Wielkość przecieków przez uszkodzenia maty bentonitowej (GBR-C) przy zmiennych wysokościach słupa wody

Budowa uszczelnień składowisk odpadów komunalnych lub przemysłowych daje szczególnie duże możliwości wykorzystania geosyntetyków [1]. Podstawą prawidłowego zaprojektowania tego typu obiektu jest zapewnienie odcięcia składowanych odpadów i produktów ich rozkładu od kontaktu z otoczeniem [2].

Do realizacji tego celu wykorzystuje się materiały geosyntetyczne, takie jak geomembrany, bentomaty czy geowłókniny, układane sąsiadująco z gruntami mineralnymi (RYS. 1).

Poszczególne wyroby pełnią różne funkcje. Maty bentonitowe i geomembrany pracują jako bariery nieprzepuszczalne. Geowłókniny separują różne materiały i zabezpieczają geomembrany przed przebiciem [3].

Maty bentonitowe w pewnym zakresie są odporne na działanie czynników agresywnych chemicznie i wykazują dużą odporność mechaniczną. Mają właściwości samouszczelniające w przypadku wystąpienia miejscowych przebić, a dodatkową ich zaletą jest łatwość montażu: rozkładanie poszczególnych pasm na zakład bez konieczności łączenia.

Również zakres prac przygotowawczych podłoża jest ograniczony do minimum - dotyczy wyrównania i zagęszczenia podłoża oraz usunięcia elementów mogących uszkodzić bentomatę w przypadku przejęcia obciążenia.

Używane są również jako bariera przeciwwodna do ochrony wód gruntowych: uszczelniania składowisk odpadów przemysłowych, zbiorników ziemnych, torowisk drogowych/kolejowych w obszarach chronionych [4].

Materiały i metody badań

W badaniach wykorzystano hydroizolacyjną matę bentonitową definiowaną według normy PN-EN ISO 10318:2007 [5] jako geosyntetyczna bariera iłowa GBR-C.

Bentomaty to rodzaj geokompozytów zbudowanych najczęściej z warstwy geowłókniny, warstwy bentonitu i geotkaniny. Obie zewnętrzne warstwy połączone są na stałe techniką igłowania, która powoduje ustabilizowanie przestrzeni wypełnionej bentonitem, co pozwala na wzajemne mocne powiązanie geotekstyliów, a także na zamknięcie i ściśnięcie bentonitu, skutecznie przeciwdziałające ciśnieniu pęcznienia w trakcie hydratacji bentomaty [6, 7].

Występują również bentomaty, których warstwy zewnętrzne stanowią geosyntetyki innego typu, natomiast składnikiem obowiązkowym jest zawsze bentonit, skała osadowa monomineralna. Funkcjonowanie bentomaty w istotnym stopniu zależy od charakterystyki filtracji przez warstwę bentonitową [8].

Bentonit sodowy to skała osadowa powstała na skutek wietrzenia popiołów wulkanicznych, przeważnie kredowych i trzeciorzędowych [9]. Głównym składnikiem bentonitu sodowego jest minerał ilasty - montmorylonit.

Bentonit sodowy ma duże zdolności pęczniejące i jest iłem o specyficznych właściwościach fizycznych. Może absorbować pięć razy więcej wody niż wynosi jego masa, a przy pełnym nasyceniu przyjmuje objętość ponad 10 razy większą niż w stanie suchym. Warstwa hydratyzowanego wodą bentonitu tworzy zwartą barierę (współczynnik filtracji k ≤  1×10–10 m∙s–1).

Grubość maty bentonitowej wykorzystanej w badaniach wyniosła 7,4 mm. Badana bariera składała się z 3 warstw: geotkaniny o włóknach tasiemkowych w splocie płóciennym gr. 0,4 mm, warstwy bentonitu sodowego gr. 6,0 mm oraz geowłókniny igłowanej gr. 1,0 mm (FOT. 1., FOT. 2., FOT. 3. i FOT. 4).

Warstwy te połączono mechanicznie metodą igłowania, umożliwiającą ścisłe osadzenie bentonitu między geosyntetykami. W TABELI przedstawiono charakterystykę maty bentonitowej.

Badanie wpływu spadku hydraulicznego oraz średnicy przebić na wielkość filtracji przez matę bentonitową przeprowadzono na stanowisku laboratoryjnym (RYS. 2), w aparacie o przekroju kołowym i średnicy wewnętrznej 18,5 cm.

Aparat posiadał zawory przelewowe, służące do stabilizacji poziomu wody na kolejnych wysokościach 5 cm, 10 cm i 15 cm oraz zawór regulujący dopływ w celu zapewnienia poziomu wody na żądanej wysokości przy zmianach wartości objętościowego natężenia przepływu przez bentomatę.

Próbki przeznaczone do badań umieszczono na perforowanym dnie aparatu i uszczelniono na krawędziach, następnie przez zawór dopływu doprowadzono wodę pozwalającą uaktywnić bentonit. Badanie polegało na pomiarze objętości wody filtrującej w jednostce czasu przez bentomatę dla jednego przebicia o średnicy 1 mm.

Odczytu objętościowego natężenia przepływu dokonano za pomocą naczynia pomiarowego po upływie 24 godz. i 48 godz. dla napełnienia wynoszącego 5 cm. Następnie zamknięto zawór przelewowy na tej wysokości i zwiększono poziom wody do 10 cm. Pomiaru ilości przeciekającej wody dokonano również po upływie 24 godz. i 48 godz.

W dalszej kolejności zamknięto zawór przelewowy na wysokości 10 cm i napełniono naczynie cylindryczne do poziomu 15 cm. Pomiaru wody filtrującej dokonano także po 24 godz. i 48 godz.

Następnie wykonano drugie przebicie o średnicy 1 mm i powtórzono cały cykl pomiaru objętości wody dla poziomu 5 cm, 10 cm, 15 cm, po upływie 24 godz. i 48 godz.

W dalszej kolejności wykonano trzecie przebicie o średnicy 1 mm i również dokonano pomiaru objętości przeciekającej wody po 24 godz. i 48 godz. dla poziomu wody 5 cm, 10 cm i 15 cm. Procedurę badania powtórzono dla przebić o średnicy 3 mm i 9 mm, przy czym dla przebicia o średnicy 9 mm pomiarów filtracji wody dokonywano co godzinę, ze względu na dużą objętość przesiąkającej wody.

Wyniki i analiza

Na RYS. 3., RYS. 4 i RYS. 5 przedstawiono wpływ liczby przebić o określonej średnicy w badanej macie bentonitowej na objętościowe natężenie przepływu przy poziomie wody w aparacie badawczym wynoszącym 5 cm, 10 cm i 15 cm.

Na RYS. 3 widać, jak zmieniało się natężenie przepływu dla przebić o średnicy 1,0 mm przy trzech różnych wysokościach słupa wody. Przy jednym otworze natężenie to wynosiło 1410 cm3 · h–1, przy dwóch otworach zmniejszyło się o niecałe 7%, natomiast przy trzech przebiciach wyniosło 280 cm3 · h–1, co oznacza spadek o prawie 80%.

W odniesieniu do poziomu wody wynoszącego 10 cm i jednego przebicia o średnicy 1,0 mm objętościowe natężenie przepływu wyniosło 1440 cm3 · h–1. Przy wykonaniu kolejnego otworu natężenie zwiększyło się o ok. 47%, a przy trzech otworach uległo spadkowi w stosunku do jednego uszkodzenia o prawie 70%.

Zmiana natężenia przepływu w zależności od liczby przebić o średnicy 1,0 mm dla napełnienia wynoszącego 15 cm była również odwrotnie proporcjonalna. Przy jednym otworze w bentomacie natężenie to wyniosło 2255 cm3 · h–1, po wykonaniu drugiego otworu zmniejszyło się o ok. 13%, a przy trzecim przebiciu spadło aż o 93% do wartości 160 cm3 · h–1. Taką zależność można tłumaczyć jedynie pęcznieniem bentonitu, a w efekcie samouszczelnianiem się maty bentonitowej.

Na RYS. 4 przedstawiono zmianę natężenia przepływu w zależności od liczby otworów, gdy ich średnica wyniosła 3,0 mm. Dla poziomu napełnienia 5 cm i jednego przebicia natężenie to wyniosło 2040 cm3 · h–1.

Przy drugim przebiciu wartość wydatku wzrosła 3,5-krotnie. Porównując objętościowe natężenie przepływu dla jednego i trzech otworów, można zauważyć ponad 5-krotne zwiększenie (10  550 cm3·h-1).

Środkowa część RYS. 4 przedstawia tę samą zależność, ale dla wysokości słupa wody 10 cm. Początkowa wartość natężenia przepływu wyniosła 1430 cm3 · h–1, natomiast przy wykonaniu następnego otworu wartość ta wzrosła ponad 7-krotnie.

Przy trzech przebiciach natężenie przepływu wzrosło prawie 13-krotnie w porównaniu do jednego przebicia.

W przypadku uszkodzeń o średnicy 3,0 mm i wysokości słupa wody zwiększonej do 15 cm obserwowano również proporcjonalne zwiększenie natężenia przepływu. Gdy wykonano jeden otwór, natężenie wynosiło 3610 cm3 · h–1, natomiast po wykonaniu drugiego zwiększyło się dwukrotnie. Przy kolejnym otworze odnotowano ponad 8-krotny wzrost objętościowego natężenia przepływu (29  520 cm3 · h–1).

Podczas prowadzenia badania dla bentomaty z uszkodzeniami o średnicy 9,0 mm (RYS. 5) objętościowe natężenie przepływu wyniosło 24  500 cm3 · h–1 w odniesieniu do jednego otworu przy poziomie wody równym 5 cm.

Przy zwiększeniu liczby przebić do dwóch natężenie spadło o prawie 40%, a przy trzech przebiciach odnotowano 29% wzrost natężenia przepływu. Przy wysokości słupa wody nad bentomatą wynoszącym 10 cm i jednym otworze w bentomacie o średnicy 9,0 mm objętościowe natężenie przepływu osiągnęło wartość 38  200 cm3 · h–1.

Gdy wykonano drugi otwór, natężenie zmniejszyło się o 70%, a przy trzech przebiciach ilość przesączającej się wody również była mniejsza, jednak tylko o 25% w porównaniu do jednego przebicia.

Po prawej stronie wykresu zamieszczonego na RYS. 5 przedstawiono wartość objętościowego natężenia przepływu dla wysokości słupa wody wynoszącej 15 cm. W tej części wykres ilustruje proporcjonalny wzrost natężenia przepływu wraz z liczbą wykonanych uszkodzeń o średnicy 9,0 mm.

Dla wykonanego jednego przebicia w bentomacie natężenie wyniosło 11  100 cm3 · h–1. Przy dwóch otworach wzrosło o ponad 22%, a przy trzech zwiększyło się ponad 3-krotnie.

Podsumowanie

Maty bentonitowe, mimo wykazywania dużej odporności mechanicznej, mogą ulec przebiciu lub rozdarciu [10]. Większe uszkodzenia naprawia się za pomocą odpowiednio dopasowanej łaty, osadzonej na granulacie bentonitowym.

Mniejsze przebicia, trudne do zlokalizowania gołym okiem, nie muszą być naprawiane, ponieważ bentonit sodowy posiada duże zdolności pęczniejące, powodujące samouszczelnianie maty bentonitowej. Dzięki zdolności absorpcji wody bentonit sodowy jest również bardzo plastyczny i odporny na przełamania i pęknięcia.

W przeprowadzonych badaniach nie występowała ścisła zależność między średnicą i liczbą otworów oraz wysokością słupa wody a uzyskanymi wartościami natężenia przepływu. Odbiegające od siebie wyniki można tłumaczyć częściowym zasklepianiem się wykonanych przebić, wynikającym z pęczniejących właściwości bentonitu i jego zdolności do samouszczelniania. Występowały więc okresy zmniejszenia się wydatku po wykonaniu kolejnych otworów, które były szczególnie widoczne przy średnicy przebicia 1,0 mm.

Mimo braku ścisłych zależności między badanymi parametrami ogólny kierunek większości uzyskanych wyników jest następujący:

• zwiększenie liczby otworów i ich średnicy powoduje wzrost objętościowego natężenia przepływu przez bentomatę,
• ze wzrostem wysokości słupa wody zwiększa się objętościowe natężenie przepływu wody przez bantomatę.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 marca 2003 r. w sprawie szczegółowych wymagań dotyczących lokalizacji, budowy, eksploatacji i zamknięcia, jakim powinny odpowiadać poszczególne typy składowisk odpadów (DzU 2003.61.549).
2. A. Allen, "Attenuation Landfills - the Future in Landfilling", "Annual Set The Environment Protection. Rocznik Ochrona Środowiska", t. 2/2000.
3. A. Wesolowski, Z. Krzywosz, T. Brandyk, "Geosyntetyki w konstrukcjach inżynierskich", Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2000.
4. N. Gmitrzuk, H. Sawicka-Siarkiewicz, "Zastosowanie geomembrany i mat bentonitowych do uszczelniania systemów odwadniania dróg", "Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych", z. 4/2010.
5. PN-EN ISO 10318:2007, "Geosyntetyki. Terminy i definicje".
6. F. Tatsuoka, "Geosynthetics Engineering, Combining Two Engineering Disciplines. Special Lecture", 4th GeoSynthetics Asia, Shanghai 2008.
7. C. Venkataramaiah, "Geotechnical Engineering", New Age International Publishers, Daryaganj, Delhi 2006.
8. P. Wyszomirski, E. Lewicka, "Bentonity jako uniwersalny surowiec wielu dziedzin przemysłu", "Gospodarka Surowcami Mineralnymi", t. 21, z. 3/2005.
9. W. Cichy, J. Bryk, "Doszczelnianie gruntów naturalnych za pomocą bentonitu", Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2006.
10. M. Cholewa, R. Job, "Wytrzymałość na przebicie geosyntetycznych przesłon uszczelniających", "Górnictwo i Geoinżynieria", z. 2/2011.
11. PN-EN 13251+A1:2015-04, "Geotekstylia i wyroby pokrewne. Właściwości wymagane w odniesieniu do wyrobów stosowanych w robotach ziemnych, fundamentowaniu i konstrukcjach oporowych".
12. A.F. Bolt, A. Duszyńska, "Wykorzystanie badań geosyntetyków w projektowaniu budowli hydrotechnicznych", Hydrotechnika VI/2004.
13. R.M. Koerner, "Designing with Geosynthetics", Pearson Prentice Hall, Upper Saddle River 2005.
14. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 26 lutego 2009 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie szczegółowych wymagań dotyczących lokalizacji, budowy, eksploatacji i zamknięcia, jakim powinny odpowiadać poszczególne typy składowisk odpadów (DzU 2009.39.320).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!