Расчет ведется по методу круглой цилиндрической поверхности графоаналитическим способом. Вычерчивается поперечный профиль дамбы, соблюдая одинаковыми горизонтальный и вертикальный масштабы. Расчетная схема устойчивости низового откоса дамбы приведена на рисунке 3 [19].
Рисунок 3 Расчетная схема устойчивости низового откоса дамбы: О - центр скольжения; R- радиус
Проводится осредненная линия низового откоса.
Коэффициент запаса на устойчивость определяется как отношение суммы моментов удерживающих сил к сумме моментов сдвигающих сил g формуле (4.1).
. (4.1)
где - момент удерживающих сил;
- мемент сдвигающих сил.
Действующие силы определяются в следующей последовательности: В.В. Фадеев рекомендуют центры кривых скольжения располагать в прямоугольнике ДЖД'Ж'. Для построения этого прямоугольника из середины откоса (точка Б) прочерчиваем вертикаль и линию под углом 85° к откосу. Затем пользуясь таблицей 7 [5] вычисляем радиусы БД и БЖ и проводим дуги ДД' и ЖЖ' [20].
В секторе ДЖЖ'Д' выбираем центр скольжения О, из которого радиусом R очерчиваем кривую скольжения АГ с таким расчетом, чтобы она проходила между осью дамбы и бровкой низового откоса дамбы. Для выявления всех действующих сил на откосе дамбы массив АА'В' ГА делим на вертикальные полосы шириной b=0,1R. Разбивка полос начинается с нулевой, которая располагается по обе стороны от вертикали, опущенной из точки О до пересечения с кривой скольжения АГ.
Подсчет действующих сил сведен в таблицу 3, порядок заполнения которой следующий: Sinб для рассматриваемой полосы равен её порядковому номеру, поделенному на 10. По оси полосы измеряется средняя её высота. В данном случае, т.е. при отсутствии воды в нижнем бьефе, приведенная высота полосы будет равна средней высоте полосы для грунта при естественной влажности [Там же].
Объемная масса грунта при естественной влажности определяется по формуле (4.2).
, т/м3, (4.2)
где n - относительная пористость грунта;
- плотность грунта, т/м3;
k- коэффициент, зависящий от влажности грунта, принимается 1,12.
Угол внутреннего трения ц и удельное сцепление с принимаются по зонам соответственно состоянию и физико-техническим характеристикам грунтов. В зоне прохождения кривой скольжения от А до М принимается ц1с1, а в зоне от М до Г ц2с2 [22].
Длина дуги кривой скольжения вычисляется по формуле (4.3).
l = (4.3)
где R- радиус кривой скольжения, м;
- центральный угол дуги АМГ.
Определение коэффициента запаса на устойчивость осуществляется по формуле (4.4).
(4.4)
где - сила трения;
- сила сцепления;
- сдвигающая сила от собственного веса.
Радиусы для построения сектора ДД'ЖЖ', в котором размещаются центры наиболее опасных кривых скольжения, имеют следующие значения: БД=к1Нд= 0,9·12=10,8; БЖ = к2Нд=2·12=24 м. В результате графического построения дамбы, кривой скольжения и сползаемого массива имеем: R = 29 м; b = 0,1R = 2, 9 м, число полос 13 [21].
Придание верховому откосу ломаного профиля способствует уменьшению объема насыпи дамбы. Устойчивость верхового откоса обеспечивается при отсыпке из суглинка над полиэтиленовым экраном толщиной не менее 1,8 м. Экран из суглинка, как и тело основной дамбы, отсыпается из суглинистых грунтов разрабатываемых в резерве суглинка на промышленной площадке ЧМК. Проектная плотность сухого грунта равна 1,83 т/м3 при коэффициенте относительного уплотнения - 1,03. Расчетный коэффициент фильтрации суглинков в проекте принят 0,01 м/сут [Там же].
Подсчет действующих сил приведен в таблице 3 [22].
Таблица 3
Подсчет действующих сил
|
Номер полосы |
hпр=hес |
hпр |
Ц |
hпр |
c |
l |
cl |
||||
|
8 |
0,8 |
0,62 |
3,6 |
2,88 |
16° |
0,29 |
0,63 |
3 |
17,7 |
53,1 |
|
|
7 |
0,7 |
0,71 |
4,4 |
3,08 |
- |
- |
|||||
|
6 |
0,6 |
0,83 |
6,0 |
3,6 |
- |
- |
- |
||||
|
5 |
0,5 |
0,86 |
7,0 |
3,5 |
- |
||||||
|
4 |
0,4 |
0,92 |
7,4 |
2,96 |
12° |
0,22 |
1,50 |
2,25 |
24,3 |
54,7 |
|
|
3 |
0,3 |
0,95 |
7,4 |
2,22 |
- |
- |
- |
- |
|||
|
2 |
0,2 |
0,98 |
7,0 |
1,4 |
|||||||
|
1 |
0,1 |
0,99 |
6,4 |
0,64 |
|||||||
|
0 |
- |
1,00 |
5,4 |
- |
|||||||
|
-1 |
-0,1 |
0,99 |
3,6 |
-0,36 |
|||||||
|
-3 |
-0,3 |
0,95 |
1,2 |
-0,36 |
|||||||
|
-4 |
-0,4 |
0,92 |
- |
- |
|||||||
|
? |
19,08 |
2,13 |
107,8 |
Объемная масса грунта в естественном состоянии:
гес= (1-0,66)·2,71·1,12=1,03 т/м3.
Подставляя все данные, полученные графоаналитическим способом, вычисляется коэффициент запаса на устойчивость:
Кз == 2,01.
Вычисленный коэффициент устойчивости низового откоса дамбы вполне удовлетворяет нормальным условиям работы.
Оси ограждающих дамб в меридиальном направлении совмещаются с осями дамб существующих хранилищ. Южная дамбы получена в результате расширения существующей дамбы с устройством проезда по её гребню автотранспорта к месту выгрузки отходов. Положение северной дамбы определено с учетом границ отведенных металлургическому комбинату площадей, наличия существующей застройки и водоохранных требований. С запада границей для проектируемого хранилища служит существующая автодорога, с севера и северо-востока - коридор наземных трубопроводов и водоохранная зона реки Кошта - 100 м. с востока - свалка промышленных отходов [22].
Положение внутренней разделительной дамбы принято из условия наблюдения равного стока заполнения хранилищ отходами от производства холоднокатного листа и коксохимического производства.
Далее производится расчет осадки грунтов основания дамбы. Осадка дамбы складывается из осадки тела дамбы и осадки грунтов основания. Возведение дамбы производится с уплотнением, поэтому считается, что дальнейшее уплотнение под действием собственного веса не происходит[10]. Основные деформации возникают из-за уплотнения грунтов основания весом дамбы. Величина этой осадки определяется по формуле (4.5).
S=T, м, (4.5)
где Т - толщина сжимаемого основания дамбы, м ;
- коэффициент пористости грунта основания плотины в естественном состоянии;
- то же, после возведения насыпи.
Определяем напряжение в середине сжимаемого слоя грунта основания дамбы в естественном состоянии по формуле (4.6).
рнач= гср.взв , т/м2 (4.6)
где гср.взв- объемная масса средневзвешенного грунта, т/м3;
Т- толщина определенного вида грунта, м;
Все работы по складированию, уплотнению и изоляции на хранилищах химотходов выполняются механизированно. Настоящая инструкция содержит основные положения, которые следует строго соблюдать при проектировании, эксплуатации и рекультивации полигонов для обеспечения санитарных и экологических требований эффективного использования земельных участков [22].
Схемы к расчету основания дамбы приведены на рисунке 4.
Рисунок 4 Схемы к расчету основания дамбы [23]
Объемная масса средневзвешенного грунта находим по формуле (4.7).
гср.взв= , т/м3, (4.7)
где Т1- толщина растительного слоя, равна 0,2 м;
Т2 - толщина слоя песка, равна 4 м;
Т3- толщина слоя суглинка, равна 4 м;
- объемная масса растительного грунта при естественной влажности, равная 1,6 т/м3;
- объемная масса песка, равная 2,67 т/м3;
- объемная масса суглинка, равная 2,71 т/м3.
гср.взв=2,7 т/м3.
Рнач.=2,7·=11,07 т/м2;
Рнач.= 1,12 кг/см2.
Пользуясь компрессионной кривой, определяется средневзвешенный коэффициент пористости грунта основания дамбы при р = рнач=1,12 кг/см2[10], то есть по формуле (4.8).
. (4.8)
где - коэффициент пористости песка;
- коэффициент пористости суглинка;
Т1- толщина растительного слоя, равна 0,2 м;
Т2 - толщина слоя песка, равна 4 м;
Т3- толщина слоя суглинка, равна 4 м.
=0, 34.
Для определения напряжения в середине сжимаемого слоя после возведения дамбы используется метод профессора Н.А. Цитовича. Поперечный профиль дамбы делится на три фигуры: левый треугольник, среднюю часть - прямоугольник и правый треугольник. Затем определяются отношения и , по которым из таблиц 8 и 9 [11] принимаются вертикальные напряжения , выраженные в долях от интенсивности загрузки [25].
Напряжения в точке В от насыпи будет определяться по формуле (4.9).
, (4.9)
где объемная масса суглинка, из которого будет производиться отсыпка дамбы, равная 1,83 т/м3;
- проектная высота дамбы, равная 12 м.
рв = 1,83·12= 21,96 т/м2 ;
рв = 2,2 кг/см2.
Напряжение в точке С определяется как сумма от отдельных трех нагрузок - от левого треугольника, от средней части и от правого треугольника. Определение напряжения от нагрузки левого треугольника. Для этого определяются отношение по формуле (4.10).
, (4.10)
где м1 - заложение верхового откоса, равное 2,5.
= 0,27.
По формуле (4.11) определим отношение .
, (4.11)
где - ширина дамбы по гребню, равная 4,5 м.
=1,08.
По таблице 10 [11] принимаем =0, 424.
Напряжение от нагрузки средней части определяется по соотношениям (4.12).
=, (4.12)
=1,8;
= 0/4,5=0
где - напряжение от нагрузки левого треугольника;
- напряжение от нагрузки правого треугольника
По таблице 9 [11] принимаем = 0,35.
Тогда р2= .
рВ= 0,35·2,2= 0,77 кг/см2.
Напряжение от нагрузки первого треугольника р3=р1, т. к заложение откосов одинаковое [25].
Полное напряжение в точке С определяется по формуле (4.13).
рс= р1+р2+р3, кг/см2, (4.13)
где р1, р2, р3- напряжения в 1, 2 и 3 точках.
рс=2,63 кг/см2.
В среднем в грунте основания под гребнем дамбы напряжение с учетом первоначального напряжения будет определяться по формуле (4.14).
рср = , кг/см2, (4.14)
где рв-напряжение в точке В, кг/см2;
рс- напряжение в точке С, кг/см2;
рнач- напряжение начальное, кг/см2.
рср= + 1,12= 3,53 кг/см2.
По компрессионной кривой при р=рср=3,53 кг/см2 определяется средневзвешенный коэффициент пористости = 0,26.
Величина полной осадки основания, под гребнем дамбы, составит:
S=8, 2 = 0,49 м.
Окончательно величина осадки принимается 0,5 м. Таким образом, строительная высота дамбы составит 12,5 м.
Для предотвращения фильтрации токсичных отходов из хранилища на рельеф, в поверхностные и подземные воды по осям ограждающих дамб и вдоль подошвы северной дамбы существующего хранилища устраивается противофильтрационная завеса «стена в грунте», а в основании хранилища - противофильтрационный экран из полиэтиленовой пленки. «Стена в грунте» устраивается на всю высоту с заведение нижней границы стенки на 1,0 м в подстилающую морену, являющуюся региональным водоупором. Стена выполняется из глинистого грунта шириной 0,7 м, полной высотой до 24,0 м. Коэффициент фильтрации противофильтрационной завесы равен 10-7 см/сек.
Устройство экрана в основании хранилища предотвращает попадание стоков в подземные водоносные горизонты, существенно уменьшает фильтрацию через тело дамбы в нижний бьеф сооружений и исключает переток и смещение стоков между собой из различных секций хранилища. Отсутствие глин в требуемом количестве в районе строительства не позволяет выполнить весь экран из глины. Глиняный экран устраивается только на внешнем откосе существующей дамбы для сопряжения устраиваемой противофильтрационной завесы и экрана из полиэтиленовой пленки с существующим хранилищем [26].
Расчет устойчивости пластичного экрана. Расчет устойчивости экрана рассматривается для 1 м длины дамбы, он сводится к определению коэффициента запаса на устойчивость экрана. Расчетная схема устойчивости пластичного экрана приведена на рисунке 5 [26].
Рисунок 5 Расчетная схема устойчивости пластичного экрана
Пренебрегая отпором грунта призмы АВС (это увеличивает запас при расчетах), считают, что для устойчивого состояния экрана необходимо соблюдение такого условия: