Experiment in situ pro úložiště VEP na výsypce hnědouhelného lomu

V rámci projekční přípravy pro ukládání vedlejších energetických produktů (VEP) do oblastí výsypek byla řešena otázka prokázání minimálního množství zbytkových (průsakových) vod z plaveného stabilizátu. Proto byl v prostředí výsypky proveden experiment in situ. Zkušební kazeta byla osazena jednotlivými prvky monitoringu a pomocí hrázek rozdělena do dílčích zkušebních polí, zatěsněných v různých variantách. Ukládání stabilizátu probíhalo pomocí řízeného plavení systémem GEHO. 

Součástí monitoringu byly průtokoměry slou­žící k určení množství zbytkové vody. Z dokumentovaných výsledků byla doporučena nejvýhodnější varianta ukládání VEP do budoucího úložného prostoru. Hlavním kritériem hodnocení byly měřené hodnoty objemů zbytkové vody z plaveného stabilizátu pro jednotlivá zkušební pole.

Uhlí, které se spaluje v elektrárnách, po sobě zanechává nespalitelný podíl 25 až 30 % původního objemu paliva, který je nutné z elektrárny odstranit. Nikoli však jako klasické odpady, ale jako tzv. vedlejší energetické produkty (VEP), mezi které řadíme popílek, energosádrovec, strusku a stabilizát. V souvislosti s odsířením kouřových spalin v 90. letech minulého století našly VEP velké uplatnění jako cenné druhotné energetické suroviny.

Stabilizát se vyrábí technologickou úpravou vstupních surovin (popílek, struska, fluid­ní popel, případně energosádrovec), spočívající v dokonalém promísení s přesně dávkovaným množstvím záměsové vody. Pro získání požadovaných vlastností stabilizátu je v počáteční fázi výroby rozhodující promísení vstupních surovin s vápnem a poté zvlhčení záměsovou vodou, při kterém dochází k exotermní reakci a během několika minut k nastartování hydratačních procesů.

Ve směsi probíhají v alkalickém prostředí chemické pucolánové reakce obdobné procesům při tuhnutí cementů a za aktivní účasti volného CaO vzniká materiál s vazebnými schopnostmi. Po zatuhnutí se stabilizát zásadně liší svými technickými vlastnostmi od původních neupravených vstupních surovin – jeho vlastnosti jsou podobné vlastnostem chudého betonu. Speciálně vyráběné typy stabilizátů lze charakterizovat jako materiál nepropustný, s vysokou pevností v prostém tlaku, odolný proti mrazu a vodě.

Při využití stabilizátu jako krajinotvorného prvku v rámci sanace výsypkových těles se využívá systém GEHO, tj. čerpání zahuštěné směsi vysokotlakými membránovými čerpadly. V rámci zajištění stability výsypkových těles je nutné minimalizovat množství přitékajících vod do těchto prostorů. Proto bylo nutné prokázat minimální množství zbytkových (průsakových) vod z plaveného stabilizátu. Za tímto účelem byla v prostředí výsypky vybudována zkušební kazeta.

Zkušební kazeta

Pro projektované těleso úložného prostoru k ukládání VEP, situovaného na vnitřní výsypce hnědouhelného povrchového lomu, je stěžejní otázka tvorby průsakových vod. Pro stanovení množství vod, které se uvolňuje při plavení stabilizátu do výsypkových zemin, byla proto v předpolí bývalého odkaliště na výsypkovém tělese vybudována zkušební kazeta (obr. 1).

Obr. 1 Zájmová oblast – v popředí uprostřed je zkušební kazeta na výsypce, vpravo těleso ze stabilizátu, uprostřed zbytkové jezero bývalého odkaliště a v pozadí povrchový důl hnědého uhlí.

Nejdříve byly provedeny průzkumné práce s cílem ověření geologických a geotechnických poměrů v zájmovém prostoru. In situ byly realizovány jádrové vrty a kopané sondy včetně odběru neporušených vzorků, sondy dynamické penetrace, zatěžovací zkoušky deskou v místě budoucí základové spáry a vsakovací zkouška dle Nestěrova pro stanovení hodnoty filtračního součinitele. Na odebraných vzorcích zemin byly provedeny laboratorní zkoušky za účelem zatřídění zemin, stanovení smykové pevnosti, propustnosti a zhutnitelnosti.

Z dosažených výsledků bylo možné konstatovat, že dno zkušební kazety bylo tvořeno zeminami výsypky převážně charakteru jílů nadložního miocenního souvrství s velmi vysokou až extrémně vysokou plasticitou, tuhé až pevné konzistence, s úlomky porcelanitu a uhlí v podřadném množství. Celkově bylo prostředí zájmové lokality charakterizováno jako nepropustné, místy s nesouvislými propustnějšími polohami.

Zkušební kazeta byla pomocí dělicích hrázek rozdělena do devíti zkušebních polí 1 až 9 (obr. 2). Prostor byl rozčleněn sypanými hrázemi z hutněného stabilizátu na 92 % PS. Východní polovina zkušební kazety byla omezena stávajícími svahy, západní polovina novou základní hrází zkušební kazety výšky 2,5 m. V profilu základní hráze zkušební kazety byly vytvořeny dvě štěrkové filtrační vrstvy šířky 1,5 m pro možnost odvodnění přebytečné a dešťové vody z prostoru za hrázkami. Ve východní části zkušební kazety bylo za základní hrází vybudováno sedm zkušebních polí. Hráz zkušebních polí měla výšku 2,0 m, šířku koruny 3,5 m a sklon svahu 1 : 3. Samostatně bylo u jižního okraje zkušební kazety provedeno zkušební pole č. 8 a 9.

Obr. 2 Plavení stabilizátu pomocí systému GEHO do zkušebních polí ve zkušební kazetě

Celá plocha zkušebních polí č. 1 až 7 byla utěsněna svařovanou PE-HD fólií tloušťky 2 mm. Fólie byla položena na zhutněnou výsypku (92 % PS) a geotextilii Polyfelt TS50. Fólie byla proti průrazu ochráněna geotextilií Polyfelt TS50. Nad fólií byl v celé ploše včetně svahů zkušebního pole proveden plošný drén z kameniva frakce 32–63 a tloušťky 200 mm, překrytý geotextilií Polyfelt TS50.

Při patě svahů byly před položením fólie provedeny v každém poli dvě kolmé rýhy. Na dno plošného drénu bylo do rýh položeno drenážní potrubí MAINCOR Ultra Drain PP DN200, SN12. Prostup potrubí fólií byl proveden standardním způsobem, potrubí bylo extruzně přivařeno k pásu fólie. Svodný drén z PE 100 SDR11 ø 280 mm byl uložen pod hrází v délce 14 m. Potrubí bylo zaústěno do plastové jímky (PR1–PR7, viz monitorovací systém). Následně mohla voda odtékat gravitačně zemním příkopem šíře 0,6 m a hloubky 0,4 m.

Skladba nad překrytým plošným drénem se ve zkušebních polích č. 1 až 7 lišila. Zkušební pole č. 1, 2 a 7 nemělo těsnicí vrstvu. U zkušebního pole č. 3 byla těsnicí vrstva vytvořena hutněným polosuchým stabilizátem (92 % PS) o mocnosti 200 mm. Těsnicí vrstva tvořená hutněným polosuchým stabilizátem o mocnosti 200 mm byla použita také u zkušebních polí č. 5 a 6, ale u těchto polí byl stabilizát navíc překryt geotextilií (Polyfelt TS50).

Zkušební pole č. 4 mělo realizováno těsnicí systém pomocí nepropustné fólie (PE-HD fólie tloušťky 2 mm), která byla proti mechanickému poškození chráněna geotextilií (Polyfelt TS50). Zkušební pole č. 8 nemělo vytvořený drenážní ani těsnicí systém, stabilizát byl plaven přímo na výsypkovou zeminu. Zkušební pole č. 9 bylo záložní a v rámci experimentu nebylo využito.

Monitorovací systém

Poloha jednotlivých monitorovacích objektů a zařízení je zřejmá z obr. 3. Monitorovací systém byl tvořen následujícími prvky:

• 5x vystrojené jádrové vrty hloubky 10 m a vystrojené HDPE kolonou 125/7,1 mm (HJ1–HJ5), které sloužily k monitoringu úrovně mělké hladiny podzemní vody (HPV) a k odběru vzorků podzemní vody pro následný chemický rozbor; 
• 5x vystrojené pozorovací piezometry (PDP1–PDP5) pro doplnění sledování úrovně HPV v nejbližším okolí zájmové stavby;
• 10x geodetický bod (GB1–GB10) sloužící k určení možných posunů bezprostředního okolí zájmové stavby; 
• 1x elektronický srážkoměr (SR1) pro měření množství spadlých atmosférických srážek na sledované lokalitě;
• 7x průtokoměr (PR1–PR7), přičemž každý průtokoměr se skládal z následujících prvků: plastová jímka (objem 4 m³), tlaková sonda (typ LMP_311G, rozsah do 1,6 bar) a trojúhelníkový měrný přepad (Thomsonův přeliv).

Obr. 3 Monitorovací systém zkušební kazety

Tlakoměrná sonda umožňovala měřit pokles nebo nárůst volné hladiny v jímce. Sonda byla pomocí měřicího kabelu spojena s měřicím stanovištěm, kde byl umístěn kontinuální záznamník s dálkovým přenosem dat. Monitoring byl doplněn o:

• sledování jakosti podzemní vody v prostoru stavby na základě laboratorních chemických analýz odebraných vzorků mělkých podzemních vod, 
• geofyzikální měření,
• stanovení objemové hmotnosti a vlhkosti stabilizátu při plavení, respektive při tvrdnutí stabilizátu ve zkušebním poli č. 8, 
• vyhodnocení klimatických poměrů zájmového území a jejich souvislostí s údaji zjištěnými kontrolním sledováním,
• kontinuální geotechnický dozor při plavení stabilizátu do jednotlivých zkušebních polí,
• pravidelnou rekognoskaci stavby.

Plavení stabilizátu

Plavení stabilizátu do jednotlivých zkušebních polí (obr. 2) bylo rozdílné a proběhlo takto:

• zkušební pole č. 1 bylo naplaveno najednou (pole bylo naplaveno na celou svoji mocnost),
• zkušební pole č. 2 bylo naplaveno nejdříve z jedné poloviny a po sedmi dnech zrání stabilizátu byla doplavena druhá polovina objemu zkušebního pole,
• zkušební pole č. 3 bylo naplaveno najednou (pole bylo naplaveno na celou svoji mocnost),
• zkušební pole č. 4 bylo naplaveno nejdříve z jedné poloviny a po devíti dnech zrání stabilizátu byla doplavena druhá polovina objemu zkušebního pole,
• do zkušebního pole č. 5 byl nejdříve naplaven stabilizát o průměrné mocnosti do cca 100 mm, po sedmi dnech zrání stabilizátu byla naplavena první půlka kapacity zkušebního pole a zbylá část byla doplavena po dalších sedmi dnech zrání stabilizátu,
• do zkušebního pole č. 6 byl nejdříve naplaven stabilizát o průměrné mocnosti do cca 100 mm, po osmi dnech zrání stabilizátu byla doplavena zbylá kapacita pole,
• do zkušebního pole č. 7 byl nejdříve naplaven stabilizát o průměrné mocnosti do cca 100 mm, po sedmi dnech zrání stabilizátu byla naplavena první půlka kapacity zkušebního pole a zbylá část byla doplavena po dalších sedmi dnech zrání stabilizátu,
• do zkušebního pole č. 8 byl nejdříve naplaven stabilizát o průměrné mocnosti do cca 100 mm, po pěti dnech zrání stabilizátu byla naplavena první půlka kapacity zkušebního pole a zbylá část byla doplavena po dalších osmi dnech zrání stabilizátu.

Z dokumentovaných hodnot objemové hmotnosti stabilizátu v době plavení můžeme konstatovat, že průměrná hodnota objemové hmotnosti stabilizátu byla 1 499 kg/m³. Zároveň byla na plaveném stabilizátu stanovena vlhkost, která měla průměrnou hodnotu 41 %.

Výsledky provedených měření

Hodnoty z průtokoměrů byly kontinuálně odečítány. Zároveň byla během plavení stabilizátu odčerpávána průsaková voda z jednotlivých jímek, aby byl minimalizován přetok průsakové vody přes měrný přeliv. Výpočet přetoku je zatížen standardní matematickou chybou, která byla čerpáním vody z jímky minimalizována. Odčerpaný objem průsakové vody je matematicky jasněji definován (objem válce). Výše zmíněné bylo zohledněno při vyhodnocení množství průsakových vod. Výsledky jsou sumarizovány v tab. 1.

Dokumentovaný celkový objem průsakové vody byl u zkušebních polí č. 1 a 7 zkreslen kvůli vnějším okolnostem. V bezprostřední blízkosti průtokoměru č. 1 došlo k nechtěnému výtoku proplachové vody při přepojování potrubí, které svádělo proplachovou vodu do zkušebního pole č. 9. Tato voda natekla také do měřicí jímky zkušebního pole č. 1. U zkušebního pole č. 7 došlo k navýšení celkového dokumentovaného objemu průsakové vody vlivem přitečení vody z poruchy tlakového potrubí, která nesouvisela s plavením.

Tab. 1 Objem průsakové vody z jednotlivých zkušebních polí

Zároveň je nutné upozornit, že výsledné objemy průsakové vody z ukládaného stabilizátu jsou, samozřejmě, zatíženy vstupními chybami měření. Jedná se zejména o vliv hustoty kapaliny, která vyvíjí tlak na sondu, a dále o standardní chyby při matematickém určení objemu průsakové vody (zejména přepočet tlaku kapaliny na atmosférický tlak a určení průtoku nad měrným přelivem). Výše uvedené bylo statisticky vyhodnoceno a z dosažených výsledků můžeme konstatovat, že maximální chyba byla do 10 % z celkového objemu průsakové vody.

Z podstaty také plyne, že výše uvedená maximální chyba stanovení odpovídá největším měřeným objemům. Čím menší byl dokumentovaný objem průsakové vody, tím menší byla chyba při jeho stanovení. Z dosažených výsledků je zřejmé, že použitý těsnicí prvek má nezanedbatelný vliv na celkovou hodnotu průsakové vody. U zkušebních polí, kde nebyl použit žádný těsnicí prvek, byl měřen největší objem průsakové vody ve srovnání se zkušebními poli s těsnicím prvkem.

Zároveň má na celkový objem průsakové vody výrazný vliv množství naplaveného stabilizátu v rámci jednoho plavení. Největší hodnota objemu průsakové vody byla dokumentována u zkušebního pole č. 1, které bylo bez těsnění a kde byl stabilizát naplaven na celou mocnost zkušebního pole. Je nutné upozornit, že konečná hodnota objemu průsakové vody je navýšena o dále nespecifikované množství vody (viz výše). Pokud byl stabilizát plaven postupně v několika etapách, došlo k výraznému snížení celkového objemu průsakové vody.

V rámci přestávky mezi jednotlivými plaveními došlo k hydrataci záměsové vody, stabilizát postupně ztvrdl a vytvořil nepropustnou vrstvu pro další plavený stabilizát. V případě plavení stabilizátu na těsnicí prvek, který byl tvořen hutněným polosuchým stabilizátem, bylo měřeno výrazně menší množství průsakové vody než u zkušebních polí bez těsnicího prvku, a to dokonce i v případě, že byl stabilizát plaven na celou mocnost zkušebního pole (pole č. 3). To je dáno tím, že těsnicí prvek tvořený hutněným stabilizátem pojal zbytkovou vodu z plavení stabilizátu.

Hydratace probíhala jak u plaveného stabilizátu, tak u polosuchého stabilizátu. Pokud byl nejdříve plaven stabilizát o průměrné mocnosti cca 100 mm a po jeho ztvrdnutí bylo zkušební pole doplaveno (a to jak postupně – pole č. 5, tak najednou – pole č. 6), byly dokumentovány zanedbatelné hodnoty objemu průsakové vody.

U zkušebního pole č. 4, které bylo vytvořeno jako zcela nepropustné zkušební pole, došlo k natečení průsakové vody do jímky v objemu cca 4 m³. S vysokou pravděpodobností se spíše jednalo o průsaky do drenážního systému z jeho okolí než o netěsnost použité fólie. V průběhu experimentu nedošlo u pole č. 4 k vytvrdnutí stabilizátu tak, jako u ostatních zkušebních polí, kdy byl stabilizát již po dvou dnech pochozí.

Při hodnocení dosažených výsledků musíme vzít v úvahu také fakt, že pod těsnicí vrstvou se nacházel drenážní systém, který byl velmi propustný. Uměle vytvořený drenážní systém měl o několik řádů vyšší hodnotu propustnosti než okolní výsypková zemina. Pro eliminaci výše uvedeného zkreslení nebyl drenážní systém vybudován u zkušebního pole č. 8. Zároveň také nebyl osazen měřicí systém, který by měřil množství průsakové vody z plaveného stabilizátu. Pro reálné ohodnocení vlivu plavení na výsypkovou zeminu, včetně možného průsaku a dosahu potenciálního proudění zbytkových vod z plaveného stabilizátu, byly použity geofyzikální metody a polní zkoušky (odvrty do naplaveného stabilizátu).

Hydrogeologické měření bylo soustředěno na sledování mělkého oběhu podzemních vod v okolním výsypkovém tělese a měření množství atmosférických srážek, včetně srovnání s převzatými daty z ČHMÚ. Měření bylo prováděno v dostatečném předstihu před začátkem plavení stabilizátu do zkušební kazety. U všech sledovaných sond nebyl v měřeném období dokumentován výrazný pokles ani nárůst úrovně mělké hladiny podzemní vody ve výsypkovém tělese. Vlivem plavení stabilizátu do zkušební kazety nedošlo k ovlivnění úrovně mělké hladiny podzemní vody. Z vyhodnocení monitoringu atmosférických srážek vyplynulo, že nemohly významně ovlivnit měřené množství průsakových vod z plavení.

Hydrochemickým monitoringem bylo sledováno, zda byly poměry v zájmové lokalitě proměnné a zda byly ovlivněny plavením stabilizátu. Na vzorcích podzemní vody byly laboratorně analyzovány veličiny a prvky jako pH, CHSKCR, RAS, Al, B a V. Před zahájením plavení VEP do zkušební kazety a po jeho ukončení byl proveden úplný základní chemický rozbor vody. Z vyhodnocení měřených hodnot sledovaných parametrů je zřejmé, že během sledovaného období nedošlo k žádné změně chemismu podzemní vody – plavení stabilizátu neovlivnilo chemismus okolních vod.

Před zahájením plavení bylo zkušební pole č. 8 plošně prozkoumáno pomocí geofyzikálních měření. Zároveň bylo instalováno přímé měřicí zařízení pro sledování změn elektrických vlastností jak samotného stabilizátu, tak i prostředí ve dně zkušebního pole (výsypka). Geofyzikální měření bylo průběžně opakováno po naplavení a vytvrdnutí jednotlivých vrstev stabilizátu. Komplex použitých geofyzikálních metod sestával z měření georadarem, odporových měření v multielektrodové variantě, z elektromagnetického dipólového profilování a z mělké refrakční seismiky.

Z výsledků geofyzikálních měření v průběhu plavení vyplynulo, že prostředí plaveného stabilizátu bylo výrazně vodivější než výsypka a postupně se zde zvyšovala permeabilita. Obdobně v případě dna zkušebního pole došlo během plavení k pozvolnému nárůstu vodivosti. Poslední měření provedené po dvou týdnech od posledního plavení ovšem vykázalo v obou případech pokles vodivosti, daný vytvrdnutím stabilizátu a snížením obsahu vody jak ve stabilizátu, tak i v zemině.

Obr. 4 Kontrolní odvrt zkušebním polem č. 8, na obrázku je zřejmé rozhraní mezi stabilizátem a výsypkou.

Z geofyzikálních měření je zřejmé, že ve zkušebním poli č. 8 nedošlo ke zhoršení vlastností podloží kvůli plavení stabilizátu. Pro ověření dříve dokumentovaných výsledků byly po konečném naplavení stabilizátu a jeho vytvrdnutí realizovány ve zkušebním poli č. 8 tři jádrové odvrty (obr. 4). Na nich byl proveden popis jádra a základní stanovení fyzikálně-mechanických parametrů. Z dosažených výsledků můžeme konstatovat, že těleso stabilizátu bylo vesměs homogenní, nebyly v něm patrné žádné anomálie ani plochy diskontinuit. Nebyl pozorován žádný průnik plaveného stabilizátu do podloží – rozhraní mezi stabilizátem a výsypkovými jíly bylo ostře oddělené (obr. 4).

Závěr

Experiment prokázal minimální množství zbytkových (průsakových) vod z plaveného stabilizátu. Zároveň bylo stanoveno nejvýhodnější řešení ukládání stabilizátu systémem GEHO do výsypkového tělesa. Jako nejvýhodnější variantu projektovaného úložného prostoru pro ukládání VEP bylo doporučeno realizovat těsnicí systém pomocí naplavení stabilizátu v mocnosti 100 mm a po jeho vytvrdnutí (3 až 4 dny) pokračovat v dalším plavení v krocích o mocnosti plaveného stabilizátu 1,0 až 1,5 m. Jako druhou variantu lze doporučit realizaci těsnicího systému pomocí zhutněného polosuchého stabilizátu o mocnosti 100 až 200 mm.

Determination of residual water from the float energy by-products on the spoil heap

The question of the determination of the minimum amount of residual water from the float energy by-product was discussed within solution of the deposit secondary energy by-product. Consequently, the experimental area was realized on the spoil heap. The implemented monitoring system included especially the measurement of residual water. Each test area had different sealing system and also the float energy by-product was different (quantity and time). The minimal amount of residual water has been demonstrated from the float energy by-products. The contribution carries out and documents the results of monitoring system gathered from a comprehensive field test. We found the best solution how to save the float energy by-product on the spoil heap.

 

TEXT: Mgr. Petr Černoch, Ing. Jiří Košťál, Ph.D.
FOTO: INSET, s. r. o.

Petr Černoch je inženýrským geologem a pracuje ve společnosti ČEZ Energetické produkty, s. r. o. Jiří Košťál je geotechnikem a pracuje ve společnosti ­INSET, s. r. o., Divize Energetika.

Článek byl uveřejněn v časopisu Inžinierske stavby/Inženýrské stavby 5/2017.