D

ременные методические рекомендации по расчету зон затопления при внезапном прорыве ограждающих дамб хвостохранилищ

Белгород 1981

МИНИСТЕРСТВО ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ СССР УПРАВЛЕНИЕ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Воеооюеаый научно-исалвдовательский и провктно-конотрукторский институт no осушению месторождений полезных ископаемых«специальным горным работам,рудничной геологии и маркшейдерскому делу

В И О Г Е М

УТВШЩАЮ: Директор института И.Ф.ОКСАНИЧ 26 марта 1981 г.

ВРЕМЕННЫЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТУ ЗОН ЗАТОПЛЕНИЯ ПРИ ВНЕЗАПНОМ ПРОРЫВЕ ОГРАЖДАЮЩИХ ДАМБ ХВОСТОХРАИМЛИЩ

Белгород

1981

2.2.1. Для плоского рельефа о уклоном I < 0,01 параметры рас -текання определяются по ампирическим зависимостям 1ПИ [I]

Uj= U_t [l-0,115

'l -O.iis (U%b)    ];

;,₊о

где Uj, К, ,b_t ,VJ*, Н_ж,    -    значения    соответственности    скорое т и,

глубины и ширины раотекающего потока на расстоянии I м от начала растекания и в начальном створе^§г - число фруда в начальном створе.    ©    ^г

При уклоне местности от 0,01 до 0,^0 полученная ро зависимости (2.17) окорость Ufc умножается на коэффициент е²*¹⁷⁴.

2.2.2. В случае растекания потока излива по руслу пара мет -ры волны растекания определяются по эмпирическим формулам, полу -ченным по натурным данным [12]:

высота волны

h_t« К₄* ю-о.ооои-^ .

скорость гребня волны    р

U_f-VgFTgCO.C ♦ I,6W0“^K’^S Ч ).

Ширина потока растекания в этом случав рассчитывается по по -перечному сечению я определенной по формуле (2.20) высоте волны. На небольших расстояниях от хвостохранилища (для < 100*200) по длине растекания можно принимать Q«const . Тогда глубину и ширину затопления (с некоторым запасом) возможно определять no Q_M исходя из зависимостей Qg = ^(Ь{)« построенных по формуле Шези для нескольких створов по длине растекания.

2.2.3. Величина динамического давления потока на препятствия, расположенные в зоне растекания, определяется по зависимости [I]

где - объемный вес потока (обычно = 1,2 - 1,3 т/м³); оС -коэффициент, учитывающий неравномерность распределения скоростей по живому сечению потока, размеры, форму и положение ударяемого

тела в потоке к т.д. (по экспериментальным данник [1]«С= 2,7).

2.2и^« Значения числа Фруда, скорости, глубины и ширины потока растекания в начальной створе, т.е. на выхода иа прорана, определяются следующим образом.

Записанное для сечений I и У (ск.рио.I.I), имеющих параболи -ческую форму, уравнение Бернулли с учетом сжатой глубины К₄в се -чении Y после преобразований с учетом выражений (2.2), (2.6) и (2.10) принимает вид

I^е * -Я⁴ * °*⁷⁵ (тй

где Е_в- удельная энергия в сечении I, отнесенная в плоскости сравнения; о£ - коэффициент, учитывающий влияние неравномерности распределения скоростей до оечению потока на живую силу его ( оС = «I,1*2,0); if - коэффициент, учитывающий все потери на участке от входного до рассматриваемого сечения. По [8] для неблагоприятных условий протекания if • 0,8 * 0,9.

Вторая сопряженная глубина К* , т.е. глубина в начальном сечении потока растекания, определяется по уравнению прыжковой функ -ции [8], записанному для русла произвольного сечения о учетом выражений (2.2), (2.6) и (2.10)

( о1_й* 1,1 ♦ 2,0).

Сравнивая уравнения (2.23) и (2.24) можно записать, что

*•*№)■ HW-*•*№)■

На рис. 2.1 приводятся зависимости, построенные по (2.23) и (2.24). С помощью этих графиков и находится глубина h*.

Число фруда Ttj на выходе из прорана в створе оо второй сопряженной глубиной ^определяется по формуле

(2.25)

График зависимости (2.25) приводится на рис.2 Л.

Наибольшая ширина потока растекания определяется по формуле (2.16) (дли начального створа).

II

гмпоп/шнасм

V<!C.2,I График для опредэленил глубины h,,    *    сжатом    се-

чрнкм, Губины h* , оо-пряженной со сжатой (ЛУ, з числа ФрудаЗ^а аа выгоде яз прорама (6 ) * зависимости от полной удельной энергии {L.

3. СХЙНА РАСЧЕТА ОПАСНЫХ ЗОН ХВОСТОХРАНИШ

5.2. Установление исходных данных для расчета

Определение опасных зон начинается о выбора наиболее вероятных участков разрушения плотины и трасс растекания.Обычно авария плотин приурочены к местам наибольшей высоты плотины, участкам водозаборов я водосбросов, местам прокладке пульповодов по внеиням откосам плотим, участкам усиленной фильтрации в плотине и в основании я т.л. С учетом вероятных учаотков разрушения, топография местности, наличия сооружений и объектов в нижнем бьефе намечают-ся трассы возможного растеканий хвостохранили.

Поэтому прежде всего требуется топографический план ра й о -на хвостохранилиша. Масштаб плана должен обеопечивать возможность

ТЗ

построения продольных I поперечных профилей во траоА растекания, определения уклонов ыеотыоотн и т.п.

По проектным материалам или по натурным исследованиям опреде -ляется ширина ялотины по верху, заложение относов, плотность, насыпная плотность, средний диаметр чаотмц и оцепление грунта тела плотины.

По значениям диметра я расчетному сцеплению на разрыв ( для связных грунтов ) определяются нераэмываюцие скорости U_H [7].

Расчетное сцепление на раврыв определяется по формуле

Cj-0,ieC*K.    (3.1)

где С - сцепеняе по сдвигу дли овяэвого грунта, т/м^; к - ко -эффициент однородности показателей прочности (к * 0,5). определяется по результатам определения С .

Диаметры отрывающихоя отдельностей и частиц при расчете размыва плотин Н8 несвязных грунтов принимаются как средние яо результатам механического анализа. При расчетах реамывов русел в связ -них грунтах рекомендованные размеры отрывающихся отдельное те й приведены в табл.3.1 [2,4]. Здесь же приведены и другие водно-физические и эрозионные свойства грунтов, необходимые при расче -тах размывов проранов в теле плотины при отсутствии специальных исследований. При этом гидравлическая крупность определена по формуле В.Н.Гончарова (в редакции И.Ф.Квраоева [2] ) при плотности грунта 2650 кг/м³.

Таблица 3.1

Грунт	Сред ний диа метр, мм	Гидравли -чеокая крупность, соответствующая среднему диаметру, м/с	Объем ная масса грун та, т/м3	Содержание глинистых фракций 0,002 им %	Усталостная прочность не разрыв, т/м2
Глина средне-плотная	4,3	0,282	I,8-2,0	30	>0,05
Глина малоплотная	3,2	0,243	1,6-1,8	30	0,05
Суглинок тяжелый	4,0	0,272	1,75	15-30	0,04-0,05
Суглинок средний	3,1	0,239	1,5	Ш-15	0,02-0,04
Супесь	3,1	0,239	1.6	3-10	<0,02
Песок	-	-	1,5-1,6	3	-

При расчета размыва плоти и сложных овязных грунтов, содор -каких включения гаяьхж, гравия шяя булыжника, нераэтваюкую ско -рость устанавливают как дм неовяаного при объема включений более

20%.

В начальных створах выбранных траос растекания определяют -ся уклоны прилегающей к хаосгтохренилиу меотноотм и уклоны да потока в проране, являюмейоя отяожениеи превыжения ППР над подож-вой низового относа я длит лит, ооадиняюцей точку пересечения ПОР с верховым откооо* и точку переоеченкя нивового откоса и ее -нованая.

Постоянные а и П формулы (2.Ш определяются по кривой объемов Прудковой зоны.Для этого выполняются промеры прудковой зоны шаром

весом 15 кг и диаметром 15 ож. По ревуяттаи этих про м е р о в строится план в горизонталях» По зтому плаву определяется объем воды и неконсолидированных отложений, положение ППР я общая глу -бина размыва К_п , строится кривая объемов и с поиощью логарифм!-ческой анаморфозы находится ее аналжтичеокое выражение. Для этого строится грвфик

На графике необходимо линию связи ориентировать по наибольшим значениям V и 2 . По этому графту с помощью уравнения прямой находятся постоянные П я а.

3.2. Определение параметров потока излива в начальном створе

Расчет начинается с определения превышения 2_И горизонта воды (ГВ) над ПНР, при котором будет наблюдаться максимальный расход излива Q_M . Для этого по найденному показателю n U.I2) в табл. 2.1 находится значение К , а потом    С    учетом исходных

данных, найденного значения к ио формуле (2.15) чред единт-ся максимальный расход Q_n . Значение наиболыей ширимы прорв да являющейся исходной при расчете зоны затопления, определится по (2.16).

По исходным данным и найденному значению Z_M находятся полная удельная энергия Е₀ , являююаяоя превышением ГВ в Прудковой зоне в момент излива Q_M над отметкой точки пересечения низового откоса с основанием плотины (дамбы). По принятой схематизации в мо -

15

Временные методические рекомендации оостивлены 90 исполнение

принава fe 524 ДО СССР от 4 вюяя 1978 I».

В работе яэлсаснй методика распета воевокаих вон ветопленяя при рвэруивни ограждающих сооружав** хюетохрввмякщ. Раосмот -рев ре 8 ныв плотин и дамб хвсегохреналии потоком воды и формирование какойвадьвого расхода потока налива, овределтего рааме-ры аони ватопдетш, движение потока раотекаякя во нрияегавщвЭ местности.

Настоящие рекомендация по ввоняют определить в случав вояценного рестеканая хвеотохравилша равмеры зови ватоплепия, что необходимо дня разработки уеропраятий. они&ашнх инк исключающих катастрофические пооледотвая реотананкя хвоетохрапилка в дш: расчета зон возможного затопления существующие в вроектируашле хвоо?охранидиш.

Определение границ охреиниз а механвчаевнх эоп да других условий регламентируется соответствующим* норма? кишим документами*

Наотояшго рекомендации составлены в лаборатории хвоотохравя-Ш Криворожского отделен» института В0ОГЙ4 инженером А.А.Ка-ниболоцвюа. Утверждена НТО шютатута II оеатября 1980 г* в ка -чеотве методичеоках ревомендацнй.

Все ааыепдваш и вредмеаия просим направлять по ад -расу: 324016, г.Кривой Рог Лвевродетровохой обааотй, ул.крас -вогвардейокая, 1, Криворожское отделе пае В ЙОГИ.

Всесоюзны* научно-мсслг-попятельскиП и проектно-конструкторский институт по осушению месторождений полезных исколоемыд, «пениальным горным работам, рудничной геологии и мвркшоПЛврскэму зелу ( ВИОГ |*М)₍ |«М| ,

ВВЕДЕН й Е

Проектируемые и эксплуатируемые хвоотохранплада в ооноввом рае-пожжены в поймах рак, оврагах, балках я их склонах, вблизи ваое -ленных цушгтов, про Мелвинах п хов в вот летних вооружений,травопорт-вшс юииунакаций, питьевых и хознйотвенадх водоемов и по высотному отношению к нам маимаю? командное положение. Ограниченная возможность выбора площадок под хвоотохраншшца, связанная с необходимостью сокращения занимаемых ими площадей, а в овяэц о этим увеличение вилоотее хвостохранвлад происходят за счет увеличения вы -соты подпорных сооружений, что повышает вероятность возникновения аварийных ситуаций. Особую опасность представляют аварии, связан -ные о нарушением устойчивости подпорных сооружений, сопровождающиеся растеканием веды и отложений хвоетохрапиляц    на значительных

площадях,

К настоящему времени memos сведения об авариях на гидротехнических вооружениях как в нашей отраве, так и ва рубеном, которые свидетельствуют о потенциальной зовмоыноотп возвикповения аварий -них ситуаций на плотине или дамбе любого хвоотохрааялща и необходимости определения возможных ъои ватопления окружающей территории на случай прорыва ограждающих сооружений.

Комплексное решение вопроса растекания я определения опасных эов хвостохранндшц нашло отражение в работах отраслевой набора тория механики грунтов и устойчивости хвоотохрввихшд Ленш1градского ор -дева Ленина политехнического внетятута им .Ю,Калинина[I, б, 9, 10, 1^], в иосдедоваииях ВНИИ ВОДГВО [И, 1зЗ • Результаты этих иссле -дований использованы при составления настоящих рекомендаций.

При окончательной редакции учтены замечания хыогятутов "Союаво-доканаллроект'*, "Гядропроект", “Укрводоваванпроект", "УкрВОДГЕО", ВНИИГ им.Б.Б.Веденеева, ^Кривбасспроект¹¹, "Гиароцветмет", “Гипро -руда", ДОИ (кафедры инженерных мелиораций, гидрогеологии и охраны окружающей среды и отраслевой научно-исследовательской набора -тории механики грунтов и устойчивости хвостохранидад) и гидротех -ничвекого отдела института ВИОГЕМ.

Ъ

I. GHHKS ПОЛОЖЕНИЯ

При разрушении ограждению сооружений хвостохранилищ, переливе воды черев гребень плотины ив прудке хъоотохранялища изливает о я поток, растекающийся по прилеганий к хвоетохравидищу цестнооти. Подобное явление наблюдается и при выносе грунта из тем плотины

фильтрационным потоком. Размеры зоны затопления зависят в оолов -ном от максимальных параметров потока извива и рельефа местности.

Параметры потока растекания определяются интенсивностью снижения уровня води прудковоЙ зоны и размыва тела плотмы потоком истечения, в общем случае процесс размыве явно нестационарный: происходит быстрое изменение твврдой границы и поверхности размыва -ющего потока (рис.1 Л), т,е. одновременно онижается поверхность плотины BKG и поверхность воды MLE . Интенсивность снижения по -верхноетя плотины значительно больше интенсивности снижения по -верхности воды. Глубина размыва плотины со стороны верхнего бьефа ограничивается плоскостью AF , называемой пдоовостью предельного размыва (ПОР). Рекомендуется в хвостохранилищах за отметку ППР принимать нихвюю границу слоя неконсолидированных отложений, мощность которого ориентировочно равна отложениям за один - полтора го/а, либо определяется пенетрацией прудковой зоны агаром 15 кг и диаметром 15 см [i, 6, 9, 10, 14].

После размыва до ППР и при наличии в хвостохранилище достаточных запасов воды, создающих мощные напоры ъ окоростя истечения, превышающие неразмывающяе для данного грунта, происходит размыв плотины в ширину, т.е. увеличение прорана ж дополнительный вынос грунта из тела плотины.

Опаоной эоной хвостохранидяща считается вона возможного неус -тановившегооя движения потока воды я отложений хвостохранилж ие, возникающего в результате рае*.ужения и ревнива подпорных сооружений и истечения иэ хвостохренилища, в которой в связи с этим должны предусматриваться специальные мероприятия но защите иля выно-оу существующих или проектируемых в этой зоне сооружений, народ -нехозяйственных или природных объектов я т.п.

Р&8ыыв плотины хвостохранилища потоком воды и неточен и е из прудновой зоны обусловливают неустановививеся движение потока реотекания. Створ плотины в этом случае является местом возникнове -няя водны перемещения, которая двигаясь по прилегающей местности, затапливает ее. Площадь затопления определяется наибольшей высо -той волны перемещения, формируемой максимальным расходом потока

4

Доверхвоств ологлвн в горюопт волк:---в    ».вдеьды|    «оно    гг;.....в ииютт t ;

-в котгт t ♦at ;AF ~ плоскоа» вр—выюгс рейде ва (ПЯР); С - крвиаавве

олосвоств раз шва кил ИДЕ; J - акров вдоаш во верх?; ^.2,,^ - пре шве tie гороокта воли вал ПНР в вачалдеы! аомват, aoawnv t и t*At ; К_а - гаувта на моголе; h„ - о<5о* гвуввва реэшва; h₀ - маоолыая гвуоюм ото кг в прораве;

- «а по? вал ияоояостьс реви од в «оаеггш t в t+at ;L - длина про -рава; EL_0t44t " аолвая удевьаав этнргв* в otoao I в wan t**t .

излива, рельефом местности и т.д.‘ Поэтову в задач; расчета опас -нов воны входит определение наибольшей высоты волам по длине растекания и границ боны возможного затопления.

В процессе растекания хво сто хранилищ '.зожпо выделить следующие основные моменты:

прорыв или размыв ограждающих и подпорных пжпя я дамб и формирование максимальных параметров потока в проране, определяющих размер боны затопления;

движение изливающегося иб хвоетохранилища потока so прялега -юцей местности.

Решение этих задач возможно при следующих упрощениях я допущениях.

Водой при истечении иб прудновой боны захватываются зесдомсо -лидировавшее отловен ия и в конце размыва из прудка штежает с ус -пензия о объемной массой в пределах 1,2-1,44 г/см⁵ [l_f 6, 9, Ю, 14] • По данным аварии пз Алмадыкском ГИК в такой суспензии может доходить отношение твердого к жидкому Т : Ж в I : 3. При ллотво-сти хвостов 2,8-3,0 г/ом* объемная масса этой пульны дохода до 1,19-1,20 г/см⁵. Вязкость суспензия меняется в зависимости от ясн-центрации твердого. Однако при такой концентрация в нcross воды статическое (начальное) напряжение сдвига, характерное ддо вязкопластичных жидкостей, практически отсутствует. Поэтому вытекающую через проран жидкость рассматриваем ж двааош ото я е кsir ньютоновскую и применяем к ней зависимеете, иолучеюше для коды.

Величина расхода излива вавиоит от высоты майора Н над ППР в точке В , побтому для определения расхода «стечения испольэуется формула водослива. Считаем, что айв гидрографа долива наступа е т после размыва плотины до ППР, т.а. при К_л - Const, и задача сво -дится к нахождению аначевяй ширины прорана и напора в момент из -лива максимального расхода потгча.

Заложение верхнего ГЯ, и низового m_z откосов плотины в общ е v олучае различны и равны котангенсу угла наклона откоса к горизонту.

Проран к выходу неокольцо расширяется и представляет собой как бы учаоток канала параболического сечения. При этом допускаем,что участок этого канала распространяется от плотины на расстояние сопряжения бьефов о берегами, образованными водоворотными зонами иля мертвыми проотренетвами непосредственно за плотиной. В этом месте происходит сопряжение глубин в условиях донного режима по типу эатопленного прыжка и большую сопряженную глубину принимаем в дальнейших расчетах.

6

Высота волны и скорость потока издива изменяется во времени и пространстве. Но нас интересует максимальные размеры зоны затоп -Ленин, а не изменение ее размеров во времени. Поэтому рассматра -ваем как бы установившееся неравномерное движение при расходе, равном максимальному расходу потока излива.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДИКИ

2.1. Размыв плотин и дамб ив грунтовых матв^йалов и формирование гидрографа излива

Величина максимального расхода и в г. ива является функцией размеров прорана я напора воды над плоскость*) ревнива.

Размеры прорана (его ширина В и наибольшая глубина К_п ) зависят от объема грунта W , вымытого потоком И8 плотины, и определяются путем ремения уравнения деформации руола для одучая размыва потоком воды плотин из грунтовых материалов [12]

где t- время, о; - насыпная плотыооть грунтов плотины, кг/v?\ S - размывающая опособнооть потока, кг/м*| V - объем воды Прудковой воны, .Л

Величины, необходимые для ремения уравнения (2.1) определяются по следующим формулам.

Поперечное оечение прорана описывается формулой, основании исследований,

-тч*ЙгН •

где - глубина на расстоянии X от оси прорана,

Площадь сечения и объем прорана определяются по зависимостям

UV 0,» й К_ч •,    (2.3)

W= 0,m. O *% (nvm_a)Vl .    (?•»)

Для потока на входном участке прорана наибольшая глубина К, ,

гидравлическиП радиус R и площадь водного сечения (ж)_в при мири -

7 не В₀ расочитывеются следующий образом:

к-о,» Hj

4-o.8BA-o.64M;    <²*⁶)

лри 2,5h₀« М5Ь_в    R *0,4)1,^.^ i    (2.7)

/ ft

при 5h_t4bi* ЮН,    R ^ 0,56 И о (^1^ у »    (2.8)

Расход    истечения    через проран Q в м^/о и скорость    потоке в

проране (на    входном    участке) U в м/с определяются    по    формуле во

дослива, как при перекрытия русле каменной наброской, или пропуска раоходов черев недостроенные плотины ив грунтовых материалов [5,12] при коэффициенте расхода fTt * 0,50 * 0,36 н коэффициенте скорости if * 0,8 и 0,9 о учетом выполнения (2.5) и (2.6)

U-^v^iTfO-OAVSgH,    (2.9)

CL«U-w_e-0,25d_eH v2£iT.    (2.10)

O.OOOWf'CO.A '/ggH-UJ

В качестве формулы раямываюией способности потока в проране для чаоткц d>I мм рекомендуется формула И.И.Леви,в которой учтена величина взвешенных расходов посредством коэффициента 1,1 [I, 3, 12] и которая после преобразований запишется в следуюием виде:

где j'- плотность грунтов плотины, кг/м³! средняя по сечение веразмывающая скорость потока, :/с; d- средний диаметр части ц грунта плотшны, м.

Прочностные характеристик! овязяых и несвяэных грунтов учитываются посредством и_и.

Аналитическое выражение кривой объемов Прудковой зоны

(2Л2)

V*aZⁿ.

где би П - некоторые постоянные; Z - превышение горизонта волы Прудковой зоны над ПИР,

Интегрирование дифференциального уравнения (2Л) с учетом рыра-

я

жеавА (2Л), (2.Д), (2.12) выполняем для условий размыва на всю глубину до ППР, приникая U**Contt, 1 получаем зависимость ширины прорана на входном учаотке в момент X от превышения гори зон -та воды над ШЕР в этот момент

[«гГ"-»:-"5) Л-0,25 гГ+025	• C2.IJ)
2700 кг/м'

где при ореднем значении

иГ^~йЩ<т,+т_л\Ь'Т

(2.1<0

B_t-E

Это формула изменения ширины прорана от снижения превышения гориаош воды над плоскостью предельного ревнива, т.е. имеем В = •/(Я ) iHH_t что то же самое, В    Для    соответствующих зна -

ченмй B_t и H_t по формулам (2,9) и (2.ГО) определяется расход воды и скорость потока, при этом максимальный расход потока в про -райе

к-,-

где К - отношение 2_t к t₀ пра О^ьавмои* о» П (твб«*2Л),т.е. от формы чаши Прудковой зоны.

Таблица 2 Л

П 1,0 1,25 1,5 1,75 2,0 2,25 2,5 2,75 3,0 К 0,695 0,716 0,734 0,751 0,765 0,7Ь 0,79 0,80 0,81

Максимальная ширина прорана В_и после полного истечения пруд -ковой зоны хвостохранилища

^В«^{=Е 2}»^,И [°пЩ1* ~ TrHfaar]^{- (2Лб)}

2.2. Трансформация волны издива по длине растекания

В зависимости от рельефе местности, по которой происходит рос-текание, параметры потока в зоне растекания определяются по еле -дующим формулам.

9