Täydennyspyyntö, kohta 112) Alustavat stabiliteettilaskelmat padoista ALUSTAVAT PATOJEN SUOTO- JA STABILITEETTILASKELMAT Patojen alustavat suoto- ja stabiliteettilaskelmat on tehty vuonna 2013, joiden yhteenveto on esitetty seuraavassa. 1 SUOTOVESILASKENNAT 1.1 Laskentamenetelmät Suotovesilaskelmat on tehty käyttäen SLIDE laskentaohjelmaa (Rockscience Inc.). Laskenta perustuu elementtimenetelmään pysyvän suotovirtaustilan laskennassa. Jokaiselle maakerrokselle määritetään vedenjohtavuusparametrit. Annettujen reunaehtojen perusteella ohjelma laskee suotovesipinnan tason, huokospaineen, virtaussuunan, virtausnopeuden, hydraulisen paineen jne. Suotovesilaskentoja ei ole tehty rikastushiekka-alueen pohjoiselle ja eteläiselle padolle johtuen pienestä hydraulisesta paineesta. Suotovesilaskentaa ei ole myöskään tehty
2 runsasrikkisen rikastushiekka-altaan padolle, koska padon sisäluiskassa on keinotekoinen eriste. 1.2 Jätevedenpuhdistamon padon korotus Jätevedenpuhdistamon padon korotuksen osalta laskentapoikkileikkaus on valittu kohdalta, missä pato on korkeimmillaan, korkeus noin 8,6 m. Suotovesilaskenta on tehty kahdessa eri tapauksessa: o Tapaus 1: Normaali vedenkorkeus ja vakiosuotovirtaustila padon läpi. Laskentatulokset on esitetty liitteessä 2.2.1 o Tapaus 2: Kuten edellinen tapaus, mutta padon alla on hyvin vettä johtava kerros. Pohjamaan karkea kerros on oletettu sijaitsevan heti ohuen pintamoreenikerroksen alapuolella. Altaan puolella karkea kerros on suoraan yhteydessä altaan pohjalle. Laskentatulokset on esitetty liitteessä 2.2.2. Molemmissa tapauksissa suotolaskenta on tehty altaan vedenpinnan tasolla +191,00. Tapauksessa 1, suotautuvan veden määrä on noin 7,3*10-4 l/s/m (65 l/vrk/m). Lähes koko suotatuvan veden määrä purkautuu padon paaluväliltä 28 400. Muulta padon osalla ei käytännössä ole lainkaan hydraulista painetta. Siten suotautuvan veden kokonaismäärä on noin 20 30 m 3 /vrk (7 300 11 000 m 3 /vuosi). 1.3 Selkeytysaltaan pato Laskentapoikkileikkaus on valittu kohdalta, missä pato on korkein noin 12,3 m. Suotovesilaskenta on tehty kahdessa eri tapauksessa: o Tapaus 1: Altaan korkein vedenpinnan taso ja normaali suotovirtaustila vakiosuotovirtaamalla padon läpi. Laskentatulokset on esitetty liitteessä 2.3.1 o Tapaus 2: Kuten edellinen tapaus, mutta padon alla on hyvin vettä johtava kerros. Pohjamaan karkea kerros on oletettu sijaitsevan heti ohuen pintamoreenikerroksen alapuolella. Altaan puolella karkea kerros on suoraan yhteydessä altaan pohjalle. Laskentatulokset on esitetty liitteessä 2.3.2. Molemmissa tapauksissa suotolaskenta on tehty altaan vedenpinnan tasolla +191,00. Laskettu suotovirtaus padon läpi tapauksessa 1 on 3,5*10-3 l/s/m (303 l/vrk/m). Pääosa suotautumisesta tapahtuu paaluvälillä 200 750. Muualta padon läpi suotatuvan veden määrä on pienempi, koska hydraulinen paine korkeimmalla vedenpinnan tasolla vaihtelee välillä 0-4 m. Altaan vedenpinnan tasolla +191,00 kokonaissuotautuminen on noin 150 250 m 3 /d (55 000 91 500 m 3 /vuosi). Laskettu suotovirtaus padon läpi tapauksessa 2 on 6,0*10-3 l/s/m (520 l/vrk/m). Tämän perusteella karkea kerroksen padon alla koko padon leveydellä, suotovirtaama altaan vedenpinnan tasolla +191,00 on noin 300 400 m 3 /d (110 000 150 000 m 3 /vuosi). 1.4 Rikastushiekka-altaan pato Rikastushiekka-altaan padon laskentapoikkileikkaukseksi on valittu padon korkein kohta itäpuolen padolta, padon korkeus noin 6,5 m. Vedenpinta on oletettu olevan 2m padon harjan alapuolella, mikä on myös rikastushiekan suunniteltu maksimitaso lopputilanteessa.
3 Suotovirtaama on laskettu kahdella tyyppipoikkileikkauksella: o Leikkaus 1: Perus patotyyppi, jossa on moreenirunko ja eroosiosuojaus luiskissa. Vakiosuotovirtaama padon läpi normaaliolosuhteissa. Laskentatulokset on esitetty liitteessä 2.4.1. o Leikkaus 2: Kuten leikkaus 1, mutta padon alle on lisätty mineraalinen kuivatuskerros. Myös kaksi suodatinkerrosta on lisätty altaan puoleiseen luiskaa estämään kuivatuskerroksen tukkeutumisen hienolla rikastushiekalla. Patorakenne on suunniteltu lisäämään suotautumista rikastushiekka-altaan padon läpi suotovesien keräysojaan. Kuivatusrakenteiden väli padon pituussuunnassa on 20 m ja kunkin kuivatusrakenteen padon pituussuuntainen leveys on 1 m. Laskentatulokset on esitetty liitteessä 2.4.2. Suotautuvan veden määrä leikkauksessa 1 on noin 4,5*10-3 l/s/m (390 l/s/m). Itäpuolen patopituudelta (pituus 2680 m vähennettynä kuivatusrakennekohdat 143 m (2680m/20m) suotautuminen on 900 1000 m 3 /vrk. Suotautuminen leikkauksen 2 läpi on noin 1,4*10-2 l/s/m (1210 l/s/m), joten itäisellä padolla suotautuminen leikkauksen 2 mukaisella rakenteella on 100 200 m 3 /vrk. Kokonaissuotautuminen itäpuolen padon läpi on noin 1000 1200 m 3 /vrk (365 000 438 000 m 3 /vuosi). Vastaava suotovesimäärät länsipuolen padolle (pituus 2284 m vähennettynä 115 m (2284m/20m)) ovat; 750 850 m 3 /vrk leikkaukselle 1 ja 100 150 m 3 /vrk leikkaukselle 2. Kokonaissuotautuminen on 50 1000 m 3 /vrk (311 000 365 000 m 3 /vuosi). 2 STABILITEETTI 2.1 Laskentamenetelmät ja laskentatapaukset Kaikki stabiliteettilaskelmat on tehty käyttäen SLIDE laskentaohjelmaa (Rockscience Inc.). Laskenta on tehty ympyränmuotoisilla liukupinnoilla käyttäen Bishopin yksinkertaista menetelmää, jossa tarkastellaan pystysuuntaisten lamellien momenttitasapainoehtoa ympyrän keskipisteen suhteen. Kaikille padoille stabiliteettilaskennat on tehty patoturvallisuusoppaan mukaisesti (Torkkel; Isomäki; Maijala & Sulkakoski, 2012) kahdessa tapauksessa: o Tapaus 1: Vaadittu kokonaisvarmuuskerroin on 1,5 normaalissa suotovirtaustilanteessa ja vedenkorkeuden ollessa HW-tasolla. o Tapaus 2: Vaadittu kokonaisvarmuuskerroin poikkeustilanteissa on 1,3. Poikkeustilanteena on laskettu äkillinen vedenpinnan lasku, jolloin altaan vedenpinta laskee nopeasti HW-tasolta pohjan tasolle. 2.2 Jätevedenpuhdistamon padon korotus Jätevedenpuhdistamon padon korotuksen osalta laskentapoikkileikkaus on valittu kohdalta, missä pato on korkeimmillaan, korkeus noin 8,6 m. Normaalissa suotovirtaustilanteessa (tapaus 1) pienin kokonaisvarmuuskerroin on 1,72. Laskentatulokset on esitetty liitteessä 2.5.1.
4 Jätevedenpuhdistamon padon korotus on suunniteltu pääasiassa lisäämään vesivarastokapasiteettia pohjoisaltaassa korkearikkisen rikastushiekka-altaan patosortuman varalle. Tämä vuoksi pato on suunniteltu kestämään äkillinen vedenpinnan nousu normaalista HW-tasosta +191,00 tasolle +194,60, mihin vesipinta enimmillään nousee korkearikkisen rikastuhiekka-altaan padon sortuessa. Tämä on oletettu tapauksen 2 mukaiseksi poikkeustilanteeksi, jolloin pienin kokonaisvarmuuskerroin on 1,66. Laskentatulokset on esitetty liitteessä 2.5.2. Lisäksi on laskettu padon stabiliteetti korkearikkisen rikastushiekka-altaan padon sortumatapauksessa siten, että jätevesilaitoksen padon suodatin on tukkeutunut hienoaineksella. Tässä tapauksessa pienin kokonaisvarmuuskerroin on 1,29. Laskentatulokset on esitetty liitteessä 2.5.3. 2.3 Runsasrikkisen rikastushiekka-alueen pato Laskentapoikkileikkaus on kohdalta, missä padon korkeus on suurin, noin 24,0 metriä. Normaalissa suotovirtaustilanteessa (tapaus 1) pienin kokonaisvarmuuskerroin on 1,60. Laskentatulokset on esitetty liitteessä 2.6.1. Altaan äkillinen vedenpinnan lasku ei vaikuta padon suotovirtaustilanteeseen johtuen altaan sisäluiskan geomembraanitiivisteestä. 2.4 Rikastushiekka-alueen pohjoinen pato Laskentapoikkileikkaus on kohdalta, missä padon korkeus on suurin, noin 8,5 metriä. Normaalissa suotovirtaustilanteessa (tapaus 1) pienin kokonaisvarmuuskerroin on 1,68. Laskentatulokset on esitetty liitteessä 2.7.1. Tapauksessa 2 on oletettu, että jätevesilaitoksen pato sortuu ja vesipinta pohjoisaltaassa laskee nopeasti altaan pohjan tasolle. Tässä tapauksessa pienin kokonaisvarmuuskerroin on 1,30. Laskentatulokset on esitetty liitteessä 2.7.2. 2.5 Rikastushiekka-alueen eteläinen pato Laskentapoikkileikkaus on kohdalta, missä padon korkeus on suurin, noin 11,5 metriä. Normaalissa suotovirtaustilanteessa (tapaus 1) pienin kokonaisvarmuuskerroin on 1,61. Laskentatulokset on esitetty liitteessä 2.8.1. Tapauksessa 2 on oletettu, että eteläinen selkeytysaltaan pato sortuu ja vesipinta selkeytysaltaassa laskee nopeasti altaan pohjan tasolle. Tässä tapauksessa pienin kokonaisvarmuuskerroin on 1,37. Laskentatulokset on esitetty liitteessä 2.8.2. 2.6 Rikastushiekka-alueen (LIMS) reunapato Laskentapoikkileikkaus on itäpuolen padon kohdalta, missä padon korkeus on suurin, noin 6,5 metriä. Normaalin suotovirtaustilanteen (tapaus 1) stabiliteetti on laskettu tilanteessa, kun rikastushiekan yläpinta on 2 m padon harjan alapuolella. Vedenpinta altaassa on oletettu olevan maksimitasolla padon harjan taso -1,5 m. Tässä tapauksessa pienin kokonaisvarmuuskerroin on 1,50. Laskentatulokset on esitetty liitteessä 2.9.1.
5 Tapauksessa 2 on oletettu, että altaan purkuputkin on tukkeutunut ja vedenpinta altaassa on noussut padon moreenitiivisteen yläpinnan tasoon. Tässä tapauksessa pienin kokonaisvarmuuskerroin on 1,36. Laskentatulokset on esitetty liitteessä 2.9.2. 2.7 Selkeytysaltaan pato Laskentapoikkileikkaus on kohdalta, missä padon korkeus on suurin, noin 12,3 metriä. Normaalissa suotovirtaustilanteessa (tapaus 1) pienin kokonaisvarmuuskerroin on 1,58. Laskentatulokset on esitetty liitteessä 2.10.1. Tapauksessa 2 on oletettu, että eteläinen selkeytysaltaan pato sortuu ja vesipinta selkeytysaltaassa laskee nopeasti HW-tasolta +,0 altaan pohjan tasolle (HW- 6,2m). Tässä tapauksessa pienin kokonaisvarmuuskerroin on 1,52. Laskentatulokset on esitetty liitteessä 2.10.2.
205 210 215 Safety Total Head Factor [m] 187.200 187.400 187.600 187.800 188.000 188.200 188.400 188.600 188.800 189.000 189.200 189.400 189.600 189.800.000.200.400.600.800 19 191.200 191.400 191.600 191.800 SWTP dam raise, seepage: Normal conditions Ks: 3e-007 Ks: 6e-005 Ks: 1 200 Ground Ks: 1e-006 Crest +.6 Ks: 3e-006 Normal water level during operation +191.0 7.201e-007 m3/s Ground 7.4008e-007 m3/s 170 175 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
200 205 210 215 Safety Total Head Factor [m] 187.200 187.400 187.600 187.800 188.000 188.200 188.400 188.600 188.800 189.000 189.200 189.400 189.600 189.800.000.200.400.600.800 19 191.200 191.400 191.600 191.800 SWTP dam raise, seepage: Normal conditions, coarse layer exists under the dam Ks: 3e-007 Ks: 6e-005 Ks: 1 Crest +.6 Ground Ks: 1e-006 Normal water level during operation +191.0 coarse layer Ks: 3e-006 coarse layer Ks: 1e-005 Ground 170 175 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
205 210 215 Safety Total Head Factor [m] 183.600 183.900 184.200 18 184.800.100.400.700 186.000 186.300 186.600 186.900 187.200 187.500 187.800 188.100 188.400 188.700 189.000 189.300 189.600 189.900.200 19 CP southern dam, seepage: Internal highest water level, normal conditions Ks: 3e-007 0/55 Ks: 6e-005 Ks: 1 200 Ks: 3e-006 Crest +193.2 Internal highest water level +.0 3.4937e-006 m3/s 3.4616e-006 m3/s 3.2035e-006 m3/s 170 175 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
205 210 215 225 230 Safety Total Head Factor [m] 183.600 183.900 184.200 18 184.800.100.400.700 186.000 186.300 186.600 186.900 187.200 187.500 187.800 188.100 188.400 188.700 189.000 189.300 189.600 189.900.200 19 Ks: 3e-007 0/55 Ks: 6e-005 Ks: 1 Ks: 3e-006 200 CP southern dam, seepage: Internal highest water level, coarse layer under dam Coarse layer Ks: 1e-005 Crest +193.2 Internal highest water level +.0 6.1964e-006 m3/s 6.0559e-006 m3/s 5.5748e-006 m3/s Coarse layer 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
20 25 30 35 Safety Total Head Factor [m] 2.350 2.700 3.050 3.400 4.100 4.450 4.800 5.150 5.850 6.200 6.550 6.900 7.250 7.600 7.950 8.300 8.650 9.000 9.350 9.700 10.050 10.400 LIMS dyke. seepage: Underdrainage section Ks: 3e-006 Ks: 5e-006 Ks: 1 LIMS Water level during operation = Crest -2.0m 5 10 15 1.4182e-005 m3/s 1.3283e-005 m3/s 0 Scale 1:150.0-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 25 30
20 25 30 35 Safety Total Head Factor [m] 6.000 6.250 6.500 6.750 7.000 7.250 7.500 7.750 8.000 Ks: 3e-006 Ks: 5e-006 Ks: 5e-005 LIMS LIMS dyke, seepage: Normal conditions 10 Water level during operation = Crest -2.0m LIMS 5 15 4.0158e-006 m3/s 4.4398e-006 m3/s 4.9447e-006 m3/s 0-25 -20-15 -10-5 0 5 10 15 20 25 30 Scale 1:150.0
200 205 210 215 SWTP dam raise, stability: Normal conditions, constant seepage 10.00 kn/m2 Crest +.6 1.728 1.946 Ks: 3e-007 Unit Weight: 20 kn/m3 Friction Angle: 34 degrees Friction Angle: 37.5 degrees Ks: 6e-005 Friction Angle: 38 degrees Ks: 1 Ground Cohesion: 1 kpa Friction Angle: 33 degrees Ks: 1e-006 Ks: 3e-006 Normal water level during operation +191.0 Ground 175 170 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
210 215 225 230 Ks: 3e-007 Unit Weight: 20 kn/m3 Friction Angle: 34 degrees Friction Angle: 37.5 degrees Ks: 6e-005 205 1.663 Friction Angle: 38 degrees Ks: 1 200 SWTP dam raise, stability: High S dam break situation, water level at HHW (crest -1.0m) 10.00 kn/m2 1.739 Ground Cohesion: 1 kpa Friction Angle: 33 degrees Ks: 1e-006 Water level in High S dam break situation +194.6 Crest +.6 Ks: 3e-006 Ground 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
200 205 210 215 225 230 SWTP dam raise, stability: High S dam break situation, water level at HHW (crest -1.0m), horizontal filter clogged 10.00 kn/m2 1.729 1.520 Material: Ks: 3e-007 Unit Weight: 20 kn/m3 Friction Angle: 34 degrees Friction Angle: 37.5 degrees Ks: 6e-005 Friction Angle: 38 degrees Ks: 1 Ground Cohesion: 1 kpa Friction Angle: 33 degrees Ks: 1e-006 Water level in High S dam break situation +194.6 Crest +.6 1.286 Ks: 3e-006 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
250 260 270 280 1.599 MORAINE Friction Angle: 38 degrees GROUND Unit Weight: 19 kn/m3 Cohesion: 0.5 kpa Friction Angle: 34 degrees 240 CR Unit Weight: 21.5 kn/m3 Friction Angle: 39 degrees 230 1.751 High S dam, stability: Normal conditions, no leakage in liner Crest +215.0 HighS tailings / Water +214.0 CR MORAINE W W 210 200 GROUND -80-70 -60-50 -40-30 -20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 Scale 1:400.0
215 225 230 1.697 Unit Weight: 19 kn/m3 Cohesion: 0.2 kpa Ks: 3e-007 Unit Weight: 18.5 kn/m3 Cohesion: 0.5 kpa Friction Angle: 37 degrees 210 1.681 Friction Angle: 38 degrees Ks: 5e-005 205 200 TMF northern dam, stability: Normal conditions, no LIMS on TMF side Friction Angle: 42 degrees Ks: 1 1.855 10.00 kn/m2 Water level ontmf side +.5 Water level on northern pond side +191.0 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85
215 225 230 1.302 Unit Weight: 19 kn/m3 Cohesion: 0.2 kpa Unit Weight: 18.5 kn/m3 Cohesion: 0.5 kpa Friction Angle: 37 degrees Friction Angle: 38 degrees 210 Friction Angle: 42 degrees 205 200 TMF Northern dam: Stability in SWTP dam break situation; Sudden water drop in northern pond from +191.0 to bottom Crest +193.0 10.00 kn/m2 Peat Strength Type: Undrained Unit Weight: 15 kn/m3 Cohesion Type: Constant Cohesion: 5 kpa Water Surface: None LIMS Unsaturated Unit Weight: 19 kn/m3 Saturated Unit Weight: 20 kn/m3 Friction Angle: 25 degrees W W +.5 LIMS W 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
210 215 225 230 1.446 1.368 Unit Weight: 18.2 kn/m3 Cohesion: 0.5 kpa Friction Angle: 34 degrees Unit Weight: 20 kn/m3 Friction Angle: 38 degrees 205 Unit Weight: 20 kn/m3 Friction Angle: 40 degrees 200 TMF Southern dam: Stability in CP Southern dam break situation; Sudden water drop in CP; from internal highest (+.0) to bottom level W W +.0 CREST +193.4 10.00 kn/m2 Peat Strength Type: Undrained Unit Weight: 15 kn/m3 Cohesion Type: Constant Cohesion: 5 kpa Water Surface: None 1.592 LIMS Unit Weight: 19 kn/m3 Friction Angle: 25 degrees LIMS W Peat 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85
210 215 225 1.611 Unit Weight: 18.2 kn/m3 Cohesion: 0.5 kpa Friction Angle: 34 degrees 205 200 TMF southern dam, stability: Normal conditions, no LIMS on TMF side 10.00 kn/m2 Unit Weight: 20 kn/m3 Friction Angle: 38 degrees Unit Weight: 20 kn/m3 Friction Angle: 40 degrees Water level +.0 Internal highest water level +.0 Peat Strength Type: Undrained Unit Weight: 15 kn/m3 Cohesion Type: Constant Cohesion: 5 kpa Peat 175 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
20 25 30 35 40 1.504 Unit Weight: 19 kn/m3 Friction Angle: 36 degrees Ks: 3e-006 Unit Weight: 20 kn/m3 Cohesion: 0.2 kpa Friction Angle: 35.5 degrees Ks: 5e-006 15 LIMS dyke, stability: Normal conditions, water level = crest -1.5m 10.00 kn/m2 Friction Angle: 38 degrees Ks: 5e-005 10 LIMS Water level = crest-1.5 LIMS Unit Weight: 19 kn/m3 Cohesion: 1 kpa Friction Angle: 25 degrees 5-10 -5 0-35 -30-25 -20-15 -10-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40
30 35 40 Unit Weight: 19 kn/m3 Friction Angle: 36 degrees Ks: 3e-006 20 25 LIMS dyke, stability: Discharge pipes to LIMS ditch clogged, water rise on TMF side Unit Weight: 20 kn/m3 Cohesion: 0.2 kpa Friction Angle: 35.5 degrees Ks: 5e-006 15 10.00 kn/m2 1.361 Friction Angle: 38 degrees Ks: 5e-005 10 5 Water level = top level of dyke's moraine embankment LIMS LIMS Unit Weight: 19 kn/m3 Cohesion: 1 kpa Friction Angle: 25 degrees -5 0-40 -35-30 -25-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35
200 205 210 215 CP southern dam, stability: Internal highest water level, normal conditions 1.583 fine Strength Ks: 3e-007 Type: Mohr-Coulomb Unit K2/K1: Weight: 1 18 kn/m3 Cohesion: kpa Friction Model: Angle: Simple 35 degrees Strength Type: Mohr-Coulomb Unit K2/K1: Weight: 1 20 kn/m3 Cohesion: kpa Friction Model: Angle: Simple 34 degrees rock 0/55 0/55 Strength Ks: 6e-005 Type: Mohr-Coulomb Unit K2/K1: Weight: 1 21 kn/m3 Cohesion: kpa Friction Model: Angle: Simple 37.5 degrees stone Strength Ks: 1 Type: Mohr-Coulomb Unit K2/K1: Weight: 1 21 kn/m3 Cohesion: kpa Friction Model: Angle: Simple 38 degrees Strength Ks: 3e-006 Type: Mohr-Coulomb Unit K2/K1: Weight: 1 18 kn/m3 Cohesion: kpa Friction Model: Angle: Simple 35 degrees 10.00 kn/m2 Crest +193.2 Internal highest water level +.0 170 175 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
210 215 225 1.521 Unit Weight: 20 kn/m3 Friction Angle: 34 degrees 0/55 Friction Angle: 37.5 degrees 205 200 CP southern dam, stability: Sudden water dropdown from HW to pond bottom (-6.2m) 10.00 kn/m2 Crest +193.2 Friction Angle: 38 degrees W 175 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80