Гидродинамические и гидростатические силы как факторы, влияющие на устойчивость хвостохранилищ

Изучение процессов, происходящих в толще земной коры, всегда являлось актуальной темой для исследований. Результаты этих исследований позволили человеку разрабатывать и безопасно эксплуатировать месторождения полезных ископаемых в различных условиях. Рост потребления извлекаемого ресурса и увеличение масштабов горного производства вынуждают предприятия искать решения сложных инженерно-технических задач, одной из которых является проблема сдвижения горных масс и земной поверхности в области влияния промышленного производства, в том числе дамб хвостохранилищ. Целью данного исследования являлось повышение безопасности эксплуатации дамб хвостохранилищ. Объектом исследования стали ограждающие дамбы хвостохранилищ обогатительных фабрик, предметом исследования – деформационные процессы, происходящие в теле дамб и на поверхности откосов. Основными методами исследования, использованными в работе, были: изучение способов безопасной эксплуатации дамб хвостохранилищ на основе эксплуатационных условий хвостохранилища Учалинского месторождения с применением современных методов оценки устойчивости, анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта, а также изучение актуальных методов геомеханического мониторинга деформационных процессов – инженерно-геологических, геофизических, маркшейдерских и гидрогеологических. В статье описаны географические, гидрографические, климатические, геологические, горнотехнические условия эксплуатации хвостохранилища АО «Учалинский ГОК». Представлено обоснование влияния гидродинамических и гидростатических сил на устойчивость ограждающих дамб хвостохранилищ. На основе полученных данных и использованных методов исследования сделан вывод о том, что гидродинамические и гидростатические силы являются основополагающими разрушающими факторами, действующими на дамбы. Результаты данных исследований могут быть применены на стадии проектирования гидротехнических сооружений, так как они дополнят теоретические знания о влиянии жидких отходов на безопасность дамб хвостохранилищ и земляных плотин, а также позволят обнаружить деформационные процессы на начальной стадии развития и принять решения по их устранению.

1. Клюев Н.Н. Природно-ресурсная сфера России и тенденции ее изменения // Вестник Российской академии наук. 2015. № 7. С. 579–592. https://doi.org/10.7868/S0869587315050035

2. Клюев Н.Н. Природно-ресурсный комплекс России: траектория «неустойчивого» развития // Известия Российской академии наук. Серия географическая. 2014. № 5. С. 7–22.

3. Межеловский Н.В., Монастырных О.С., Бучкин М.Н., Вилькович Р.В., Килипко В.А., Мишин С.А. Инвестиционный анализ воспроизводства минерально-сырьевой базы России // Разведка и охрана недр. 2012. № 2. С. 90–102.

4. Шелкунов Т.Г. Особенности реализации инновационных проектов в горнодобывающей промышленности России // Экономика в промышленности. 2015. № 4. С. 32–38.

5. Орлов В.П. Минерально-сырьевые ресурсы и геополитика // Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. 2011. № 2. С. 23–26.

6. Толстых Н.И. Проблемы правового регулирования недропользования при разработке месторождений общераспространенных полезных ископаемых // Недропользование XXI век. 2007. № 6. С. 2–7.

7. Александрова В.И. Моделирование и ГИС-технологии // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2011. № S6. С. 34–44.

8. Пигарева Т.А., Абакумов Е.В. Биологические параметры почв и техногенных субстратов хвостохранилищ предприятия по добыче железной руды // Теоретическая и прикладная экология. 2015. № 1. С. 28–33.

9. Калашник Н.А. Компьютерное моделирование насыпной земляной плотины как прототип ограждающей дамбы хвостохранилища // Международный научно-исследовательский журнал. 2012. № 4. С. 54–55.

10. De Carvalho D.W. The ore tailings dam rupture disaster in Mariana, Brazil 2015: what we have to learn from anthropogenic disasters // Natural Resources Journal. 2019. Vol. 59. Iss. 2. P. 281–300.

11. De Carvalho D.W. The brumadinho dam rupture disaster, Brazil 2019: analysis of the narratives about a disaster from the perspective of disaster law // Revista de Estudos Constitucionais, Hermeneutica e Teoria do Direito. 2020. Vol. 12. Iss. 2. P. 227–238. https://doi.org/10.4013/rechtd.2020.122.04

12. Stanwick P.A., Stanwick S.D. The vale Brazilian dam collapse: an ethical and engineering disaster // American Journal of Sciences and Engineering Research. 2019. Vol. 2. Iss. 6. P. 6–11.

13. Kossoff D., Dubbin W.E., Alfredsson M., Edwards S.J., Macklin M.G., Hudson-Edwards K.A. Mine tailing dams: characteristics, failure, environmental impacts, and remediation // Applied Geochemistry. 2014. Vol. 51. P. 229–245. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2014.09.010

14. Буренкова В.В., Буренков П.М. Отечественный опыт оценки фильтрационной прочности несвязанных грунтов тела плотины и основания // Природообустройство. 2020. № 4. С. 84–91.

15. Саинов М.П., Чечеткин И.П. Оценка трещиностойкости ядра каменно-земляной плотины с учетом порового давления // Вестник Евразийской науки. 2020. № 4. [Электронный ресурс]. URL: https://esj.today/PDF/09SAVN420.pdf (11.11.2020).

16. Калашник А.И., Калашник Н.А., Запорожец Д.В. Исследование состояния насыпного гидротехнического сооружения на моренном основании // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. 2014. № 6. С. 93–98.

17. Потапов И.А., Шименкова А.А., Потапов А.Д. Зависимость суффозионной устойчивости песчаных грунтов различного генезиса от типа фильтрата // Вестник Московского государственного строительного университета. 2012. № 5. С. 79–86.

18. Кашарин Д.В., Тхай Тьи Тхи Ким. Повышение устойчивости основания мобильных дамб для инженерной защиты зданий от затопления // Инженерностроительный журнал. 2013. № 4. С. 51–59.

19. Максимов Д.А. Механизмы негативного влияния локальных нарушений фильтрационной устойчивости на надежность насыпных гидротехнических сооружений // Проблемы недропользования. 2018. № 2. С. 90– 97. https://doi.org/10.25635/2313-1586.2018.02.090

20. Юркевич Н.В., Юркевич Н.В., Гуреев В.Н., Мазов Н.А. Проблемы контроля фильтрации вод через гидротехнические сооружения в условиях вечной мерзлоты // Известия томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2020. Т. 331. № 4. С. 126–138.

21. Колосов М.А., Беляков П.В. Эрозия грунтовых насыпных плотин при подтоплении весенними паводками // 27-е пленарное Межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов: материалы конф. Ижевск, 2012. С. 136–138.

22. Козионов А.П., Пяйт А.Л., Мохов И.И., Иванов Ю.П. Алгоритм на основе модели передаточной функции и одноклассовой классификации для обнаружения аномального состояния дамб // Информационно-управляющие системы. 2015. № 6. С. 10–18. https://doi.org/10.15217/issn1684-8853.2015.6.10

23. Косиченко Ю.М. Исследования в области борьбы с фильтрацией и эксплуатационной надежности грунтовых гидротехнических сооружений // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2012. № 2. [Электронный ресурс]. URL: http://www.rosniipm-sm.ru/dl_files/udb_files/udb4-rec574-field12.pdf (11.11.2020).

24. Шешуков Е.Г., Курцева К.П. Численное исследование краевых задач нелинейной фильтрации // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2012. № 9-10. С. 158–166.

25. Давлатшоев С.К. Гидрогеохимический мониторинг в основании плотины на водорастворимых породах // Тинчуринские чтения: XIV Междунар. молод. науч. конф. Казань, 2019. С. 203–207.

26. Попьельски П., Дабска А. Численная модель суффозии // Известия Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. В.Е. Веденеева. 2014. Т. 271. С. 23–33.

27. Васильева Е.В., Яковенко Е.А. Повышение безопасности плотин и дамб // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2017. № 4. [Электронный ресурс]. URL: http://www.rosniipm-sm.ru/dl_files/udb_files/udb4-rec340-field12.pdf (11.11.2020).

28. Бакланова Д.В. Расчет фильтрации через земляные дамбы на проницаемом основании // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2016. № 1. [Электронный ресурс]. URL: http://www.rosniipm-sm.ru/dl_files/udb_files/udb13-rec402-field6.pdf (11.11.2020).

29. Бакланова Д.В. Расчетное обоснование вероятности разрушения потенциально опасных участков крупного канала от фильтрационных воздействий // Природообустройство. 2013. № 2. С. 43–48.

30. Калашник Н.А. Оценка надежности насыпного грунтового сооружения при образовании в его теле зоны повышенной фильтрации // Вестник Кольского научного центра РАН. 2019. Т. 11. № 2. С. 69–74. https://doi.org/10.25702/KSC.2307-5228.2019.11.2.69-74

31. Хайруллина Е.А. Воздействие фильтрационных вод шламохранилища с солесодержащими отходами на поверхностные и подземные воды // Географический вестник. 2018. № 2. С. 145–155. https://doi.org/10.17072/2079-7877-2018-2-145-155

32. Жиленков В.Н., Халенева М.Л. О некоторых средствах обеспечения фильтрационной прочности грунтовых плотин, подвергшихся внешнем промораживанию // Известия Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. Б.Е. Веденеева. 2013. Т. 269. С. 40–51.

33. Иванов Д.В., Давлетзянов И.И., Маланин В.В. Сравнительный анализ способов фильтрации при определении концентрации растворенных форм металлов в природных и сточных водах // Российский журнал прикладной экологии. 2020. № 3. С. 17–22.

34. Павлов С.Х., Оргильянов А.И., Бадминов П.С., Крюкова И.Г. Фильтрационные утечки из золошлакоотвала и их взаимодействия с геологической средой // Известия Иркутского государственного университета. Серия «Науки о Земле». 2014. Т. 7. С. 100–115.

35. Любимова Т.В., Латыш А.А. Динамика изменения уровня подземных вод в зоне грунтовых плотин // Геология, география и глобальная энергия. 2020. № 4. С. 84–88.

36. Бальзанников М.И., Родионов М.В. Грунтовые плотины с низовыми откосом, допускающим пропуск паводковых вод // Вестник Волжского регионального отделения Российской академии архитектуры и строительных наук. 2012. Т. 15. С. 99–104.

37. Круглов Г.Г., Линкевич Н.Н., Немеровец О.В. Фильтрация в обход подпорных гидротехнических сооружений // Наука и техника. 2020. Т. 19. № 3. С. 252– 257. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2020-19-3-252-257

38. Дьяконова Т.А., Писарев А.В., Хоперсков А.В., Храпов С.С. Математическая модель динамики поверхностных вод // Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 1: Математика. Физика. 2014. № 1. С. 35–45. https://doi.org/10.15688/jvolsu1.2014.1.4

39. Кузнецов Д.В. Сценарий аварий грунтовых плотин при переливе воды через гребень плотины методом анализа дерева отказов // Вестник Московского государственного строительного университета. 2016. № 4. С. 94–107.

40. Пряхина Г.В., Боронина А.С., Попов С.В., Распутина В.А., Войнаровский А.Е. Физическое моделирование разрушение грунтовой дамбы водохранилища в процессе переполнения водоема // Известия Русского географического общества. 2019. Т. 151. № 2. С. 51–63. https://doi.org/10.31857/S0869-6071151251-63

41. Дьяченко К.Н., Зверев А.В. Причины образования дефектов в дамбах обвалования при их эксплуатации в условиях Дальнего Востока // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2017. № 6. С. 96–105. https://doi.org/10.35567/1999-4508-2017-6-8

42. Стефанишин Д.В., Штильман В.Б. К оценке вероятности перелива воды через гребень плотины // Инженерно-строительный журнал. 2012. № 9. С. 70–78. https://doi.org/10.5862/MCE.35.9

43. Богославчик П.М. Расчетная модель размыва грунтовых плотин при переливе // Наука и техника. 2018. Т. 17. № 4. С. 292–296. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2018-17-4-292-296

44. Богославчик П.М., Евдокимов В.А., Немеровец О.В. Условия разрушения крепления низового откоса грунтовой плотины при переливе воды через гребень // Вода. Газ. Тепло 2020: материалы Междунар. науч.- техн. конф. Минск, 2020. С. 257–260.