Allasrakenteiden mitoitus. Minna Leppänen Tampereen teknillinen yliopisto Rakennustekniikan laitos Maa- ja pohjarakenteet

Transkriptio

1 Allasrakenteiden mitoitus Minna Leppänen Tampereen teknillinen yliopisto Rakennustekniikan laitos Maa- ja pohjarakenteet

2 Rakennevaihtoehtoja Pohjamaa tai rakennettu mineraalinen tiivistyskerros (maapohjainen allas YHDISTELMÄRAKENNE KAKSOISRAKENNE KAKSOISYHDISTELMÄ- RAKENNE Geomembraani tai muu keinotekoinen eriste Primäärinen geomembraani Primäärinen geomembraani Mineraalinen tiivistyskerros Vuotojen tarkkailukerros Mineraalinen tiivistyskerros Sekundäärinen GM Vuotojen tarkkailukerros Mineraalinen tiivistyskerros Sekundäärinen GM Mineraalinen tiivistyskerros NESTE NESTE NESTE NESTE MINERAALINEN KERROS MINERAALINEN KERROS MINERAALINEN KERROS MINERAALINEN KERROS

3 Miten allas eroaa kiinteän jätteen läjitysalueesta Luiskat osittain paljaana Ilmastollinen kuormitus Jää, aalto ja tuulikuormat Noste Alhaiset lämpötilat ja routa Kuormitustilanne vaihtelee Huoltotarve / lietteen poisto Korjattavissa (?)

4 Kaivannaisjätteiden pohjarakenteet vs. kaatopaikka Kaivannaisjätealue Vedenpaine voi olla useita, jopa kymmeniä metrejä, voi vaihdella Jäte tasalaatuista haitta-aineet, niiden olomuoto, pitoisuudet ja liukoisuus tunnetaan Pinta-ala kymmeniä hehtaareja, yhtenäinen alue Täyttökorkeus kymmeniä metrejä Täyttöaika useita vuosia, vedenpaine voi olla pysyvä Kaatopaikka Vedenpaine < 0,5 m (kuivatuskerros), vedet kerätään ja käsitellään Jätetäytön koostumus vaihtelee, tyypillisesti suotovedet laimeita ja ph lähellä neutraalia Pinta-ala 0,5 5 hehtaaria, vierekkäisiä alueita Täyttökorkeus tavallisesti 5 20 m Täyttöaika muutamia vuosia, suljetaan vesitiiviillä rakenteilla Jälkihoitoaika > 30 vuotta

5 Käyttöikä kaatopaikalla Kaatopaikkarakenteissa hydraulinen kuormitus on suurimmillaan käyttöiän alussa Kaatopaikkaveden käsittely alentaa rakenteeseen kohdistuvaa hydraulista painetta Muodostuvan suotoveden määrä on vähäinen, kun pintarakenne on toteutettu

6 Geomembraanien käyttöikä Peitetyn HDPEgeomembraanin arvoitu käyttöikä on satoja vuosia Kolme ikääntymisvaihetta A. antioksidanttien käyttöaika ( 200 vuotta, B. induktioaika ( 20 vuotta), ja C. ominaisuuksien puoliintumisaika ( 750 years) (Koerner et al 2011)

7 Kalvojen ominaisuuksien merkittävyys Asteikko 1 5; 5 merkittävin ja 1 vähiten tärkeä Kaatopaikan tiivistyskerrokset Allas ja kelluva pinta (floting cover) Peggs Ian D. & Thiel Rick (2000): Selecting a Geomembrane Material

8 UV-säteily Ikäännyttää kalvoa väri muuttuu, pintahalkeamia, haurastuu, mekaaniset ominaisuudet heikkenevät UV-kestävyys saavutetaan hiilimustalla ja lisäaineilla (stabilaattorit OIT kasvaa) Paksumpi kestää pidempään 15 cm maakerros riittää suojaamaan (Koerner et al 1990)

9 Vihreä UV-kestävä kalvo

10 Lämpötila Korkea lämpötila kiihdyttää hapettumista ja siten vanhentaa tiivistyskalvoja Alhaisessa lämpötilassa kalvot muuttuvat koviksi, jäykiksi ja hauraiksi HDPE-kalvon venymä yksiaksiaalisessa vetokokeessa (Giroud 2005)

11 Lämpötilan vaikutus kestävyyteen HDPE-geomembraanin käyttöikä on 10 C:ssa 1,000 vuotta, mutta vain noin 15 vuotta 60 C:ssa Service life of a landfill liner system subjected to elevated temperatures Stark, Jafari & Rowe 2012)

12 Alhaiset lämpötilat Alhaisten lämpötilojen vaikutus kalvojen jännitys-muodonmuutoskäyttäytymiseen Richards, et al. (1985) (GRI white paper #28)

13 Alhaisen lämpötilan haasteet kalvoasennuksessa Jäätynyt asennusalusta Lumi, jää Kosteus Asentajan epämukavuus Laitteiden toimivuus Kalvon jäykkyys Maintenance.aspx

14 Lämpölaajeneminen Lämpölaajeneminen aiheuttaa ryppyjä ja kalvon irtoamista alustaan muodostuu virtauskanava Mikäli ankkurointi on riittämätön, tuuli voi päästä kalvon alle ja aiheuttaa kalvon irtoamisen (uplift)

15 Lämpölaajenemisaaltojen muodostuminen Take, Watson, Brachman, & Rowe, 2012 Thermal Expansion and Contraction of Geomembrane Liners Subjected to Solar Exposure and Backfilling

16 Aaltojen pysyvyys Lämpölaajenemisen aiheuttamat aallot eivät täysin tasaannu, kun kalvo peitetään ja kuormitetaan; aallon korkeus ja etenkin leveys pienenee Aaltoja voidaan vähentää käyttämällä vaaleaa kalvoa, Kalvon levitys ja saumaus pyritään tekemään siten, että kalvo pysyy kireänä Kalvo voidaan peittää (väliaikaisella) vaalealla geotekstiilillä Peittäminen tehdään päivän viileimpään aikaan tai yöllä

17 Tuuli

18 Tuulen vaikutus

19 Jäätymis-sulamissyklit Laboratoriotutkimusten perusteella saven hydraulinen johtavuus kasvaa, kun se altistuu jäätymiselle Jäätymissulamissyklit aiheuttavat savessa kutistumia ja mikrohalkeamia. Savi halkeilee ja halkeamat muodostavat virtausreittejä (preferencial flow). USAssa tehdyn laajan tutkimuksen perusteella jäätymissulamissykleillä ei ole vaikutusta kalvon mekaaniseen käyttäytymiseen (tensile, shear and peel test; The U.S. Bureau of Reclamation, GRI White Paper #28). Tutkimuksessa oli mukana PVC, LLDPE, HDPE, fpp, CSPE ja FCEA

20 Jäätymis-sulamissyklit Kenttä- ja laboratoriotutkimusten mukaan maabentoniitin ja bentoniitimaton vedenläpäisevyyteen jäätymis-sulamissyklien vaikutus on vähäinen

21 Kuivumis-kastumissyklit Savi kutistuu, kun se kuivuu. Kuormituksen alla kuivuva savi kokoonpuristuu kalvoon voi aiheutua venymää esim. luiskan juuressa. Halkeamiin voi päästä karkeampaa materiaalia. Luiskassa kuivumishalkeama voi käynnistää liukusortuman

22 Saven rakenne muuttuu Chaosheng Tang, Yu-Jun Cui, Bin Shi, Anh Minh Tang, Chun Liu. Desiccation and cracking behaviour of clay layer from slurry state under wetting-drying cycles. (2011)

23 Bentoniitin kuivumiskastumissyklit Faith M. Zangl (2014)

24 Bentoniittimaton kuivumiskastumissyklit Jos bentoniittimatto on hydratoitunut hyvin jo asennusvaiheessa, vaikutukset yleensä vähäisiä Molemmin puolin olevat kankaat estävät karkean aineksen tunkeutumisen halkeamiin Kuormitus vähentää halkeiluriskiä Riski kuivumis-kastumissyklien aiheuttamiin vaurioihin on suurempi, kun Alapuolinen kerros (AL attenuation layer) on karkea ja hyvin vettä johtava ja sen alkuvesipitoisuus on alhainen Lämpötila on korkea Hoor, A. and Rowe, R. (2013)

25 Bentoniitin rapautuminen Ioninvaihto Bentoniitin ominaisuudet muuttuvat; paisuminen vähenee, sorptiokyky heikkenee Nathalie Touze-Foltz

26 Bentoniittimaton rapautuminen ja kuivuminen yhdessä C. Barral, Nathalie Touze-Foltz, E. Loheas, D. Croissant. Comparative study of hydraulic behaviour of Geosynthetic Clay Liners exhumed from a landfill cover and from a dam after several years in service. Eurogeo 5, Sep

27 Juurien tunkeutuminen Nathalie Touze-Foltz Juuret voivat aiheuttaa savirakenteen kuivumista ja halkeilua Juuret voivat muodostaa maatuessaan kulkeutumisreittejä

28 Hydraulinen paine Allasrakenteessa vedenpainekorkeus voi vaihdella käyttökohteesta riippuen 0 HW (mitoittava ylivedenpinta) Myös täyttömateriaalissa oleva huokosvesi aiheuttaa hydraulisen paineen Keskivesi MW ei kovinkaan kiinnostava (?) Advektiokulkeutumisen kannalta HW mitoittava Luiskastabiliteetin kannalta tärkeämpi voi olla mitoittava alivesi NW, myös suotovirtaus vaikuttaa Rakennusaikana h w =0 noste huomioitava Millaisia varmuuskertoimia pitäisi käyttää? Tulvatilanteessa HW+? Miten rakenteisiin vaikuttaa vedenpinnan vaihtelu?

29 Veden pinta tulevaisuudessa?

30 Vedenpaineen vaikutus suotovirtauksen määrään Tarkastellaan 1 m paksuista maakerrosta Darcyn laki Q = k t A H/h K 10-9 m/s vastaa kaatopaikan mineraalisen pohjan vaatimusta Happoamuodostavien jätteiden alueilla korkea vedenpaine on pysyvä tila, myös sulkemisen jälkeen, jos jäte säilytetään veden peitossa

31 Pinta-alan vaikutus Kaatopaikan pinta-ala on tyypillisesti luokkaa 5 ha, kaivannaisjäte-alueiden ha Tarkastellaan 1 m paksuista maakerrosta Vedenpainekorkeus 1 m Darcyn laki Q = k t A H/h K 10-9 m/s vastaa kaatopaikan mineraalisen pohjan vaatimusta

32 Mineraalisen kerroksen laadun vaihtelu Koealue (USEPA, Rogowski 1990):Läpäisevyys vaihtelee x Osa alueesta ei täyttänyt 10-7 cm/s (= 10-9 m/s) vaatimusta Luontainen vaihtelu Tiivistämistyötuloksen vaihtelu; etenkin optimin alla oleva vesipitoisuus vaikuttaa

33 Noste Mikäli pohjavedenpinta on altaan pohjan yläpuolella tai pvp on lähellä altaan pohjaa ja pohjaveden pinta vaihtelee, altaan pohjarakenteisiin kohdistuu noste Noste voi vaurioittaa rakenteita rakennusvaiheessa tai muissa tilanteissa, kun allas on tyhjä (hydraulinen murtuma)

34 Mekaaniset kuormat Lietteen poistaminen ja muut huoltotoimet Alustan painuminen (turve, savialueet) Täytön aiheuttama kuormitus Pistekuormat Läpiviennit, saumat yksityiskohdat tärkeitä! Läpiviennit minimoidaan, toteutus elementteinä Materiaalien yhteensopivuus esim. lämpölaajeneminen

35 Luiskastabiliteetti

36 Täytön vaikutus kalvoon luiskassa (Downdrag) f top = 20º, f bot = 10º f top = 15.5º, f bot = 25º e downdrag = 1H:1V; e downdrag = 3H:1V Vetomuodonmuutokset ja voimat riippuvat lujuudesta rajapinnan ylä- ja alapuolella sekä luiskan kaltevuudesta. Vetokuormitus on vähäinen, jos yläpuolisen materiaalin (f peak ) < (f peak ) alemman 3H:1V luiska ok

37 Luiskastabiliteetti Kitkapinnoite parantaa rajapintojen välistä kitkaa Bentoniittimatolla myös tuotteen sisäinen leikkauslujuus tutkittava Ankkurointi varmistaa vain työn aikaisen pysyvyyden erface-shear-box.html

38 Pistekuorma TESTAUSPERIAATE:

39 Kalvon venymä kuormitettuna Abdelaal,

40 Bitumigeomembraanin reikiintymismekanismi Kivi tunkeutuu bitumikerrokseen. Mitä paksumpi kalvo, sitä parempi kestävyys. Mitä suurempi kivien raekoko, sitä suuremmat vauriot. Vedenpaine on vaarallisempi kuin mekaaninen paine. Eric Blond, & Bertrand Breul (2014) Behavior of Bituminous Geomembranes under Elevated- Compression Stress. Proceedings of Geosynthetics Mining Solutions, 2014, Vancouver, Canada

41 Kalvo pitää AINA suojata! Rakentamisen aikainen kuormitus aiheuttaa suuren vaurioitumisriskin Kalvon päällä ei saa liikkua työkoneilla ilman suojakerrosta, työkoneesta riippuen 0,5 1,0 m ste_usepaapplication/cl_044.pdf

42 Eroosio tuuli, vesi, aallot, jää Virtaava vesi on eroosiovoima. Veden, jään, tuulen ja aallokon eroosiota aiheuttavaa toimintaa, kuvaa KKK- sääntö: kulutus, kuljetus ja kasaus. Siihen, millainen voima virtaavalla vedellä eroosiotekijänä on, vaikuttavat materiaalin laatu, alueen korkeuserot, veden virtausnopeus sekä vesimäärä, jota mitataan virtaamana tietyn poikkileikkauksen läpi

43 Eroosio Eroosioherkkyyteen vaikuttaa mm. Maalaji, savipitoisuus ja humuspitoisuus pienentävät herkkyyttä; tasarakeinen siltti on herkin Luiskakaltevuus ja luiskan pituus Veden virtausnopeus Kasvillisuus pienentää

44 Aallot Aiheuttavat eroosiota Aaltojen liikuttelema kiintoaines aiheuttaa hankausta, jäälautat jopa iskuja luiskarakenteisiin Water reservoir in Iran (Tarnowski, Baldauf & Sost 2005)

45 Naarmujen merkitys Naarmut heikentävät kalvon lujuutta Saumat keskittävät jännityksiä Giroud 1993,

46 Kemiallinen kuormitus Muissa kuin puhtaan veden altaissa on huomioitava varastoitavan nesteen ja materiaalin vaikutukset materiaaleihin ja niistä vapautuvat haitta-aineet ja niiden kulkeutumismekanismit Vaikuttaa materiaalivalintoihin, esim. EPDM ei kestä hiilivetyjä, kloridit, Ca ja Mg ja alhainen ph kiihdyttävät bentoniitin rapautumista Orgaaniset yhdisteet kulkeutuvat kalvoista läpi diffusion kautta

47 Vaikutukset veden laatuun Toisaalta kalvoista ja muista materaaleista voi liuota varastoitavaan nesteeseen aineita Esim. NSF61 certified for potable drinking water; voidaan varastoida juomavedeksi tarkoitettua vettä, ei liukene haitallisia aineita kuten pehmentimiä Voidaan käyttää kala-altaissa ja viljelyssä

48 Allasrakenteissa on enemmän haasteita Ja siten enemmän mahdollisuuksia etsiä juuri sopiva rakenne ja materiaali kohteeseen! Kiitos mielenkiinnosta!