System monitoringu zainstalowanego na obiekcie wykorzystuje nowoczesne urządzenia oraz metody pomiarowe umożliwiające szybką identyfikację potencjalnych zagrożeń, a jego niezbędnym wsparciem jest baza danych zintegrowana z systemem informacji przestrzennej GIS.
Artykuł jest z małymi uzupełnieniami przedrukiem pracy opublikowanej w „Czasopiśmie Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury”, t. XXXIII, z. 63 C1/N/1B), styczeń-marzec 2016, s. 33-40
Bezpieczna eksploatacja każdego obiektu hydrotechnicznego jest nierozerwalnie związana z obserwowaniem jego bieżącego zachowania oraz detekcją zjawisk, które mogą wskazywać na nieprawidłowe zachowanie zagrażające bezpieczeństwu obiektu. Obiekty hydrotechniczne stanowią skomplikowany system, w którym zachodzą złożone procesy fizyczne związane ze współoddziaływaniem wody i konstrukcji ją utrzymującej, ziemnej lub betonowej. Dlatego prawidłowa praca takiego obiektu wymaga bieżącego szczegółowego monitorowania wielu parametrów odpowiedzialnych za różne procesy fizyczne zachodzące w trakcie eksploatacji. Sytuacja komplikuje się jeszcze bardziej, gdy mamy do czynienia z bardzo dużym obiektem, będącym z powodu pełnionej funkcji w ciągłej rozbudowie, jak np. nadpoziomowe składowiska odpadów poflotacyjnych.
Znaczne rozmiary takiego obiektu powodują, że procesy fizyczne, które należy monitorować, charakteryzują się dużą zmiennością zarówno ze względu na istotne zróżnicowanie warunków geologicznych i hydrogeologicznych w miejscu lokalizacji, jak też zmienność tych procesów w funkcji czasu ze względu chociażby na zmieniający się układ naprężeń wywołany np. przyrostem masy składowanych odpadów czy zmieniające się warunki filtracyjne [3].
Fot. Ogólny widok Obiektu Unieszkodliwiania Odpadów Wydobywczych „Żelazny Most” w Rudnej
Do oceny aktualnego stanu technicznego takiego obiektu hydrotechnicznego oraz prawidłowego jego funkcjonowania niezbędny jest dobrze rozwinięty system monitoringu. System ten musi obejmować wszystkie elementy, mające jakikolwiek wpływ na bezpieczną eksploatację obiektu, których nieprawidłowe działanie lub niekorzystne zjawiska i procesy fizyczne w nich zachodzące mogą stanowić realne zagrożenie. Dodatkowo system ten musi być wysoce efektywny w działaniu, zapewniając stały dopływ wiarygodnych informacji o stanie obiektu, w dużej mierze zależnych od stanu i jakości funkcjonowania urządzeń monitorujących [2].
Te ogólne założenia są w znacznej mierze spełnione w przypadku systemu monitoringu zainstalowanego na Obiekcie Unieszkodliwiania Odpadów Wydobywczych (OUOW) „Żelazny Most” KGHM Polska Miedź S.A. będącego największym obiektem hydrotechnicznym nie tylko w kraju, ale jednym z największych tego typu obiektów na świecie. W pracy omówiono wszystkie podstawowe elementy systemu monitoringu zainstalowanego na tym obiekcie, zwracając uwagę na te, które są unikatowe z punktu widzenia częstości ich występowania oraz ze względu na kompleksowość monitorowanych parametrów i zjawisk mających bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo obiektu. Zwrócono również uwagę na niezwykle istotną rolę profesjonalnej bazy danych dedykowanej danemu systemowi w efektywnym gromadzeniu i wiarygodnym analizowaniu dużych ilości danych, pozwalających na szybką ocenę i identyfikację stopnia zagrożenia bezpieczeństwa obiektu.
Rys. 1 Schematyczny przekrój przez zapory OUOW„Żelazny Most”wraz z podstawowymi elementami systemu drenażowego
OUOW „Żelazny Most” – podstawowe informacje
Obiekt Unieszkodliwiania Odpadów Wydobywczych „Żelazny Most” rozpoczął pracę w 1977 r. i od ponad 30 lat stanowi jedyne miejsce deponowania odpadów powstałych w czasie produkcji rudy miedzi z wszystkich kopalń wchodzących w skład KGHM Polska Miedź S.A. Jest więc kluczowym ogniwem, bez którego produkcja miedzi, której sprzedaż przynosi wymierny wkład do krajowego PKB, byłaby niemożliwa. Rocznie deponowanych jest w obiekcie ok. 28 mln ton odpadów powstających w czasie procesu flotacji, co wymaga przygotowania olbrzymiej przestrzeni do zagospodarowania takiej masy. Dlatego z racji jedynego miejsca deponowania obiekt musi być stale rozbudowywany. Rozbudowa obiektu odbywa się tzw. metodą upstream, tj. do środka i ku górze, co powoduje, że wysokość zapór ziemnych utrzymujących odpady w jego wnętrzu ciągle rośnie. Obecnie maksymalna wysokość zapór zbliża się do 70 m, a w planach przewiduje się ich podwyższenie o kolejne 15 m. Całkowita powierzchnia obiektu wynosi 14,3 km2, a obwód ok. 14 km (fot. 1), natomiast objętość zdeponowanych w obiekcie odpadów wynosi obecnie ok. 600 mln m3.
Półpłynne odpady są transportowane do obiektu za pomocą hydrotransportu i zrzucane do jego wnętrza z korony zapór w postaci mieszaniny wodno-gruntowej, wskutek czego odpady podlegają segregacji, co powoduje, że frakcje piaszczyste odkładają się blisko zapór, natomiast drobniejsze, wraz z wodą, są transportowane do środka obiektu, gdzie znajduje się staw nadosadowy o pojemności zmieniającej się od 5 do 10 mln m3. Naturalna grawitacyjna segregacja cząstek stałych odpadów sprawia, że ich masyw charakteryzuje się dużą zmiennością właściwości geotechnicznych zarówno w kierunku poziomym, jak i pionowym. Najgrubsze frakcje, zdeponowane blisko korony, są wykorzystywane jako materiał do budowy kolejnych wyższych obwałowań.
Zapory ziemne utrzymujące masyw odpadów są zaporami typu filtracyjnego. Aby kontrolować przepływ wód nadosadowych poza rejon obiektu oraz utrzymywać krzywe filtracji na określonym poziomie, obiekt posiada bardzo rozbudowany system drenażu składający się z drenażu zapory podstawowej wraz z drenażami wspomagającymi, rowów opaskowych, drenażu pierścieniowego oraz systemu drenażu pionowego w postaci tzw. studni odciążających oraz studni drenażowych (rys. 1). Więcej informacji można znaleźć w [1] i [4].
Rys. 2 Stacja totalna oraz system luster do ciągłego monitorowania deformacji zapory
System monitoringu
Ze względu na rodzaj parametrów rejestrowanych przez urządzenia pomiarowe oraz związane z nimi zjawiska fizyczne monitoring OUOW „Żelazny Most” można podzielić na:
– geodezyjny,
– geotechniczny,
– hydrogeologiczny,
– sejsmiczny,
– hydrologiczny,
– chemiczny.
Pierwsze cztery rodzaje monitoringu są bezpośrednio związane z aktualnym zachowaniem się konstrukcji i jej bezpieczeństwem, natomiast ostatnie dwa z szeroko pojętym oddziaływaniem obiektu na otaczające go środowisko naturalne, który to problem w ostatnim czasie staje się nie mniej ważny. Ze względu na szczupłość miejsca zostaną omówione tylko rodzaje monitoringu oparte na najbardziej nowoczesnych i zaawansowanych technologicznie urządzeniach i metodach pomiarowych.
Rys. 3 Badania próbek o nienaruszonej strukturze w aparacie trójosiowego ściskania z lokalnym pomiarem deformacji oraz prędkości fali sejsmicznej
Monitoring geodezyjny
Pomiar deformacji konstrukcji jest jednym z dwóch najważniejszych elementów w ocenie obecnego stanu pracy obiektu hydrotechnicznego. Nabiera on jeszcze większego znaczenia w sytuacji, gdy obiekt jest w ciągłej rozbudowie, a projektowanie oparte jest na tzw. metodzie obserwacyjnej. W metodzie tej zakłada się ciągłą weryfikację projektu podczas wznoszenia obiektu w ramach przyjętych dopuszczalnych granic zachowania konstrukcji, wyrażonych wartościami dopuszczalnych deformacji i sił wewnętrznych, ustalenie programu monitorowania i planu działań naprawczych wdrażanych w przypadku, gdy obserwacje wykażą zachowania wykraczające poza akceptowane granice [3]. Taka sytuacja ma właśnie miejsce w przypadku „Żelaznego Mostu”. Pomiary deformacji (przemieszczeń poziomych i pionowych) OUOW „Żelazny Most” są przede wszystkim realizowane w ramach okresowych pomiarów geodezyjnych (2-4 razy do roku) prowadzonych na sieci reperów powierzchniowych (ok. 480) zainstalowanych na zaporach i przedpolu obiektu oraz na reperach wgłębnych posadowionych w podłożu rodzimym do monitorowania osiadań wywołanych rosnącym nadkładem osadów. Pomiary te wykonywane są standardowymi metodami geodezyjnymi za pomocą niwelacji precyzyjnej oraz z wykorzystaniem najnowszych technik GPS. W rejonach, gdzie stwierdzono permanentne występowanie przemieszczeń poziomych i pionowych, przekraczających błąd ich wyznaczania, zainstalowano stację totalną do ciągłego pomiaru deformacji 23 punktów rozmieszczonych na zaporze (rys. 2) oraz indywidualne stacje GPS (8 stacji) do ciągłego pomiaru przemieszczeń w miejscu ich lokalizacji.
Istotnym elementem monitoringu geodezyjnego, pozwalającym na identyfikację źródła obserwowanych przemieszczeń powierzchniowych, jest pomiar deformacji rur inklinometrycznych. Obecnie na obiekcie zainstalowanych jest łącznie 89 inklinometrów, których maksymalna głębokość dochodzi do 165 m, co jest swoistym rekordem świata! Pomiar deformacji rur inklinometrycznych potwierdził istnienie w głębokim podłożu rodzimym pod obiektem szeregu powierzchni nieciągłości decydujących o ogólnej stateczności zapór OUOW „Żelazny Most”. Inklinometry instalowane są zazwyczaj w miejscu stwierdzonych znacznych przemieszczeń powierzchniowych, wzdłuż przekrojów poprzecznych biegnących przez zapory obiektu, co pozwala na identyfikację rozciągłości powierzchni osłabień w głębokim podłożu. Pomiary prowadzone są ręcznie w okresach kwartalnych. Obecnie trwają prace nad wdrożeniem systemu automatycznego pomiaru deformacji inklinometrycznych w wybranych inklinometrach. W niedalekiej przyszłości będzie się stopniowo przechodzić na pełną automatyzację systemu pomiarów inklinometrycznych. W ostatnich latach monitoring geodezyjny uzupełniany jest dodatkowo o lotniczy skaning laserowy rejonu obiektu.
Rys. 4 Sieć piezometrów otwartych i strunowych zainstalowanych na OUOW „Żelazny Most” do obserwacji ciśnień piezometrycznych
Monitoring geotechniczny
Podłoże rodzime pod obiektem charakteryzuje się skomplikowaną budową geologiczną będącą wynikiem wielu, następujących po sobie, złożonych procesów geologicznych, które wystąpiły w dalekiej przeszłości, oraz towarzyszących im zjawisk glacitektonicznych i peryglacjalnych. Spowodowały one niekorzystne przekształcenia podłoża rodzimego pod obiektem skutkujące powstaniem szeregu, wspomnianych wcześniej, stref osłabień [1]. Te stosunkowo głęboko leżące strefy uaktywniły się w trakcie rozbudowy obiektu w wyniku zwiększającego się nacisku wywołanego rosnącym masywem odpadów. Dodatkowo masyw odpadów utrzymywany przez zapory ziemne charakteryzuje się dużą zmiennością przestrzenną parametrów geotechnicznych i w znacznej części jest nawodniony, co stwarza ryzyko wystąpienia zjawiska upłynnienia.
Bardzo skomplikowana budowa geologiczna podłoża, jak też skomplikowane warunki geotechniczne panujące w masywie osadów oraz wspomniany wcześniej fakt ciągłej rozbudowy obiektu i przyjętej do projektowania kolejnych wyższych odcinków zapór metody obserwacyjnej wymuszają ciągłą aktualizację i weryfikację warunków geotechnicznych. Jest to podstawowy element wiarygodnej oceny aktualnej stateczności zapór obiektu będącej głównym kryterium jego bezpieczeństwa.
Stateczność zapór jest oceniana w ok. 100 płaskich przekrojach biegnących prostopadle przez zapory ziemne okalające składowisko w ramach projektów wykonawczych dla kolejnych wyższych obwałowań w module co 5 m, a dla najbardziej krytycznych 25 przekrojów w module co 2,5 m. Reinterpretacja warunków geotechnicznych w poszczególnych przekrojach jest dokonywana na podstawie wyników rozpoznania geologicznego, hydrogeologicznego oraz geotechnicznego. Rozpoznanie podłoża prowadzi się przez wykonywanie głębokich wierceń oraz różnego typu statycznych badań penetracyjnych sondą wciskaną (CPTU/CPTUU i SCPTU) uzupełnionych o badania dylatometryczne (DMT i SDMT) oraz badania geofizyczne typu cross-hole i down- -hole. Głębokim wierceniom towarzyszy każdorazowo pobór prób NNS do badań laboratoryjnych z zastosowaniem najwyższych światowych standardów. Nasycenie punktów badawczych do rozpoznania warunków gruntowo-wodnych nie ma swojego odpowiednika w kraju, a może i na świecie. Dość powiedzieć, że w rejonie obiektu wykonano już ok. 10 tys. punktów badawczych i liczba ta z każdym rokiem rośnie.
To samo dotyczy badań właściwości osadów, gdzie do poboru prób o nienaruszonej strukturze stosuje się unikatowy próbnik japoński, tzw Push-gel sampler. Rozpoznanie geotechniczne uzupełniają bardzo specjalistyczne badania laboratoryjne (specjalistyczne badania trójosiowe typu TXCIU, TXCK0U, TXEK0U z pomiarem prędkości fali sejsmicznej zarówno monotoniczne, jak i cykliczne (rys. 3), badania w aparacie pierścieniowym, badania edometryczne i konsolidometryczne przy bardzo dużych obciążeniach) [3].
Rys. 5 Relacyjno-obiektowa baza danych SyZeM
Monitoring hydrogeologiczny
Monitoring hydrogeologiczny łączy w zasadzie elementy monitoringu geotechnicznego związane bezpośrednio z bezpieczeństwem obiektu (położenie krzywej depresji w masywie osadów i w zaporach) oraz monitoringu środowiskowego (pole hydrodynamiczne wód podziemnych na przedpolach obiektu, zasięg stref wód o podwyższonym zasoleniu). Jest on prowadzony na podstawie obserwacji ciśnień piezometrycznych w blisko 2000 różnego typu piezometrów zainstalowanych w masywie odpadów, na zaporach oraz bliskim i dalekim przedpolu (rys. 4). W przeważającej mierze są to piezometry otwarte, z których część wyposażona została w czujniki do automatycznego pomiaru poziomu zwierciadła wody z próbkowaniem co godzina. Piezometry otwarte służą również do badań środowiskowych przez pobór próbek wody celem sprawdzenia jej chemizmu ze względu na silne zasolenie wód nadosadowych, z których część migruje do wód podziemnych. Skuteczne ograniczenie negatywnego oddziaływania zasolonych wód stanowi bariera studni drenażowych zainstalowanych na bliskim przedpolu obiektu, których praca zapobiega dalszemu rozprzestrzenianiu się tych wód.
Dodatkowo do monitorowania nadwyżki ciśnień porowych w nieprzepuszczalnych warstwach iłów trzeciorzędowych na znacznych głębokościach oraz do oceny efektywności pracy studni odciążających, zainstalowanych w celu obniżenia tego ciśnienia, w rurach inklinometrycznych umieszczono w pełni zautomatyzowane piezometry strunowe (ponad 300 sztuk). Uzupełnieniem pomiaru piezometrycznego jest comiesięczny pomiar wydatków filtracyjnych prowadzony we wszystkich elementach całego systemu drenażu pionowego i poziomego w celu oceny efektywności działania systemu drenażu, jak również monitorowania negatywnych zjawisk filtracyjnych mających wpływ na bezpieczeństwo konstrukcji.
Monitoring sejsmiczny
Ze względu na położenie obiektu w pobliżu pól wydobywczych jest on narażony na oddziaływanie obciążeń dynamicznych w wyniku losowego występowania wstrząsów górniczych. Do ich rejestracji służy sieć sejsmometryczna składająca się z 18 stanowisk sejsmometrycznych, po dwa w przekrojach najbardziej narażonych na oddziaływania parasejsmiczne (jedno stanowisko na koronie zapory podstawowej, a drugie u jej podnóża, co pozwala na ocenę stopnia amplifikacji rejestrowanych sygnałów). Czujniki akcelerometryczne są wzbudzane każdorazowo, gdy zidentyfikują drgania o określonym poziomie, a rejestracje są przekazywane automatycznie do centralnej bazy sygnałów. Pomiary przyspieszeń uwzględniane są później w ocenie stateczności zapór obiektu. Pomiary z systemu monitoringu są uzupełniane o wyniki inspekcji wizualnych wykonywanych okresowo na całym obiekcie lub w sytuacjach wystąpienia silniejszego wstrząsu sejsmicznego, zgodnie z zapisami instrukcji eksploatacji obiektu. Stanowi to bardzo ważny element oceny jego stanu technicznego. Oceny wizualne stanu składowiska wykonywane są w formie obchodu zapór oraz ich elementów i mają istotny wpływ na bezpieczeństwo. Obserwacje prowadzone są w cyklach miesięcznych i według stałego schematu, co umożliwia łatwe porównanie stanu stałych elementów zapór Wyniki obchodu są dokumentowane w specjalnych formularzach oraz w formie dokumentacji fotograficznej [2].
Baza danych SyZeM
Wiarygodna i efektywna analiza oraz interpretacja olbrzymiej ilości danych pomiarowych rejestrowanych przez rozbudowany system monitoringu byłaby niemożliwa bez wsparcia wydajnej bazy danych. W przypadku OUOW „Żelazny Most” taką funkcję z dużym powodzeniem spełnia zintegrowany system informatyczny SyZeM (System Żelazny Most) oparty na profesjonalnej, relacyjno-obiektowej bazie danych firmy Oracle, która jest zintegrowana z mapą numeryczną rejonu składowiska, utworzoną w środowisku Micro- Station [3], (rys. 5). Baza ta gromadzi wszystkie dane pomiarowe pozyskiwane przez system monitoringu oraz zawiera wszelkie informacje techniczne dotyczące obiektu. System SyZeM został zaprojektowany jako system informacji przestrzennej wykorzystujący atrybuty systemu GIS, pozwalające na łączenie informacji graficznej zawartej w mapie obiektowej z informacją opisową zgromadzoną w bazie danych. Dzięki wbudowanym aplikacjom dedykowanym obiektowi umożliwia on szybki dostęp do pojedynczej danej, co pozwala na praktycznie natychmiastową ocenę stanu bezpieczeństwa oraz potencjalnego stopnia zagrożenia poszczególnych elementów obiektu.
Obecnie w bazie zgromadzone są informacje z ponad 16 tys. różnego typu punktów pomiarów, z których istotna część jest wyposażona w automatyczne czujniki pomiaru, co sprawia, że w każdej chwili do systemu wprowadzana jest duża liczba danych.
Dla newralgicznych z punktu widzenia bezpieczeństwa obiektu urządzeń pomiarowych (piezometry, repery, stacje sejsmiczne) wyznaczono tzw. progi ostrzegawcze i alarmowe pozwalające na bieżącą identyfikację niekorzystnych zjawisk i procesów zachodzących w obiekcie oraz natychmiastowe powiadamianie odpowiednich służb o występującym zagrożeniu. Jest to
istotny element bieżącej kontroli stanu bezpieczeństwa obiektu.
Podsumowanie
W pracy przedstawiono i w skrócie omówiono zasadnicze elementy systemu monitoringu zainstalowanego na Obiekcie Unieszkodliwiania Odpadów Wydobywczych „Żelazny Most”, jedynego miejsca deponowania odpadów dla całego zagłębia miedziowego. System ten wykorzystuje nowoczesne urządzenia oraz metody pomiarowe umożliwiające szybką identyfikację potencjalnych zagrożeń mających wpływ na bezpieczeństwo obiektu. Niezbędnym wsparciem systemu monitoringu jest wydajna, profesjonalna baza danych zintegrowana z systemem informacji przestrzennej GIS.
Istotną rolę w ocenie stanu bezpieczeństwa obiektu odgrywa odpowiednie utrzymanie urządzeń monitorujących zachowanie się obiektu, sposób prowadzenia pomiarów oraz porządkowania i zarządzania danymi pozyskiwanymi z takiego systemu. Jest to szczególnie istotne, gdy się ma do czynienia z olbrzymim obiektem hydrotechnicznym, a do takich właśnie należy OUOW „Żelazny Most”. Jego właściwa kontrola i bezpieczna eksploatacja, jak też skomplikowana budowa geologiczna podłoża wymagają instalowania bardzo dużych ilości aparatury kontrolno- pomiarowej. Wraz z rosnącą liczbą urządzeń pomiarowych rośnie rola właściwej asymilacji oraz interpretacji wyników pomiarów.
Dlatego ze względu na ilość i jakość zainstalowanej aparatury kontrolno- pomiarowej, kompleksowość i wielość monitorowanych zjawisk i procesów, a także sposób akwizycji i przetwarzania danych pomiarowych można z pełną odpowiedzialnością powiedzieć, że system monitoringu OUOW „Żelazny Most” stanowi rodzaj wzorca dla innych obiektów hydrotechnicznych w kraju i na świecie.
Waldemar Świdziński
Instytut Budownictwa Wodnego PAN, Gdańsk
Krzysztof Janicki
KGHM Polska Miedź S.A. Oddział Zakład Hydrotechniczny Rudna
Zdjęcia z archiwum O/ZH KGHM Polska Miedź S.A.
Literatura
1. M. Jamiolkowski, Soil mechanics and the observational method: challenges at the Zelazny Most copper tailings disposal facility, „Geotechnique” 64, No. 8, 2014.
2. P. Stefanek, D. Romaniuk, Zastosowanie monitoringu geotechnicznego i środowiskowego na OUOW Żelazny Most, „Inżynieria Morska i Geotechnika” nr 3/2015.
3. W. Świdziński, K. Janicki, A. Krzysik, Profesjonalne bazy danych jako niezbędne narzędzie do bezpiecznego projektowaniai eksploatacji dużych obiektów hydrotechnicznych na przykładzie składowiska Żelazny Most”, Zeszyty Naukowe Politechniki Gdańskiej, „Budownictwo Lądowe” nr 57, Krynica 2006.
4. W. Świdziński, W. Tschuschke, W. Świerczyński, W. Wolski, Obiekt Unieszkodliwiania Odpadów Wydobywczych „Żelazny Most” – olbrzymie wyzwanie geotechniczne, „Inżynieria Morska i Geotechnika” nr 3/2015.
