Обоснование принципиальной схемы общеплощадного дренажа Западно-Сибирского металлургического комбината

Автор: Черняк А.Г., Язвин А.Л.

На протяжении практически всей истории строительства (1950-е годы) и функционирования Западно-Сибирского Металлургического Комбината существенной проблемой является развитие процессов подтопления. На основе выполненных в разные годы изысканий неоднократно составлялись проекты дренажа промплощадки в целом и отдельных объектов на ее территории, из которых был частично реализован только первый (1960-е годы).

В связи с неблагоприятной гидрогеологической ситуацией в 2004 г. ЗАО "ГИДЭК" и ОАО «ЮжКузбассТИСИЗ» были проведены работы, целью которых являлось гидрогеологическое обоснование принципиальной схемы общеплощадочного дренажа территории промплощадки ЗСМК с предварительной оценкой объема дренажных вод.

Территория ЗСМК расположена на террасах правого берега р.Томь. В гидрогеологическом разрезе выделяются 3 водоносных горизонта, представляющих первостепенный интерес с точки зрения обводненности территории промплощадки и эксплуатации подземных вод для целей водоснабжения:

• безнапорный водоносный горизонт в суглинках;
• напорный водоносный горизонт в галечниках;
• верхнепермский трещинно-пластовый водоносный горизонт.

Горизонтальный коэффициент фильтрации суглинков по данным откачек составляет 0.1–0.4 м/сут, вертикальный - порядка 0.003 м/сут. Фильтрационные свойства галечников весьма неоднородны. На территории промплощадки наиболее характерные значения коэффициентов фильтрации 75–125 м/сут, ближе к коренному склону они уменьшаются до 40–50 м/сут. Горизонт широко используется для целей водоснабжения. Водопроводимость верхнепермского горизонта как правило составляет 10-50 м²/сут, в единичных случаях до 200 м²/сут при мощности 50–70 м.

К узкой линейной зоне сочленения первой и второй надпойменных террас приурочен фильтрационный барьер значительной протяженности (резкое уменьшение водопроводимости в зоне контакта), следствием чего является четко выраженная зона высоких градиентов напора (рис. 1). Он обусловлен существенным (2-3 м) различием абсолютных отметок подошв террас, сопоставимым с мощностью горизонта и резким уменьшением мощности и водопроницаемости галечниковых отложений за счет уплотнения (рис. 2).

Данная ситуация способствует частичному выклиниванию потока в тыловых швах террас. В естественных условиях в районе расположения промплощадки комбината поверхность была в значительной степени заболочена и изобиловала ложбинами, понижениями и старицами.

В пределах поймы и надпойменных террас уровни подземных вод в галечниках и в суглинках отличались незначительно, а их изменения носили сходный характер, подчиняясь одним и тем же гидрометеорологическим и гидрологическим факторам: после резкого поздневесеннего подъема уровней следовал плавный их спад до следующей весны.

Освоение территории привело к кардинальному изменению гидрогеологических условий, обусловленному разнонаправленными процессами, такими как: строительное водопонижение, дренажный водоотбор и регулирование поверхностного стока, приводящие к снижению уровня грунтовых вод – с одной стороны, и утечки из водонесущих коммуникаций, технологические потери и создание техногенных водных объектов, приводящие к повышению уровня – с другой.

Дренажный водоотбор с максимальным суммарным дебитом около 25 тыс. м³/сут в период строительства и начала работы комбината значительно (на величину до 10-12 м) снизил уровень подземных вод в галечниках практически на всей территории промплощадки и в ее окрестностях. Вследствие этого произошло снижение уровня подземных вод в суглинках, достигшее на отдельных участках 6-8 и повлекшее за собой сокращение или полное исчезновение областей естественной разгрузки грунтовых вод.

В дальнейшем уменьшение водоотбора из галечников и постепенно растущий подпор со стороны техногенных водных объектов – прудов-охладителей и особенно гидроотвала – инициировали частичное, а в близи этих объектов – полное восстановление уровней подземных вод (рис. 3).

Зона пониженной проницаемости водовмещающих отложений расположена между II терассой р.Томи, на поверхности которой размещено большинство производств комбината, и поймой, на которой устроены пруды-охладители и гидроотвал. Поэтому дренирующий эффект от водоотбора в целом сильнее сказывается в центральной части промплощадки, а подпор со стороны прудов-охладителей и гидроотвала – на ее периферии. Этим объясняется современное подтопление отдаленных от центра в северном и северо-восточном направлении объектов.

Одновременно все в большей степени проявляются локальные зоны аномального повышения грунтовых вод, обусловленные утечками оборотной воды из коммуникаций и фильтрацией из нагорной канавы (рис. 3).

Оценка значимости основных факторов, определяющих изменение гидрогеологических условий в процессе функционирования ЗСМК, и обоснование проектных решений были выполнены с использованием метода численного математического моделирования.

Геофильтрационная модель промплощадки ЗСМК создана на основе систематизации и анализа материалов исследований, выполненных, начиная с 1956 г. различными организациями. Наиболее обеспечены гидрогеологической информацией, характеризующей естественную гидрогеологическую ситуацию и ее техногенно-обусловленные изменения, периоды времени 1956-1961 г., 1967-1978 г. и 1998-2003 г. Эти данные явились базой для разработки и калибрации модели.

Согласно полученным результатам, в среднем величина инфильтрации на территории промплощадки увеличилась по сравнению с естественными условиями с 80 до 290 мм/год, т. е. приблизительно в 3.5 раза. На участках, где утечки максимальны (например, прокатное производство, ТЭЦ), величина питания достигла 500-750 мм/год. Помимо этого, дополнительное питание подземных вод обусловлено созданием гидроотвала и других искусственных водных объектов. При этом роль техногенеза в обводненности территории проявляется значительно сильнее, чем изменение естественного питания в годы разной водности.

Увеличение питания подземных вод на территории комбината за счет изменения площадной инфильтрации и фильтрации из техногенных водных объектов в настоящее время оценивается величиной порядка 22 тыс. м³/сут. Это, хотя и составляет всего около 2% от оборота объединенной водохозяйственной системы ЗСМК и ЗС ТЭЦ, существенно влияет на обводненность территории и развитие процессов подтопления. На отдельных участках, расположенных вблизи наиболее водоемких производств и гидроотвала, увеличение питания приводит к необходимости реализации неотложных мероприятий по автономному водопонижению.

Отчасти рост питания компенсируется отбором подземных вод для хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения, современная среднегодовая величина которого не превышает 14-15 тыс. м³/сут (около 600 м³/час). Результаты эпигнозного моделирования показали, что при отсутствии водоотбора подтопление могло охватить практически всю промплощадку.

Эффективность защиты объектов ЗСМК от процессов подтопления способом организации вертикального дренажа обусловлена высокими значениями коэффициента фильтрации галечниковых отложений и вертикального коэффициента фильтрации суглинков. Она подтверждается практикой его реализации при опытном и строительном водопонижении, дренажном водоотборе в конце 1960-х – начале 1970-х годов и водопонижении на площадке прокатного производства в 2004 г.

В то же время, расчеты реализации ранее разработанных проектов дренажа показали их нереальность, поскольку запланированный водоотбор с территории промплощадки (до 100 тыс. м³/сут) существенно превышает его возможную величину, составляющую порядка 50-60 тыс. м³/сут (2-2.5 тыс. м³/час).

Проведенное в вариантной постановке прогнозное геофильтрационное моделирование показало, что для защиты территории промплощадки ЗСМК требуется создание системы общеплощадочного и локального дренажа, которая должна состоять из водопонизительных скважин на локальных участках подтопления в совокупности с водоотбором для хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения. При этом особое внимание должно быть уделено северной окраине промплощадки, где процессы подтопления развиваются наиболее интенсивно. Объем и режим дренажного водоотбора на этих участках должен быть жестко увязан между собой и с существующим и перспективным водоотбором для технических и хозпитьевых нужд на всей территории промплощадки.

Для реализации взаимоувязанного водоотбора и выполнения условий лицензий на добычу подземных вод необходимо разработать единую технологическую схему эксплуатации подземных вод (проект эксплуатации) для целей водоснабжения и водопонижения. Предварительно должна быть выполнена оценка эксплуатационных запасов подземных вод на территории ЗСМК с учетом сложившейся водохозяйственной обстановки.

Параллельно необходимо минимизировать утечки, для чего на первом этапе разработать и реализовать проект реконструкции нагорной канавы, откорректировать технологию подачи осветленной воды из пруда вторичного отстаивания гидроотвала.

Информативность действующей наблюдательной сети недостаточна для решения задач управления водоотбором на территории промплощадки ЗСМК. В связи с этим является необходимым проведение корректировки системы мониторинга подземных вод, в частности – увеличение количества режимных скважин. Система мониторинга должна включать в себя три составляющие:

- сеть наблюдательных скважин, располагаемых непосредственно на участках подтопления, а также связывающих между собой объекты дренажа;

- банк данных гидрогеологической информации в составе ГИС-проекта территории промплощадки, позволяющий накапливать текущую информацию и оперативно ее обрабатывать;

- систему принятия управляющих решений по совместной работе дренажных и эксплуатационных скважин для оптимизации затрат, связанных с дренажным водоотбором и водоотведением.

Полученные результаты являются основой для разработки проектных решений по сооружению и эксплуатации дренажей и водозаборов на территории ЗСМК с целью ликвидации ее подтопления.

При проектировании водопонижения на одном из локальных объектов - участке ОПЛ-2 - в 2004 г. были выполнены работы, включающие проведение опытных кустовых откачек, режимных наблюдений по профилям наблюдательных скважин, а также создание детальной геофильтрационной модели участка на основе общеплощадочной локальной модели промплощадки ЗСМК. На других локальных объектах целесообразно реализовать схему исследований, аналогичную апробированной.

Выводы

1. Особенности геологического строения территории промплощадки ЗСМК, а также питания и разгрузки подземных вод обусловили ее значительную заболоченность, которая имела место еще в естественных условиях.

2. Эффективным методом защиты от подтопления является организация вертикального дренажа, что показал осуществленный на рубеже 1960-70-х годов отбор подземных вод в объеме до 25 тыс. м³/сут.

3. Увеличение питания подземных вод вследствие технологических потерь, утечек из водонесущих коммуникаций и создания техногенных водных объектов (достигшее в настоящее время величины ~ 22 тыс. м³/сут) требует создания системы общеплощадочного и локального дренажа. Дренажная система должна состоять из водопонизительных скважин на локальных участках подтопления в совокупности с эксплуатационными скважинами для хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения.

Для разработки проектов водопонижения на локальных объектах следует выполнить ограниченный комплекс полевых исследований непосредственно на участках подтопления и прогнозное моделирование на системе численных геофильтрационных моделей.

4. Управление дренажным водоотбором наиболее эффективно может быть осуществлено на основе информационно-аналитической системы мониторинга, включающей режимные наблюдения за состоянием подземных вод, банк данных картографической и фактографической информации и постоянно-действующую модель территории, на которой выполняется оперативное прогнозирование изменений гидрогеологической обстановки.