Исходный для получения щебня каменный материал (горную массу) в Кожвинском карьере добывают поярусной разработкой взрывным способом залегающих на небольшой глубине под вскрышей пластов известняковой скальной породы, в связи с чем крупность (механический состав) каменного материала можно изменять в известных пределах, выбирая соответствующий регламент взрывных работ. В качестве примера на рис. 4 показаны типовые графики механического состава камня, получаемого при различных способах разработки скальных массивов. Практически, не изменяя существующую технологию разработки карьера, можно получить каменный материал, крупность которого характеризуется графиком (рис. 4, кривая 2).
Из опыта крупномасштабных исследований, проводившихся ВНИИГ им. В. Е. Веденеева в середине 60-х годов для обоснования проекта высотной Асуанской плотины на р. Нил [5, 6], известно, что при торцевой отсыпке несортированного крупнозернистого материала (горной массы) с высоты более 3 м происходит пофракционное его разделение (сегрегация), в результате которой нижняя часть (зона) насыпи формируется из крупных фракций (камней), а в верхней концентрируются в основном мелкие песчано-щебнистые фракции, образуя слабопроницаемый слой. Относительные мощности этих зон определяются зерновым составом материала.
Это явление, определяющее характер раскладки фракций по высоте, в значительной мере усиливается при отсыпке камня в воду за счет различия в гидравлических сопротивлениях, зависящих от крупности катящегося по откосу камня.
Рис. 4. Графики механического состава несортированного каменного материала (горной массы), получаемого при разработке скального грунта буровзрывным способом:
1 - для камня, выходящего при разработке туннелей; 2 - то же, при разработке канала; 3 - по нормативному справочнику по буровым работам на дневной поверхности (М.: Промстройиздат, 1957) 4 - расчетная крупность камня в фильтрующем (нижнем) слое разделительной дамбы ПГРЭС
Можно показать, что относительная толщина верхней слабопроницаемой зоны практически не зависит от высоты откоса, а определяется исключительно гранулометрическим составом отсыпаемого каменного материала, пропорционально возрастая с увеличением коэффициента его разнозернистости.
Так, если известно процентное содержание в материале мелких фракций, являющихся его заполнителем р3, а также пористость камня, образующего каркас пк, то относительная толщина слабо- проницаемой зоны t/TH может быть ориентировочно оценена по формуле
(1)
где Тн - общая высота насыпи.
В горной массе заполнителем обычно являются фракции частиц не крупнее 0,05 м, пористость каменного каркаса пк изменяется в пределах 0,35 - 0,45. Тогда, принимая в качестве расчетного механический состав каменного материала, который (по графику 2 на рис. 4) характеризуется значениями р3 = 0,1 и пк = 0,4, по формуле (1) находим, что при общей высоте возводимой первичной насыпи Тн = 8 м толщина t верхней слабопроницаемой зоны в этой насыпи не превысит 2 м, а толщина (мощность) нижнего фильтрующего слоя в насыпи будет равна 6 м.
Вследствие концентрации мелкозернистых фракций: каменного материала в верхней зоне насыпи средний размер камней в нижнем (фильтрующем) слое увеличится до 0,35 м (см. график 3 на рис. 4) и тогда, согласно методике расчетов, изложенной в [7], гидравлически эквивалентный диаметр норовых каналов в этом слое (с параметром неоднородности ηκ = Dn/D1-n = 0,26/0,40 = 0,65)
Согласно [7] коэффициент ламинарной фильтрации крупнопористой среды (при D > 0,2 см)
где Ф - коэффициент, учитывающий форму сечения порового канала в зернистом материале (в данном случае Ф = 0,5); п = 0,4 - пористость материала; g = 980 см/с2 - ускорение свободного падения; v = 0,016 см/с2 - кинематическая вязкость воды (при tw = 4°С),
- коррегирующая функция, численное значение которой при температуре воды tw = 4°С,
Соответственно этим данным находим, что K = 240 см/с.
В [7] также приведена формула для определения коэффициента турбулентной фильтрации крупнообломочного материала
где
- критериальное отношение силы
тяжести к силе упругости воды (А, = 2,06 МПа).
В нашем случае расчетное значение коэффициента турбулетной фильтрации фракционированного каменного материала Кт = 40 см/с.
Из-за отсутствия достаточно определенного представления о верхнем критическом значении градиента напора, соответствующем началу полной турбулизации фильтрационного потока в крупнозернистом материале, водоприток в подводящий канал через разделительную фильтрующую дамбу следует определять, используя двучленную зависимость Прони-Форхгеймера
где K- коэффициенты ламинарной и турбулентной фильтрации материала; i - градиент напора фильтрационного потока в этом материале; v - скорость фильтрации.
Трансформируя уравнение (5) в квадратное уравнение, находим
т. е. скорость фильтрации воды в нижнем слое разделительной дамбы
или, при заданном перепаде ∆Н= 1,0 м уровней в водохранилище и подводящем канале и средней ширине нижнего слоя В = 20 м соответственно градиенте напора 0,05, скорость фильтрации в этом слое v = 0,062 м/с и при его расчетной толщине Т= 6 м удельный водоприток в подводящий канал q = vT= 0,37 м3/(с · м).
Имея в виду, что через разделительную дамбу надо одновременно пропустить циркуляционный и паводковый расходы, составляющие в сумме Q - 150m3/c, длина водопропускного (фильтрующего) участка дамбы должна быть в этом случае не менее 400 м.
Начальный участок возводимой дамбы длиной 125 м (считая от места примыкания к существующей дамбе) предлагается выполнить нефильтрующим (“глухим”) с тем, чтобы водоприемная ее часть оказалась в зоне водохранилища со стабильной глубинно-температурной стратификацией.
Следует особо отметить, что через такую фильтрующую дамбу можно будет пропустить циркуляционный расход Q = 90 м3/с (какой потребуется после ввода в эксплуатацию второй очереди ГРЭС) при разнице уровней ∆Н - 0,5 м в водохранилище и подводящем канале.
