Учет влияния опасного криогенного процесса курумообразования при проектировании сооружений на примере опор ВЛ для ГМК «Удоканская медь»

Введение

Курумы – это подвижные скопления дресвяно-щебнисто-глыбового материала на склонах различной крутизны (от 3 до 45°), сложенные преимущественно скальными породами. Характерны для горных районов c суровым континентальным климатом сналичием многолетнемерзлых пород. Образуются в результате интенсивного физического выветривания и криогенного выпучивания крупнообломочного материала, десерпции (криогенной, термогенной и влажностной), суффозии и локального накопления мелкозема. Они занимают обширные склоны, образуют «потоки» и «сети», слагают уступы нагорных террас [1][4][5]. По подвижности курумы разделяют на действующие (подвижные) и затухшие, т. е. практически неподвижные. Скорость подвижных курумов может достигать от 3 до 10 см в год [3]. При этом тело подвижной части курума мощностью 2–3 м может создавать в зоне взаимодействия с сооружением предельное давление порядка 100 кН, а при увеличении мощности курума – более 100 кН, чтопредставляет наибольшую угрозу в первую очередь для конструкций линейных сооружений.

На сегодняшний день принципы строительства на курумах разработаны лишь теоретически, а степень их проверки на практике очень небольшая, так как масштаб инженерного освоения курумовых склонов еще весьма незначительный [2]. Этот факт приводит к тому, что при проектировании сооружений в районе развития данного процесса не существует единого взгляда на методы борьбы с процессом курумообразования, закрепленного в нормативной документации.

Проблема учета влияния процесса курумообразования на проектируемые сооружения на примере ГМК «Удоканская медь»

В июне 2021 г. сотрудниками НИИОСП им. Н.М. Герсеванова была выполнена работа по научно-техническому сопровождению проектно-изыскательских работ по объекту: «Горно-металлургический комбинат «Удокан». Первая очередь строительства на производительность 12,0 млн тонн руды в год. Внешнее электроснабжение». В ходе работы был выполнен детальный анализ криогенного процесса курумообразования применительно к существующим условиям на объекте проектируемого строительства, атакже разработаны рекомендации по мерам борьбы с данным процессом.

ГМК «Удоканская медь» расположен на севере Забайкальского края в пределах Каларского района. Территория района находится в области резко-континентального климата умеренного пояса. Различия в климате отдельных частей территории обусловлены резким перепадом высот и горно-котловинным характером рельефа. На территории распространены многолетнемерзлые породы сплошного типа. Мощность ММП достигает от 800 до 1200 м при минимальной отрицательной температуре на глубине нулевой годовой амплитуды от –6 до –12 °С.

В результате изысканий для строительства линий внешнего электроснабжения для предприятия было установлено, что проектируемые опоры находятся на участке склона, где развивается процесс курума. На рис. 1 показан процесс монтажа опор ВЛ на склоне с курумом.

Площади распространения курумных полей на участке строительства изменяются от нескольких десятков до нескольких сотен квадратных метров. Наименьшая мощность (0,5–1,0 м) курумов наблюдается на участках интенсивного сноса обломочного материала, а наибольшая (3–6 м) – на участках аккумуляции склоновых отложений. Максимальное прогнозируемое смещение активной части курума по результатам ИГИ достигает 0,4 м в год.

Проектируемые опоры представляют собой металлоконструкции в виде ферм, установленные на железобетонные подножники с плоской платформой в основании (рис. 2).

Для минимизации негативного влияния экзогенных геологических процессов был принят ряд инженерных решений. Под подошвой фундаментов выполняется выравнивающая подготовка из щебня толщиной 100 мм. Для ограничения касательных сил морозного пучения предусмотрена обмазка стоек подножников кремнийорганической эмалью КО-174. Для сохранения свойств вечномерзлых грунтов оснований, сложенных супесями либо пылеватыми песками, предусматривается теплоизолирующий слой из экструзионного пенополистирола с закрытыми порами, а также устройство средств мониторинга вечной мерзлоты.

В качестве мер инженерной защиты от воздействия курума специалистами НИИОСП им. Н.М. Герсеванова предложен метод создания зон безопасности перед фундаментами опор вверх по склону. Зона безопасности состоит из выровненной площадки, под фундаменты опор заполненной обратной засыпкой, в которой устраивается улавливающая траншея. Размер зоны безопасности зависит от мощности активной толщи курума. Большое количество подвижного материала приводит к необходимости увеличения расстояния от кромки курума до фундамента сооружения, это нужно для уменьшения передаваемого давления и исключения засыпания конструкций обломочным материалом. В случае с опорами ВЛ на ГМК «Удоканская медь» расстояние вверх по склону от фундамента опор до кромки курума составило 10 м при максимальной мощности активной части курума 3 м. На площадке зоны безопасности должен обеспечиваться отвод поверхностных и грунтовых вод со дна траншеи. Траншею необходимо расчищать в случае заполнения ее обломочным материалом. В период эксплуатации сооружения проводится регулярный мониторинг состояния зоны безопасности и активного слоя курума.

Были рассмотрены две расчетные схемы (рис. 3, 4). В первой схеме мощность курума 3 м, а во второй – 6 м. Смещение курума, заданное в «запас прочности», как минимум на порядок больше, чем принятое в проекте годовое смещение курума (от 30 до 40 см). Это смещение задается как смещение передней кромки курума путем использования функции «Line displacements». Угол наклона склона принят 7°.

В результате расчетов получены изополя смещения грунтов основания и фундамента сооружения при заданном перемещении тела курума по склону.

На рис. 5 показаны полученные в результате расчета изополя.

Результаты расчета сводятся к тому, что массив грунта засыпки остается в целом неподвижен или получает очень малые смещения, на стыке курума с засыпкой возникает «смятие» засыпки, которое представляет собой образование клина пассивного давления. Из этого следует, что, если стойки фундаментов отделены от надвигающейся грани курума достаточным расстоянием (порядка 10 м), давление курума на опору ЛЭП не передается. А в случае если это расстояние менее 10 м, то предусматривается откопка рва в обратной засыпке.

Существует и другой вариант инженерной защиты от курумов, например устройство грунтовых дамб. Такой метод эффективен при большой мощности активной части курума и высокой скорости перемещения обломочного материала, а также при необходимости комплексной защиты сооружений не только от курума, но и от лавин. Однако выполнение зон безопасности перед фундаментами опор остается наиболее оптимальным и наименее затратным способом инженерной защиты от возможных подвижек курумного чехла. Данный способ обеспечивает приемлемый уровень безопасности, полностью исключая боковую нагрузку на фундаменты, и дает определенный запас по времени для принятия более радикальных мер в случае необходимости.

Вывод

Пример ГМК «Удоканская медь» указал на то, что вопрос учета влияния опасного криогенного процесса курумообразования при проектировании – крайне не исследованный на практике и нуждается в изучении для дальнейшего закрепления методов инженерной защиты от курумов в нормативной документации. После реализации принятых проектных решений по опорам ВЛ на объекте ГМК «Удоканская медь» планируется продолжить сбор и анализ информации по эффективности выбранных методов защиты. На основе полученных данных будут сделаны выводы и сформулированы рекомендации для нормативных документов.