Zastosowanie metod komputerowych w ocenie stanu zapór składowiska Żelazny Most.pdf

XIV Konferencja Naukowa - Korbielów' 2002

"Metody Komputerowe w Projektowaniu i Analizie Konstrukcji Hydrotechnicznych"

Zastosowanie metod komputerowych w ocenie stanu

zapór składowiska Żelazny Most

Piotr Król 1

Paweł Sorbjan 2

Andrzej Truty 3

Wojciech Wolski 4

1. WSTĘP

Składowisko Żelazny Most gromadzi odpady poflotacyjne po produkcji miedzi.

Zapory składowiska budowane metodą „do zbiornika” wymagają szczególnie wnikliwego

monitorowania podczas eksploatacji składowiska, tzn. etapowego podwyższania zapór. Na

podstawie obserwacji piezometrów, inklinometrów, reperów a także sejsmografów

oceniana jest „bieżąca” i „prognozowana” stateczność. W stosowanej w ten sposób

„metodzie obserwacyjnej” wprowadzone są różne modele gruntów i różne podejścia

obliczeniowe. Jest to możliwe jedynie z zastosowaniem technik komputerowych. Jednakże

w ich stosowaniu konieczna jest szczególna wnikliwość zarówno w doborze metody

obliczeniowej parametrów jak też analizie wyników. Różnice w doborze metod

obliczeniowych lub parametrów mogą prowadzić do przewymiarowania zapór lub

przeciwnie, do dopuszczenia do eksploatacji przekroju nie spełniającego warunków

stateczności.

W referacie przedstawiono procedurę metody obserwacyjnej stosowanej w budowie

zapór osadnika Żelazny Most, ze szczególnym uwzględnieniem problematyki

dostosowania techniki komputerowej.

2. GŁÓWNE ZAŁOŻENIA METODY OBSERWACYJNEJ

Metoda obserwacyjna wprowadzona w geotechnice przez Terzaghiego i Pecka [4] na

przełomie lat 50-tych i 60-tych polega na ocenie parametrów geotechnicznych w

złożonych warunkach geologiczno-inżynierskich na podstawie zachowania się wznoszonej

budowli. Wprowadzając wyniki odpowiednio prowadzonego monitoringu do analizy

wstecznej można ocenić tzw. projektowe parametry obserwacyjne. Parametry te

zastosowane w obliczeniach umożliwiają przeprowadzenie korekty rozwiązań

1 Dr inż., Katedra Geoinżynierii SGGW, Warszawa

2 Mgr inż., Geoteko, Warszawa

3 Dr inż., Wydział Inżynierii Środowiska Politechniki Krakowskiej, Kraków

4 Prof. dr hab. inż., Geoteko, Warszawa

105

projektowych Po raz pierwszy w Polsce na szerszą skalę metodę obserwacyjną

zastosowano przy skutecznej stabilizacji osuwiska skalnego, które wystąpiło podczas

budowy zapory w Tresnej [3].

Metoda obserwacyjna jest szczególnie przydatna w postępującym projektowaniu obiektów

wznoszonych (realizowanych) etapowo. Charakterystycznym przykładem są zapory

składowiska Żelazny Most (Rys. 1). Prowadzone są tam kompleksowe obserwacje

zachowania się budowli z zastosowaniem piezometrów, inklinometrów, różnego rodzaju

reperów oraz akcelerometrów.

Rys. 1 Składowisko Żelazny Most. Zdjęcie lotnicze od strony wschodniej

Obserwacje piezometrów zainstalowanych w korpusie zapór pozwalają ustalić aktualne

ciśnienia wody w porach i położenie krzywej depresji i na tej podstawie prognozować je

dla kolejnych etapów nadbudowy.

Wielkości przemieszczeń monitorowanych za pomocą inklinometrów i reperów pozwalają

analizować numerycznie odkształcenia a także stateczność zapór, przy czym w tym

ostatnim przypadku wykorzystywane są również odczyty rejestrowane przez akcelerometry

pozwalający na uwzględnienie parasejsmicznego oddziaływania robót górniczych.

W wyniku prowadzonej w powyższy sposób analizy obserwacyjnej korygowane są niektóre

odcinki zapór (nasypy dociążające) a także wykonywane są dodatkowe drenaże.

3. PROGNOZOWANIE PROCESU FILTRACJI

106

Założenia ogólne

Prognozowanie procesu filtracji w mokrych składowiskach odpadów jest

przedsięwzięciem, w którym metoda obserwacyjna jest szczególnie przydatna, a niekiedy

wręcz niezastąpiona. Doża zmienność parametrów geotechnicznych gromadzonych

osadów, właściwości anizotropowe, jak również złożoność procesu powodują, że

praktycznie niemożliwe jest modelowanie klasyczne. Natomiast etapowe wznoszenie

zbiornika daje możliwość bieżącego wykorzystywania obserwacji z części już wykonanej.

Dlatego też w przypadku zbiornika „Żelazny Most” metoda ta z powodzeniem stosowana

jest od samego początku budowy i eksploatacji. Prognozowanie procesu filtracji ogranicza

się zazwyczaj do ustalania położenia krzywej depresji. Rozkład ciśnień piezometrycznych,

na ogół znacznie mniejszy niż hydrostatyczny, jest na tyle zróżnicowany, że jak

dotychczas nie udało się ustalić związków mogących mieć praktyczne znaczenie. Dlatego

też we wszystkich analizach zakłada się bezpiecznie w przekroju składowiska rozkład

hydrostatyczny. Stosuje się odmienne procedury dla etapów Projektów Budowlanych i

Projektów Wykonawczych.

Prognozowanie na etapie przygotowywania Projektów Budowlanych

Na etapie przygotowywania Projektu Budowlanego prognoza procesu filtracji jest

istotnie wyprzedzająca w stosunku do stanu aktualnego, może bowiem dotyczyć

składowiska o 20 m wyższego niż obecne. Dlatego też stosowana jest procedura

modelowania numerycznego. W kroku I przygotowuje się model numeryczny dla stanu

aktualnego, przyjmując definitywne wartości współczynnika filtracji warstw podłoża i

zapór podstawowych oraz wstępne wartości współczynników filtracji dla osadów, na

podstawie dostępnych wyników badań, z uwzględnieniem strefowania wynikającego z

procesu sedymentacji. Proces modelowany jest w płaszczyźnie pionowej, prostopadłej do

osi zapory. Analizowany obszar dyskretyzowany jest siatką dostosowaną do stopnia

złożoności podłoża i zróżnicowania osadów. W kroku II zbudowany model jest tarowany

poprzez symulację numeryczną stanu istniejącego. Poszukiwana jest taka wzajemna

relacja współczynników filtracji poszczególnych stref, przy której położenie symulowanej i

obserwowanej krzywej depresji nie różni się więcej niż o 1 m. Ośrodek osadów traktowany

jest jako izotropowy. Wprowadzenie anizotropii powodowałoby bowiem wprowadzenie

dodatkowej zmiennej i w rezultacie możliwość uzyskania zgodności dla przypadkowej

relacji parametrów. W etapie III realizowana jest właściwa prognoza dla zaawansowania

budowy zbiornika objętej projektem. Przekrój zbiornika zostaje rozbudowany do

rozmiarów docelowych, z zastosowaniem rozkładu przepuszczalności osadów ustalonego

w etapie tarowania, z warunkami brzegowymi (akwen stawu nadosadowego, drenaże,

rowy przyzaporowe) wynikającymi z przewidywanej zabudowy. Proces filtracji

modelowany jest jako ustalony w czasie, dla swobodnego zwierciadła wód gruntowych, co

sprowadza się do rozwiązania równania

div { k (x,y) grad [H (x,y) ] } = 0

Położenie krzywej depresji poszukiwane jest metodą dynamicznej dyskretyzacji.

Wykorzystywany jest autorski program numeryczny SPAFIL [5]. Na rys. 2 pokazano

schematy tarowania modelu i prognozowania filtracji.

107

dH < 1,0 m

k o2

k o1

k o4

k o3

k o5

k p1

k p2

1 - krzywa obserwowana

2 - krzywa prognozowana

Dane: k p1 ; k p2 ; ..... k pn

Poszukiwane: k o1 / k o2 / k o3 / k o4 = ?

k o2

k o1

k o4

k o3

k o5

k p1

k p2

Rys. 2 Prognozowanie procesu filtracji na etapie projektu budowlanego.

Założenia metody.

Prognozowanie na etapie przygotowywania Projektów Wykonawczych.

Projekty Wykonawcze opracowuje się dla kolejnych etapów podwyższania

składowiska o każde 2.5 m. Ta niewielka rozbudowa w stosunku do istniejącej wysokości

powoduje, że w tym przypadku najlepiej sprawdza się metoda przyrostowa, zakładająca

stałość przyrostu strefy pełnego nasycenia osadów do przyrostu ich miąższości.

Wzniesienie krzywej depresji ponad poziom warstwy nieprzepuszczalnej wyznacza się z

zależności

h (n+1) = η H (n+1) h (n) / H (n)

gdzie:

h (n) - miąższość strefy nasycenia dla etapu aktualnego,

h (n+1) - miąższość strefy nasycenia dla etapu następnego,

H (n) - miąższość osadów dla etapu aktualnego,

H (n+1) - miąższość osadów dla etapu następnego,

η - współczynnik przyrostu wyznaczony dla każdego przekroju, generalnie wynoszący:

η = 1 dla zapór zachodniej i północnej,

η < 1 dla zapory wschodniej (drenowanie podłoża od strony Kalinówki ,

η > 1 dla zapory południowej (zasilanie podłoża od strony Lipówki).

W kroku I, z wykorzystaniem powyższej zależności, wyznaczane jest ”surowe” położenia

poszukiwanej krzywej. W kroku II położenie to jest sprawdzane i korygowane poprzez

sprawdzenie ciągłości przepływów przy założeniu aproksymacji Dupuit’a:

(h 2 (1) - h 2 (1-dx1) ) / d x1 = (h 2 (2) - h 2 (2-dx2) ) / d x2

108

W kroku III poprawność założeń Dupuit’a

dh 

sprawdza się poprzez porównanie otrzymanych krzywych depresji w przekrojach

sąsiednich.

Wreszcie w kroku IV do tak otrzymanych i zweryfikowanych krzywych, zgodnie z

zaleceniami Zespołu Ekspertów Międzynarodowych, dodaje się

- + 1.0 m ze względu na zastosowanie uproszczonej metod,

- + 1.0 m ze względu na podsiąk kapilarny.

Wykonywane tą metodą prognozy cechuje duża sprawdzalność, dlatego też ostatnio

sumaryczny zapas zmniejszono do 1m.

H n+1

h 1

H n

h 1-dx

h n+1

h n

h 2

h 2-dx

Rys. 3 Prognozowanie procesu filtracji na etapie projektu wykonawczego.

Załażenia metody przyrostowej prognozowania procesu filtracji.

4. OBLICZENIA STATECZNOŚCI

Zespół Ekspertów Międzynarodowych [2] powołany na początku lat 90tych do oceny

aspektów geotechnicznych rozbudowy składowiska Żelazny Most zalecił stosowanie do

bieżącej oceny stateczności zapór metodę GLE (General Limit Equilibrium)

zaproponowaną przez Fredlunda (Fredlund, Krahn, 1977). W metodzie tej są

rygorystycznie rozwiązywane oba równania – momentów i sił działających na

wyodrębniony pasek gruntu. Podstawowe równania tej metody podano poniżej (Rys. 4).

Z uwagi na układ warstw geologicznych w podłożu zapór składowiska Żelazny Most,

założono metodę blokową poszukiwania krytycznej powierzchni poślizgu, przy czym

poziomy odcinek przebiegający w podłożu powinien mieć niewielkie nachylenie. Wynika

to z przyjęcia uśrednionych wartości parametrów wytrzymałościowych dla warstw, w

których zachodziły zjawiska glacitektoniczne. Natomiast w osadach wyróżniono dwie

podstawowe strefy: osadów niepodatnych na upłynnienie, dla których przyjęto model

materiału Coulomba Mohra (c’,  ’), oraz osadów podatnych na upłynnienie z materiałem

typu „undrained” i wytrzymałości na ścinanie uzależnionej od pionowego naprężenia

efektywnego (S u =0.25  ’ v ).

109

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: