Kemin kaivoksen rikastushiekka-altaan 7 korotuksen stabiliteettilaskelmat

Transkriptio

1 Outokumpu Chrome Oy Työ n:o Kemin kaivos 2.4. PL Kemi Outokumpu Chrome Oy Kemin kaivoksen rikastushiekka-altaan 7 korotuksen stabiliteettilaskelmat Kemi GEOBOTNIA OY Koulukatu 28 p. (08) gb@geobotnia.fi Y Oulu f. (08)

2 Työ n:o Outokumpu Chrome Oy Kemin kaivoksen rikastushiekka-altaan 7 korotuksen stabiliteettilaskelmat, Kemi SISÄLTÖ 1 TEHTÄVÄ RAKENNUSKOHDE LASKELMAT Suotovirtauslaskelmat Laskentatapaukset Laskentamenetelmä Maakerrosten hydrauliset ominaisuudet Laskelmien tulokset Stabiliteettilaskelmat Laskentatapaukset Laskentamenetelmä Laskelmissa käytettyjen maamateriaalien geotekniset ominaisuudet Laskelmien tulokset TULOSTEN TARKASTELU... 4

3 Työ n:o Outokumpu Chrome Oy 1 Kemin kaivoksen rikastushiekka-altaan 7 korotuksen stabiliteettilaskelmat, Kemi 1 TEHTÄVÄ Outokumpu Chrome Oy:n toimeksiannosta on Geobotnia Oy tehnyt geoteknisiä laskelmia Kemin kaivoksen rikastushiekka-altaan 7 korotukseen liittyen. Geoteknisillä laskelmilla on selvitetty padon stabiliteetti pitkäaikaiseksi tilanteessa, jossa vesi on altaassa korkeimmassa sallitussa tasossa ja tilanteessa, jossa vesipinta altaassa laskee nopeasti korkeimmalta sallitulta 2,0 metriä. 2 RAKENNUSKOHDE Rikastushiekka-allas 7 sijoittuu Outokumpu Chrome Oy:n Kemin kaivoksen itäpuolelle, noin 0,5-1,0 km etäisyydelle kaivoksesta. Allas rajoittuu etelässä selkeytysaltaaseen 4 ja lounaassa altaaseen 2-3. Altaan 7 luoteispuolella on raakkuläjityskasa. Pohjois- ja itäpuoli ovat rakentamatonta aluetta. Altaan reunapenkereet ovat pääosin vyöhykepatoja, joiden runkona on louhepenger ja altaan puolella on moreenista rakennettu tiiviste. Altaiden 2-3 ja 7 välipenger / -pato on rakennettu homogeenisena moreenipatona. Raakkuläjitystä vasten on rakennettu moreenitiiviste. Nykyinen harjan taso on lukuun ottamatta raakkuläjityksen kohtaa, missä penkereen harja on tasolla +32,0. Rikastushiekka-altaan 7 harja tullaan korottamaan tasoon +,0. 3 LASKELMAT 3.1 Suotovirtauslaskelmat 3.11 Laskentatapaukset Suotovirtauslaskelmilla on selvitetty huokospaineen jakautuma tarkastellussa poikkileikkauksessa. Laskentapoikkileikkaus valittu stabiliteetin kannalta määräävältä kohdalta, jossa Iso-Ruonaojan uusi uoma kulkee padon kuivan luiskan juuressa. Laskentapoikkileikkaus edusta myös rakenteeltaan suurinta osaa rikastushiekka-altaan reunapenkereestä. Laskelmat on tehty kahdessa tilanteessa: A. Altaan vesipinta on ylävesitasossa WH = +33, B. Altaan vesipinta laskee nopeasti (1 kuukauden aikana) ylävesipinnasta +33, tasoon +31, Laskentamenetelmä Suotovirtauslaskelmat on tehty elementtimenetelmään (Finite-Element-Method, FEM) perustuvalla tietokoneohjelmalla, Seep/W. Ohjelmassa maa kuvataan suorakaiteen ja / tai kolmion muotoisina elementteinä, joille annetaan kutakin maakerrosta vastaavat hydrauliset ominaisuudet. Elementtien määrän tihentäminen parantaa laskentatarkkuutta. Reunaehdot (vedenpinta, kuivatus jne.) annetaan elementtien solmupisteisiin.

4 Työ n:o Outokumpu Chrome Oy 2 Kemin kaivoksen rikastushiekka-altaan 7 korotuksen stabiliteettilaskelmat, Kemi Ohjelma ratkaisee suotovirtauksen kussakin elementissä ja solmupisteessä iteraationa, jossa haetaan koko mallin vesitaseelle tasapaino. Ohjelman tuloksena saadaan pohjavedenpinnan sijainti eli nk. märkäviiva, huokospaineet, suotovirtauksen suunta ja nopeus sekä suotovesimäärät Maakerrosten hydrauliset ominaisuudet Laskelmissa käytetyt maarakenteiden ja pohjamaan vedenläpäisevyydet on esitetty taulukossa 1. Taulukko 1. Laskelmissa käytetyt maakerrosten vedenläpäisevyyden (k) arvot. Materiaali Vedenläpäisevyys kyllästyneessä tilassa (m/s) Murske 1,0* -2 Louhe 1,0* -1 tiiviste 3,0* -8 Salaojituskerros 2,0* -5 Pohjamoreeni 1,0* -7 Rikastushiekka 2,0* Laskelmien tulokset Vakiosuotovirtaustilanteessa, jolloin vesipinta on altaassa pitkäaikaisesti HW-tasossa +33,5, suotovirtauksen suuruus padon ja pohjamaan kautta on yhteensä 0,002 l/s/patom eli 0,3 m 3 /vrk/pato-m. Vesipinnan laskiessa altaassa yhdessä kuukaudessa tasosta +33,5 tasoon +31,5, padon moreenitiivisteeseen syntyy lievä ylipaine vakiosuotovirtaustilanteeseen nähden. Tämä johtuu siitä, että moreenin pienen vedenläpäisevyyden takia huokosveden paine ei alene moreenissa aivan vedenpinnan laskun mukaisessa tahdissa. Ylipaineen suuruus on enimmillään noin 5 kpa. Laskelmien tulokset on esitetty liitteenä olevissa laskentatulosteissa. Tulosteissa on esitetty pohjaveden painekorkeus (total head), virtausvektorit sekä suotovirtauksen suuruus vakiosuotovirtaustilanteessa. Johtopäätökset laskemista on esitetty kohdassa Stabiliteettilaskelmat 3.21 Laskentatapaukset Stabiliteettitarkastelu on tehty kohdassa laskettujen suotovirtaustilanteiden (A ja B) mukaisesti. Varmuus liukusortumaa vastaan on laskettu sekä padon kuivalle että märälle puolelle. Tarkastellut laskentatapaukset ovat: 1) Suotovirtaustilanne A, märkä luiska, moreenitiivisteeseen ulottuvan liukupinnan pienin kokonaisvarmuus 2) Suotovirtaustilanne A, märkä luiska, pienin kokonaisvarmuus

5 Työ n:o Outokumpu Chrome Oy 3 Kemin kaivoksen rikastushiekka-altaan 7 korotuksen stabiliteettilaskelmat, Kemi 3) Suotovirtaustilanne A, märkä luiska, safety map tulostus 4) Suotovirtaustilanne A, kuiva luiska, pienin kokonaisvarmuus 5) Suotovirtaustilanne A, kuiva luiska, moreenitiivisteeseen ulottuvan liukupinnan pienin kokonaisvarmuus 6) Suotovirtaustilanne A, kuiva luiska, safety map tulostus 7) Suotovirtaustilanne B, märkä luiska, pienin kokonaisvarmuus 8) Suotovirtaustilanne B, märkä luiska, moreenitiivisteeseen ulottuvan liukupinnan pienin kokonaisvarmuus Laskentamenetelmä Stabiliteettilaskelmat on laadittu tietokoneohjelmalla, Slope/W, ympyräliukupintoja käyttäen. Leikkauslujuus on määritetty cϕ-menetelmällä. Varmuuskertoimet on laskettu Morgenstern-Pricen esittämällä lamellimenetelmällä, mikä huomioi sekä voima- että momenttitasapainoyhtälöt. Varmuudet on laskettu kokonaisvarmuuksina. Käytetyt parametrit ovat ominaisarvoja. Huokosveden paine maakerroksissa on laskettu kohdassa esitetyllä menetelmällä. Koska suotovirtaus- ja stabiliteettilaskentaohjelmat keskenään yhteensopivia, on huokosveden paine voitu tuoda suoraan lähtötietona stabiliteettilaskelmiin. Tietokoneohjelmassa on käytetty usean eri maakerroksen muodostamaa maastomallia. Maastomalli on muodostettu suunnitellun patorakenteen tyyppipoikkileikkauksen mukaan. Lasketuissa poikkileikkauksissa liukuympyrän keskipisteelle on annettu vaihtelualue vaaka- ja pystysuunnassa sekä liukupinnan alimman pisteen korkeusasemalle vaihtelualue. Vaihtelualueet on valittu kunkin poikkileikkauksen mukaan siten, ettei määrääviä liukupintoja ole jäänyt laskelmien ulkopuolelle Laskelmissa käytettyjen maamateriaalien geotekniset ominaisuudet Maakerrosten geotekniset parametrit on valittu keskimääräisten ominaisuuksien mukaan laboratoriotulosten sekä yleisesti käytettyjen kirjallisuustietojen pohjalta. Taulukko 2. Stabiliteettilaskelmissa käytetyt parametrit. Maakerros Tilavuuspaino γ [kn/m 3 ] Kitkakulma φ' [ ] Koheesio c' [kn/m 2 ] Murske 18,0 - Louhe 19, tiiviste,0 33 2,0 Salaojituskerros 18,0 - Pohjamoreeni 16,0 36 5,0 Rikastushiekka 13,0 -

6 Työ n:o Outokumpu Chrome Oy 4 Kemin kaivoksen rikastushiekka-altaan 7 korotuksen stabiliteettilaskelmat, Kemi 3.24 Laskelmien tulokset Yhteenveto lasketuista kokonaisvarmuuskertoimista on taulukossa 3. Laskelmien tulokset on esitetty liitteenä olevissa graafisissa tulosteissa. Taulukko 3. Yhteenveto lasketuista kokonaisvarmuuskertoimista. Laskentatapaus, numero Laskelman kuvaus Suotovirtaustilanne A, märkä luiska, moreenitiivisteeseen ulottuvan liukupinnan pienin kokonaisvarmuus Suotovirtaustilanne A, märkä luiska, pienin kokonaisvarmuus Suotovirtaustilanne A, märkä luiska, safety map tulostus Suotovirtaustilanne A, kuiva luiska, pienin kokonaisvarmuus Suotovirtaustilanne A, kuiva luiska, moreenitiivisteeseen ulottuvan liukupinnan pienin kokonaisvarmuus Suotovirtaustilanne A, kuiva luiska, safety map tulostus Suotovirtaustilanne B, märkä luiska, pienin kokonaisvarmuus Suovirtaustilanne B, märkä luiska, moreenitiivisteeseen ulottuvan liukupinnan pienin kokonaisvarmuus Pienin kokonaisvarmuuskerroin 1,81 1,59-1, 1,71-1,59 1,61 4 TULOSTEN TARKASTELU Patoturvallisuusohjeen mukaisesti kokonaisvarmuudet on oltava pitkäaikaisessa tilanteessa F 1, ja lyhytaikaisessa tilanteessa F 1,. Pitkäaikaisessa tilanteessa merkittävien liukupintojen varmuuskerroin on F 1,71. Pitkäaikaisessa tilanteessa pienimmät varmuuskertoimet ovat F = 1, 1,59 liukupinnoilla, jotka kulkevat aivan patorakenteen pinnassa. Näillä pinnassa kulkevilla liukupinnoilla ei ole patorakenteen turvallisuuden kannalta merkitystä. Nopea vedenpinnan lasku alentaa hieman moreenitiivisteeseen ulottuvien liukupintojen varmuuskerrointa, mikä johtuu moreenikerrokseen jäävästä huokosveden ylipaineesta. Lyhytaikaisessa tilanteessa kokonaisvarmuuskertoimet ovat kuitenkin yli F 1,59. Stabiliteettilaskelmien perusteella rikastushiekka-altaan 7 korotuksen varmuuskertoimet eri laskentatapauksissa ovat riittävät. Geobotnia Oy Olli Nuutilainen, DI Janne Herva, DI

7 Työ n:o Outokumpu Chrome Oy 5 Kemin kaivoksen rikastushiekka-altaan 7 korotuksen stabiliteettilaskelmat, Kemi Liitteet: Suotovirtaus- ja stabiliteettilaskelmat, s.

8 70 Suotovirtauslaskelma, pitkäaikainen tilanne e-006 (m³/sec) Hyd K Fn: 8 Vol WC Fn: 0 Virtaama patorakenteen ja pohjamaan kautta Q = 0,002 l/s/pato-m = 0,2 m3/vrk/pato-m Hyd K Fn: 9 Vol WC Fn: Hyd K Fn: 7 Vol WC Fn: 0 Hyd K Fn: 11 Vol WC Fn: 0 24 Description: tiiviste Hyd K Fn: Vol WC Fn: 0 26 HW 3 +33, 28 Hyd K Fn: 0 Vol WC Fn: 0 32 Hyd K Fn: 12 Vol WC Fn: stabiliteettimallinnus steady.gsz

9 28 70 Suotovesimalli: Lyhytaikainen tilanne - vesipinta altaassa laskee 1 kuukaudessa +33,5 => +31,5 Huokosvedenpainekorkeus (total head), kun vesipinta tasolla +31,5 Hyd K Fn: 8 Vol WC Fn: 3 Hyd K Fn: 9 Vol WC Fn: Hyd K Fn: 7 Vol WC Fn: 3 Hyd K Fn: 11 Vol WC Fn: 2 HW 3 +33, Description: tiiviste Hyd K Fn: Vol WC Fn: 2 Hyd K Fn: 0 Vol WC Fn: 0 Hyd K Fn: 12 Vol WC Fn: stabiliteettimallinnus trans.gsz

10 70 Suotovesimalli: Pitkäaikainen tilanne Sortumissuunta: Altaaseen päin Pienin moreenitiivisteeseen ulottuvan liukupinnan kokonaisvarmuuskerroin Phi: HW 3 +33, Phi: Wt: 19 Phi: 42 Description: tiiviste Wt: Cohesion: 2 Phi: 33 Wt: Wt: 13 Phi: Wt: 16 Cohesion: 5 Phi: stabiliteettimallinnus steady.gsz

11 70 Suotovesimalli: Pitkäaikainen tilanne Sortumissuunta: Altaaseen päin Pienin kokonaisvarmuuskerroin Phi: HW 3 +33, Phi: Wt: 19 Phi: 42 Description: tiiviste Wt: Cohesion: 2 Phi: 33 Wt: Wt: 13 Phi: Wt: 16 Cohesion: 5 Phi: stabiliteettimallinnus steady.gsz

12 70 Suotovesimalli: Pitkäaikainen tilanne Sortumissuunta: Altaaseen päin Laskelma: "Safety map" Punainen = Kokonaisvarmuuskerroin liukupinnoilla F = 1,5...1,7 Vaalena vihreä= Kokonaisvarmuuskerroin liukupinnoilla F = 1,7...1,9 Tumman vihreä= Kokonaisvarmuuskerroin liukupinnoilla F = 1,9...2, Phi: HW 3 +33, Phi: Wt: 19 Phi: 42 Description: tiiviste Wt: Cohesion: 2 Phi: 33 Wt: Wt: 13 Phi: Wt: 16 Cohesion: 5 Phi: stabiliteettimallinnus steady.gsz

13 Suotovesimalli: Pitkäaikainen tilanne Sortumissuunta: Altaasta poispäin Pienin kokonaisvarmuuskerroin 1. Phi: HW 3 +33, Phi: Wt: 19 Phi: 42 Description: tiiviste Wt: Cohesion: 2 Phi: 33 Wt: Wt: 13 Phi: Wt: 16 Cohesion: 5 Phi: stabiliteettimallinnus steady.gsz

14 1. 70 Suotovesimalli: Pitkäaikainen tilanne Sortumissuunta: Altaasta poispäin Pienin tiivisteeseen ulottuvan liukupinnan kokonaisvarmuuskerroin Phi: HW 3 +33, Phi: Wt: 19 Phi: 42 Description: tiiviste Wt: Cohesion: 2 Phi: 33 Wt: Wt: 13 Phi: Wt: 16 Cohesion: 5 Phi: stabiliteettimallinnus steady.gsz

15 Suotovesimalli: Pitkäaikainen tilanne Sortumissuunta: Altaasta poispäin Laskelma: "Safety map" Punainen = Kokonaisvarmuuskerroin F = 1,5-1,7 Vaalean vihreä = Kokonaisvarmuuskerroin F = 1,7-1,9 Tumman vihreä = Kokonaisvarmuuskerroin F = 1,9-2,1 1. Phi: HW 3 +33, Phi: Wt: 19 Phi: 42 Description: tiiviste Wt: Cohesion: 2 Phi: 33 Wt: Wt: 13 Phi: Wt: 16 Cohesion: 5 Phi: stabiliteettimallinnus steady.gsz

16 53 70 Suotovesimalli: Lyhytaikainen tilanne - vesipinta altaassa laskee 1 kuukaudessa +33,5 => +31,5 Sortumissuunta: Altaaseen päin Liukupinta: Pienin kokonaisvarmuuskerroin Phi: HW 3 +33, Phi: Wt: 19 Phi: Wt: 16 Cohesion: 5 Phi: Description: tiiviste Wt: Cohesion: 2 Phi: Wt: Wt: 13 Phi: stabiliteettimallinnus trans.gsz

17 53 70 Suotovesimalli: Lyhytaikainen tilanne - vesipinta altaassa laskee 1 kuukaudessa +33,5 => +31,5 Sortumissuunta: Altaaseen päin Liukupinta: Pienin moreenitiivisteeseen ulottuvan liukupinnan kokonaisvarmuus Phi: HW 3 +33, Phi: Wt: 19 Phi: Wt: 16 Cohesion: 5 Phi: Description: tiiviste Wt: Cohesion: 2 Phi: Wt: Wt: 13 Phi: stabiliteettimallinnus trans.gsz