gscienceMining Science and Technology (Russia)Горные науки и технологии2500-0632The National University of Science and Technology MISiIS (NUST MISIS)10.17073/2500-0632-2022-11-30gscience-571Research ArticleMINING ROCK PROPERTIES. ROCK MECHANICS AND GEOPHYSICSСВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД. ГЕОМЕХАНИКА И ГЕОФИЗИКАSimulation of ash dump embankment stabilityМоделирование устойчивости ограждающих сооружений золоотвалаhttps://orcid.org/0000-0002-8132-1505БесимбаеваО.  Г. BessimbayevaО.  G. 

Ольга Газисовна Бесимбаева – кандидат технических наук, доцент кафедры маркшейдерского дела и геодезии

Scopus ID 57202620963

г. Караганда

Olga G. Bessimbayeva – Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Mine Surveying and Geodesy

Scopus ID 57202620963

Karaganda

bog250456@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5763-327XХмыроваЕ.  Н. KhmyrovaE.  N. 

Елена Николаевна Хмырова – кандидат технических наук, заведующая кафедрой маркшейдерского дела и геодезии

Scopus ID 57202620896

г. Караганда

Elena N. Khmyrova – Cand. Sci. (Eng.), Head of the Department of Mine Surveying and Geodesy

Scopus ID 57202620896

Karaganda

hmyrovae@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6133-7630ОлейниковаЕ.  А. OleinikovaE.  A. 

Елена Алексеевна Олейникова – старший преподаватель кафедры маркшейдерского дела и геодезии

Scopus ID 57202892706

г. Караганда

Elena A. Oleinikova – Senior Lecturer, Department of Mine Surveying and Geodesy

Scopus ID 57202892706

Karaganda

https://orcid.org/0000-0002-6181-8637КасымжановаА.  Е. KasymzhanovaA.  E. 

Айжан Ерболовна Касымжанова – старший преподаватель кафедры маркшейдерского дела и геодезии

Scopus ID 57191977084

г. Караганда

Aizhan E. Kasymzhanova – Senior Lecturer, Department of Mine Surveying and Geodesy

Scopus ID 57191977084

Karaganda

Карагандинский государственный технический университетКазахстанKaraganda State Technical UniversityKazakhstan20231311202384303312Copyright © Bessimbayeva О.G., Khmyrova E.N., Oleinikova E.A., Kasymzhanova A.E., 20232023Бесимбаева О.Г., Хмырова Е.Н., Олейникова Е.А., Касымжанова А.Е.Bessimbayeva О.G., Khmyrova E.N., Oleinikova E.A., Kasymzhanova A.E.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mst.misis.ru/jour/article/view/571

Ash and slag materials are removed from boiler rooms of CHP “Combined Heat and Power Plant” (Teploelektrotsentral’) by hydraulic transport and disposed in ash dumps. These are specially organized areas encircled by protective dams depending on the relief either along the entire perimeter or only in certain low-lying areas. The dams of hydraulic structures must provide stability to the whole structure against the following factors: shear; stability of slopes against sliding; filtration resistance of a dam body soils; reliable slope protection against possible failure due to atmospheric precipitation; as well as against wave action of water (within a settling pond); sufficient excess of dam crest over water level of a pond, etc. The study focuse on the design of ash and slag dump embankment (for storage of the ash and slag removed from the boiler rooms of Karaganda CHP by hydraulic transport). Ash dump design requires a broad range of problems to be solved. These include determination of location, design features and type of embankment, area of the basin and volume of the stored waste, strength of the embankment structures, etc. In order to assess the condition of the ash dump design, the stability of the facility embankment slopes for different combinations of loads, the conditions of possible watering of the dams, the presence of “geomembrane”, and pore pressure need to be analysed. A software program based on the finite element method allows simulation of ground (soil) conditions based on the strength and strain characteristics of the dam body filling soils and the base soils. Safety factors of the outer (downstream) slopes of hydraulic structures is determined taking into account the category and design of a structure, type of base (foundation), criticality of the design process stage, and other factors on the basis of conditions that ensure the prevention of the onset of limit states. The most critical and characteristic cross-sections across the perimeter of the ash dump embankment were selected for the computations, based on the analysis of the designed hydraulic structure base lithological composition. According to the computations performed, the outer slopes of the embankment at the paths of wells No. 373-19, No. 381-19, characteristic of almost the entire length of the embankment, are stable for different combinations of loads.

Складирование золошлаковых материалов, удаляемых из котельных помещений ТЭЦ «Теплоэлектроцентраль» при помощи гидротранспорта, производится в золоотвалы: специально организованные участки местности, по границам которых, в зависимости от рельефа, возводятся ограждающие дамбы либо по всему периметру золоотвала, либо только на отдельных пониженных участках. Ограждающие дамбы гидротехнических сооружений должны обладать устойчивостью всего сооружения на сдвиг; устойчивостью откосов на оползание; фильтрационной прочностью грунта тела сооружения; надежностью защиты откосов от возможных разрушений в результате действия атмосферных осадков, а также от волнового воздействия воды (в пределах отстойного пруда); достаточным превышением гребня дамбы над уровнем воды пруда и т.д. Основное внимание в исследовании сконцентрировано на вопросах проектирования ограждающих сооружений золошлаковых материалов, удаляемых из котельных помещений Карагандинской ТЭЦ при помощи гидротранспорта. При проектировании золоотвала решаются многие задачи, в том числе определяются местоположение, конструктивные особенности и тип ограждающих сооружений, площадь зеркала и объем складируемых хвостов, прочность сооружений ограждающих дамб и т.д. С целью оценки состояния проектируемого золоотвала выполнен анализ устойчивости откосов ограждающей дамбы для различных сочетаний нагрузок, условий возможной обводненности дамбы, наличия «геомембраны» и порового давления. Расчетная программа, основанная на методе конечных элементов, позволяет моделировать состояние массива в соответствии с прочностными и деформационными характеристиками насыпных грунтов тела дамбы и грунтов пород основания. Коэффициент устойчивости внешних откосов гидротехнических сооружений определяется с учетом класса и конструкции сооружения, типа основания, ответственности расчетного технологического этапа и других факторов исходя из условий, обеспечивающих предупреждение наступления предельных состояний. На основании анализа геологического строения основания проектируемого гидротехнического сооружения выбраны наиболее ответственные и характерные поперечные расчетные сечения по периметру ограждающих дамб золоотвала. Согласно выполненным расчетам внешние откосы дамбы по линиям скважин № 373-19, № 381-19, которые являются характерными практически по всей длине ограждающей дамбы, являются устойчивыми для разных сочетаний нагрузок.

Карагандинская ТЭЦзолоотвалдамбаконструкцияоткосыустойчивостьмоделированиегрунтметод конечных элементовнагрузкакоэффициент запасакривая депрессииградиент напораKaraganda CHPash dumpembankmentstructureslopesstabilitysimulationsoilfinite element methodloadfactor of safetydrawdown curvehead gradientReferencesЧугаев Р.Р. Гидротехнические сооружения. М.: Агропромиздат; 1985. 318 с.Chugaev R. R. Hydraulic structures. Moscow: Agropromizdat; 1985. 318 p. (In Russ.)Чугаев Р.Р. Земляные гидротехнические сооружения. Л.: Энергия; 1967. 460 с.Chugaev R. R. Ground hydraulic structures. Leningrad: Energy; 1967. 460 p. (In Russ.)Костюков Е.В., Простов С.М., Бахаева С.П. Прогноз устойчивости ограждающих дамб гидротехнических сооружений на основе геоэлектрического контроля их состояния. Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2004;(2):14–18. URL: https://vestnik.kuzstu.ru/index.php?page=article&id=1637Kostyukov E. V., Prostov S. M., Bakhaeva S. P. Prediction of stability of hydraulic structure embankment on the basis of geoelectric control of their condition. Bulletin of the Kuzbass State Technical University. 2004;(2):14–18. (In Russ.) URL: https://vestnik.kuzstu.ru/index.php?page=article&id=1637Zhang L., Peng M., Chang D., Xu Y., Dam failure mechanisms and risk assessment. John Wiley & Sons Singapore Pte. Ltd.; 2016. https://doi.org/10.1002/9781118558522Zhang L., Peng M., Chang D., Xu Y., Dam failure mechanisms and risk assessment. John Wiley & Sons Singapore Pte. Ltd.; 2016. https://doi.org/10.1002/9781118558522Пантелеев В.Г., Чугаева Г.А., Филиппова Е.А. и др. Состав расчетных случаев при анализе устойчивости откосов грунтовых сооружений различного назначения. Известия ВНИИГ. 1996;231.Panteleev V. G., Chugaeva G. A., Filippova E. A. et al. Composition of computation cases when analyzing slope stability of soil structures for various purposes. Izvestiya VNIIG. 1996;231. (In Russ.)Ashraf M., Soliman A.H., El-Ghorab E., El Zawahry A. Assessment of embankment dams breaching using large scalephysical modeling and statistical methods. Water Science. 2018;32(8):362–379.Ashraf M., Soliman A. H., El-Ghorab E., El Zawahry A. Assessment of embankment dams breaching using large scalephysical modeling and statistical methods. Water Science. 2018;32(8):362–379.Бахаева С.П., Простов С.М., Костюков Е.В., Серегин Е.А. Комплексная оценка геомеханических процессов в дамбах из грунтовых материалов. Маркшейдерский вестник. 2003;(2):62–66.Bakhayeva S. P., Prostov S. M., Kostyukov E. V., Seregin E. А. Comprehensive assessment of geomechanical processes in dams made of soil materials. Mine Surveying Bulletin. 2003;(2):62–66. (In Russ.)Гальперин А.М., Шафаренко Е.М. Реологические расчеты горнотехнических сооружений. М.: Недра; 1977. 246 с.Galperin A. M., Shafarenko E. М. Rheological computations of mine-engineering structures. Moscow: Nedra Publ.; 1977. 246 p. (In Russ.)Кибирев В.И., Райлян Г.А., Сазонов Г.Т. и др. Гидравлическое складирование хвостов обогащения. Справочник. М.: Недра; 1991.Kibirev V. I., Raylyan G. A., Sazonov G. T. et al. Hydraulic disposition of beneficiation tailings. Handbook. Moscow: Nedra Publ.; 1991. (In Russ.)Wahl T.L. Uncertainty of predictions of embankment dam breach parameters. Journal of Hydraulic Engineering. 2004;130(5):389–397. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2004)130:5(389)Wahl T. L. Uncertainty of predictions of embankment dam breach parameters. Journal of Hydraulic Engineering. 2004;130(5):389–397. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2004)130:5(389)Wu W., Marsooli R., He Z. Depth-averaged two-dimensional model of unsteady flow and sediment transport due to noncohesive embankment break/breaching. Journal of Hydraulic Engineering. 2012;138(6):503–516. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000546Wu W., Marsooli R., He Z. Depth-averaged two-dimensional model of unsteady flow and sediment transport due to noncohesive embankment break/breaching. Journal of Hydraulic Engineering. 2012;138(6):503–516. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000546Wang L., Chen Z., Wang N. et al. Modeling lateral enlargement in dam breaches using slope stability analysis based on circular slip mode. Engineering Geology. 2016;209:70–81. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2016.04.027Wang L., Chen Z., Wang N. et al. Modeling lateral enlargement in dam breaches using slope stability analysis based on circular slip mode. Engineering Geology. 2016;209:70–81. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2016.04.027Костюков Е.В. Исследование физического состояния и оценка устойчивости грунтовых дамб гидротехнических сооружений горных предприятий геоэлектрическим методом. [Дисс. канд. техн. наук]. Кемерово; 2005. 147 с.Kostyukov E. V. Research of physical condition and assessment of stability of ground dams of hydraulic structures at mining enterprises by geoelectric method. [Ph.D. thesis in Eng. Sci.]. Kemerovo; 2005. 147 p. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.