EXAMENSARBETE Finfilter i fyllningsdammar Jämförande studie av krossade och naturliga material Minna Winsa 2013 Civilingenjörsexamen Väg- och vattenbyggnadsteknik Luleå tekniska universitet Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser
EXAMENSARBETE FINFILTER I FYLLNINGSDAMMAR JÄMFÖRANDE STUDIE AV KROSSADE OCH NATURLIGA MATERIAL Minna Winsa Luleå 2013 Avdelningen för Geoteknologi Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser Luleå tekniska universitet 971 87 LULEÅ www.ltu.se/org/sbn
Förord Förord Detta examensarbete är den avslutande delen av fem års studier vid Civilingenjörsprogrammet Väg- och vattenbyggnad, Luleå tekniska universitet. Arbetet som motsvarar 30 högskolepoäng berör ämnet filtermaterial i gruvdammar och har genomförts åt Sweco Infrastructure AB. Jag vill börja med att tacka lärarna inom geoteknik på Luleå tekniska universitet för deras lärorika och intressanta utbildning som ledde mig in på den geotekniska banan. Jag vill även tacka gruvdammsgruppen på Sweco som väckte mitt intresse för just gruvdammar samt engagerat sig i mitt examensarbete. För att genomföra detta arbete har jag fått mycket hjälp på vägen som jag inte hade klarat mig utan. Stort tack till mina båda handledare; Thomas Bohlin, Sweco och Peter Viklander, LTU. Jag vill även tacka min examinator Tommy Edeskär som även varit väldigt engagerad under arbetets gång samt Thomas Forsberg för stöd och råd i laboratoriearbetet. Vidare vill jag tacka BDX för hjälp med material och LKAB för hjälp med material och studiebesök, samt Svenskt VattenkraftCentrum, SVC, som varit med och gjort detta examensarbete möjligt. Jag vill också tacka nära och kära för stöd och råd i mitt arbete samt mina studiekamrater för fem härliga år i Luleå. I
Sammanfattning Sammanfattning Dagens filterkrav för gruvdammar är svåra att uppfylla praktiskt med krossade material och det finns ett intresse hos gruvindustrin att använda sig av det krossade material som de producerar, vilket är fördelaktigt både ur ekonomisk och ur miljömässig synpunkt. Industrins riktlinjer som hittas i GruvRIDAS har till stor del baserats på naturliga material och för konstruktionen av vattenkraftdammar. En ökad kunskap om de krossade materialen är viktig för deras användning som filter. För att bidra till en ökad kunskap har i det här examensarbetet krossade och naturliga filtermaterial jämförts. Resultatet har tillämpats på befintliga filterkrav för att undersöka konsekvenserna. Därutöver har även en uppdelning av ett filtermaterial i en grövre och en finare del undersökts som lösning när materialet inte uppfyller filterkraven. De krossade och naturliga materialen har jämförts med laboratoriearbete där grundläggande geotekniska karakteriseringar och permeabilitetsförsök har genomförts. Med hjälp av programmet Geostudio SEEP/W har tätkärnans, filtrens och stödfyllningens samverkan och påverkan på dammens vattengenomsläpplighet studerats. Det krossade finfiltret som användes i laboratoriearbetet kommer från LKAB:s gruva i Kiruna. Det naturliga materialet har modifierats så att en liknande kornfördelning som det krossade materialet har erhållits. Som naturligt material har naturgrus från täkter i närheten av Luleå använts. De fraktioner som undersökts är ett i Kiruna vanligt framkrossat material; 0-12 mm, och ett uppdelat filter i storlekarna 0-6 mm och 3-16 mm. III
Finfilter i fyllningsdammar Resultatet från jämförelsen av de krossade och naturliga materialen visade att det krossade materialen till större del har en kantigare form, en högre andel finpartiklar och svagare struktur än ett naturligt material (som blivit utsatt för transport). Skillnaden är stor i kornfördelning där det krossade materialet har en mångsgraderad kurva med många olika fraktioner medan det naturliga har en ensgraderad kurva med ett fåtal fraktioner. Utifrån kornfördelningarna har materialens lämplighet som filter kunnat undersökas med avseende på egenskaper som materialseparation, inre stabilitet och vattengenomsläpplighet. Resultatet visar att alla material uppfyller kraven för materialseparation. Krav på inre stabilitet och vattengenomsläpplighet uppfylls endast av det grövre materialet, 3-16 mm. Permeabilitetsförsöken visade att det krossade materialen inte uppnådde samma packningsgrad som det naturliga materialen vid samma packningsenergi. Den lägre packningsgraden ledde till en högre permeabilitet hos de krossade materialen. Detta gäller dock inte det grövre materialet, 3-16mm där det krossade och naturliga materialen uppnådde liknande resultat. Analysen i SEEP/W visade på att det inte finns någon övre gräns på filtrets permeabilitet med avseende på att uppfylla sin funktion att leda bort vatten och därmed undvika höga portryck i nedströms slänt. Istället blir kravet på att förhindra materialtransport gällande som begränsande faktor. Kombinationen av materialen 0-6 mm och 3-16 mm skulle kunna vara en lösning att använda i gruvdammar då krossat material inte uppfyller filterkrav. Materialet 0-6 mm uppfyllde inte heller ställda krav men om det materialet ses som en ett övergångsfilter från tätkärna till ett lite grövre finfilter skulle lägre krav kunna ställas på materialet. Med avseende på permeabiliteten som varit den större delen av det här arbetet antyder resultatet att även om det finns skillnader så fungerar det krossade materialet som filter, däremot verkar inte permeabiliteten vara den mest kritiska egenskapen. Andra aspekter att ta hänsyn till, såsom inre stabilitet och filtrerande funktion, har förmodligen större effekt på det krossade materialets filteregenskaper. IV
Abstract Abstract The present filter requirements for tailings dams are hard to fulfil practically with crushed material. There is an interest from the mining industry to use the crushed material that they produce, which is beneficial both from an economical and environmental point of view. The industry s guidelines that are found in GruvRIDAS have to a great extend been based upon natural material and the construction of water retention dams. Therefore, an increased knowledge about crushed material is of importance for the use of crushed material as filter in dams. Crushed and natural materials have been compared in this thesis with the aim of increasing the knowledge about crushed material. The result has been applied on existing filter requirements to study the consequences. Additionally a division of a filter material has been made, where the filter was divided into a finer and a coarser part to see if that is a solution when the original material is not fulfilling the filter requirements. Laboratory work has been done where the crushed and natural materials have been compared with basic geotechnical characterizing and permeability experiment. The interaction of the core, filter and support material and theirs effect of the dam s permeability have been studied with the programme Geostudio SEEP/W. The origin of the crushed fine filter that were used in the laboratory work is LKAB:s mine in Kiruna. The natural material has been modified so that a similar size distribution curve to the crushed material was achieved. The natural material comes from quarries around Luleå. The chosen fractions to investigate is a easily produced fine filter, 0-12mm, and a fine filter divided in the sizes 0-6 mm and 3-16 mm. V
Finfilter i fyllningsdammar The result from the comparison of the crushed and natural material showed that the crushed material to a greater extend have a more angular shape, a higher amount of fine particles and a weaker structure than a natural material (that has been exposed to transportation). Furthermore, there is a big difference in the size distribution, where the crushed material has a poorly graded distribution curve with a large spread of particle sizes while the natural material has a wellgraded distribution curve with a small spread of particle sizes. The materials suitability as filter considering properties as material separation, inner stability and permeability, has been investigated based on the materials distribution curves. The result shows that all the materials fulfil the requirements for material separation. The requirements for inner stability are only fulfilled by the coarser material, 3-16 mm. In the permeability experiments it was found that the crushed material did not achieve the same degree of compaction as the natural material even though the same compaction energy was used. The lower degree of compaction led to a higher permeability for the crushed material. However the coarser material, 3-16 mm, is a exception where the crushed and natural material attained similar results. The analyse in SEEP/W indicated that there is no higher limit for the permeability of the filter considering their ability to lead away water and thereby avoiding high pore pressure in the downstream slope. The limited factor is instead the requirement to prevent material transportation. The combination of the two materials, 0-6 mm and 3-16 mm, could be a solution to use in tailings dams when crushed material is not able to fulfil the filter requirements. The material 0-6 mm did not either fulfil the filter requirements but if the material could be considered as a transition filter between the core and a slight coarser filter, lower requirements could perhaps be possible. Considering the permeability which has been a great part of this work, the result implies that even though there are differences the crushed material will function as filter. However, permeability do not seem to be the most critical property of a filter and there are other aspects that have higher influence of the filter function. Some of the more important properties are inner stability and ability to prevent material transportation, which demands further investigation. VI
Förklaringar Förklaringar Beach Anrikningssanden närmast dammen, utgör avståndet från dammkroppen till den fria vattenytan D x Kornstorlek för filtermaterialet. x är den procentuella mängden d x Kornstorlek för basmaterialet. x är den procentuella mängden Erosion Här, inre materialtransport FEM Finita Elementmetoden Finpartiklar/finmaterial Material med storlek < 0,060 mm (0,063 mm används vanligen p.g.a. att det är siktstorleken) Ensgraderat material Homogent material med fraktioner av liknande storlek utan så stor spridning. i Hydraulisk gradient, beskriver tryckskillnaden över jordprov med flödande vatten; K Förkortning för krossat material Krossat material Material som har krossats fram Månggraderat material - Material med flera fraktionsstorlekar. VII
Finfilter i fyllningsdammar N Förkortning för naturligt material Nedströms sida Den yttre sidan av dammen, som ligger bort från magasinet Naturligt material Okrossat stenmaterial Portryckslinje Ytan mellan den vattenmättade och den ovattenmättade zonen i dammen Uppströms sida Den sida av dammen som ligger mot magasinet 0-12 mm Benämning på det material som undersökts med storleken 0-12 mm 0-6 mm Benämning på det material som undersökts med storleken 0-6 mm 3-16 mm Benämning på det material som undersökts med storleken 3-16 mm VIII
Innehållsförteckning Innehållsförteckning FÖRORD... I SAMMANFATTNING... III ABSTRACT... V FÖRKLARINGAR... VII INNEHÅLLSFÖRTECKNING... IX 1 INLEDNING... 1 1.1 Bakgrund... 1 1.2 Syfte... 2 1.3 Mål... 2 1.4 Metod... 3 1.4.1 Litteraturstudie... 3 1.4.2 Laboratoriearbete... 3 1.4.3 Analys i Geostudio SEEP/W... 3 1.5 Avgränsningar... 3 2 LITTERATURSTUDIE... 5 2.1 Bakgrund... 5 2.1.1 Gruvdammar... 5 2.1.2 Permeabilitet... 7 2.1.3 Skillnader gruvdammar och vattenkraftdammar... 8 2.1.4 Långsiktsperspektiv... 9 2.2 Finfilter... 10 2.2.1 Funktion... 10 2.2.2 Krav... 11 2.2.3 Filters egenskaper... 12 IX
Finfilter i fyllningsdammar 2.2.4 Inre stabilitet... 13 2.2.5 Inre erosion... 14 2.2.6 Påverkan från vatten... 16 2.2.7 Alternativa filter... 16 2.3 Krossat och naturligt material... 17 2.3.1 Krossat material... 17 2.3.2 Naturligt material... 17 2.3.3 Jämförelse Krossat och naturligt material... 18 2.3.4 Krossningsprocessen... 19 2.4 Effekt av krossat material som finfilter... 20 3 KARAKTERISERING AV MATERIAL... 23 3.1 Val av material... 23 3.1.1 Volymer... 24 3.1.2 Krossat material... 24 3.1.3 Naturgrus... 25 3.1.4 Hantering av materialet... 26 3.2 Grundläggande geotekniska karakteriseringar... 27 3.2.1 Kornform Okulär bedömning... 27 3.2.2 Kornfördelning - Våtsiktning... 28 3.2.3 Kriterier för materialseparation, inre stabilitet och vattengenomsläpplighet... 29 3.2.4 Sedimentationsanalys... 30 3.2.5 Kompaktdensitet... 31 3.2.6 Maximal torrdensitet och optimal vattenkvot Modifierad Proctorpackning... 32 3.2.7 Vattenkvot... 33 3.3 Permeabilitetsförsök... 34 3.3.1 Packning... 38 3.3.2 Hydraulisk gradient... 39 3.3.3 Statistik... 39 3.3.4 Teoretisk permeabilitet... 40 3.4 Modellering i SEEP/W... 42 4 RESULTAT... 47 4.1 Grundläggande geotekniska karakteriseringar... 47 4.1.1 Kornfördelning... 48 4.1.2 Sedimentationsanalys... 53 4.1.3 Kompaktdensitet... 53 4.1.4 Maximal torrdensitet, optimal vattenkvot Modifierad Proctorpackning... 54 X
Innehållsförteckning 4.1.5 Vattenkvot... 56 4.2 Permeabilitetsförsök... 57 4.2.1 Permeabilitet... 57 4.2.2 Materialtransport... 65 4.3 Observationer under laboratoriearbetet... 67 4.4 SEEP/W... 68 4.4.1 Fall 1... 68 4.4.2 Fall 2... 69 4.4.3 Fall 3... 70 4.4.4 Fall 4... 70 4.4.5 Hydraulisk gradient och läckage... 70 5 ANALYS... 73 5.1 Litteraturstudie... 73 5.2 Grundläggande geotekniska karakterisering... 73 5.3 Permeabilitetsförsök... 76 5.4 Teoretisk permeabilitet... 77 5.5 Analys i SEEP/W... 78 6 DISKUSSION... 81 6.1 Användning som finfilter... 81 6.2 Observationer under laboratoriearbetet... 83 6.3 Restriktioner... 83 6.4 Fortsatta undersökningar... 83 7 SLUTSATSER... 85 REFERENSER... 871 BILAGA 1-12 XI
Inledning 1 INLEDNING Här ges en beskrivning till bakgrunden för problemuppställningen med examensarbetet samt dess syfte och mål. Tillvägagångssätt för att uppnå syfte och mål beskrivs även. 1.1 Bakgrund Dagens filterkrav för gruvdammar är svåra att uppfylla praktiskt med krossade material. Det finns ett intresse hos gruvindustrin att använda sig av det krossade material som de producerar, vilket är fördelaktigt både ur ekonomisk och ur miljömässig synpunkt [Bohlin, 2012]. Eftersom naturliga material är en ändlig resurs bör användandet av dessa begränsas [SGU, 2011]. Problemet med de krossade materialen är att det kan vara svårt att uppfylla uppställda filterkrav varför naturliga material måste blandas in. Filterkraven för gruvdammar [GruvRIDAS, 2010] är till stor del baserade på de krav som har utvecklats för vattenkraftsdammar (av kraftindustrin [RIDAS, 2011]). Det innebär att det finns utrymme för att ta större hänsyn till de olika förutsättningarna som råder mellan dammtyperna. En viktig skillnad är att gruvdammar i allmänhet utsätts för en lägre hydraulisk gradient. De olika förutsättningarna som förklaras vidare i avsnitt 2.1.3 gör att det är intressant att undersöka huruvida de krav som finns skulle kunna utformas mer inriktat mot gruvdammar. Filterkraven grundas till stor del på erfarenhet. Under den tid som vattenkraftsdammar byggts har man utgått från tidigare kunskap, t.ex. Terzaghis forskning [Fell et al, 2005] och med tiden sett vad som fungerar och inte (haveri). På detta sätt har dagens filterkrav etablerats vilket gör att det 1
Finfilter i fyllningsdammar finns ett behov av kompletterande undersökningar om hur materialen verkligen fungerar. De krossade materialen har framförallt svårt att uppfylla filterkraven med avseende på vattengenomsläpplighet och inre stabilitet. Dessutom finns det även ett problem under hanteringen av materialen vilket är materialseparation. Materialseparation innebär att större och mindre partiklar separerar och bildar egna lager. För att hantera detta problem krävs större kunskap om det krossade materialet. Detta arbete fokuserar på att ge en bättre förståelse om de krossade materialens egenskaper för att möjliggöra vidare kunskapsbyggande om filterkraven för gruvdammar. Vid dimensionering av filter är inre stabilitet och dränering två viktiga faktorer, dessa delar är därför intressanta för att förstå och utvärdera för de krossade filtermaterialen. 1.2 Syfte Syftet med det här examensarbetet är att jämföra krossade och naturliga stenmaterial med fokus på användning som filter i gruvdammar. Resultatet ska kunna användas vid konstruktion och byggande av fyllningsdammar för att säkerhetsställa deras funktion. På längre sikt kan det bidra till att krav och riktlinjer för användning av dessa material kan anpassas utifrån eventuella skillnader. 1.3 Mål Målet med det här examensarbetet är att jämföra krossade och naturliga filtermaterialegenskaper genom laboratorieförsök. För att uppnå målet har följande frågor ställs: Hur skiljer sig materialens egenskaper såsom kompaktdensitet, maximal torrdensitet, optimal vattenkvot, permeabilitet och packningsegenskaper (optimal vattenkvot och maximal torrdensitet) åt vid samma kornfördelning? Vad får det för konsekvenser när de används som filter? Ytterligare en målsättning med arbetet är att undersöka vad en uppdelning av filtermaterialet i två fraktioner får för konsekvenser med avseende på inre stabilitet och vattengenomsläpplighet. 2
Inledning 1.4 Metod För att uppnå målen i detta arbete har en litteraturstudie samt jämförande laboratorieförsök genomförts där krossat respektive naturligt filtermaterial jämförs. Därutöver har beräkningar utförts för att undersöka hur de olika materialens permeabilitet påverkar portrycklinjen med hjälp av FEMprogrammet Geostudio SEEP/W. Detta görs för att undersöka effekten av finfiltrets permeabilitet i samverkan med tätkärna och stödfyllning. 1.4.1 Litteraturstudie Litteraturstudien har haft utgångspunkt i GruvRIDAS som är gruvindustrins riktlinjer för dammsäkerhet. Därutöver har bok- och artikelsök utförts som berör ämnena; krossade och naturliga material, filterkrav i dammar och hur dessa tagits fram samt filtermaterials egenskaper. 1.4.2 Laboratoriearbete Det krossade materialet från LKAB:s gruva i Kiruna och det naturliga materialet från täkter kring Luleå har jämförts med hjälp av grundläggande geotekniska karakteriseringar samt permeabilitetsförsök. 1.4.3 Analys i Geostudio SEEP/W Med hjälp av programmet SEEP/W, som är ett program som analyserar grundvattenflöden och portryck, har tätkärnans, filtrens och stödfyllningens samverkan och påverkan på dammens vattengenomsläpplighet studerats. Med programmet har även undersökts om permeabiliteten är begränsande i filtren om inte kraven i GruvRIDAS uppfylls [GruvRIDAS, 2010]. Det har gjorts genom att undersöka vilken effekt permeabiliteten i filtren har på gradienten i dammen. SEEP/W är framtaget av Geostudio och baseras på FEM, Finita elementmetoden. 1.5 Avgränsningar Arbetet behandlar endast det finkornigaste filtret, så kallat finfilter, eftersom detta material är svårast att framställa på konstgjord väg [Bohlin, 2012]. Materialen som används i laboratoriearbetet består av krossat och naturligt material. Bara krossmaterial från LKAB:s gruva i Kiruna har använts och det 3
Finfilter i fyllningsdammar naturliga materialet har anpassats efter deras siktkurvor. Det krossade materialet har valts utifrån vad som fanns på upplag i Kiruna. Siktkurvorna har anpassats så att de är så lika som möjligt och använts som den gemensamma nämnaren för vidare analys. Det finns ett flertal potentiella faktorer som kan påverka materialet men som inte ryms i detta arbete. Exempel på detta är: tjäle, temperatur, vattenkvalitet, kvaliteten hos berget eller turbulent flöde. Andra intressanta egenskaper att undersöka är till exempel mikrosprickor och hur materialseparationen hos de olika materialen beter sig, samt användning av bildanalys. På grund av den begränsade tiden för examensarbetet har detta dock inte tagits med. Gruvdammar ska dimensioneras för att vara långtidsstabila vilket ställer höga krav på materialet i dammarna. Möjligheten att undersöka beteende under lång tid hos filtermaterialet i detta arbete har inte funnits. Detta arbete är endast fokuserat på svenska dammar och förhållanden. 4
Litteraturstudie 2 LITTERATURSTUDIE I den första delen av litteraturstudien beskrivs finfiltrets funktion i en damm och kraven på dessa. I den andra delen studeras skillnaderna mellan krossat och naturligt material. 2.1 Bakgrund 2.1.1 Gruvdammar Gruvdammar är en konstruktion vars syfte är att förvara en restprodukt som skapas i gruvindustrin, anrikningssand. Anrikningssanden är ett krossat material men liknar vanlig sand. Därutöver innehåller den ofta ämnen som inte får spridas i naturen. Gruvdammar byggs därför för att förvara anrikningssanden på ett säkert sätt. Gruvdammar är en typ av fyllningsdamm och har i Sverige länge byggts på ett liknande sätt som vattenkraftdammar [Jantzer, 2009]. Det innebär att de byggs som odränerade dammar. Exempel på det är. zonerad damm med tätande tätkärna och dränerade filter runt denna, se Figur 1, eller homogena dammar som endast består av tätande material. 5
Finfilter i fyllningsdammar Figur 1 Typsektion av fyllningsdamm med tätkärna av morän och stödfyllning av stenmaterial [Kuhlin, 2012] Det finns även andra sätt att bygga gruvdammar där dränerade dammar är ett exempel. Anrikningssanden används då som tätande del istället för till exempel morän som är ett vanligt material i tätkärnor. Anrikningssanden har inte samma tätande egenskaper som morän men detta kompenseras med en flack släntlutning. Denna konstruktion bygger på att man anlägger en beach som håller vattenlinjen borta från själva dammkroppen [GruvRIDAS, 2012] Beroende på mängden vatten i sandmagasinet byggs gruvdammar som dränerande eller odränerade dammar. De tre vanligaste höjningsmetoderna för gruvdammar visas i Figur 2. Allteftersom anrikningssanden produceras höjs dammarna successivt. Damm a) i Figur 2 visar uppströms höjning, damm b) nedströms höjning och damm c) visar uppåthöjning [Jantzer, 2009]. 6
Litteraturstudie Figur 2 De tre vanligaste typerna av gruvdammar [Argent, 2009] Uppströms höjning innebär att dammen höjs in mot magasinet och anrikningssanden nyttjas som byggnadsmaterial. Fördelen är att mindre byggnadsmaterial behövs, nackdelen är att magasinet blir mindre för varje höjning. Dessutom måste anrikningssanden få tid och möjlighet att konsolidera för att få tillräckligt hållfasthet för att fungera som byggnadsmaterial. Dammar som byggs med nedströms höjning liknar mer en vattenkraftsdamm med ett tätande lager. Att dammen höjs utåt gör att stora landarealer krävs successivt, samt mycket nytt material. Fördelen är att den inte är beroende av egenskaperna hos anrikningssanden i magasinet. Uppåthöjningen är en blandning av uppströms och nedströms höjning vilket gör att mindre material går åt än vid nedströms höjning men den blir inte lika beroende av hållfastheten hos anrikningssanden som vid uppströms höjning. 2.1.2 Permeabilitet Permeabilitet finns i alla porösa material och innebär att vatten flödar genom porerna mellan partiklarna i materialet. Darcys lag används för att beskriva laminärt flöde genom en mättad jord i en dimension enligt Ekvation 1. 7
Finfilter i fyllningsdammar (1) Där q= flöde [m 3 /s] A= tvärsektionen som flödet sker i [m 2 ] k= permeabilitet [m/s] i= hydraulisk gradient [-] och Permeabiliteten beror i första hand på porstorleken, som i sin tur bland annat beror på kornfördelningen, partiklarnas form samt jordskelettets egenskaper. Generellt gäller att med mindre partiklar minskar porstorleken och därmed permeabiliteten. Fina partiklar i ett grövre material kan sänka permeabiliteten avsevärt jämfört med samma material utan fina partiklar. Finfilter är ett exempel på ett material med flera fraktioner och permeabiliteten är därför svår att bedöma med standardvärden [Craig, 2004]. 2.1.3 Skillnader gruvdammar och vattenkraftdammar En av de främsta skillnaderna mellan gruvdammar och vattenkraftdammar är deras syfte, gruvdammar konstrueras för att förvara anrikningssand medan vattenkraftdammar konstrueras för att förvara vatten. Livslängden skiljer sig också åt, en vattenkraftsdamm dimensioneras för att hålla enbart under anläggningens drift och en gruvdamm till nästa istid/1000 år [Jantzer & Knutsson, 2007]. Detta innebär olika krav på designen, en gruvdamm måste klara av att vara stabil även under efterbehandlingsskedet, vilket innebär att gruvverksamheten har avslutats och ingen tillsyn av dammarna kommer ske. Anrikningssanden kan också innehålla föroreningar som inte får läcka ut i naturen. I teorin kan en vattenkraftsdamm tas bort, något som inte gäller för en gruvdamm på grund av innehållet som aldrig får komma ut i naturen. De riktlinjer som används i Sverige idag för gruvdammar beskrivs i GruvRIDAS [GruvRIDAS, 2010]. Dessa krav är tagna från de krav som finns på vanliga vattendammar, RIDAS [RIDAS, 2010]. Det innebär att samma krav ställs på filtret för en gruvdamm som en vattenkraftsdamm. Den skillnad som finns mellan riktlinjerna är följande citat i [GruvRIDAS, 2010]: (2) 8
Litteraturstudie Om det kan visas att genomströmningsförhållanden (riktning och gradient) är gynnsamma, är det möjligt att reducera nedan angivna geometriska filterkrav genom att använda så kallade hydrauliska filterkrav [7.2 58]. En sådan reduktion kräver en bra uppfattning av de hydrauliska förhållandena i varje enskilt fall och måste användas med försiktighet. Många gruvdammar är designade med en beach som består av deponerad anrikningssand. Denna beach flyttar vattennivån från dammen och därigenom fås en lägre hydraulisk gradient vilket ger lägre laster på dammen. Det finns verkliga fall där erosion, piping eller dylikt har varit ett problem i dammen men med hjälp av en längre beach har vattennivån flyttats från dammar och problemen har försvunnit [McLeod et al. 2003]. Det finns gruvdammar som måste vara vattentäckta eftersom de innehåller sulfider och små vattenkraftsdammar med låga gradienter men generellt gäller att gruvdammar har en lägre hydraulisk gradient. Byggnadssättet mellan de olika dammtyperna skiljer sig även åt. En vattenkraftsdamm byggs direkt till full höjd medan gruvdammar normalt höjs successivt. Höjningen sker i takt med produktionen av anrikningssand. På så sätt kan man också använda anrikningssanden som byggnadsmaterial. I vattenkraftdammar kan snabba avsänkningar av vattennivån ske vilket ställer högre krav på uppströms filter än om vattennivån är konstant eller ändras långsamt. Vid en snabb avsänkning bildas en risk för erosion av tätkärnan genom uppströms slänt vilket kan försämra dammens stabilitet. Det gör att uppströms filter är viktiga vid avsänkningar för att kunna garantera dammens funktion. En snabb avsänkning sker normalt inte i gruvdammar vilket innebär att materialtransport från tätkärnan i riktning mot uppströms slänt normalt är ett mycket mindre problem än för vattenkraftdammar. 2.1.4 Långsiktsperspektiv Enligt [Jantzer, 2009] dimensioneras gruvdammars filter endast för en kortare livslängd, på samma sätt som för vattenkraftdammar. Vid dimensionering ur ett långtidsperspektiv tas normalt ingen hänsyn till filtren eftersom det finns en risk att de är igensatta eller att funktionen har förstörs på annat sätt. 9
Finfilter i fyllningsdammar 2.2 Finfilter 2.2.1 Funktion Filter används i dammar för att förhindra mindre partiklar från att erodera samt leda bort vatten och därmed undvika höga portryck i nedströms slänt. Nedströms slänt på en damm är viktigt ur stabilitetssynpunkt och med ett portryck i den försämras stabiliteten. En vanlig orsak till dammbrott är inre erosion och det ställer höga krav på filtrets egenskaper. Filtret delas ofta upp i finfilter och grovfilter, eventuellt kan flera lager krävas för att säkerhetsställa övergången från tätkärnan med väldigt fint material till den grövre stödfyllningen. Finfiltret ligger närmast tätkärnan och ska förhindra erosion av det fina materialet i tätkärnan. Finfiltret anses vara det viktigaste filtret i en fyllningsdamm [GruvRIDAS 2010]. Grovfiltret ska i sin tur förhindra erosion av finfiltret mot stödfyllningen. Genom att successivt öka storleken på fraktionerna bildas en struktur som förhindrar förflyttning av material i dammkroppen. Figur 3 Exempel på kornfördelningskurvor för tätkärna, filter, övergånszon och stödfyllning i en stenfyllningsdamm [Kjaernsli et al, 1992] Filter i dammen kan även delas upp i kritiska och icke-kritiska filter [Fell et al., 2005 ]. De kritiska filtren är viktiga för att kontrollera inre erosion i dammen. Går dessa sönder finns det en ökad risk erosion av material i dammen vilket på sikt kan äventyra dammens stabilitet. De kritiska filtren är de som är placerade 10
Litteraturstudie närmast tätkärnan och marken på nedströms sida. Icke-kritiska filter, till exempel filter uppströms tätkärnan, har inte samma höga krav på sig och kan därför designas mindre konservativt än de kritiska filtren. Att filtren på uppströms sida inte har lika höga krav beror på att det inte finns samma risk för inre erosion där, i och med att vattnet flödar genom filtren, mot tätkärnan. Även kravet på dränering blir mindre viktigt för uppströms filter. Ett krav på uppströms filter som inte finns för nedströms filter är däremot att de ska ha läkande egenskaper, vilket innebär att om material i tätkärnan eroderar ska filtrets mindre fraktioner kunna erodera till tätkärnan och på så vis läka skadan och förhindra vidare erosion och läckage. Filter består av porösa material såsom sand, grus, sprängsten eller krossmaterial. Kraven på filter specificeras normalt utifrån dess kornfördelning. Hålrummen mellan partiklarna spelar en stor roll för att filtret ska uppfylla sin funktion som ett dränerande material. Samtidigt som de ska ha en dränerande förmåga får hålrummen inte vara för stora så att mindre partiklar kan passera igenom porstrukturen [Fell et al., 2005]. 2.2.2 Krav Filters viktigaste krav [Fell et al., 2005]: Hålla partiklarna på plats i det material som ska skyddas Kunna leda bort vatten och därmed undvika höga portryck och hydrauliska gradienter Ett idealt filter ska för att uppfylla dessa krav ha följande egenskaper [ICOLD 1994]: Inte segregera under bearbetning, hantering, spridning, placering eller packning. Kornfördelningen ska inte förändras (på grund av nedbrytning/krossning) under bearbetning, hantering, placering eller packning, samt brytas ned med tiden på grund av frysning och tining eller blötläggning och torkning beroende på vattenflödet. Det ska vara kohesionsfritt och inte ha någon tendens att cementera på grund av kemisk, fysisk eller biologisk påverkan. Detta för att förhindra sprickor i jorden som filtret ska skydda. 11
Finfilter i fyllningsdammar Vara internt stabilt vilket innebär att finare partiklar i materialet inte ska erodera från filtret i sig. Ha tillräcklig permeabilitet för att dränera ut vattenflöden utan att bygga upp alltför stort portryck. Ha förmågan att kontrollera och försegla erosion som kan ha uppstått genom en koncentrerad läcka, bakåtskridande erosion eller intern ostabilitet (gäller uppströms filter). 2.2.3 Filters egenskaper Permeabiliteten hos ett filter är starkt beroende av andelen finare partiklarna. Filtrets filtrerande förmåga beror däremot till större del på hela kornfördelningen. Är kurvan månggraderad eller saknar vissa fraktioner försämras filtrets inre stabilitet och förmåga att hindra erosion. [Jantzer, 2009]. Även risken för problem med materialseparation ökar med en mångraderad kurva. Ett problem med ett för ensgraderat material kan dock vara att det är svårt att packa, särskilt om finare partiklar saknas [SGU, 2011]. Eftersom finpartiklar (enligt [Fell et al., 2005] <0,075 mm, i Sverige <0,060 mm) påverkar permeabiliteten är det rekommenderat att ha en låg halt av dessa. Enligt [Fell et al., 2005] bör gränsen 2 % finpartiklar inte överskridas, i vissa fall förekommer dock 5 % som övre gräns. Med liten halt finpartiklar fås en högre permeabilitet och risken för att sprickor ska bildas i filtret minskar. Dimensioneringen av finfilter beror på vilket material tätkärnan består av. De generella kriterierna och förhållandena för gruvdammar finns beskrivet i GruvRIDAS [GruvRIDAS, 2010]. För att förhindra erosion bör relationen mellan filter, (D) och basjorden, (d) vara D15/d85 4. Med avseende på dränering och vattengenomsläpplighet bör kriteriet D15/d15 4 uppfyllas. [GruvRIDAS, 2010] Dessa filterkrav är baserade på Terzaghis forskning på 1920-talet. Kraven har modifierats under tidens gång men den huvudsakliga principen kvarstår [Fell et a, 2005]. 12
Litteraturstudie Figur 4 Kornfördelningskurvor med kornstorlekar aktuella för filterkriterier [Rönnqvist, 2002] Efter Terzaghi har vidare forskning gjorts på filtermaterial där man har fortsatt fokusera på sambandet mellan filter och basjord. Den har också visat att de viktigaste kraven är de som berör erosion och dränering och de villkor som Terzaghi ställde upp ligger fortfarande till grund för dagens krav. Till största delen berör tidig forskning endast vattenkraftsdammar men resultatet har på senare tid även tillämpats på gruvdammar. 2.2.4 Inre stabilitet Inre stabilitet beskriver ett materials förmåga att förhindra förflyttning av de finare partiklarna. För filter ställs ytterligare krav på att även förhindra förlust av partiklar i materialet som det ska hålla på plats. Risken om inre stabilitet inte uppnås är att mindre partiklar börjar erodera och att de successivt ökar i storlek. När de minsta partiklarna försvinner ökar porernas storlek och möjliggör erosion av allt större material. Om denna process, suffosion, fortsätter blir jordskelettet svagare och materialet förlorar sin inre stabilitet [Kenney & Lau, 1985]. För att transport av partiklar ska ske krävs att det finns lösa partiklar i materialets uppbyggnad. I jordskelettet finns det spänningar som håller ihop partiklarna. De partiklar som berörs av denna spänning kan anses vara fasta men det kan finnas mindre partiklar som inte berörs av spänningen och därmed enklare kan förflyttas. För att denna förflyttning ska ske krävs en yttre kraft, till 13
Finfilter i fyllningsdammar exempel vattenflöde. Porerna i materialet måste också vara större än de lösa partiklarna så det finns utrymme för förflyttning [ Kenney & Lau, 1985]. Om porstorleken är tillräckligt stor kan de lösa partiklarna förflyttas med hjälp av ett flöde och på så viss kan materialet urlakas på dessa partiklar. Om porstorleken minskar fastnar däremot dessa partiklar och blir en del av filtret. En risk som uppstår är då att filtret blir för tätt i vissa delar och förlorar sin dränerande förmåga, även kallat clogging eller igensättning. Om det i materialet saknas vissa fraktioner ökar risken för att porstorleken blir för stor och tillåter materialförflyttningen av mindre partiklar. Särskilt vid en bred spridning av partikelstorlekarna i den nedre delen av kornfördelningskurvan ökar risken för inre erosion. Detta sker eftersom det blir för stor skillnad mellan storleken på partiklarna och därmed porerna. Den inre stabiliteten hos ett material påverkas framförallt av fyra faktorer; partiklarnas storlek och kornfördelning, porositet/relativ densitet samt påverkan av yttre krafter såsom vattenflöde eller seismisk aktivitet. Undersökningar gjorda av [Kenney & Lau, 1985] av materialtransport visar att kornfördelningen har störst inflytande på materialtransporten vilket är en anledning till att filterkraven baseras på denna. Med avseende på materialtransport eftersträvas en ensgraderad kornfördelning. Exempel på ett ensgraderat och ett språnggraderat material visas i Figur 5. Figur 5 Kornuppbyggnad hos material med korresponderande korngraderingskurva [Rönnqvist, 2002] 2.2.5 Inre erosion Inre erosion inträffar då läckagevattnet i dammen för med sig eroderat material inifrån dammkroppen, vilket kan leda till stabilitetsproblem på grund av urlakningen av material. För att inre erosion ska inträffa i ett jordmaterial krävs följande grundvillkor [Rönnqvist, 2002]: 14
Litteraturstudie En korngeometri som tillåter korn från närliggande porsystem att transporteras igenom dess hålrum utan att successivt täta till förträngningarna mellan porsystemen. En tillräckligt stark vattengenomströmning i jordmaterialet som kan initiera inre erosion och härigenom lösgöra finmaterial från dess ursprungliga plats i kornskelettet. Tillräckligt stark vattengenomströmning kan uppkomma om tryckgradienten över materialet överstiger den kritiska tryckgradienten. Initieringen och utvecklingen av inre erosion är ofta beroende på flera samverkande mekanismer. Fyra vanligen förekommande mekanismer är Piping, Suffosion, Hydraulisk uppspräckning och Valvbildning i tätkärnan [Rönnqvist, 2002]. Piping påbörjas vid det genomströmmande vattnets utlopp eller i kontaktytan mellan lager av stor skillnad i korngardering och innebär att en koncentrerad läcka i dammen får materialet att erodera och skapa en läckageöppning i dammen där erosion kan fortlöpa [Jantzer & Knutsson, 2007]. Suffosion, som även beskrivs i 2.2.4 Inre stabilitet innebär att finpartiklarna i ett material spolas bort medan det grövre kornskelettet och originalvolymen hos materialet bibehålls. För att hydraulisk uppspräckning ska ske krävs att ett verkande vattentryck i en spricka överstiger mothållande tryck från omgivande material och därigenom skapa sprickor i jordmaterialet. Dessa sprickor innebär att läckvägar skapas i dammkroppen vilket skapar förutsättningar för inre erosion. Valvbildning kan uppstå vid kontaktytan mellan material av skilda egenskaper då det finns förutsättningar för valvbildning i materialets kornskelett och yttre laster verkar på materialet. Vid valvbildning skapas inre instabilitet i jordmaterialet vilket kan leda och bidra till inre erosion [Rönnqvist, 2009]. Huruvida erosionen kommer att fortgår eller avta är till stor del beroende av filtren och övergångslagren i dammen. Till exempel ökar risken för fortskridandet av erosionen med ökad andel finpartiklar då detta påverkar materialets förmåga att stödja en läckageöppning, piping [Milligan, 2003]. Om andelen finpartiklar överskrider 15 % är det troligare att det stödjer läckageöppningen än om det är mindre än 5 % [Fell et al., 2005]. Detta är en av anledningarna till att en låg halt finpartiklar eftersträvas i filter. Filtren får heller inte vara för grova eftersom de då inte hindrar material från basmaterialet att erodera. 15
Finfilter i fyllningsdammar 2.2.6 Påverkan från vatten Gruvdammar och fyllningsdammar är till stor del konstruerade av porösa material vilket innebär att det kommer finnas ett vattenflöde genom dammkroppen då vatten finns i magasinet. Detta vattenflöde och framförallt den hydrauliska gradienten utövar en kraft på partiklarna i dammen. Normalt är detta inget problem så länge den hydrauliska gradienten är tillräckligt låg. Däremot kan ett högt läckage leda till inre erosion vilket i värsta fall kan leda till dammbrott. Denna process startas när den kritiska hydrauliska gradienten uppnås. Den kritiska hydrauliska gradientens värde beror på flera faktorer, bland annat dammkonstruktionen, material som använts och hur det har hanterats och packats [Jantzer & Knutsson, 2007]. Den hydrauliska gradienten i en damm beror på flera faktorer. En viktig faktor är vattennivån i dammen, en högre vattennivå ökar den hydrauliska gradienten eftersom vattenlinjen kommer närmare dammen och höjden för vattnets färd ökar medan längden minskar. Permeabilitet i marken där dammen är grundlagd påverkar även den hydrauliska gradienten. Med lägre permeabilitet skapas en tätare grund vilket ger att en högre vattenlinje genom dammen och därmed kan den hydrauliska gradienten i dammen öka. Därutöver påverkar även deponeringen av anrikningssanden den hydrauliska gradienten. Vid deponeringen sker en materialseparation av de grövre och finare partiklarna. Normalt transporteras de finare partiklarna längre från dammen och de grövre partiklarna med högre permeabilitet stannar närmare dammen. På så viss sänks den hydrauliska gradienten genom dammen. Med finare partiklar närmare dammen minskar permeabiliteten och dräneringen försämras. Det gör att vattenytan höjs och kommer närmare dammen, vilket i sin höjer portrycket och den hydrauliska gradienten i dammen [Jantzer & Knutsson, 2007]. Den hydrauliska gradienten kan variera inuti dammkroppen. I en fungerande dammkonstruktion där filtret uppfyller sin dränerande funktion fås en brantare hydraulisk gradient i den tätande delen för att därefter flackas ut i filtret. Denna effekt erhålls på grund av materialens olika permeabiliteter. 2.2.7 Alternativa filter Normalt består filtermaterial av sand, grus, sprängsten eller krossmaterial men det finns även alternativ i form av konstgjorda material som geotextiler. Geotextil är en vävd duk eller matta av polyester som fungerar som ett avskiljande lager men ändå släpper igenom vatten. Fördelar är att mindre material går åt och problem med att uppfylla filterkrav [GruvRIDAS, 2010] 16
Litteraturstudie undviks. Däremot bör de endast användas i undantagsfall och rekommenderas inte som nedströmsfilter i zonerade dammar i konsekvensklass 1 och 2 enligt [GruvRIDAS, 2010]. Anledningen är att om igensättning sker är det svårt att åtgärda. Geotextiler rekommenderas inte heller att ingå i tåbanksförstärkningar där funktionen förutsätter att finmaterial kan transporteras bort så att uppbyggnad av vattentryck förhindras. Användningsområde där geotextil i vissa fall kan vara lämpligt är till exempel dränagediken nedströms dammen där funktionen kan övervakas och åtgärdas vid behov [GruvRIDAS, 2010]. 2.3 Krossat och naturligt material 2.3.1 Krossat material Krossat material definieras som det krossade gråberg som gruvindustrin kan ta fram från det överflödiga gråberg som bryts för att nå malmen. Större fraktioner som bildas vid sprängning krossas till mindre storlekar. I gruvindustrin krossas bland annat finfilter och grovfilter fram, men det finns flera användningsområden för krossat berg i resten av samhället. Stora användningsområden är som konstruktionsmaterial i vägar, järnvägar och annan infrastruktur samt i betong. Krossmaterialet kommer då från bergtäkter där berget sprängs lös och krossas. 2.3.2 Naturligt material Det naturliga material som används som filter kallas naturgrus/sand. Detta material har bildats under en lång tid genom isälvssedimentering i olika avlagringstyper, såsom rullstensåsar och deltan, svallsediment samt sandiga älv- och vindsediment. Vid bildandet av grusmaterialet har sediment transporterats och avsatts med olika krafter. Isälvsediment med smältvattenströmmar från en glaciär eller inlandsis, svallsediment med vågor och strömmar längs med kusterna och älv- och vindsediment med strömmande vattendrag respektive vind. [SGU, 2011] Gemensamt för naturgruset oavsett processen som skapat det är att det har tagit lång tid för materialet att skapas, det finns endast i en begränsad upplaga samt den rundade formen (gäller för material som transporterats). 17
Finfilter i fyllningsdammar Figur 6 Krossat material och naturgrus [Cementa, 2012] 2.3.3 Jämförelse Krossat och naturligt material Att minska användningen av naturgrus är ett miljömål uppsatt i Sverige och det finns därför forskning inom området krossade material som kan användas i gruv- och vattenkraftsindustrin. Det material som i första hand föreslås som ersättare för naturgrus är krossbergsprodukter [SGU, 2011]. En markant skillnad på naturgrus och krossat berg är kornformen. Naturgrus har en rundare form och det krossade materialet en kantigare. Formen beror på hur de har skapats, men även på bergarten och kvaliteten hos dessa. Naturgrus har under flera år bearbetats av naturliga krafter vilket gjort att partiklarna har nötts ned och slipats till den rundare form som naturgrus har. Det krossade materialet slås sönder i krossen vilket skapar kantigare partiklar. Denna kantighet kan i sin tur ge en större hålrumsvolym jämfört med naturligt material [Eriksson, 2010]. Ett krossat material får en mer rå yta än ett naturligt som slipats under en lång tid. [Lagerblad et al., 2011] har jämfört texturen hos krossat material och naturligt material med bland annat flakighet. Flakighet har beräknats som kvoten mellan det kortaste och längsta avståndet i varje partikel. Låga värden indikerar en större flakighet och resultatet har visat det mest flakiga naturgruset generellt är lika som det bästa krossgruset. Undersökningarna visar också att det krossade materialet generellt är något mer kantigt än det naturliga materialet [Lagerblad et al., 2011]. En annan effekt av de olika kornformerna är att krossat material får en större specifik reaktiv yta. Det är en fördel till exempel vid vattenrening då fler partiklar kan fångas upp av filtret [SGU, 2011]. 18
Litteraturstudie Skillnaden i kornform påverkar hur lätt materialet kan packas. Det krossade materialet packas sämre då de flakiga och stängliga partiklar spärrar och fastnar i varandra. Det naturliga materialets runda partiklar rör sig lättare mot varandra och ytan har även slipats under lång tid vilket ger en lägre friktion och bättre packning. En jämn kornfördelning ger även en högre densitet vid samma packningsarbete eftersom de mindre kornen kan fylla hålrummen mellan de större [Lagerblad et al., 2011]. En ytterligare konsekvens av de olika tillverkningsprocesserna är att det krossade materialet innehåller strukturella svagheter som inte har nöts bort som i det naturliga. När materialet bildas så bildas mikrosprickor och kantigheter. Dessa har under den långa tid som naturligt material skapas gått till brott och nöts ner. Det krossade har inte genomgått denna långa process och därmed finns många skador i partiklarna [Milligan, 2003]. Det innebär att det krossade materialet är känsligare för packning, partiklarna kan gå sönder och kornfördelningen förändras när partiklarna nöts mot varandra. Vidare bildas mer finpartiklar i ett krossat material vid krossningen än vad det finns i ett naturligt framställt material som blivit utsatt för materialtransport. Den högre halten finpartiklar gör att mer vatten absorberas samt att en lägre permeabilitet erhålls [SGU, 2011]. 2.3.4 Krossningsprocessen Vilken bergart som används vid krossning spelar stor roll för kvaliteten hos det krossade materialet. Framförallt texturen och mineralogin hos bergmaterialet påverkar den krossade produkten. Texturen påverkar främst de grövre partiklarna medan mineralogin påverkar finmaterialet. Är till exempel texturen hos bergarten skiffrig kommer materialet efter krossning också ha skiffriga fragment. Ett problem med graniter och granitiska gnejser, som är bland de vanligaste bergarterna i Sverige, är att de innehåller flakigt glimmer som frigörs under krossningen. Från dessa flakiga partiklar kan tunna arkliknande partiklar med stor yta i förhållande till sin volym frigöras vilket är en ofördelaktig form [Cementa, 2012]. Normalt ger kalksten och diabas mer kubiska fragment än de granitiska bergarterna tack vare deras mineraluppsättning och textur [Lagerblad et al., 2011]. Krossprocessen påverkar den krossade produkt som framställs och forskning pågår för att förbättra processen. Framförallt vill man uppnå en lägre halt 19
Finfilter i fyllningsdammar finmaterial samt minska flakigheten och kantigheten hos materialet. Ett exempel på krossar som är framtagna för detta ändamål är slagkrossar av VSItyp (Vertical Shaft Impact) där materialet sönderdelas genom att det slungas mot en vägg samtidigt som viss polering sker [Eriksson, 2010]. En fördel är att en mer kubisk form på materialet erhålls, dock kan det även producera mera finmaterial. [Lagerblad et al., 2011] Det finns ett flertal sätt att förbättra krossprodukten för att efterlikna naturgrus efter krossning. Ett sätt är att utsätta det krossade materialet för en nötning som slår av skarpa hörn och kanter vilket ger en rundare form [Cementa, 2012]. En annan metod är vindsiktning vilket innebär att materialet utsätts för ett cirkulerande luftflöde för att separera de finare och lättare partiklarna från resten av materialet. Vatten kan även användas som transportmedel istället för luft för att separera partiklarna [Lagerblad et al., 2011]. 2.4 Effekt av krossat material som finfilter Vid anläggning av vattenkraftsdammar har främst naturligt material använts och utifrån erfarenhet har riktlinjer och krav kunnat bestämmas. Ett krossat material har inte gått igenom samma processer som ett naturligt material och skiljer sig därför. För att veta hur ett krossat material fungerar som filter krävs kunskap om skillnaderna och hur dessa påverkar krav som finns. När gråberget från gruvan krossas bildas i processen en hög andel finmaterial. Det ökar risken för försämrad dränering [SGU, 2011] och försämrar den inre stabiliteten. Det finns även en risk att finmaterialet sätter igen filtret. Ofta fås även en månggraderad kurva med mage, se Figur 7, vilket innebär att andelen av olika fraktioner är ojämn och därmed fås ett svagare jordskelett. Även detta försvagar den inre stabiliteten [RIDAS, 2012]. Packningsgraden kan även bli lägre med en ojämn kornfördelning [Lagerblad et al., 2011], samt ökar risken för problem med materialseparation. 20
Litteraturstudie Figur 7 Exempel på mångraderad kurva med mage De strukturella svagheter som finns i krossat material gör att det är känsligt för packning. Hård packning kan leda till ett stelt/styvt filter med stor risk för sprickor. Spänningarna och lasterna som läggs på vid packning leder till en vidare krossning av materialet och därmed en ökning av andelen finpartiklar. Otillräcklig kunskap om krossade material gör att [Milligan, 2003] rekommenderar naturligt material till kritiska filter. 21
Karakterisering av material 3 KARAKTERISERING AV MATERIAL Syftet med laboratorieförsöken är att undersöka om skillnader finns mellan krossade och naturliga material. Metod och utförande för de grundläggande geotekniska undersökningarna, permeabilitetsförsöken samt analysen i SEEP/W beskrivs i detta kapitel. Även hantering och val av material förklaras. 3.1 Val av material Materialet som använts motsvarar det finfilter som används i gruvdammar och representeras av både krossat och naturligt material. Tre olika sorters finfilter har testats med varierande fraktioner. Eftersom både krossat och naturligt material har jämförts har alltså sex olika material testats. Det krossade och naturliga materialet hade samma kornfördelning för att vara jämförbara vid försöken. Det krossade materialet kom från LKAB:s upplag vid deras gruva i Kiruna och var utgångsmaterialet. Det naturliga materialet som hämtats från täkter kring Luleå har modifierats för att efterlikna det krossade materialets kornfördelning. För att materialet ska vara godkänt som finfilter ska det uppfylla de krav som finns ställda i GruvRIDAS. Eftersom gruvindustrin har svårt att producera finfilter som uppfyller ställda krav har ett finfilter som krossats fram utan att vara riktigt godkänt testats. Det innebär att provet är taget från krossen utan att ha justerats i efterhand. Materialet, som valts består av fraktionerna 0-12 mm och kan krossas fram utan större problem men klarar inte alla filterkrav [GruvRIDAS, 2010]. Ett naturligt material har justerats för att efterlikna detta material. 23
Finfilter i fyllningsdammar Eftersom det första materialet inte uppfyller filterkraven har en uppdelning av krossat material också gjorts i form av en finare (0-6 mm) och grövre (3-16 mm) del. Detta har gjorts för att simulera ett filter i två delar, vilket kan vara en lösning då det krossade materialet inte uppfyller filterkrav såsom tillräcklig vattengenomsläpplighet och inre stabilitet. Det naturliga materialet har delats upp i motsvarande fraktioner för att utgöra referensmaterial. Tabell 1 Sammanställning, val av material Prov Krossat material Naturligt material 0-12 mm 0-6 mm 3-16 mm Vanligt förekommande filtermaterial från kross, inte riktigt godkänt Finare fraktioner, 0-6 mm, utsorterat från den krossade produkten från krossen och lagt på upplag Grövre fraktioner, 3-16 mm, utsorterat från den krossade produkten från krossen och lagt på upplag Naturligt material, justerat för att efterlikna det krossade Finare fraktioner, 0-6 mm, justerat för att efterlikna det krossade materialet Grövre fraktioner, 3-16 mm, justerat för att efterlikna det krossade materialet 3.1.1 Volymer Till laboratoriearbetet har ungefär 100dm 3 /200 kg av varje fraktion, totalt 300 dm 3 /600kg av krossat respektive naturligt material använts. 3.1.2 Krossat material De krossade materialen används som finfilter i dammarna i Kiruna. Fraktionen 0-12 mm har dock svårt att uppfylla ställda filterkrav och används därför framförallt som icke kritiska filter, såsom uppströms filter. Upplagen av filter består av stora högar av materialet. Dessa högar kan ligga under lång tid vilket ger en risk för materialseparation på grund av väderexponering. Detta motverkas genom att lägga ut materialet i flera lager. Denna materialseparation har lett till att LKAB har delat upp finfiltret i två delar; 0-6 mm samt 3-16 mm. Med denna uppdelning minskar risken för materialseparation och de uppfyller lättare de filterkrav som finns. För att 24
Karakterisering av material använda dem i dammar läggs det finare materialet, 0-6 mm, närmast tätkärnan och därefter det grövre, 3-16 mm. Denna uppdelning har använts för kritiska filter. Platsbesök Kiruna 2012-05-10 Vid framtagning av materialet genomfördes ett platsbesök i LKAB:s gruva i Kiruna. Med hjälp av en traktor fylldes tre tunnor med de olika fraktionerna. Figur 8 Framtagning av prov, finfilter 0-12mm För att få ett representativt prov togs ett flertal skopor ut från upplaget som sedan blandades om. Därefter togs prov till laboratoriearbetet ut. 3.1.3 Naturgrus Naturgrus används som referensmaterial till det krossade materialet. Naturgrusets kornfördelning skiljer sig från det krossade materialet och därför blandas olika fraktioner av naturgruset för att efterlikna kornfördelningen hos det krossade materialet. Fraktionerna 0-2 och 8-16 mm har hämtats från BDX:s bergtäkt utanför Boden. Då det råder brist på fraktioner mellan 2 och 8 mm i naturligt tillstånd var krossat material tvunget att tillsättas för att uppfylla kravet om liknande 25
Finfilter i fyllningsdammar siktkurvor. Det krossade materialet kommer från BDX:s naturgrustäkt i Munksund utanför Piteå. Eftersom naturgrus i naturligt tillstånd innehåller lite finmaterial, <0,063 mm, har detta siktats fram. Ett finkornigt material hämtat i Luleå med högt siltinnehåll har använts för detta. Andelen krossat material i de olika naturliga materialen redovisas i Tabell 2. Tabell 2 Viktprocent krossat innehåll i de naturliga materialen Material Viktprocent krossat innehåll 0-12 mm 43 % 0-6 mm 34 % 3-16 mm 20 % 3.1.4 Hantering av materialet Neddelning har gjorts på två sätt. Vid mindre mängder har en delningsapparat som delar provet i två delar använts, se Figur 9. Figur 9 Delningsapparat När större volymer har hanteras har det delats genom att skotta materialet i en hög för att sedan sprida ut materialet och dela det i fyra delar. De diagonala delarna samlas upp och neddelas på samma sätt igen om provmängden fortfarande är för stor för delningsapparaten, se Figur 10. 26
Karakterisering av material Efter neddelning har materialen förvarats i vattentäta behållare av plast á 40 dm 3. Detta för att inte påverka deras ursprungliga vattenkvot och undvika korrosion som kan ske i behållare av plåt. Figur 10 Delning av större volymer Det naturliga materialet har blandats och sorterats så att liknande siktkurvor som för det krossade erhållits. Detta har gjorts genom att sikta bort eller sikta fram vissa fraktioner. Vid blandning tillsattes en del vatten för att underlätta arbetet och förbättra blandningen. 3.2 Grundläggande geotekniska karakteriseringar Materialen har karakteriserats genom laboratoriearbete för att få en komplett uppfattning om materialen. De karakteriseringar som har genomförts är okulär bedömning, siktning, sedimentationsförsök, kompaktdensitet och vattenkvot samt modifierad proctorpackning. Dessa karakteriseringar beskrivs närmre i följande avsnitt. 3.2.1 Kornform Okulär bedömning Egenskaper såsom sfäricitet, rundhet och form har beskrivits och bedömts okulärt enligt Figur 11. 27
Finfilter i fyllningsdammar Figur 11 Standarddiagram för bedömning av sfäricitet och rundhet [Krumbein & Sloss, 1963] 3.2.2 Kornfördelning - Våtsiktning För att ta fram kornfördelningen hos materialen har siktning genomförts. Eftersom krossade material ofta får en hög halt finpartiklar användes våtsiktning som fångar upp finpartiklarna på ett effektivt sätt. Detta möjliggör även sedimentationsanalys av de bortspolade finpartiklarna. Våtsiktning innebär att provmängden under siktning tvättas med hjälp av vatten. Provet måste vara torkat och vägt innan siktningen. Vattnet som tillsätts under siktningen för med sig finpartiklarna genom ett utlopp i botten av siktsatsen. Den tillgängliga siktsatsen har följande siktstorlekar; 0,063; 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 5,6 samt 11,2 mm. Detta skiljer från de standardiserade siktstorlekar som brukar användas vid siktning av filter där storlekarna 4; 8 och 16 mm används istället för 5,6 och 11,2 mm. En del fraktioner siktades om med de standardiserade siktstorlekarna så att kornkurvan skulle likna de som fås med de standardiserade siktarna. De partiklar i 0-6 mm som fastnade på siktstorleken 2 mm siktades om med siktstorleken 4 mm och de partiklar i 3-16 mm som fastnade på siktstorleken 5,6 mm siktades om med siktstorleken 8 28
Karakterisering av material mm. Dessa valdes ut då de ansågs viktiga för att erhålla rätt kornfördelning (som kan jämföras med den standardiserade siktningen). Materialen har delats till dess att tre prover, mellan 1-1,3 kg har kunnat tas ut för siktning. Figur 12 Utrustning för våtsiktning För att verifiera resultatet från siktningen har siktkurvorna jämförts med resultatet från en större undersökning som LKAB har gjort för de olika filtermaterialen. I den undersökningen har kornfördelningen för de olika filtermaterialen tagits fram genom ett stort antal prover. Genom att jämföra resultaten kunde en bedömning göras huruvida materialen representerar de material som finns på upplag i Kiruna, se Bilaga 1. 3.2.3 Kriterier för materialseparation, inre stabilitet och vattengenomsläpplighet De krav som är oberoende av basmaterialet och som går att bestämma är huruvida materialen uppfyller krav på materialseparation, inre stabilitet samt finjordshalt. För att undvika materialseparation ska begränsningarna i stenstorlek som redovisas i Tabell 3 följas. 29
Finfilter i fyllningsdammar Tabell 3 Maximal storlek hos filter för att undvika materialseparation [GruvRIDAS, 2010] Minimum D 10 för filtermaterialet, mm Maximum D 90 för filtermaterialet, mm < 0,5 20 0,5-1,0 25 1,0-2,0 30 2,0-5,0 40 5,0-10,0 50 10,0 50,0 60 För att uppfylla krav på inre stabilitet bör materialens kornfördelning vara relativt linjär och inte språng- eller månggraderad. Kriterier för detta finns i GruvRIDAS men då de är svårtolkade används följande riktlinjer som tagits fram utifrån [Kenney & Lau, 1984]. D 10 < 4*D 5 D 20 < 4*D 10 D 30 < 4*D 15 D 40 < 4*D 20 Uppfylls dessa kriterier kan materialet antas vara inre stabilt. För att uppfylla kraven på tillräcklig vattengenomsläpplighet ska enligt GruvRIDAS D5 inte understiga 0,06 mm och D 15 ska inte understiga 0,1 mm. Eftersom material 0-6 mm och 3-16 mm används tillsammans kan kontroll göras för att se om 3-16 mm kan förhindra bortspolning av finmaterial från 0-6 mm. För att uppnå filtrering ska D 15 /d 15 <40. Även vattengenomsläppligheten mellan materialen kan kontrolleras, för att uppfylla det kravet ska D 15 >4*d 15. 3.2.4 Sedimentationsanalys Kornfördelningen för material finare än 0,063 mm har tagits fram med sedimentationsförsök enligt pipettmetoden [Stål, 1972]. För att genomföra pipettmetoden samlades tvättvattnet med sediment upp under siktningen. Denna blandning skakades om så att ett mindre representativt prov kunde tas för sedimentationsanalysen. Detta prov blandades med dispergeringsvätska och efter omrörning togs prover vid bestämda tider. För att få den exakta provmängden 10 ml användes en pipett. Utifrån hur fort partiklarna 30
Karakterisering av material sedimenterade kunde sedan en kornfördelning tas fram. För detta försök användes en våg med noggrannheten ± 0,0001 g. Figur 13 Utrustning vid sedimentationsanalys 3.2.5 Kompaktdensitet Kompaktdensiteten beskriver förhållandet mellan partiklarnas massa och volym. Den bestäms med hjälp av pyknometer. I detta laboratoriearbete har inte standardiserade pyknometrar använts utan glasbehållare med en slipad överkant. Först bestämdes volymen hos dessa behållare med destillerat vatten som kokades för att ta bort luft i vattnet. Därefter lades en känd massa material i behållaren som fylldes med vatten och återigen kokades. Behållaren fick svalna och fylldes upp med vatten. Lock användes för att få samma volym varje gång. Genom att veta behållarens totala volym och vattnets densitet kunde efter vägning volymen på materialet bestämmas och därmed kompaktdensiteten med Ekvation 3. [g/cm 3 ] (3) 31
Finfilter i fyllningsdammar Figur 14 Kokning av prover för att avlufta vattnet i pyknometrar Tre bestämningar gjordes för varje prov och ett medelvärde togs fram. 3.2.6 Maximal torrdensitet och optimal vattenkvot Modifierad Proctorpackning Maximal torrdensitet och optimal vattenkvot har utförts enligt Svensk Standard, SS 02 71 08 med tung stampning. Proctorpackning genomfördes för att undersöka hur packat materialen kunde bli genom att bestämma dess maximala torrdensitet samt optimala vattenkvot. Detta gjordes genom att packa ett flertal prov med olika vattenkvot med samma energi. Resultaten från de olika packningarna sammanställdes i ett diagram och den maximala torrdensiteten vid den optimala vattenkvoten kunde därefter utläsas. Packningsgraden definieras som förhållandet mellan torrdensiteten in situ och maximal torrdensitet som fås vid tung stampning för ett material. Eftersom det hämtade materialet låg på upplag och inte var packat var packningsgraden för detta inte intressant. Istället kunde den maximala torrdensiteten användas för att bestämma packningsgraden på det packade materialet i permeabilitetsförsöken. 32
Karakterisering av material Om provets alla porer blivit vattenfyllda och mer vatten tillsätts blir resultaten inte tillförlitligt. Med mer vatten i packningscylindern än vad provet kan binda kan vattnet störa packningen genom att till exempel ta upp energin som används för packningen. Vid dammbyggnationer ställs ofta krav på luftporhalten vid packning av tätkärnan, maximalt värde 10 %. Luftporhalten beräknades med Ekvation 4 och infogades i packningsdiagrammen. [RIDAS, 2011] För filter finns inget krav på luftporhalten och därför illustreras den riktlinje som finns för tätkärnor, 10 %. Därutöver infogas också luftporhalten 0 %, vilket representerar vattenmättnadskurvan; materialens maximala vatteninnehåll. Där [-] (4) 3.2.7 Vattenkvot [-] Vattenkvoten bestämdes enligt [SIS, 1989]. Provet torkades och vattenkvoten beräknades enligt Ekvation 5. Där [-] (5) Vattenkvoten beräknades för de olika materialen. När proverna anlände till labbet togs vattenkvotsprover för att bestämma vattenkvoten de hade på upplag. 33
Finfilter i fyllningsdammar 3.3 Permeabilitetsförsök I permeabilitetsförsök får vatten flöda genom provet och den utpasserade mängden mäts som funktion av tiden. Utifrån Darcys lag kan permeabiliteten beräknas. [m/s] (6) Den hydrauliska gradienten, i kan varieras och flödet beräknas genom att mäta volymen vatten som rinner igenom provet under en viss tid. Permeabilitetsförsöken har genomförts för att studera om det är någon skillnad i permeabilitet mellan det krossade och naturliga materialet när de har samma kornfördelning. Även materialtransport har mätts under permeabilitetsförsöken. Materialet har packas i större cylindrar än normalt för att få en större massa att undersöka. På grund av ett begränsat antal stora cylindrar har proctorcylindrar använts för materialet 0-6 mm. Detta för att hinna med alla försöken. Den minsta tillåtna innerdiametern bestäms utifrån uppsatta randvillkor. Randvillkoren beskriver den minsta diametern som rekommenderas utifrån materialet storlek och bör vara 10 gånger större än D max [Larsson et al., 2005]. De större cylindrarna har en innerdiameter på 230 (± 5) mm vilket innebär att de med stor marginal klarar randvillkoren. Provhöjden är satt till 300 mm. Proctorcylindrarna som används för 0-6 mm materialet är 119 mm höga och 100 mm i innerdiameter. Även dessa klarar randvillkoret. För permeabilitetsbestämning av prov har cylindern packats full. Försöksuppställningen med de olika cylindrarna visas i 34
Karakterisering av material Figur 15. 35
Finfilter i fyllningsdammar Figur 15 Försöksuppställning, stor cylinder till vänster och små proctorcylindrar till höger I botten och toppen av både de mindre och större cylindrarna sätts ett filter. Detta filters syfte är framförallt att distribuera vattenflödet i provkroppen samt hålla materialet på plats. Eftersom materialtransporten skulle mätas fick dessa inte vara för täta och ett filter som bedömdes lämplig var det nät som används vid tvättning av fiskrom. Genomsläppligheten bestämdes inte för dessa nät, utan antogs vara tillräcklig stor i och med storleken på nätens mesh, 0,5 mm. Filtret visas i Figur 16. 36
Karakterisering av material Figur 16 Använt filter i permeabilitetsförsöken För att minska de hålrum som kan bildas i kontakten mellan cylindrarnas innerväggar och materialet har ett tunt lager vaselin strukits på på innerväggarna. På så vis kan risken för erosion längs med väggarna minskas. Mätningen av materialtransporten har gjorts genom att fästa en behållare under proverna där eventuellt material från provet ska kunna samlas in. Behållarens funktion är dels att samla upp materialet, dels att minska hastigheten hos det flödande vattnet för att låta materialet sedimentera. Behållaren ansluts i botten av cylindrarna vilket innebär att inloppet av vatten sker från ovansidan. För att vattenmätta provet har därför varje försök påbörjats med inloppet i botten och efter vattenmättning har provet vänts så att inloppet hamnat på ovansidan. Behållarna som samlade upp eroderat material var plastflaskor som anslutits via slangar som borrats fast i korken. Dessa har sedan kunnat bytas ut successivt utan att avbryta försöket. För att genomföra permeabilitetsförsöken behövdes en behållare för vatten som distribuerar vattnet till cylindrarna. Denna behållare hade ett inlopp för vattenflödet, ett utlopp till cylindrarna och ett utlopp för att släppa ut överflödigt vatten. Behållaren gick även att sänka och höja för att kunna ändra tryckhöjden som motsvarar den hydrauliska gradienten. Tryckhöjden tas fram genom att multiplicera den önskade gradienten med höjden på provet. Ett distributionssystem bestående av slangar med på- och av-stängningsfunktion gjorde att varje prov kunde regleras separat. 37
Finfilter i fyllningsdammar 3.3.1 Packning Den maximala torrdensiteten bestämdes med modifierade proctor-metoden. Denna har använts som referens för att bestämma packningsgraden hos varje prov. Materialet har packats med hjälp av manuell stampning. En tyngd har släppts ned ett bestämt antal gånger på varje lager. Materialet i de stora cylindrarna har packats i sex lager á fem cm med en tyngd som väger 5,2 kg och släppts ned 15 gånger från den genomsnittliga höjden 45 cm. Materialet i de mindre cylindrarna har packats i sex omgångar med en tyngd som väger 2,5 kg och släppts ned 10 gånger från den genomsnittliga höjden 15 cm. Packningsenergin har beräknats med Ekvation 6 för att kunna jämföra packningsenergin från den modifierad proctor-packningen med den manuella stampningen. Där [Nm/m 3 ] (6) [-] [-] [kg] [m 3 ] [m/s 2 ] Genom att volymen hos behållarna, massan hos det packade materialet samt dess vattenkvot är känd har torrdensiteten kunnat beräknas och därmed packningsgraden. 38
Karakterisering av material Figur 17 Packning av cylindrar 3.3.2 Hydraulisk gradient Permeabiliteten varierar något med den hydrauliska gradienten och därför bör om möjligt en gradient som motsvarar gradienten i fält användas. I gruvdammar erhålls ofta en låg gradient i och med beachen vars syfte är att minska gradienten i dammen. Det kan dock vara svårt att få ett resultat i laborationsförsök med för låg gradient eftersom detta kräver en lång provtid. Med för hög hydraulisk gradient försämras också resultatet eftersom genomströmning och turbulens ökar vilket kan påverka resultatet och beräkningar som kräver laminärt flöde. I allmänhet rekommenderas så praktiskt låg gradient som möjlig vid permeabilitetsförsök. Denna kan dock behöva höjas för att få ett resultat från försöksuppställningen. Efter att flödet stabiliserats och ett resultat kunnat tas fram kan den hydrauliska gradienten höjas för att se vilket tryck materialet klarar av. 3.3.3 Statistik För att få ett tillförlitligt resultat har permeabilitetsförsök genomförts på tre olika prov för varje material. På så sätt kan ett avvikande resultat lättare hittas. Antal försök som genomförts på varje prov har berott på när resultatet 39
Finfilter i fyllningsdammar stabiliseras. När ett konstant värde för permeabilitetskoefficienten erhållits har försöket avbrutits. Resultatet redovisas i punktdiagram samt med lådagram, även kallat box plot. I ett lådagram redovisas medianen, första och tredje kvartilen samt yttre värden som kan variera beroende på val av lådagram. Den första kvartilen motsvarar den 25:e percentilen och den tredje den 75:e percentilen. I lådagrammet redovisas den kvartilerna som en låda. Lådagrammen tas fram med programmet Minitab som vanligen använder sig av modifierad box plot. Det innebär att de yttre värdena tas fram genom att multiplicera avståndet mellan den första och tredje kvartilen med 1,4. Detta värde dras bort från den första kvartilen och adderas till den tredje. Dessa representeras av streck i lådagrammen. Värden utanför dessa streck anses vara uteliggare. För att bestämma om det finns en statistiskt signifikant skillnad mellan de olika materialen har ett tvåsidigt t-test genomförts på resultatet. Är p-värdet mindre än 0,05 betyder det att det finns en statistisk signifikant skillnad. 3.3.4 Teoretisk permeabilitet Permeabiliteten kan även beräknas teoretiskt utifrån empiriska uttryck vilket har gjorts för att jämföra med resultaten från laboratoriet. De teoretiska beräkningarna baseras på kornfördelningen hos ett material och det finns flera formler i litteraturen för att beräkna permeabilitet. Några av de vanligare har använts här. För att försöksresultaten ska vara jämförbara med den teoretiskt framräknade permeabiliteten beräknas Reynolds tal med Ekvation 7 för att se huruvida försöken uppnådde laminärt flöde. Om Reynolds tal<10 anses försöken vara laminära, är Reynolds tal> 10 är de turbulenta [Edeskär, 2012]. Där (7) [m 3 /s] [m 2 /s] [m] 40
Karakterisering av material Hazens formel [Fell et al. 2005] är en av de enklare formlerna och enligt den är det framförallt fraktioner under 10 % som påverkar permeabiliteten, se Ekvation 8. [m/s] (8) Där C är en faktor som vanligen sätts till 0,01 vilket den även har gjorts här. Faktorn är framtagen för en vattentemperatur på 10ºC [Carrier, 2003]. D 10 anges i mm. Kriterierna för formeln är dock att mindre än 5 % av materialet får passera 0,075 mm samt att D 10 ska ligga mellan 0,1 och 3 mm. Varken 0-12 mm eller 0-6 mm uppfyller dessa krav vilket gör att resultatet kan bli missvisande. [Chaupis, 1992] utvecklade Hazens formel genom att inkludera det genomsläppliga portalet i beräkningen. där [cm/s] (9) (10) En tredje formel utvecklades av Kozeny och Carman [Carrier, 2003] där större hänsyn tas till kornfördelningen samt kornformen. [m/s] (11) Där γ är enhetsvikten hos vätskan och μ är den dynamiska viskositeten. Vid en vattentemperatur på 10 ºC är γ/μ lika med 7,64*10 4 l/cm s. C K-C är Kozeny och Carmans empiriska koefficient och sätt vanligen till 5 [Carrier, 2003]. S 0 är den specifika ytan hos partiklarna och kan tas fram utifrån kornfördelningen. Där D eff är den effektiva diametern och beräknas enligt Ekvation 13. (12) (13) 41
Finfilter i fyllningsdammar f i är den procentuella andelen mellan två siktstorlekar och D ave i är medelvärden mellan dessa siktstorlekar och beräknas enligt Ekvation 14. (14) Där D l är den större siktstorleken och D s den mindre. Siktstorlekarna anges i cm. Slutligen kan en faktor som tar hänsyn till partiklarnas form, SF, läggas till och sättas in i Ekvation 12 enligt följande; (15) [Carrier, 2003] hänvisar till två olika värderingar av SF och båda värdena valdes att användas vilket gav två olika värden för permeabiliteten för varje material. På så vis visas mellan vilka värden permeabiliteten varierar beroende på SF. För de krossade materialen valdes faktorerna 7,5 och 8,4 och för de naturliga materialen valdes faktorerna 6,1 och 6,6. Utifrån materialens kornfördelningar och portal kan därmed permeabiliteten beräknas. Genom att ta med portalet i formeln tar Chaupis samt Kozeny och Carman hänsyn till packningen av materialen vilket gör att beräkningarna kan anpassas till laboratorieförsöken. 3.4 Modellering i SEEP/W För att kontrollera vilken effekt permeabiliteten i finfiltret har på portryckslinjen genom dammen har två förenklade dammkroppar modellerats upp i SEEP/W. Den ena v en zonerad damm med tätkärna av morän och den andra är en dränerande damm, byggd med anrikningssand och en flackare släntlutning på 1:6, vilket är en vanlig lutning för dränerande dammar [Bohlin, 2012]. I det här fallet användes horisontella filter i dammens tå för att dränera ut vattnet ur dammkroppen. De olika dammtyperna valdes för att representera en mer typisk vattenkraftdamm samt en mer typisk gruvdammskonstruktion där den zonerade dammen har en tätande funktion och den dränerande dammen har en dränerande funktion. Därutöver användes olika material tillsammans med filtren vilket innebar att både interaktionen med filter och morän samt anrikningssand kunde analyseras. 42
Karakterisering av material En ideal portryckslinje ska i en zonerad damm med tätkärna sänkas av i tätkärnan och filtret och inte nå ut i stödfyllningen på nedströms slänt eftersom det försämrar stabiliteten [RIDAS, 2012]. I en dränerande gruvdamm bör portrycket dräneras ut i filtren så att källsprång, då vattnet läcker ut i slänten, undviks eftersom det kan leda till att material eroderar ut ur dammen [GruvRIDAS, 2012]. Analysen delades in i olika fall, vars syfte är att se hur portryckslinjen påverkades av olika permeabilitet i filter och resterande material i dammarna. Fallen sammanfattas i Tabell 4. Alla fall hade samma vatten- och sandnivå, 2 meter under dammkrön. Därutöver undersöktes även den hydrauliska gradienten i filtren för de olika fallen. Även om gradienten är densamma över hela dammen kan förändringar i materialegenskaper förändra gradienten i olika delar av dammen och en högre gradient innebär en större påfrestning för filtret. Slutligen jämfördes även läckageskillnader mellan fallen vilket bland annat är intressant vid vattenbalansberäkning. Tabell 4 Beräkningsfall Fall nr. Scenario Dammtyp 1 2 3 4 Normalfall, känslighetsanalys Urspolad kärna, igensatta filter Genomsläppligare anrikningssand Tätare anrikningssand Båda Zonerad Dränerande Dränerande Ändringar av materialparameterar Ingen i normalfall, i känslighetsanalysen varieras filtrets egenskaper Tätkärna: 1*10-6 m/s Filter: en tiopotens lägre än normalfallet Anrikningssand: 1*10-5 m/s Anrikningssand: 1*10-7 m/s Fall 1 kan liknas vid ett normalfall där materialen i dammarna har rekommenderade egenskaper vid dimensionering [Bohlin, 2012]. Permeabiliteten hos filtret bestämdes utifrån resultatet från permeabilitetsförsöken. De övriga materialens permeabilitet redovisas i Tabell 5. För varje dammkonstruktion gjordes två beräkningar, en med material 0-12 mm som finfilter och en där material 0-6 mm används som finfilter tillsammans med 3-16 mm som ett andra filter. I det första steget jämfördes 43
Finfilter i fyllningsdammar endast de olika krossade materialen mot varandra, skulle det blivit stora skillnader med varierande permeabilitet skulle även krossat och naturligt material ha jämförts. En känslighetsanalys av värdet på permeabiliteten, k, gjordes även för Fall 1. I känslighetsanalysen varierades k med 5*10-1 i varje steg för att se vilka värden som kunde accepteras utan att portryckslinjen påverkades negativt. Känslighetsanalysen gjordes för både den zonerade och den dränerande dammen. I känslighetsanalysen antogs samma permeabilitet för fin- och grovfilter. Detta gjordes dels för att förenkla beräkningen samt på ett mer effektivt sätt få ett mått på hur förändringarna påverkade portryckslinjen. Tabell 5 Indata till SEEP/W Material k [m/s] Anrikningssand 1*10-6 Stödfyllning 1*10-3 Tätkärna, morän 1*10-8 Undergrund 1*10-7 Grovfilter 1*10-4 De övriga fallen är anpassade till antingen den zonerade eller den dränerande dammen vilket innebär att fallen endast applicerades på den ena sortens damm. Fallen är framtagna utifrån potentiella scenarios som kan inträffa för dammarna. Beräkningarna utfördes både med filter 0-12 mm samt kombinationen av 0-6 mm och 3-16 mm. Fall 2 gäller för den zonerade dammen. I det här fallet undersöktes vad det ger för konsekvenser om tätkärnan spolas ur och de finare partiklarna fastnar i filterzonen. För att ställa upp detta scenario i SEEP/W antogs att tätkärnan fått en högre permeabilitet och filtren en lägre. Tätkärnans k-värde sattes till 1*10-6 m/s vilket är högre än det maximala rekommenderade; 3*10-7 [Vattenfall, 1988]. För alla filter antogs en tiopotens lägre permeabilitet jämfört med de som erhålls från permeabilitetsförsöken. Fall 3 gäller för den dränerande dammen. I det här fallet antogs att anrikningssanden i dammen är genomsläppligare än vad som antagits vid dimensioneringen av normalfallet. För att ställa upp detta scenario höjdes anrikningssandens permeabilitet med en tiopotens, till 1*10-5 m/s. Risken för källsprång ökar vid denna uppställning vilket man vill undvika vid dimensionering. 44
Karakterisering av material Fall 4 är det sista fallet och gäller för den dränerande dammen. I det här fallet undersöktes vad som blir effekten om konstruktionen är tätare än vad som antagits vid dimensionering. För att ställa upp detta scenario sänktes anrikningssandens permeabilitet en tiopotens, till 1*10-7 m/s. De angivna k-värdena antogs vara desamma i både x- och y-led. För beräkningarna rådde laminära förhållanden. Figur 18 Geometrisk modell av damm med morän som tätande del Figur 19 Geometrisk modell av damm med anrikningssand som tätande del 45
Resultat 4 RESULTAT I resultatdelen beskrivs resultatet från de olika karakteriseringarna. Den första delen beskriver de grundläggande geotekniska egenskaperna hos materialen och i den andra delen redovisas resultatet från permeabilitetsförsöken. 4.1 Grundläggande geotekniska karakteriseringar Det krossade materialet är ett kantigt material med mycket finpartiklar. Detta syntes tydligt vid torkning då ett lager finpartiklar fastnade på de större stenarna, se Figur 20. Det fanns en tydlig skillnad i kornfrom mellan det krossade och det naturliga materialet. Det krossade hade en kantigare form och de naturliga en rundare vilket visas i Figur 20. Bilder av material 0-12 mm och 0-6 mm visas i Bilaga 2. Figur 20 Material 3-16 mm, krossat till vänster och naturligt till höger 47
Finfilter i fyllningsdammar Materialens sfäricitet och rundhet bedömdes okulärt enligt Figur 21 och resultatet redovisas i Tabell 6. Figur 21 Standarddiagram för bedömning av sfäricitet och rundhet [Krumbein & Sloss, 1963] Tabell 6 Sfäricitet och rundhet Material Sfäricitet Rundhet 0-12 mm Krossat 0,5 0,1 0-12 mm Naturligt 0,5 0,5 0-6 mm Krossat 0,7 0,3 0-6 mm Naturligt 0,7 0,5 3-16 mm Krossat 0,7 0,1 3-16 mm Naturligt 0,7 0,5 4.1.1 Kornfördelning De ursprungliga kornfördelningarna för de naturliga materialen 0-2 mm och 8-16 mm redovisas i Bilaga 3. Det konstruerade naturliga materialen redovisas i 48
Resultat diagram nedan tillsammans med de krossade materialens kornfördelningar. Kornfördelningen för material <0,063 mm har tagits fram med sedimentationsanalys. Beräkningar har gjort för att undersöka hur materialen uppfyller vissa kriterier som materialseparation, inre stabilitet och finjordshalt. Kornfördelningen för 0-12 mm, Figur 22, visar att både det krossade och naturliga materialet uppfyller krav enligt [GruvRIDAS, 2010] för att undvika materialseparation, se Tabell 3. D 10 < 0,5mm vilket gör att maximal kornstorlek, D 90 måste vara mindre än 20 mm, något båda materialen uppfyller. Figur 22 Kornfördelning, 0-12 mm 49
Finfilter i fyllningsdammar Varken det krossade eller naturliga materialet uppfyller kriterier enligt [Kenney & Lau, 1984] för att uppnå inre stabilitet, se Tabell 7. Tabell 7 Kriterier att uppfylla för att ha inre stabilitet [Kenney & Lau, 1984] Kriterier 0-12 mm Krossat 0-12 mm Naturligt D10< 4*D5 Nej Ja D20< 4*D10 Nej Nej D30< 4*D15 Nej Nej D40< 4*D20 Ja Nej Kraven för att uppnå tillräcklig vattengenomsläpplighet uppfylls inte då D 5 >0,063 mm och finjordshalten istället är ca 9 % för de båda materialen. Däremot är D 15 >0,1mm. Kornfördelningen för 0-6 mm, Figur 23, visar att både det krossade och naturliga materialet uppfyller krav enligt [GruvRIDAS, 2010] för att undvika materialseparation, se Tabell 3. D 10 < 0,5 mm vilket gör att maximal kornstorlek, D 90 måste vara mindre än 20 mm, något båda materialen uppfyller. Figur 23 Kornfördelning, 0-6 mm 50
Resultat Som synes i Figur 23 har det krossade och naturliga materialet olika kornfördelningar. Dessa skillnader leder till att det krossade materialet inte uppfyller kriterierna för att vara inre stabilt medan det naturliga materialet gör det, se Tabell 8. Tabell 8 Kriterier att uppfylla för att ha inre stabilitet [Kenney & Lau, 1984] Kriterier 0-6 mm Krossat 0-6 mm Naturligt D10< 4*D5 Nej Ja D20< 4*D10 Nej Ja D30< 4*D15 Nej Ja D40< 4*D20 Nej Ja Kraven för tillräcklig vattengenomsläpplighet uppfylls inte då finjordshalten är ca 10 % för båda materialen. D 15 är däremot större än 0,1 mm. Kornfördelningen för 3-16 mm, Figur 24, visar att både det krossade och naturliga materialet uppfyller kraven enligt [GruvRIDAS, 2010] för materialseparation, se Tabell 3. D 10 är för båda mellan 2 och 5 mm vilket gör att den maximala kornstorleken D 90 ska vara mindre än 40 mm, något båda materialen uppfyller. 51
Finfilter i fyllningsdammar Figur 24 Kornfördelning, 3-16 mm Både det krossade och det naturliga materialet uppfyller kriterierna enligt [Kenney & Lau, 1984] för inre stabilitet, se Tabell 9. Tabell 9 Kriterier att uppfylla för att ha inre stabilitet [Kenney & Lau, 1984] Kriterier 3-16 mm Krossat 3-16 mm Naturligt D10< 4*D5 Ja Ja D20< 4*D10 Ja Ja D30< 4*D15 Ja Ja D40< 4*D20 Ja Ja 3-16 mm är det enda materialet som uppfyller kraven för tillräcklig vattengenomsläpplighet. Finjordshalten är endast 1,5 % för det krossade och 3 % för det naturliga vilket gör att D 5 >0,063 mm. Även kravet på D 15 >0,1 mm uppfylls. 52
Resultat Slutligen har även 0-6 mm och 3-16 mm jämförts sinsemellan med avseende på filtrering och vattengenomsläpplighet. Både de krossade materialen och de naturliga uppfyllde kraven på filtrering, D 15 /d 15 <40, och vattengenomsläpplighet, D 15 >4*d 15. Kornfördelningarna har även jämförts med kornfördelningarna från den större undersökningen som LKAB har genomfört. Kornfördelningarna är relativt lika och materialet har därför bedömts vara representativt för det material som används i LKAB:s dammar i Kiruna, se Bilaga 1 för jämförande siktkurvor. 4.1.2 Sedimentationsanalys Resultatet från sedimentationsanalysen redovisas i tidigare diagram, se Figur 22-Figur 24 tillsammans med resultatet från siktningen. För diagram med endast material <0,063 mm, se Bilaga 4. För att förenkla jämförelsen mellan krossat och naturligt material redovisas de i samma diagram. Det krossade materialet har liknande kornfördelningar, den största skillnaden är att 0-6 mm har ca 10 % material <0,002 mm (lerfraktion) jämfört med 0-12 mm och 3-16 mm som har ca 20 % < 0,002 mm. Kornfördelningen hos de naturliga materialen är lika för de olika materialen vilket är att förvänta eftersom samma siltmaterial har använts. Det krossade materialet har en jämnare fördelning av finpartiklar medan det naturliga har ett stort hopp från ca 0,025 mm till 0,063 mm. 4.1.3 Kompaktdensitet Resultatet från laboratoriearbetet redovisas i Tabell 10, där ett medelvärde från de tre försöken har beräknats. Beräkningarna redovisas i Bilaga 5. Tabell 10 Kompaktdensitet [g/cm 3 ] 0-12 mm 0-6 mm 3-16 mm Krossat Naturligt 2,85 2,78 2,83 2,78 2,81 2,78 53
Torrdensitet [g/cm3] Finfilter i fyllningsdammar 4.1.4 Maximal torrdensitet, optimal vattenkvot Modifierad Proctorpackning Resultatet från proctorpackningen redovisas i nedan följande diagram med luftporhalten 10 % och 0 % (vattenmättnadskurvan). Resultatet gav inte en tydlig maximal torrdensitet eller optimal vattenkvot utan gav endast ökande kurvor. Dock slutade vattenkvoten i proverna att öka trots ökad mängd tillsatt vatten. Dessa värden har inte ansetts tillförlitliga och inte tagits med i resultatet. Den maximala torrdensiteten har därför antagits vara den högsta torrdensiteten som uppnåtts innan detta skett. Avlästa värden redovisas i Tabell 11. Packningsresultat 0-12 mm 2,40 2,30 2,20 2,10 2,00 1,90 1,80 1,70 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 Vattenkvot [%] Krossat Naturligt Luftporhalt Krossat 10% Luftporhalt Naturligt 10% Luftporhalt Krossat 0% Luftporhalt Naturligt 0% Figur 25 Packningsresultat 0-12 mm 54
Torrdensitet [g/cm3] Torrdensitet [g/cm3] Resultat Packningsresultat 0-6 mm 2,40 2,30 2,20 2,10 2,00 1,90 1,80 1,70 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 Vattenkvot [%] Krossat Naturligt Luftporhalt Krossat 10% Luftporhalt Naturligt 10% Luftporhalt Krossat 0% Luftporhalt Naturligt 0% Figur 26 Packningsresultat 0-6 mm Packningsresultat 3-16 mm 2,40 2,30 2,20 2,10 2,00 1,90 1,80 Krossat Naturligt Luftporhalt Krossat 10% Luftporhalt Naturligt 10% Luftporhalt Krossat 0% Luftporhalt Naturligt 0% 1,70 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 Vattenkvot [%] Figur 27 Packningsresultat 3-16 mm 55
Finfilter i fyllningsdammar Tabell 11 Resultat - Maximal torrdensitet och optimal vattenkvot Material Maximal torrdensitet [g/cm3] Optimal vattenkvot [%] 0-12 mm Krossat 2,20 8,1 0-12 mm Naturligt 2,13 6,4 0-6 mm Krossat 2,04 9,3 0-6 mm Naturligt 1,97 8,3 3-16 mm Krossat 1,77 1,8 3-16 mm Naturligt 1,90 4,0 Resultatet visar att högre torrdensitet och optimal vattenkvot uppnås hos de krossade materialen för fraktionerna 0-12 mm och 0-6 mm jämfört med de naturliga materialen. För fraktion 3-16 mm får det naturliga materialet högre torrdensitet och optimal vattenkvot. Gemensamt för alla krossade material är att de får en högre vattenmättnadskurva jämfört med de naturliga materialen. 4.1.5 Vattenkvot När vattenkvoten på det ingående materialet bestämdes har för de krossade materialen mellan två och fyra provtagningar gjorts och ett genomsnitt redovisas i Tabell 12. Alla vattenkvoter redovisas i Bilaga 6. Eftersom de naturliga materialen skulle blandas ut ansågs inte vattenkvoten vara alltför viktig och därför gjordes endast ett försök på varje material, se Tabell 13. Tabell 12 Vattenkvot, ingående krossat material Material Vattenkvot % 0-12 mm 3,3 0-6 mm 7,3 3-16 mm 1,1 Tabell 13 Vattenkvot, ingående naturgrus Material Vattenkvot % 0-2 0,2 8-16 0,2 56
Resultat 4.2 Permeabilitetsförsök 4.2.1 Permeabilitet Samtliga material visade sig ha en hög permeabilitet, vilket ledde till höga flöden i laboratoriearbetet. För att praktiskt möjliggöra försöken användes därför en lägre gradient än tänkt; 1/2 för de stora och 1/1 för de små permeabilitetsförsöken. Det innebar både att hanterbara flöden erhölls samt att försöken gick betydligt fortare än planerat. Långtidsförsök gick inte att genomföra på grund av de stora vattenmassor som behövde samlas upp och tömmas under försöken. I diagrammen nedan redovisas alla uppmätta värden för permeabiliteten. När resultaten från varje försök har varit jämna har försöket ansetts vara mer tillförlitligt och färre mätningar har gjorts, därav de olika antalen utförda försök för varje prov. Y-axeln visar permeabilitetskoefficienten medan x-axeln representerar varje försök. Storleken på uppsamlingskärlen har varit den begränsade faktorn i försöken. Proverna har eftersträvats att vara så lika som möjligt. Det som skiljer dem åt är packningsgraderna och dessa redovisas därför i diagrammen. Även medianen för permeabiliteten har ritats in i diagrammen. Packningsenergin vid packningen har beräknats för den manuella stampningen och den modifierade proctorpackningen, se Tabell 14. I Bilaga 7 redovisas beräkningarna. Resultatet visar att modifierade proctor-packningen packar med ca 11 till 16 gånger så mycket energi som den manuella stampningen packar. Trots den stora skillnaden har materialet i proverna ändå uppnått packningsgrader mellan 85-97 %. För beräkning av packningsgrader, se Bilaga 8. Tabell 14 Packningsenergi Prov Packningsenergi [knm/m3] Små cylindrar, 0-6 mm 2300 Stora cylindrar, 0-12 mm och 3-16 mm 1600 Modifierad Proctor-packning 26400 57
k [m/s] k [m/s] Finfilter i fyllningsdammar 2,4E-04 2,2E-04 2,0E-04 1,8E-04 1,6E-04 1,4E-04 1,2E-04 1,0E-04 8,0E-05 6,0E-05 4,0E-05 2,0E-05 0-12 mm Krossat 0 10 20 30 40 50 Ackumulerad tid [min] Packningsgrad 86 % Packningsgrad 85 % Packningsgrad 86 % Median Figur 28 Resultat från permeabilitetsförsök, tryckhöjd 1/2 0-12 mm Naturligt 2,4E-04 2,2E-04 2,0E-04 1,8E-04 1,6E-04 1,4E-04 1,2E-04 1,0E-04 8,0E-05 6,0E-05 4,0E-05 2,0E-05 0 20 40 60 80 100 120 Ackumulerad tid [min] Packningsgrad 92 % Packningsgrad 92 % Packningsgrad 91 % Median Figur 29 Resultat från permeabilitetsförsök, tryckhöjd 1/2 Det tredje försöket (markerat som trekanter) för det naturliga material 0-12 mm gav ett resultat med högre permeabilitet än de andra två försöken. Detta betraktades som felaktigt och har därför inte använt för beräkningar eller analys. 58
k [m/s] k [m/s] Resultat 6,5E-05 0-6 mm Krossat 5,5E-05 4,5E-05 3,5E-05 2,5E-05 1,5E-05 5,0E-06 0 200 400 600 800 Ackumulerad tid [min] Packningsgrad 85 % Packningsgrad 85 % Packningsgrad 86 % Median Figur 30 Resultat från permeabilitetsförsök, tryckhöjd 1/1 6,5E-05 0-6 mm Naturligt 5,5E-05 4,5E-05 3,5E-05 2,5E-05 1,5E-05 Packningsgrad 94 % Packningsgrad 93 % Packningsgrad 94 % Median 5,0E-06 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Ackumulerad tid [min] Figur 31 Resultat från permeabilitetsförsök, tryckhöjd 1/1 59
k [m/s] k [m/s] Finfilter i fyllningsdammar 3-16 mm Krossat 5,0E-04 4,5E-04 4,0E-04 3,5E-04 3,0E-04 2,5E-04 2,0E-04 1,5E-04 0 10 20 30 40 50 60 Avkumulerad tid [min] Packningsgrad 94 % Packningsgrad 92 % Packningsgrad 92 % Median Figur 32 Resultat från permeabilitetsförsök, tryckhöjd ½ 5,0E-04 3-16 mm Naturligt 4,5E-04 4,0E-04 3,5E-04 3,0E-04 2,5E-04 2,0E-04 1,5E-04 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Ackumulerad tid [min] Packningsgrad 97 % Packningsgrad 96 % Packningsgrad 97 % Median Figur 33 Resultat från permeabilitetsförsök, tryckhöjd 1/2 Den uppfyllda packningsgraden var alltid lägre för de krossade materialen; för 0-12 mm skilde det som mest 6 procentenheter, för 0-6 mm 8 procentenheter och för 3-16 mm 4 procentenheter. Permeabiliteten från de olika försöken har sammanställts i lådagram och resultatet redovisas i följande figurer. I sammanställningen har alla värden, 60
Resultat oavsett packningsgrad, använts som underlag. Det gör att det krossade respektive naturliga materialen i lådagrammen representerar alla tre olika prover av varje material. Permeabilitet 0-12 Krossat Naturligt 5,0E-5 7,5E-5 1,0E-4 1,25E-4 1,5E-4 k [m/s] 1,75E-4 2,0E-4 2,25E-4 Figur 34 Lådagram, permeabilitet för 0-12 mm Permeabilitet 0-6 Krossat Naturligt 1,0E-6 1,0E-5 2,0E-5 3,0E-5 k [m/s] 4,0E-5 5,0E-5 6,0E-5 Figur 35 Lådagram, permeabilitet för 0-6 mm 61
Finfilter i fyllningsdammar Som synes i lådagrammet för 0-6 mm finns några uteliggare. Dessa kan relateras till mätresultat som varit felaktiga. Permeabiliet 3-16 Krossat Naturligt 2,0E-4 2,5E-4 3,0E-4 k [m/s] 3,5E-4 4,0E-4 4,5E-4 Figur 36 Lådagram, permeabilitet för 3-16 mm Material 0-12 mm och 0-6 mm har båda en statistiskt signifikant skillnad i permeabilitet då bådas p-värden var mindre 0,05 (0,000 respektive 0,006). Som lådagrammet för 3-16 mm visar är permeabiliteten mer lika för det krossade och naturliga materialet och med p-värdet 0,565 kan ingen statistisk skillnad bestämmas. Huruvida försöken genomfördes med laminärt eller turbulent flöde undersöktes genom att beräkna Reynolds tal. Beräkningarna redovisas i Bilaga 9 resultatet presenteras i 62
Resultat Tabell 15. Resultatet för alla material var <10 vilket innebär att laminärt flöde gällde vid försöken. 63
Finfilter i fyllningsdammar Tabell 15 Reynolds tal Material Reynolds tal 0-12 Krossat 3,18 0-12 Naturligt 3,10 0-6 Krossat 5,19 0-6 Naturligt 3,89 3-16 Krossat 3,43 3-16 Naturligt 3,82 Teoretisk permeabilitet har beräknats med ekvationer beskrivna i avsnitt 3.3, Teoretisk permeabilitet. Beräkningarna redovisas i Bilaga 10. Resultatet jämförs med permeabiliteten som tagits fram i laborationerna och redovisas i Tabell 16, samt illustreras i diagram i Bilaga 11. Medianen av varje materials resultat från laborationerna redovisas i kolumnen Försöksresultat. Temperaturen 10 C har använts både vid beräkningen av permeabiliteten utifrån laboratorieförsöken och de teoretiska beräkningarna. Tabell 16 Permeabilitet från laboratoriearbete och teoretiska beräkningar Packningsgrad [%] Försöksresultat [m/s] Hazen [m/s] Chaupis [m/s] Kozeny-Carman [m/s] Material 0-12 mm Krossat 85 1,5E-04 7,4E-05 3,4E-05 4,5-4,9E-05 0-12 mm Naturligt 92 6,1E-05 4,9E-05 1,8E-05 4,6-5,1E-05 0-6 mm Krossat 86 2,8E-05 4,1E-05 2,8E-05 3,9-4,4E-05 0-6 mm Naturligt 94 2,1E-05 3,6E-05 1,9E-05 3,1-3,5E-05 3-16 mm Krossat 93 3,3E-04 1,4E-01 1,9E-02 6,7-7,8E-04 3-16 mm Naturligt 97 3,5E-04 7,3E-02 7,3E-03 3,2-3,6E-04 64
Procent Resultat I Figur 37 visas en procentuell jämförelse mellan försöksresultaten och resultatet från de teoretiska beräkningar. De teoretiska beräkningarnas resultat redovisas procentuellt med stolpar, där 100% motsvarar försöksresultatens permeabilitet. Hazens och Chauspis resultat för material 3-16 mm har inte tagits med i diagrammet eftersom de beräkningarna gav värden mellan 2000 till 42000%. 250% Procentuell jämförelse mot försöksresultat 200% 150% 100% Hazen Chaupis Kozeny-Carman, min Kozeny-Carman, max 50% 0% 0-12 Krossat 0-12 Naturligt 0-6 Krossat 0-6 Naturligt 3-16 Krossat 3-16 Naturligt Figur 37 Procentuell jämförelse av försöksresultat och teoretisk permeabilitet Kozeny-Carmans formel tar hänsyn till kantigheten hos materialet med en faktor. Denna faktor gjorde att ett kantigare material gav en lägre permeabilitet. 4.2.2 Materialtransport De låga gradienterna på mellan 1/2 och 1/1 som användes under permeabilitetsförsöken gav ingen materialtransport. Därför höjdes gradienten till 7:1 för att med ökat tryckhöjd tvinga fram en transport av materialet. Detta genomfördes först för de stora permeametrarna men ingen materialtransport kunde påvisas. För de mindre permeametrarna som inte fungerade så bra med materialtransportuppställningen gjordes inte denna höjning eftersom försöket hade svårt att fungera. 65
Finfilter i fyllningsdammar Även om ingen materialtransport kunde påvisas genom den valda laborationsuppställningen gjordes en del observationer som beskrivs i följande text. En skillnad som noterades mellan det krossade och naturliga materialet var att vid starten av försöken skedde en liten urspolning av det naturliga materialet där vattnet grumlades för en kort stund. Denna grumlighet uppkom inte hos det krossade materialet. Detta gäller för alla fraktioner. Ingen mätning kunde göras på denna grumlighet. Figur 38 Filter från försök med 0-6 mm, krossat till vänster och naturligt till höger. Figuren visar filtren från de små proctorcylindrarna efter att försöken gjorts och utrustningen monterats ner. Filtren på bilderna satt på utloppssidan av cylindrarna och som synes har material fastnat. Någon form av erosion har alltså skett i proverna. Därutöver kan även observeras att materialet har eroderat längs med sidorna på cylindrarna och att mer material har fastnat i det naturliga provets filter. Figur 38 Filter från försök med 0-6 mm, krossat till vänster och naturligt till höger Figur 39 visar ett filter på utloppssidan från de stora cylindrarna efter försöken och nedmontering. Materialet är 0-12 mm, naturligt, och som synes har en del materialtransport skett och material fastnat i filtret. Däremot har materialtransporten inte skett i kanten som på de små cylindrarna. Det var endast det naturliga materialet som visade på materialtransport för de stora cylindrarna. 66
Resultat Figur 39 Filter från försök med 0-12 mm, naturligt 4.3 Observationer under laboratoriearbetet Under laboratoriearbetet gjordes en del observationer som kan vara intresse för att öka förståelsen för detta arbete och materialens beteende. I uppställningen för permeabilitetsförsöken var inloppet tvunget att vara i toppen på cylindrarna för att kunna fånga materialtransporten i botten. En nackdel med denna metod är att det är svårt att veta att proverna verkligen är vattenmättade. En av cylindrarna hade dock läckage kring det översta locket vilket visar att proverna ändå blev vattenmättade. Materialtransport gick inte att mäta som tänkt. Tanken var först att proverna skulle stå i ca 2 veckor men då det var så pass hög permeabilitet gick inte detta. Dock visade inte materialet någon tendens att erodera trots höjning av gradient. Däremot skedde materialtransport vid byte av flaska, vilket innebar att det mothållande vattnet som skapade ett mottryck försvann. En möjlig teori varför detta sker är att det i provet skapas effektivspänningar som låser fast jordskelettet när vatten trycks igenom provet. En ökad tryckhöjd leder därför bara till högre tryck som låser partiklarna än mer. När det då blir tomt i systemet försvinner mottrycket och materialtransport sker. En annan möjlig teori är att borttagningen av flaskan skapar en pumpeffekt där trycket på provet ökar. Materialtransporten slutade dock när systemet är vattenfyllt, och partiklarna följde med utloppsvattnet från flaskan. Eftersom försöksuppställningen inte gav någon materialtransport är denna svår att jämföra mellan det krossade och naturliga materialet. Det visar på hur svårt det är att spegla verkligheten med laboratorieförsök. 67
Finfilter i fyllningsdammar Ett problem under permeabilitetsförsöken var luft i distribueringssystemet. Detta var särskilt ett problem i systemet för de stora permeabilitetsförsöken. Systemet rensades ofta på bubblor, särskilt när konstiga värden uppmättes Detta var också en anledning till varför det var svårt att låta proverna stå tills en jämn permeabilitet erhölls. Permeabiliteten sjönk med tiden men efter rensning på bubblor ökade den igen. 4.4 SEEP/W Permeabiliteten som erhölls i permeabilitetsförsöken användes för modelleringen i SEEP/W och redovisas i Tabell 17. Tabell 17 Indata utifrån permeabilitetsförsöken Material (Krossat) k [m/s] 0-12 mm 1,5*10-4 0-6 mm 2,5*10-5 3-16 mm 3,4*10-4 Erhållen portryckslinje för de olika fallen redovisas i Bilaga 11 och nedan beskriv resultatet. 4.4.1 Fall 1 Resultatet från analysen i SEEP/W visade inte på någon större skillnad mellan de olika materialen, 0-12 mm och 0-6 mm i kombination med 3-16 mm. Därför gjordes inte någon vidare analys av krossad respektive naturligt material eftersom skillnaderna ansågs vara för små. Resultatet visade att alla filter uppfyller sin dränerande funktion och ideala portryckslinjer erhölls, det vill säga att inget portryck i stödfyllningen erhölls i den zonerade dammen och i den dränerande dammen undveks källsprång. Se Figur 40 och Figur 41. 68
Resultat Figur 40 Portryckslinje i den zonerade dammen med material 0-12 mm Figur 41 Portryckslinje i den dränerande dammen, översikt Enligt känslighetsanalysen finns ingen övre gräns på permeabiliteten eftersom filtren endast får en bättre dräneringsförmåga. Däremot finns en lägre gräns för permeabiliteten som varierar mellan den zonerade och den dränerade dammen. Gemensamt är dock att gränsen har samma värde som moränen respektive anrikningssanden. Det innebär att den zonerade dammens portryckslinje får en negativ påverkan när filtrens permeabilitet sätts till 1*10-8 m/s. För den dränerande dammen uppstår samma situation när permeabiliteten hos filtren sätts till 1*10-6 m/s. 4.4.2 Fall 2 Resultaten i Fall 2 för den zonerade dammen varierar lite mellan filter 0-12 mm och 0-6 mm i kombination med 3-16 mm. Filter 0-12 mm har i analysen fortfarande en tiopotens högre permeabilitet än tätkärnan samt ett grovfilter men hög permeabilitet. Detta gör att portrycklinjen dräneras ut till störst del i tätkärnan och finfiltret, om än inte lika bra som i Fall 1. När filter 0-6 mm och 3-16 mm används dräneras den största delen av portryckslinjen ut i enbart finfiltret. 0-6 mm har i det här fallet nästan samma permeabilitet som tätkärnan. 69
Finfilter i fyllningsdammar Fortfarande fås inget källsprång men resultatet är inte här heller lika bra som i Fall 1. 4.4.3 Fall 3 När anrikningssanden antogs vara mer genomsläpplig i den dränerade dammen steg portryckslinjen betydligt i slänten. Inget källsprång skapades men filtren fyllde inte sin funktion vilket är att dränera ut vattnet så att en hög portryckslinje i slänten undviks. Ett filter med högre permeabilitet, 1*10-3 testades även i analysen för att se om det räckte för att sänka portryckslinjen, vilket det gjorde. 4.4.4 Fall 4 I det här fallet antogs att anrikningssanden var tätare för den dränerande dammen. Resultatet blev likt normalfallet med en portryckslinje som visade att vattnet dränerades ut i filtren som det skulle. 4.4.5 Hydraulisk gradient och läckage Den hydrauliska gradienten beräknades utifrån portryckslinjens skärning genom filtret och dammen, beräkningarna redovisas i Bilaga 12. Läckaget beräknades i SEEP/W. I Figur 40 visas portryckslinjen genom filtret i den zonerade dammen för Fall 1 och 2. Fall 1 som har en tätare tätkärna fick en väldig låg hydraulisk gradient i filtret medan en högre gradient erhölls i Fall 2 där tätkärnan var genomsläppligare och filtrena tätare än i Fall 1. Figur 42 Gradient i filter, Fall 1 till vänster och Fall 2 till höger 70
Resultat I Tabell 18 sammanfattas den hydrauliska gradienten och läckaget genom dammen för de olika fallen. Den hydrauliska gradienten beräknades även över hela dammkropparna där den zonerade dammen hade högst gradient med 1:4,2 medan den dränerande dammen hade gradienten 1:7,1. Tabell 18 Sammanfattning - Resultat Fall nr. 1 2 3 4 Scenario Dammtyp Material Gradient Normalfall, känslighetsanalys Urspolad kärna, igensatta filter Genomsläppligare anrikningssand Tätare anrikningssand Zonerad Dränerande Zonerad Dränerande Dränerande Läckage [m 3 /s,m] 0-12 mm 1:40 1,63E-06 0-6 och 3-16 mm 1:40 1,63E-06 0-12 mm 1:49 2,99E-06 0-6 och 3-16 mm 1:57 2,99E-06 0-12 mm 7:4 2,97E-05 0-6 och 3-16 mm 51:25 2,77E-06 0-12 mm - 2,51E-05 0-6 och 3-16 mm - 2,50E-05 0-12 mm 1:250 4,63E-07 0-6 och 3-16 mm 1:250 4,63E-07 Resultatet visar att den hydrauliska gradienten i filtret till stor del beror på tätkärnans egenskaper vilket visas tydligt för den zonerade dammen i Fall 1 och 2. Den dränerande dammen som har horisontella filter får betydligt lägre gradient i filtret. I Fall 3 där anrikningssanden har högre permeabilitet än i normalfallen erhålls en portrycklinje ovanför de horisontella filtrena och deras gradienter har då inte beräknats. Läckageberäkningarna visar att även läckaget till störst del beror på den tätande delens egenskaper. Den enda skillnaden fås i Fall 2 där modelleringen med 0-12 mm som filter får ett marginellt högre läckage än 0-6 mm tillsammans med 3-16 mm. 71
Analys 5 ANALYS I det här avsnittet analyseras resultatet från litteraturstudien, de grundläggande geotekniska karakteriseringarna samt permeabilitetsförsöken. 5.1 Litteraturstudie Utifrån litteraturstudien kan sägas att det finns viktiga skillnader mellan gruvdammar och vattenkraftsdammar. Framförallt blir den hydrauliska gradienten från vatten betydligt lägre hos gruvdammar som konstrueras med beach jämfört med zonerade dammar. Andra viktiga skillnader finns i hur de byggs och vilken livslängd de ska ha [Jantzer & Knutsson, 2007]. Tillägget i GruvRIDAS indikerar att det finns skillnader som kan leda till lägre krav på filter för gruvdammar. Det finns även skillnader mellan krossade och naturliga stenmaterial. Viktiga skillnader för användning som finfilter är den höga andel finpartiklar hos krossat material samt den kantigare kornformen [Eriksson, 2010]. Det kan också tilläggas att behovet av filtermaterial idag är avsevärt större för gruvdammar än för vattenkraftdammar då gruvornas behov av magasineringskapacitet är ökande medan behovet på vattenkraftsidan till största del omfattar material till underhållsarbeten dammsäkerhetshöjande åtgärder 5.2 Grundläggande geotekniska karakterisering Utifrån siktkurvorna kan sedan ses att det naturliga materialet har nästintill obefintlig andel finmaterial jämfört med det krossade materialet. Att det krossade materialet har hög halt finmaterial är dock ingen överraskning, eftersom det är en konsekvens av krossprocessen. Fraktionen 3-16 mm har 73
Finfilter i fyllningsdammar dock en låg halt finmaterial men det beror på att det är ett uppdelat material. Det finns metoder för att minska andelen finpartiklar, såsom vind och vattensiktning, detta innebär dock både en extra process och kostnad vilket gör att man vill undvika sådana åtgärder. I Bilaga 3 visas kornfördelningen för det naturliga materialet. Där syns typiska skillnader på naturligt material jämfört med krossat. De har ensgraderade kurvor och mycket låg halt finpartiklar. Närmare undersökning av kornfördelningarna hos materialen visade att framförallt 0-12 mm men även 0-6 mm hade svårt att uppfylla dagens krav, se Tabell 19. 3-16 mm som i kornstorlek närmar sig ett grovfilter uppfyllde alla krav. Det är ett realistiskt resultat eftersom det är just finfilter och inte grovfilter som är svårt att framställa. Tabell 19 Sammanställning av uppfyllda filterkriterier 0-12 mm Krossat 0-12 mm Naturligt 0-6 mm Krossat 0-6 mm Naturligt 3-16 mm Krossat Ja Ja Ja Ja Ja Ja Krav att uppfylla [GruvRIDAS] Materialseparation Inre stabilitet Nej Nej Nej Ja Ja Ja Vattengenomsläpplighet Nej Nej Nej Nej Ja Ja I 3-16 mm Naturligt 74
Analys Tabell 20 visas en sammanställning av resultatet från laboratoriearbetet vilket används för vidare jämförelse av de krossade och naturliga materialen. 75
Finfilter i fyllningsdammar Tabell 20 Sammanställning av resultat från laboratoriearbetet Egenskaper Kompaktdensitet [g/cm 3 ] Packningsgrad [%] Permeabilitet [m/s] 0-12 mm Krossat 0-12 mm Naturligt 0-6 mm Krossat 0-6 mm Naturligt 3-16 mm Krossat 2,85 2,78 2,83 2,78 2,81 2,78 85 92 86 94 93 97 3-16 mm Naturligt 1,5*10-4 6,1*10-5 2,8*10-5 2,1*10-5 3,3*10-4 3,5*10-4 Kompaktdensiteten för det naturliga materialet visade sig vara något högre än det förväntade; 2,65 g/cm 3. Kompaktdensiteten hos det krossade materialet var mellan 0,03 till 0,07 g/cm 3 högre än det naturliga materialet. Detta beror förmodligen på att det krossade materialet inte består av rent gråberg. Resultatet visade även att kompaktdensiteten för de naturliga materialen var densamma oavsett fraktioner medan den för de krossade materialen varierar med 0,04 g/cm 3. En anledning till variationen hos det krossade materialet kan vara att de har krossats vid olika tillfällen och därmed av gråberg från olika delar av gruvan. För varje fraktion har däremot beräkningen av kompaktdensitet gett ett homogent resultat och därmed har ett medelvärde kunnat tas ut. Den högre kompaktdensiteten kan vara en anledning att det krossade materialet 0-6 mm och 0-12 mm fick en högre maximal torrdensitet än det naturliga vid proctorpackning. Däremot hade det naturliga materialet 3-16 mm en högre maximal torrdensitet än det krossade. Detta kan bero på att ett så pass grovkornigt material är svårt att packa bra och det naturliga då har bättre egenskaper för att ändå uppnå en bättre packning. 5.3 Permeabilitetsförsök I permeabilitetsförsöken packades materialen vid samma energi. Trots detta blev packningsgraden lägre hos de krossade materialen. Det visar på att ett krossat material är svårare att packa. En trolig anledning till detta är den kantigare kornformen. Resultatet från packningen visar att medan de naturliga materialen alla har en packningsgrad>90%, är det endast ett, 3-16 mm, av de krossade materialen som uppnår en så hög packningsgrad. Ofta rekommenderas en 76
Analys packningsgrad>90% och resultatet från denna packning visar att det krossade materialet inte uppnår denna packningsgrad när det naturliga uppnår en packningsgrad>90% trots samma packningsmetod. Detta kan vara av viktigt att ha i åtanke då materialet ska packas i dammar. Resultat från permeabilitetsförsöken visade att materialen 0-12 mm och 0-6 mm hade högre permeabilitet då det var krossade. Man kan här se ett samband med packningen, de krossade materialen 0-12 mm och 0-6 mm har en packningsgrad som är lägre än 0,90 medan de naturliga har en högre. För material 3-16 mm där packningsgraden både för krossat och naturligt material är >90% och skillnaden mellan krossat och naturlig material är mindre än för 0-12 mm och 0-6 mm, är permeabiliteten ungefär lika. Generellt sägs att en hög andel finmaterial ger en lägre permeabilitet vilket också verkar stämma in på dessa material där 0-6 mm har lägst permeabilitet och 3-16 mm högst. 5.4 Teoretisk permeabilitet Resultaten från permeabilitetsförsöken överensstämmer i stort bäst med de teoretiskt beräknade för material 0-6 mm. För material 0-12 mm gav alla beräkningar en något lägre permeabilitet, särskilt för det krossade som hade högre permeabilitet än det naturliga. Beräkningarna för 3-16 mm resulterade i en högre permeabilitet än vad permeabilitetsförsöken gav. 3-16 mm är det material där permeabiliteten skiljer mest mellan det praktiska arbetet och de teoretiska beräkningarna. Även mellan de olika formlerna var det stor skillnad på den beräknade permeabiliteten (en tiopotens för varje beräkning). Även hur bra de olika formlernas resultat överensstämde med försöksresultatets resultat varierade. Hazens formel gav det mest överrensstämmande resultatet för material 0-12 mm, Chaupis formel för material 0-6 mm och Kozeny-Carmans formel för material 3-16 mm. Alltså varierade likheterna i resultaten med de olika materialens egenskaper. Hazen och Chaupis formler baseras till stor del på storleken av fraktioner under 10 % och eftersom 3-16 mm har väldigt låg halt finare material kan det vara en trolig anledning till att beräkningarna inte stämmer överens med permeabilitetsförsöken. Kozeny-Carmans formel som istället tar större hänsyn till kornfördelningen och kornformen gav ett mer överensstämmande resultat. 77
Finfilter i fyllningsdammar Kozeny-Carmans formel tog även hänsyn till kantigheten hos materialen. Resultatet blev att det krossade, kantigare materialet fick lägre permeabilitet än det naturliga, rundade för material 0-6 mm och 0-12 mm. De genomförda permeabilitetsförsöken för 0-12 mm och 0-6 mm gav motsatt resultat där en högre permeabilitet erhölls för det krossade materialet. För 3-16 mm kunde dock ingen skillnad fastställas utifrån laboratoriearbetet men med den teoretiska beräkningen fås en högre permeabilitet för det krossade materialet. 5.5 Analys i SEEP/W Portrycksanalysen i SEEP/W visade att permeabiliteten hos filtrena var tillräckligt hög för att ha en erforderlig dränerande effekt i de så kallade normalfallen. Känslighetsanalysen i SEEP/W visade att det inte är ett problem om filtren har en högre permeabilitet ur dräneringssynpunkt. Det som dimensionerar blir istället kravet på att förhindra materialtransport. Har filtren däremot för låg permeabilitet klarar de inte av att dränera ut vattnet och för höga portryckslinjer fås med portryck i nedströmsslänten och källsprång. Den lägst tillåtna permeabiliteten för den zonerade dammen var 1*10-8 m/s och för den dränerade dammen 1*10-6 m/s. Detta är samma värde för respektive damms tätande material, morän respektive anrikningssand. Övriga fall som analyserades indikerade på samma tendens. I till exempel Fall 3 där anrikningssandens permeabilitet sänktes kunde källsprång undvikas genom att höja permeabiliteten i filtren. Resultaten visar framförallt att den lägst tillåtna permeabiliteten i filter är beroende av permeabiliteten i föregående material. I dränerade dammar används anrikningssand i konstruktion som vanligen har en högre permeabilitet än morän. Det gör att det ställs högre krav på filtren att inte vara för täta och ha för låg permeabilitet. I en morändamm med lägre permeabilitet i tätkärnan kan en lägre permeabilitet tillåtas i filtren och de kommer ändå uppfylla dräneringskrav. I Fall 2 för den zonerade dammen där tätkärnan hade antagits spolas ur och filtren satts igen försämrades portrycklinjen och en hög hydraulisk gradient uppstod i filtrena. Framförallt var material 0-6 mm och 3-16 mm känsligt för detta beteende eftersom 0-6 mm redan har en lägre permeabilitet än 0-12 mm. 78
Analys Jämförelsen av hydrauliska gradienter i de olika fallen visade att gradienten blir betydligt lägre i den dränerande dammkonstruktionen vilket betyder att dessa filter får en lägre strömning och last. Detta beror till stor del på att filtrena är horisontella. Läckageberäkningarna visade att det inte blev någon större skillnad i läckage beroende på filtrets egenskaper. Däremot visade det sig att den dränerande dammen fick läckage med samma tiopotens som den tätande delens permeabilitet. Den zonerade dammen hade ett högre läckage än den tätande delens permeabilitet. Det innebär att genom att konstruera dammen på olika vis kommer de ingående materialens egenskaper ge olika effekt. Kombinationen av 0-6 mm och 3-16 mm som filter visar ändå att de fungerar enligt analysen i SEEP/W. I normalfallen var där liten skillnad mellan 0-12 mm och 0-6 mm tillsammans med 3-16 mm. I och med att finfiltret följs av ett grovfilter med högre permeabilitet kan dränerande effekt uppnås genom dränering i grovfilter. Analysen i SEEP/W visade att dessa material har tillräcklig permeabilitet för att dränera dammarna så att önskad portryckslinjen erhålls trots att de inte uppfyller krav på vattengenomsläpplighet enligt GruvRIDAS. Det gäller för både 0-12 mm och 0-6 mm som inte klarade dessa krav. 79
Diskussion 6 DISKUSSION Här diskuteras olika delar av arbetet. Det krossade materialets lämplighet som finfilter diskuteras utifrån litteraturstudien och resultatet från laboratoriearbetet. Laboratoriearbetet utvärderas, observationer och felkällor beskrivs. Därutöver ges även förslag till framtida forskning. 6.1 Användning som finfilter Utifrån resultatet i laboratoriearbetet kan det krossade materialets lämplighet diskuteras inom områdena kornfördelning, packning och permeabilitet. I utvärderingen av materialens siktkurvor visade det sig att en del av dem hade svårt att uppfylla kriterier för inre stabilitet och vattengenomsläpplighet. Det krossade materialet har alltså problem med att uppfylla dagens krav. I detta arbete har det krossade och naturliga materialet jämförts men oavsett vad resultaten säger kvarstår faktum att den kornfördelning det krossade materialet får har svårt att uppfylla kraven på finfilter. Det krossade materialet 0-12 mm förväntades inte uppfylla kraven i GruvRIDAS eftersom krossade material generellt har för hög halt finpartiklar [SGU, 2011]. Däremot förväntades 0-6 mm och 3-16 mm uppfylla kraven då de är framställda för det ändamålet. 3-16 mm klarade kraven, mycket tack vare sin låga halt finpartiklar. Istället har 0-6 mm en för hög halt finpartiklar vilket innebär att det inte godkänns som filter. 0-6 mm fungerar mer som en förlängning av tätkärnan och 3-16 mm blir en blandning av ett fin- och grovfilter. Tillsammans uppfyllde de 0-6 mm och 3-16 mm kraven [GruvRIDAS, 2010] för filtrering och vattengenomsläpplighet sinsemellan. 0-6 mm uppfyller förmodligen krav på filtrering utan problem mot ett basmaterial 81
Finfilter i fyllningsdammar såsom anrikningssand eller morän eftersom det är så pass fint, problemet är istället att uppfylla de dränerande kraven. Resultatet från det här arbetet visar att det finns skillnader i hur mycket energi som krävs för att packa de olika materialen vilket i sin tur påverkar permeabiliteten. I dagens standarder, till exempel AMA, görs ingen skillnad på hur material ska packas beroende på om det är krossat eller naturligt då de enligt tabell CE/1 [Svensk Byggtjänst, 2010] tillhör samma grupp. Det innebär att det finns en risk att tillräcklig packningsgrad inte uppnås då krossade material packas vilket innebär att en högre permeabilitet kan erhållas. En risk vid konstruktion och byggnationer av dammar är att man förlitar sig för mycket på standardiseringar och inte tar hänsyn till olika förutsättningar som råder och olika materials egenskaper. Därför krävs att extra tid läggs ned vid varje byggnation för att undersöka dess specifika egenskaper och därigenom bygga säkrare dammar. Anpassningar i Förfrågningsunderlag och Tekniska beskrivningar för att uppfylla rätt packning bör även göras. Ett problem med att det krossade materialet förutom att det inte kan packas lika lätt som det naturliga är att det även är känsligare för packning då det troligen har en känsligare struktur med risk för mikrosprickor och dylikt [Milligan, 2003]. Det gör att det finns en ökad risk att materialet blir skadat om packningsarbetet ökar för att uppnå samma packning som för det naturliga. Om materialet krossas under packning erhålls en annan kornfördelning vilket innebär att materialet får andra egenskaper. Till exempel kan andelen finpartiklar öka om materialet krossas vilket leder till en ökad risk för igensättning av materialet samt sämre dräneringsförmåga. Det krossade materialets beteende i permeabilitetsförsöken där det var svårare att packa samt inte hade samma urspolning som det naturliga säger en del om materialets egenskaper. Det indikerar att det krossade material är svårare att förändra än ett naturligt. En teori är att det kantiga materialet låser fast i varandra och därmed blir det svårare att förändra, till exempel packa eller för material att erodera. Det har även gjorts försök som visar på att ett krossat material med kantiga partiklar hindrar erosion effektivare än ett naturligt, rundat material [Yasrobi och Azad, 2004]. I avsnittet 2.4 skrivs det att på grund av otillräcklig kunskap om krossade material bör dessa inte användas som finfilter. [Milligan, 2003] har rätt i att det finns en bristande kunskap om krossade material men ett annat sätt att lösa det på är som här att öka förståelsen om de krossade materialen. Med tanke på de 82
Diskussion stora volymer filtermaterial som går åt skulle det även vara svårt, både ekonomiskt och ur miljöhänseende, att enbart förlita sig på naturliga finfiltermaterial. 6.2 Observationer under laboratoriearbetet Efter slutförda försökt hade en större mängd finmaterial fastnat i nätet som fungerade som filter i de naturliga proverna än de krossade proverna. Detta skulle kunna ha påverkat permeabiliteten för det naturliga materialet men vidare undersökningar av detta har inte gjorts. Läckaget som observerades kring det översta locket på en av de stora cylindrarna skulle kunna ha påverkat resultatet men bedömdes vara så pass litet i jämförelse med det genomströmmande vattnet att någon hänsyn inte tagits till detta. Problemet med luft i distribueringssystemet kan leda till att en för låg permeabilitet erhållits på grund av luftbubblorna. Detta är en anledning till att vatten ska ledas in underifrån istället för ovanifrån som i dessa försök 6.3 Restriktioner Ett förbehåll med denna jämförelse är det faktum att det naturliga materialet är framställt. I naturligt tillstånd innehåller inte dessa material så mycket finpartiklar som ett krossat och kornfördelningen är bättre. Men så länge det krossade materialet uppfyller krav och riktlinjer [GruvRIDAS, 2010] bör beteendet och skillnader likna det som visas i dessa försök. Ytterligare ett förbehåll med studien är det faktum att det naturliga materialet inte var 100 % naturligt eftersom krossat material har blandats in för att konstruera samma kornfördelning som hos det krossade materialet. Det var dock alltid mer naturligt material, 60-80 %, än krossat. Resultatet från laboratoriearbetet visar ändå att även fast materialet inte var helt naturligt så blev det skillnader. Möjligen hade det blivit ännu större skillnader om materialet hade varit helt naturligt. 6.4 Fortsatta undersökningar I permeabilitetsförsöken var packningsgraden alltid sämre för de krossade än naturliga material vilket kan vara en anledning till den högre permeabiliteten. Försök där samma packningsgrad uppnåtts skulle därför vara intressanta för att se om samma permeabilitet då erhålls. Dessutom skulle det vara intressant att 83
Finfilter i fyllningsdammar undersöka vilken energi som krävs vid packning för att ett krossat material ska uppnå samma resultat som för det naturliga. I dessa försök packades materialen med samma energi och tydligt var att det krossade inte packades lika väl. Förloppet med inre erosion skulle vara väldigt intressant att undersöka om det var möjligt. Kunskapen om en hög andel finpartiklars påverkan av materialets egenskaper behöver ökas. Till exempel om den höga halten finpartiklar gör att de eroderar bort, vad får det för konsekvens? I teorin skulle det kunna leda till att den eftersträvade kornfördelningen erhålls genom att finpartiklarna helt enkelt spolas ur. Materialseparation som inte hann undersökas i det här arbetet är intressant för att veta mer om hur materialen ska hanteras. Därför skulle det vara bra med en kartläggning om hur benägna materialen är att separera. Om det är skillnader i deras benägenhet att separera skulle riktlinjer för hur detta motverkar kunna tas fram. Utdraget från GruvRIDAS som visar på skillnaderna i riktlinjerna antyder att vid förmildrade omständigheter kan avsteg göras. Att detta inte finns med i RIDAS beror troligen på att förmildrade omständigheter sällan sker i vattenkraftdammar utan är mer aktuellt för just gruvdammar. Det kan också ses som ett argument för att vidare forskning angående filterkraven för gruvdammar behövs. 84
Slutsatser 7 SLUTSATSER Arbetet har kunnat visa att det krossade materialet var mer svårpackat än det naturliga materialet. Vid samma energi vid packning fick det krossade materialet lägre packningsgrad än det naturliga. Det förklarar sannolikt permeabiliteten hos materialen, där det krossade materialen hade en högre permeabilitet i försöken. Detta gäller för material 0-12 mm och 0-6 mm, 3-16 mm som är grövre uppnådde liknande packningsrader och permeabilitet. De viktigaste egenskaperna i det här arbetet som undersökts för att se huruvida ett krossat material fungerar som finfilter är packningen och permeabiliteten Enligt de kriterier som finns i GruvRIDAS uppfyllde inte material 0-12 mm och 0-6 mm kraven för vattengenomsläpplighet. Analysen i SEEP/W visade dock att de hade tillräcklig vattengenomsläpplighet i och med att goda portryckslinjer erhölls där källsprång och portryck i nedströms slänten undveks. Med hänsyn till dessa bör ett krossat material fungera som finfilter om packning sker så att erfoderlig permeabilitet erhålls. Däremot finns andra egenskaper där vidare jämförelse krävs, såsom materialseparation, hantering av inre erosion och inre stabilitet. Resultatet indikerar att permeabiliteten inte har lika stor betydelse för filtrets funktion som dessa egenskaper. Kombinationen av materialen 0-6 mm och 3-16 mm som finfilter kan vara en lösning att använda i gruvdammar då krossat material inte uppfyller dagens filterkrav. 0-6 mm uppfyller inte heller ställda krav men om det materialet ses som en ett övergångsfilter från tätkärna till ett lite grövre finfilter skulle lägre krav kunna ställas på materialet. De skilda förutsättningarna som råder för mindre gruv- och vattenkraftsdammar gör att dränerande gruvdammarna har lägre hydraulisk gradient vilket minskar belastningen på dammen. Däremot kan konstruktionen 85
Finfilter i fyllningsdammar med dränerande dammar göra att högre krav ändå måste ställas. Detta exemplifieras i känslighetsanalysen i SEEP/W när permeabiliteten i filtrena sänktes och den i den zonerade dammens filter kunde sänkas mer än permeabiliteten i den dränerande dammens filter innan de slutade uppfylla sin funktion. 86
Referenser 8 REFERENSER Skriftliga källor Carrier W. D., 2003. Goodbye, Hazen; Hello, Kozeny-Carman. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 129, No. 11, pp. 1054-1056. Cementa. 2012.. Bergkross i betong krossat berg ersätter naturgrus. http://www.heidelbergcement.com/nr/rdonlyres/275fe7fd-decc-490a- A8E7-33BE3C5D5802/0/Bergkrossibetong.pdf (hämtad 2012-04-02) Craig R.F: 2004. Craig s soil mechanics. 7. uppl. London, Great Britain. Taylor & Francis Group. Eriksson P. 2010. Konsten att krossa berg är Per Hedvalls forskningsområde. ROADS Tidningen om beläggning och ballast. 2010 nr.4. Tillgänglig på internet: http://www.roads.nu/sv/artiklar/arkiv/2010-nr-4/konsten-att-krossaberg/ (Hämtad 2012-04-04) Fell, R., MacGregor, P., Stapledon, D., & Bell, G. 2005. Geotechnical Engineering of Dams. London, Great Britain: Taylor & Francis Group plc. GruvRIDAS 2010. GruvRIDAS - Gruvindustrins riktlinjer för dammsäkerhet, Avsnitt 7.2. Svensk Energi AB/ SweMin ICOLD 1994. Embankment Dams Granular filters and Drains. International Commission on Large Dams, Paris, Bulletin 95. Ishibashi I., Hazarika H. 2011. Soil mechanics fundamentals. United States of America. Taylor & Francis Group, LCC. 87
Finfilter i fyllningsdammar Jantzer, I. 2009. Critical hydraulic gradients in tailings dams - Comparison to natural analogies. Lic.-avh., Luleå tekniska universitet. Luleå. Janzter I., Knutsson S., 2007. Seepage and critical hydraulic gradients in tailings dams and natural formations. Proceedings of the 2 nd International Conference on Porous Media and ids Applications in Science and Engineering. Juni 17-22, 2007, Kauai, Hawaii, USA: Kenney T.C., Lau D. 1985. Internal stability of granular filters. Canadian Geotechnical Journal. Vol. 22: s.215-225 Kjaernsli B., Valstad T., Höeg K. 1992. Rockfill dams Design and construction. Vol. 10. Norwegian Insitute of Technology, Division of Hydraulic Engineering. Krumbein, W.C. Sloss, L.L. (1963). Stratigraphy and Sedimentation, 2nd edition. San Francisco: W.H. Freeman and Co. ISBN 07-1670219-3 Lagerblad B., Westerholm M, Gram H.E. 2011. Bergkrossmaterial som ballast i Betong. CBI-Rapport 1:2011. Energimyndigheten. Tillgänglig på internet: http://energimyndigheten.se/global/forskning/industri/minfo/slutrapport%20e nergieffektiv%20framst%c3%a4llning%20av%20betong.pdf (Hämtad: 2012-04-10) Larsson R. 2005. SGF Notat 2:2005 - Permeabilitetsbestämning genom laboratorieförsök. SGF:s (Svenska Geotekniska Föreningen) Laboratoriekommitté. Mcleod H., Murray L., Klohn Crippen Berger Ltd. 2003. Tailings dam versus a water dam, what is the design difference?. ICOLD Symposium on Major Challenges in Tailings Dams, June 15, 2003 Tillgänglig på internet: http://www.infomine.com/publications/docs/mcleod2003b.pdf Milligan, V. 2003. Some Uncertainties in Embankment Dam Engineering. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 129, No. 9: s.785-797 RIDAS 2011. RIDAS Kraftföretagens riktlinjer för dammsäkerhet, Avsnitt 7.2. Svensk Energi AB 88
Referenser Rönnqvist H. 2002. Fyllningsdammars känslighet för inre erosion En utvärdering av Vattenfalls Fyllningsdammar. Examensarbetet. Kungliga Tekniska Högskolan, Institutionen för Vattenbyggnad. SGU. 2011. SGU-rapport 2011:10 Ersättningsmaterial för naturgrus kunskapssammanställning och rekommendationer för användning av naturgrus. Sveriges geologiska undersökning. http://www.sgu.se/dokument/service_sgu_publ/sgu-rapport_2011-10.pdf (Hämtad 2012-03-30) SIS. 1989. Svensk Standard SS 27116: Geotekniska provningsmetoder Vattenkvot och vattenmättnadsgrad. Swedish Standards Institute Stål T. 1972. Byggforskningens informationsblad B2 1972: Kornfördelning Förslag till geotekniska laboratorieanvisningar, del 4. Stockholm. Statens institut för byggnadsforskning. Svensk Byggtjänst. 2010. AMA Anläggning 1;, CE Fyllning lager, mark mm. Edeskär T. 2012. Föreläsningsmaterial om Hydraulic conductivity and seepage i kursen G009B, Luleå tekniska universitet. Vattenfall. 1988. Jord och stenfyllningsdammar. ISBN: 91-7186-271-4 Yasrobi, S. och Azad, A. 2004. Assessment of Granular Filter Functioning in Embankment Dams. In Proceedings of EuroSoil2004 Conference, 4-12 September 2004, Freiburg i.br., Germany, 8 p. Bilder Argent M. 2009. http://markargent.blogspot.se/2009/08/use-of-grout-curtainsin-water.html (hämtad 2012-08-27) Kuhlin. 2012. Vattenkraft.info. Kuhlins Webdesign. http://vattenkraft.info/?page=23 (hämtad 2012-08-27) Personlig kommunikation Bohlin, Thomas. Sweco. Diskussion och mailkontakt under 2012 89
Jämförelse med LKAB:s materialprover Bilaga 1 i
Jämförelse med LKAB:s materialprover ii
Bilder - material 0-12 mm och 0-6 mm Bilaga 2 Material 0-12 mm, Krossat till vänster och naturligt till höger Material 0-6 mm, Krossat till vänster och naturligt till höger i
Siktkurvor Naturligt material Bilaga 3 i
Viktprocent av finjordsandelen Viktprocent av finjordsandelen Viktprocent av finjordsandelen Siktkurvor - Sedimentationsanalys Bilaga 4 0-12 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,001 0,002 0,01 0,1 0,063 Kornstorlek [mm] Krossat Naturligt 0-6 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,001 0,002 0,01 0,1 Kornstorlek [mm] 0,063 Krossat Naturligt 3-16 100 90 80 70 60 50 40 30 Krossat Naturligt 20 10 0 0,001 0,002 0,01 0,1 0,063 Kornstorlek [mm] i
Beräkning av kompaktdensitet Bilaga 5 Indata - Beräkning av kompaktdensitet, 0-12 mm Behållare 1 2 Massa behållare [g] 206,5 194,18 Massa behållare med vatten [g] 491,43 480,35 Massa vatten [g] 284,93 286,17 Temperatur [ C] 24 24 Volym [cm3] 284,16 285,40 Temperatur [ C] 24 Densitet vatten [g/cm 3 ] 0,9973 Beräkning av kompaktdensitet - 0-12 mm Krossat Naturligt Behållare 1 2a 2b 1a 1b 1c Massa, torrt prov [g] 130,03 158,73 150,95 171,67 146,62 145,85 Total massa [g] 574,61 582,09 576,87 599,81 584,10 583,52 Massa, vatten och prov [g] 238,08 229,18 231,74 221,64 230,98 231,17 Temperatur [grader] 24 24 24 24 24 24 Volym [cm 3 ] 238,72 229,80 232,37 222,24 231,61 231,80 Volym prov [cm 3 ] 45,44 55,60 53,03 61,92 52,56 52,36 Kompaktdensitet [g/cm 3 ] 2,862 2,855 2,847 2,772 2,790 2,785 Medelvärde [g/cm 3 ] 2,85 2,78 Indata - Beräkning av kompaktdensitet, 0-6 mm Behållare 1 2 3 Massa behållare [g] 135,34 139,43 135,53 Massa behållare med vatten [g] 245,01 251,05 246,59 Massa vatten [g] 109,67 111,62 111,06 Temperatur [ C] 24,4 24,4 24,4 Volym [cm3] 109,3739 111,3186 110,7601 Temperatur [ C] 24 Densitet vatten [g/cm3] 0,9973 i
Beräkning av kompaktdensitet Beräkning av kompaktdensitet - 0-6 mm Krossat Naturligt Behållare 1 2 3 1 2 3 Massa, torrt prov [g] 60,88 53,86 64,15 51,93 62,31 57,91 Total massa [g] 283,84 285,33 287,47 277,80 290,32 283,07 Massa, vatten och prov [g] 87,62 92,04 87,79 90,53 88,58 89,63 Temperatur [ C] 24 24 24 24 24 24 Volym [cm 3 ] 87,86 92,29 88,03 90,78 88,82 89,87 Volym prov [cm 3 ] 21,52 19,03 22,73 18,60 22,50 20,89 Kompaktdensitet [g/cm 3 ] 2,829 2,830 2,822 2,792 2,769 2,772 Medelvärde [g/cm 3 ] 2,83 2,78 Indata - Beräkning av kompaktdensitet, 3-16 mm Behållare 1 2 Massa behållare [g] 206,5 194,18 Massa behållare med vatten [g] 491,43 480,35 Massa vatten [g] 284,93 286,17 Temperatur [ C] 24 24 Volym [cm 3 ] 284,16 285,40 Temperatur [ C] 23 24 Densitet vatten [g/cm 3 ] 0,9976 0,9973 Beräkning av kompaktdensitet - 3-16 mm Krossat Naturligt Behållare 2a 1 2b 1a 1b 1c Massa, torrt prov [g] 137,26 146,08 162,89 160,32 127,46 182,20 Total massa [g] 567,19 584,06 584,36 592,60 572,13 606,34 Massa, vatten och prov [g] 235,75 231,48 227,29 225,78 238,17 217,64 Temperatur [ C] 23 23 24 24 24 24 Volym [cm 3 ] 236,32 232,04 227,91 226,39 238,81 218,23 Volym prov [cm 3 ] 49,08 52,12 57,49 57,77 45,35 65,93 Kompaktdensitet [g/cm 3 ] 2,797 2,803 2,833 2,775 2,811 2,763 Medelvärde [g/cm 3 ] 2,81 2,78 ii
Vattenkvoter Krossat material Bilaga 6 Vattenkvot 0-12 mm Krossat Test Vattenkvot [%] 1 3,364 2 3,306 Vattenkvot 0-6 mm - Krossat Test Vattenkvot [%] 1 7,33 2 7,93 3 6,91 4 7,22 Vattenkvot 3-16 mm - Krossat Test Vattenkvot [%] 1 1,08 2 1,15 3 1,08 i
Beräkning av packningsenergi Bilaga 7 Beräkning av packningsenergi Antal Slaghöjd Prov slag [m] [-] Små cylindrar, 0-6 mm Stora cylindrar, 0-12 mm och 3-16 mm Modifierad proctor-packning Massa, vikt [kg] Tyngdacceleration [m/s 2 ] Volym, prov [m 3 ] 60 0,15 2,5 9,81 0,000956 2309 90 0,45 5,2 9,81 0,013 1589 125 0,457 4,5 9,81 0,000956 26378 Packningsenergi [knm/m 3 ] i
Beräkning av packningsgrader Bilaga 8 Beräkning av packningsgrad - 0-12 mm Krossat Max torrdensitet g/cm 3 ] Vattenkvot vid packning (från Proctorpackning) 2,2 0,0339 Prov r [cm] Djup cylinder [cm] Vikt tom [g] Djup till prov [cm] Vikt Längd Volym totalt [g] prov [cm] [cm 3 ] Vikt Skrymdensitet Andel vatten Torrdensitet Packningsgrad prov [g] [g/cm 3 ] [g/cm 3 ] [%] 1 11,65 64 6900 33,8 32040 30,2 12876,8 25140 1,95 0,0662 1,89 85,7 2 11,65 64 7090 33,5 32220 30,5 13004,7 25130 1,93 0,0656 1,87 84,9 3 11,65 64 6950 33,4 32380 30,6 13047,4 25430 1,95 0,0661 1,88 85,6 Beräkning av packningsgrad - 0-12 mm Naturligt Max torrdensitet g/cm 3 ] Vattenkvot vid packning (från Proctorpackning) 2,1 0,0215 Prov r [cm] Djup cylinder [cm] Vikt tom [g] Djup till prov [cm] Vikt Längd Volym totalt [g] prov [cm] [cm 3 ] Vikt Skrymdensitet Andel vatten Torrdensitet Packningsgrad prov [g] [g/cm 3 ] [g/cm 3 ] [%] 1 11,65 64 7020 34,9 31860 29,1 12407,8 24840 2,00 0,0429 1,96 92,0 2 11,65 64 7020 33,5 32960 30,5 13004,7 25940 1,99 0,0428 1,95 91,6 3 11,65 64 7100 33,5 32900 30,5 13004,7 25800 1,98 0,0426 1,94 91,1 i
Beräkning av packningsgrader Beräkning av packningsgrad - 0-6 mm Krossat Max torrdensitet g/cm 3 ] Vattenkvot vid packning (från Proctorpackning) 2,0 0,0582 Prov r [cm] Djup cylinder [cm] Vikt tom [g] Vikt totalt [g] Volym [cm 3 ] Vikt prov [g] Skrymdensitet [g/cm 3 ] Andel vatten Torrdensitet [g/cm 3 ] Packningsgrad [%] 1 5,1 11,7 2625,7 4396,2 956,04 1770,5 1,85 0,108 1,74 85,5 2 5,1 11,7 2620,2 4384,6 956,04 1764,3 1,85 0,107 1,74 85,2 3 5,1 11,7 2614,5 4404,5 956,04 1790,0 1,87 0,109 1,76 86,4 Beräkning av packningsgrad - 0-6 mm Naturligt Max torrdensitet g/cm 3 ] Vattenkvot vid packning (från Proctorpackning) 2,0 0,0649 Prov r [cm] Djup cylinder [cm] Vikt tom [g] Vikt totalt [g] Volym [cm 3 ] Vikt prov [g] Skrymdensitet [g/cm 3 ] Andel vatten Torrdensitet [g/cm 3 ] Packningsgrad [%] 1 5,1 11,7 2483,3 4383,2 956,04 1899,9 1,99 0,129 1,86 94,3 2 5,1 11,7 2614,3 4490 956,04 1875,7 1,96 0,127 1,83 93,1 3 5,1 11,7 2625,2 4500,2 956,04 1875 1,96 0,127 1,83 93,1 ii
Beräkning av packningsgrader Beräkning av packningsgrad - 3-16 mm Krossat Max torrdensitet g/cm 3 ] Vattenkvot vid packning (från Proctorpackning) 1,8 0,011 Prov r [cm] Djup cylinder [cm] Vikt tom [g] Djup till prov [cm] Vikt Längd Volym [cm 3 ] Vikt Skrymdensitet Andel vatten Torrdensitet Packningsgrad totalt [g] prov [cm] prov [g] [g/cm 3 ] [g/cm 3 ] [%] 1 11,65 64 7020 33,5 28930 30,5 13004,7 21910 1,68 0,0188 1,67 94,1 2 11,65 64 7030 34 28170 30 12791,5 21140 1,65 0,0184 1,63 92,3 3 11,65 64 7010 33,4 28590 30,6 13047,4 21580 1,65 0,0184 1,64 92,4 Beräkning av packningsgrad - 3-16 mm Naturligt Max torrdensitet g/cm 3 ] Vattenkvot vid packning (från Proctorpackning) 1,9 0,012 Prov r [cm] Djup cylinder [cm] Vikt tom [g] Djup till prov [cm] Vikt Längd Volym [cm 3 ] Vikt Skrymdensitet Andel vatten Torrdensitet Packningsgrad totalt [g] prov [cm] prov [g] [g/cm 3 ] [g/cm 3 ] [%] 1 11,7 64 6990 33,2 31440 30,8 13132,7 24450 1,86 0,0222 1,84 96,8 2 11,7 64 7010 34,0 30720 30,0 12791,5 23710 1,85 0,0221 1,83 96,4 3 11,7 64 7050 33,5 31360 30,5 13004,7 24310 1,87 0,0223 1,85 97,2 iii
Beräkning av Reynolds tal Bilaga 9 Material Flöde Kinematisk viskositet [m 2 /s] [m 3 d /s] 50 [m] (vid 10 C) Reynolds tal 0-12 Krossat 1,3 3,20E-06 1,31E-06 3,18 0-12 Naturligt 1,4 2,90E-06 1,31E-06 3,10 0-6 Krossat 4 1,70E-06 1,31E-06 5,19 0-6 Naturligt 6 8,50E-07 1,31E-06 3,89 3-16 Krossat 0,5 9,00E-06 1,31E-06 3,43 3-16 Naturligt 0,5 1,00E-05 1,31E-06 3,82 i
Teoretisk permeabilitet Bilaga 10 Hazens formel D 10 Material [mm] k [m/s] 0-12 Krossat 0,086 7,40E-05 0-12 Naturligt 0,07 4,90E-05 0-6 Krossat 0,064 4,10E-05 0-6 Naturligt 0,06 3,60E-05 3-16 Krossat 3,8 1,44E-01 3-16 Naturligt 2,7 7,29E-02 C 0,01 Chaupis formel Material D 10 ρ s ρ d V [mm] [g/cm 3 ] [g/cm 3 ] [cm 3 ] m s [g] V s [cm 3 ] V p [cm 3 ] e [-] k [m/s] 0-12 Krossat 0,086 2,85 1,87 13000 24310 8529,8 4470,2 0,34 3,43E-05 0-12 Naturligt 0,07 2,78 1,95 13000 25350 9118,7 3881,3 0,30 1,83E-05 0-6 Krossat 0,064 2,83 1,74 1000 1740 614,8 385,2 0,39 2,75E-05 0-6 Naturligt 0,06 2,78 1,84 1000 1840 661,9 338,1 0,34 1,88E-05 3-16 Krossat 3,8 2,81 1,64 13000 21320 7587,2 5412,8 0,42 1,94E-02 3-16 Naturligt 2,7 2,78 1,84 13000 23920 8604,3 4395,7 0,34 7,28E-03 Kozeny-Carmans formel γ/μ c Material k [l/cm,s] [-] 0-12 Krossat 0-12 Naturligt 0-6 Krossat 0-6 Naturligt 3-16 Krossat 3-16 Naturligt d eff [cm] SF 1 [-] SF 2 [-] S 0,1 [cm 2 ] S 0,2 [cm 2 ] e [-] k min [m/s] k max [m/s] 7,64E+04 5 0,20891 7,5 8,3 35,9005 39,7299 0,34 4,48E-05 4,92E-05 7,64E+04 5 0,20891 6,1 6,6 29,1991 31,5925 0,30 4,59E-05 5,09E-05 7,64E+04 5 0,16646 7,5 8,3 45,0570 49,8631 0,39 3,88E-05 4,39E-05 7,64E+04 5 0,14386 6,1 6,6 42,4024 45,8781 0,34 3,07E-05 3,51E-05 7,64E+04 5 0,62349 7,5 8,3 12,0291 13,3122 0,42 6,73E-04 7,77E-04 7,64E+04 5 0,46235 6,1 6,6 13,1935 14,2749 0,34 3,17E-04 3,62E-04 i
Teoretisk permeabilitet Kozeny-Carmans formel, beräkning av d eff 0-12 Krossat d li [cm] d si [cm] d ave,i [cm] f i [procentandel] f i /d ave,i [cm] 0,0063 0,0002 0,028512 7,2 252,5279 0,0125 0,0063 0,091386 2,7 29,54501 0,025 0,0125 0,128889 3,2 24,82764 0,05 0,025 0,182213 4 21,95234 0,1 0,05 0,257599 5,6 21,73924 0,2 0,1 0,364173 11,3 31,02919 0,56 0,2 0,551049 34,6 62,78931 1,12 0,56 0,861049 28,7 33,33143 1,2 1,12 1,073092 1 0,931887 Summa: 478,6739 d eff [cm]: 0,20891 0-12 Naturligt d li [cm] d si [cm] d ave,i [cm] f i [procentandel] f i /d ave,i [cm] 0,0063 0,0002 0,028512 8,92 312,8539 0,0125 0,0063 0,091386 3,8 41,58186 0,025 0,0125 0,128889 2,2 17,069 0,05 0,025 0,182213 5 27,44043 0,1 0,05 0,257599 7,7 29,89146 0,2 0,1 0,364173 9,7 26,63567 0,56 0,2 0,551049 38,5 69,86672 1,12 0,56 0,861049 23,3 27,06001 1,2 1,12 1,073092 0,4 0,372755 Summa: 552,7719 d eff [cm]: 0,180906 0-6 Krossat d li [cm] d si [cm] d ave,i [cm] f i [procentandel] f i /d ave,i [cm] 0,0063 0,0002 0,028512 8,8 308,6452 0,0125 0,0063 0,091386 3,7 40,48761 0,025 0,0125 0,128889 5,6 43,44836 0,05 0,025 0,182213 6,9 37,86779 0,1 0,05 0,257599 9,2 35,71447 0,2 0,1 0,364173 19,6 53,82054 0,4 0,2 0,51484 30,5 59,24167 0,56 0,4 0,677247 14,5 21,41022 0,8 0,56 0,80447 0,1 0,124305 Summa: 600,7601 d eff [cm]: 0,166456 ii
Teoretisk permeabilitet 0-6 Naturligt d li [cm] d si [cm] d ave,i [cm] f i [procentandel] f i /d ave,i [cm] 0,0063 0,0002 0,028512 10 350,7331 0,0125 0,0063 0,091386 5,2 56,9015 0,025 0,0125 0,128889 6,7 51,98286 0,05 0,025 0,182213 15,1 82,8701 0,1 0,05 0,257599 15,9 61,72393 0,2 0,1 0,364173 11,2 30,75459 0,4 0,2 0,51484 18 34,9623 0,56 0,4 0,677247 14,2 20,96725 0,8 0,56 0,80447 3,4 4,226383 Summa: 695,122 d eff [cm]: 0,14386 3-16 Krossat d li [cm] d si [cm] d ave,i [cm] f i [procentandel] f i /d ave,i [cm] 0,0063 0,0002 0,028512 1,2 42,08798 0,0125 0,0063 0,091386 0,5 5,471298 0,025 0,0125 0,128889 0 0 0,05 0,025 0,182213 0 0 0,1 0,05 0,257599 0 0 0,2 0,1 0,364173 0 0 0,56 0,2 0,551049 15 27,2208 0,8 0,56 0,80447 22 27,34718 1,12 0,8 0,957439 28 29,24467 1,6 1,12 1,137299 33 29,01612 Summa: 160,388 d eff [cm]: 0,623488 3-16 Naturligt d li [cm] d si [cm] d ave,i [cm] f i [procentandel] f i /d ave,i [cm] 0,0063 0,0002 0,028512 2,6 91,19061 0,0125 0,0063 0,091386 0,5 5,471298 0,025 0,0125 0,128889 0,5 3,879318 0,05 0,025 0,182213 0,5 2,744043 0,1 0,05 0,257599 0,5 1,941004 0,2 0,1 0,364173 0,6 1,647567 0,56 0,2 0,551049 19,4 35,20557 0,8 0,56 0,80447 10,8 13,42498 1,12 0,8 0,957439 25,7 26,84243 1,6 1,12 1,137299 38,6 33,94007 Summa: 216,2869 d eff [cm]: 0,462349 iii
k [m/s] Jämförelse av försöksresultat och teoretisk permeabilitet Bilaga 11 Jämförelse Försöksresultat och Teoretisk permeabilitet 1,6E-04 1,4E-04 1,2E-04 1,0E-04 8,0E-05 6,0E-05 4,0E-05 2,0E-05 Försöksresultat Hazen Chaupis Kozeny-Carman, min Kozeny-Carman, max 0,0E+00 0-12 Krossat 0-12 Naturligt 0-6 Krossat 0-6 Naturligt Prov i
k [m/s] Resultat Analys i SEEP/W Jämförelse Försöksresultat och Teoretisk permeabilitet 3,0E-02 1,4E-1 7,3E-2 2,5E-02 2,0E-02 Försöksresultat Hazen 1,5E-02 Chaupis 1,0E-02 Kozeny-Carman, min Kozeny-Carman, max 5,0E-03 0,0E+00 3-16 Krossat 3-16 Naturligt Prov ii
Resultat Analys i SEEP/W Bilaga 12 Portryckslinje 0-6 och 3-16, Fall 1 Portryckslinje 0-12, Fall 1 i
Resultat Analys i SEEP/W Portryckslinje, översikt, Fall 1 Portryckslinje 0-12, Fall 1 Portryckslinje 0-6 och 3-16, Fall 1 ii
Resultat Analys i SEEP/W Känslighetsanalys: Zonerad damm, k = 1*10-8 m/s Dränerad damm, k = 1*10-6 iii
Resultat Analys i SEEP/W Fall 2: Material k-värde [m/s] 0-12 1,5*10-5 0-6 2,5*10-6 3-16 3,4*10-5 Tätkärna 1*10-6 Zonerad damm, Fall 2 med 0-12 Zonerad damm, Fall 2 med 0-6 och 3-16 iv
Resultat Analys i SEEP/W Fall 3: Dränerad damm, Fall 3 med 0-12 Dränerad damm, Fall 3 med 0-6 och 3-16 Dränera damm, Fall 3 med k = 1*10-3 m/s i filter v
Resultat Analys i SEEP/W Fall 4: Dränerad damm, Fall 4 med 0-12 Dränerad damm, Fall 4 med 0-6 och 3-16 vi