ZASTOSOWANIE BADAŃ GEOTECHNICZNYCH DO ROZPOZNANIA WARUNKÓW LOKALIZACJI OBIEKTÓW GOSPODARKI ODPADAMI

Transkrypt

1 Składowiska odpadów, bariera geologiczna, sondowania geotechniczne, RCPTU, DMT, piezometr BAT porowatość, współczynnik filtracji, stopień wilgotności Mariusz LECH, Marek BAJDA, Katarzyna MARKOWSKA - LECH ZASTOSOWANIE BADAŃ GEOTECHNICZNYCH DO ROZPOZNANIA WARUNKÓW LOKALIZACJI OBIEKTÓW GOSPODARKI ODPADAMI Procesy związane ze składowaniem odpadów, eksploatacją składowiska oraz jego rekultywacją w istotny sposób wpływają na środowisko geologiczne. Z punktu widzenia projektowania lokalizacji takich obiektów bardzo ważnym czynnikiem, warunkującym bezpieczną eksploatację, jest wybór odpowiedniego podłoża. Do rozpoznania warstw gruntu mogących pełnić funkcje bariery geologicznej mogą być stosowane wiercenia geologiczne, metody geofizyczne oraz badania geotechniczne, w tym sondowaniem stożkiem elektrycznym i dylatometrem. W niniejszym artykule przedstawione zostaną wyniki badań terenowych, które mają na celu wskazanie warstw stanowiących właściwe podłoże do lokalizowania obiektów gospodarowania odpadami, w szczególności składowisk odpadów. W artykule omówione zostały niektóre właściwości podłoża rodzaj gruntu, jednorodność gruntu, parametry filtracyjne, zawartość frakcji ilastej i porowatość. 1. WSTĘP Każda inwestycja ingeruje w naturalne środowisko, dlatego ważne jest przestrzeganie zasady, aby jej wpływ był jak najmniejszy. Wyjątkowo groźnych skutków można spodziewać się w przypadku inwestycji, które są zaliczane do szczególnie szkodliwych dla środowiska i zdrowia ludzi, w tym między innymi związanych z gospodarowaniem odpadami. Minimalizację wpływu składowisk na środowisko gruntowo wodne osiągnąć można przez odpowiednią lokalizację tych obiektów oraz ścisłe przestrzeganie reżimów technologicznych składowania odpadów. W aspekcie geotechniczno budowlanym, najważniejszym elementem konstrukcyjnym składowiska jest właściwie zaprojektowane uszczelnienie. Ochrona gruntu i wód gruntowych może być osiągnięta poprzez połączenie naturalnej bariery geologicznej i sztucznych materiałów wyścielających dno i skarpy składowiska.

2 Naturalna bariera geologiczna powinna stanowić ciągłą, jednorodną warstwę gruntu spoistego, pozbawioną uprzywilejowanych dróg przepływu. Ponadto, grunt ten powinien zalegać w podłożu na znacznym obszarze, wykazywać dużą pojemność sorpcyjną i charakteryzować się małą podatnością na procesy erozyjne. Przepisy prawa unijnego i polskiego [1], [2], pomimo nieznacznych różnic dotyczących podziału odpadów, precyzyjnie określają wymogi przepuszczalności i miąższości dla warstw stanowiących potencjalną barierę geologiczną. Ponadto, maksymalny poziom wód gruntowych powinien znajdować się, co najmniej 1 metr poniżej poziomu projektowanego wykopu dna składowiska [2]. Jak wynika z powyższej definicji i przepisów, podstawowym kryterium oceny podłoża jest przepuszczalność gruntów, ich miąższość oraz położenie zwierciadła wody gruntowej. 2. METODY ROZPOZNANIA WARUNKÓW GEOLOGICZNO INŻYNIERSKICH IN SITU W ostatnich latach sondy geotechniczne są coraz powszechniej stosowane do równoległej oceny warunków geotechnicznych oraz charakterystyki środowiska geologicznego pod kątem ochrony zasobów wodnych i migracji zanieczyszczeń. Praktyka wskazuje, że sondowania geotechniczne (m.in. RCPTU, DMT, BAT) mogą szybko i z dużą dokładnością ocenić stan środowiska i wpływ na nie budowli inżynierskich, w tym składowisk odpadów. Mogą znacznie usprawnić wytypowanie gruntów spełniających kryteria bariery geologicznej izolującej środowiska gruntowo wodne od wpływu szkodliwych czynników zewnętrznych. Wykorzystanie badań dylatometrycznych i systemu BAT do badań gruntów zostało udokumentowane w licznych publikacjach [3], [4]. Połączenie w jednym urządzeniu pomiarowym zalet sondowania statycznego CPTU z pomiarem przewodności właściwej ośrodka gruntowego zaowocowało powstaniem stożka RCPTU (Rys. 1), który umożliwia zidentyfikowanie w podłożu gruntowym warstw mogących pełnić funkcję bariery geologicznej. Rys. 1. Stożki RCPTU dwu- i czteroelektrodowy Fig. 1. RCPTU cones with two and four electrodes

3 Sonda RCPTU składa się z dwóch zasadniczych części: pierwsza z nich służy do pomiarów parametrów określanych w standardowym badaniu CPTU, druga część sondy to moduł mierzący przewodność elektryczną badanego ośrodka. Moduł ten budują dwie lub cztery elektrody w kształcie pierścieni, pomiędzy którymi znajduje się element z tworzywa sztucznego stanowiący izolator. Pomiędzy elektrodami przepływa prąd przemienny o częstotliwości 2000 Hz, co eliminuje zjawisko polaryzacji elektrod, natomiast duża częstotliwość prądu wzmacnia selektywność i dokładniejsze rozróżnienie warstw podłoża. Prace badawcze prowadzone były na terenie Kampusu SGGW, w podłożu którego zalegają do głębokości ok. 12 metrów plejstoceńskie gliny zwałowe. Na drugim obiekcie badawczym położonym w dzielnicy Stegny w rejonie ulicy Czarnomorskiej profil podłoża zbudowany jest od powierzchni terenu z piasków drobnych i średnich zalegających do głębokości ok. 4 m i od tej głębokości do 30 m p.p.t. z trzeciorzędowych iłów plioceńskich. 3. IDENTYFIKACJA BARIERY GEOLOGICZNEJ W ŚWIETLE BADAŃ TERENOWYCH Wykonane badania terenowe metodą sondą RCPTU i DMT wykazały możliwość wykorzystania obu technik do rozpoznania w podłożu warstw stanowiących potencjalną barierę geologiczną. Na rysunku 2 przedstawiono wyniki badania stożkiem RCPTU przeprowadzone na obiekcie Stegny. Zmiany współczynnika tarcia R f w pełni potwierdzają budowę geologiczną podłoża i od głębokości 4,1 m p.p.t. oscylują wokół wartości R f =8 (wartości R f >2,2 świadczą o występowaniu gruntów spoistych) i jest bliska maksymalnej wartości (R f =10) co świadczy o tym, że mamy do czynienia z gruntem bardzo lub zwięzło spoistym (I p >20%). Ponadto, warstwa ta jest do głębokości ok. 12 metrów jednorodna, bez przewarstwień gruntów niespoistych, które mogłyby ułatwić przepływ ewentualnych zanieczyszczeń. Wykres przewodności elektrycznej również nie wykazuje obecności w zakresie 4 12 m p.p.t. przewarstwień gruntów niespoistych. Znajomość zagadnienia przepływu prądu elektrycznego w ośrodku gruntowym (lepsze przewodnictwo prądu przez minerały ilaste dzięki dużej powierzchni właściwej i tzw. surface conductivity ) pozwala również wnioskować o zawartości frakcji ilastej w profilu bariery. Warstwa iłów o przewodności elektrycznej dochodzącej do 250 ms/m rozciąga się na głębokości 8 11 metrów i prawdopodobnie ta warstw będzie charakteryzowała się największą zawartością frakcji ilastej, największą powierzchnią właściwą, a co za tym idzie, najkorzystniejszymi parametrami współczynnika filtracji i aktywnością fizykochemiczną (zdolnością sorpcyjną).

4 z [m] q t [MPa] R f [-] f s [MPa] conductivity [ms/m] ,1 0,2 0,3 0, ,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0 RCPT-1/ RCPT-3/ RCPT-1/ RCPT-4/2006 wartości referencyjne Rys. 2. Wyniki sondowania RCPTU na obiekcie Stegny Fig. 2. RCPTU test results from Stegny site n [-] Z punktu widzenia parametrów środowiskowych potrzebnych do obliczeń prędkości filtracji i migracji zanieczyszczeń istotną informację stanowi porowatość. Na podstawie oporności elektrycznej iłów i wody gruntowej pobranej z piezometru ustalona została zależność pomiędzy porowatością a tzw. wskaźnikiem uformowania F [5] w postaci (R 2 =0,70): 0, 27 bsat n 0, 39 ρ = (1) ρ f gdzie: n porowatość [-], ρ bsat oporność właściwa gruntu w stanie pełnego nasycenia porów wodą [Ω m], ρ f oporność właściwa wody porowej (ρ f =8,3 Ωm). 4. OKREŚLANIE PARAMETRÓW FILTRACYJNYCH PODŁOŻA Badania przepuszczalności hydraulicznej przeprowadzono na obiekcie Stegny w iłach na głębokości 8,2 m. czyli tam, gdzie na podstawie pomiarów przewodności elektrycznej stwierdzono występowanie warstwy gruntu najbardziej odpowiadającej definicji bariery geologicznej. Badanie dylatomertyczne wykonano w dwóch profilach stosując metodę DMTA. Na podstawie wyników obliczono wartości współczynnika filtracji, które wynoszą: k=6, m/s i k=8, m/s. Badanie przepuszczalności hydraulicznej przeprowadzono za pomocą sondy BAT metodą out flow a obliczone wartości współczynników filtracji wynoszą: k=4, m/s i k=4, m/s (Rys.3).

5 odczyt A [kpa] T flex = 40 min k=8,2*10-11 m/s T flex = 45 min k=6,1*10-11 m/s k [10-10 m/s] 10 1 k=4*10-11 Po=25.93 Po= DMT 5 DMT 3 0, Czas [min] Rys. 3. Wyniki rozpraszania ciśnienia metodą DMTA i BAT iłów na obiekcie Stegny Fig. 3. Results of DMTA dissipation test and BAT system for pliocene clays at Stegny site 0,1 k=1,5* Czas [s] Otrzymane współczynniki filtracji badanych gruntów są znacznie mniejsze od wymaganych przepisami wartości (k= m/s), dlatego grunty te mogłyby pełnić funkcję bariery geologicznej. Wydzielenie w podłożu stref aeracji i saturacji ma fundamentalne znaczenie przy modelowaniu warunków przepływu wody gruntowej i migracji zanieczyszczeń. W gruntach spoistych nie można jednoznacznie mówić o występowaniu swobodnego zwierciadła wody gruntowej. Możemy natomiast, w przypadku stwierdzenia bariery geologicznej, wydzielić w podłożu strefę nasyconą i nienasyconą. W tym celu, na podstawie pomiarów przewodności elektrycznej badanych glin i próbek gruntów pobranych z podłoża Kampusu SGGW, opracowana została zależność pozwalająca określić stopień wilgotności gruntu spoistego (R 2 =0,82): S r 0, 29 b 0, 17 f = 2, 71 ρ R (2) gdzie: S r stopień wilgotności [-], ρ bsat oporność właściwa gruntu [Ω m], R f współczynnik tarcia [-]. Na rysunku 4 przedstawiono wyniki sondowania RCPTU na terenie Kampusu SGGW. Pomiar wzbudzonego ciśnienia wody w porach wskazuje na występowanie strefy saturacji od głębokości około 4 m p.p.t. Obliczony według. zaproponowanej zależności stopień wilgotności osiąga wartości zbliżone do jedności. 5. PODSUMOWANIE Przedstawione w artykule sondowania geotechniczne pozwalają wytypować w podłożu grunty mogące stanowić odpowiednie podłoże do lokalizacji obiektów gospodarowania odpadami. Dobór odpowiednich technik badawczych pozwala szybko

6 q c [MPa] R f [-] conductivity [ms/m] u [MPa] S r [-] ,1 0,2 0,30,20 0,40 0,60 0,80 1, z [m] Rys. 4. Wyniki sondowania RCPTU na Kampusie SGGW Fig. 4. RCPTU test results from SGGW Campus i rzetelnie określić najbardziej istotne parametry gruntu w podłożu projektowanych składowisk odpadów. LITERATURA [1] Council directive 1999/31/EC of 26 April 1999 on the landfill of waste. [2] Rozporządzenie MŚ z , dz. U. Nr 61, Poz. 549 [3] TORSTENSSON B. A., A New system for groundwater monitoring. Ground Water Monitoring Review, Stockholm, Vol. IV (4), 1984, pp [4] MARCHETTI S., In situ tests by flat dilatometer. ASCE, Journal of Geotechnical Engineering, vol. 106, , [5] ARCHIE G.E., The electrical resistivity log as an aid in determining some reservoir characteristics. Trans. of the Am. Inst. of Mining and Metallurgical Eng. 1942, Vol APPLICATION OF GEOTECHNICAL INVESTIGATIONS FOR LOCATION OF WASTE FACILITIES This paper presents the methods of interpretation of in situ geotechnical investigations, which can be used to recognize geological barriers. It contains the description of RCPTU, DMT and BAT techniques and interpretation procedures of test results to determine low permeable geological layers. The results of penetration tests using RCPTU of subsurface soils at sites in Warsaw are described. The permeability characteristics of selected soil layers were determined using BAT system and DMT dissipation tests. Interpretation of the electrical resistivity profiles obtained for the Stegny and SGGW Campus can be helpful in the identification of geological barriers in other sites.