Опыт разработки фильтрационно-селективного водозабора - Оценка пригодности каменного материала для возведения струенаправляющей дамбы

Оценка пригодности каменного материала, получаемого в местном Кожвинском карьере для возведения струенаправляющей дамбы селективно-фильтрационного типа. При реализации наиболее приемлемого по технико-экономическим характеристикам варианта конструкции струенаправляющей дамбы, возводимой из грунтовых материалов в акватории существующего водохранилища, имеется ряд ограничений в использовании для этих целей строительных материалов и технологий.
Полностью исключается возведение дамбы намывом песчаных грунтов средствами гидромеханизации, поскольку в этом случае циркуляционная вода окажется сильно загрязненной взвесью содержащихся в грунтах глинистых фракций. Следует проявлять известную осторожность и при возведении дамбы методом торцевой отсыпки грунтов под воду, в особенности, имея в виду эрозию откосов ветровыми волнами. Поэтому было предложено использовать в качестве строительного материала известняковый камень, добываемый в местном Кожвинском карьере, расположенном на противоположном берегу р. Печоры и удаленном от ПГРЭС на расстояние около 40 км.
Этот камень обладает достаточно высокой прочностью на сжатие, в пределах 100-150 МПа,

Рис. 3. Схематический профиль фильтрующей разделительной дамбы, возведенной из несортированного каменного материала (горной массы):
1 - нижняя фильтрующая зона дамбы; 2 - верхняя слабопроницаемая зона; 3 - автосамосвал; 4 - бульдозер; J - защитные грунтовые валики
и морозостойкостью. Объемная масса образца известняка равна 2,58 г/см3, а при водонасыщении она увеличивается до 2,63 г/см3. Поскольку в этом известняке содержится небольшое количество карбоната магния, литологически его следует характеризовать как доломитизированный известняк.
Известно, что откосы насыпи, возведенной из каменной наброски, можно делать с полуторным заложением, т.е. почти в 2 раза более крутыми, по сравнению с откосами дамбы из песчаного грунта (при его отсыпке под воду). Со ответственно объем дамбы из каменной наброски будет в 1,5 раза меньше объема песчаной и, кроме того, отпадает необходимость в противоволновом креплении ее откосов.
Однако, по мнению некоторых специалистов, возводить струенаправляющую дамбу из известнякового камня нельзя по причине минерализации водохранилища растворенным карбонатом кальция (известью), в связи с чем были выполнены лабораторные эксперименты по определению интенсивности растворения образцов щебня, через которые в течение длительного времени фильтровалась со скоростью около 1 см/с мягкая невская вода с температурой 10 - 17°С.
В наиболее характерном эксперименте из образца с суммарной поверхностью частиц, равной S0 = 260 см2 за 26 сут. (2,246 · 106 с) перешло в раствор 0,62 г карбоната кальция, что соответствует интенсивности выщелачивания известняка W0 1,0· 10 9 [/(см2-с).
Здесь следует указать, что согласно [3] растворимость карбоната кальция СаСОз при температуре t— 15° составляет всего лишь 1 · 10 2 г/л; извести Са(ОН)2- 1,65 · 10“2г/л, а карбоната магния MgC03 - 0,39 · 10 2 г/л.
При содержании растворенного в воде СО2 в количестве, равновесном парциальному давлению СО2 в воздухе, растворимость СаСО3 увеличивается до 5,5 · 10-2 г/л.
По данным наблюдений за формированием карста в натурных условиях [4] скорость растворения СаСО3 составляет около 3 · 10-9 г/(см2 · с), что в 3 раза выше результатов наших экспериментов, которые в качестве характеристик выщелачивания мы приняли как исходные для последующих расчетов.
Так, если принять в расчетах (см. схему на рис. 3) среднюю крупность камня в фильтрующей насыпи (дамбе) из горной массы известняка DK = 0,35 м, приведенный к шару объем одного камня составит Vк = 2,26 · 10-2м3, а число таких камней в единичном (длиной 1 м) фильтрующем отсеке дамбы общим объемом V0 = 63 m3 и пористостью п = 0,4 составит N0 = (1 - п) V0/VK = = (1-0,4)· 63/2,26 · 10-2 = 1,67· 103 шт., а суммарная поверхность камней в данном отсеке S0 = 4,6 · 104 π.D~N = 644 м2.
С этой поверхности будет “смываться” фильтрационным потоком, протекающим через дамбу ∆Р = W0S0T= 2,03 · 105 г/год = 200 кг/год = 0,2 т/год, т.е. при полукилометровой длине водозаборного участка насыпной фильтрующей дамбы и при двойном водообмене в водохранилище объемом 33,5 млн. м3 в него должно поступать в растворенном состоянии около 100 т карбоната кальция в год или в пересчете на концентрацию 0,0015 г/л, что намного меньше предельной растворимости СаСО3 в воде, равной 0,055 г/л. Эту концентрацию С — 0,0015 г/л, в данном случае надо принимать в качестве исходной при обосновании возможности осуществления варианта селективно- фильтрующей разделительной дамбы.
Кстати, на участке дамбы с экранированным верховым откосом выщелачивание карбоната кальция будет происходить только в подтопленной зоне низового откоса дамбы, глубина которой определяется условиями фильтрации, “индуцированной” транзитным продольным потоком воды в подводящем канале. Глубина этой зоны, где будет наблюдаться конвективный “массоперенос”, не превысит 4 м, соответственно ее объем (при полукилометровой длине этого участка дамбы) примерно равен 20 тыс. м3, а дополнительный вынос карбонатов кальция и магния [при интенсивности их растворения 3,16 · 102г/(м2 · год)] составит не более 64 т/год, что в пересчете на двойной объем водохранилища увеличит его минерализацию всего лишь на 5 · 10-4 г/л.
Наиболее жесткие ограничения по содержанию в охлаждающей воде карбонатов кальция и магния, не более 2,5 мг-экв/л = 0,125 г/л, устанавливают в случае использования для охлаждения воды градирен, а из представленных здесь расчетов видно, что при удлинении струенаправляющей дамбы на 1 км и выполнении ее из известнякового камня в “фильтрующем” варианте и частично, примерно на 50%, с экраном на верховой ее грани минерализация водохранилища-охладителя Печорской ГРЭС будет на порядок ниже указанного минимального предела 0,125 г/л.
По своим гигиеническим показателям каменный материал, получаемый в Кожвинском карьере, соответствует требованиям ГОСТ 7392-85 и может без каких-либо ограничений использоваться во всех видах строительства.
Морозостойкость крупного щебня (получаемого дроблением кожвинскош каменного материала) определялась Центральной строительной лабораторией ОАО Печорстрой и по имеющимся у нас результатам испытаний этого щебня оценивается, согласно ГОСТ 8367-93, маркой F200. Очевидно, что морозостойкость самого каменного материала будет более высокой и вполне отвечающей по этому показателю требованиям, предъявляемым к материалу разделительной дамбы.