3.2. Опыт использования шпунтовых барьерных стен для локализации отходов и герметизации загрязненных участков на

территории Австрии

Для локализации распространения загрязняющих веществ из мест за­ хоронения отходов и резервуаров аккумуляции стоков обычно применяются различные виды вертикальных стен. Шпунтовые траншейные стены (тип фундамента "стена в грунте") и шпунтовые стены с вибрационными сердеч­ никами являются наиболее распространенным типом фундамента для пер­ манентного ограждения. В то время как тип фундамента "стена в грунте" может достигать глубины 150 м и более, глубина шпунтовых стен с вибра­ ционными сердечниками ограничивается примерно 35 м.

Шпунтовые стены с вибрационными сердечниками очень просты в ус­ тановке, кроме того, они намного дешевле стандартных шпунтовых тран­ шейных стен (в настоящее время это соотношение составляет примерно 1:5 по отношению к двухфазной траншейной шпунтовой стене толщиной 0,6 м). Соответствующая уплотнительная смесь заливается во время извле­ чения Н-сердечника. Теоретическая минимальная толщина стены, равная d > 5 до 8 см (тонкие литые стены), на практике часто превышает это значе­ ние (d > 10-25 см) в зависимости от давления при заливке, плотности рас­ твора и окружающего грунта. Для плотного грунта применяется технология струйной заливки вибрационной балки.

Основными компонентами шпунтовых стен являются вода, гидравли­ ческие вяжущие растворы (в основном цемент, зольная пыль, доменный шлак), глина или грунт, гранульные составы, щебень и некоторые добавки. Смесь, пройдя тщательное испытание на пригодность, должна соответство­ вать специфическим требованиям по её применению. Для того чтобы до­ стичь очень низкой проницаемости устраиваемого барьера, обычно исполь­ зуется бентонит. В целях укрепления устойчивости барьера против различ­ ного вида химического проникновения используются универсальные мине­ ралогические смеси, испытания которых подтвердили высокую степень их надежности.

Коэффициент безопасности и запас прочности предлагаемых барьер­ ных систем может быть значительно увеличен, если герметизация отходов или резервуара производится двумя параллельными стенами, соединенны­ ми поперечными перемычками в определенных продольных интервалах.

Для того чтобы проверить удобоукладываемость и прочность бенто­ нитной суспензии (для двухфазных шпунтовых траншейных стен) или све­ жей уплотнительной смеси однофазной шпунтовой стены, следует опреде­ лить реологические характеристики:

время Марша (время течения смеси); водоотдачу;

•предел текучести (вязкость);

•значение pH;

плотность.

В современной геотехнике шпунтовые стены с вибрационными сердеч­ никами все больше заменяют традиционный тип фундамента "стена в грун­ те". Поэтому на основании серии многочисленных тестов по этой системе были взяты следующие смеси (на 1 м3 смеси):

а) "традиционная" смесь: 33 кг бентонита, 180 шлакопортландцемента, 770 кг известкового порошка, 630 воды;

б) частично готовая составная смесь (использовалась двумя подрядчи­ ками-строителями на одной и той же строительной площадке): 126 кг гото­ вой смеси (Solidur 274С), 526 кг известкового порошка, 763 кг воды.

Solidur 274С представляет собой сухую составную смесь, содержащую цемент, доменный шлак и глину (в основном Na -бентонит), что обеспечи­ вает ее высокую удобоукладываемость.

Проведенные исследования свойств смесей в стенах показали большее рассеивание свойств шлама на строительной площадке, чем в лабораторных условиях. В строительной практике широкое рассеивание наблюдалось в том случае, если оператор смесительной установки добавлял больше воды, чтобы повысить удобоукладываемость. В свою очередь, это может привес­ ти к образованию слишком жидкого раствора, а следовательно, к снижению качества барьера.

Смеси высокопластичного жидкого цементного теста демонстрируют высокую водоотдачу. Но это может привести к неустойчивости траншеи или низкому качеству барьера.

Другой очень быстрый и легко осуществимый тест на удобоукладыва­ емость и поведение при затвердевании смеси - тест Марша, который опре­ деляет время течения смеси из вискозиметра (воронки) Марша.

Следует отметить, что реологические параметры жидкого цементного теста зависят не только от вида, качества и доли его компонентов, но и от некоторых других факторов:

•однородности компонентов;

•возраста составных смесей, используемых в качестве отдельных ком­ понентов всей смеси;

•технологии, оборудования и интенсивности смешивания;

•возраста шлама;

•температуры.

Суммируя вышесказанное, следует отметить, что реологические тесты не позволяют выявить абсолютные значения сопротивления сдвигу или вяз­ кости, но являются неотъемлемой частью контроля качества свежего жидко­ го цементного теста. Соответственно, они должны рассматриваться в каче­ стве одного из способов определения строительных свойств грунта.

Гидравлическая проницаемость является основной характеристикой шпунтовых стен. Испытания на соответствие требуют довольно большого количества образцов для того, чтобы определить влияние таких доминиру­ ющих параметров, как состав бентонита, марку и количественное соотно­ шение цемента, время выдержки и т.д. Они должны быть приготовлены не только с добавлением воды, но и специальных тестовых жидкостей. Гидрав­ лический градиент должен составлять / > 30. При проведении испытаний на пригодность для разработанных соответствующих смесей следует прини­ мать во внимание также и свойства грунтовых вод. Некоторые загрязните­ ли, например, цинк, могут существенно затруднять или даже препятство­ вать процессу затвердевания шпунтовых стен с вибрационными сердечни­ ками. В таких случаях необходимо использовать тип фундамента “стена в грунте” со специальными смесями. Как показывает опыт, удельная гидрав­ лическая проницаемость разработанных соответствующим образом и точно построенных шпунтовых стен со временем уменьшается. На некоторых строительных площадках в период наблюдения от 3 до 15 лет было отмече­ но долговременное уменьшение проницаемости.

Удовлетворительное долговременное поведение шпунтовых стен, под­ верженных воздействию загрязненных грунтовых вод, может быть объясне­ но постепенным изменением свойств минералов (например, ионообменом) и другими характеристиками (например, закрытие пустот в стене). Более то­ го, защитный слой развивается на боковой поверхности шпунтовых стен. В случае с муниципальными отходами это покрытие содержит органический шлам.

Правильно смонтированные шпунтовые стены с вибрационными сер­ дечниками демонстрируют удовлетворительное долговременное поведение, несмотря на их тонкую конструкцию, что подтверждается испытаниями об­ разцов грунта и долговременного мониторинга. В качестве примера в 1995 г. были произведены испытания грунта классической шпунтовой стены с вибрационными сердечниками (цемент + бентонит + мелкий щебень), пост­ роенной в 1973 г. Несмотря на низкую плотность материала стены, pd= 0,48-0,73 т/м3 (среднее значение 0,64 т/м3), проницаемость составляла примерно Kf = 5x10- 9 м/с, предел прочности при сжатии [ож] = 0,25-1,05 МПа (среднее значение [аж] = 0,65 МПа). Разброс значений был вызван главным образом неоднородностью окружающего грунта, т.е. песчаным гра­ вием с песчано-илистым промежуточным слоем.

Прочность на сжатие правильно сконструированной шпунтовой стены должна быть, по крайней мере, идентичной прочности окружающего грун­ та, но не слишком высокой. Конструкция должна быть пластичной, в случае деформации стены исключается появление трещин и изломов.

Для испытания на прочность материала шпунтовых стен необходимы испытания образцов из пробуренных скважин, которые могут указать на ло­ кальное разрушение стены. Поэтому был разработан новый метод: модифи­

цированный тест при помощи ударного прибора, благодаря которому стало возможным очень быстрое, дешевое и неразрушающее исследование конст­ рукции шпунтовой стены (рис. 3.1). Эта идея основана на опыте, проведен­ ном при помощи испытания ударным прибором Шмидта, который зареко­ мендовал себя очень надежным для проведения исследований бетонных смесей и горных пород. Для шпунтовых стен тестовый прибор необходимо было модифицировать, установив ударную часть большой площадью охва­ та. Данный ударный прибор может быть использован на вертикальных, го­ ризонтальных и наклонных плоскостях.

Рис.3.1. Ударный прибор для неразрушающего испытания на однородность и прочность затвердевших шпунтовых стен в условиях строительной площадки

Качество шпунтовых барьерных стен, особенно стен с вибрационными сердечниками, зависит не только от свойств жидкого цементного теста, но и от других факторов:

•характеристики окружающего грунта;

•глубины и ширины шпунтовой стены;

•технологии установки;

•характеристики вибрационного сердечника;

•вибрационных характеристик (особенно амплитуды, ускорения, ско­ рости оборотов в минуту);

•скорости изъятия балки во время заливки шлама;

•давления заливки;

•профессионального опыта персонала.

Поскольку процесс установки оказывает огромное влияние на качество шпунтовых стен с вибрационными сердечниками, все соответствующие па­ раметры должны регистрироваться в течение установки и изъятия сердеч­ ника. Кроме того, на строительных площадках должны проводиться испы­ тания в целях оптимизации конструкционных деталей.

В плотном или сцементированном грунте, а также в пласте с валунами ограничивают применение традиционных стен с вибрационными сердечни­ ками. Для грунта с большим количеством пустот перед устройством шпун­ товых стен рекомендуется проводить предварительную заливку.

Вцелях защиты окружающей среды заниматься устройством шпунто­ вых стен должны только опытные подрядчики-строители. Конечный резуль­ тат - это низкая проницаемость и высокая устойчивость на предмет разру­ шения от химического воздействия.

Втабл.3.1 в качестве примера показаны различные реологические ха­ рактеристики, рекомендуемые для материала шпунтовой стены, которые во многом зависят от компонентов смесей. При установке шпунтовой стены с вибрационными сердечниками в мягкий глинистый или илистый грунт ко­ эффициент водоотдачи не должен превышать 50 - 60 мл. Кроме того, следу­ ет отметить, что реологическое поведение жидкого цементного теста зави­ сит еще и от температуры.

Установка Н-сердечников в тонких шпунтовых стенах в плотном или даже в цементированном грунте может привести к проблемам, связанным с устойчивостью жидкого цементного теста. Испытания, проведенные на площадке, показали, что длительные периоды нагружения стен в плотном грунте приводят к возникновению значительного теплообразования. Это может дестабилизировать жидкое цементное тесто (в зависимости от его смесей) и повысить значения водопроницаемости шпунтовой стены.

Предел текучести цементного теста увеличивается с температурой. На площадке во время установки сердечника в плотный грунт температура мо­ жет колебаться от 60 до 80 °С. Слишком высокие значения предела текуче­ сти приводят к значительному снижению удобоукладываемости свежего це­ ментного теста, а следовательно, и более низкому качеству шпунтовой сте­ ны.

Подобные выводы можно сделать и при проверке водоотдачи: высокая температура может привести к чрезмерной водоотдаче, а следовательно, к достаточно высокой степени водопроницаемости шпунтовой стены. В ос­ новном высокая рабочая температура увеличивает хрупкость и снижает прочность затвердевшего шлама. С другой стороны, низкая температура препятствует процессу затвердевания свежего шлама.

Следовательно, работы в зимнее время года при температуре ниже +5 °С могут быть проблематичными. Наконец, следует отметить, что темпе­ ратура грунта значительно ниже, чем обычная температура при испытаниях +20 °С. Во многих регионах температура грунтовых вод на глубине от 3 до 30 м ниже, чем на поверхности, и составляет только +8... 12 °С даже в лет­ ний период. Следовательно, процесс затвердевания и барьерный эффект

проходят значительно медленнее, чем в лабораторных условиях. В случае с однофазными "стенами в грунте" низкая температура грунтовых вод увели­ чивает удобоукладываемость и замедляет процесс схватывания. Это являет­ ся бесспорным преимуществом во время строительства, но, с другой сторо­ ны, приводит к снижению эффективности шпунтовой стены. В основном низкая температура уменьшает коэффициент усадки жидкого цементного теста, что приводит к увеличению водопроницаемости барьерной системы, несмотря на замедленный процесс твердения.

Плотность уплотнительной массы цементного теста также должна со­ ответствовать каждой конкретной строительной технологии и конкретному проекту шпунтовой стены. Высокая плотность, низкое отношение объема пустот к объему цемента и водопроницаемости снижают процесс диффузии и повышают химическую сопротивляемость барьера. В случае песчано-гли­ нистого грунта плотность свежего шлама р должна быть не менее 1,6 т/м3.

Затвердевшее цементное тесто должно иметь сухую плотность порядка pd > 0,95 т/м3 для шламовых стен с вибрационными сердечниками, pd > 1,60 т/м3 для двухфазных “стен в грунте”

Сравнительные испытания показали, что плотность затвердевших шпунтовых стен на площадке обычно выше, чем образцов, которые были выдержаны в лабораторных условиях. Это можно объяснить самой проце­ дурой установки, частицами грунта, попавшими в свежий шлам.

Такие качества, как высокая концентрация частиц грунта, высокая плотность и низкая пористость обычно рекомендуются при сильнозагрязненной почве, поскольку это повышает устойчивость к разрушению и эф­ фективность барьера от загрязнения химическими элементами. Кроме того, сопротивляемость низкопористых стен химическому воздействию более высокая.

При расчете гидравлической проводимости шпунтовых стен во внима­ ние обязательно должна приниматься толщина и конструкция барьера. На­ пример, система ячеистого барьера шпунтовых стен с вибрационными сер­ дечниками позволяет обеспечить более высокую степень прочности и на­ дежности, чем традиционный тип фундамента “стена в грунте” Ширина стены является предметом выбора подрядчика-строителя (в соответствии с его оборудованием) до тех пор, пока не будет доминировать какой-либо дру­ гой важнейший критерий.

Испытания на проницаемость должны выполняться при гидравличес­ ком градиенте i > 30 и продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто стационарное состояние. Если необходимо получить быстрые результаты, то предпочтительнее использовать достаточно свежие образцы (например 7- дневной выдержки). В этом случае необходимое значение коэффициента фильтрации Kj-можно получить в течение 90 дней со дня проведения испы­ тания на проницаемость (в соответствии с процессом самозатвердевания раствора). Для того чтобы обеспечить необходимый уровень устойчивости

знания об опасности захороненных веществ - также причины возникнове­ ния сегодняшней ситуации. Кроме того, на протяжении десятилетий пере­ оценивалась сила самоочищения водоемов и почвы. Очищение от этих “эко­ логических грехов” прошлого, а следовательно, обеспечение безопасности и санация захоронений представляют собой не только вызов науке и техни­ ке, но и должны также быть обязательством общества перед следующими поколениями. Для решения этой проблемы сегодня используются знания из многих естественных и технических областей:

-коммунальное хозяйство;

-химия и микробиология;

-технология производственных процессов;

-геотехника (земляные работы, механика грунтов и горных пород, под­ земные работы);

-геология, включая гидрогеологию, минералогию глинистых пород и т.п. и геофизику;

-водное хозяйство, охватывающее гидрологию, гидрогеологию, гид­ равлику грунтовых вод и т.п.;

-приборостроение;

-инженерное строительство (в особенности при резервуарных захоро­ нениях для промежуточного хранения зараженных отходов или почвы).

При установке допустимых предельных значений загрязнения вредны­ ми веществами большую роль играют также и гигиено-медицинские аспек­ ты. Хранилище отходов отнюдь не должно представлять собой “захороне­ ние” в узком смысле этого слова. Прежде всего при поиске места для распо­ ложения новых захоронений или установок для сжигания (например, для обработки зараженного материала из захоронений) важными вопросами становятся также охрана окружающей среды, транспортная политика и ме­ теорология.

Тесная взаимосвязь отдельных дисциплин и научная координация при этом не просто желательны, но необходимы.

3.3.1. Способы санации участков, подверженных заражению

Гидравлические методы могут быть активными или пассивными. В первом случае загрязненные грунтовые воды собираются и очищаются (рис.3.2).

В качестве оборудования для сбора загрязненных вод служат в первую очередь водосборные колодцы, которые должны располагаться по центру и в критических зонах загрязненных площадей. Возможны также водоотвод­ ные шахты, открытые канавы и дренажные канавы (например, для воды на склонах).

Пассивные методы представляют в первую очередь заградительные ко­ лодцы, которые в потоке грунтовых вод устанавливаются выше или ниже 73

1рязнения с помощью пены (применяется до глубины 0,4 м) и земледельче­ ский метод (применяется до глубины 2 м).

При “пенном” методе на вредные вещества наносятся в виде экологи­ чески безопасной пены специально выращенные микроорганизмы, обога­ щенные питательными веществами и поверхностно-активными добавками. При земледельческом методе загрязненный грунт сначала вынимается и очищается. Внесение микроорганизмов осуществляется затем посредством орошения или распыления смесей биологически активных веществ.

Химические методы используются преимущественно вместе с гид­ равлическими методами, реже вместе с укреплением грунта. Суть метода - уничтожение вредных веществ с помощью химикатов. Растворенные веще­ ства затем откачиваются вместе с грунтовыми водами. Так, например, при загрязнении кадмием в твердой фазе может быть достигнута Cd-размобили- зация посредством инфильтрации подкисленной воды. Условиями очищаю­ щего эффекта являются высокая фильтрационная способность и по возмож­ ности однородная структура грунта. Связные промежуточные слои значи­ тельно снижают эффективность.

Термические методы обработки загрязненного грунта только начина­ ют разрабатываться и используются лишь в особых случаях. В пробуренные на расстоянии 1-2 м скважины вводятся специальные горелки, действующие как трубки теплового излучения. Подводятся горючий газ и воздух для го­ рения топлива, отработанный газ отводится через тягодутьевой компрессор для очистки. При нагревании почвы освобождаются дистиллируемые веще­ ства, например, бензол, толуол или ксилол, которые собираются и утилизу­ ются в специальных установках.

3.3.2. Перемещение и обработка отходов

При перемещении отходы и загрязненная почва вынимаются. В зависи­ мости от степени опасности захоронений и геотехнических или гидрогеоло­ гических характеристик грунта извлеченный материал отвозится на соответ­ ствующее хранилище отходов или сначала обрабатывается. Новое захороне­ ние осуществляется только после надлежащей обработки отходов и уплот­ нения грунта. Методы обработки могут включать и полное устранение или уничтожение вредных веществ. Строительство промежуточных складов не­ обходимо, если производительность обрабатывающей установки невелика.

Перемещение используется в тех случаях, когда другие мероприятия технически невозможны или несоразмерно дороги. При наличии больших объемов неоднородных отходов рекомендуется сооружение установок по их сортировке и уничтожению. Перемещение захоронений может быть связано с серьезной опасностью и поэтому требует достаточно дорогостоящих ме­ роприятий по обеспечению безопасности и охраны труда. Следует избегать раскрытия обширного пласта грунтов, загрязненных прежде всего жидкими вредными веществами. Раньше отходы сваливались в котлованы, достигаю76

щие по глубине уровня грунтовых вод, и поэтому находящиеся непосредст­ венно под ними грунты бывают очень сильно загрязнены. Для эффективной санации необходима также выемка и этого грунта, что обычно связано с вре­ менным понижением уровня воды.

Стабилизация и укрепление. Стабилизация - классический способ обработки отходов, соединяющий методы химии и земляных работ. При этом загрязненный грунт или вообще материал, содержащий вредные веще­ ства, смешивается с различными добавками, чтобы по возможности нейтра­ лизовать или связать вредные вещества. Кроме того, для улучшения резуль­ тата зачастую используется укрепление. В зависимости от характеристик отходов речь идет о цементе, жидком стекле, извести, пуццолане, гипсе, термопласте и т.п.

Шлак, зола и пыль из фильтров электростанций и из установок для сжигания мусора могут при определенных условиях использоваться в каче­ стве добавок к строительным материалам на основе цемента при строитель­ стве дорог и плотин. Это предполагает долговечную химическую и адсор­ бированную связь экологически важных компонентов. Особое значение сле­ дует уделять интенсивному уплотнению укрепленного “вторичного вещест­ ва”. При уменьшении проницаемости структуры снижается также и степень выщелачиваемости. Наряду с тяжелыми металлами связываются также хло­ риды и сульфаты.

Качество стабилизированных или укрепленных отходов должно быть проверено. Наряду с химической или адсорбированной связью вредных ве­ ществ значение для долговременной устойчивости и сопротивления выще­ лачиванию имеет плотность структуры.

Термическая обработка. В процессе термической обработки заражен­ ный материал нагревается до такой степени, пока жидкие вредные вещест­ ва не начнут испаряться (200-400 °С) или вообще не сгорят (800-1300 °С). При сжигании любых органических субстанций температура не является главным критерием, большее значение имеет система сжигания (условия сгорания, геометрические параметры топочного пространства и камеры сжигания). В настоящее время предпочтение отдается полному сжиганию вредных веществ, что требует очень высоких температур. К способам тер­ мической обработки относятся сушка, дистилляция, дегазация и сжигание. При этом конечными продуктами прежде всего являются отфильтрованная пыль - при очистке газа от пыли, остаточные вещества - при газоочистке, и обожженный грунт или отходный материал. Для сжигания используются в основном:

-вращающиеся трубчатые печи (преимущественно для твердых отхо­ дов, а также для жидких и пастообразных веществ);

-системы сжигания в вихревой топке (для шлама и мелкозернистых веществ);

-системы с механической цепной колосниковой решеткой.

Температура сжигания во вращающейся трубчатой печи устанавлива­ ется в зависимости от типа подлежащего обработке материала. При сжига­ нии некоторых видов отходов температура достигает 800-900 °С.

При обработке материалов, загрязненных хлоруглеводородом и в осо­ бенности полихлорированным бифениленом, газы, выходящие из вращаю­ щейся трубчатой печи, должны дожигаться при 1200 °С. Теплосодержание горячих отработанных газов целенаправленно используется для производ­ ства пара.

Применение систем сжигания в вихревой топке связано прежде всего со следующими условиями:

материал не должен размягчаться при температуре обработки 950-1100 °С; - разрушение зерен материала не должно влиять на структуру вихре­ вого слоя.

Большие объемы грунта, содержащего вредные вещества, могут терми­ чески обрабатываться в агломерационной установке или, после грануляции, на механической цепной колосниковой решетке. Особенность агломерации заключается в обработке материала при температуре 1110-13000С. При этом не только полностью выжигаются органические ингредиенты и улету­ чиваются такие металлы, как ртуть, кадмий и, при определенных условиях, цинк и сера, но материал поверхностно оплавляется и агломерируется. Не улетучиваются цветные металлы, так как они связаны в материале в виде волокон и силиката и больше не выщелачиваются.

Промывка грунта принадлежит к экстракционным методам, которые прежде всего подходят для грунта, загрязненного, например, маслами и рас­ творителями. В процессе промывки вредные вещества отделяются от грун­ та. В зависимости от экстракционного метода они концентрируются или в экстрагентах (моющих растворах), или в отделенном мелком шламе и отра­ ботанном воздухе. В качестве экстрагента в основном используются вода с химикатами (поверхностно-активными веществами, кислотами, щелочами и т.п.), быстроиспаряющиеся органические растворители, специальные хо­ лодные очистители и т.д. Для повышения эффективности или для миними­ зации добавлений химикатов в отдельных методах дополнительно исполь­ зуется механическая обработка.

Устранение вредных веществ требует современных технологий очист­ ки сточных вод и отработанных газов. При экстракционном методе часть моющего раствора или экстрагента остается в обработанном грунте. В ходе изменения состава гранул грунта изменяются и их физические характерис­ тики.

Согласно методу промывки почвы при высоком давлении, вредные ве­ щества, закрепляющиеся за гранулами грунта, отделяются с помощью струй воды в специальной струйной трубе. При давлении в насадке до 350

атм достигается такой высокий очищающий эффект, что можно отказаться от использования моющих химикатов. Кроме того, в закрытой струйной трубе возникает пониженное давление, вследствие чего вместе с почвой всасывается большое количество воздуха, что положительно влияет на эф­ фект отделения. Вредные вещества загрязненной почвы при этом переходят в жидкую или газообразную фазу, в которой они легче обрабатываются; по­ сле процесса промывки они остаются на фильтре в виде осадка.

Микробиологическая обработка может рассматриваться как самое чистое экологическое решение. В этом направлении сейчас ведется много исследований. При этом методе микроорганизмы и биологические вещест­ ва соединяются с загрязненным материалом. Микробиологическая обработ­ ка подходит лучше всего для.масел, фенола, бензола и грунта, загрязненно­ го органическими компонентами от газовых и коксовых установок. В про­ цессе очистки вредные вещества нейтрализуются. Другой способ образуют так называемые регенеративные бурты. Для этого загрязненный материал смешивается со специальными микроорганизмами, а также субстанцияминосителями (адсорбантами) и укладывается слоями в форме “сэндвича”, пе­ ремежаясь с вентиляционными слоями. С помощью оросительной установ­ ки могут добавляться жидкие растворы, питательные соли, рН-регулирую- щие соединения и другие микроорганизмы. Таким образом создается биоре­ актор.

Предварительно обработанная специальная субстанция-носитель вы­ полняет несколько задач :

-адсорбирует загрязняющие вещества и увеличивает поверхность для микробиологического расщепления;

-повышает водо- и воздухопроницаемость смеси;

-повышает опорную способность контамината и метаболитов, что оз­ начает минимизацию вымывания вредных веществ.

Такие вещества, как питательные соли, влияющие на окружающую среду и регулирующие кислотность соединения, наносят либо непосредст­ венно на субстанцию-носитель, либо дозированно добавляют в процессе смешивания.

Рассмотренные методы обработки загрязненного грунта, во-первых, требуют очень больших финансовых и трудовых затрат и подходят только для определенных видов почвы (с большим коэффициентом фильтрации Kj). Для загрязненных трещиноватых скальных пород они не подходят. Вовторых, особые проблемы возникают при наличии смеси вредных веществ,

атакже при концентрациях вредных веществ, сильно отличающихся во вре­ менном и территориальном отношении. Органические загрязнения, напри­ мер, препятствуют очистке почвы от хлорированного углеводорода с помо­ щью активированного угля. Финансовые расходы при использовании этих методов сильно увеличиваются, если остаточная контаминация должна рав­ няться “нулю” В-третьих, все указанные технологии еще не до конца про­

работаны, поэтому они зачастую имеют противоречащие друг другу оцен­ ки. Обобщения здесь невозможны. Во всяком случае, от целенаправленной международной исследовательской деятельности можно постоянно ожи­ дать новых разработок. Акценты при этом делаются на термические и би­ ологические методы санации и на капсуляции. При сильных загрязнениях на уровне грунтовых вод речь может идти только о гидравлических меро­ приятиях.

С точки зрения затрат в настоящее время более выгодны методы мест­ ной переработки загрязненного материала. Преимущество их в том, что об­ работка загрязненного материала может контролироваться. Значительное уменьшение объема отходов при сжигании оценивается особенно положи­ тельно. Закрепление отходов и загрязненного грунта с помощью вяжущих материалов должно ограничиваться случаями, когда структура отходов от­ носительно равномерна. Могут использоваться и различные комбинации от­ дельных методов и промышленная обработка нового сырья (“вторичное сы­ рье”). Например, отработанный шлам портов не может больше промышлен­ но использоваться в промышленных зонах Европы вследствие высокого со­ держания вредных веществ, а количество шлама, вынимаемого при очистке судоходных путей, огромно. Так, из водных путей Германии в 1982 г. было вынуто шлама 48 млн.м3. В Германии был разработан метод, прошедший уже технические испытания, суть которого в том, что загрязненные осадоч­ ные отложения после термической очистки служат для производства легко­ го наполнителя, похожего на керамзитовый бетон, который в дальнейшем перерабатывается в теплоизоляционный строительный материал.

3.3.3.Вертикальные ограждающие стены

Втечение десятилетий сооружение вертикальных ограждающих (изо­ ляционных) стен предусматривалось в основном в гидротехническом стро­ ительстве и при ограждении котлованов. Ограждение захоронений или про­ мышленных установок, загрязняющих сточные воды, представляет еще од­ ну сферу применения уже давно проверенных технологий.

Принцип ограждения заключается в том, что вертикальные изоляцион­ ные стены связываются в естественную преграду для грунтовых вод или в искусственно созданные изоляционные ярусы (рис.3.4).

На рис.3.5 представлены различные методы создания изоляционных стен, причем приоритет однозначно отдается узким и шпунтовым стенам для долговременных захоронений. Доступная или технически целесообраз­ ная глубина таких изоляционных стен зависит от следующих факторов:

-характеристики грунта;

-мощности устройства;

-способов введения отдельных элементов в грунт;

-толщины стены.

Несмотря на то, что, например, пересекающиеся свайные буровые сте­ ны при определенных характеристиках грунта могут устраиваться до глуби­ ны 40-50 м, безупречное пересечение отдельных частей свай на такой глу­ бине обеспечить невозможно. Толщина инжекционных и промораживаю­ щих стен определяется в основном введением инжекционных трубок. По­ средством создания нескольких скважин можно отчасти компенсировать не­ точность при таких измерениях и производить изоляционные стены почти любой толщины. Но очень широкие инъекционные завесы неэкономичны. В настоящее время в качестве изоляционных стен на глубине свыше 50 м ис­ пользуются практически только шпунтовые стены толщиной максимум 80 см, выполненные гидрофрезой.

Характеристики грунта также сильно влияют на фактическую толщину реактивноструйных, инжекционных и узких стен. В рыхлой гальке гермети­ зирующий состав распространяется гораздо лучше, чем, например, в вязком иле. Для промораживающих стен важную роль играют скорость течения и температура грунтовых вод.

Если внутри участка свалки снизить уровень грунтовых вод, то толщи­ на стены даже в несколько дециметров будет достаточной, чтобы предотв­ ратить утечку вредных веществ.

Шпунтовые стены используются только как временная, краткосроч­ ная защита.

Преимущества:

-шпунтины извлекаются, т.е. могут быть повторно использованы;

-быстрая и экономичная работа.

Недостатки:

-зачастую плохие изолирующие функции;

-шпунт на определенной глубине подвержен коррозии.

Стены из промороженного грунта. Как и при шпунтовых стенах, речь здесь идет только о краткосрочной немедленной защите (рис.3.6). С времен­ но огражденной загрязненной территории грунт должен удаляться как мож­ но быстрее.

Для создания изоляционных стен посредством промораживания грунта в почву вводятся холодильные трубки, в которые подается хладагент (от -Ю до -20 °С). При сильном течении грунтовых вод или при ограниченности времени хорошо зарекомендовало себя применение однофазовой системы с жидким азотом (-100 °С).

Преимущества:

-в почве не остается никаких конструктивных частей, после тзянин имеем первоначальное состояние грунта;

-возможно достаточно быстрое ограждение в любом грунте и любы* отходов;

-иммобилизация вредных веществ также и в газообразной фазе.

Недостатки:

-ограниченная глубина введения сердечника;

-в очень слабом грунте узкие стены во время сооружения могут сжать­ ся вследствие высокого бокового давления окружающего грунта, изоляци­ онная функция при этом утрачивается;

-устройство возможно только на легко уплотняемой почве.

Свайно-профильные изоляционные стены из грунтоцемента. Эта изолирующая стена имеет те же преимущества, что и стены большой тол­ щины, и, кроме того, применим метод вытеснения грунта без экскавации. Однако в этом случае возникает та же проблема, которую приходится ре­ шать при ограждении захоронений по обычной технологии шпунтовых стен: грунт, извлеченный с краев захоронения, также может быть заражен настолько, что должен обрабатываться как особые отходы.

При создании свайно-профильных изолирующих стен из грунтоцемен­ та вытеснение грунта происходит с помощью введения закрытого снизу ко­ робчатого профиля (составные коробчатые шпунтовые сваи). Свайные эле­ менты по острию заканчиваются водонепроницаемыми разборными плас­ тинами и вводятся вертикально. После укладки грунтоцемента в сухой ко­ робчатый профиль свайный элемент вынимается с помощью буровой виб­ роштанги и происходит уплотнение. Цементогрунт состоит из заполнителей (песок, гравий), цемента, бентонита, наполнителей (например, известняко­ вой муки) и воды. Его состав соответствует специфическим требованиям проекта.

3.3.4. Правовые аспекты вопросов по захоронению отходов

“Захоронение отходов” - это понятие, до сих пор не определенное дей­ ствующим законодательством. Также не существует пока единого законода­ тельного правового обоснования для других случаев захоронений. Для кон­ троля, санации или обеспечения безопасности старых захоронений и зара­ женных площадей должны использоваться многочисленные правовые инст­ рументы. В первую очередь это вопросы, касающиеся окружающей среды и разработки недр. В зависимости от того, какой метод санации захоронения будет избран в каждом отдельном случае, следует ожидать различных пра­ вовых проблем. Вначале следует проверить достаточность правовых осно­ ваний для заказа по строительству. С этим связан и вопрос о том, кто обязан осуществлять мероприятия по санации. Согласно §31 Закона Австрийской Республики, регулирующего использование водных ресурсов (WRG) от 1959 г., это тот, кто не соблюдал необходимой добросовестности по захоро­ нению отходов. Понятие “необходимая добросовестность” раньше коммен­ тировалось более мягко, чем сегодня, т.к. не было точных знаний о потенци­ альной опасности захоронений и переоценивалась способность почвы к са­

моочищению. Поэтому очень проблематично юридически обязать бывших владельцев захоронений осуществлять мероприятия по санации отходов. Хотя, согласно §33 п.2 WRG от 1959 г., требования о проведении санации были даны, но касались только отходов, складированных согласно получен­ ному разрешению, и предусматривали минимальные мероприятия по сана­ ции и обеспечению безопасности. Что является возможным, а что мини­ мальным, должен установить административный суд в ходе соответствую­ щей проверки. Возможность принуждения к осуществлению проектов по санации или обеспечению безопасности появляется очень редко, т.к., как правило, не хватает предпосылок для использования принудительного пра­ ва (например, согласно §63 WRG от 1959 г.).

На осуществление различных мероприятий по санации и обеспечению безопасности необходимо получение различных разрешений. Например, ог­ раничение изоляционными стенами требует разрешения на сохранение за­ хоронения, согласно §32 WRG от 1959 г. Для сооружения полного огражде­ ния, возможно, и не требуется получения разрешения согласно WRG, но не­ обходимо разрешение согласно действующему строительному праву Авст­ рийской Республики. На понижение уровня грунтовых вод согласно Закону, регулирующему использование водных ресурсов (WRG), так же, как и на применение любого метода очищения почвы, при котором наличествуют ос­ таточные вредные вещества, тоже требуется разрешение. Для эксплуатации очистных установок необходимо разрешение в рамках промыслового права, а для создания новых свалок, на которые перемещаются отходы со старых захоронений, необходимо разрешение на проведение строительства.

Большинство мероприятий по обеспечению безопасности требуют по­ стоянного контроля, хотя правового обеспечения таких мероприятий пока не существует.

При рассмотрении вопроса о сооружении захоронений необходимо учитывать историю их возникновения. Так, причины загрязнения воды мо­ гут быть различными (аварии, захоронения, промышленные предприятия) и возникать с разной скоростью (концентрированный одноразовый выброс вредных веществ или постепенное загрязнение). С правовой точки зрения важно также знать, осуществлялась ли свалка отходов в соответствии с за­ коном или без правового обеспечения. Хотя здесь законы и предлагают ре­ шения, но они все без исключения связаны с особыми правовыми пробле­ мами или юридически сомнительны. Сегодняшнего правового статуса явно недостаточно, чтобы решить проблему захоронений. Поэтому принятие За­ кона о санации захоронений или Закона о хранилищах отходов - это перво­ очередная политическая задача Австрийской Республики. При этом также должны быть предусмотрены принудительные требования по обеспечению безопасности или санации захоронений (вплоть до возможности экспропри­ ации имущества).

3.4. Опыт эксплуатации хранилища радиоактивных отходов во Франции

Франция, как и многие другие промышленные государства, сталкивает­ ся с проблемами хранения радиоактивных отходов, что требует учета дейст­ вующих юридических документов административными и научными органа­ ми.

Геотехника окружающей среды развивается значительными темпами, в частности, в области складирования отходов, в выборе систем постоянной защиты, обеспечивающих безопасность окружающей среды.

Основной целью строительства и эксплуатации хранилища радиоак­ тивных отходов является обеспечение незамедлительной и дифференциро­ ванной защиты людей и окружающей среды.

В период с 19 июня 1969 г. по 30 июля 1994 г. на центральное хранили­ ще радиоактивных отходов в районе Ла-Манша поступило 526650 м3 отхо­ дов слабой и средней степени активности, которые были складированы на территории примерно 12 га. Государственная служба по управлению радио­ активными отходами Франции приняла решение о закрытии центрального хранилища, что станет переходным периодом между фазой эксплуатации и фазой мониторинга. Работы по укладке купола хранилища и установке со­ ответствующих систем мониторинга выполнялись в течение 1990 - 1996 гг.

Радиоактивные отходы поступали в хранилище в специальных контей­ нерах, которые затем омоноличивались в специальные бетонные блоки и располагались в виде пирамид.

Во время заполнения хранилища пирамиды засыпались уплотненным слоем грунта. Пирамиды устанавливались на бетонную плиту, являющуюся основанием хранилища. Плита была выполнена из плотного гидротехниче­ ского бетона и служила водонепроницаемым экраном.

Грунты основания были представлены сланцами и песчаником с вкрап­ лениями глинистых и песчаных элементов. С учетом условий загружения деформирование основания характеризовалось разностью осадок, не пре­ вышающей 5 см.

Для учета подземных толчков в качестве исходного было принято уско­ рение 0,3 g.

3.4.1. Цель и основные требования к устройству покрытия купола храни­ лища

Цель устройства купола хранилища - изолировать отходы, в период их длительного хранения, от внешних воздействий естественного происхожде­ ния (дождь, эрозия, климатические изменения и т.п.), а также от воздейст­ вия человека и животных.

Устраиваемый купол, обеспечивающий надежность хранения отходов в период эксплуатации, должен удовлетворять трем основным критериям:

Критерий герметичности. Базовым критерием, обеспечивающим на­ дежность, является количество атмосферных осадков, способных проник­ нуть через покрытие и войти в контакт с продуктами хранилища (до не­ скольких литров на 1 м2 поверхности в год).

Критерий долговечности. Герметичность покрытия должна поддержи­ ваться на заданном уровне в течение определенного периода с тем, чтобы максимально жестко ограничить мероприятия по уходу и ремонту оборудо­ вания несмотря на различные внешние воздействия (окисление, воздейст­ вие соли, механические нагрузки). Покрытие должно сохранять свои свой­ ства по ограничению и регулированию просачивания различных веществ в течение всего периода наблюдения благодаря использованию долговечных материалов.

Критерий защиты. Этот критерий нацелен главным образом на то, чтобы устранить факторы, связанные с инфильтрацией (эрозия, температур­ ные воздействия). Толщина покрытия должна соответствующим образом за­ щищать складируемые отходы.

Вышеперечисленные критерии привели Государственную службу по управлению радиоактивными отходами Франции к утверждению концеп­ ции купола "многослойного" типа, основанного на чередовании слоев раз­ личной степени проницаемости. В качестве материала со слабой проницае­ мостью использовалась битумсодержащая геомембрана, разработанная фирмой TERRASOL. Этот синтетический материал хорошо приспосаблива­ ется к возможным осадкам грунтового основания.

3.4.2. Описание покрытия

Внешний вид покрытия купола представляет собой многослойную си­ стему плоских поверхностей, имеющих уклон 6-14%. Максимальный раз­ мер кровли первого уровня покрытия составляет 140 х 25 м на уровне мак­ симальной ширины центрального хранилища. Откосы покрытия приняты с уклоном 1:2,3 по длине и с уклоном 1:1,5 по ширине. Хранилище возвыша­ ется над рельефом примерно на 22 метра.

Покрытие представлено следующими слоями:

•слой из крупноблочных материалов для придания наклона основанию покрытия и создания полугерметичного буферного слоя между складируе­ мым материалом и покрытием;

дренирующий слой из мелкого песка, служащий подстилающим сло­ ем для битумной мембраны и собирающий воду, просачивающуюся в слу­ чае ее разрыва;

•битумная мембрана COLETANCHE NTP4;

дренирующий слой из мелкого песка, позволяющий избежать воздей­

ствия временного гидравлического давления на мембрану и собирающий всю воду, проходящую через биологический барьер;

полунепроницаемый слой уплотненных крупноблочных материалов, регулирующий поступление просачивающейся воды на мембрану и защи­ щающий ее от возможного воздействия животных или корней растений (би­ ологический барьер);

слой плодородного чернозема.

Все воды, отводимые от покрытия купола, собираются в общую дре­ нажную сеть, окружающую центральное хранилище. В качестве дренажных труб использовались трубы из полиэтилена высокой плотности с толщиной стенки до 1 см. В трубах по окружности устраивались прорези. Трубы бы­ ли рассчитаны на давление грунта и на прохождение строительной техники.

С целью соблюдения основных критериев, предъявляемых к качеству покрытия, Государственная служба по управлению радиоактивными отхо­ дами Франции запросила сертификаты для каждого элемента покрытия. В рамках реализации работ по установке покрытия купола были проведены лабораторные испытания, объектом которых стали используемые материа­ лы. Классификационные критерии касались главным образом проницаемос­ ти: требуемая проницаемость слоев грунта над мембраной должна соответ­ ствовать коэффициентам фильтрации А^не более 10-8 м /с, и механических характеристик: необходимо было добиться требуемого уплотнения грунта и слоев купола покрытия на всем протяжении, включая откосы, в соответст­ вии со стандартным уплотнением грунта по PROCTOR STANDART.

Фильтрующие материалы были подобраны таким образом, чтобы обес­ печить отвод максимального количества воды, проходящей через слой био­ логического ограждения. Дренирующий слой толщиной 0,3 м обладал коэф­ фициентом фильтрации Kj- = 1,4x10-4 м/с.

Для двух дренирующих слоев использовался чистый песок (менее 2% частиц фракцией меньше 80 мкм), причем относительно крупный, чтобы уменьшить риск заиливания песком дренажных труб.

Растительный слой толщиной 0,2 м состоял из смеси торфа и песка, что обеспечивало рост травяных насаждений и кустарников, а также способст­ вовало защите от эрозии.

Выбор геомембраны из природного битума, являющейся частью систе­ мы многослойной защиты, был обусловлен:

исторической древностью продукта; наличием эффективных характеристик степени устойчивости мате­

риала в грунте;

• толщиной, учитывающей защиту от проникновения микроорганиз­ мов;

качествами деформативности и проницаемости; легкостью установки.

Представители TERRASOL, начиная с момента предварительного про­ ектирования, считали, что для создания герметичного покрытия, способно­ го сохранять свою эффективность в течение 300 лет, должны быть изучены лишь природные герметичные материалы на основе глины и битума.

Что касается полимеров, из которых состоят многочисленные геомемб­ раны, то они были объектом экспериментальных испытаний, т.к. недолго­ вечны. По той же причине не могла быть использована и глина, так как пол­ ной герметичности этот материал не обеспечивает ввиду склонности к вы­ сыханию и разрушению.

Битумсодержащая геомембрана состоит главным образом из искусст­ венного волокна, пропитанного битумом SHELL MEXPHALTE 100/40 и покрытого мелким известняком, частицы которого имеют фракцию меньше 80 мкм.

Верхний слой геомембраны выполнен из песка, а нижний слой пред­ ставляет собой пленку из полиэстера, стойкую к механическим воздействи­ ям. Геомембрана толщиной 5,6 мм с удельным весом 6,5 кг/м3. Материалы из искусственного волокна придают ей механическое сопротивление. Во­ локна из полиэстера полностью погружены в битум. Сопротивление гео­ мембраны химическим и биологическим воздействиям сопоставимо с ха­ рактеристиками битума.

Известно, что природный битум использовался более 4000 лет для обеспечения герметичности ещё при изготовлении предметов в Месопота­ мии. До сих пор эти предметы сохранились без особых повреждений. Гео­ мембрана, помещенная в почву, подвергается биораспаду. Комиссия по ре­ гулированию ядерной энергии в США провела испытания по размещению битумных образцов в различные типы почв, содержащих бактерии и нит­ ратные растворы. Биораспад сопровождается образованием С 02 Амери­ канские исследователи определили среднюю степень биораспада битума - 5,5x1 (И см/год. При экстраполяции результаты этих исследований приводят к выводу, что для геомембраны центрального хранилища биораспад соста­ вит 3 мм за 300 лет.

При изготовлении экрана из геомебраны были выполнены специаль­ ные мероприятия по контролю качества экрана. Объектом контроля стали различные компоненты: полиэстер, волокна, битум, песок, наполнитель. В процессе изготовления брали пробы образцов из каждого рулона геомемб­ раны, которые подвергались испытаниям в заводской лаборатории и дубли­ ровались испытаниями в независимой внешней лаборатории. Эти испыта­ ния включали в себя:

•определение массы, отнесенной к единице поверхности; контроль толщины; измерение сопротивления растяжению;

•удлинение на разрыв;

холодную обработку и статическое продавливание.

Наложение листов геомембраны осуществлялось с перекрытием 20 см. Идентификационный номер каждого рулона геомембраны заносили в инвентарный план. Сваривание смежных листов автоматически осуществ­ лялось с помощью нагнетаемого нагретого воздуха. Параметры сварки, как

90

и температура воздуха, скорость продвижения и пройденное расстояние, постоянно регистрировались. Контроль сварки производился на всей сва­ риваемой поверхности ультразвуковым аппаратом, который подвергался контрольным измерениям несколько раз в день при каждом возобновлении работ.

Статистический контроль качества сварки показал, что, несмотря на повторные сваривания, в дальнейшем дефектов покрытия на строительной площадке не обнаружено.

Кроме устройства купола покрытия, работы включали в себя строи­ тельство инженерных сооружений (подпорные стены), сети для отвода ат­ мосферных и дренажных вод, в частности, водоотводных сооружений на се­ веро-западе центрального хранилища. Объем выполненных работ был сле­ дующим: котлован 195000 м2; насыпь 665000 м3 (из которых 63000 м3 - дре­ нирующие материалы); чернозем 26300 м3; мембрана 142000 м2; дренаж и различные трубы 195000 м; бетон 4000 м3.

Необходимо отметить, что работы по возведению земляной насыпи проводились в регионе, где среднее ежегодное количество осадков состав­ ляет 1010 мм при 179 дождливых днях; средняя температура 10 °С, потен­ циальное испарение 680 мм в год.

3.4.3. Проблемы эксплуатации хранилища и пути их решения

Объектом исследований являлась эрозия грунта, существующая почти на всех основаниях откоса хранилища. Были изучены следующие причины:

сползание слоя чернозема не может быть причиной разрывов, так как некоторые трещины были отмечены до укладки растительного слоя;

исключается также причина, обусловленная неравномерной осадкой покрытия купола. Пробуренные скважины на уровне мембраны позволили констатировать, что мембрана была неповрежденной и не подвергалась ни­ какой усадке;

хорошие механические свойства материала мембраны в сочетании с адекватной установкой не позволили принять гипотезу скольжения земли по мембране. Скольжение возможно при коэффициенте устойчивости, не превышающем 1:1,5;

продольное разрушение откосов, часто имеющее место в глинистых грунтах, происходит главным образом от растяжения, вызванного уплотне­ нием насыпи под собственным весом. Тем не менее, полученные на основа­ нии цифровых моделей величины напряжений в откосах были довольно ма­ лы.

В основании откосов были установлены искусственные упоры, кото­ рые позволили получить коэффициенты устойчивости откосов, намного превышающие 1,5. Анализы показали, что угол трения по плоскости грунт - геомембрана на откосах составлял примерно 25°, вместо требуемых 27°. В