A LERAKOTT HULLADÉKOK FIZIKAI PARAMÉTEREI HULLADÉKLERAKÓK ÁLLÉKONYSÁGVIZSGÁLATÁNÁL

Átírás

1 Műszaki Földtudományi Közlemények, 83. kötet, 1. szám (2012), pp A LERAKOTT HULLADÉKOK FIZIKAI PARAMÉTEREI HULLADÉKLERAKÓK ÁLLÉKONYSÁGVIZSGÁLATÁNÁL PHYSICAL PARAMETERS OF WASTES BY SLOPE STABILITY ANALYSIS OF LANDFILLS FAUR KRISZTINA BEÁTA 1 Absztrakt: Kutatásunkban a hulladéktestek állékonyságvizsgálatának egyik fontos problémájával, a lerakott hulladékok fizikai paramétereinek meghatározásával foglalkozunk. Összefoglaljuk a szakirodalomban fellelhető tapasztalatokat, kísérleti eredményeket és javaslatot teszünk a fizikai paraméterek figyelembe vételére a modellezés során. Kulcsszavak: hulladék, térfogatsűrűség, nyírószilárdsági jellemzők. Abstract: One of the most important problems of the slope stability analysis of landfills, the determination of the physical parameters of wastes is discussed in this study. The experiences and results of experiments are summarized, and a method is proposed how to take into account these physical parameters in slope stability analysis. Keywords: waste, density, shear strength parameters. 1. Bevezetés A lerakók állékonyságvizsgálatánál többnyire a földművek méretezésénél elfogadott és bevált gyakorlatot követjük, a feladat megoldása ugyanazon a mechanikai alapokon nyugszik, azonban alapvető különbség, hogy míg az egyik esetben egy jól definiálható kőzetfizikai paraméterekkel rendelkező, többnyire homogén/kvázi homogén közeggel van dolgunk, addig a lerakott hulladék fizikai paraméterei nagyon széles tartományban változnak, és meghatározásuk nagyon költséges. A változékonyság értelemszerű, különösen a kommunális hulladékoknál. Valamivel egyszerűbb a helyzet az ipari és veszélyes hulladékoknál, s talán a leginkább homogénnek/kvázi homogénnek tekinthetőek a bányászati hulladékok (meddőhányók, pernye és zagytárolók). Kutatásaink során összegyűjtöttük és cikkünkben összefoglaljuk a jelenleg a szakirodalomban fellelhető adatokat mind a hulladékok térfogatsűrűsége, mind a nyírószilárdsági paraméterek vonatkozásában. 1 Környezetgazdálkodási Intézet, Hidrogeológiai-Mérnökgeológiai Intézeti Tanszék H-3515 Miskolc-Egyetemváros hgtinka@uni-miskolc.hu

2 38 Faur Krisztina Beáta 2. A hulladékok jellemző térfogatsűrűség értékei A hulladékok térfogatsűrűség értéke igen tág határok között változik és függvénye a hulladék összetételének, nedvességtartalmának, a lebomlás fokának, a napi takarás vastagságának, a lerakás módjának, az alkalmazott tömörítő eszköznek, a depónia magasságának, az egyszerre lerakott hulladékterítési vastagságának, a hulladék korának stb. Az 1. ábra az egyszerre leterített hulladékréteg vastagságának a függvényében szemlélteti az elért térfogatsűrűség értékét. Egy jól üzemelő lerakó esetében a terítési rétegvastagság kb. 0,5 0,7 m, így a tömörítés során átlagosan 0,54-0,66 g/cm 3 -es térfogatsűrűség érték érhető el. Nagyobb rétegvastagság esetén az elérhető tömörség értéke csökken. A nyers hulladék térfogatsűrűsége általában 0,15-0,35 g/cm 3 között változik, 1 MPa talpnyomásnál kisebb tömörítőgéppel 0,35-0,55 g/cm 3 -es értékkel számolhatunk. Kompaktorokkal 0,8 1,0 g/cm 3, egyes speciális eljárásokkal 1,0 g/cm 3 -nél nagyobb érték is elérhető [2]. 1 Száraz térfogatsűrűség [g/cm 3 ] Terített hulladék vastagság [m] 1. ábra. A tömörítéssel elért térfogatsűrűség alakulása az egyszerre leterített rétegvastagság függvényében (Tchobanoglous et al., in [2]) A lerakott hulladék sűrűsége a lerakóban értelemszerűen a mélységnek is függvénye. Minél mélyebben lévő réteget vizsgálunk, annál nagyobb a térfogatsűrűség, mivel a hulladék egyre konszolidáltabb. A 3.2. ábrán összefoglalva láthatók különböző vizsgálatokkal

3 A lerakott hulladékok fizikai paraméterei hulladéklerakók állékonyságvizsgálatánál 39 meghatározott térfogatsűrűség-értékek, különböző korú hulladékok esetén. Mint látható, átlagosan 0,75 0,8 g/cm 3 térfogatsűrűség-értéket mértek, és m mélységben 1,2 1,3 g/cm 3 volt a maximális érték. Az állékonyságvizsgálatoknál 1,0 1,2 g/cm 3 értékkel vehetjük figyelembe a hulladék súlyából adódó tömegerőt [2]. 0 Térfogatsűrűség [g/cm 3 ] Mélység [m] Jelmagyarázat BH1 fúrás, száraz (Zhan - Chen - Ling, 2008) BH2 fúrás, száraz (Zhan - Chen - Ling, 2008) BH3 fúrás, száraz (Zhan - Chen - Ling, 2008) BH4 fúrás, száraz (Zhan - Chen - Ling, 2008) BH5 fúrás, száraz (Zhan - Chen - Ling, 2008) Terep (Dixon - Jones, 2005) Száraz (Dixon - Jones, 2005) Telített (Dixon - Jones, 2005) Régi lerakó, helyszíni vizsgálat, száraz (Oweis - Khera, 1990) Új lerakó, helyszíni vizsgálat, száraz (Oweis - Khera, 1990) 2. ábra. Különböző vizsgálatokkal meghatározott térfogatsűrűség-értékek ([1] és [4] alapján)

4 40 Faur Krisztina Beáta 3. A hulladékok nyírószilárdsági paraméterei A nyírószilárdsági paramétereknek talán még a térfogatsűrűség-értékeknél is nagyobb a szórása. Az 1. táblázat és a 3. ábra a különböző eredetű és összetételű hulladékok különböző módszerekkel meghatározott kohézió és belső súrlódási szög értékeit tünteti fel. Mint látható, az értékpárok igen széles tartományban fordulnak elő, s meglehetősen nehéz állást foglalni, hogy a tervezésnél, méretezésnél mely értékpárokkal dolgozzunk, hiszen az értékek jelentősen függenek a lerakás körülményeitől, a technológiától, a lerakott hulladék korától stb. 1. táblázat/1. Hulladékok nyírószilárdsági paraméterei a szakirodalom alapján ([1] [2] [3] és [4]) Évszám Szerző(k) Kohézió, c [kpa] Belső súrlódási szög 1971 Stoll Gay et al Cassina Gondolla et al Rettenberger et al Spilmann Gay et al , Gay et al Gay et al Müller Landva et al Landva et al Landva et al Henke Henke Salomo 7,5 17, Landva és Clark Landva és Clark Landva és Clark 10 33, Pregl Pregl 5 17, Schumann Schumann és 1990 Landva és Clark Drescher Drescher Drescher 0 20

5 A lerakott hulladékok fizikai paraméterei hulladéklerakók állékonyságvizsgálatánál Jessberger Landva és Clark Landva és Clark Landva és Clark Landva és Clark Landva és Clark Landva és Clark Singh és Murphy Siegel táblázat/2. Hulladékok nyírószilárdsági paraméterei a szakirodalom alapján ([1] [2] [3] és [4]) Évszám Szerző(k) Kohézió, c [kpa] Belső súrlódási szög 1990 Turczynski Turczynski Turczynski Turczynski Richardson és Reynolds Cowland Del Greco és Oggeri 15, Del Greco és Oggeri 23, Golder Associates Jessberger Jessberger Fassett et al Gabr és Valero 6, Gabr és Valero 0-27,5 20, Grisolia Houston Jessberger éa Kockel Kavazanjain Kavazanjain Withiam Kolsch Kolsch Grisolia és Napoleoni Edincliler Aburatani

6 42 Faur Krisztina Beáta 1999 Kavazanjain Kavazanjain Mazzucato Eid Pelkey , Pelkey 0 29, Pelkey et al , Pelkey et al Pelkey et al. 5 21, Pelkey et al Pelkey et al Pelkey et al , Pelkey et al Pelkey et al Pelkey et al , Pelkey et al , Pelkey et al Pelkey et al. 0 23, Pelkey et al. 0 29,4 1. táblázat/3. Hulladékok nyírószilárdsági paraméterei a szakirodalom alapján ([1] [2] [3] és [4]) Évszám Szerző(k) Kohézió, c [kpa] Belső súrlódási szög 2002 Machado et al Machado et al. 6 16, Machado et al Machado et al. 0, Machado et al , Machado et al , Machado et al Machado et al Machado et al Machado et al , Machado et al Machado et al , Vilar és Carvalho 23, Vilar és Carvalho 77,4 32

7 A lerakott hulladékok fizikai paraméterei hulladéklerakók állékonyságvizsgálatánál Vilar és Carvalho 39, Vilar és Carvalho 60, Gomes a Caicedo b Caicedo Mahler és De Lamare Netto 2, Towhata Vilar és Carvalho Vilar és Carvalho Feng Feng Feng Feng Feng Feng Zekkos Zekkos Zwanenburg Singh 0-8, Singh MANASSERO és szerzőtársai (1996) [2] abból a több kutató által is javasolt megközelítésből indultak ki, hogy a laboratóriumi és helyszíni mérésekből nyert, valamint meglévő lerakók állékonyságvizsgálati adataiból visszaszámított nyírószilárdsági paraméterek feldolgozását célszerű az átlagos normálfeszültség és a mobilizált nyírószilárdság figyelembevételével elvégezni. Számos mérés és esettanulmány eredményét foglalták össze a 4. ábrán 300 mm átmérőjű triaxiális vizsgálatok alapján. KÖNIG-JESSBERGER (1997) [2] arra a következtetésre jutott, hogy a kommunális hulladékok általában nem jellemezhetők egyetlen c;φ értékpárral, a nyírószilárdsági paraméterek értéke nagymértékben függ a deformáció mértékétől, azaz a nyírószilárdság mobilizációjától. A fent leírtakból megállapítható, hogy az állékonyságvizsgálatoknál figyelembe vett nyírószilárdsági paraméterek erősen becsült értékek, mivel konkrét vizsgálatok elvégzésére ritkán nyílik lehetőség.

8 44 Faur Krisztina Beáta

9 A lerakott hulladékok fizikai paraméterei hulladéklerakók állékonyságvizsgálatánál 45 Jelmagyarázat: Del Greco és Oggeri (1994) Gabr és Valero (1995) 200 Landva és Clark (1990) 180 Richardson és Reynolds (1991) Van Impe (1993) 160 Pagotto és Rimoldi (1987) Nyírófeszültség (kpa) Wahlam és szerzőtársai (1995) Működő lerakók Lopez Canyon Babilon A méretezéshez javasolt nyírószilárdsági paraméterek Normálfeszültség (kpa) 4. ábra. Kommunális hulladékok nyírószilárdsági vizsgálatainak összefoglaló eredményei (MANASSERO et al., in [2]) MANASSERO és szerzőtársai a 4. ábrán feltüntetett adatok szakaszos kiegyenlítése alapján a tervezésnél a várható átlagos normálfeszültség (σv) függvényében javasolja a nyírószilárdsági paraméterek megválasztását, az alábbiak szerint: nagyon kis normálfeszültségek esetén (0<σv<20 kpa): c = 20 kpa; φ = 0 kis-közepes normálfeszültségek esetén (20<σv<60 kpa): c = 0 kpa; φ = 38 nagyobb normálfeszültségeknél (60<σv): c 20 kpa; φ = 30 Az osztrák gyakorlat az ÖNORM ajánlása alapján általában c = 5 kpa; φ = 25 értékkel számol. Az osztrák gyakorlattal összhangban van SANCHEZ-ALCITURRI és szerzőtársainak (1993) javaslata, amely a helyszíni és laboratóriumi vizsgálatokkal egyaránt megerősített értékpárok figyelembevételét javasolja az 5. ábra szerint.

10 46 Faur Krisztina Beáta Kohézió (kpa) In situ vizsgálatok tartománya A tervezéshez javasolt tartomány Laboratóriumi vizsgálatok tartománya Belső súrlódási szög (fok) 4. Összefoglalás 5. ábra. A kommunális hulladékok nyírószilárdsági paramétereinek a tervezéshez javasolt értékei (SANCHEZ-ALCITTURI et al., in [2]) Az összegyűjtött szakirodalmi adatok alapján megállapítható, hogy a kommunális hulladékok fent említett paramétereinek rendkívül nagy a szórása, így egy hulladéklerakó állékonysági biztonsága egyetlen mérőszámmal nem jellemezhető, a várható biztonságot a tönkremenetel bekövetkezési valószínűségéhez kell kötni. Munkáink során kidolgoztunk egy olyan módszert, amelyik alkalmas arra, hogy megmondjuk: mi a valószínűsége annak, hogy a lerakó biztonsági tényezője egy adott/megkívánt értéket elér. Az új adatok alapján pontosítani tudjuk a kidolgozott módszer alkalmazása során felvett nyírószilárdsági értékpárok eloszlását, mint az állékonyságvizsgálatok egyik legfontosabb bemenő paraméterét.

11 A lerakott hulladékok fizikai paraméterei hulladéklerakók állékonyságvizsgálatánál 47 A jövőben az állékonyságvizsgálati számításokat pontosítani lehet, amennyiben a hazánkban keletkező és lerakott kommunális hulladékok kőzetfizikai paramétereiről pontosabb képet kapunk, esetleges helyszíni, valamint laboratóriumi mérések alapján. Köszönetnyilvánítás,,A tanulmány/kutatómunka a TÁMOP B-10/2/KONV jelű projekt részeként az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. IRODALOMJEGYZÉK [1] Dixon, N. Jones, D. R. V.: Engineering properties of municipal solid waste. Geotextiles and Geomembranes, Vol. 23, No. 1, 2005, p. [2] Szabó I.: Hulladékelhelyezés. Egyetemi tankönyv, Miskolc, 1999, Miskolci Egyetemi Kiadó, 440 p. [3] Varga G.: Hulladéklerakók állékonysági kérdései. PhD értekezés. Budapest, 2010, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem. [4] Zhan, T. L. T. Chen, Y. M. Ling, W. A.: Shear strength characterization of municipal solid waste at the Suzhou landfill, China. Engineering Geology, Vol. 97, 2008, p.

12