Порен коефициент

e

0,49

0,72

0,87

Степен на водонасищане

SR (%)

63,00

89,00

99,00

БДС

Зърнометричен състав

% Чакъл

-

0

-

% Пясък

-

51

-

% Прах

-

38

-

% Глина

-

11

-

Граници на пластичност

WL (%)

17,70

20,11

26,80

WP (%)

11,30

15,57

21,78

IP (%)

0,74

4,54

9,80

IС (%)

-4,52

0,88

5,86

Якост на срязване

CU триаксиален опит

c´ (kPa)

3,80

21,07

39,80

φ´ (º)

26,00

27,67

29,00

UU триаксиален опит

c (kPa)

-

3,00

-

φ´ (º)

-

1,00

-

CD опит на плоско срязване

c (kPa)

6,64

11,30

16,80

φ´ (º)

23,04

31,59

35,54

Компресиони показатели

100 kPa

M100 (kРа)

34,78

53,65

65,57

200 kPa

M200 (kРа)

72,20

96,71

112,68

300 kPa

M300 (kРа)

117,65

126,95

143,20

тена от Seed and Lee (1966). По-късно, изследвания върху динамичните триаксиални изпитания са извършвани от десетки автори. Всички те използват за основа предложената от Seed and Lee методика, като една значителна част от разработките са насочени към изучаване на факторите, влияещи върху резултатите от изпитанията. По-съществени в методологично отношение са разработките на Tatsuoka, Silver (1981), Seed, Anwar (1986), Brandon et al. (1991), Tatsuoka et al. (1986), Alarcon-Guzman et al. (1988), Ishihara (1993), Hyodo et al. (1994).


Като характеристика на напреженията, предизвикващи втечняване при триаксиалните изследвания се използва отношението dp/23I - коефициент на цикличните напрежения. Стойността на това отношение отразява условията в триаксиалната камера, при които възниква втечняване. Тези условия са различни в сравнение с естественото напрегнато състояние h/vi, което се използва при просто срязване. Поради тази причина, големината на цикличните напрежения, предизвикващи втечняване, определени по двата метода, ще имат различни стойности. Връзката между двата параметъра, предложена от Seed and Peacock (1971), e следната:
(h/vi)просто срязване = C1(dc/23)триаксиално срязване ,
Къдетокъдето: C1 е корекционен коефициент за разликата между естественото напрегнато състояние на масива и условията в триаксиалната камера. Числената му стойност зависи от показателя K0 = 3/1, като главните напрежения 1 и 3 са определени "in situ". При насоящето изследване е използвана стойността му, предложена от Seed (1979) Cr = 0,63.
Стойностите на цикличните напрежения, предизвикващи втечняване при експерименталните изпитвания, са с 10% по-високи от естествените. Причина за това е пространственият характер на сеизмичното въздействие, в сравнение с еднопосочното въздействие при експерименталните изследвания. Отчитането на пространствения характер на сеизмичното въздействие, при определяне опасносттта от втечняване, се извършва чрез намаляване на експерименталните резултати с 10%:
(h/vi)действ.=0,9.(h/vi)просто срязване= C1.(dc/2 3)триакс.срязване
Резултатите от динамичните триаксиални изследвания се влияят от множество фактори. Те могат да бъдат обединени в две групи:

  • Фактори, свързани с възможностите на използваната апаратура – система за подаване на натоварването (пневматична или електро-хидравлична), критерии за изравняване, тип на връзките на натоварващата ос, системите за контрол на напреженията, на порния натиск, на обемните деформации, на степента на водонасищане;

  • Фактори, свързани с процедурата на изпитване - подготовката на образците за изследване, приложените странични напрежения, формата и характера на цикличното натоварване, честотота на цикличния товар, размерите на изследвания образец.

Изследванията на Seed (1976) показват, че за някои от тях (например подготовката на образците), влиянието е толкова силно, че разликите в получените резултати могат да достигнат 100%.



Определяне на динамичната якост на хвоста
Лабораторното определяне на условията за втечняване на пясъчни образци е извършено чрез циклични триаксиални изследвания (cyclic triaxial compression test). Експерименталните изследвания са извършени върху интегрална проба от хвоста, която е характерна за състава на материала от стената на хвостохранилището. Зърнометричният състав на изследваната проба е посочен на зърнометричната крива (фиг. 3). Изследванията са проведени за две плътностни състояния на материала – =1,55 g/cm3 и 1,65 g/cm3. Тези две плътности са характерни за зоната над кота 782, която, според резултатите от анализа на опасността от втечняване от полевите динамични пенетрационни изследвания, е с вероятност за втечняване. В дълбочина плътността на хвоста се повишава и практически не съществува опасност от втечняването му под кота 782.
Динамичната якост на водонаситения хвост е изследвана в триаксиален апарат DCM-275 на фирмата “Seiken”, Япония. Динамичният девиатор dp е приложен по надлъжната ос на образеца. Образците са с размери 10 cm височина и 5 cm диаметър. Цикличното натоварване е синусиодално, с честота 2 Hz. То е приложено след изотропна консолидация, при всестранно ефективно напрежение 1= 3= 300 kРа и при затворена дренажна система (консолидирано-недренирано изпитване). Прило­жената методика е посочена в Константинов, Стойнев (1992), Стойнев, Константинов (1991) и Стойнев и др. (2003).
Изследването включва следните основни етапи:

  • подготовка на образеца - състои в изграждане на образец с предварително зададена плътност. За целта е използван т.н. “метод на утаяването”, предложен от Ishihara, Ansal (1982) и конкретизиран от Ansal (1984).

  • водонасищане на образеца - то е извършено при хидростатично натоварване 3=300 kРа. Хидростатичното натоварване се увеличава от 0 kN/m2 до посочетана стойност на степени от 50 kN/m2, като паралелно в образеца се създава обратно налягане с големина 0.90-0.95 от хидростатичното. След достигане на зададеното 3, е изчакано пълно водонасищане. Необходимият градиент се задава така, че да надвишава началния градиент на филтрация на материала, като същевременно не се предизвиква сифузионно изнасяне на финозърнестата фракция. Критериите за пълно водонасищане са два - задържане на постоянна стойност на порния натиск след затваряне на дренажната система, или метод “B-check” на Bishop (Bishop, 1962). Образецът се счита за водонаситен, ако при увеличаване на налягането в камерата със 100 кРа, обратното налягане в образеца (back pressure) се увеличи най-малко с 95 кРа.

  • консолидация - напълно водонаситените образци консолидират при разлика между хидростатичното налягане и обратното налягане в образеца (изотропна консолидация), равна на геоложкия товар. Тя се постига чрез стъпаловидно увеличаване на хидростатичното налягане през 50 kN/m2. Критериите за край на филтрационната консолидация са прекратяването на вертикалните деформации (<0.001 mm/ 10 min) и запазване на нулева стойност на порния натиск след затваряне на дренажната система (<10 Pa/10 min).

  • циклично натоварване – прилага се след приключване на филтрационната консолидация и затваряне на дренажната система (консолидирано-недренирано изпитване). То е знакопроменливо, с единична амплитуда dp по направление на оста на образеца. Проведените изследвания са при честота 2 Hz. В процеса на циклично натоварване е извършвана перма­нентна регистрация на dp, на двойната аксиална деформация DA и на порния натиск U в образеца. След N брой колебания настъпва т.н. "начално втечняване" на образеца. Критерият за начално втечняване е достигане на порния натиск U в образеца до първоначално ефективно странично напрежение или достигане на DA до 10 %. За получаване на статистически значими резултати са направени изследвания върху паралелни образци при 6-7 стойности на dp, които са подбрани така, че втечняване да настъпи при стойности на N от 3-4 до 6000 цикъла.



Таблица 2.

Физикомеханични свойства на изследваната проба от хвоста и резултати от динамичните триаксиални изпитванията


А. Физични показатели.



Показател

Означение

Стойност

1

Специфична плътност

s, g/cm3

2,70

2

Максимална обемна плътност на скелета

dmax, g/cm3

1,69

3

Минимална обемна плътност на скелета

dmin , g/cm3

1,41

4

Водно съдържание

Wn, %

18,5

5

Зърнометричен състав

Пясък, %

90

Прах, %

10

Глина, %

0

6

Обемна плътност на скелета

d, g/cm3

1,551,65

Б. Зависимост dp / 23i = f(N).

d = 1,55 g/cm3

d = 1,65 g/cm3

N

dp / 23i

N

dp / 23i

7

0,234

5

0,278

16

0,195

6

0,265

37

0,171

10

0,24

64

0,159

24

0,215

448

0,149

120

0,188

2583

0,142

538

0,18

-

-

4980

0,17

Честота на натоварване - 2 Hz;

N – брой цикли за начално втечняване;

dp / 23i – коефициент на цикличните напрежения.


Резултатите от изследването се отразяват в координатна система RL=dp/23І = f(lgN). Плавната крива, съединяваща отделните точки, за които е изпълнено условието ID = const, се нарича паспорт на динамична якост и изразява граничното напрегнато състояние.





фиг. 3. Зърнометричен състав на изследвания хвост.



Фиг. 4. Зависимост между коефициента на цикличните напрежения dp/23' и броя на колебанията N за хвост с обемни плътности на скелета d=1,55 g/cm3.и d=1,62 g/cm3




Зависимостта RL = f(lgN) се описва с уравнение на съставна хипербола от вида:
RL = RL, + А.N-b,
където:

RL, - съпротивление при неограничен (безкраен) брой колебания; А и b са емпирични коефициенти, зависещи от състава и състоянието на хвоста.


Граничните условия, които се определят от асимптотата на хиперболата, имат определен физически смисъл: когато N клони към 0 то съпротивлението срещу втечняване клони към безкрайност, и обратно, при достатъчно голям брой колебания (N клони към безкрайност), съпротив­лението срещу втечняване остава практически постоянна величина. Определянето на параметрите на уравнението еднозначно определя RL,. Числено тя се изразява чрез онзи коефициент на цикличните напрежения, който не предизвиква втечняване на хвоста, тоест от вертикалната координата на асимптотата на уравнението.
Резултатите от проведените изследвания при двете плътностни състояния са посочени на таблица 2 и фигура 4.
Определената динамична якост на хвоста при двете плътностни състояния дава възможност да се извърши анализ на опасността от втечняване, чрез използване на аналитичните методи и въз основа на разчетните характеристики, получени от сеизмичното райониране на площадката.
Литература
Константинов, Б., С. Стойнев. Протичане на водонаситени пясъци (експеримент и прогноза). -Строителство, 3-4, 1992. - 24-27

Стойнев, С., Б. Константинов. Динамична (сеизмична) устойчивост на водонаситени пясъци. - Год. на МГУ, 37, З, 1991. - 79-86.

Стойнев, С., Б. Константинов, А. Лаков. Върху естест­вената структура на водонаситени прахови пясъци. Иновации в маркшайдерството и геотехниката, Сб. Доклади от Х Юбилейна Национална маркшайдерска конференция, Варна, 2003.

Стойнев, С. (ред.). Детайлно микросеизмично райониране и определяне на проектните сеизмични характеристики на хвостохранилище „Люляковица“. Доклад на „МГУ Инженеринг“, Фонд „Асарел“ АД, 2014.

Alarcon-Guzman, A., G. Leonards, J. Chameau. Undrained monotonic and cyclic strength of sands. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 114, No. 10, 1988. -1089-1109.

Ansal, A. Final Report for Task Group on Standartizion of Dynamic Testing Pressures for UNDP/UNESCO. Project on Earthquake Risk Reduction in the Balkan Region, Turkish National Committee on Earthquake Engineering, Istanbul, 1984. - 32.

Bishop, Alan W. Measurement of soil properties in the triaxial test. London : E. Arnold, 1962,

Brandon, T., G. Clough, P. Rahardjo. Fabrication of Silty Sand Specimens for Large and Small scale Tests. G eotechnical Testing Journal , Vol.14,No 1, 1991. - 46- 55.

Hird, C., F. Hassona. Some factors affecting the liquefaction and flow of saturated sands in laboratory tests. Engineering Geology, vol. 28, No.1—2, 1990. - 149-170.

Hyodo, M., H. Tanimizu, N. Yasufuku, H. Murata. Undrained cyclic and monotonic triaxial behavior of saturated loose sand. Soils and Foundations, Vol. 34, No. 1, 1994. - 19-32.

Ishihara, K. Liquefaction and flow failure during earthquakes. Geotechnique, Vol. 43, No. 3, 1993.. - 351-415.

Ishihara, K., A Ansal. Dynamic Behavior of Soils, Soil Amplification, and Soil Structure Interaction. Final Report for WED, UNESKO Report for the Project on Earthquake Risk Reduction in the Balkan Region, UNESKO, Paris, Vol.4 1982. - 125.

Seed, H. Some Aspects Of sand Liquefaction under Cyclic Loading. Proceedings, Conference on Behavior of Offshore Structures, Norway, 1976.

Seed, H.B., “Soil Liquefaction and Cyclic Mobility Evaluation for Level Ground During Earthquakes”, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 105, No. GT2, 1979, p. 201-255.

Seed, H., W. Peacock. Test Procedures for Measuring Soil Liquefaction Characteristics. Journal of the soil mechanics and foundations division, ASCE, Vol. 97 SM8, 1971.

Seed, H., R. Sukhmander, C. Chan, P. Vilela. Considerations in Undisturbed Sampling of Sands. Journal of the Geotechnical Engineering Division, Feb. 1982, GT2, 1982. -265- 282.

Seed, H., H. Anwar. Development Of a Laboratory Technique for Correcting Results of Undrained Triaxal Shear Tests on Soil Containting Coarse Particles for Effects of Membrane Compliance. Research Report No. SU/GT/86-02, Stanford University, 1986.

Tatsuoka, F., M. Silver. Undrained stress- strain Behavior of Sand under irregular loading. Soil and Foundation, Vol.21, No.1 1981. - 51-66.

Tatsuoka, F., K. Ochi, S. Fujii, M. Okamato. Cyclic Undrained Triaxal and Torsional Shear Strength of Sands for Different Sample Preparation Methods. Soil and Foundation, Vol.26, No 3, 1986. - 23-41.

Статията е рецензирана от доц. д-р Николай Стоянов и препоръчана за отпечатване от кат. „Хидрогеология и инженерна геология”.






Каталог: sessions
sessions -> Изследване чистотата на слънчогледово масло за производство на експлозиви anfo
sessions -> Laser “Raman” spectroscopy of anglesite and cubanite from deposit “Chelopech” Dimitar Petrov
sessions -> Св иван рилски
sessions -> Modeling of
sessions -> Управление на риска от природни бедствия
sessions -> Oценка на риска от наводнениe в елховското структурно понижение в района на гр. Елхово красимира Кършева
sessions -> Гравиметрични системи използвани в република българия и оценка точността на системи igsn-71 и unigrace при точки от гравиметричните и мрежи
sessions -> Toxicological assessment of photocatalytically destroyed mixed azo dyes by chlorella vulgaris
sessions -> Field spectroscopy measurements of rocks in Earth observations


Сподели с приятели:




©obuch.info 2024
отнасят до администрацията

    Начална страница