Kaivannaisaltaiden rakenneselvitys - Synteettiset materiaalit kaivosten allasrakenteiden tiivisrakenteena

Transkriptio

1 Kaivannaisaltaiden rakenneselvitys - Synteettiset materiaalit kaivosten allasrakenteiden tiivisrakenteena IGS Finnish chapter allasseminaari Tutkija ja yliopisto-opettaja Anne Tuomela Vesi- ja Ympäristötekniikan tutkimusyksikkö

2 SISÄLTÖ Johdanto ja rajaukset Tiiviit pohjarakenteet kaivosteollisuudessa Suunnittelussa huomioitavia asioita Johtopäätökset

3 Työn rajaus Selvittää kuinka laajalti synteettisiä tiivisrakenteita käytetään ja mikä on peruste niiden valinnalle? Löytyykö vastaavia rakenteita alueilta, joissa sääolosuhteet ovat lähellä Suomen olosuhteita (esim. Ruotsi ja Kanada). Koota kokemuksia kalvorakenteiden toimivuudesta allasrakenteiden pohjarakenteista Onko muualla maailmalla esiintynyt ongelmia ja mikäli on, miten ne on ratkaistu? Millaisia muita rakenteita käytetään tilanteissa, joissa edellytetään täydellistä eli erittäin pientä vedenjohtavuutta (esim. turve tms.)? Millaisia rakennevaatimuksia kalvolle ja kalvorakenteiden ylä- ja alapuolisille rakenteille asetetaan? Liittyykö kalvorakenteisia käyttöön reunaehtoja (esim. veden varastointi, läjitystekniikka, läjitettävä materiaali)? 3 Lisää tarvittaessa alatunnisteteksti

4 Kaivosten allasrakenteet? Työtä piti rajata, allasrakenteita on niin monenlaisia Keskityttiin Suomestakin löytyviin kasaliuotukseen ja rikastushiekkaaltaisiin Kasaliuotuksesta löytyy enemmän julkaisuja ja viitteitä siihen, että niiden suunnittelua käytetään lähtökohtana muiden kaivosten allasrakenteiden suunnittelussa Julkaisuja on rajoitetusti liittyen pohjarakenteisiin 4

5 Geomembraanien käyttö Pääasiassa käytetään kaivosteollisuudessa kolmessa kohteessa 1. Haihdutusaltaat 2. Kasaliuotus 3. Rikastushiekka-altaat Kahdessa ensimmäisessä rakenteessa käyttö laajinta, isoja kasaliuotusaltaita on Etelä-Amerikassa ja USA:ssa Rikastushiekka-altaissa ensimmäiset kohteet syanidin käytön vuoksi Materiaaleja on paljon ja riippuu käyttötarkoituksesta, mikä tulisi valita HDPE ja LLDPE suosituimmat kasaliuotukseen ja rikastushiekka-altaisiin, käytetään myös PVC, PP sekä BGM ja EPDM Haihdutusaltaissa aiemmin PVC ja nykyään HDPE (aurinko) Materiaalin täytyy kestää korkeita jännitystiloja, muodonmuutoksia, kemikaalikestävyys, lämpötilat ja ultraviolettisäteilyä -> HDPE ja LLDPE on siksi yleistyneet 5

6 Geomembraanien käyttö 6 Lisää tarvittaessa alatunnisteteksti

7 Käytön laajuus pohjarakenteissa Huom. ei koske patoja Kalvorakenteita on käytetty 70-luvulta lähtien, ensimmäiset rakenteet Chilessä ja USA:ssa Ruotsissa ja Kanadassa ei tiedetä käytettävän, mutta Kanadasta löytyi kohteita, joissa käytettiin patorakenteissa, Ruotsissa ei niissäkään 7

8 Pohjarakenteet kaatopaikat vs kaivosaltaat Taustalla kaatopaikkarakenteet Esimerkkejä käytettävistä pohjarakenteista löytyy, mutta ne ovat ensisijaisesti pohjaveden suojelua varten ns. yleisiä rakenteita Kaivosympäristön olosuhteet ovat poikkeukselliset Suuret rasitukset geomembraanille, jopa yli 3 MPa (tilavuuspaino 20 kn/m 3 ja korkea läjitys 150 metriä) Lämpötila Ilmastus Kemikaalit Sijainti maantieteellisesti haastavilla alueilla Voivat olla hyvin erilaisia ja kohderiippuvaisia 8

9 Pohjarakenteet kaatopaikat vs rikastushiekka-altaat Tyypillisesti rikastushiekka on heikosti vettä johtavaa, voi kontrolloida itse suotautumista Rikastushiekka-altaan suotovirtaustilanteiden ratkominen on haasteellisempaa: suuremmat alueet, vaihtelevat pohjavesiolosuhteet, läjitettävän materiaalin ominaisuudet Jos kalvon yläpuolella ei ole peruskuivatussysteemiä kuten yhdyskuntajätteen kaatopaikoilla on, altaaseen varastoitu neste saattaa aiheuttaa suuren painekorkeuden geomembraanin yläpuolelle Rikastushiekkanesteen kemia ja muut rasitukset saattavat vaikuttaa käytettävien geosynteettisten savimateriaalien vedenjohtavuutta kasvattavasti. Lämpötilat ovat yleensä alemmat rikastushiekka-altaissa kuin yhdyskuntajätteen läjitysalueilla, yhdyskuntajäte on biologisesti aktiivista ja nostaa lämpötilaa kasalla. Tämä voi edesauttaa geomembraanin kestävyyttä, mutta aikaa myöten hajoamista tapahtuu. Vähän tietoa saatavilla, koska epäillään että korkea sulfaattipitoisuus ja erittäin korkeat suolapitoisuudet heikentävät geomembraanien kestävyyttä. 9

10 Kasaliuotus Rakenne riippuu geomembraanin päälle tulevasta vedenpaineesta Samassa altaassa voidaan käyttää erilaisia rakenteita eli yksinkertaista ja kaksinkertaista yhdistelmärakennetta (laaksot) Taloudellisesti on tärkeää saada kaikki neste talteen 10

11 Rikastushiekkaaltaat Lupon (2008) mukainen tyypillinen yhdistelmärakenne rikastushiekalle Davies et al on esittänyt perusratkaisun, ei huomioi alapuolista materiaalia 11

12 Muuta huomioitavaa suunnittelussa Stabiliteetti Läjityksen häiriintymisherkkyys Geomembraanin valinta ja vaurioitumisherkkyys Alapuolisen ja yläpuolisen materiaalin valinta Nesteen keräysputkistojen suunnittelu Laadunvarmistus Vaurioiden vaikutukset suotovesiin Sulkeminen 12

13 Stabiliteetti Stabiliteettia on totuttu tarkastelemaan Tarkastelut on mietittävä tarkkaan ja kaikkiin ei ole olemassa valmiina raja- tai ohjearvoja Leikkauslujuus saattaa muuttua, ei voida siis käyttää vakioarvoja Lajittuminen muuttaa tilannetta kasoilla Tapahtuvat kemialliset ja biologiset reaktiot saattavat lisätä hienoaineksen määrää Kasojen sisäiset geomembraanit kasaliuotuksessa, jotka aiheuttavat heikkousvyöhykkeitä Materiaali, joka on löyhästi sitoutunutta ja rakeista voi häiriintyä ja menettää lujuutensa 13

14 Geomembraanin valinta Jokainen kohde on yksilö Vaatii ymmärrystä geomembraanin ja sen ylä- ja alapuolisen rakenteen yhteistoiminnasta 14

15 Geomembraanin valinta Alapuolisen kerros: Vakaa perustus hyvä, vähentää painumista tulevia jännityksiä ja venymiä Hyvin valmisteltu pohjamaa tai rakennettu kerros Vaatii hyvät pohjatutkimukset Hyvin lajittunut hiekka tai sora, jossa on mukana hienoainesta on todettu hyväksi Yläpuolinen kerros: Unohdetaan keskusteluissa helposti Suojaa ja kerää vuotoja/nesteet Voi olla useita tehtäviä ja koostua yhdestä tai useasta kerroksesta Suojamateriaalina voi olla hiekkaa, soraa, silttiä tai jopa savea ja voi sisältää geotekstiilejä Paksuus vaihtelee Kuivatuskerros ja putket 15

16 Nesteen keräys Kuivatuskerroksen toiminnan varmistaminen on tärkeää Putkistoihin kohdistuu kovat rasitukset Säilyvyys riippuu ympäröivästä materiaalista Yleensä rakeista materiaalia käytetään Olosuhteiden vaikutusta voidaan testata laboratoriossa 16 Kuva: flickr by ClockworkGrue

17 Laadunvalvonta Laadunvarmistus tärkeä osa onnistunutta projektia Riskirakenteita -> vaurioituvat helposti Kalvojen hitsaaminen ei ole todettu yhtä ongelmalliseksi kuin kalvon päälle tehtävän suojakerroksen aiheuttamat vauriot-> kerroksen rakentaminen aiheuttaa eniten vuotopaikkoja (Darilek&Laine 2001) CQA, construction quality assurance EPA-ohjeet Lupo & Morrison (2007) tärkeimmät asiat: Dokumentointi, geomembraanin asentamisen seuraaminen, kuivatuskerroksen asentamisen valvonta, ilmaston vaatimusten huomiointi Laadunvalvojan merkitys Pitäisikö jopa kalvotoimittajalta tulla valvoja? (kustannukset) Viranomaisen hyväksymä, sertifiointi tai muuten ammattitaitoiseksi todettu Urakoitsijan ammattitaito 17

18 18 Vauriot ja vaikutukset suotovesiin Analyyttinen laskenta perustuu Darcyn lakiin ja Bernoullin yhtälöihin Empiirisiä laskentakaavoja Eivät huomioi koko allasaluetta, soveltuu yksittäisen tilanteen arviointiin Mallintamista hyödynnettävä Usein 2D on riittävä, mutta toisinaan olisi syytä 3D-mallintaa esim. patojen nurkat tai laaksomaiset rakenteet Laskennoilla on osoitettu, että suotovesien määrää voidaan rajoittaa mikäli käytetään yhdistelmärakennetta (geomembraani+bentoniittimatto) tai yksinkertaisemmallakin, jos laadunvalvonta on erinomaista tasoa

19 Altaan purku Sulkeminen Altaiden sulkeminen Altaan paikan valinta Esisuunnittelu Suunnittelu Osa altaista on sellaisia ettei niitä erityisesti tarvitse sulkea Rikastushiekka-altaat vaativat yleensä Sulkemisen päätarkoitus on minimoida altaalta suotautuva vesi ja toisaalta estää pölyämistä ja eroosiota sekä palauttaa se maankäytöllisesti sopivaan tilaan Mikäli halutaan tehdä tiivis pintarakenne, täytyy altaan vedenpaine pystyä laskemaan Käyttö Rakentaminen 19

20 Johtopäätöksiä 1. Käytöstä ollaan erimielisiä, mutta tutkimukset osoittavat kuitenkin, että suotovesiä voidaan vähentää ympäristöön mikäli rakenne on tehty hyvin 2. Lähtökohtana suunnittelussa on läjitettävä materiaali, neste ja paikalliset olosuhteet Taloudellisuus vaikuttaa 3. Suunnittelu on tehtävä niin, että rakenne tulee vuotamaan jossain vaiheessa 4. Altaan käyttötarkoitusta ei voi muuttaa rakentamisen jälkeen ilman osoitusta siitä, toimiiko allas uudessa käyttötarkoituksessa 5. Rakenteen toiminta on testattava 6. Laadunvalvonta on tärkeää 7. Mikäli kohde tarvitsee sulkemistoimia on se huomioitava jo pohjarakenteen suunnittelussa 8. Kustannukset olisi laskettava koko altaan elinkaaren ajalle 9. Yhtenäiset ohjeistuksen uupuvat ja ne olisi syytä olla 10. Julkaisuja, tutkimusta ja opetusta tarvitaan, pitäisi pystyä julkaisemaan virheet, mutta myös hyvät ratkaisut 11. Muut läjitysvaihtoehdot rikastushiekalle 20