Dammkonstruktioner. Dammkonstruktion. Block I Grundläggande fakta Dammkonstruktioner Åke Nilsson. 1. Typer

Transkript

1 Block I Grundläggande fakta Dammkonstruktion Dammkonstruktioner Åke Nilsson Dammkonstruktioner 1. Typer - Dränerande fyllningsdammar (uppbyggda med anrikningssand) - Täta fyllningsdammar (uppbyggda med tätkärna) 2. Funktion 3. Exempel dammbrott och incidenter - Överströmning.. KVISTFORSEN Spegeldamm Läckage. Ryllshyttemagasinet i Garpenberg Dammbrottet i Aitik Bidragande orsaker till problem - Brister i ursprungligt byggande, brister i projekteringen byggandet tillsynen. - Befintliga dammar uppfyller ofta inte dagens krav på: instrumentering, dimensionerande läckage - Stabilitet under odränerade förhållanden

2 Grundvattenyta Grundvattenyta - Stenfyllningsdammar (Nr 4 är sprängsten) - Jordfyllningsdammar (Nr 4 är sand, grus etc.)

3 DRÄNERANDE FYLLNINGSDAMMAR Verklig damm Inåtmetoden Gråberg, övergångslager, anriktningssand Utåtmetoden Morän Uppåtmetoden Verklig damm Verklig damm Anriktningssand Filter, Gråberg Filter Berg Morän Morän Morän

4 Driftfasen Morän fin Deponering under vatten Efterbehandlingssked Täckning med morän Beach Projektering Morän grov Dammkonstruktioner 1. Typer - Dränerande fyllningsdammar (uppbyggda med anrikningssand) - Täta fyllningsdammar (uppbyggda med tätkärna) 2. Funktion 3. Exempel dammbrott och incidenter - Överströmning.. KVISTFORSEN Spegeldamm Läckage. Ryllshyttemagasinet i Garpenberg Dammbrottet i Aitik Bidragande orsaker till problem - Brister i ursprungligt byggande, brister i projekteringen byggandet tillsynen. - Befintliga dammar uppfyller ofta inte dagens krav på: instrumentering, dimensionerande läckage - Stabilitet under odränerade förhållanden Funktionsmodell Startfasen Läckage Normal genomströmning TÄTKÄRNAN tillräckligt tät NEDSTRÖMS FILTER hindrar materialtransport men tillräckligt dränerandet NEDSTRÖMS STÖDFYLLNING dränerande, stabil Normalt läckage Tätkärnan spricker/ hydraulisk uppspräckning Valvbildning i övergången till betongkonstruktioner Inre erosion (suffusion) Inre instabilitet hos moränen

5 Fortsättningsfasen Utvecklingsfasen Läckage Nedströms filter otillräckligt Läckage Nedströms filter otillräckligt Nedströms stödfyllning otillräcklig Tätkärnan spricker/ hydraulisk uppspräckning Inre erosion (suffusion) Bakåtgripande erosion (piping) Tätkärnan spricker/ hydraulisk uppspräckning Inre erosion (suffusion) Bakåtgripande erosion (piping) Låg effektivspänning leder till låg stabilitet Erosion av tåstenarna Valvbildning i övergången till betongkonstruktioner Inre instabilitet hos moränen Alltför grovt n/s filter Valvbildning i övergången till betongkonstruktioner Inre instabilitet hos moränen Alltför grovt n/s filter Grundvattenytan stiger Stort läckage Läckning genom dammen TOTALT 77 BROTT I FYLLN IN GSDAMMAR År Läckning genom grunden 30 % 14% Instabilitet 6 % 9 % 23 % 18 % Diverse Överströmning Erosion Statistics on the causes of failure of tailings dams Unknown Overtopping Main subsidence Overtopping Slope stability 3 Earthquake 0,1 Foundation Structural6 Seepage 22 Structural Slope stability Seepage 9 Erosion Mine subsidence 9 17 Unknown Foundation Earthquake

6 Dammkonstruktioner 1. Typer - Dränerande fyllningsdammar (uppbyggda med anrikningssand) - Täta fyllningsdammar (uppbyggda med tätkärna) 2. Funktion 3. Exempel dammbrott och incidenter - Överströmning.. KVISTFORSEN Spegeldamm Läckage. Ryllshyttemagasinet i Garpenberg Dammbrottet i Aitik Bidragande orsaker till problem - Brister i ursprungligt byggande, brister i projekteringen byggandet tillsynen. - Befintliga dammar uppfyller ofta inte dagens krav på: instrumentering, dimensionerande läckage - Stabilitet under odränerade förhållanden KVISTFORSEN Spegeldamm 7 Hösten 1985 Situationsplan Kvistforsen

7 KVISTFORSEN Spegeldamm 7 Hösten 1985 Ett haveri orsakades av vajrarna till lyftmaskineriet för segmentluckan trasslade till sig. KVISTFORSEN Spegeldamm 7 Dammen hade endast ett utskov och haveriet orsakade överspolning av dammen. Ca 20 m av anslutande fyllningsdamm spolades bort närmast vänster utskovspelare. KVISTFORSEN Spegeldamm 7 Hösten 1985 KVISTFORSEN Spegeldamm 7 Hösten 1985

8 KVISTFORSEN Spegeldamm 7 Hösten 1985 KVISTFORSEN Spegeldamm 7 Hösten 1985 KVISTFORSEN Spegeldamm 7 Hösten 1985 Planluckorna i spegeldamm 7 Utskovet med planluckorna tillkom efter den överspolning av dammen som skedde 1985

9 Dammkonstruktioner 1. Typer - Dränerande fyllningsdammar (uppbyggda med anrikningssand) - Täta fyllningsdammar (uppbyggda med tätkärna) 2. Funktion 3. Exempel dammbrott och incidenter - Överströmning.. KVISTFORSEN Spegeldamm Läckage. Ryllshyttemagasinet i Garpenberg Dammbrottet i Aitik Bidragande orsaker till problem - Brister i ursprungligt byggande, brister i projekteringen byggandet tillsynen. - Befintliga dammar uppfyller ofta inte dagens krav på: instrumentering, dimensionerande läckage - Stabilitet under odränerade förhållanden Bolidens damm för Ryllshyttemagasinet i Garpenberg, juni 1997, läckage 3 m 3 /s Suorva Östra dammen, Grop 30 m 3, Läckage ca 200 l/s Bastusel, 1972: 70 l/s, 1988: 40 l/s, 1993: 40 l/s Juktandammarna. Hällbydammen, 1985: Grop 7 m 3, Läckage ca 4 l/s Porjusdammen, ett flertal incidenter, den senaste 1993 Incidenter med sjunkgropar/läckage med flera ELFORSK Rapport 99:34 ELFORSK-rapport Inre erosion i svenska dammar Beskrivning och utvärdering av rapporterade sjunkgropar Dammläckage i juni 1997 Bolidens damm för Ryllshyttemagasinet i Garpenberg Garpenberg, dammläckage i juni 1997

10 Garpenberg, dammläckage i juni 1997 Transport- och lastkapaciteten Fyllning av tätjord på uppströmssidan ökades successivt och omfattade som mest 4 12 lastbilar, 4 6 dumprar, 4 4 hjullastare och 4 3 grävmaskiner.

11 Läckaget minskat till endast ca 2 l/s Dammkonstruktioner 1. Typer - Dränerande fyllningsdammar (uppbyggda med anrikningssand) - Täta fyllningsdammar (uppbyggda med tätkärna) 2. Funktion 3. Exempel dammbrott och incidenter - Överströmning.. KVISTFORSEN Spegeldamm Läckage. Ryllshyttemagasinet i Garpenberg Dammbrottet i Aitik Bidragande orsaker till problem - Brister i ursprungligt byggande, brister i projekteringen byggandet tillsynen. - Befintliga dammar uppfyller ofta inte dagens krav på: instrumentering, dimensionerande läckage - Stabilitet under odränerade förhållanden

12 Boliden Aitik Dammbrott / -09 Påbyggnad 1998 Boliden Aitik Dammbrott / -09 Påbyggnad 1998 Påbyggnad 1998

13 Finita element beräkningar Det läcker för mycket: Det röda området utgör en ansamling av deformationskurvor för sista beräkningssteget Händelseförlopp vid dammbrottet Dammkonstruktioner 1. Typer - Dränerande fyllningsdammar (uppbyggda med anrikningssand) - Täta fyllningsdammar (uppbyggda med tätkärna) 2. Funktion 3. Exempel dammbrott och incidenter - Överströmning.. KVISTFORSEN Spegeldamm Läckage. Ryllshyttemagasinet i Garpenberg Dammbrottet i Aitik Bidragande orsaker till problem - Brister i ursprungligt byggande, brister i projekteringen byggandet tillsynen. - Befintliga dammar uppfyller ofta inte dagens krav på: instrumentering, dimensionerande läckage - Stabilitet under odränerade förhållanden

14 Stabilitetsproblem Avsaknad av filter ger läckageproblem Sprängsten Sprängsten Portryckslinje Plan glidyta i moränen Stabilitetsberäkning för plan glidyta: F=1,07 vid 35 graders friktionsvinkel i moränen

15 Svagheter i utläggningsanordningar Åtgärdat ledningsbrott Spricka Svagheter i materialval ger stabilitetsproblem bredd ca 50 mm och djup ca 250 mm.

16 Materialet innehåller mycket fint material som har kohesiva egenskaper, dvs gropens sidor kan stå vertikalt till och med överhäng. Vidare kan sprickor stå öppna. Dammkonstruktioner 1. Typer - Dränerande fyllningsdammar (uppbyggda med anrikningssand) - Täta fyllningsdammar (uppbyggda med tätkärna) 2. Funktion 3. Exempel dammbrott och incidenter - Överströmning.. KVISTFORSEN Spegeldamm Läckage. Ryllshyttemagasinet i Garpenberg Dammbrottet i Aitik Bidragande orsaker till problem - Brister i ursprungligt byggande, brister i projekteringen byggandet tillsynen. - Befintliga dammar uppfyller ofta inte dagens krav på: instrumentering, dimensionerande läckage - Stabilitet under odränerade förhållanden Dammarna oftast inte dimensionerade för att för att klara ett dimensionerande läckage

17 Tåförstärkning Maximalt tänkbar genomläckning Jordfyllningsdammar beräkningsprincip: DG Normal tryckfördelning i dammkroppen En tåförstärkning skall finnas längs dammens nedströmstå Ett dimensionerande läckage kan sättas till 100 gånger den största beräknade genomströmningen genom dammen..stenstorleken beräknas.stenstorleken bör dock inte understiga 200 mm DG Tryckfördelning då tätkärnan och filter antas ha helt tappat sin funktion och stödfyllning antas bestämma genomläckningen Test site Røssvatn Røssvatn dam Test site

18 Homogen stenfyllning - fältförsök Överströmning Brottskede

19 Brottskede Överströmning Brottskede Tid för att utveckla dammbrott Fältförsök nr 2 under 2002 Homogen grusdamm. Grus 0-60 mm Släntförstärkning med sprängsten (0-500mm) 2 m 0,9 m H=5m 1,7 1 7 minuter efter start

20 Fältförsök nr 2 under 2002 Fältförsök nr 2 under 2002 Delvis borttagning av förstärkning- Försök 2B-2002 F 1,2

21 Tillämpningsvägledning Överdämning Höjd Sten i slänt Sten i tån Inre erosion F 2,4

22 Läckage och vattnet rinner inte undan vid dammtån. Läckage Läckage Damm, läckage vid dammtån Inspektion

23 Materialet vid dammtån dåligt dränerande och alltför finkorningt

24 Materialet längs dammtån har bitvis separerat så det är alltför grovt för att ha filterverkan mot undergrunden. Dammbrott - Exempel överströmning KVISTFORSEN Spegeldamm Statistik över dammbrott Fyllningsdammars verkningssätt Exempel på svagheter Läckage. Ryllshyttemagasinet i Garpenberg Dammbrottet i Aitik Brister i projekteringen Dimensionerande läckage Finmaterial förefaller att ha eroderat från dammen eller undergrunden Instrumentering Stabilitet under odränerade förhållanden Basinstrumentering Basinstrumentering för fyllningsdamm med tätkärna grundlagd på jord eller berg och stödfyllning på jord eller berg. 1) vid stödfyllning på jord 2) då läckageförändringar kan utvecklas snabbt bör tätare mätningar övervägas ur beredskapssynpunkt Mätöverfall som bör rensas och förses med anordning för kontinuerlig läckagemätning

25 Kontinuerlig läckagemätning med ultraljudgivare Mätöverfall försett med anordning för kontinuerlig läckagemätning Dammbrott - Exempel överströmning KVISTFORSEN Spegeldamm Statistik över dammbrott Fyllningsdammars verkningssätt Exempel på svagheter Läckage. Ryllshyttemagasinet i Garpenberg Dammbrottet i Aitik Brister i projekteringen Dimensionerande läckage Instrumentering Stabilitet under odränerade förhållanden Exempel på byggnadsmetoder för dränerande gruvdammar (a) inåt-, (b) utåt- (c) uppåtmetoden

26 Gruvdammar dammtyper - jämförelse Egenskaper hos gruvavfallet Krav på utsläppsmetod Lämplighet för att magasinera vatten Motståndskraft mot jordbävningar Uppbyggnadsrestriktioner Krav på material för fyllningen Kostnader för deponeringsm etoden Källa: [Vick1983] Tät Dränerande damm fyllningsdamm inåtsmetod Lämplig för alla typer av Låg densitet gruvavfall Utsläpp långt ifrån dammen Alla metoder och väl kontrollerad beach lämpliga nödvändig God God Hela dammen byggs på en gång Naturliga jordtäkter Inte lämplig för att magasinera stor mängder vatten Dålig för platser med stor jordbävningsrisk Mindre än 5 m/år lämplig och krav på små deformationer. Mer än 15 m/år kan vara riskfyllt eller stora deformationer. Anrikningssand eller gruvavfall, i yttre delarna anpassade/behandlade för att uppfylla sin funktion Dränerande Dränerande damm damm utåtmetod uppåtmetad Lämplig för alla typer av Sand eller lågplastiskt avfall gruvavfall Varierar på Utsläpp långt ifrån dammen grund av detaljer och viss beach nödvändig i projekteringen God God Inga Anrikningssand eller gruvavfall om produktionshastigheten är tillräcklig, eller naturliga material Inte rekommenderad för permanent lagring. Temporär lagring av flöden acceptabelt vid god design och övervakning Acceptabel Restriktioner i höjd kan förekomma för varje etapp Anrikningssand eller gruvavfall om produktionshastigheten är tillräcklig, eller naturliga material Hög Låg Hög Medel Karaktäristiska egenskaper Skiktad lagerstruktur materialegenskaperna varierar vid successiv uppbyggnad Materialegenskaperna förändras med tiden: konsolidering mm Densitet Kornfördelning Skjuvhållfasthet Permeabilitet Stabilitet för dammar byggda med inåtmetoden Ett flertal referenser finns på att dammar byggda på lös anrikningssand behöver dimensioneras för stabilitet under odränerade förhållanden. Undersökningar behövs för att konstatera om underlaget (anrikningssanden) är så lös att den är kontraktant. Förutom infiltrationsförsök föreslås i GruvRIDAS undersökningar bl.a. med CPT-sondering (Cone Penetration Tests) för att bestämma anrikningssandens fasthet.

27 Stabilitet 1. En tillräckligt bred beach 2. Tillräckligt långsam uppfyllning 3. Tillräckligt omfattande dränering 4. Analys både för odränerade och dränerad förhållanden 5. Regelbundna uppföljningar av dammens beteende 6. Strömningsförhållandena behöver vara väldefinierade. Stabilitet Om det inte kan visas att materialet längs en tänkt glidyta är dialatant och/eller väldränerat är det nödvändigt att bestämma odränerade skjuvhållfastheten och beräkna dammen för odränerad stabilitet (förutom traditionella dränerad analys dvs effektivspänningsanalys) Om man inte helt säker på att det alltid råder dränerade förhållanden bör man förutsätta att odränerade förhållanden kan uppstå. En grundläggande princip skall vara att om jordmaterial i en given anläggning, under inverkan av laster som förekommer, kan liquefieras (förvätskas) så kommer den att göra det. Värsta tänkbara situation: Sanden är kontraktant och deformeras så att odränerad kollaps sker av sandstrukturen (static liquefaction). Dammkonstruktioner 1. Typer - Dränerande fyllningsdammar - Täta gruvdammar 2. Funktion 3. Exempel dammbrott och incidenter - Överströmning.. KVISTFORSEN Spegeldamm Läckage. Ryllshyttemagasinet i Garpenberg Dammbrottet i Aitik Vi använder till stor del befintliga dammar Mycket olika från damm till damm Inte dimensionerat för belastningsfallet Gamla svagheter 4. Bidragande orsaker till problem - Brister i ursprungligt byggande, brister i projekteringen byggandet tillsynen. - Befintliga dammar uppfyller ofta inte dagens krav på: instrumentering, dimensionerande läckage - Stabilitet under odränerade förhållanden Gamla svagheter Brister i kontinuitet Det går snabbt Forskning internationella erfarenheter