PROGNOZA OSIADANIA PRZYPORY CHRONI CEJ STABILNOÚÃ SK ADOWISKA POPIO ÓW ELEKTROWNI POMORZANY

Transkrypt

1 prof. dr hab. in. Zygmunt MEYER dr hab. in. Ryszard COUFAL, prof. PS, dr in. Roman BEDNAREK, Katedra Geotechniki Wydziaù Budownictwa i Architektury Politechnika Szczeciñska PROGNOZA OSIADANIA PRZYPORY CHRONI CEJ STABILNOÚÃ SK ADOWISKA POPIO ÓW ELEKTROWNI POMORZANY THE PREDICTION OF THE SETTLEMENT OF THE BUTTRESS PROTECTING THE STABILITY ASH DUMP POWER STATION POMORZANY Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki obliczeñ i pomiarów wykonanych dla wykonanej przypory poprawiaj¹cej statecznoœã skarp skùadowiska popioùów w elektrowni Pomorzany. Abstract The results of calculations and measurements executed for made buttress adjusting the stability of the slopes of ash dump in power station Pomorzany were introduced in the paper. 1. Wstêp Podstawowym surowcem energetyki w Polsce jest wêgiel. W niedalekim s¹siedztwie elektrowni wêglowych i elektrociepùowni przez wiele lat skùadowano uboczne produkty spalania popioùy i popioùo- u le. Istniej¹ce skùadowiska w rejonie województwa zachodniopomorskiego budowane byùy na gruntach sùabych i w bliskim s¹siedztwie Odry. Jednym ze skùadowiskach, które wymagaùo poprawy jakoœci obwaùowania byùo skùadowisko UPS na Pomorzanach w Szczecinie. Kwatery skùadowiska zostaùy praktycznie w peùni wykorzystane. Popioùy na skùadowisko transportowane s¹ systemem rur a medium pozwalaj¹ce na przysyùanie popioùów tym systemem rur jest woda. Na skùadowisku woda grawitacyjnie ulega samoczynnemu odpùywowi i na skùadowisku pozostaje ods¹czony wilgotny popióù. Gùównym problemem na opisywanym skùadowisku okazaùy siê wysiêki wody infiltruj¹cej przez bryùê skùadowanych popioùów i wypùywaj¹ce na dolnych póùkach obwaùowania skùadowiska [2]. Sytuacja taka wymagaùa natychmiastowego ujêcia wody w drena e opaskowe na poziomie dolnego skùonu skarpy. Migruj¹ca w ten sposób woda mogùa uformowaã w przekroju obwaùowania uprzywilejowan¹ pùaszczyznê œciêcia, która staùaby siê potencjalnym zagro eniem dla statecznoœci skarpy skùadowiska. Dodatkowo przeanalizowano statecznoœã ogóln¹ i lokalna obwaùowañ w miejscu wystêpuj¹cego zagro enia. Okazaùo siê, e wspóùczynnik statecznoœci skarpy w sytuacji praktycznie caùkowitego wykorzystania kwatery skùadowiska ma wartoœã 1,04. Nale aùoby uznaã, e mamy do czynienia ze stanem granicznym. Gùównymi czynnikami takiego stanu byùy wysoki poziom zwierciadùa wody

2 gruntowej infiltruj¹cej przez obwaùowanie oraz wystêpuj¹ce w podbudowie skùadowiska grunty organiczne. Polepszenie tej przedawaryjnej sytuacji byùo ujecie wody w drena opaskowym. Po ujêciu wody w drena e opasowe statecznoœã skarpy poprawiùa siê ale nie byùa satysfakcjonuj¹ca (F=1,2) dlatego w dalszym ci¹gu skarpa wymagaùa wzmocnienia. Peùna reprofilacja i zmniejszenie k¹ta nachylenia skùonu skarpy nie wchodziùo w grê, dlatego zastosowano przyporê przyskarpow¹, która doci¹ yùa krawêdê doln¹ obwaùowania [2]. Przypora taka dodatkowo stanowiùa element zabezpieczaj¹cy skùadowisko przed ewentualnymi napùywami wody z Odry w przypadku wyst¹pienia wysokiej powodziowej wody w rzece. Przypora zostaùo zbudowana na bazie popioùów z 5 % domieszk¹ cementu w celu uzyskania zeskalonej masy odpornej na rozmycie. 2. Charakterystyka konstrukcji przypory Przypora zostaùa wybudowana od strony rzeki Odry i kanaùu zrzutowego ciepùej wody. Razem wybudowano przyporê dùugoœci m. Na rys. 1. pokazano przyporê oraz wody okalaj¹ce skùadowisko a s¹ to: rzeka Odra, rzeka Budkowa i od strony poùudniowej kanaù ciepùy. Skarpa przyskarpowa zostaùa wybudowana z popioùów z domieszk¹ cementu. Mi¹ szoœã nasypu formuj¹cego przyporê przyskarpow¹ miaùa okoùo 3,6 m. Nowo uformowana przypora dobrze speùniùa swoje gùówne zadanie poprawa statecznoœci obwaùowania skùadowiska. Zostaùa jednak wykonana na nieskonsolidowanych gruntach organicznych torfach i namuùach o mi¹ szoœci 5 m, dlatego wymagaùa na caùy okres u ytkowania okreœlenie jak przypora bêdzie osiadaùa. Na rys. 2 przedstawiono jeden z przekrojów geotechnicznych wykonanych przez skarpê przyskarpow¹ i doln¹ czêœã obwaùowania skùadowiska dolna póùka z pierwszego etapu skùadowania. Dodatkowe obci¹ enie wywoùane nowo usypan¹ warstw¹ popioùu przekazywane na strop warstwy gruntu organicznego wynosiùo od 50 do 70 kpa. Rys. 1. Schemat skùadowiska z pokazan¹ przypor¹ przyskarpow¹ i otaczaj¹cymi skùadowiska wodami rzeki Odry, rzeki Bukowa i kanaùu zrzutowego ciepùej wody

3 Z przeprowadzonych badañ wynika, e bezpoœrednio pod skùadowiskiem odpadów produkcyjnych El. Pomorzany zalegaj¹ grunty pochodzenia organicznego zaklasyfikowane jako torfy. S¹ to grunty pochodzenia roœlinnego, szkielet gruntowy zbudowanych jest z czêœci obumarùych roœlin. Grunty takie maj¹ bardzo maùe parametry wytrzymaùoœciowe [7]. Moduù œciœliwoœci waha siê w granicach kpa. Mi¹ szoœã warstwy torfu: pod póùk¹ pierwsz¹ wynosi 3 3,8m, pod przypor¹ 4,6 5,5m, poza skùadowiskiem od strony Odry 5,5 6,2m. Rys. 2. Przekrój poprzeczny przez przyprê z fragmentem dolnej czêœci skùonu skarpy W Katedrze Geotechniki Politechniki Szczeciñskiej przeprowadzono analizê osiadania warstwy popioùów usypanej na nieskonsolidowanym gruncie organicznym. Do analizy wykorzystano model empiryczny opracowany w Katedrze Geotechniki (1) oraz zastabilizowane 12 punktów na poziomie stropu warstwy torfów na caùej dùugoœci obwaùowania [1, 3, 4, 5, 6]. gdzie:, D, p parametry równania; t czas; s osiadanie; s osiadanie docelowe; p 1 exp( s t s Dt t (1)

4 t [dni] pkt1-0,1 pkt2 pkt3 pkt4-0,2 pkt5 pkt6-0,3 pkt7 pkt8-0,4 pkt9 pkt10-0,5 pkt11 pkt12-0,6 s [m] Rys. 3. Pomierzone zmiany osiadania przypory przyskarpowej Na podstawie póùrocznych odczytów w warunkach naturalnych przeprowadzono prognozê osiadania wszystkich punków. Pozwoliùo to na zaplanowanie dodatkowych prac podnoszenia rzêdnej przypory w celu zabezpieczenia obwaùowañ skùadowiska przed wysokim stanem wody w Odrze. W tabeli 1 przedstawiono wyniki parametrów modelu empirycznego uzyskanych na podstawie przebiegu osiadania. Tabela 1. Wyniki przeprowadzonych analiz osiadania poszczególnych punktów przypory pkt1 pkt2 pkt3 pkt4 pkt5 pkt6 pkt7 pkt8 pkt9 pkt10 pkt11 pkt12 s [m] 1,476 0,514 0,901 1,489 0,928 1,990 1,630 0,794 1,123 2,290 2,601 0,616 D 0,005 0,017 0,129 0,045 0,020 0,009 0,012 0,076 0,025 0,004 0,005 0,007 P 0,539 0,595 0,009 0,154 0,594 0,261 0,463 0,002 0,428 0,486 0,400 0,661 4,09E-06 1,13E-08 5,41E-04 3,25E-04 7,08E-05 3,02E-04 4,06E-04 2,83E-03 2,68E-05 2,14E-04 1,37E-04 6,57E-04 Podczas analizy prognozy osiadania obliczono parametry równania (1) wyniki dla ka dego analizowanego punktu przedstawiono w tabeli 1. Przykùadowo na rys. 4 przedstawiono jeden z przebiegów osiadania dla punktu nr 5 wraz z wartoœciami obliczonymi. Wartoœci uzyskane z pomiarów pozwoliùy na przewidywanie jak bêdzie osiadaù dany punkt pomiarowy w kolejnych okresach czasowych.

5 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 s [m] s [m] = 0,928 D = 1,98E-02 p = 5,94E-01 a = 7,08E-05 punkt pomiarowy nr 5 t [dni] s pom. [m] s obl. [m] Rys. 4. Przebieg osiadania pomierzonego i obliczonego dla punktu nr 5 W tabeli 2 pokazano prognozê osiadania przypory przyskarpowej dla poszczególnych punktów pomiarowych, a na rys. 5 szczegóùowy przebieg osiadania dla punktu 5 z prognoz¹ osiadania na 10 lat. Tabela 2: Prognoza osiadania s [m] dla poszczególnych punktów badawczych w kolejnych latach eksploatacji rok pkt1 pkt2 pkt3 pkt4 pkt5 pkt6 pkt7 pkt8 pkt9 pkt10 pkt11 pkt12 1 0,18 0,22 0,16 0,31 0,46 0,28 0,46 0,53 0,31 0,33 0,27 0,28 2 0,26 0,30 0,29 0,45 0,60 0,47 0,69 0,70 0,40 0,53 0,42 0,40 5 0,40 0,40 0,61 0,78 0,78 0,91 1,10 0,79 0,54 0,98 0,79 0, ,55 0,46 0,97 1,10 0,87 1,38 1,41 0,79 0,68 1,46 1,24 0, ,66 0,48 1,20 1,28 0,90 1,64 1,54 0,79 0,76 1,75 1,57 0,61 osiadanie [m] 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 s [m] = 0,928 D = 1,98E-02 p = 5,94E-01 a = 7,08E-05 punkt pomiarowy nr czas [dni] s pom. [m] s obl. [m] s prognozowane Rys. 5. Przykùad prognozy osiadania dla punktu 5

6 Wnioski 1. Zastosowanie przypory przyskarpowej wraz z drena em opaskowym znacznie poprawiùy statecznoœã obwaùowañ skùadowiska popioùo- u li na Pomorzanach w Szczecinie. 2. Zastosowana przypora dodatkowo stanowi barierê przed napùywem wody powodziowej. 3. Przyjêto dla wstêpnej prognozy osiadania, obci¹ enie przypor¹ 50 kpa œredni moduù œciœliwoœci 150 kpa, œredni¹ mi¹ szoœã torfu 5,5 m. Osiadanie obliczeniowe (koñcowe) przypory wniesie 1,83 m. 4. Prognoza osiadania zostaùa przeprowadzona na podstawie pomiarów wykonanych w terenie dla 12 punktów badawczych w ci¹gu jednego roku od sierpnia 2003 do paêdziernika 2004 i na podstawie badañ w laboratorium. W obliczeniach uwzglêdniono ciê ar przypory popioùowo-cementowej zalegaj¹cej na materacu faszynowym oraz wpùyw wyporu wody dziaùaj¹cej na szkielet wbudowanego popioùo- u la. Uwzglêdniaj¹c powy sze obci¹ enie przekazywane na warstwê torfu wyniesie okoùo 50 kpa. 5. Czas osiadania przypory oceniony na podstawie analizy danych modelowych dla niezmiennych warunków obci¹ enia wyniesie wiêcej ni 5 lat. Przewidywane 90 % maksymalnego œredniego osiadania przypora osi¹gnie po okresie 5 latach. 6. Pomiar rzêdnych osiadaj¹cej przypory po roku czasu wykazaùy, e œrednie osiadanie przypory wynosi s œr = 39 cm. Najmniej osiadù punkt 1, osiadanie punktu 1 wynosi s pkt1 = 20 cm. Najwiêcej osiadù punkt 8, osiadanie punktu 8 wynosi s pkt8 = 53 cm w czasie pierwszego roku u ytkowania przypory. 7. Prognozowane osiadanie œrednie przypory wyniesie 1,40 m, przy stwierdzonym osiadaniu w trakcie wykonywania przypory 0,4-0,6 m w okresie dùu szym ni 5 lat przy niezmiennych warunkach obci¹ enia. Literatura 1. Bednarek R.: Weryfikacja empirycznego modelu gruntu organicznego na przykùadzie osiadania przypory popioùowo-cementowej XIV Seminarium naukowe Katedry Geotechniki Politechniki Szczeciñskiej Regionalne problemy ochrony œrodowiska, Miêdzyzdroje, czerwiec Coufal R. z zespoùem Katedry Geotechniki: Opinia dotycz¹ca przyczyn powstania wysi¹ków na kwaterze nr 3 na skùadowisku popioùów Elektrowni Pomorzany w Szczecinie wyniki dla Zespoùu Elektrowni Dolna Odra S.A. w Nowym Czarnowie 3. Meyer Z., Bednarek R., Kowalów M.: Wpùyw zmian parametrów gruntowych na szybkoœã konsolidacji torfu, XVI Seminarium naukowe Katedry Geotechniki Politechniki Szczeciñskiej Regionalne problemy ochrony œrodowiska pn. Geotechnika w projektach regionalnych UE na obszarze estuariowym, Szczecin Praga czerwca Meyer Z., Bednarek R.: Prognozowanie osiadania gruntów sùabych w oparciu o model nieliniowy, In ynieria Morska i Geotechnika, nr 4/ Meyer Z., Kowalów M., Pluciñska A.: Modelowanie osiadañ podùo a sùabego w oparciu o badania in situ, In ynieria Morska i Geotechnika, nr 5/ Meyer Z., Bednarek R.: Analiza modeli osiadania gruntu organicznego, In ynieria Morska i Geotechnika, nr 6/ Wiùun Z.: Zarys geotechniki, Wydawnictwa Komunikacji i ¹cznoœci, Warszawa 2005