Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2022, № 1, стр. 39-46

ВВЕДЕНИЕ

Градообразующий Байкальский целлюлозно-бумажный комбинат (БЦБК) и Байкальск расположены в Слюдянском районе Иркутской области. Как известно, в сентябре 2013 г. основное производство комбината было приостановлено и принято решение о ликвидации его отходов, которые более 40 лет хранятся в грунтовых выемках-картах, окруженных дамбами (рис. 1).

По вопросам ликвидации отходов 1.12.2017 г. в инновационно-технологическом центре Иркутского национального исследовательского технического университета (ИРНИТУ) проводилось рабочее совещание, на котором в рамках проекта “Росгеология – ИРНИТУ” предлагалось реализовать следующие мероприятия: преобразование лигнина в малотоксичный твердый грунт; рекультивация территории биотехнологическим способом с помощью растений-фиторемедиантов; обезвоживание лигнина с помощью промораживания-оттаивания, обезвреживание надшламовых вод с помощью различных сорбентов [1].

О реальном выполнении перечисленных мероприятий сведений нет, лишь несколько позже появилась публикация [5], в которой представлен один из методов создания из лигнина монолитного техногенного массива путем добавки супеси, цемента и особой минеральной смеси. Модель имела плотность 1.65 г/см³, влажность 36.7%, прочность до 0.5 МПа (при водонасыщении прочность снижалась до 0.31). Сведения о внедрении указанного метода отсутствуют до сих пор.

Однако, несомненно, что при решении практических задач преобразования шлам-лигнина будут востребованы сведения о свойствах грунтов, ограждающих выемки-карты.

В предвидении этого, в ноябре 2017 г. в рамках проекта “Росгеология–ИРНИТУ” в лаборатории по изучению состава и физико-механических свойств горных пород научно-исследовательской части ИРНИТУ началось изучение дисперсных техногенных грунтов гидротехнических сооружений – дамб, окружающих 9 карт-накопителей лигнина (длина карт 1500–2000 м, ширина 100–200 м, глубина 5–6 м). Для этого было пробурено 15 скважин глубиной 6–10 м с отбором образцов нарушенной структуры и природной влажности с интервалом 2 м. Эти образцы явились объектом экспериментальных лабораторных исследований дисперсных техногенных грунтов сотрудниками ИРНИТУ и Института земной коры СО РАН (ИЗК СО РАН).

В лаборатории изучения состава и физико-механических свойств горных пород ИРНИТУ ситовым методом определялся гранулометрический состав грунтов – 69 образцов, для 34 (после отделения крупнообломочных и грубых песчаных фракций) определялись гранулометрический состав методом пипетки, влажность, пределы и число пластичности. На основании данных, полученных ситовым методом, каждый из 69 образцов получил “наименование” согласно ГОСТ¹¹ 25100–2011 – песок гравелистый, дресвяный грунт с песком, супесь песчанистая с дресвой, супесь пылеватая щебенистая, супесь пылеватая дресвяная, супесь пылеватая с дресвой, супесь песчанистая; 34 образца по величине числа пластичности и гранулометрическому составу (метод пипетки) отнесены к супесям песчанистым.

В лаборатории инженерной геологии и геоэкологии, а также Центре коллективного пользования (ЦКП) “Геодинамика и геохронология” ИЗК СО РАН проводились комплексные исследования 25 образцов (из 34), которые (по стандарту) принадлежали “супесям песчанистым”. При их визуальном просмотре в воздушно-сухом состоянии установлено, что они являются серыми, разнозернистыми, пылеватыми песками, которые можно рассматривать в качестве особой разновидности дисперсных грунтов “переходного типа” от глин и суглинков к стандартной группе песчаных грунтов. Эти образцы относятся к “глинистым пескам”, которые отличаются некоторыми физико-химическими свойствами (они ближе к пескам, но особым, чем к супесям). Рассматривая термин “глинистый песок”, обратимся к публикациям “старых” классических представлений о супесях (но не супесях песчанистых) и современным материалам.

Профессор В.Д. Ломтадзе [7, с. 307] предложил следующее определение термина: “супесь – глинистая порода четвертичного возраста, в составе которой содержится от 3 до 10% глинистых частиц; это сильно глинистый песок, обладающий некоторой связностью и пластичностью”. Известно, что в прежних классификациях отсутствовали супеси песчанистые, но выделялись супеси легкие (содержание фракции < 0.002 мм 3–6%) и тяжелые (6–10%), которые, если они принадлежали дочетвертичным образованиям, назывались песками глинистыми. В работе В.И. Каширского [6] указано, что термин “супесь” давно существует в классификации грунтов, принятой в СССР–России, но практически его нет в зарубежной нормативной литературе. За рубежом используется понятие “глинистый песок” в роли переходного типа от глин и суглинков к стандартной группе песчаных грунтов [15]. В указанной работе [15] рассматриваются плейстоценовые пески из обнажения Agrigento (Сицилия, Италия), обладающие связностью за счет пылеватых и глинистых частиц; каркас этих песков состоит из агрегатов-биокластов, также влияющих на их структурную связность.

В работе Н.М. Хайме [13, с. 39] представлены специальные термины, которые используются при инженерно-геологических изысканиях для строительства в Российской Федерации. В этом словаре термин “супесь” переводится как “sand dust” (песок пылеватый, но не супесь песчанистая).

В ряде публикаций по югу Восточной Сибири [12, 14] неоднократно исследовались и выделялись в особую разновидность природные “связные глинистые пески”, как продукт процессов лессового литогенеза. Для этих образцов, которые предлагается назвать “глинистыми песками” (но не супесями песчанистыми) выполнялись специальные исследования, которые включали определение химического и микроэлементного состава; химический анализ водных, солянокислых и щелочных вытяжек, оценку физико-химической активности (измерялась емкость катионного обмена). Кроме того, стандартными методами определялись углы естественного откоса на воздухе и под водой, величина седиментационного объема (это были простые, но вполне информативные признаки). Число пластичности рассчитывалось с помощью прогнозных формул по пределу текучести. С помощью программы кластерного анализа рассматривались взаимосвязи пластичности с содержанием пылеватых и глинистых фракций изученных техногенных глинистых песков.

МАТЕРИАЛЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНОГЕННЫХ ГРУНТОВ (ИРНИТУ)

В лаборатории ИРНИТУ, как отмечалось выше, для дисперсных техногенных грунтов определялся гранулометрический состав. Применялись два метода: ситовой – 69 образцов (с промывкой водой) и комбинированный – 34 образца. В первом случае количество частиц менее 0.1 мм обычно не превышало 10%, поэтому не определялась в их составе доля тонкопесчаных, пылеватых и глинистых фракций; во втором случае метод пипетки выполнял эту задачу.

По одной скважине (скв. 1, карта № 3) представляем сравнительные результаты гранулометрического анализа техногенных дисперсных грунтов, выполненного различными методами (табл. 1).

Для 34 образцов определены пределы текучести (W_L), пластичности (W_p) и число пластичности (I_p), которое авторы назвали экспериментальным, поскольку в дальнейшем были выполнены расчеты по прогнозным формулам с использованием предела текучести (I_p1, I_p2, I_p3) [11]. Статистическая обработка данных по I_p (n = 34) показала, что среднее значение пластичности составляет 3%, коэффициент вариации (V) равен 42%. Значительная разнородность значений связана с относительно широким диапазоном показателя (1–6) при общем слабом проявлении пластических свойств. Предел текучести в среднем составляет 19%, коэффициент вариации снижается до 17%.

Влажность изменялась от 4.0 до 25.8%, но только в двух случаях показатель текучести оказался >1 (1.24 при влажности 25.8% и 1.02 при влажности 22.9% в интервале 2–4 м) [4]. В остальных исследованных разрезах грунты находились в твердом состоянии. Возможно, аналогичные опасные зоны со временем могут появиться на других участках.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНОГЕННЫХ ГЛИНИСТЫХ ПЕСКОВ (МАТЕРИАЛЫ ИЗК СО РАН)

Химический состав. Определение содержания породообразующих оксидов выполнено для 6 образцов методом силикатного анализа. Проведена статистическая обработка данных. Рассчитаны специальные геохимические коэффициенты: кремнекислый K_i, основной ВА и зрелости K_z, отражающие степень “химической зрелости” отложений; интенсивность окислительных процессов характеризует отношение FeO/Fe₂O₃ [8]. Значения кремнекислого коэффициента (3.7–4.1), основного (0.51–0.72) и зрелости (5.7–6.4) свидетельствуют о незначительной химической зрелости техногенных глинистых песков; коэффициенты для различных оксидов указывают на преобладание натрия и закисного железа. Статистическая обработка данных по содержанию оксидов показала, что их распределение в большинстве случаев однородно (коэффициент вариации <5–10%) за исключением СаO и K₂O (табл. 2).

Таким образом, исследованные техногенные глинистые пески характеризуются относительно однородным химическим составом, но обогащены оксидами железа (среднее общее содержание 7.60%), кальция и магния (среднее общее содержание 9.1%).

Микроэлементный состав. Для шести образцов, кроме химического состава, рентгенофлуоресцентным методом с помощью спектрометра S8 TIGER (Германия, фирма Брукер) определено содержание 23 микроэлементов (ppm): V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Pb, As, F, Sn, Ba, La, Ce, Nd, Sr, Y, Zr, Nb, Ga, U, Th, Rb, S.

Для группы токсичных компонентов (V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Pb, As, F) проведена статистическая обработка данных и рассчитан специальный показатель загрязнения Z_c (табл. 3). По содержанию преобладают фтор, ванадий, хром и цинк, распределение относительно однородное (коэффициент вариации <25%), за исключением фтора. В группе отсутствует олово, поскольку его содержание < 4 ppm (ppm = 0.0001%).

Показатель загрязнения рассчитан по следующей формуле: Z_c = ∑[Kd – (n – 1)], где Kd – коэффициент концентрации i-элемента в образце, равный для Co, Ni, Cu, Zn отношению концентрации токсичного элемента к фоновому содержанию, для Pb, As – отношению их содержаний к предельно допустимым концентрациям (ПДК); n – число учитываемых элементов (n = 6) [9]. По показателю Z_с отмечают удовлетворительную (< 16), критическую (16–32), чрезвычайную (32–128) и катастрофическую (>128) ситуацию по степени загрязнения отложений [3]. Для исследованных техногенных глинистых песков этот показатель составляет 15–18 (см. табл. 3), следовательно, ситуация близка к критической.

Для группы токсичных компонентов (V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Pb, As, F) проведена статистическая обработка данных и рассчитан специальный показатель загрязнения Z_c (табл. 3). По содержанию преобладают фтор, ванадий, хром и цинк, распределение относительно однородное (коэффициент вариации <25%), за исключением фтора. В группе отсутствует олово, поскольку его содержание < 4 ppm (ppm = 0.0001%).

Определен коэффициент концентрации (К_с) токсичных микроэлементов, показывающий отношение конкретного содержания компонента (среднего и максимального) к величине кларка по А.П. Виноградову [2] (табл. 4). Превышают кларк (K_с > 1) V, Cr, Co, особенно As (K_с от 4.71 до 5.29), остальные близки к его значению.

Из числа других элементов ведущее место занимают барий (485–728 ppm), стронций (246–349 ppm) и сера (112–376 ppm), несколько завышена концентрация циркония (79–134 ppm). La, Ce, Nd, Y, Nb, Ga, Rb по содержанию (<10–50 ppm) относятся к второстепенным компонентам; радиоактивный уран (<3 ppm) опасности не представляет, торий (4.7–7.5 ppm) по содержанию близок мышьяку и, видимо, опасен.

Карбонаты, Al₂O₃*, водорастворимые соли. Отмечается широкий диапазон по общему содержанию карбонатов (6.3–23.1%), в большинстве образцов преобладают железистые и магниевые формы; подвижные (свободные) оксиды алюминия (Al₂O₃*) имеют положительные и отрицательные “пики” (0.70–3.52%) (табл. 5).

Содержание водорастворимых солей <0.3% (n = 11), преобладают сульфаты; реакция среды (рН) щелочная; только в одном случае (в образце 865, отобранном с глубины 10 м) обнаружены аномальное засоление (2.36%) и кислая среда (рН  4.0).

Емкость катионного обмена. Определялась по методу Л.И. Кульчицкого, разработанному еще в 1977 г., в качестве рекомендаций при изучении грунтов и почв. Этот метод давно применяется в лаборатории инженерной геологии и геоэкологии ИЗК СО РАН, подробно описан в работе [10]. Величина емкости катионного обмена (ЕКО, мг-экв на 100 г вещества) отражает степень физико-химической активности грунта. Измерения проводились для 10 образцов, в среднем ЕКО составила 35 мг-экв, но отмечены минимальный (10 мг-экв) и максимальный (62 мг-экв) пики.

Пластичность. Число пластичности (I_p), которое определялось в лаборатории ИРНИТУ для 34 образцов глинистых песков (по стандартной классификации они отнесены к песчанистым супесям), характеризуется очень небольшими значениями: (1–3%), только в 6 случаях фиксируется увеличение до 4–6%. По пределу текучести W_L проведен расчет (n = 34) числа пластичности с помощью прогнозных формул, предложенных Б.Ф.  Галаем (1), (2) и сотрудниками треста ВостСибТИСИЗа в Иркутске (3) [11]:

где W_L – предел текучести. По формулам (1) и (2) расчеты проводятся в процентах, по формуле (3) – в долях единицы, затем переводятся в проценты.

Пересчет по (1) и (3) подтвердил удовлетворительное совпадение экспериментальных (I_p) и расчетных (I_p1, I_p3) значений числа пластичности техногенных глинистых песков (табл. 6). Средние значения пластичности составили соответственно 3% (I_p), 4% (I_p1), 3% (I_p3).

Углы естественного откоса, седиментационный объем. Углы естественного откоса измерены для 13 образцов, при этом установлена общая закономерность – под водой происходит снижение на 7°–13°. Эта закономерность является признаком склонности глинистых песков к плывунности.

Седиментационный объем (V_с, см³), определение которого выполнено для 25 образцов глинистых песков, является классификационным признаком плывунности: тип I (V_с <3.3 см³) – пески; тип II (V_с = 3.3–10.0 см³) – пылевато-глинистые, в том числе лессовые грунты; тип III (V_с >10 см³) – плывунные глины. Из 25 образцов 21 относятся к I типу, таким образом, подтверждается их принадлежность к плывунным пескам, тем более что для них характерно резкое снижение угла естественного откоса под водой за счет, вероятнее всего, присутствия глинистых и пылеватых частиц.

Таким образом, простейшие методы показывают, что объекты исследования не относятся к лёссовым грунтам или плывунным глинам, но принадлежат к особой разновидности песков.

С помощью кластерного анализа R-типа [10] выполнена оценка влияния содержания тонкозернистых песчаных (0.01–0.05 мм), пылеватых (0.05–0.002) и глинистых (<0.002) фракций на пластичность техногенных глинистых песков. Располагая данными о количестве указанных фракций и экспериментальными значениями числа пластичности (I_p), авторы построили четыре варианта графиков-дендрограмм, по вертикальной оси которых располагаются признаки (содержание фракций и число пластичности), по горизонтальной – коэффициент корреляции (r). Оценка тесноты связей между признаками: при r > 0.7 связи существенные, r < 0.4 – несущественные, 0.4–0.7 – заметные (среднего уровня).

Первый вариант графика-дендрограммы показал отрицательную (обратную) взаимосвязь пластичности с содержанием тонкозернистой песчаной фракции (r = –0.18). Во втором варианте установлены заметные связи с глинистой фракцией (r = 0.64), в третьем – существенные с пылеватыми частицами (r = 0.72). На заключительном этапе (четвертый вариант) установлена корреляция пластичности с общим содержанием глинистых и пылеватых фракций (r = 0.73).

На основе представленных данных показано совместное влияние содержания пылеватых и глинистых фракций на проявление пластичности техногенных глинистых песков, при этом уровень взаимосвязей пылеватых частиц даже выше (0.72), чем глинистых (0.64).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе анализа совместных материалов ИРНИТУ и ИЗК СО РАН с привлечением опубликованных источников в составе техногенных грунтов гидротехнических сооружений (дамб), окружающих карты-накопители отходов Байкальского ЦБК, выделена (в качестве дискуссионного предложения) особая разновидность грунтов – пески глинистые, пылеватые, слабо пластичные, представляющие “переходный тип” от глин и суглинков к стандартной группе песчаных грунтов (согласно ГОСТ 25100-2011 – это супеси песчанистые).

Для техногенных глинистых песков выполнены исследования химического (силикатный анализ) и микроэлементного (рентгенофлуоресцентный анализ) состава. Содержание породообразующих оксидов относительно однородно при обогащении железом, кальцием и магнием. Загрязнение токсичными микроэлементами оказалось почти критическим (значения Z_c находятся в пределах 15–18), при этом зафиксированы высокая концентрация (по сравнению с кларком) мышьяка, присутствие радиоактивного тория и повышенные содержания фтора и серы.

Техногенные глинистые пески обладают некоторыми “аномальными” свойствами – они слабо пластичны, проявляют физико-химическую активность, снижают угол естественного откоса под водой, по величине седиментационного объема (<3.3 см³) относятся к группе плывунных песков.

На примере нового объекта подтвердились рекомендации о применении в практике инженерно-геологических изысканий метода определения числа пластичности по пределу текучести. C помощью программы кластерного анализа показано совместное влияние на пластичность содержания пылеватых и глинистых фракций.