Filtracija vode

Динко Кнежевић: „Одлагање индустријског отпада“, скрипта, верзија 1.1

1

7. АНАЛИЗА ФИЛТРАЦИЈЕ ВОДЕ КРОЗ ДЕПОНИЈУ1 Тесно повезано са сигурношћу депонија је положај слободне водене површине у телу насипа. Слика 7.1 даје један пример из литературе [Kealy, 1971] који осликава огромну разлику у коефицијенту сигурности за два положаја слободне водене површине. Коефицијент сигурности опада са сигурних Fs = 2,679 за положај слободне површине у нивоу природног терена на критичних Fs = 1,141 са порастом слободне водене површине до на слици назначеног нивоа.

Слика 7.1. Коефицијент сигурности за два различита положаја слободне водене површине

Слика 7.2 [Kealy, 1971] која даје илустрацију односа између коефицијента сигурности и висине насипа у зависности од положаја слободне водене површине, такође јасно показује повезаност коефицијента сигурности и положаја слободне водене површине.

1 Ово поглавље је написао Златко Рајковић, дипл. инг. грађ.


2

Разматрање историје рушења јаловинских брана у свету, а и код нас, открива да је у скоро свим случајевима вода била почетни фактор који је довео до рушења депоније (насипа).

Слика 7.2. Коефицијент сигурности у зависности од положаја слободне водене површине

Из напред наведеног проистекла је потреба за поузданим предвиђањем положаја слободне водене површине у телу насипа депонија индустријског отпада, с једне стране, као и за предвиђањем количине воде која се креће у и око депонија за потребе димензионисања дренажних објеката и контролу загађивања животне средине, с друге. 7.1. Принципи филтрације Основне карактеристике струјања подземне воде које се јавља код насипа депонија индустријског отпада су следеће:

• закривљеност струјница у вертикалном плану са изразитим променама брзине по вертикали дуж које се не може извести осредњење (строго узевши јавља се просторно струјање, али које се може свести на раванско у вертикалним равнима);


3

• релативно мала ангажована површина, односно запремина порозног масива у односу на струјање у аквиферима услед чега стационарна струјања играју знатно већу улогу него код аквифера (може се стога сматрати да овде стационарно струјање игра доминантну улогу).

Према томе, филтрација (у смислу у коме се користи у овом тексту) се дефинише као течење воде кроз хомогено, засићено тло у стационарним условима. Надаље, за честице тла и воду се узима да су нестишљиви, а за течење да се повинује Дарсијевом закону. Дарсијев закон се изражава као

ikv ⋅= ( 7-1 ) или

Aikq ⋅⋅= ( 7-2 ) где је: v – брзина филтрације, m/s k – Дарсијев коефицијент филтрације, уобичајено се назива коефицијент филтрације или коефицијент пропустљивости, i – хидраулички градијент (губитак притиска на растојању дуж кога се јавио тај губитак притиска), m/m A – попречни пресек управан на правац течења, m2 q – протицај, m3/s. Дарсијев закон каже да се вода у тлу креће од стања веће (потенцијалне) енергије ка стању мање енергије при чему разлика у стањима енергије представља енергију потребну за кретање воде кроз тло, тј. за савладавање отпора течењу. Код струјања подземне воде јављају се по правилу врло мале брзине реда 10-4 do 10-5 m/s, а често и знатно мање. Код таквих брзина може се у изразу за енергију

g

vzpE⋅

++=2

2

γ ( 7-3 )


4

занемарити члан v2/2g тако да се енергија поклапа са пијезометарском висином:

Π=+= zpEγ

( 7-4 )

Из овога проистиче да је пад пијезометарске линије идентичан са падом линије енергије. С обзиром на веома мале брзине које се јављају, струјање подземне воде у порозним срединама је по правилу ламинарно, а пад линије енергије, односно, с обзиром на једначину (7-4), пад пијезометарске линије, пропорционалан је првом степену брзине. Дарсијев закон је ограничен на ламинарни режим струјања. Да би се извршила анализа филтрације, треба имати на располагању општи модел који описује феномен филтрације. Уз примену специфичних граничних услова и пропустљивости тла, овај модел се може користити за одређивање расподеле пијезометарских притисака и протицаја. За услове ламинарног, устаљеног дводимензионалног течења у хомогеној, изотропној, порозној средини полазећи од једначине континуитета и сагласно једначини Дарсија добија се парцијална диференцијална једначина која у општем облику описује струјање подземне воде:

02

2

2

2

=+yδϕδ

δχϕδ ( 7-5 )

где је: ϕ– потенцијал који је пропорционалан са пијезометарском висином, тј. Π⋅= kϕ (7-6)

( к – коефицијент филтрације, Π – пијезометарска висина ).


5

Једначина 7-5 се назива Лапласова једначина и она представља математичку основу за више метода који се користе у анализи филтрације. 7.2 Границе, пропустљивост тла и притисци којима је изложена вода Засићено тло које се разматра у анализи мора бити дефинисано границама, пропустљивошћу тла и притисцима којима је изложена вода. Природа и положај граница, пропустљивост тла и притисци се одређују програмом истраживања тла, претпоставкама базираним на инжењерском расуђивању и условима које намеће пројекат. Нормално, потребно је претпоставке упростити у довољној мери како би се успоставиле границе које ће анализу филтрације учинити изводљивом. 7.2.1. Типови граница Анализа филтрације код депонија обухвата четири могућа типа граница, приказана шематски на слици 7.3.

Слика 7.3. Примери граница

Улазне и излазне површине. Линије које дефинишу површине где вода улази у или излази из пропусне јаловинске масе или природног тла се називају улазне, односно излазне површине, респективно. Ове линије (АБЦ, односно ДЕФ на слици 7.3) су линије једнаког потенцијала, тј. пијезометарски притисак је исти целом дужином линије независно од


6

њене оријентације или облика. Струјне линије су управне на улазне, односно излазне површине. Непропусне границе. Границе између засићене, пропусне масе тла или јаловине и суседних материјала као што су тла са веома малом пропустљивошћу или бетон се апроксимирају као непропусне границе. Претпоставља се да нема течења преко ове границе, тако да је течење у пропусном материјалу непосредно уз непропусну границу и паралелно са том границом. На слици 7.3 линија ХИ је непропусна граница. Слободна површина. Ова граница је лоцирана унутар пропусног материјала и представља линију дуж које је вода под атмосферским притиском (линија АГ на слици 7.3). Због утицаја капиларности засићена зона пропусног материјала је нешто изнад слободне површине, али ова капиларна зона ретко има значајан утицај на анализу филтрације па се у пракси занемарује. Док се прве две границе дефинишу преко геометријских граница засићене порозне масе, слободна површина је непозната све док није позната расподела протицаја унутар пропусног тла. И код слободне површине, као и код непропусне границе, важи претпоставка да нема течења преко слободне површине тако да је течење у пропусном материјалу непосредно уз границу и паралелно самој граници. Линија процуривања. Линија процуривања (линија ГД на слици 7.3) представља линију кроз коју вода избија из депоније на низводној косини. Линија процуривања није ни струјна ни еквипотенцијална линија. Притисак дуж ове линије је атмосферски. 7.2.2. Пропустљивост тла Код анализе проблема филтрације неки материјал се сматра пропустљивим ако има међусобно повезане поре, пукотине или друге ”пролазе” кроз које вода или ваздух може да тече. Степен пропустљивости неког материјала квантитативно се изражава коефицијентом филтрације.


7

Ниједна друга инжењерска особина неког природног тла или грађевинског материјала не показује шири опсег вредности (и до 10 редова величине), нити показује већу променљивост по правцу (анизотропија) и по простору као што је то случај са коефицијентом филтрације. Коефицијент филтрације природних земљаних наслага и брана које је изградила људска рука могу да варирају од преко 0,30 m/s за чисте шљункове па до око 1x10-11 m/s, тј. у опсегу од неколико милијарди пута. Исправно одређен коефицијент филтрације неког тла или уграђеног материјала обезбеђује један врло важан фактор у анализи филтрације и у пројектовању дренажних објеката за инжењерске радове. У инжењерској пракси се, у зависности од конкретног проблема који се решава, примењују бројне методе за одређивање пропустљивости тла. 7.2.3. Притисци на границама Осим граница и пропустљивости за решавање проблема филтрације неопходно је дефинисати област струјања са одговарајућим граничним условима, тј. притисцима који владају на границама области која се анализира. Ове границе су обично речни токови или канали који су у хидрауличкој вези са доњим водоносним слојевима, границе са познатим протоком и сл. 7.2.4. Хемијски састав воде Још један битан фактор о коме се мора водити рачуна при разматрању депонија је и хемијски састав отпада, односно воде која се филтрира из депонија. Док су тла и воде који се срећу у грађевинској техници, генерално, хемијски неутрални, то скоро никада није случај када се ради о јаловинама из процеса флотирања руда. Њихов састав и промена кроз време су врло варијабилни у зависности од природе и услова сваког конкретног случаја.


8

Ови отпадни материјали могу садржати различите растворљиве и токсичне соли. У рудницима бакра, олова, цинка и гвожђа, јаловина има вишак садржаја сумпора, посебно у рудницима гвожђа. Овакве јаловине су теже од силикатних и таложе се већом брзином. Када постану оксидисане, могу да образују тврду кору која спречава или ограничава функционисање дренажа. И код рудника за експлоатацију других минералних сировина јављају се одређене специфичне материје у јаловини која се одлаже. Испитивања хемијског састава индустријских јаловина, односно воде која долази у депонија је неопходна код пројекта депонија како би се могао оценити степен опасности од загађења природне околине, као и могуће негативно деловање ове воде на дренажне објекте у депонији ( дренажне цеви, бунарски филтери, итд. ) које се огледа у смањењу капацитета тих објеката, било услед корозије, било услед инкрустације. 7.3. Методи за решавање проблема филтрације Лапласова једначина је математичка основа за више метода које се користе у анализи филтрације. За решење Лапласове једначине не постоји у општем случају аналитички облик решења што у одређеној мери отежава решавање практичних задатака из области филтрације. У инжењерској пракси се, међутим, користи низ различитих метода који омогућују, са више или мање тачности решавање основне једначине, па самим тим и проблема филтрације (слика 7.4).

Слика 7.4. Методе анализе филтрације


9

7.3.1. Графички метод конструкције струјне мреже Традиционални, а до наглог развоја компјутера 80-их година двадесетог века и највише коришћени метод приказивања система течења у једној брани је конструкција струјне мреже. Ако су гранични услови и геометрија неке области течења познати и могу се приказати дводимензионално, струјна мрежа даје снажан визуелни осећај о томе шта се дешава у тој области течења. Лапласова једначина је елиптичка парцијална диференцијална једначина чије решење се може представити помоћу скупова ортогоналних кривих. Један скуп представља струјне линије, док криве под правим угловима на струјне линије показују положај тачака унутар порозне средине које имају исти пијезометарски притисак (еквипотенцијалне линије). Струјна мрежа је сингуларно решење за неке одређене услове филтрације, тј. постоји само једна фамилија кривих која решава дату геометрију и граничне услове. Ово не значи да ће један дати проблем имати само једну струјну мрежу – могуће је из те фамилије кривих изабрати различите скупове кривих за дефиницију проблема. Међутим, однос између броја ламела у струјној мрежи оивичених двема узастопним суседним струјним линијама и број струјних ламела се не мења. Постоји већи број публикација које дају детаљна објашњења и упутства за конструисање струјних мрежа [Борели, 1976, Cedergren, 1967, US Army, 1986, Вуковић, 1984]. Најбољи начин да се развије и усаврши разумевање филтрације и струјних мрежа је проучавање добро нацртаних струјних мрежа које се могу наћи у литератури и вежбање да се оне нацртају. У оквиру овог текста се неће разматрати детаљи саме методе графичке конструкције струјне мреже већ ће се дати само неколико базних смерница:

• одреде се услови течења на границама, • течење ће бити дуж и паралелно са линијама непропусних граница, • улазне и излазне површине су еквипотенцијалне линије са течењем

управно на њих, • течење је дуж и паралелно са линијом слободне водене површине;


10

• еквипотенцијалне линије и струјнице морају се сећи под правим угловима формирајући мрежу криволинијских квадрата;

• искуствено, бољи поступак конструкције струјне мреже је да се прво уради груба струјна мрежа, па онда ураде поправке на целој мрежи, него да се прво дефинише један део у потпуности с обзиром да поправљање једног малог дела мреже има тенденцију да промени читаву мрежу;

• почетни нагласак треба да буде на добијању пресека струјница и еквипотенцијалних линија под углом од 90°, па затим мењати положај линија тако да формирају квадрате;

• користити само довољан број струјница и еквипотенцијалних линија за одређивање струјне мреже (ако су потребне додатне информације у одређеним областима, квадрати се могу изделити на мање квадрате како би се добила детаљнија представа о расподели протицаја и притисака);

• дуж линије процуривања, еквипотенцијалне линије и струјнице не граде квадрате с обзиром да линија процуривања није ни струјница ни еквипотенцијална линија;

• тачност квадрата се може проверити цртањем дијагонала за неки квадрат или делећи квадрат скицирајући још једну додатну струјницу и еквипотенцијалну линију управну на њу (дијагонале би требало да буду глатке криве које се пресецају под правим угловима, а такође, ако је пресек две еквипотенцијалне линије и две струјнице квадрат, онда у њега може да се уцрта круг коме ће свака страница бити тангента);

• за прорачун филтрационог протицаја потребна је само груба струјна мрежа, док је детаљнија струјна мрежа потребна за одређивање расподеле притисака.

Графички метод конструкције струјне мреже може се применити и код анизотропних материјала, каква су већина тла која се јављају у природи, а и саме јаловинске депоније такође. Да би се компензовао утицај анизотропије, димензије порозне средине (конкретно, једне јаловинске депоније) се мењају у одређеном односу како би се добио трансформисани пресек. Струјна мрежа се нацрта на трансформисаном пресеку, а онда се


11

пресек (укључујући и струјну мрежу) враћа на оригинални пресек при чему се добија неквадратна мрежа. Прорачуни се изводе коришћењем неквадратне струјне мреже. Такође, могуће је графички метод конструкције струјне мреже применити и код анализе филтрације за сложене пресеке. Један пример конструисања струјне мреже [Cedergren, 1967] приказан је на слици 7.5.

Слика 7.5. Конструкција струјне мреже за случај бране на основи мање пропустљивости


12

Ипак, мора се нагласити да је примена методе графичке конструкције струјне мреже ограничена на једноставније случајеве анизотропије и сложених пресека. У компликованијим случајевима, какви се углавном сусрећу код депонија, примена ове методе постаје веома спора, тешка и заморна, ако не и практично немогућа. 7.3.2. Физички модели Физички модели који симулирају течење воде у порозним срединама омогућавају добар увид у оно што се дешава током филтрације, као и реакције система на промене у притисцима, пројектној геометрији или неким другим полазним претпоставкама. Електрична аналогија. Лапласова једначина, осим за струјање подземне воде, важи и за кретање електричне струје и топлоте. На тој чињеници базирана је и примена аналогних модела (аналогана) за изучавање филтрације, од којих највећу примену има електрична аналогија. Кореспондентне су следеће величине:

• електрични напон је аналоган пијезометарском нивоу воде у порозним срединама, • протицај електричне струје је аналоган протицају подземне воде, • коефицијенат отпора електричног проводника је аналоган реципрочној вредности коефицијента филтрације.

Овако постављене аналогије показују и начин на који треба конструисати електричне моделе код изучавања струјања подземне воде. Границе које су код струјања подземне воде непропусне, на електричном моделу су од изолаторског материјала (стакло, поливинил, гума, итд.). Границе које су код струјања подземне воде линије једнаког пијезометарског нивоа треба да одговарају проводницима знатне електричне проводљивости, тако да је цео проводник под истим електричним напоном. На аналоган начин се могу приказати било који други гранични услови. Што се тиче проводника који треба да представљају саму порозну средину, веома је погодно користити електролите, а често се употребљава и проводна хартија.


13

Помоћу електричне аналогије могу се изучавати како равански, тако и просторни проблеми филтрације. Лоша страна примене овог метода је да је рад тежак и потребна је физичка опрема тако да се данас користи углавном као контрола или пак као почетни корак при изради компликованијих анализа (углавном нумеричких) с обзиром да се њиме врло лако уочавају грубе грешке. Пешчани модели. Пешчани модели (хидраулички модели) се састоје од чврстог, водонепопусног контејнера са провидном предњом страном, који је испуњен песком. Геометрија пешчаног контејнера треба да одговара оној на прототипу. Ови модели могу да користе материјале са прототипа и дају информације о струјним путањама и пијезометарским притисцима у одређеним деловима порозне средине. Течење се може пратити ињектирањем боје, а пијезометарски притисци се одређују мерењима на уграђеним пијезометрима. Неповољности овог метода укључују могуће утицаје стратификованости материјала приликом уграђивања, утицаје капиларности, тешкоће при моделирању пропустљивости материјала, као и при моделирању граничних услова. Вискозни модели. Вискозни модели се базирају на сличности једначина које описују законе течења у засићеном тлу и једначина које описују течење вискозне течности између двеју паралелних плоча постављених на малом међусобном растојању. Модел са вискозним течењем има облик објекта који се испитује, а као вискозне течности се користе уље или глицерин. Као и код пешчаних модела може се ињектирати боја да би се одредиле струјнице.


14

Сам модел је доста компликован, а рад са моделом захтева пажњу с обзиром да температура и капиларне силе имају велики утицај и да течење мора да буде ламинарно што може да буде тешко да се постигне на границама или на оштрим променама геометрије пресека. 7.3.3. Аналитички методи Конформна пресликавања. Директан задатак проналажења решења Лапласове једначине за дате граничне услове може се извести ако се теорија функција комплексно променљиве разматра у својој комплетнијој форми укључујући и тзв. конформна пресликавања. Код примене овог метода користи се трансформација за преношење геометрије неког проблема из једне комплексне равни у другу, при чему се геометрија једног проблема може пребацити из једне равни где је решење непознато у неку раван где је решење познато. Овај метод се користи за добијање решења за опште проблеме филтрације, док се ретко користи за решавање проблема филтрације везаних за једну специфичну локацију с обзиром да захтева коришћење теорије комплексне променљиве и правилан избор функција трансформације. Метод Павловског. Павловски је 1931. године дао хидрауличко решење задатка за случај филтрације воде кроз тело земљане бране. Овај апроксимативни метод омогућава да прилично сложени проблеми филтрације буду решени разбијањем бране у делове, анализом слике течења у сваком делу посебно и поновним састављањем делова како би се добило укупно решење. Аналитичке методе се могу применити у анализи филтрације код депонија само за неке једноставније случајеве или као прва апроксимација у анализи.


15

7.3.4. Нумерички методи Нумерички методи се користе за добијање задовољавајућих апроксимативних решења Лапласове једначине у комплексним условима течења. Нумерички методи су добили на значају као последица наглог развоја и ширења употребе рачунара, тако да се може рећи да су они данас преовлађујући у анализи филтрације код депонија. Данас постоје два главна метода за нумеричко решавање Лапласове једначине, и то: • метод коначних разлика и • метод коначних елемената. Оба метода се могу користити за једно-, дво- и тродимензионално моделирање проблема филтрације. Метод коначних разлика. Основни принцип примене метода коначних разлика за решавање парцијалних диференцијалних једначина се састоји у замени бесконачно малих разлика неке величине коначним, мерљивим разликама. При томе се континуални домен који се разматра замењује дискретним који се састоји од правоугаоне мреже поља одређених коначних димензија. Код решавања Лапласове једначине методом коначних разлика област течења се подели на дискретну правоугаону мрежу, са чворним тачкама којима се додељују вредности притиска (познате вредности притисака дуж граница или тачака са фиксним притиском, претпостављени притисци за чворне тачке у којима величине притисака нису на почетку познате) и изврши се следећа замена:

( ) ( )⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

ΔΠ−Π

−Δ

Π−ΠΔ

≈⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Π

xK

xK

xx

Kx 1223

1

δδδ

δ

где су ознаке према слици 7.6:


16

Слика 7.6. Дискретизација средине елементима коначних димензија

Тиме се основна парцијална диференцијална једначина замењује системом од Н линеарних алгебарских једначина са Н непознатих вредности притисака (Н је једнак броју чворова). Нормално, број чворова је велики, а самим тим и добијени систем линеарних алгебарских једначина. За његово решавање, по правилу, се користи метод итерације и неопходна је примена компјутера. Метод коначних елемената. Овај метод је, такође, заснован на прављењу мреже која дели област течења на дискретне елементе, при чему елементи не морају да буду обавезно правоугаони, чиме се обезбеђује Н једначина са Н непознатих. За разлику од модела са коначним разликама, приступ методом коначних елемената омогућава елементима мреже да се деформишу, на тај начин обезбеђујући тачније представљање геометрије слободне водене површине и унутрашњих слојева.


17

Слика 7.7. Дискретизација средине методом коначних елемената Метод коначних елемената има више предности над методом коначних разлика код анализе проблема филтрације, и то:

• могућност лаког прилагођавања сложеној геометрији, укључујући и слојеве у нагибу (што је случај код јаловишних депонија);

• мењањем величине елемената у зонама где су градијенти брзине велики, могуће је тачније моделирање ових области (ово је нарочито битно на прелазу између два различита материјала и на местима дренажних објеката и/или излаза воде ван тела депонија) и

• могу се моделирати џепови материјала у неком слоју. Дакле, две су основне етапе у прилазу и поставци проблема из области филтрације код јаловишних депонија и то:

• као полазна основа за спровођење хидродинамичких прорачуна поставља се одговарајући модел објекта – прорачунска шема,

• за усвојени модел прототипа примењује се адекватни приступ у решавању постављеног задатка.

За решавање проблема филтрације применом било кога од напред приказаних метода – конструисање струјне мреже, примена аналогије са другим физичким величинама, аналитичке технике или нумерички методи – неопходно је познавати одређени број параметара, а то су:

• пропустљивост материјала (у хоризонталном и вертикалном смеру) и

• границе области о којој се ради у облику геометрије и хидрауличких притисака и протицаја.

Први корак у анализи је да се дефинише, или изолује, област која се проучава у смислу граничних услова.


18

Потребно је потпуно разумевање механике флуида и механике тла како би се применили реалистични гранични услови у циљу добијања тачног решења разматраног проблема. Погрешни гранични услови могу дати наизглед прихватљиво решење, а које може бити потпуно погрешно и то може остати непримећено све док се не поправе гранични услови или се изврши провера са теренским подацима (ако они постоје). Генерално, правило је да када год је то могуће, треба користити теренске податке за верификацију добијених решења. 7.4. Стабилност брана са гледишта филтрације Решавањем Лапласове једначине неким од метода приказаним у претходним тачкама добија се комплетна слика услова филтрације за дату геометрију и граничне услове, тј. добија се комплетан распоред притисака и протицаја кроз једну јаловинску депонију. Осим као улаз у прорачунима геостатичке стабилности насипа ова решења дају информације и о стабилности јаловинских депонија са гледишта филтрације. Постоје два основна вида филтрационе нестабилности који се могу јавити код јаловинских брана. То су суфозија и подизање материјала под дејством филтрационог тока (или флуидизација материјала). При одређеним брзинама филтрациона вода ће у свом струјању кроз насип или темељно тло испирати делиће финијег материјала, што доводи до повећања брзина и одношења све крупнијих делића. Овај процес може да се заврши рушењем структуре материјала. Појава испирања финијих честица зове се суфозија. Услед струјања филтрационе воде вертикално навише пијезометарска висина у некој тачки испод површине терена је већа него на самом терену. Појављује се разлика у пијезометарским висинама која има тенденцију истискивања (подизања) целокупног површинског слоја земљишта.


19

Подизање земљишта под дејством филтрационог тока или флуидизација земљишта је други вид рушења под дејством филтрационог тока. Да ли ће се за одређене услове појавити суфозија или ће се материјал подићи као целина зависи од гранулометријског састава материјала. Неуједначеност гранулометријског састава неког материјала дефинише се степеном неравномерности или коефицијентом неуједначености, Cu = η (в. Поглавље 3). Експерименти су показали да до испирања делића неће доћи ако је η < 10 и да се у том домену земљиште под дејством филтрационог тока може срушити само подизањем површинског слоја као целине. Када је η > 20 појављује се суфозија под условом да је филтрациони ток довољно интензиван. У области 10 < η < 20 у зависности од облика зрна материјала може, али не мора, да дође до суфозије. Напред наведене границе нису фиксне већ само грубо оријентационе. Пад пијезометарског нивоа филтрационог тока при коме долази до рушења структуре материјала назива се критични градијент. Критични градијент код флуидизације под дејством филтрационог тока управљеног навише може се одредити применом метода солидификације уз коришћење основних закона статике и он износи:

( )nI s

kr −−

=1γ

γγ

и приближно је раван јединици. Критичне градијенте код суфозије је тешко одредити аналитичким путем. Експерименти показују да су они реда


20

Ikr = 0,25. Дозвољени градијенти морају бити мањи од критичних при којима долази до деформације материјала под дејством филтрационих сила. Дозвољени градијенти се могу усвојити према табели 7.1. [Борели, 1976]. Табела 7.1 Видови деформације материјала под дејством филтрационих сила и допуштени градијенти Вид деформације материјала под дејством филтрационих сила

Допуштени градијенти Idop

Подизање земљишта 0,3 – 0,4 Суфозија 0,15 Могућа оба вида 0,20

Уколико се филтрационим прорачунима добије да је положај слободне водене површине у телу насипа превисоко са становишта геостатичке стабилности објекта или да су градијенти филтрационог тока већи од дозвољених морају се предвидети мере за њихово довођење у дозвољене границе, тј. мере за контролу филтрације. 7.5. Контрола филтрације Депоније индустријског отпада, као и земљане или камене бране, су подложне филтрацији кроз тело бране, подлогу и бокове. Контрола филтрације је неопходна како би се спречила појава нестабилности низводне косине, суфозија и ерозија материјала из насипа или темеља или недозвољено велики узгон. Пре него што се пређе на разматрање мера које се примењују код депонија за контролу филтрације, односно за њено довођење у дозвољене границе, даће се осврт на неке карактеристике насипа, а које су од значаја са становишта положаја слободне водене површине и распореда притисака и брзина у телу насипс. Везана за сам начин одлагања јаловине, односно метод за изградњу насипа, је слојевитост овог типа брана, као и чињеница да се са


21

напредовањем од спољне косине ка унутрашњости депонија таложе све ситније честице, а самим тим се и пропустљивост бране смањује ка њеној унутрашњости. Слојевитост депонија се реперкусира у појави анизотропије пропустљивости, тј. однос пропустљивости у хоризонталном смеру према пропустљивости у вертикалном смеру је увек већи од јединице и креће се и до 10. Утицај анизотропије пропустљивости на филтрацију и положај слободне водене површине у телу једне бране приказан је на слици 7.8. [Cedergren, 1967]. Са слике је јасно да што је већи степен услојености неке бране (представљен односом хоризонталне пропустљивости према вертикалној пропустљивости) положај слободне водене површине је све ближи низводној косини бране. Када је Кх = 9Кв део филтрациона вода избија на површину и низводна косина постаје засићена и подложна разним видовима филтрационе и статичке нестабилности.

Слика 7.8. Утицај анизотрпије пропустљивости на филтрацију кроз брану


22

Према истраживањима Килија и Буша [Kealy, 1971] анизотропија код депонија има мањи значај и утицај на положај слободне водене површине у телу јаловинских насипа него код класичних земљаних брана, првенствено везано за положај језера у односу на насип. Наиме, језеро је код депонија удаљено од узводне косине насипа и има такав положај да се узводна косина насипа може третирати у хидродинамичким прорачунима пре као струјна него као еквипотенцијална линија (а што је опет случај код класичних земљаних брана), али се ипак утицај услојености, односно анизотропије пропустљивости мора узети у обзир у прорачунима. Једна друга карактеристика депонија и јаловинских насипа има много већи значај, а то је смањивање пропустљивости идући од низводне косине ка унутрашњости депонија. Кили и Буш [Kealy, 1971] наводе да је "неупоредиво најзначајнији чинилац у одређивању положаја слободне водене површине смањивање релативне пропустљивости од низводног лица до унутрашњости депонија", као и да "незнатне промене у релативној пропустљивости доводе до велике промене у положају слободне површине". Овакав распоред пропустљивости, који је с обзиром на технологију одлагања јаловине правило без изузетака, је повољан са становишта положаја слободне водене површине у телу депонија (код класичних земљаних брана једна од мера које се примењују за снижавање линије слободне водене површине у телу бране је зонирање бране са повећањем пропустљивости зона од узводне ка низводној косини бране). Један пример извршене шематизације депонија за хидродинамичке прорачуне где је узето у обзир смањивање пропусности преузет из [Kealy, 1971] дат је на слици 7.9.


23

Слика 7.9. Шематизација једне нехомогене јаловинске бране на пропусном темељном тлу

И поред ове повољности, ипак је код велике већине депонија неопходно применити одређене мере за контролу филтрационе воде. На филтрацију воде кроз депонију утичу многи фактори. На слици 7.10. приказани су утицаји положаја таложног језера, сегрегације на плажи и пропусности тла на положај линије слободне површине. Очигледно је да приближавање таложног језера подиже линију слободне површине и условљава истицање воде на ваздушној косини насипа. Слична ситуација се може очекивати и када је слаба сегрегација материјала на плажи. Истовремено се види да лоцирање депоније на слабопропусној подлози условљава дизање линије слободне воде и да може да угрози стабилност насипа. Случајеви сегрегације на плажи и темељења су разматрани при задовољавајућој удаљености таложног језера од насипа те је јасно да ако дође до комбиновања лођше сеграгације материјала на плажи и формирање таложног језера уз насип да ће се проблеми сабирати те да ће се добити јако неповољни филтрациони ефекти. У пракси се обично ови поремећаји дешавају комбиновано и суперпонирање неповољних ефеката доводи до филтрационе нестабилности и филтрационих поренећаја на депонијама.


24

High-pond condition = таложно језеро близу насипа, Low-pond condition = таложно језеро далеко од насипа, High beach segregation = добра сегрегација на плажи, Low beach segregation = слаба сегрегација на насипу, Impervious foundation = темељење на непропусном тлу, Pervious foundation = темељење на пропусном тлу Слика 7.10. Утицај положаја таложног језера, сегрегације материјала

на плажи и основе насипа на положај линије слободне површине 7.5.1. Мере за контролу филтрације Код класичних насутих брана заштита самих брана и њихових темеља од неповољног дејства филтрације базира се на две основне стратегије:

• примена мера које спречавају или смањују количину филтрационе воде и


25

• примена мера које користе дренажне методе за контролу филтрационих вода.

Код депонија се претежно користе методи базирани на дренажама с обзиром да код депонија није циљ (као код класичних брана) задржати што је могуће више воде у језеру, мада су на неким објектима примењене и мере базиране на смањењу количине филтрационе воде, али првенствено везано за еколошке захтеве. Дренажни методи укључују примену:

• цевних дренова и/или дренажних тепиха, • дренажне ножице и • растеретних бунара.

Зависно од потреба конкретне бране могу се користити и комбинације различитих типова дренажних објеката, што је, уосталом, и случај код већине објеката. 7.5.2. Цевни дренови и дренажни теписи Депоније индустријског отпада треба да буду пројектоване и изграђене са дренажним системом који ће контролисати филтрацију како кроз сам насип, тако и кроз темељно тло. Цевна дренажа и дренажни теписи спадају у најчешће и најекономичније мере које се примењују за решавање проблема филтрације код депонија. Ове дренаже су неопходне за одржавање нивоа слободне водене површине у телу насипа довољно ниско тако да филтрациона вода не може да избије на низводну косину и угрози стабилност објекта, било статичку, било филтрациону. Цевна дренажа се састоји од филтерских слојева од каменог агрегата и цеви са отворима или са размакнутим спојевима ради обезбеђења дотока дренажне воде и њеног одвођења изван низводне стране насипа одакле се


26

може враћати у процес, испуштати низводно или најпре пречистити па онда испуштати низводно у зависности од конкретне ситуације. Положај цевних дренова се одређује филтрационим прорачунима, а према потребној величини снижења нивоа на почетним деоницама (највишим тачкама) трасе дренаже и узимајући у обзир и губитак притиска који се јавља при проласку воде кроз филтерски део дрена и кроз отворе на дренажним цевима. Прорачуном је потребно срачунати и укупну количину филтрационе воде и на основу тога пројектовати дренажу, тј. извршити избор врсте и димензија филтерског материјала и дренажних цеви. С обзиром на могуће нетачности при одређивању параметара средине који улазе у прорачун, учињене апроксимације при шематизацији прототипа за потребе прорачуна, као и немогућност накнадних интервенција без великих трошкова препоручљиво је да се димензионисање филтера и цеви врши са применом великог коефицијента сигурности. У пракси се обично усваја фактор сигурности 10. Када цевна дренажа служи за контролу филтрације кроз насип депоније, ови дренови се постављају по припремљеном природном терену (најнижим деловима) и у телу бране – тј. могу бити савршени и несавршени. Када се примењују за контролу филтрације кроз темељно тло, дренови се изводе у рововима одговарајуће дубине са филтерском испуном и цевима. Примена овог типа дренаже у сврху контроле филтрације кроз темељно тло ефикасна је само у случају када се пропусни слој у темељу насипа налази на таквој дубини да се ров може практично извести да би продро у слој који се дренира. И у овом случају дренаже могу бити савршене (пресецају цео водоносни слој) и несавршене (делимично укопане у водоносни слој). Дренаже се у пројектима морају тачно лоцирати и њихов положај дефинисати на бази одговарајућих геодетских ситуација. Уколико се при извођењу дренаже наиђе на локалне услове који се разликују од пројектом


27

предвиђених (нпр. постојање локалне депресије која би спречила гравитационо отицање воде или стеновити део терена на траси који онемогућава израду дренаже) онда се на лицу места врше одговарајуће измене трасе дренаже. Примери цевних дренажа са филтерским слојевима дати су на сликама 7.11, 7.12 и 7.13(а). Са слика се види да се дренаже састоје од филтерског слоја (једног или више) изграђеног од природних материјала (песак, шљунак, камен) и дренажних цеви које прихватају и евакуишу воду ван тела бране.

Слика 7.11. Цевна дренажа савршеног типа

Слика 7.12. Цевна дренажа несавршеног типа


28

Слика 7.13. Детаљ дренаже флотацијског јаловишта „Велики Кривељ“

Преовлађујући дренажни материјал је порозни минерални агрегат. Агрегати доброг квалитета су практично неуништиви, релативно нестишљиви, у природи су широко распрострањени и релативно су јефтини. Лоше стране природног агрегата су што се често не може наћи у близини агрегат који задовољава све потребне услове па се мора додатно прерађивати и уградња материјала је тежа и захтева се посебна пажња да не дође до сегрегације материјала или до његовог прљања. Филтерски слојеви морају да буду одабрани према одређеним критеријумима тако да омогуће пролазак и евакуацију целокупне филтрационе воде, а да се при томе спречи изношење јаловинског материјала из бране.


29

Уместо филтерских слојева од природног материјала могу се применити и тканине од пластичних материјала (тзв. геотекстил) – видите слику 7.13(б). Добре стране геотекстила су лакоћа са којом се уграђује и константност квалитета по читавој дужини дренаже, а лоше виша цена и чињеница да још увек нема довољно искуства како ће се понашати после дужег низа година рада. За цевне дренове могу се употребљавати керамичке, салонитске, пластичне, бетонске и армиранобетонске цеви. Материјал цеви се усваја у зависности од висине надслоја изнад цеви, агресивности средине и осталих могућих чинилаца специфичних за одређену локацију. Керамичке цеви се могу користити само за мале висине надслоја (који не прелази 4,0 до 4,5 m) због њихове мале чврстоће. Салонитске цеви могу се примењивати код већих висина надслоја (односно дубина полагања). Уколико је вода из депонија агресивна морају бити заштићене премазима. У нашој земљи се врло ретко користе с обзиром да се код нас не производе. Пластичне цеви имају доста предности за примену код депонија с обзиром да су отпорне на дејство хемијски агресивних вода, лаке су за транспорт и монтажу и релативно су јефтине. Задњих година се доста примењују у нашој пракси, првенствено код мањих висина надслоја с обзиром на мању чврстоћу. При већим висинама надслоја (или веће дубине полагања) највећу примену имају бетонске и армирано бетонске цеви. За дотицање дренажне воде, цеви се раде са рупама које могу бити кружног облика или у виду уских правоугаоних прореза. Димензије отвора усвајају се у зависности од њиховог облика и карактеристика


30

отпада и филтерског материјала. Препоручљива величина перфорираности код цеви са отворима и прорезима износи 20 до 30 %. Димензије филтерских слојева се одређују [ЈУС, 1980] по параметрима:

• довољног капацитета и • довољне димензије за сигурно и економично извођење,

при чему се капацитет одређује хидрауличким прорачуном филтрације, а конструктивне потребне димензије зависе од средстава за извођење и коштања материјала који се уграђује у филтер. Због случајног распореда вијугавих каналића у којима тече вода кроз поре збијеног материјала у филтеру, спречавање ерозије основног материјала помоћу филтера одговарајућег састава је питање вероватноће. Вероватноћа да ситне честице из базе прођу кроз шире пролазе у порама филтера и да се у њему формирају ерозиони канали мања је што је слој филтера дебљи. Иако је материјал за филтере често скуп не ваља претерано штедети са дебљином слојева. За цевне дренове, у пракси, усваја се да минимална дебљина слојева не буде мања од 15 cm. Подужни падови дренажа углавном прате падове терена. Минималне вредности падова могу се усвојити према вредностима из табеле 7.2 [Куљбакин, 1975]. Табела 7.2 Минимални подужни падови цевастих дренажа

Елементи дренаже

Пречник дренаже, mm

Минимални подужни падови у материјалу глиновитом пешчаном

Оцеђивачи <200 0,002

0,003 Скупљачи 200 - 300 0,0015 Магистрални колектори >300 0,0005

За ревизију и чишћење дренажних цеви према потреби, раде се ревизиона окна постављена на свим преломима трасе дренаже у основи и профилу, као и на праволинијским деоницама трасе на размаку који се усваја у


31

зависности од карактеристика опреме која се примењује за чишћење. Препоручује се употреба типских окана од монтажних армиранобетонских елемената. Ревизиона окна се примењују само код дренажа постављених до одређене дубине (ред величине ~10 m), јер силазак и рад у дубљим шахтовима је веома отежан и практично се не примењује. Лоша страна ревизионих силаза је да врло често на споју цеви са шахтом долази, услед недовољно пажљивог извођења или слегања, до појаве отвора или ситних пукотина. Кроз ове отворе може доћи до улажења јаловине у шахтове и даље, до запуњавања јаловином делова дренажног система. Испусти цевних дренажа обично се раде у виду бетонских глава или се облажу каменом. Уколико се дренажна вода из система цевних дренова прикупља и препумпава, за ту сврху се употребљавају црпне станице веома разноврсних конструкција. Битно је да свака црпна станица мора да има резервну опрему за црпљење. Дренажне црпне станице морају да раде аутоматски. Цевне дренаже се код депонија примењују чешће од других типова дренажа. Ипак, имају одређене недостатке о којима се мора водити рачуна при пројектовању и извођењу ових дренова. Цеви се приликом збијања филтерског материјала или услед слегања могу оштетити или поломити или може доћи до размицања спојева услед чега може да дође до испирања јаловинског материјала и зачепљивања дренажних цеви, па самим тим и поремећаја или чак престанка рада дренажног система. Дренажни теписи се, такође, изводе од филтерских слојева само без уградње дренажних цеви. Да би са сигурношћу могли да прихвате и одведу сву филтрациону воду дренажни теписи, осим довољне пропустљивости, морају имати и довољну површину и одговарајући хидраулички градијент. Димензије дренажних тепиха се одређују применом Дарсијевог закона, по једном од следећа два метода:


32

• Претпостави се пробна дебљина дела дрена који одводи воду и срачуна његова пропустљивост преко Дарсијевог закона написаног у облику:

Ai

Qk⋅

=

Могу се испробати неколико различитих дебљина филтера и срачунати потребна пропустљивост за сваки од њих;

• Претпостави се једна или више пропустљивости које одговарају агрегатима који се могу локално наћи било за експлоатацију било у продаји, а који имају задовољавајући гранулометријски састав и срачуна се потребна дебљина из Дарсијевог закона написаног у облику:

ik

QA⋅

=

У овим прорачунима максимални дозвољени хидраулички градијенти у дреновима зависе од највећег притиска који се сигурно може допустити у дреновима без изазивања штетних хидростатичких притисака или повећања зоне засићења у слојеве који морају да остану без воде. Уколико дренажни теписи имају задатак да, сем филтрације кроз брану, контролишу и филтрацију кроз темеље морају имати такву конструкцију да се то омогући, тј. и према темељном тлу морају да се израде филтерски слојеви. 7.5.3. Дренажна ножица Код већине депонија, осим узводног иницијалног насипа, гради се и тзв. заштитни насип на низводном крају депонија. Он се обично гради од каменог материјала и тако да буде водопропусна. Ако се на његовој узводној косини постави један или више филтерских слојева који спречавају изношење јаловине филтрационом водом, онда овај заштитни насип има и дренажну функцију. С обзиром на његов положај он има значаја тек у завршним фазама изградње депоније. Да би ова низводна камена ножица имала значајнију дренажну функцију потребно је да има


33

одговарајуће димензије у односу на величину насипа. У противном, њен утицај на дренирање филтрационе воде осетиће се само локално у њеној близини, односно са становишта стабилности насипа имаће утицаја само на повећање фактора локалне стабилности, док ће за дубоке клизне кругове ситуација остати практично као да дренажне ножице и нема. 7.5.4. Растеретни бунари Растеретни бунари се примењују као средство за смањење недозвољено великих узгона који се могу јавити ако у темељима насипа постоје пропустљиви слојеви који су у хидрауличкој вези са депонијам, а налазе се сувише дубоко да би се до њих дошло ископом дренова. Бунари треба да буду постављени довољно близу један другоме и отпори при уласку воде у бунар морају бити мали како би се обезбедило снижење притиска у водоносном слоју до безбедног нивоа. Растеретни бунари морају бити пројектовани са ситима или филтерима који спречавају улазак честица тла у бунар и морају да буду отпорни на корозивно дејство воде. Пројектовање једног система растеретних бунара захтева одређивање најекономичнијег растојања и дубине бунара који ће оборити узгон на безбедан ниво. При пројектовању растеретних бунара потребно је оставити довољну резерву за губитке притиска који се јављају на самим бунарима с обзиром да се они не могу унапред срачунати пошто зависе од фактора као што су непознати отпори на филтерској конструкцији или ситу и утицај замуљивања у процесу бушења бунара. Једна од предности система растеретних бунара је релативна лакоћа са којом се систем може проширити у случају да почетно изведени систем не обезбеђује потребну контролу. Почетни систем се пројектује и изведе базиран на максималном познавању теренских услова тла и ако овакав


34

систем не обезбеди жељени степен контроле могу се бушити додатни бунари све док се не добије задовољавајући систем. Растеретни бунари се могу изводити као савршени и као несавршени. 7.5.5. Основни захтеви за дренове и филтре Функционисање дренажног система у великој мери зависи од правилног избора и коришћења материјала за израду дренаже. При томе се мора водити рачуна о гранулометријском саставу примењених материјала, о њиховој отпорности на хемијске утицаје и о њиховој чврстоћи. 7.5.5.1. Пројектовање филтера и дренова Процес разграђивања јаловинских насипа процеђивањем воде кроз њено тело или испод њеног темеља настаје због покретања појединих честица материјала силама отпора струјању воде кроз поре. Те су силе веће кад је брзина струјања (што је функција пропустљивости и градијента притиска) већа, а честице слободније, односно материјал растреситији. Критична места за ерозију су на граници између мање пропусног материјала из кога се вода процеђује и пропуснијег добро градуираног материјала, те места где вода извире на површину. Сврха уградње филтерских слојева код дренажа и бунара је да се спречи проношење ситних честица у смеру тока воде, укључујући и слободне површине на којима извире вода. Да би задовољили све потребне захтеве филтерски слојеви морају да испуне два основна међусобно супротстављена услова:

• гранулометријски састав филтерског слоја мора бити такав да спречи даље проношење ситних честица из базе кроз филтер, и

• пропустљивост филтерског слоја мора да буде знатно већа од пропустљивости материјала из којег дотиче вода.

Да би се спречило кретање еродибилног тла и стена у или кроз филтере, величина пора између честица филтера треба да буде довољно мала да


35

задржи неке од већих честица материјала који се штити. На слици 7.14. [Cedergren, 1967] илустрован је механизам заштите тла од суфозије помоћу филтера.

Слика 7.14. Илустрација спречавања суфозије филтером

Тејлор (Taylor, 1948.) је показао да ако три савршене сфере имају пречнике 6,5 пута веће од пречника мање сфере, онда мања сфера може да се креће између већих (слика 7.13.а). Тла и агрегати су увек састављени од честица чије се величине налазе у неком опсегу и ако су поре у филтеру довољно мале да задрже величину зрна D85 суседног материјала, ситније честице ће такође бити задржане на свом месту (слика 7.13.б). Прве критеријуме за пројектовање филтера дао је Терцаги (Terzaghi) још 1922. године. Бертрам је 1940. (под надзором Терцагија и Казаграндеа) извео лабораторијска истраживања којима је испитивао филтерске критеријуме које је предложио Терцаги и установио је важење следећих критеријума за пројектовање филтера:


36

)()(

54)(

)(

15

15

85

15

тлаDфилтераD

тлаDфилтераD

<< − (7-7)

Лева страна израза (7-7) каже да пречник зрна филтерског материјала од кога је 15% материјала ситније (D15) не сме бити више од 5 пута већи од величине пречника зрна материјала који се штити од кога је 85% тог материјала ситније (D85). Однос D15 филтра према D85 штићеног тла се назива суфозиони однос. Десна страна израза показује да величина зрна D15 филтерског материјала треба да буде најмање 4 или 5 пута већа од пречника Д15 штићеног тла. Сврха овог критеријума је да се гарантује довољна пропустљивост како би се спречило повећање филтрационих сила и хидростатичких притисака у филтерима. Генерално, овај критеријум осигурава да филтери буду око 16 до 25 пута пропустљиви од тла које се штити, с обзиром да је пропустљивост приближно пропорционална са (D15)2, и да одводе филтрациону воду слободно уз занемарљиве филтрационе силе и притиске. Рад Бертрама су проширили и допунили даљим истраживањима Инжењеријски корпус америчке армије (USACE) и Амерички биро за мелиорације (USBR), као и многи други после њих. Одговарајућа истраживања су рађена и у бившем СССР-у, као и у неким другим земљама и дошло се до сличних критеријума. У нашој земљи је на снази ЈУС У.Ц5.020 [ЈУС, 1980] за пројектовање насутих брана и хидротехничких насипа који предвиђа следеће критеријуме: Гранулометријски састав првог – пешчаног филетра (F I) мора задовољити следеће услове:

• највише 5% зрна - 0,063 mm (изузетно до 12% садржаја 0,063 mm); • коефицијент једноличности d60/d10 <10;


37

• d15 <2 mm. Гранулометријски састав другог – шљунчаног филетра (F II) мора задовољити услове: d50 F II = (5 do 10) x d50 F I када је: ( d60 F II/d10 F II ) = 3 do 4 или: d50 F II = ( 12 do 58 ) d50 F I d15 F II = ( 12 do 40 ) d15 F I када је: ( d60 F II/d10 F II ) > 6 ( d30 F II )2/( d10 F II x d60 F II ) = od 1 do 3 Гранулометријски састав другог – дробљеног филтера (са незаобљеним зрнима) мора задовољавати услове: d50 F II = ( 9 do 30 ) x d50 F I d15 F II = ( 6 do 18 ) x d15 F I Уколико се ради о заштити материјала чије је најкрупније зрно веће од 5,00 mm, a d10 > 0,063 mm, онда се напред наведени изрази за односе F I и F II могу користити уз услов да се за F I гранулометријска крива редукује на зрна мања од 5,00 mm.» Иста правила важе и за обрнуте филтере који треба да штите од ерозије процедне воде низводни крај темеља брана на алувијалној подлози. На слици 7.15. даје се пример гранулометријског састава трослојног филтера за флотацијско јаловиште рудника бакра из Мајданпека.


38

Слика 7.15. Гранулометријски састав трослојног филтра за флотацијско депонија „Ваља Мастака“ код Мајданпека

Када су дренаже пројектоване са цевима, не смеју се дозволити незачепљени крајеви, а филтерски материјал на контакту са цевима мора бити довољно крупан како не би ушао у рупе и прорезе на цевима или у размак који се оставља на спојевима цеви ( ако цеви нису перфорисане ). ЈУС У.Ц5.020 даје следеће критеријуме:

• При употреби перфорисане дренажне цеви кружног пресека пречник отвора мора износити:

φ < 2,5 д50 Ф φ < 0,5 д85 Ф при чему филтерски материјал око цеви треба да има д60/д10 < 5».


39

7.5.5.2. Изградња дренажа Да би се обезбедио дуготрајан рад дренаже и без проблема потребно је да извођење радова код изградње дренажа буде високог квалитета уз савршену контролу. Да би се то могло остварити неопходно је у пројекту дати одговарајуће техничке услове за извођење радова. Добро написани технички услови, који се могу на објекту у потпуности спровести су неопходан услов за добар квалитет извођења. Технички услови за агрегате за филтере и дренове треба да избегавају коришћење општих термина као што су ″пропустљиви″ или ″јако пропустљиви″, "отпоран" и сл., осим кад се везују за конкретне захтеве за гранулометријски састав, чврстоћу и пропустљивост. Потребно је прецизно одредити време и место узимања узорака за испитивање како не би настала конфузија и отежано извођење пројектованог решења. Многи агрегати се ломе и дају већи удео ситних честица при руковању, уградњи и збијању. Такви материјали могу да задовоље захтеве из техничких услова у погледу гранулометријског састава када дођу на градилиште, али могу да не задовоље, ако се испитају после збијања. Најважнији критеријуми су гранулометријски састав и пропустљивост материјала какви се јављају по завршетку радова. Стога узорци за испитивање треба да се узимају из материјала пошто је извршено његово збијање. При изградњи дренажа мора се обратити пажња да се избегне прљање дренаже за време уграђивања како не би дошло до зачепљења дренаже. Исто тако треба обратити пажња да при уграђивању материјала не дође до сегрегације материјала, односно до стварања зона са крупнијим материјалом кроз који ће се, евентуално, испирати јаловински материјал. Да би се обезбедило да не дође до претеране ерозије и да после оптерећења не буде слегања дренаже, потребно је да се изврши збијање филтерског материјала. Ово се може вршити ручно, опремом за извођење земљаних радова или специјалном опремом.


40

Веома важна операција у вези са дуготрајним успешним функционисањем филтера и дренажа код јаловинских брана је почетно покривање дренаже јаловинским материјалом. Ако се ово изводи непажљиво и неконтролисано, па дође до ерозије дренаже или до контакта сувише ситног материјала са дренажом лако може доћи до зачепљења. Дренажу треба прекрити јаловином у раној фази чиме ће се спречити могућа оштећења као што су:

• ерозија од директног површинског отицања или ветра, • ерозија услед дејства бујичних вода, • таложење ситнозрне прашине на површини дренаже, • механичко оштећење од возила или животиња и • раст вегетације.

Филтерски слојеви и дренаже захтевају константно и савесно одржавање у периоду између почетка грађења и покривања дренова јаловинским материјалом. Пожељно је филтере и дренаже градити у фазама, непосредно пред потребом за њеном функцијом. На слици 7.16. приказане су фазе израде цевне дренаже.

а б в г

Слика 7.16. Постављање дренаже: а) копање рова, б) постављање геотекстила, в) постављање дренажне цеви и филтерског слоја, г)

постављање филтерског слоја и затварање геотекстилом


41

7.5.5.3. Пијезометри Висина и положај слободне водене површине у телу једне јаловинске бране се може осматрати помоћу пијезометара. Обично се примењују пијезометри типа отворених бунара или пнеуматски пијезометри. Пијезометри отвореног типа (слика 7.17) су погодни за примену у песковитим материјалима где је кретање воде довољно брзо да се може регистровати у пијезометарској цеви у року од неколико часова. У глиновитим материјалима (обично у темељном тлу) треба предвидети пнеуматске пијезометре јер се ту мери само промена притиска, а не кретање нивоа воде.

Слика 7.17. Типски пијезометар Обично је погодно да се пијезометри отвореног типа поставе када брана достигне одређену висину, а затим се пијезометарске цеви могу продужавати са површине додајући комаде цеви. Пијезометри се постављају дуж пресека нормалног на косину насипа у тачкама критичним у погледу стабилности. Мора се поставити довољан


42

број пијезометара како би се филтрациона површина могла прецизно дефинисати (видите слику 7.18) и одредити извесне критичне тачке на њој као висина слободне водене површине поред дренажа и сл.

Слика 7.18. Филтрациона површина одређена помоћу пијезометара

Пијезометре треба поставити на местима где ће бити лако приступачни у свако доба.


43

Литература: 1. [Борели, 1976] Борели, М., (1976), ″Хидраулика″, Грађевински

факултет, Београд 2. [Cedergren, 1967] Cedergren, H.R.: ″Seepage, Drainage and Flow Nets″,

John Wiley & Sons, NewYork, 1967. 3. [Куљбакин, 1975] Група аутора ( превод с руског Михаило

Куљбакин): Сложено фундирање, стабилност косина и дренаже, приручник за пројектанте и извођаче, Грађевинска књига, Београд, 1975.

4. [Kealy, 1971] Kealy, C.D. i Busch, R.A.: ″Determining Seepage Characteristics of Mill- Tailings Dams by the Finite-Element Method″, RI 7477, US Department of the Interior, Bureau of Mines, Washington, D.C., 1971.

5. Nonveiller, E.: ”Заштитни филтри за прашинасто и глиновито тло”, Грађевинар, годиште 42, бр. 8, стр. 325 - 332, Загреб, 1990.

6. [US Army, 1986] US Army Corps of Engineers: ″Seepage Analysis and Control for Dams″, Engineer Manual No. 1110-2-1901, Washington, D.C., 1986.

7. [Вуковић, 1984] Вуковић, М. и Соро, А.: ″Динамика подземних вода кроз решене проблеме - устаљена струјања″, Посебна издања, књига 25, Институт за водопривреду ″Јарослав Черни″, Београд, 1984.

8. [ЈУС, 1980] Пројектовање насутих брана и хидротехничких насипа – технички услови, ЈУС У.Ц5.020, Службени лист СФРЈ, бр. 25/80, Београд, 1980.

9. [Taylor, 1948] Taylor, D. W. ,1948. Fundamentals of soil mechanics, Wiley, New York

Documents

Filtracija vode