Гидротехнические сооружения депонирования осадков

С. В. ХРАМЕНКОВ, канд. техн. наук, генеральный директор МГП «Мосводоканал»;

С. В. БОРТКЕВИЧ, канд. техн. наук, главный инженер Проектно-изыскательского научно-исследовательского бюро «ГИТЕСТ»

При создании гидротехниче-ских сооружений депонирования водопроводных и канализацион-ных осадков важной проблемой является защита грунтовых вод и атмосферы от возможного за-грязнения. Наиболее полно она решается путем создания изоли-рующих капсул вокруг массивов депонируемого осадка, которые образуются за счет выстилания защитными водонепроницаемыми экранами дна и откосов выработок грунта, а также поверхности складируемого осадка. Согласно СНиП 2.01.28-85 «Полигоны по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов. Основные положения по проектированию», защитные экраны рекомендуется выполнять из полимеров, асфальтобетона и перемятой глины, при этом материал защитного экрана должен иметь коэффициент фильтрации Кф= 10-7 — 10-8 см/с.

Однако применение полимеров и асфальтобетона ограничивается их высокой стоимостью и невозможностью проведения ра-бот в осенне-зимний период года. Глина в большинстве случаев залегает на глубине 10-30 м от поверхности земли и может быть взята только в специально отве-денных карьерах, транспортиро-вание грунта из которых зачастую экономически не оправдывается из-за их удаленности. Кроме того, процесс перемятия глины требует ее дополнительного увлажнения и многократного перемешивания, а укладка перемятой глины затруднена низкой несущей способностью приготовленного таким образом грунта. При высыхании глина быстро растрескивается, а при обводнении набухает (давление набухания может составлять 0,2-0,7 МПа), что влечет за собой снижение или потерю фильтрационной прочности экрана.

Именно указанными факто-рами объясняется широкое при-менение в зарубежной практике многослойных экранов с вклю-чением в их состав, помимо слоя глины, геотекстиля и сварных непроницаемых диафрагм из синтетических материалов. На-пример, на строительстве поли-гона захоронения специальных отходов г. Биллигейма в герман-ской провинции Баден-Вюртенберг при укладке защитного слоя глины движение автотранспорта по нему не допускалось. Для выполнения этого условия были отсыпаны пионерным способом временные строительные дороги и с них экскаватор с длинной стрелой укладывал глину, затем ее уплотняли специальным катком и прикрывали геотекстилем.

Указанных выше технологи-ческих и экономических проблем можно избежать, если грунтовые экраны выполняются из местных суглинков, которые в зависимости от геолого-литологического строения грунтового массива являются четвертичными и третичными отложениями различного генезиса или про-дуктами переработки материн-ских пород, выходящих на по-верхность земли. Эти грунты значительно менее чувствитель-ны к атмосферным воздействиям, в том числе к воздействию воды и температуры, залегают непосредственно на поверхности земли и легко разрабатываются бульдозерами, скреперами и экс-каваторами. Однако в естествен-ном залегании они характеризу-ются коэффициентом фильтра-ции Кф = 10-4 — 10-5 см/с и поэто-му, как правило, не рассматри-ваются в качестве строительного материала для создания защитных экранов.

Столь высокий коэффициент фильтрации местных суглинков в естественном залегании объяс-няется геологическими условия-ми формирования этих отложе-ний на поверхности земли. На-пример, водно-ледниковые от-ложения формировались в виде неоднородной толщи пылевато- глинистых грунтов, в основном флокуляционной (агрегатной) структуры с различными про-слойками и включениями песка, щебня и гравия, а латериты об-разовались как продукт вторич-ного выветривания коренных глин в условиях тропического климата и характеризуются на-личием многочисленных зон скопления ожелезненных кон-креций. Таким образом, естест-венная структура этих грунтов обусловливает их фильтрацион-ную анизотропию и высокий ко-эффициент фильтрации при дос-таточно большом содержании глинистой фракции.

Комплексными исследовани-ями свойств грунтов при создании гидротехнических сооружений депонирования осадков Курьяновской станции аэрации [1; 2] установлено, что нарушение естественного сложения су-глинистых грунтов в процессе разработки и укладки с после-дующим изменением их струк-туры с флокуляционной на дис- пергационную при уплотнении позволяет снизить коэффициент фильтрации Кф от 10-4 — 10-5 до 10-7-10-8 см/с. На грунтах раз-личной влажности получение диспергационной структуры обеспечивается изменением ра-боты и режима уплотнения [3].

Рис. 1. Зависимость водопроницаемостисуглинка от влажности при уплотнении

Если естественная влажность грунта ниже оптимальной, то в поровом растворе создается вы-сокая концентрация электроли-тов, вызывающая сдавливание диффузного слоя в водной обо-лочке глинистых частиц и, сле-довательно, уменьшающая силы отталкивания между отдельными частицами, в результате чего происходит флокуляция (слипа-ние) коллоидов, т. е. образование агрегатов с малой степенью ориентации частиц в уплотнен-ном грунте. Такую структуру на-зывают флокуляционной. Сугли-нистый грунт, уложенный в соо-ружение с флокуляционной структурой, имеет относительно высокую водопроницаемость. При влажности грунта выше оп-тимальной агрегаты грунта сво-бодно перемещаются, сближа-ются, а затем разрушаются (диспергируются) с образованием более мелких и более плотно укладываемых агрегатов. По мере увеличения уплотняющей нагрузки в грунте постепенно формируется параллельно ориентированная микроструктура, при которой обеспечивается наибольшая площадь контакта в единице объема. Поскольку объем отдельных пор уменьшается при сохранении общего объема пор, снижается и водопроницаемость грунта. Установлено, что снижение водопроницаемости происходит в 100 раз и более. Полученную структуру грунта называют диспергационной. Влияние изменения влажности и плотности на величину коэффициента фильтрации суглинка показано на рис. 1.

Изменяя интенсивность уп-лотнения грунта, требуемую ГОСТ 22733-77 «Грунты. Метод лабораторного определения мак-симальной плотности», за счет количества ударов и массы гири в сторону увеличения, а затем в сторону уменьшения, можно по-лучить серию кривых уплотне-ния с различной оптимальной влажностью, как это показано на рис. 2, и по этим кривым ограни-чить область параметров укладки суглинистого грунта, которая обеспечивает получение диспер-гационной структуры грунта с низкой водопроницаемостью.

Рис. 2. Пример определения области контрольных параметров укладки суглинков в защитный экран по результатам лабораторного уплотнения:

1 — уплотнение грунта по ГОСТ 22733-77 (Россия); 2 — усиленное уплотнение грунта по AASHO Т 180-82 (США); 3 — область контрольных параметров укладки суглинков в экран; 4 — облегченное уплотнение (Швеция); ρdмакс — максимальная плотность укладки; ρdмин — минимальная плотность укладки; Wдоn — допустимый диапазон влажности; Wопт1, Wопт2, Wопт3 — оптимальная влажность при соответствующих методах уплотнения; Sr — степень влажности грунта

Линию раздела областей диспер-гационной и флокуляционной структур сложения грунта следует проводить через точки, ординаты которых соответствуют максимальной плотности сухого грунта, а абсциссы — оптимальной влажности для различной величины уплотнения. Укладку суглинистого грунта в тело защитного экрана производят при контрольных параметрах плотности-влажности, значения которых должны входить в область диспергационной структуры сложения, характери-зующейся степенью влажности Sr ≥ 0,8. Верхней границей области диспергационной структуры грунта является кривая полного водонасыщения (степень влажности Sr= 1). МГП «Мосводоканал» и Про- ектно-изыскательское бюро «ГИТЕСТ» разработали техно-логию возведения защитных противофильтрационных экранов из местных суглинков, которая предусматривает использование грунтов с числом пластичности Iр более 0,1 и укладку их при средней степени влажности Sr = 0,9, для чего применяются обычные строительные ме-ханизмы. При этом допускаются примеси песка, гравия и щебня в определенном количестве в за-висимости от гранулометричес-кого состава грунта. Уплотнение суглинков твердой консистенции производится тяжелыми катками или самосвалами, имеющими высокое удельное давление на грунт, что соответствует стандарту AASHO США. Для уплотнения суглинков пластичной кон-систенции применяется шведский метод, в котором уплотняющими механизмами являются бульдозеры. Такая гибкая тех-нология при соответствующем геотехническом контроле позво-ляет использовать для возведения защитных экранов грунты естественной влажности. Толщина экранов составляет 0,4-0,6 м в зависимости от литологического строения подстилающей грунтовой толщи. Фильтрационные испытания суглинков, уложенных и уплотненных по разработанной технологии, производились при напорных градиентах до 600 и показали, что суглинки характеризуются коэффициентом фильтрации Кф = 10-7-10-8 см/с, полностью отвечающим требованиям СНиП 2.01.28-85.

Применение защитных экранов из местных суглинков в сочетании с пластовым дренажем при контакте экрана с массивом депонируемого осадка позволяет снять напоры с экрана, собрать и направить загрязненную воду поверхностного стока и фильтрат на очистку, тем самым исключить возможность отрицательного влияния депонируемого осадка на природную среду. Дренаж из щебня по откосам и в основании емкости депонирования устраивают до укладки осадка, при этом щебень отделяют от суглинка экрана и осадка слоем геотекстиля. Затем емкость глубиной до 10 м заполняют осадком на всю глубину одним ярусом и по завершении укладки осадка устраивают верхнюю часть дренажа, замыкая его по периметру массива депонируемого осадка. Дренаж сверху перекрывают защитным экраном. Верхнюю часть дренажа выполняют из песка, который укладывают на полотнища геотекстиля, расстилаемые по поверхности массива депонируемого осадка для повышения его несущей способности. Надвижку песка на полотнища геотекстиля производят легким бульдозером с удельным давлением под гусеницами 0,02 МПа. Последующее перекрытие песка защитным экраном из суглинка производят также по гео-текстилю. Работы ведут бульдо-зерами по всему участку депо-нирования от бортов вмещаю-щей емкости к центру насыпи. На рис. 3 показано, как осущест-вляется описанный выше способ депонирования осадка. Обезвоженный на фильтр- прессах осадок разгружается из автосамосвалов со специальных разгрузочных площадок, выпол-ненных в виде пирсов. Разгру-зочные площадки-пирсы распо-лагают равномерно по площади депонирования. При сбрасывании осадка с пирсов временно нарушается искусственно сформированная структура обезвоженного осадка, и он равномерно распределяется между пирсами, восстанавливая затем структуру и набирая начальную прочность. Таким образом, для укладки обезвоженного осадка одним ярусом используется его свойство тиксотропии.

Отвод фильтрата и дождевой воды из осадка производится как в вертикальном, так и в горизон-тальном направлении пластовым дренажем, устроенным по пери-метру его массива. Способ депнирования осадка одним ярусом позволяет исключить один-два изолирующих слоя грунта, кото-рые рекомендуется выполнять по [4], а вместо них уложить осадок, чем значительно увеличивается нагрузка осадка на площадь депонирования. Описанный спо-соб депонирования осадка одним ярусом с устройством защитного экрана и пластового дренажа применяется в настоящее время при реконструкции иловых пло-щадок Московских станций аэ-рации для увеличения нагрузки осадка и сокращения площади депонирования, в чем заключа-ется его эффективность. Этот способ депонирования осадка опробован на опытно- производственном участке при реконструкции иловой площадки № 8 Курьяновской станции аэрации. На площади 2,5 га в хранилище глубиной 10 м было уложено 135 тыс. м3 обезвожен-ного илового осадка и произведено его перекрытие. Нагрузка осадка при депонировании со-ставила 54 тыс. м3/га, что прак-тически в два раза выше макси-мальной нормы, установленной мировой практикой [4].

Рис. 3. Депонирование обезвоженного илового осадка одним ярусом с устройствомсуглинистого экрана и пластового дренажа

1 — трубчатый водовыпуск; 2 — дамба обвалования; 3 — суглинистый экран; 4 — пластовый дренаж; 5- обезвоженный иловый осадок

Разработан также проект рекультивации карьеров с заполнением выработанного пространства строительным мусором и обезвоженным иловым осадком сточных вод. В этом проекте основным элементом рекультивации является защитный экран из местных суглинков, которым выстилается дно, откосы выра-ботки и перекрывается свальное тело, т. е. образуется изолирующая капсула, как при депонировании осадка. Свальное тело формируется послойной укладкой строительного мусора и обезвоженного осадка. При послойной укладке этих составляющих достигается наиболее полное использование выработанного пространства и удобство проведения строительных работ.

Свальное тело получается жестким и водонепроницаемым. Жесткий каркас свального тела создается отсыпкой строительного мусора, состоящего из обломков железобетонных конструкций, кусков известняка и кирпича, песчано-гравийной смеси и покровных суглинков в различных пропорциях, а водо-непроницаемость — заполнением иловым осадком пор в отсыпке строительного мусора. Иловый осадок заполняет поровое про-странство при укладке его на уложенный слой строительного мусора пионерным способом «на себя», т. е. отступая. Последующие слои строительного мусора отсыпаются пионерным способом «от себя» (наступая) с пере-мещением его на ранее уложенный слой илового осадка. Толщина слоя строительного мусора со-ставляет 1 м, а илового осадка — 0,8 м. Избыток илового осадка, образующийся на карте при отсыпке в него строительного му-сора, отжимается в соседнюю карту. Подвозить строительный мусор и осадок предполагается автосамосвалами, а их перемещать и планировать слои отсыпки — бульдозерами.

Сформированное таким обра-зом свальное тело после его пе-рекрытия защитным экраном, который должен укладываться непосредственно на верхний слой строительного мусора, будет иметь малую неравномерность деформаций, исключающую возможность развития эрозионных процессов на дневной поверхности. Осуществление проекта предполагается в ближайшее время на карьерах Подмосковья.

Выводы

1. Использование местных суглинков для создания защитных экранов при депонировании водопроводных и канализационных осадков позволяет масштабно осуществлять реконструкцию иловых площадок и рекультивацию карьеров, а также способствует повышению интен-сивности проведения строительных работ на этих объектах.

2. Опыт проектирования и создания гидротехнических сооружений депонирования осадков с применением суглинистых экранов рекомендуется учесть при развитии СНиП 2.01.28-85.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Результаты исследований основных конструктивных элементов для депонирования обезвоженного илового осадка в натурных условиях / В. А. Загорский, С. В. Бортке- вич, Н. А. Красильников и др. // Решение проблем водоподготовки и водоочистки в промышленности и городском хозяйстве: Тез. докл. науч.-техн. семинара. — 1998.

2. Храменков С. В., Борткевич С. В., Красильников Н. А. Количественная оценка факторов, влияющих на устойчивость откосов дамб, ог-раждающих участки депониро-вания обезвоженного илового осадка сточных вод // Экологи-ческая защита городов: Тез. докл. науч.-техн. конф. — 1996.

3. Пат. 1760012 Россия. МКИ Е 02 D3/026. Способ снижения водо-проницаемости глинистых грунтов / С. В. Борткевич, С.Т.Варданян (Россия).

4. Винницкая А. Н., Макаренко 3. Н. Обработка и удаление осадков сточных вод. Т. II. Утилизация и удаление осадков. Гл. 10. Захоронение осадка. — М.: Стройиздат, 1985.