CC BY
14
УДК 621.182.94:628.516
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ СТЫКОВ ПЛЕНОЧНЫХ ЭКРАНОВ ЗОЛООТВАЛОВ ТЭС
Е.П. ХАГЛЕЕВ, Ю.Д. АЛИМБАЕВА Красноярский государственный технический университет
В статье представлены результаты испытаний “_£”-образных стыков пленочных экранов золоотвалов ТЭС. Данные испытаний позволяют установить правомерность гипотезы о самоуплотнении таких стыков, их герметичности, а также возможности создания в ложе золоотвалов водонепроницаемых пленочных экранов.
Введение
Известно, что на ТЭС России, работающих на угле, ежегодно образуется свыше 100 млн. т токсичных золошлаковых отходов, складируемых в золоотвалах. Токсичное содержимое золоотвалов может попасть в грунтовые воды, водоемы и почву вследствие несовершенного экранирования ложа и бортов [1]. В соответствии с тенденциями топливно-энергетической политики нашей страны использование твёрдого топлива к 2020 году увеличится на 21-54%\ что делает еще более актуальной проблему, связанную с необходимостью предупреждения утечки токсичного фильтрата за пределы золоотвалов.
В настоящее время золоотвалы с противофильтрационными элементами в ограждающих дамбах, выполненных из грунтовых материалов, бетона или асфальтобетона, в лучшем случае располагают на естественных водоупорах в виде глинистых грунтов. Необходимо отметить, что противофильтрационные элементы и естественные водоупоры, обладая относительно низкой, но конечной по величине проницаемостью, лишь растягивают во времени процесс загрязнения окружающей среды. Полностью исключить фильтрацию возможно при использовании полимерных конструкций и плёночных экранов и завес, уложенных на всей площади чаши и бортов золоотвалов. В силу абсолютной водонепроницаемости полимерных материалов отмечена целесообразность повсеместного их внедрения при экранировании промнакопителей, в том числе золоотвалов [2]. Однако недостатки, установленные при создании пленочных экранов на ряде объектов, препятствуют широкому их использованию. Во-первых, до сих пор укладка плёночных экранов и завес достаточно трудоёмка и выполняется ручным способом при раскатывании рулонов плёнки на экранируемой поверхности; склеивании, сваривании стыков отдельных полотнищ в единый экран. Во-вторых, возникают затруднения, связанные с климатическими условиями, такими как многократное сезонное промерзание- -
оттаивание дамб и надводных участков плёночных экранов, которое сопровождается ежегодным образованием морозобойных трещин, пучением и другими криогенными явлениями, разрушающими целостность таких экранов. В-
1 Дьяков А. Ф. Некоторые аспекты развития гидроэнергетики и совершенствования топливно-энергетического баланса России // Изв. АН. Энергетика. - 2002. - №2. - С. 78-84.
© Е.П. Хаглеев, Ю.Д. Алимбаева Проблемы энергетики, 2004, № 3-4
третьих, зарастание мелководных придамбовых зон приводит к повреждению корнями растений плёнок, если последние расположены в непосредственной близости к наружной поверхности откосов [3]. И, наконец, используемая в настоящее время технология укладки плёночных завес “внахлёст” способствует их разуплотнению с течением времени под действием сил гидростатического давления.
Недостаток стыков “внахлест” объясняется особенностью их статической работы. Если давление на стык вышележащих слоев золошлакового материала (ЗШМ) и противодавление подстилающих грунтов взаимно уравновешены, то гидростатическое давление столба воды в золоотвале, действующее над стыком, не уравновешено подобным давлением под стыком. Вода, попадая внутрь стыка, оказывает расклинивающее воздействие на края соединенных пленок. Верхняя пленка стыка при этом находится в равновесном состоянии, испытывая гидростатическое давление сверху и снизу с одинаковой интенсивностью. На нижнюю пленку сверху действует гидростатическое давление, а снизу - давление, равное нулю (атмосферное), либо давление грунтовых вод, которое, как правило, значительно ниже гидростатического давления, созданного в золоотвале. В результате расклинивающих усилий гидростатического давления нижняя плёнка растягивается между защемлениями в жестких контактах частиц ЗШМ сверху и грунта - снизу. При этом в стыке образуются каналы, повторяющие поровые каналы подстилающего грунта. В местах, где сварка или склеивание стыков “внахлест” были проведены некачественно, сразу образуются сквозные ходы фильтрации. Качественно же сваренные или склеенные швы в стыках со временем стареют, теряют свои прочностные свойства, а гидростатическое давление является постояннодействующим разрушающим фактором.
Постановка эксперимента
Более перспективными, с точки зрения надежности их работы, являются стыки, образованные в местах соединения соседних краёв плёночных полотнищ с отгибами, прилегающими друг к другу и направленными навстречу гидростатическому напору [4]. Будем называть их “Х”-образными стыками. Такие стыки гипотетически считались герметичными, т. к. обращенные друг к другу отгибы самоуплотняются под воздействием бокового давления пригрузочного слоя грунта и вышележащих слоев золошлакового материала (ЗШМ) при нейтральном по отношению к работе стыков гидростатическом давлении (рис. 1). Предварительные испытания самоуплотняющихся стыков на герметичность, проведённые на упрощенной установке из тарной бочки диаметром 300 мм, показали обнадёживающие результаты [5]. Однако более подробное изучение работы “_|_”-образных стыков на усовершенствованной силовой фильтрационной установке, позволяющей выдерживать большие нагрузки от грунтового и гидростатического давлений без видимых деформаций стенок и днища корпуса, заставило усомниться в концепции герметичности самоуплотняющихся стыков.
Цель исследования состояла в установлении возможности использования плёночных экранов и завес с самоуплотняющимися стыками в ложе золоотвалов и в теле водоподпорных дамб.
Задачи исследования:
1) определить оптимальную высоту стыков для случая применения различных по гранулометрическому составу грунтов, используемых в качестве пригрузочного слоя;
2) установить связь между высотой стыка Нот и высотой пригрузки кпр, при которой прекращается фильтрация:
Ьот = .Л^пр);
3) установить влияние конфигурации стыка на его герметичность (рис. 1).
\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ “т с~
б)
Рис. 1. Условия работы стыков: (а) прямого, (б) Г-образного; кот - высота отгиба стыка;
^ давление грунта; ^ гидродинамическое давление
Для проведения эксперимента согласно условиям поставленной задачи в качестве материала пригрузочного слоя использовались галечник, гравийнопесчаная смесь и речной песок с частицами разной крупности. Галечник был представлен частицами диаметром 20-60 мм, гравийно-песчаная смесь - йэ
= 0,6 мм. За основной грунт был принят песок среднезернистый с эквивалентным диаметром йэ = 0,3 мм в соответствии с требованиями, предъявляемыми к защитному слою плёночных экранов [6]. Содержание частиц песка разной крупности в пробе массой 1 кг представлено в таблице 1.
Таблица 1
Фракционный состав песка среднезернистого
Диаметр частиц, мм 0,10 и менее 0,10- -0,25 0,25- -0,50 0,50- -1,00 1,00- -2,00 2,00- -5,00 5,00- -10,00 10,00 и более
%-ное содержание по массе 3,3 20,0 36,0 19,0 13,0 6,0 2,0 0,7
Коэффициент трения песка по полимерному материалу насухо - от 0,27 до
0,45, воде - от 0,25 до 0,4. В качестве полимерной пленки для “Л”-образных стыков применялась полиэтиленовая пленка низкой плотности из пластифицированного ПВХ толщиной 0,2 мм (ГОСТ 10354-82).
Фильтрационная установка и методика проведения эксперимента.
Корпус фильтрационной установки представляет собой цилиндрический сосуд 1 (рис. 2) диаметром и высотой 400 мм с толщиной стенки 10 мм. В верхней
части корпус с помощью фланцевого соединения закрывается крышкой 2, выполненной из листовой стали толщиной 20 мм. В центре крышки расположен корпус сальника, в отверстие которого вставлен силовой шток 3. К концам штока крепятся два диска, служащие грузовой площадкой 4 и распределительной плитой. Также в крышке предусмотрен резьбовой воздушник 5 для вывода воздуха при заполнении установки водой. Для создания избыточного гидростатического давления к верхней части корпуса через штуцер с помощью шланга 6 присоединён подвижный напорный сосуд 7.
Рис. 2. Фильтрационная установка: а) общий вид; б) вид сверху
В днище корпуса 8, выполненного из листовой стали толщиной 20 мм диаметром 426 мм, имеется диаметральная прорезь 9, имеющая размеры 285 X 5 мм. Через прорезь пропускается сваренный из двух полотнищ гидротехнической плёнки так называемый “рукав” 10, моделирующий фрагмент “Х”-образного стыка плёночного экрана. Внутрь рукава на уровне днища устанавливается дренажный брусок толщиной 10 мм, выполненный из
перфорированного текстолита. С одной стороны, дренажный брусок используется в качестве бруска жёсткости для герметичного закрепления рукава к днищу с помощью герметика, нанесенного на внешнюю поверхность пленки по периметру прорези, с другой - если сам рукав (“_|_”-образный стык) оказывается негерметичным, - для пропуска профильтровавшейся внутрь рукава воды, стекающей в мерный сосуд. Высота рукава устанавливается в соответствии с требованиями конкретного опыта, но не выше 250 мм от основания, т. к. увеличение высоты отгиба свыше 250 мм экономически неоправданно в связи с перерасходом плёнки при укладке её в ложе золоотвала.
Эксперимент проводился по следующей методике:
1. “Рукав” плёнки, моделирующий фрагмент “Х”-образного стыка плёночного экрана (см. рис. 2), перед каждым опытом проверяли на отсутствие прорана, т. е. на целостность стенок и сварного шва.
2. Высушивали внутреннюю поверхность рукава. Устанавливали в рукаве дренажный брусок.
3. Просовывали сливную часть рукава через прорезь в днище корпуса фильтрационно-силовой установки так, чтобы дренажный брусок оказался на уровне днища. Наносили герметик по периметру прорези с внешней поверхности пленки. Под сливной участок рукава подставляли мерный сосуд.
4. Засыпали слой грунта 50-70 мм с лёгким уплотнением. Заливали прокипячённой водой до появления её на поверхности уложенного слоя грунта и т. д. до перекрытия грунтом верхнего края рукава на глубину 50-70 мм.
5. Устанавливали дисковую плиту на поверхность грунта и закрепляли фланец.
6. Заливали воду в напорный сосуд, приподняв его на 0,05 - 0,10 м над фланцем, так чтобы в напорном шланге и под крышкой не оставалось воздуха, который вытесняли через воздушник. После закрытия воздушника устанавливали напорный сосуд на заданной высоте (Н = 0,5 - 2,0 м).
7. Если через сливную часть рукава в течение некоторого времени просачивался фильтрат (стык негерметичен), то на грузовую площадку помещали груз, имитирующий увеличение толщины пригрузочного слоя грунта, которое ведет к более интенсивному прижатию отгибов стыка друг к другу. При этом давление груза, которое передаётся через шток и дисковую плиту на грунт, определяли как
р=-=т., (1)
Б Б
где р - давление, н/м2; N - сила тяжести, н; Б - площадь диска, м2; т - масса груза, кг; g - ускорение свободного падения, м2/с.
Толщину слоя грунтовой пригрузки, соответствующую величине —, определяли по формуле
Нар (Ун -Ув)+ Ув(1 -е), ( )
где ^пр - толщина слоя грунтовой пригрузки, м; ун = рн ■ g - удельный вес насыпного грунта, н/м3; ув = рв ■ g - удельный вес воды, н/м3 ; рн, рв -© Проблемы энергетики, 2004, № 3-4
плотность соответственно насыпного грунта и воды, кг/м3; е - насыпная пористость грунта.
В качестве груза, моделирующего слой грунта, использовали гири. Например, при использовании гири массой 32 кг имитируемое давление вышележащего грунта и ЗШМ составило бы
р = 3,2'9,8 2 = 4438,78.
3,14' 0,152
Согласно формуле (2) можно записать
к =__________________4438,78_______________= 04
пр 9,8(1460,0 - 999,7)+ 999,7 - 9,8(1 - 0,33) , '
Полученное значение толщины пригрузочного слоя грунта (0,4-0,6 м) соответствует максимальному значению слоя в натурных условиях, то есть выше этой толщины складируется ЗШМ. Если при максимальной толщине пригрузочного слоя не обеспечивается герметичность “Х”-образного стыка, то стык в дальнейшем будет проницаем для токсичного фильтрата.
Для оценки проницаемости плёночного экрана в случае негерметичных “Х”-образных стыков было введено понятие эквивалентного коэффициента фильтрации кэ, позволяющее сравнивать между собой эффективность плёночного экрана с эффективностью экранов из грунтовых материалов. Расчёт кэ проводился по формуле
к = , (3)
э I' н
где V - объёмный расход фильтрации, м3/с на погонный м стыка; кот - высота отгиба рукава пленки, м; I - площадь фрагмента плёнки, уложенной на
2 тт - -
поверхность грунта, м ; Н - гидростатический напор над верхней кромкой стыка, создаваемого напорным сосудом, м.
Обработка и анализ результатов эксперимента
Результаты эксперимента по определению оптимальной высоты отгиба “Х”-образного стыка при использовании песка в качестве пригрузочного слоя сведены в таблицу 2.
Опыты показали, что во всех случаях в пределах рассматриваемых значений высоты отгибов “Х”-образного стыка имеет место фильтрация воды. Этому, по всей вероятности, способствует капиллярное всасывание воды внутрь стыка, оказывающее расклинивающее воздействие на отгибы стыка. По мере продвижения фронта капиллярной воды вдоль стыка на нее действует полный гидростатический напор, нейтральный по отношению к отгибам, так как уравновешивается с наружной стороны отгибов таким же по величине гидростатическим напором. То есть гидростатический напор (давление) не оказывает расклинивающего воздействия на “Х”-образный стык, как это имеет место при стыке “внахлест”.
Влияние высоты отгиба и гидростатического напора на коэффициент фильтрации “_|_”-образного стыка
№ опы- та Высота отгиба, h0T, м Гидростаический напор, H, м Объемный расход фильтрации, V, см3/мин-м Коэффициент фильтрации; кэ -107, (числитель - м/с, знаменатель—м/ сут.)
гравийно-песчаная смесь d3=0,6 мм
1 0,10 0,25 1,810 0,101 8688
2 0,15 0,20 0,852 0,097 8365
3 0,20 0,15 0,425 0,094 8160
4 0,25 0,12 2,700 0,092 7950
Песок среднезернистый d3=0,3 мм
5 0,10 0,25 832,800 46,267 3997000
6 0,15 0,20 777,300 88,331 7631000
7 0,20 0,15 0,954 0,211 18230
8 0,25 0,10 13,793 6,386 551720
Достичь герметичности за счет эффекта самоуплотнения стыка при обжатии отгибов давлением грунта при нейтральности гидростатического давления не удается. То есть гипотеза о герметичности стыка за счет его самоуплотнения не подтвердилась. Капиллярная вода профильтровывается через “_|_”-образные стыки. В лучшем случае, такие стыки обеспечивают пленочному экрану проницаемость на уровне естественных водоупоров, то есть глинистых грунтов.
При использовании песка в качестве пригрузочного слоя оптимальная высота отгиба с точки зрения допустимой проницаемости “_|_”-образного стыка и расхода пленки на создание пленочного экрана соответствует высоте отгиба кот < 0,20 м. Близкие результаты получены для проницаемости “Х”-образного стыка при использовании гравийно-песчаной смеси в качестве пригрузочного слоя.
В таблице 2 не отражены данные, полученные при испытании “_|_”-образных стыков с использованием галечника и чистого гравия, так как при любой высоте отгиба и величине гидростатического напора коэффициент фильтрации превышал значения, полученные в опытах с песком и гравийнопесчаной смесью в 1000-50000 раз. Опыты приходилось останавливать в силу нецелесообразности дальнейших испытаний. Таким образом, обжатие отгибов “_|_”-образного стыка галечником или чистым гравием с целью обеспечения его герметичности менее эффективно, чем песком. По всей видимости, степень плотности обжатия стыка, главным образом, зависит от площади контактов
частиц грунта с пленкой на единицу длины отгиба. Плотность обжатия “_|_”-образного стыка при использовании гравийно-песчаной смеси обеспечивается за счет того, что поры между крупными частицами гравия заполняются частицами песка, что в большей мере проявляется при динамическом уплотнении грунта.
В таблице 3 приведены результаты экспериментов работы Г-образных и прямых стыков с песчаной засыпкой эквивалентным диаметром зёрен 0,2 мм, свидетельствующие о более высокой проницаемости первых по сравнению со вторыми. В настоящее время объяснение этому факту трудно найти. Тем не менее, эквивалентный коэффициент фильтрации Г-образных стыков остаётся в пределах коэффициентов фильтрации естественных водоупоров.
Таблица 3
Влияние конфигурации стыка на коэффициент фильтрации
№ опы та Высота отгиба, м Высота напорно- го сосуда, м Высота н краем ад верхним эукава, м Объемный расход фильтрации, V, см3/мин-м Коэффициент фильтрации; кэ 107, (числитель- м/с, знаменатель--м/сут.)
засыпки столба жидкости
прямой стык
1 0,25 - 0,10 45,88 2,125 183600
2 0,25 0,50 0,50 40,88 0,378 32659
3 0,25 1,50 1,50 29,86 0,092 7963
4 0,25 2,00 2,00 28,63 0,067 5789
Г-образный стык
5 Во всех четырёх опытах высота вертикальной части-0,15, горизонтальной-0,10 - Над загибом- 0,05 0,10 196,65 5,464 472090
6 0,50 0,20 0,50 172,50 1,917 165629
7 1,50 Над загибом- 0,05 1,50 138,33 0,426 36872
8 2,00 0,20 2,00 113,04 0,264 22810
Помимо экспериментального определения оптимальной высоты отгиба была проведена серия опытов по исследованию влияния динамического уплотнения на интенсивность фильтрации и величину гидростатического напора. Уплотнение осуществлялось в процессе укладки грунта в установку. Каждый слой толщиной 5-7 см подвергался вибрационным нагрузкам. Гидростатический напор на “Х”-образный стык постепенно повышали от 0 до 2,0 м в течение четырех суток. Кроме этого, в опытах пригрузочный слой грунта загружали с помощью силового штока с дисками грузом, имитировавшим вышележащий слой грунта и ЗШМ.
Результаты сравнительного анализа экспериментов для случаев с динамическим уплотнением и - без уплотнения при использовании гравийно-
песчаной смеси и высоте отгиба стыка 0,2 м показали, что гидростатический напор заметно влияет на проницаемость “_|_”-образного стыка в случае уплотненного грунта и практически не сказывается в случае неуплотненного грунта (рис. 3).
Гидростатический напор, м
♦ гравий неуплотнённый без нагрузки —■—гравий уплотнений с нагрузкой
Рис. 3. Зависимость коэффициента фильтрации пленочного экрана от величины гидростатического напора для пригрузочного слоя из гравийнопесчаной смеси й э = 0,6 мм
В первом случае коэффициент фильтрации снижается в шесть раз по мере нарастания гидростатического напора от 0 до 2,0 м, а во втором - практически не меняется, колеблясь в пределах 0,6 - 0,8-10-3 м/сут. Схожие результаты были получены при использовании песчаного пригрузочного слоя (рис. 4).
а
а
а
а
&
н
-
ч
а
■е
а
а
а
■е
■е
п
о
Гидростатический напор, м
- песок неуплотнённый без нагрузки
- песок уплотнённый с нагрузкой
Рис. 4. Зависимость коэффициента фильтрации плёночного экрана от величины гидростатического напора для пригрузочного слоя из песка й э = 0,3 мм
Выводы
Обобщая вышеизложенное, можно сделать следующие выводы относительно задач исследования:
1) гипотеза о герметичности самоуплотняющихся “Х”-образных стыков не подтвердилась. Капиллярная вода просачивается через “Х”-образные стыки, которые в лучшем случае обеспечивают пленочному экрану проницаемость на уровне естественных водоупоров;
2) эквивалентный коэффициент фильтрации пленочного экрана с “X”-образными стыками соответствует коэффициенту фильтрации глинистого экрана при использовании песка или гравийно-песчаной смеси с эффективным диаметром зёрен грунта 0,2 - 0,6 мм. Оптимальная высота отгиба в стыке составляет порядка 0,20 м;
3) динамическое уплотнение пригрузочного слоя грунта во время укладки пленочного экрана способствует значительному снижению эквивалентного коэффициента фильтрации пленочного экрана с “Х”-образными стыками;
4) в качестве оптимальной конфигурации стыка с точки зрения достижения минимального коэффициента фильтрации можно рекомендовать прямой стык, хотя, теоретически, увеличение эквивалентного коэффициента фильтрации Г-образного стыка по сравнению с прямым трудно объяснить;
5) фильтрация снижается с увеличением гидростатического напора, причём данная зависимость сильнее проявляется при динамическом уплотнении и давлении вышележащего грунта и ЗШМ, что отвечает реальным условиям возведения и эксплуатации золоотвалов;
6) при длительной постановке эксперимента (четверо суток) с каждым последующим днём фильтрация уменьшается. Можно предположить, что наступит такой момент, когда фильтрация станет ничтожно малой. Необходимы долговременные испытания с целью подтверждения этого предположения.
Главный вывод, который можно сделать на основании эксперимента по изучению герметичности пленочных экранов с “Х”-образными стыками, заключается в том, что нецелесообразно, используя абсолютно непроницаемый материал, каким является гидротехническая пленка, оставлять необработанные стыки. Стыки необходимо сваривать или склеивать. Таким образом, обработанные стыки, направленные навстречу гидростатическому напору, обжатые этим напором и давлением грунта, будут обеспечивать не только полную герметичность, но и надежную статическую работу пленочного экрана в целом. Кроме того, для повышения конкурентоспособности пленочных экранов по сравнению с экранами другой конструкции следует исключить ручной труд при укладке полотнищ пленки в ложе и бортах золоотвала. Авторами предложен ряд устройств, позволяющих полностью исключить ручной труд и механизировать процесс укладки пленочных экранов с “Х”-образными стыками без их обработки [7] и с обработкой (склеиванием)2.
Summary
The results of the tests of “J”-formed junctures of film screens in the ash-dumps at the Thermal Power Stations, are presented in the article. The data of these tests allow to establish the ground of hypothesis about self-concentrating of such junctures, their hermeticment, and also the possibility of creation ofpermeable film screens in the couch of ash-dumps.
Литература
1. Государственный доклад “О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1996 году”. - М.: Экос, 1997.
2. Лысенко В.П. О контроле качества плёночных противофильтрационных конструкций // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева: Сборник научных трудов. - 1988. - Т.211. - С. 43-47.
3. Белышев А.И. Пути повышения эффективности плёночных противофильтрационных экранов // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева: Сборник научных трудов. - 1988. - Т.211. - С. 48-51.
4. Глебов В.Д., Лысенко В.П. Конструкции противофильтрационных плёночных экранов грунтовых плотин. - ВНИИГ, 1975. - 75 с.
5. Хаглеев Е. П., Алимбаева Ю. Д., Рычкова Н. И. Строительство золоотвалов с плёночными завесами // Достижения теплоэнергетического факультета в истории развития энергетики региона. Вестник Красноярского
2 Положительное решение на заявку Хаглеева Е.П. и Алимбаевой Ю.Д. “Устройство для образования многоярусной пленочной диафрагмы в водоподпорном сооружении” за №2001106403/13(006480) от 06.03.2001.
технического университета. - Вып. 28. - Красноярск: КГТУ, 2002. - С. 100105.
6. Инструкция по проектированию и строительству противофильтрационных устройств из полиэтиленовой плёнки для искусственных водоемов: СН-551-82. - М., 1983.
7. Хаглеев Е.П., Спехов А.А. Технология укладки пленочных завес в гидросооружениях // Водоканал. Омск -98: Материалы I Международной научно-технической конференции. - Омск: ОмГТУ, 1998. - С. 12.
Поступила 12.03.2003
