Инженерные изыскания для проектирования дамбы и накопителя отходов: состав работ и объём бурения

Накопитель отходов — это сооружение, которое всю жизнь работает на пределе двух параметров: устойчивости откоса и положения депрессионной кривой. Оба считаются по характеристикам грунтов, а характеристики грунтов берутся из изысканий. Если скважин мало и они не там, проектировщик подставляет в расчёт табличные значения и закладывает запас там, где риск на самом деле в другом месте.

Разбираем состав изысканий под дамбу и чашу накопителя — хвостохранилища, шламонакопителя, золоотвала, накопителя жидких отходов: какие виды работ нужны, что именно определяется в лаборатории, как объём бурения связан с классом сооружения и высотой дамбы, и что происходит, когда программу изысканий урезают ради сроков.

Почему накопитель — не рядовая площадка

Обычное здание нагружает основание в известной точке и не меняет гидрогеологию. Накопитель делает противоположное: он создаёт напор, поднимает уровень грунтовых вод, насыщает основание, меняет свойства грунтов во времени и живёт десятилетиями с постоянно растущей отметкой при наращивании дамбы.

Отсюда три следствия для программы изысканий. Первое: исследуется не пятно застройки, а весь контур — створы дамбы, ложе чаши, основание под упорной призмой, зона примыканий к бортам. Второе: нужны не только прочностные, но и фильтрационные и деформационные характеристики, причём в состоянии водонасыщения. Третье: нужны гидрологические и гидрометеорологические данные, потому что сооружение обязано пропускать паводок.

Накопители относятся к гидротехническим сооружениям, и надзор за ними ведёт Ростехнадзор. Класс сооружения определяется проектом по высоте напорного фронта, типу грунтов основания и последствиям возможной аварии. От класса дальше зависит почти всё: детальность изысканий, коэффициенты запаса в расчётах, состав наблюдений, необходимость декларации безопасности. Действующие редакции сводов правил и нормативных актов по ГТС проверяйте на официальном портале правовой информации и в справочно-правовых системах — документы по гидротехнике обновляются регулярно, и ссылка на отменённую редакцию в программе изысканий приводит к замечаниям на экспертизе.

Инженерно-геодезические работы

Топографическая основа — база для всего остального: объёма чаши, отметок гребня, трассировки пульпопроводов, расчёта баланса грунтовых масс.

• Топографическая съёмка чаши, створов дамбы, зоны примыканий и площадки под сопутствующие сооружения в масштабе, достаточном для подсчёта объёмов.
• Создание планово-высотного обоснования и закрепление пунктов, которые потом переходят в систему натурных наблюдений как опорные реперы.
• Съёмка существующего рельефа ложа: для действующего накопителя — с промерами глубин и определением поверхности отложений.
• Трассирование подъездов, пульпопроводов, водоводов, линий электропередачи.
• Съёмка нижнего бьефа и зоны возможного затопления — она понадобится при расчёте параметров волны прорыва и определении класса.

Практический момент: геодезия делается в единой системе координат и высот с последующими наблюдениями. Если проект выполнен в одной системе, а мониторинг ведут в другой, сравнить отметки гребня через пять лет будет нечем.

Инженерно-геологические изыскания: где бурить

Скважины размещают не равномерной сеткой, а по логике сооружения. Стандартная схема включает три группы выработок.

• По створам дамбы — поперечники с выработками по оси, в верховом и низовом клине и за подошвой низового откоса. Створы назначают в характерных точках: наибольшая высота напорного фронта, смена инженерно-геологических условий, примыкания к бортам, места пересечения погребённых русел и ложбин.
• По ложу чаши — выработки для оценки фильтрационных потерь, наличия проницаемых горизонтов, карста, погребённых тальвегов и связи с водоносными горизонтами.
• На площадках карьеров грунта — для оценки пригодности местного материала на тело дамбы, противофильтрационный элемент и дренажные призмы с подсчётом запасов.

Глубина скважин определяется не круглым числом, а условием: выработка должна пройти всю сжимаемую толщу и вскрыть слабые прослои, которые могут стать поверхностью скольжения, а на ложе — дойти до водоупора либо подтвердить его отсутствие. Илы, торф, текучепластичные суглинки, линзы водонасыщенных песков под подошвой низового откоса — то, ради чего скважины и бурят. Пропущенная линза слабого грунта под упорной призмой снимает запас устойчивости целиком.

Полевые испытания дополняют бурение и дают непрерывный разрез между скважинами: статическое зондирование для расчленения толщи и оценки прочностных характеристик, динамическое зондирование по песчаным грунтам и оценка их плотности, штамповые и прессиометрические испытания при высоких классах, опытно-фильтрационные работы — наливы и откачки — для определения коэффициентов фильтрации в натуре. Отдельно для действующих накопителей бурят и опробуют сами намытые отложения: хвосты, шламы, золу. Их свойства не совпадают ни с одним табличным грунтом, а при наращивании дамбы они становятся основанием.

Лаборатория: что определяют и зачем

Именно лабораторные определения попадают в расчёт, поэтому перечень испытаний согласуют с проектировщиком до выезда в поле, а не после.

• Классификационные показатели: гранулометрия, влажность, плотность, пределы пластичности.
• Прочностные характеристики — угол внутреннего трения и сцепление — по схемам испытаний, отвечающим реальной работе сооружения: консолидированно-дренированной и неконсолидированно-недренированной, для водонасыщенного состояния.
• Деформационные характеристики и компрессионные испытания для расчёта осадок дамбы и ложа.
• Коэффициент фильтрации грунтов тела, основания, противофильтрационного элемента и дренажа — ключевой параметр для положения депрессионной кривой.
• Оценка суффозионной устойчивости и подбор обратных фильтров дренажа.
• Максимальная плотность и оптимальная влажность для уплотнения насыпи — без них невозможен производственный контроль при отсыпке.
• Коррозионная агрессивность грунтов и вод к бетону и металлу — для водосбросных сооружений и трубопроводов.
• Для сейсмических районов — динамические характеристики и оценка склонности водонасыщенных песков и отложений к разжижению.

Гидрология, гидрометеорология и расчёт паводка

Водосброс проектируется на расчётный расход, а расчётный расход берётся из гидрологии. Здесь экономия видна сразу: короткий ряд наблюдений — заниженный расход — недостаточная пропускная способность водосброса и перелив через гребень в многоводный год.

• Характеристики водосборной площади, поверхностного притока в чашу, снегозапасы и интенсивность снеготаяния.
• Максимальные расходы и уровни расчётной и поверочной обеспеченности в зависимости от класса сооружения.
• Осадки, испарение, температурный режим, толщина льда, ветровой режим для расчёта ветрового нагона и высоты наката волны на откос — от этого напрямую зависит требуемый запас превышения гребня.
• Гидрогеологические данные: уровни, режим и направление потока подземных вод, связь с поверхностными водными объектами.
• Для действующих объектов — фактический водный баланс накопителя: приход пульпы, осадки, приток, отвод осветлённой воды, испарение.

Экологические изыскания и фоновое опробование

Накопитель отходов проходит государственную экологическую экспертизу, и для неё нужны собственные материалы: фон, по которому потом будут оценивать влияние объекта.

• Опробование и анализ подземных вод по створам выше и ниже накопителя по потоку — это фоновые значения, к которым будет апеллировать весь дальнейший мониторинг.
• Опробование почв, грунтов и донных отложений, определение содержания загрязняющих веществ, характерных для складируемых отходов.
• Радиационное обследование площадки и санитарно-эпидемиологические исследования.
• Оценка состояния поверхностных водных объектов, растительности и животного мира, наличие особо охраняемых природных территорий и водоохранных зон.
• Историко-культурные ограничения по территории — проверка наличия объектов археологического наследия до начала земляных работ.

Практический смысл фонового опробования проявляется через годы. Когда надзор предъявит превышения в наблюдательной скважине, единственный способ показать, что часть содержания была здесь до вас, — сослаться на фон, снятый до строительства.

Как объём изысканий связан с классом сооружения

Прямой формулой это не задаётся, но зависимость устойчивая: чем выше класс, тем плотнее сеть выработок, больше глубина, шире перечень полевых опытных работ и выше требования к числу определений характеристик для статистической обработки.

Факторы, которые увеличивают объём: большая высота напорного фронта; сложные инженерно-геологические условия — слабые грунты, карст, многолетняя мерзлота, сейсмика; наличие в нижнем бьефе жилой застройки или другого предприятия; проектирование наращивания дамбы в несколько очередей; строительство на действующем объекте. В последнем случае к обычной программе добавляется обследование существующей дамбы и опробование накопленных отложений.

Отдельно стоит вопрос числа определений. Расчётные значения характеристик получают статистической обработкой, и на трёх образцах достоверной статистики не выходит: коэффициент надёжности по грунту вырастет, и проектировщик будет вынужден закладывать заведомо избыточное сечение либо получит замечание экспертизы. Экономия на десятке испытаний оборачивается сотнями тысяч кубометров лишнего грунта — или, наоборот, недооценённым риском.

Что бывает, когда на изысканиях экономят

Типовые последствия предсказуемы и повторяются из объекта в объект:

• Не вскрыт слабый прослой под низовым откосом — расчёт устойчивости выполнен по завышенным характеристикам, фактический коэффициент запаса ниже нормативного, деформации проявляются при первом же наполнении.
• Занижен коэффициент фильтрации основания — депрессионная кривая выходит на низовой откос выше проектной, появляются выходы фильтрации и суффозия.
• Не выявлена связь ложа с водоносным горизонтом — фильтрат уходит в подземные воды, и предприятие получает ущерб окружающей среде вместо экономии на противофильтрационном экране.
• Короткий гидрологический ряд — заниженный расчётный паводок и водосброс, который не справляется.
• Не снят фон по подземным водам — нечем доказать, что загрязнение не ваше.
• Отказ экспертизы и повторные изыскания в следующий полевой сезон — потеря года.

Все эти дефекты объединяет одно: они выявляются после строительства, когда исправление стоит несопоставимо дороже скважин.

Как выстроить работу

Программа изысканий составляется под конкретное проектное решение и согласуется с проектировщиком: тип дамбы, способ намыва, схема дренажа и очерёдность наращивания определяют, где нужны выработки и какие испытания. Обратный порядок — сначала бурим по типовой сетке, потом думаем — приводит к тому, что часть скважин лишняя, а нужных нет.

НПИ «Недра» выполняет инженерные изыскания и проектирование гидротехнических сооружений и накопителей отходов: геодезию, геологию с полевыми и лабораторными исследованиями, гидрометеорологию, экологические и археологические изыскания, обследование действующих дамб, разработку проектной документации и сопровождение экспертиз. Если по накопителю нужно понять необходимый объём работ и сроки полевого сезона, пришлите исходные данные по объекту — составим программу под ваше проектное решение и класс сооружения.

Когда параллельно нужно закрыть экспертизу промышленной безопасности по техническим устройствам, зданиям и сооружениям и не ждать очереди, работает сервис «Блиц-эксперт»: онлайн-заявка от одного дня, цена по тарифу института видна до регистрации, оплата двумя частями по 50% и заключение с ЭЦП в личном кабинете.

Фото: roger4336, Flickr, CC BY-SA 2.0