ОБЗОРНАЯ СТАТЬЯ
УДК 626/627; 699.822
DOI: 10.55326/22278400_2023_4_62
Современные решения применения геосинтетических материалов на грунтовых сооружениях
С. В. Сольский, О. И. Гладштейн, И. Г. Зеленский
АО «ВНИИГ имени Б.Е. Веденеева», Санкт-Петербург, Россия, solsky@yandex.ru
ООО «СК Гидрокор», Санкт-Петербург, Россия, glad@gidrokor.ru
ООО «АйДи Инжиниринг», Санкт-Петербург, Россия, igzelensky@yandex.ru
Аннотация. Рассматриваются вопросы проектирования и строительства противофильтрационных устройств чаш гидротехнических сооружений из геомембран для складирования продуктов обогащения горно-обогатительных комбинатов. Обосновывается необходимость совершенствования конструкций противофильтрационных устройств, нормативной базы и методов расчета в данном направлении. Предлагается техническое решение обустройства противофильтрационного экрана.
Ключевые слова: хвостохранилище, геомембрана из полиэтилена низкого давления, противофильтрационный экран, экологическая безопасность
Для цитирования: Сольский С.В., Гладштейн О.И., Зеленский И.Г. Современные решения применения геосинтетических материалов на грунтовых сооружениях // Гидротехника. 2023. № 4. С. 62–66.
REVIEW ARTICLE
Cutting-edge solutions for application of geosynthetic materials on ground structures
S. V. Solsky, O. I. Gladshtein, I. G. Zelensky
Vedeneev VNIIG, St. Petersburg, Russia, solsky@yandex.ru
GIDROKOR Construction Co., St. Petersburg, Russia, glad@gidrokor.ru
ID Engineering LLC, St. Petersburg, Russia, igzelensky@yandex.ru
Abstract. The article reviews some issues of design and construction of anti-filtration technology for bowls of hydraulic engineering structures made of geomembranes for storing washed products of mining and processing plants;substantiates the improvement of the designs of anti-filtration devices, and regulatory framework and calculation methods; proposes a technical solution for arranging an anti-filtration screen.
Keywords: tailings facilities, low-density polyethylene geomembrane, impervious screen; environmental safety
For citation: Solsky S.V., Gladshtein O.I., Zelensky I.G. Cutting-edge solutions for application of geosynthetic materials on ground structures // Hydrotechnika. 2023. № 4. Pp. 62–66.
Введение
В современных условиях можно обозначить следующие факторы, диктующие необходимость совершенствования конструкций противофильтрационных устройств:
1. Требования заказчиков по удешевлению и упрощению конструктивных элементов сооружений.В связи с тем, что строительство новых сооружений, как правило, выполняется за счет кредитов, заказчики выдвигают требования:
• снижения первоочередных затрат (CAPEX);
• снижения сроков строительства для сокращения, в свою очередь, сроков освоения кредитов и скорейшего получения прибыли;
• применения достаточно простых проектных решений, которые возможно реализовать с привлечением низкоквалифицированной рабочей силы и без использования специальных механизмов и инструментов.
Нередко обозначенные требования экономического менеджмента компаний-заказчиков ставятся в приоритет перед надежностью и безопасностью
гидросооружений. Потому техническим специалистам компаний-заказчиков, проектных и подрядных строительных организаций необходимо решать задачи, направленные на выполнение экономических требований, но при этом не в ущерб технической и/или экологической безопасности.
2. Ужесточение нормативных экологических требований и контроля за их выполнением.
В последние годы в России значительно активизировались требования по экологической безопасности промышленных объектов. Это выражается в повышенном внимании экспертов-экологов при рассмотрении новых проектов, более пристальном внимании Росприроднадзора к действующим промышленным объектам, выпуске новых нормативных документов, регламентирующих экологические аспекты.
Один из самых резонансных нормативных актов— выход обновленного СП 127.13330.2023 «Объекты размещения отходов производства. Основные
положения по проектированию (СНИП 2.01.28–85 «Полигоны по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов. Основные положения по проектированию»). Ранее этот документ претерпел несколько изменений: в 2011, 2017, 2021 гг., и, наконец, самая радикальная редакция— 2023 г. Данный свод правил охватывает все объекты складирования: хвостохранилища, шламохранилища, золоотвалы, отвалы вскрышных пород и т.п.
Рассмотрим пункты, касающиеся объектов складирования продукции горно-обогатительных комбинатов:
• П. 5.2. «Объекты размещения отходов… следует размещать на земельных участках с уровнем залегания грунтовых вод более 2,0 м и с коэффициентом фильтрации не более 10–6 см/с (10–4 м/с)». Вопрос по данному требованию: расположение хвостохранилищ в падях,
долинах ручьев и оврагов, имеющих в основании аллювиально-элювиальные грунты с высокими коэффициентами, запрещено даже при устройстве абсолютно водонепроницаемых противофильтрационных экранов?
• П. 6.28. «Основание и ограждающие дамбы накопителей жидких и обводненных отходов производства должны быть спроектированы таким
образом, чтобы в процессе их эксплуатации была исключена инфильтрация и (или) фильтрация дренажных вод накопителей в подземные и поверхностные воды».
Вопрос: отходы имеют разную степень воздействия на окружающую среду. Некоторые «отходы» являются, по сути, раздробленными и отгрохоченными породами при добыче полезных ископаемых без применения каких-либо химических реагентов— например, добыча металлического россыпного золота в падях и ручьях рек. Устройство гидроизоляции в местах складирования данных «отходов» только усугубит вредное воздействие на водные ресурсы.
В данный момент готовятся к выпуску еще несколько нормативных документов, регламентирующих проектирование, строительство и эксплуатацию гидротехнических сооружений накопления продуктов производства обогатительных фабрик: ФНиП, СП. Но, насколько известно, нигде не рассматривается главный вопрос: разделение складируемых материалов на отходы и продукты производства. Если в складируемых материалах
остаются недоизвлеченными полезные ископаемые, и складируемые материалы подлежат дальнейшему дообогащению, то места их накопления
никак не могут быть названы объектами размещения отходов. В данном вопросе необходимо провести максимально четкое определение продуктов
производства обогатительных фабрик и ввести соответствующие дополнения или изменения в нормативную базу. Это позволит убрать двойственное толкование в применении нормативных документов со стороны заказчиков, проектировщиков, экспертных и контролирующих органов.
3. Наработка, изучение и учет негативного опыта строительства и эксплуатации уже построенных противофильтрационных устройств.
За несколько десятков лет в России и мире накопился большой опыт по строительству и эксплуатации противофильтрационных устройств из
геосинтетических материалов, а также методов контроля их эффективности. На основании этого опыта периодически в РФ изменялась нормативная
база, но данные изменения не всегда были вовремя и не всегда отражали суть наработанного опыта— в частности, уже упоминающийся выше
СП.127.13330.2023 «Объекты размещения отходов производства. Основные положения по проектированию».
Как показывает практика, основными сложностями, возникающими при строительстве противофильтрационных устройств, являются:
• отсутствие мелкозернистых грунтов для подстилающих и защитных слоев на площадке строительства и в близрасположенных карьерах;
• влияние сезонности при строительстве подстилающих и защитных слоев (длительные периоды с отрицательными температурами);
• высокая стоимость и трудоемкость при устройстве грунтовых защитных и подстилающих слоев;
• высокие риски повреждения геомембран при устройстве грунтового защитного слоя.
Последний фактор является самым важным, поскольку устройство площадных противофильтрационных устройств— весьма дорогостоящее
мероприятие, и при точечном повреждении геомембраны при устройстве грунтового защитного слоя весь экран становится дефектным. Определение
факта порыва экрана под грунтовым «защитным» слоем невозможно, и фиксация порыва происходит уже на этапе заполнения чаши накопителя. Ремонт практически невозможен, т.к. при снятии «защитного» грунтового слоя неизбежно происходит дополнительное повреждение геомембраны.
Это подтверждается и зарубежными исследованиями: «В исследовании 1996 года, опубликованном Nosko et al., и в исследовании 2001 года Phaneuf
et al., результаты, полученные на свалках, показали, что 73% повреждений происходит, когда слои грунта укладываются поверх геомембран, 24%— во
время установки геомембран и 2%—на этапе после строительства. …подавляющее большинство повреждений вызвано интенсивным движением
техники, используемой при монтаже укрывных материалов. Следовательно, размеры этих перфораций оказались относительно большими. Это
подтверждают Носко и Тузе Фольц (2000): …перфорации, вызванные тяжелой техникой, составляют 75% разрывов более 10 см2
…» [1].
4. Новые геосинтетические материалы.
В настоящее время в России создана мощная отрасль по производству геосинтетических материалов. В разных регионах от Северо-Запада до Восточной Сибири устойчиво работают заводы, выпускающие десятки миллионов квадратных метров противофильтрационных материалов. При этом спектр их продукции весьма разнообразен, что позволяет подобрать необходимый состав противофильтрационного элемента, исходя из заданных требований проектируемого и строящегося объекта. Очень важным является то, что ассортимент данной продукции быстро расширяется и обновляется. За последние годы на рынок выпущены десятки различных материалов, так или иначе используемых для противофильтрационных устройств: защитные рулонные материалы, новые виды геотекстильных нетканых материалов, новые виды геомембран. Например, компания «Техполимер» (Красноярск) освоила выпуск профилированной геомембраны под названием «Гидрокс», снижающей риски повреждения при точечном проколе. Компания «Тератекс» (Уфа) выпускает геокомпозит под маркой «Каплам», имеющий значительно большую прочность на растяжение при меньшем удельном весе.
Требования нормативной документации по устройству противофильтрационного экрана из геомембраны В СН 551–82 указаны следующие варианты устройства противофильтрационных устройств: подстилающий и защитный слой из песка; подстилающий и защитный слой из несвязного
грунта с включением остроугольных частиц и защитными прокладками; защитный слой из воды, подстилающий из песка; защитный слой из шламов, подстилающий из песка; защитный слой из песка, подстилающий из местного грунта. В Приложении Б, п. V, СП.127. 13330.2023 для участков хранения/захоронения отходов производства приводится следующая рекомендуемая конструкция однослойного полимерного экрана из геомембраны
в соответствии с ГОСТ Р 56586 (Геомембраны гидроизоляционные полиэтиленовые рулонные. Технические условия):
• защитный слой 0,5–0,8 м— мелкозернистый слой (песок, супесь, суглинок) фракцией не более 0,003 м (3 мм) или нетканый геотекстильный материал плотностью не менее 450 г/м2 (рис. 1);

Рисунок 1
Конструкция однослойного полимерного экрана из геомембраны
Figure 1
Design of a single-layer polymer geomembrane screen
• геомембрана расчетной толщины (!);
• подготовка из материала, применяемого для защитного слоя, толщиной 0,1 м или нетканый геотекстильный материал плотностью не менее
450 г/м2;
• спланированное уплотненное основание.
Обращает на себя внимание требование по устройству геомембраны расчетной толщины, поскольку утвержденной методики расчета не
существует. На данный момент есть несколько способов расчета, где приняты следующие условные обозначения:
• δ— толщина ПНД геомембраны, мм;
• K— коэффициент влияния защитной прокладки. К=1…5;
• q— величина гидростатического давления, МПа;
• Е— модуль упругости полимерного материала, МПа;
• σР— допускаемое напряжение при растяжении полимера, МПа;
• d— диаметр фракции грунта, мм;
• αЭ— коэффициент эффективности, зависящий от соотношения толщины мембраны и диаметра фракции грунта;
• Кодн— коэффициент однородности геосинтетического материала, равный отношению предела прочности материала вдоль экструзии к пределу прочности поперек экструзии;
• КФ— коэффициент формы грунтовых частиц, равный 1,0 при хорошей окатанности и 2,0 при наличии остроугольных зерен.
О.Ю. Лупачев [2] рекомендует для расчета толщины геомембраны из полиэтилена низкого давления (ПНД) использовать зависимость:

По методике, указанной в [3], толщину мембраны рекомендуется определять в зависимости от соотношения диаметра фракции камня d и толщины геомембраны δ: если d/5 < δ ≤ d/3, то при модуле упругости основания Е=350 МПа расчет проводится по формуле:

если δ > d/3, то расчет проводится по формуле:

если δ < d, то расчет проводится по формуле:

СН 551–82 [4] определение толщины мембраны по допускаемым напряжениям при растяжении от гидростатического давления рекомендует
проводить по следующим зависимостям:

если толщина мембраны получилась δ > d/5, то расчет проводится по формуле:

если толщина мембраны получилась δ > d/3, то принимается δ = d/3.
Сопоставительный расчет, проведенный по обозначенным методикам на одних и тех же исходных данных, показывает абсолютно разные результаты.
За исходные данные при расчете приняты следующие: высота слоя хвостов 55 м; плотность укладки хвостов 1,4 т/м3; модуль упругости ПНД
геомембраны 28 МПа; защитные прокладки для геомембраны отсутствуют; воздействия от техники и автотранспорта отсутствуют.
Полученные результаты:
• по формуле О.Ю. Лупачева: 0,35 √(30×55×1,4/100)/1 = 1,68 мм;
• по методике, указанной в [3]:δ = 0,135×0,75×30×0,77 √ 650/283 =0,40 мм;
• по методике СН 551–82: в данном случае, расчет полностью совпадает с предыдущим расчетом, согласно [3].
Значительный разброс результатов показывает необходимость проведения дополнительных исследований в данном направлении. Приведенные
расчеты не учитывают влияния защитных элементов типа «дренажный мат», геосетка и пр., которые могут повысить надежность конструкции при снижении общих затрат на ее устройство. Способы обоснования проектных решений В существующей нормативной базе крайне недостаточно сведений для обоснования проектных решений,
особенно при использовании вновь
появляющихся на рынке материалов
или совершенствовании уже имеющихся.
В рамках проводимой регуляторной гильотины, согласно Постановлению Правительства РФ № 914 от
20.05.2022, при отклонении от имеющейся нормативной базы, для соблюдения требований ФЗ-384 «Технический регламент о безопасности зданий
и сооружений» определены следующие способы обоснования решений:
1) Результатами исследований.
2) Расчетами и (или) испытаниями, выполненными по сертифицированным или апробированным иным способом методикам; здесь возникает
закономерный вопрос: что считать методиками «апробированными иным способом».
3) Моделированием сценариев возникновения опасных природных процессов и явлений и (или) техногенных воздействий, в том числе при неблагоприятном сочетании опасных природных процессов и явлений и (или) техногенных воздействий.
4) Оценкой риска возникновения опасных природных процессов и явлений и (или) техногенных воздействий. При этом не ясно как проводить оценку риска?
Учитывая данные требования, наиболее аргументированными будут являться результаты физического моделирования, что подтверждается имеющимся опытом. Так, в 2011 г. с целью изучения и обоснования предлагаемых решений О.Ю. Лупачев в лаборатории сопротивления материалов
Санкт-Петербургского государственного политехнического университета проводил ряд опытов, моделирующих влияние щебня разной фракции на
геомембрану при воздействии нагрузкой до 100 тс [2]. В 2023 г. АО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» по заказу ООО «АйДи Инжиниринг» проводит исследование нескольких видов противофильтрационных материалов производства ГК «Техполимер» на водопроницаемость после воздействия
двух видов нагрузок:
• точечного прокола, моделирующего воздействие острых граней камней на мембрану;
• одноосного растяжения образцов, моделирующих изменение состояния мембраны при возможных просадках основания чаши хвостохранилища.
Очевидно, что необходимо проведение серии опытов на двухосное растяжение образцов с одновременным точечным воздействием от остроугольных граней материала подстилающих грунтов. Самым правильным, по мнению авторов, будет проведение модельных испытаний предполагаемого к применению материала для каждого конкретного объекта. Результаты испытаний будут безусловным обоснованием принятых технических решений для проектировщиков, заказчиков и экспертов. Предлагаемый конструктив противофильтрационного экрана В данный момент, при предварительном проведении модельных испытаний (например, в АО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева») для каждого конкретного сооружения, можно предложить конструктив противофильтрационного экрана, приведенный на рис. 2.

Рисунок 2
Конструктив противофильтрационного экрана
Figure 2
Anti-filtration screen design
Основные требования при устройстве данного конструктива:
• Монтаж геомембраны производится на подготовленное уплотненное основание. При этом обязательно учитывать гранулометрический состав
естественных подстилающих грунтов и соотносить их с требованиями расчетов или модельных испытаний.
• Пригруз выполняется мешками с грунтом, б\у автошинами и т.д. Эти элементы часто применяются как временный удерживающий пригруз на
время монтажа до устройства основного грунтового защитного слоя. Есть смысл их не демонтировать, а оставлять на время заполнения чаши, при соответствующем обосновании.
• Выезд техники на геомембрану исключен и запрещен.
• Укладка геомембраны выполняется на определенный период заполнения: оптимально— на один год. По мере заполнения емкости, одновременно с наращиванием ограждающей дамбы хвостохранилища, производится поэтапный монтаж противофильтрационного экрана на чаше.
Выводы
1. Существующая нормативная база недостаточна для обоснования эффективных технических решений с применением новых и перспективных гидроизоляционных материалов и не содержит определения складируемых материалов обогатительных фабрик, подлежащих дальнейшей переработке.
2. Физическое моделирование может являться способом проверки и обоснования технических решений по гидроизоляции объектов складирования продуктов производства обогатительных предприятий.
3. Предложенный конструктив противофильтрационного экрана наиболее экономичен, по сравнению с другими, представленными в статье, и позволяет сократить сроки монтажа, значительно снизить вероятность порывов геомембран при строительстве.
Список источников
1. B. Forget, A.L. Rollin, T. Jacquelin. Lessons learned from 10 years of leak detection surveys on geomembranes/Solmers inc., 1471 Lionel-Boulet Boulevard, Suite 22, Varennes J3X 1P7, Quebec, Canada.
2. Лупачев О.Ю. Исследование повреждаемости геомембраны частицами грунта защитных слоев // Гидротехника. 2011. № 2 (23). С. 66–69.
3. Рекомендации по проектированию и строительству противофильтрационных устройств из полимерных рулонных материалов.
4. СН 551–82 Инструкция по проектированию и строительству противофильтрационных устройств из полиэтиленовой пленки для искусственных водоемов. М.: Стройиздат, 1983.
5. Гладштейн О.И. Особенности применения геосинтетических материалов в гидротехническом строительстве // Гидротехника. 2009. № 1. С. 69–70.
References
1. B. Forget, A.L. Rollin, T. Jacquelin. Lessons learned from 10 years of leak detection surveys on geomembranes/Solmers inc., 1471 Lionel-Boulet Boulevard, Suite 22, Varennes J3X 1P7, Quebec, Canada.
2. Lupachev O.Y. Study of the damageability of geomembrane by soil particles of protective layers // Hydrotechnika. 2011. № 2 (23). Pp. 66–69.
3. Recommendations for the design and construction of anti-filtration solutions made of polymer roll materials.
4. SN551–82 Instructions for the design and construction of anti-filtration devices made of polyethylene film for artificial reservoirs. M.: Stroyizdat, 1983.
5. Gladshtein O.I. Some aspects of the application of geosynthetic materials in hydraulic engineering // Hydrotechnika. 2009. № 1. Pp. 69–70.
Информация об авторах
Станислав Викторович Сольский— д. т. н., гл. науч. сотр. лаборатории «Фильтрационные исследования» им. акад. Н.Н. Павловского отдела «Основания, грунтовые и подземные сооружения», АО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева»
Олег Изевич Гладштейн— к. т. н., директор по развитию, ООО «СК Гидрокор»
Илья Григорьевич Зеленский— начальник отдела проектирования гидротехнических сооружений— главный гидротехник, ООО «АйДи Инжиниринг»
Информация о статье Статья поступила в редакцию 7.11.2023; одобрена после рецензирования 21.11.2023; принята к публикации 28.11.2023.
Information about the authors
Stanislav V. Solsky— D. Eng. Sc., principal researcher at Acad.
N. Pavlovsky Filtration Research Lab of Foundations, Soil and
Underground Structures Dept., Vedeneev VNIIG
Oleg I. Gladshtein — Ph.D. in Engineering, Business
Development Director, GIDROKOR Construction Co., Ltd.
Ilya G. Zelensky— Head of the Department for the Design of
Hydraulic Engineering Structures, Chief Hydraulic Engineer, ID
Engineering LLC
Article info
The article was submitted 7.11.2023; approved after reviewing 21.11.2023; accepted for publication 29.11.2023.