Hulladéklerakók állékonyságvizsgálata

Átírás

1 Mélyépítés 8/4 34 Környezetvédelem Emberi áldozattal is járhat a tönkremenetel Hulladéklerakók állékonyságvizsgálata A rekultiváció megtervezéséhez elengedhetetlen a lerakó előzetes állékonyságvizsgálata. Az állékonyságvizsgálatnál a következőkről kell meggyőződnünk: A kialakított depóniatest megfelelő állékonysági biztonsággal rendelkezik-e? A tervezett záró-szigetelő rétegrend a meglévő lejtési viszonyok mellett biztonságosan elhelyezhető, megépíthető-e? E tanulmányban most az első kérdéssel foglalkozunk. A hulladéktest állékonyságvizsgálatának fontosságát, aktualitását alátámasztja, hogy a világban számos lerakónál következett be tönkremenetel, ami a jelentős anyagi káron túl több esetben emberi áldozattal is járt. A szakirodalomból 1997 és 5 között hat nagy lerakó-tönkremenetel ismert, amelyek összesen több mint 6 halálos áldozatot követeltek (BLIGHT, 6.) A depóniatest állékonyságvizsgálatánál az elsődleges probléma a méretezésnél használt nyírószilárdsági paraméterek minél pontosabb meghatározása, ugyanis a depóniatest állékonyságvizsgálatánál elsősorban a lerakott hulladék fizikai paramétereire, elsősorban a nyirószilárdsági paraméterekre, valamint a hulladék térfogatsűrűség értékére van szükségünk. A következőkben először a nemzetközi irodalom alapján a kommunális (nem veszélyes) hulladékok fizikai paramétereit tekintjük át. tunk. Kompaktorokkal 8-1 kg/m 3, egyes speciális eljárásokkal 1 kg/m 3 -nél nagyobb érték is elérhető (SZABÓ, 1999.). 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. Az 1. ábrán helyszíni vizsgálatokkal meghatározott térfogatsűrűség értékek láthatók, különböző korú hulladékok esetén. 1. ábra Helyszíni vizsgálatokkal meghatározott térfogatsûrûség értékek különbözõ korú mulladékok esetében (OWEIS - KHERA, 199.) szárazállapot térfogatsûrûsége () 1. A hulladékok jellemző térfogatsűrűség értékei A térfogatsűrűség értéke igen tág határok között változik, és függvénye a hulladék össze tételének, nedvességtartalmának, a lebomlás fokának, a napi takarás vastagságának, a lerakás módjának, az alkalmazott tömörítő eszköznek, a depónia magasságának, az egyszerre lerakott hulladék terítési vastagságának, a hulladék korának stb. Egy jól üzemelő lerakó esetében a terítési rétegvastagság kb.,5-,7 m, így a tömörítés során átlagosan 5-6 kg/m 3 -es térfogatsűrűség érték érhető el. Nagyobb rétegvastagság esetén az elérhető tömörség értéke csökken. Nyers hulladék térfogatsűrűsége általában kg/m 3 között változik, 1 MPa talpnyomásnál kisebb tömörítőgéppel kg/m 3 es értékkel számolha- mélység (m) régi lerakó friss lerakó

2 8 7 Mélyépítés 8/ kohézió, c [kpa], [ ] 1 5 kohézió, c [kpa] In situ vizsgálatok tartománya A tervezéshez javasolt tartomány Laboratóriumi vizsgálatok tartománya Belsõ súrlódási szög ø [ ] Belsõ súrlódási szög (fok). ábra A hulladék nyírószilárdsági paraméterei irodalmi adatok, laboratóriumi és helyszíni mérések alapján (JESSBERGER, 199., SINGH - MURPHY, 199,. SZABÓ, 1999., VILAR ÉS CARVALHO,. CAICEDO.) (kék pontok? az azonos valószínûséggel elõforduló nyírószilárdsági paraméterek) 3. ábra A kommunális hulladékok nyírószilárdsági paramétereinek a tervezéshez javasolt értékei (SANCHEZ-ALCITTURI et. al., 1993.). A hulladékok nyírószilárdsági paramétereinek jellemző értékei A nyírószilárdsági paramétereknek talán még a térfogatsűrűség értékeknél is nagyobb a szórásuk. A. ábrán különböző eredetű és összetételű hulladékok különböző módszerekkel meghatározott kohézió és belső súrlódási szög értékeit tüntettük fel a nemzetközi irodalomban fellelhető adatok alapján (JESSBERGER, 199., SINGH - MURPHY, 199., SZABÓ, 1999., VILAR ÉS CARVALHO., CAICEDO.). 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. KÖNIG-JESSBERGER (1997.) arra a következtetésre jutott, hogy a kommunális hulladékok általában nem jellemezhetők egyetlen c;ø értékpárral, a nyírószilárdsági paraméterek értéke nagymértékben függ a deformáció mértékétől, azaz a nyírószilárdság mobilizációjától. MANASSERO és szerzőtársai (1998.,.) abból a 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. A tervezésnél a várható átlagos normálfeszültség (σ v ) függvényében a nyírószilárdsági paraméterek megválasztását az alábbiak szerint javasolják: nagyon kis normálfeszültségek esetén (<σ v < kpa): c= kpa; ø= ; kis-közepes normálfeszültségek esetén (<σ v <6 kpa): c= kpa; ø=38 ; nagyobb normálfeszültségeknél (6<σ v ): c kpa; ø=3. Az osztrák gyakorlat általában c = 5 kpa; ø=5 értékkel számol. Az osztrák gyakorlattal összhangban van SANCHEZ- ALCITURRI és szerzőtársainak (1993.) javaslata (3. ábra). 3. A depóniatest állékonyságvizsgálata A hulladéktest állékonyságvizsgálatának ma még nincs egységesen kialakult gyakorlata, többnyire a földművek méretezésénél elfogadott és bevált gyakorlatot követjük, azaz a geotechnikai gyakorlatban általánosan alkalmazott, bevált módszereket (BISHOP, JANBU) használjuk. Alapvető különbség, hogy míg az egyik esetben egy jól definiálható kőzetfizikai paraméterekkel rendelkező, többnyire homogén/ kvázihomogén közeggel van dolgunk, addig a lerakott hulladék fizikai paraméterei, mint azt láttuk, nagyon széles tartományban változnak, és meghatározásuk nagyon költséges. Úgy gondoljuk, hogy egy hulladéklerakó állékonysági biztonsága egyetlen mérőszámmal nem jellemezhető, hanem a várható biztonságot a tönkremenetel bekövetkezési valószínűségéhez kell kötni. A kidolgozott eljárás NÉMETH G. ötletén alapul, aki a módszert a visontai külfejtés állékonyságvizsgálatára dolgozta ki. A hulladékoknál éppúgy, mint a talajoknál a kohézió (c) és a belső súrlódási szög (ϕ) között függvénykapcsolat határozható meg (lásd. ábrán). A kidolgozott és javasolt méretezési eljárás lényege a következő alapelveken nyugszik: Feltételezzük, hogy a kommunális hulladékok lerakójában a különböző összetételű, tulajdonságú hulladékok elhelyezkedése véletlenszerű. A feltételezés alapján felépíthető egy adott geometriával rendelkező lerakó modellje, tetszőlegesen választott rétegszámmal.

3 Mélyépítés 8/4 36 Környezetvédelem A rendeletileg szabályozott szigetelőrétegek nyírószilárdsági paraméterei lényegesen nem térnek el az egyes lerakóknál, tehát ezek a rétegek akár előre meghatározott konkrét, állandó, akár a feladathoz külön vizsgálattal meghatározott paraméterekkel vehetők figyelembe. A hulladék véletlenszerűen változó nyírószilárdsági paramétereit úgy vesszük figyelembe, hogy a felállított modellben az egyes rétegeknek a nemzetközi irodalom alapján feldolgozott c-ϕ diagramból (lásd. ábrán a kék színnel jelölt pontokat) véletlenszerűen választott, de azonos előfordulási valószínűséggel rendelkező nyírószilárdság-értéket adunk, és az állékonyságvizsgálatot rétegenként mindig új és új, mindig véletlenszerűen választott értékpárral sokszor megismételjük. A számítás végeredményeként megkapjuk a biztonsági tényezőre vonatkozó eloszlásfüggvényt, amiből meghatározhatjuk, hogy mi a valószínűsége egy adott vagy elvárt biztonsági tényező meglétének illetve bekövetkezésének. A javasolt módszert konkrét állékonyságvizsgálatokon keresztül mutatjuk be. 4. ábra Az állékonyságvizsgálatok eredményeinek összefoglaló ábrája 1 9 Eloszlás [%] Biztonsági tényező, tényezõ, F Bishop FBishop [-] [ ] Átlag+szórás:1.95 Átlag: 54 Átlag-szórás: 56 Á Á Relatív gyakoriság [%] [%] Biztonsági tényezõ, tényező, F Bishop [-][ ] Biztonsági tényezõ, tényező, F Bishop [-][ ] A vizsgált A eset sorszáma A rézsûállékonyság vizsgálatok eredményei (B" válto- rézsűállékonyság vizsgálatok eredmény zat: Bishop módszer) ("B" változat; Bishop módszer)

4 Mélyépítés 8/ A hulladéklerakó geometriájának meghatározása A geometria felvételénél abból indultunk ki, hogy a szóban forgó lerakó rekultivációjánál több lehetséges, reális variáció jöhet számításba. A számításokat állékonyság szempontjából legkedvezőtlenebb esetre végeztük el. A depónia felépítése a következő: geomembrán (a megcsúszás szempontjából potenciálisan számításba jövő legalsó réteg);,3 m vastag csurgalékvízgyűjtő réteg; támasztótöltés: 3, m magas, rézsű-hajlás 1:, padkaszélesség 3, m;, m vastag kvázi-homogén hulladékbetöltés a geomembrán védelmében; 1, méterenként (3 1, m) 6, méter széles ( db) padka; rézsűhajlás 1:; a 1, m vastag padkán belül 5,5 m hulladék felett,5 m vastag ideiglenes takarás (A számítások során az 5,5 m-es padkákat tovább osztottuk két,75 m vastag rétegre, így összesen 1 változó paraméterű hulladékréteg adódik.); -,4 méter túlemelés a platón, a felszín lejtése %;,8 m vastag ideiglenes lezáró réteg ( % lejtéssel);,5 m agyagszigetelés ( % lejtéssel);,3 m vastag szivárgóréteg ( % lejtéssel);,7 m vastag rekultivációs réteg ( % lejtéssel). A depónia lezárása megfelel a ma érvényes hazai jogi szabályozásnak. A számításoknál alkalmazott rézsűgeometriát a 4. ábrán láthatjuk. 3.. A hulladékrétegek nyírószilárdsági paramétereinek meghatározása Az alkalmazott GEOSLOPE program lehetőséget nyújt arra, hogy egy sokrétegű rendszer állékonyságvizsgálatát elvégezzük. A hulladékrétegek nyírószilárdsági paramétereit a 3. ábrán bemutatott, a hulladékokra végzett laboratóriumi és helyszíni mérések alapján összeállított összefoglaló ábra alapján határoztuk meg, figyelembe véve, hogy az egyes értékpárok előfordulási valószínűsége azonos legyen. A kapott értékpárokat az ábrán kék színnel jelöltük, és az 1. táblázatban összefoglalva is megadjuk. Modellszámításunk során így a kapott 1 db értékpárból véletlenszerűen választottuk ki a modellben szereplő 1 réteg nyírószilárdsági paraméter értékeit. Az egyes rétegek közti ideiglenes takarórétegnél átlagos értékekkel (ρn = 1,8 t/m 3, c = kpa, ϕ = fok) számoltunk, s a vizsgálatok során ezen értékek konstansak voltak. A rekultivációs réteg tulajdonságait átlagos paraméter értékekkel vettük figyelembe. A véletlenszerűen választott nyírószilárdsági paraméterekkel végzett számítások mellett elvégeztük a depóniatest állékonyságvizsgálatát a nemzetközi gyakorlatban ajánlott átlagos nyírószilárdsági paraméter értékekkel is (lásd a. pontban). 3.3 A rétegrendek meghatározása Minden egyes estben 1 különböző rétegrend mellett végeztük el az állékonysági vizsgálatokat. A rétegrendek felvételénél az 1. táblázatban már bemutatott 1-1 hulladéktípust használtuk. Az egyes hulladéktípu- 5. ábra A minimális (F=1.366) biztonsági tényezõhöz tartozó csúszólap

5 Mélyépítés 8/4 38 Geohab Irodalomjegyzék JESSBERGER, H.L. (199): Stoffeigenschaften von Abfall im Hinblick auf Standsicherheitsunte rsuchungen an Abfalldeponien Neuzeitliche Deponietechnik (Hrsg.: JESSBERGER, H.L.), pp Balkema, Rotterdam MANASSERO, M.-PARKER, R.-PASQUALINI, E.-SZABÓ, I.-ALMEIDA, M.- BOUAZZA, A.-DANIEL, D.E.-ROWE, R.K. (1998): Controlled Landfill Design (Geotechnical Aspects), TC55SC4 Report 3rd Int. Conf. of Environmental Geotechnics, Lisboa, MANASSERO, M. (): Solid waste containment systems GeoEng, Int. Conf. on Geotechnical and Geological Engineering 19-4 November, Melbourne, Australia, Conference Proceeding on CD ROM OWEIS, I.S. - KHERA, R.P. (199): Geotechnology of Waste Management Butterworths, p. 73. ÖNORM 74. TEIL. (199): Geotechnik im Deponiebau SANCHEZ-ALCITTURI, I.M.-PALMA, I.-SAGESTA, C.-CANIZAL, I. (1993): Mechanical properties of wastes in a sanitary landfill. Proc. Int. Conf. Green 93, Bolton University, Bolton Balkema, Rotterdam SINGH, S.-MURPHY, B.J. (199): Evaluation of the stability of sanitary landfills Geotechnics of Waste Fills (ed.: LANDVA, A.-KNOWLES, D.) ASTM-STP 17, pp TCHOBANOGLOUS, G.-THEISEN, H.-VIGIL, S. (1993): Integrated solid waste management Mc Graw-Hill Inc., p SZABÓ A.-SZABÓ I. (.): Field and laboratory experiances related to mineral barriers of waste disposal sites 1th Danube-European Conference Geotechnical Engineering, (ed.: DGGT), Passau, táblázat Az állékonyságvizsgálatoknál a hulladékrétegekre meghatározott nyírószilárdsági értékpárok A réteg sorszáma Belső súrlódási szög, ϕ [ ] Kohézió, c [kn/m ] sokat, illetve azok fizikai paramétereit a táblázatban feltüntetett kohézió-belső súrlódási szög értékekre véletlenszámgenerátor segítségével választottuk ki. A különböző nyírószilárdsági paraméterekkel rendelkező hulladékok értelemszerűen ismétlődően is előfordulhattak egy állékonyságvizsgálati rétegrenden belül A depóniatest állékonyságvizsgálatának eredményei A depóniatest állékonyságvizsgálatánál a minimális biztonsági tényező meghatározása 1 db csúszólap vizsgálatával történt. Figyelembe véve, hogy egy adott hajlásszög mellett 1 különböző rétegrend vizsgálatára került sor, ez azt jelenti, hogy a tervezett depóniatest állékonyság vizsgálata 1 variáns figyelembe vételével történt. A 1 különböző rétegrendre a kapott, a BISHOP féle állékonyságvizsgálati módszerrel meghatározott eredményeket összefoglalóan a 4. ábrán tüntettük fel. Az ábra tartalmazza a véletlenszerűen választott 1 különböző rétegrendre kapott biztonsági tényezők értékeit, azok hisztogramját, empirikus eloszlásfüggvényét és az adathalmaz főbb statisztikai paramétereit: számtani átlag, medián, szórás, minimum érték, maximum érték, F 95 és F 9. Az utóbbi két érték az empirikus eloszlásfüggvény alapján a 95%-

6 Mélyépítés 8/ 39 os, valamint a 9%-os előfordulási valószínűséghez tartozó biztonsági tényező. Az 5. ábra a 1 különböző rétegrend közül a legkisebb biztonsági tényezőt adó (9. számú) rétegrend állékonyságvizsgálati eredményeit mutatjuk be. A. táblázatban a nemzetközi gyakorlatban ajánlott átlagos nyírószilárdsági értékek mellett a BISHOP módszerrel számított biztonsági tényezőket tüntettük fel.. táblázat Az átlagos nyírószilárdsági paraméter értékekkel számított biztonsági tényező értékek (BISHOP módszer) c=5 kn/m ; ϕ=5 c=1 kn/m ; ϕ= c= kn/m ; ϕ = 1,44 1,3 1,5 4. Összefoglalás A számítások igazolták a várakozást, a valós viszonyokat jobban megközelítő inhomogén, rétegzett depóniatest mellett a véletlenszerűen választott nyírószilárdsági paraméterekkel számítva az állékonyságot minden esetben nagyobb biztonsági tényező értékek adódtak, mint a nemzetközi tervezési gyakorlatban ajánlott konstans nyírószilárdsági paraméterek esetében. A vizsgált esetében az állékonysági biztonság elfogadható. Az általunk kidolgozott módszerrel számolva: 9%-os valószínűségi szint mellett a várható biztonsági tényező F = 1,48 95%-os valószínűségi szint mellett F = 1,4 A vizsgált 1 különböző hulladék-rétegrend mellett a legkisebb biztonsági tényező (9. sorszámú) még mindig F = 1,366. Faur Krisztina Beáta okl. környezetmérnök, tanszéki mérnök, Miskolci Egyetem, Hidrogeológiai-Mérnökgeológiai Tanszék Szabó Attila okl. környezetmérnök, ügyvezető GEONSystem Kft, Miskolc Dr. Szabó Imre okl. geológusmérnök, egyetemi tanár Miskolci Egyetem, Hidrogeológiai-Mérnökgeológiai Tanszék