настоящее время трещины на откосах устраняются по специальной методи ке и с течением времени будут стабилизированы.
В процессе выполненных работ были осуществлены гидравлические испытания покрытия купола с целью организации мониторинга по гидрав лическому поведению многослойного покрытия. Устройство состояло из расходомера, тензометров и дождемеров. Датчики были соединены с много канальными устройствами. Эта система позволяет с помощью компьютера, оснащенного модемом и программным обеспечением, обмениваться инфор мацией со всеми датчиками и обрабатывать исходные данные. Эта система также обеспечивает наблюдение за состоянием дренажа под мембраной и автоматически включает сигнал в случае превышения порога заданного рас хода. Данные первого года функционирования (1994 г.) показали, что в сред нем в течение года прослеживается следующее распределение атмосферных вод: 57 % на испарение; 22 % на отвод поверхностной воды; 21 % на проса чивание.
На основании наблюдений, проведенных на поверхности земли, и ана лиза характеристик многослойного покрытия можно констатировать, что процент просачивания через биологический барьер высок. В действитель ности зафиксированный отвод дренажных вод по мембране невелик и со ставляет 3125 м3 за весь срок эксплуатации. Это приводит к выводу о том, что часть атмосферных вод просачивается, главным образом, у основания откоса, минуя мембрану, на границе бетонных ограждений и биологическо го барьера. В экспериментальных целях было создано устройство огражде ния откосов, позволяющее избежать любых дефектов по покрытию откосов. Этот принцип будет применен в дальнейшем, после его утверждения.
3.5. Геотехнические и строительные аспекты при сооружении хранилищ для отходов в Западной Европе
3.5.1. Виды захоронений. Основные понятия
Сегодняшние представления о процессе захоронения отходов исходят из того, что на “конечном складе хранения” любые отходы не оказывают не гативных экологических воздействий на окружающую среду. Поэтому на “конечный склад хранения” отправляются только твердые материалы и большинство существующих сегодня захоронений представляет собой лишь вид “промежуточного склада хранения”:
-промежуточное складирование;
-временный склад для завершения определенной фазы хранения до тех пор, пока будут разработаны или организованы соответствующие технологии и установки для обработки отходов. Такие промежуточ ные хранилища возможны в рамках санации захоронений, если будут удалены зараженные вещества;
- сборный склад - это промежуточный склад на производстве для краткосрочного хранения отходов, когда превышаются мощности об рабатывающих установок и т.п. При этом речь может идти также и о хранении жидких веществ.
Промежуточные хранилища требуют больших технологических затрат по сравнению с конечными. Индекс вредности отходов в таких хранилищах выше, они должны быть секционированы, и, кроме того, должна быть пре дусмотрена возможность извлечения отходов. С другой стороны, при выбо ре места для промежуточного хранилища должно учитываться меньшее ко личество критериев, чем в случае конечного складирования, в особенности могут быть снижены геологические, физико-механические требования к грунтовым основаниям. Средний срок использования промежуточных хра нилищ 5 - 2 0 лет. Продление этого срока возможно только в том случае, ес ли сооружение отвечает нормативным требованиям безопасности.
В вышеприведенных определениях “конечного” и “промежуточного” хранилищ заложены также понятия “складировать” и “хранить”, несмотря на то, что в бытовой речи они употребляются как равнозначные. Складиро вание обозначает конечное состояние, хранение, наоборот, временную меру до дальнейшей обработки или захоронения отходов.
Принято различать следующие виды захоронений отходов: захоронение инертных материалов с минимальным содержанием
вредных веществ или без них;
-захоронение остаточных веществ после обработки отходов (вред ные вещества в труднорастворимой форме);
-реакционные захоронения, когда биологические процессы распада
ихимико-физические реакции контролируемо протекают в течение короткого или среднего периода времени; - захоронения радиоактивных и высокотоксичных отходов;
- захоронение мусора - бытовых, промышленных, общественных и т.п. отходов без предварительной обработки. Такие захоронения об ладают достаточно высоким индексом вредности.
От вида отходов зависит конструкция хранилищ:
-насыпное;
-с покрытием или без него;
-открытое или закрытое (в зависимости от изоляции поверхности);
-карьерное, отвальное, откосное и т.п.;
-контейнерное;
-отдельно стоящее;
-(частично) насыпное;
-надземное, подземное;
-штольное;
-шахтное;
-пещерное.
Практически каждое хранилище обладает своей проектной специфи кой и схематизация их достаточно ограничена. Сюда же относятся установ ки для предварительной обработки отходов и для утилизации фильтрацион ных вод захоронений. Для предварительной обработки используются уста новки: механической предварительной обработки; термической обработки; химико-физической обработки (отдельно для органических и неорганичес ких отходов); иммобилизации, или отверждения, отходов; биологической обработки.
3.5.2.Обычные насыпные захоронения
Вкачестве “обычных” хранилищ рассматриваются насыпные свалки, не обладающие несущими строительными элементами в противополож ность контейнерным хранилищам. Различные подпорные стены и т.п. име ют лишь вторичное значение. Принципиально различают четыре типа захо ронений (рис.3.9), причем имеются и переходные формы или комбинации.
Карьерное захоронение
Резервуарное захоронение
Отвальное захоронение
Откосное захоронение
Рис.3.9. Виды захоронений обычной конструкции
Карьерные захоронения имеют больше преимуществ, но они требуют дорогостоящих мероприятий по отводу фильтрационных вод и как следст вие - большой риск возникновения аварийных ситуаций. Можно опреде лить сектор, в котором происходит утечка, но невозможно точно локализо вать место утечки. Уплотнение основания хранилища отходов возможно практически только после их извлечения. В качестве компромисса создают ся насыпи в форме откосных хранилищ или карьерные захоронения в верх ней части откосов, где может быть обеспечен свободный отвод фильтраци онных вод.
Захоронения в форме резервуаров с ограждающими насыпями исполь зуются как шламовые пруды или для хранения жидких или сжиженных от ходов. Они объединяют конструкционные особенности карьерных и отваль ных захоронений, при этом речь идет преимущественно о монозахоронени ях горной и металлургической промышленностей. Дренаж основания здесь должен быть особенно эффективным (рис.3.10).
Рис.3.10. Пример хранилища для жидких отходов: 1 - нижняя изоляционная лента из искусственного материала; 2 - верхняя изоляционная лента из искусственного материала; 3 - геосинтетический дренажный материал; 4 - гранулированный дре нажный слой; 5 - перфорированные коллекторные трубы
Согласно австрийским директивам, захоронение жидких отходов за прещено, допустимо лишь краткосрочное промежуточное их хранение, но в зависимости от индекса опасности предпочтение отдается контейнерным захоронениям. Шламовые или пастообразные отходы могут помещаться только в промежуточные хранилища (временное хранение).
В настоящее время в Австрии считается, что резервуарные и карьерные захоронения неэффективны в плане их дальнейшего использования, т.к. хранящиеся в них отходы попадают на дальнейшую переработку, например, в строительство. На месте таких хранилищ остаются овраги, которые пор тят ландшафт. Поэтому принято решение к 2004 году прекратить эксплуата цию таких хранилищ.
Другим недостатком таких хранилищ является сложность создания и эксплуатации дренажных систем по отводу сточных вод. Дренажные систе-
мы могут быть легко разрушены при подвижке отходов либо заилены, по этому необходимо отдавать предпочтение хранилищам со свободным сто ком вод по схеме самотека, например, откосным системам.
Преимущество отвальных захоронений в том, что дренаж и дегазация свалки в них технически проще и легче контролируемы, чем в резервуарных захоронениях. Кроме того, при высоких насыпях отходов значительно сни жается коэффициент проницаемости грунта, в результате улучшается есте ственная защитная функция и, кроме того, грунтовые воды большей частью обтекают этот более плотный участок. Возможная высота отвальных захо ронений геотехнически зависит от топографии и несущей способности грунта. Так, центральное хранилище г.Ганновер возвышается на 60-120 м над естественной поверхностью и в конечном итоге образует искусствен ный холмистый ландшафт с четырьмя вершинами площадью около 140 га.
Откосные захоронения легко подгоняются под местный ландшафт и их преимущество - большой уклон основания. Это влияет на быстрый отвод фильтрационных вод и снижает опасность заиливания дренажной системы. С геотехнической точки зрения необходимо исследование устойчивости от косов.
Грунтовое основание. Величину осадки полигона захоронения следует учитывать уже при геотехнических предварительных исследованиях (разве дывательное бурение, зондирование, геофизические исследования и т.п.) и при подготовке грунта для сооружения основания захоронения. Доказано, что при очень высоких и обширных захоронениях зона напряженного состо яния составляет десятки метров. Для оценки величины осадки грунта осно вания хранилищ совершенно не подходит проверка штампом на поверхнос ти захоронения. Она может служить лишь для проверки на стадии устройст ва чаши захоронения, т.к. ее глубинное воздействие ограничено 60 см.
В случае, если грунт на глубине оказывается рыхлым или смешанным, то он должен быть укреплен по специальному методу таким образом, чтобы от воздействия проектных нагрузок ожидаемая осадка не превышала норма тивных значений, в противном случае выбирают новую площадку. Недопу стимы большие величины разностей осадок грунтовых оснований, что мо жет привести к разрушению изоляции хранилища. Для глубинного уплотне ния оснований используются обычно глубинный вибратор (рис.3.11), а так же метод динамического интенсивного уплотнения.
Эти методы не только повышают плотность грунта, но и значительно снижают проницаемость. Коэффициент фильтрации песчаного или гравий ного грунта с исходным А^= 10 3 м/с может быть уменьшен на два порядка посредством глубинного виброуплотнения.
Всоответствии с административным предписанием (нормой) Германии
-Техническим руководством “Отходы” (1988 г.) - для грунта основания под хранилищами отходов коэффициент фильтрации принимается Л^<10-7 м/с при толщине слоя до 3 м. Эти слои могут создаваться искусственно. При вы-
96
дочных отложений соотношение Kj-e / Kfz= 1/5-1/15 вполне типично. Кроме того, это объясняет частые “расхождения” результатов лабораторных и по левых опытов: в лаборатории, как правило, наблюдается вертикальное про сачивание в пробе грунта, а при полевом опытном бурении доминирует, на оборот, горизонтальный компонент.
Грунтовое основание для сооружения захоронения должно обладать ко эффициентом уплотнения Купл > 100%, в илисто-глинистом грунте его зна чение может меняться до 95%. Вычисленные в результате модули общей де формации должны составлять Е > 10 МПа на связном грунте и Е > 30 МПа на песчано-гравийном грунте. В противном случае следует заменять грунт или стабилизировать его посредством применения геотекстиля высокой прочности.
Для облегчения сооружения экрана поверхность грунтового основания должна создаваться с учетом работы дренажных слоев. Наклон в 2% явля ется абсолютным минимумом, уклоны в 3-5% типичны для земляных работ.
Дренаж под захоронением. Надлежащим образом организованные за хоронения должны обладать системой сбора фильтрационной воды-, глав ный компонент которой - поверхностная дренажная система, состоящая из трубопроводов и сборных шахт. Наряду с химико-физической долговечнос тью необходим также и достаточный запас устойчивости труб и шахт.
В качестве дренажных слоев хорошо себя зарекомендовали гранулиро ванные составы фракции 16-32 мм. Круглая форма зерен уменьшает опас ность повреждения геосинтетического покрытия (нетканый материал, ис кусственный гидроизоляционный материал) и сопротивление течению в от личие от осколочного каменистого материала. Содержание карбоната каль ция должно быть минимальным, чтобы избежать растворения окисленной фильтрационной водой. Минимальная толщина дренажного слоя 30 - 50 см.
Для геотекстильного покрытия поверхностного дренажа используется проколотый нетканый материал из полипропилена с удельным весом 800 г/м2. При угрозе заиливания дренажа (например, биологическое обрас тание, зарастание биологической пленкой) использование геотекстиля и пе счаного фильтра нецелесообразно. Попадание мусора на поверхность гра нулированного состава образует естественную переходную и фильтрацион ную зону. В этом случае дренажный слой должен быть на 15 см толще, ми нимальная толщина - 50 см.
Коэффициент фильтрации поверхностного дренажного слоя также дол жен быть не менее 10-3 м/с. В сухом грунте и при сильной теплоотдаче от ходов дренажный слой должен быть сконструирован так, чтобы в случае не обходимости была возможна подпитка чистой водой. Таким образом может быть предотвращена возможная термическая диффузия через минеральный уплотняющий слой или образование усадочных трещин.
Уклон поверхности дренажного слоя должен быть не менее 1-2%. По аэрогидродинамическим причинам и с точки зрения строительного выпол98
При выборе параметров шахт следует учитывать также односторон нюю нагрузку при уплотнении и влияние температур вследствие неравно мерного нагревания внутри захоронения. Соединения труб должны быть гибкими, чтобы без проблем приспосабливаться к деформациям. В высоких шахтах хорошо себя зарекомендовали подвижные пластины (рис.3.13).
3.5.3. Изоляция основания
Наиболее корректно инженерное решение основания хранилища с ис пользованием дренажа - это создание дренажного слоя с искусственно за данным уклоном для отвода сточных вод. На поверхности грунтового осно вания вновь возводимого хранилища должна выполняться надежная изоля ция независимо от типа хранилища. Таким образом, с самого начала обес печивается защита от попадания в грунт вредных веществ.
Подобные изоляционные системы должны быть многослойными и со держать дренажные слои, служащие для сбора, отвода и контроля сточных вод. Различают:
-минеральную изоляцию (грунтовые и глинистые смеси);
-искусственную изоляцию (искусственный гидроизоляционный ма териал, битумное покрытие и т.п.).
Отметим наиболее существенные проектные принципы при планиро вании системы изоляции основания:
-сооружение многослойной изоляционной системы, содержащей ми неральный уплотненный слой, другие материалы и изоляционные элементы в зависимости от типа сооружения;
-сооружение дренажных слоев для сбора, отвода и контроля фильт рационных вод захоронения;
-минимизация гидравлического напора на защитный экран;
-максимальный уклон поверхностных дренажных слоев и трубопро водов;
-по возможности низкая температура основания захоронения. В про тивном случае возможен процесс высыхания грунта и появление уса дочных трещин в минеральных слоях. Поэтому рекомендуется не сваливать отходы с высокой реакционной теплотой непосредственно на систему изоляции основания.
Дренаж в основании должен быть промываемым и располагаться под искусственно устроенным уклоном для самостоятельного оттока воды. Со бранная фильтрационная вода откачивается и удаляется через шахты.
Минеральный изоляционный слой. Коэффициент фильтрации для минеральных изоляционных слоев должен составлять Kj-= 10-9 м/с, причем тенденция идет к его уменьшению до 5x10-10 м/с. Естественная глина или суглинок используются лишь в особых случаях. Однородная смесь вязкого грунта и бентонита невозможна вследствие образования комков и сгустков.
100
длительного времени. Это было доказано в результате многочисленных опытов с известью, цементом и различными химикатами, при этом измене ния составляли до нескольких порядков.
Геосинтетические материалы. В строительстве захоронений исполь зуются следующие геосинтетические материалы (полимерные искусствен ные материалы):
геотекстиль - нетканый материал в качестве фильтра для разделения слоев и как горизонтальная поверхностная защита, а также защита поверх ности геомембран. Ткани не служат как фильтр, но обладают более сильны ми защитными характеристиками;
геомембраны - гидроизоляционный полимерный материал как изоли рующий барьер для жидкостей, газа и других вредных воздействий;
геосетки как дренажный слой; георешетки как защита (поверхностная или локальная над дренажны
ми трубами); геокомпозиты - различные комбинации изделий, в том числе с издели
ями из искусственных материалов для определенных целей (чаще это защи та дренажа или уплотнения дренажа), например, геоматы и т.п.
Для изоляции основания чаще используются нетканый материал и гео мембраны. Геосетки и геокомпозиты - как замена зернистых дренажных слоев - препятствуют прокладке контролируемых дренажных труб и пери одической промывке дренажа. Кроме того, пропускная способность геокомбинированных материалов снижается при увеличении обычного напря жения (т.е. при увеличении высоты насыпи захоронения).
Гидроизоляция из полимерного материала (геомембраны). Данное гидроизоляционное полотно производится из следующих материалов: этиленполимера и битума (EIA); поливинилхлорида (PVC); полиэтилена низ кой (LDPE) и высокой (HDPE) плотности; хлоридполиэтилена (CSPE).
Сравнительные лабораторные испытания и практические опыты пока зали, что для строительства захоронений особенно подходит гидроизоляци онное полотно из полиэтилена высокой плотности (HDPE). Толщина листа составляет в среднем 2-3 мм, в особых случаях до 5 мм. Выпускается также тонкое гидроизоляционное полотно толщиной 1 мм, но оно должно исполь зоваться только для отходов малого класса опасности. Сопротивление раз рывам вследствие точечной нагрузки (например, зерна дренажного гравия) линейно возрастает с толщиной, одновременно пропорционально уменьша ется проницаемость. При механической сопротивляемости следует разли чать кратковременную нагрузку во время сооружения хранилища и длитель ную нагрузку от материала захоронения.
Гидроизоляционный материал шириной до 10 м укладывается на стро ительной площадке внахлест и затем сваривается (рис.3.18). При этом боль шое значение уделяется контролю за сварными швами. Плотность шва про веряется прямо на строительной площадке, для чего подходят два метода:
104
пластины, чей модуль деформации больше на десятичный порядок, чем у плотно утрамбованного грунта.
Гидроизоляционный полимерный материал восприимчив к большим величинам осадок по трем причинам:
-образование трещин;
-снижение химической устойчивости вследствие постоянного напря жения при растяжении в области крупных сводов или сильно выступающих участков склона;
коррозионное растрескивание при концентрированном доступе по верхностно-активных химикатов к уже существующим трещинам.
Подобный риск может быть снижен путем тщательной разработки грунта и соответствующего ландшафтного проектирования и строительст ва. На участках с большими уклонами (от 1:4 до 1:3) рекомендуется исполь зование структурированных гидроизоляционных полимерных материалов, чтобы снизить напряжение в результате натяжения и исключить недопусти мое растяжение. В этом случае очень хорошо себя зарекомендовал гидро изоляционный полимерный материал с двусторонней шероховатой поверх ностью верхнего слоя и шипами на нижнем слое. Шипы вдавливаются в ми неральный уплотнитель уже при небольшом количестве складируемых от ходов и влияют на дополнительное сцепление шершавой поверхности.
Другая проблема заключается в необходимости эффективного дренажно го слоя над изоляционным полотном (размер зерна 16-32 мм). Но такая дре нажная структура ведет к высокому точечному напряжению изоляционного полотна как при сооружении изоляции основания, так и при статичном хра нении. Поэтому должен быть включен защитный слой, для чего требуется, со гласно новейшим исследованиям, полотно с плотностью р = 800-И200 г/м2. В качестве защитных слоев подходят также и сэндвич-образные связующие конструкции, например, бентонитовый холст, который обеспечивает допол нительный изолирующий эффект. Эта новая разработка позволяет связать три отдельных компонента в одну прочную структуру: одно нетканое полот но - как покрытие, бентонитовый слой - как изоляционный элемент и ком бинированный материал - как опорный слой. Измеренный в лабораторных условиях коэффициент фильтрации Kj-= 5x10-10 м/с. Опыты с фракцией гра вия 16-32 мм показали, что при нормальном напряжении в 800 кН/м2 (соот ветствует давлению захоронения отходов высотой 65 м) отсутствует давле ние на изоляционный материал HDPE, уложенный под бентонитовый холст толщиной 1,5 м.
При укладке изоляционных материалов следует строго соблюдать тех нологию устройства, чтобы избежать в дальнейшем негерметичности экра на. Вследствие высокой разницы температур во время работ по укладке и вследствие подвижек на склонах могут образоваться складки, что ухудшает соединение с нижним слоем основания. Поэтому рекомендуется соблюде ние следующих строительных правил:
-по возможности укладка изоляционного полимерного материала за одну рабочую захватку на небольшой площади;
-складирование отходов при невысокой дневной температуре;
-максимально быстрое покрытие защитного экрана или засыпка после укладки. В качестве такой меры особенно хорошо подходит покрытие свет лым защитным материалом. Замеры на месте строительства показали, что темные изоляционные полимерные полотна при интенсивном солнечном свете в летнюю полуденную жару могут нагреваться на 75 °С. При покры тии светлым материалом температура была на 30 °С ниже. Защитный эф фект вследствие отражения и создания тени поэтому очень значителен.
Тенденция к образованию складок на гидроизоляционном полимерном материале может быть сведена к минимуму уже на стадии производства (из делия с максимально низким внутренним напряжением).
Изоляционный материал. У изоляционного материала очень важны ми характеристиками являются химическая, механическая, гидравлическая
итермическая устойчивость, вес на единицу площади и толщина. Поэтому оценка прокладочного материала может осуществляться только при учете всех этих характеристик. Обобщения недопустимы: различные конструк ции существенно отличаются друг от друга.
Сточки зрения химической устойчивости захоронений отходов в каче стве защитного материала используются сейчас исключительно полиэфиры (высокомолекулярные парафины), а также полипропилен (РР) и полиэтилен (РЕ). Хотя полиэфир и имеет самую высокую термическую устойчивость, все-таки практически не применяется, т.к. разъедается основными агента ми. Вследствие своей объемной структуры (более высокая степень кристал лизации) полипропилен обладает большей специфической прочностью, чем полиэтилен, у которого макромолекулы располагаются двухмерно. На прак тике предпочтение отдается изоляционным полотнам только из одного ма териала, но на рынке присутствуют и комбинированные конструкции. Так, для инфильтрационных и других устройств хорошо зарекомендовал себя двухслойный проколотый геотекстиль из полиэфирных и полипропилено вых волокон.
Гидравлические характеристики изоляционного полотна учитываются тогда, когда оно выполняет функцию фильтра или имеет водоотводный эф фект. В зависимости от механического напряжения прокладочного полотна
вобласти захоронения изменяется эффективность фильтра вследствие де формаций при сжатии (под захоронением) или натяжении (на склонах). Со ответствующие фильтрационные критерии основываются чаще всего на аналогичных критериях к зернистым фильтрационным средам (например, эффективный диаметр отверстий в прокладочном полотне соотносится с эффективным диаметром зерен грунта).
Комбинированная изоляция. На захоронениях отходов большого ин декса опасности должна сооружаться комбинированная изоляция, которая
ный экран, который снижает перепады концентрации вредных веществ между сторонами настолько, что проницаемость практически исключается. Важным фактором здесь является плотное соединение между различными изоляционными материалами. На нижней плоскости экрана оно препятству ет десорбции тех веществ, которые проникли в полимерный материал. Та ким образом останавливается диффузия углеводородов. Плотное соедине ние служит к тому же компенсацией погрешностей всевозможных дефектов геомембран и значительно повышает защиту от проникновения вредных ве ществ.
Различают два основных вида изоляции:
1 ) геомембрана непосредственно на минеральном уплотнителе (прес совое соединение);
2) дренажный слой (К^ = 5x10 3 м/с) между геомембраной и мине ральным уплотнителем.
Для отходов с большим индексом опасности и при слабом геологичес ком преграждающем действии грунта изоляция основания должна содер жать два дренажных слоя: верхний - для быстрого отвода фильтрационной воды захоронения, и нижний - в качестве контрольной системы и для отво да остаточной фильтрационной воды, которая проникает через верхнюю часть изоляционной системы.
На рис.3.20 представлены примеры комбинированной изоляции. Вари ант а представляет типовую конструкцию для захоронений мусора, как ре комендуется соответствующими директивами. Вариант б предусматривает ся для захоронений особых отходов, где имеются вредные вещества с выра женной тенденцией к проницаемости. Оба изоляционных полимерных по лотна плотно соединены на минеральных слоях, нижнее полотно запрессо вано даже с двух сторон и поэтому особенно эффективно (и защищено от обычного окисления вредными веществами).
Варианты в и г обладают преимуществом первичного и вторичного дренажных слоев. Вариант в популярен в США, но зачастую полотно укла дывают без минерального слоя в основании. Эффективное снижение прони цаемости системы возможно здесь путем незначительного изменения струк туры конструкции - расположение минерального слоя толщиной 25 см под верхним изоляционным полимерным полотном и укладка только двух мине ральных слоев толщиной 20 см под нижнее полотно HDPE.
Вариант г представляет нерациональную конструкцию - изоляционное полимерное полотно укладывается на грунт вместо минерального слоя, кро ме того, укладка защитного слоя под изоляционное полотно уменьшает плотность соединения, а тем самым и эффективность преграды для вредных веществ.
На рис.3.21 представлен пример, когда различные глинистые добавки в отдельные плотные слои подбираются в соответствии с разными реакциями между возможными вредными веществами и глинистыми породами. Также
ния заключается в повышенной работоспособности и эффективности уп лотнения. Коэффициент уплотнения КШ1= 100% разнозернистых слоев до стигается очень легко.
С точки зрения механики грунтов значения коэффициента уплотнения Купл должны быть от 95 до 100% оптимальной плотности. Если они техни чески не достижимы, то необходима большая добавка бентонита (или гли нистой муки), чтобы обеспечить желаемую плотность.
Для крутых откосов в скальной породе используются также железобе тонные сборные элементы вместе с изоляционным покрытием. Элементы покрываются слоем дренажного гравия или бетоном. Изоляция состоит из пластин с утолщениями HDPE 5 мм, которые укреплены на железобетон ные элементы толщиной 20 см. Сооружение конструкции осуществляется на специальном фундаменте. Подобная стеновая изоляция предлагается прежде всего для использования старых каменных карьеров в качестве за хоронений.
3.5.4. Откосы и устойчивость хранилищ
Ограждающие дамбы хранилища служат для защиты внешней зоны от продуктов захоронения. Они могут выполняться из грунта, строительного мусора или другого инертного материала. Естественно, при проектировании хранилищ должен быть рассчитан запас прочности откосов как ограждаю щих дамб, так и продуктов захоронений на откосе. В противном случае воз можно скольжение откосов.
Существует много известных методов повышения запаса устойчивости откосов. Наиболее надежное решение представляет собой укрепление свай ной стенкой основания откоса. Верхние части свай жестко соединены желе зобетонным ростверком. Подобные поддерживающие стенки выполняются для новых захоронений только в том случае, если местоположение хранили ща отвечает всем другим критериям выбора, т.к. подобное решение ведет к значительному удорожанию строительства. В остальном такие мероприятия должны ограничиваться случаями, когда требуется повышение запаса ус тойчивости местности уже существующего захоронения. В случае необхо димости может предусматриваться дополнительное закрепление свайной стенки. Если вместо свайной сооружается железобетонная шпунтовая сте на, то этот поддерживающий элемент может также выполнять изолирую щую функцию.
3.5.5. Создание купола изоляции захоронения отходов
После достижения конечной высоты засыпки отходов производится за крытие поверхности захоронения. Оптимальная конструкция покрытия от ходов определяется для каждого отдельного случая с учетом специфических
114
характеристик отходов и местных климатических условий. Это касается также и временных изоляционных мероприятий (промежуточная изоляция), которые проводятся еще во время эксплуатации захоронения. Геотекстиль, например, существенно снижает пылеобразование, влагопроницаем и при соответствующей устойчивости может использоваться повторно. Подходит также изоляционный нетканый материал и тяжелое, крупноячеистое джуто вое полотно. Важно первоначальное быстрое уплотнение отходов уплотни телями-компакторами. Для изоляции поверхности захоронения отдельными участками (в период его эксплуатации) используется также песчано-глини стый грунт.
Изоляция поверхности должна иметь дегазационный слой. В общем для закрытых захоронений предпочтение отдается активным системам дега зации, т.к. при этом возможно использование газа.
Открытые захоронения допустимы только при незначительном количе стве просачивающейся воды. Окончательная изоляция осуществляется про ницаемым материалом. Целенаправленная посадка растений и деревьев имеет смысл только после снижения повышенных температур в области корневых систем (не более 25 °С на глубине 30 см).
В качестве основной несущей конструкции используются в первую очередь (рис.3.25) двухшарнирная решетчатая арка или двухшарнирная ре шетчатая рама (рис.3.25,а) и легкодемонтируемое и передвижное стальное покрытие для небольших пролетов (рис.3.25,б).
<200 м
а
, 20-50 м
Т
CZ
Рис.3.25. Перекрытие захоронения в период эксплуатации: а - арочная конструкция для больших пролетов; б - легко демонтируемые и передвижные облегченные стальные перекрытия на опорах
Железобетонные конструкции или облегченные временные конструк ции (сталь, полимерный материал) - это другие альтернативы. Для безопорных передвижных конструкций покрытия предусматривается ширина пере крытия пролета в 200 м. Экономичность конструкции покрытия зависит от геометрических условий захоронения и характеристик местоположения (особенно характеристики грунта).
3. 5. 6. Дегазация
Выход газа на поверхность захоронения и миграция газа в окружаю щем грунте могут иметь две причины: хранение органических, разлагаю щихся отходов и хранение веществ, склонных к летучести.
Дегазация может производиться активно (с искусственным понижени ем давления) или пассивно (посредством собственного давления газа). Предпочтение отдается активной дегазации, которая является не только ме рой безопасности для предотвращения выброса газа, но и подходит для его энергетического использования.
Принцип строения дегазационного сооружения представлен на рис.3.26. Устройство для добычи газа (например, компрессор) создает пони женное давление для всасывания газа в газовые коллекторы. Газовыми кол лекторами служат вертикальные или горизонтальные конструкции (напри мер, газовые колодцы, перфорированные трубопроводы).
О пониженное давление 7 |
избыточное давление |
Рис.3.26. Схема системы дегазации: 1 - устройство для обезвоживания газа; 2 - пламегаситель; 3 - газоподающее устройство; 4 - газофакельное устройство;
5 - газопровод (с повышенным давлением); 6 - машинное отделение; 7 - газосбор ный трубопровод (с пониженным давлением); 8 - дроссели (для регулирования дав ления); 9 - газовые коллекторы; 10 - корпус хранилища
Трубопроводы для сбора газа соединяются в сборном пункте, где обыч но устанавливаются измерительные, контрольные и регулировочные прибо ры. При охлаждении теплого, насыщенного влагой газа в системе трубопро вода происходит осаждение агрессивного конденсата, поэтому осушитель ная установка обязательна. После влагоотделения газ попадает в компрес сор, а затем утилизуется (сжигается или используется снова).
После соответствующей предварительной обработки газ можно исполь зовать для отопительных котлов; для производства электричества и тепла; для подачи в газовую сеть (после очистки до качества природного газа).
3.5.7. Монозахоронения для промышленных отходов
При эксплуатации энергетических сооружений остается большое коли чество летучей золы, шлаков и гранулата плавильных камер, которые рань ше отвозились на свалки в качестве бесполезных отходов. Согласно сущест вующему определению, такие отвальные горы были захоронениями особых отходов.
Долгосрочное контролирование подобных захоронений и окружающей их местности (особенно грунтовых вод), а также обширные лабораторные исследования показали, что потенциал опасности летучей золы от бурого и черного угля на тепловых электростанциях очень невелик, кроме того, этот продукт может использоваться повторно. Очень большие количества золы можно использовать в земляных работах и дорожном строительстве, т.к. большая часть летучих зол обладает запасом прочности на сдвиг, который значительно выше, чем у грунта естественного сложения. Угол внутреннего трения варьируется от 33 до 390, так что можно не опасаться скольжения откоса. Кроме того, при плоскостном уплотнении золы будет очень эффек тивная, усиливающаяся со временем когезия. В соответствии с этим надле жащим образом засыпанные захоронения имеют угол устойчивости откоса i//= 40550.
Другое преимущество летучей золы маленькая плотность р = 1,5 г/см3. Поэтому данный продукт предлагается как материал для насыпей на слабом грунте или при угрожающих скольжением отвалах. На кафедре ме ханики грунтов и фундаментостроения Технического университета Вены около 5 лет разрабатывался проект устройства оснований на золах для авто страды, но был отклонен из-за достаточно высоких расходов по транспор тировке золы от ближайшей электростанции до строительных площадок.
При уплотнении золы влагопроницаемость её невелика. Серийные исследо вания в лаборатории и на отвалах показали, что в зависимости от материа ла, пористости и т.п. интервал значений коэффициента фильтрации ко леблется от 10-6 до 10’9 м/с. Свой вклад вносит и эффект самоуплотнения в результате процессов гидратации.
В целом следует отметить, что основные законы механики грунтов в полной мере действуют и для летучей золы (котельная зола, фильтрацион117
контроля резервуаров и ограждающих стен. На обычных шахтных хранили щах или засыпных бункерных хранилищах это возможно только в особых случаях. При сооружении подземного хранилища в ходе земляных работ до ставка отходов может осуществляться через шахты и штольни.
На сегодня характерная международная тенденция - промежуточное хранение сильнорадиоактивных отходов до тех пор, пока продолжается са мое сильное тепловыделение. Для этого могут быть необходимы дорогосто ящие подземные постройки с холодильными установками. Выбор местопо ложения для подземных конечных и промежуточных захоронений высоко токсичных и радиоактивных отходов зависит в конечном итоге от специфи ки геологических условий отдельных государств; поэтому многие из них ориентированы на вывоз таких отходов за пределы государства. В настоя щее время в международной практике исследуются следующие образования на пригодность в качестве естественного ограждения:
-кристаллин: Аргентина, Англия, Франция, Финляндия, Индия, Япо ния, Канада, Норвегия, Швеция, Швейцария, Испания, США;
-каменная соль: ФРГ, Дания, Англия, Франция, Канада, Нидерланды, Испания, США;
-глина и глинистые породы: Бельгия, Англия, Франция, Италия, Япо
ния, Швейцария, США.
Актуальна также возможность захоронения в туфах (Япония, США) и сланце (Франция), в выработанных металлорудных и угольных шахтах. Без сомнения, в первую очередь для этого подходит скальная порода с плотной структурой, в особенности невыветриваемый гранит. Использование соля ных куполов в качестве конечного захоронения в форме контейнерного хра нилища очень ограничено, т.к. данные горные породы более или менее пла стичны и пустоты могут постепенно сужаться, вследствие чего обратное из влечение отходов будет очень проблематичным. С другой стороны, соляная порода имеет плотную структуру и легко обрабатывается. Наряду с созда нием пустот в результате обычных горных разработок, в соляной породе предлагается также создание вертикальных пустот путем солевого раство рения. Отходы в эти пустоты помещаются через вертикальный трубопровод свободным спуском или с помощью насоса. После заполнения входное от верстие герметично закрывается.
Для конечного захоронения высокорадиоактивных отходов использует ся не только скальная порода, но и глина, если она обладает соответствую щими физико-механическими характеристиками и имеются благоприятные гидрогеологические условия.
3.5.10. Высоконадежные захоронения
Название “высоконадежные захоронения” закрепилось в последние го ды за такими системами депонирования, которые отвечают следующим тре бованиям:
Изоляционные стены могут не быть абсолютно герметичны, возможна их небольшая проницаемость потоком грунтовых вод. С точки зрения гид рогеологии, установленное в потоке грунтовых вод ограждение захороне ния действует как ’’горшок”, который стоит в воде, не нанося ей ущерба. Вследствие гидравлической инертности системы ограждение - грунт доста точно кратковременного прекращения работы насоса для нарушения безо пасной работы указанной конструкции. Этот важный момент необходимо учитывать при проектировании.
В качестве изоляционных стен в первую очередь подходят узкие и шпунтовые стены. Для отходов сильнодействующих вредных веществ ис пользуются комбинированные изоляционные стены, чтобы прекратить диф фузионные процессы. При этом в еще свежий материал конструкционного заполнения шпунтовых стен погружаются специальные вертикальные изо ляционные элементы преимущественно из HDPE, причем особое значение имеет плотность соединительных швов. Особая конструкционная форма - это многослойные изоляционные элементы из полимерных материалов и металлической жести. Максимальная глубина комбинированных изоляци онных стен 30 м, но можно достичь и большей глубины.
При камерной системе изоляционных стен с системой водоотлива диф фузии вредных агентов противодействует направленное внутрь давление потока воды, а вредные вещества, попавшие через внутреннюю стену в ка меры, могут быть выкачаны из них насосом. Принцип камерной системы изоляционных стен был впервые применен при обеспечении безопасности крупного захоронения в Вене “Раутенвег” и очень хорошо зарекомендовал себя.
При обычной изоляции основания захоронения отходов большой пло щадью очень сложно локализовать дефекты и отремонтировать экран изоля ции. Наряду с разделенной на ячейки и поэтому легче контролируемой изо ляцией основания со штольнями, спроектированы также различные вариан ты конструкций, в которых предусмотрена доступная для прохода железо бетонная массивная плита, лежащая на колоннах. Общим во всех решениях является то, что собственно изоляция вместе с дренажной системой лежит на железобетонной конструкции и что отходы полностью отделены от грун та. В соответствии с этим к гидрогеологическим характеристикам грунта не предъявляются высокие требования, как при обычных захоронениях.
На рис.3.32 представлена конструкция, в которой несущее покрытие выполнено из массивных плит, лежащих на опорах, расположенных по сет ке 3x3 м. Между покрытием и полом находится освещенное пространство для контрольных целей и ремонта. Для компенсации деформаций вследст вие температуры и усадки конструкция изоляционного экрана разделена со единениями на отдельные участки 30x30 м.
