Wstępna analiza zakresu badań geologicznoinżynierskich i problemów związanych z posadowieniem turbin wiatrowych na zwałowiskach nadkładu kopalń odkrywkowych węgla brunatnego - przegląd literatury

W artykule przedstawiono wstępny przegląd pozycji literaturowych związanych z badaniami geologiczno-inżynierskimi dla celów posadowienia turbin wiatrowych z uwzględnieniem ich lokalizacji na gruntach zwałowych kopalni węgla brunatnego. Pracę zrealizowano w ramach projektu SUMAD „Zrównoważone wykorzystanie zwałowisk górniczych” finansowanego ze środków Funduszu Badawczego Węgla i Stali UE współfinansowanego przez Ministerstwo Edukacji i Nauki. W polskim prawie budowlanym brak jest norm dotyczących badań podłoża dla turbin wiatrowe. Są one tam określane, jako budowle nietypowe, niezależnie od złożoności warunków gruntowych, których wykonanie lub użytkowanie może stanowić poważne zagrożenie dla użytkowników lub konstrukcje zawierające nowe rozwiązania techniczne niewystępujące w przepisach i niesprawdzone w praktyce krajowej. Obiekty tak scharakteryzowane zaliczane są wg Prawa Geologicznego i Górniczego do trzeciej kategorii geotechnicznej, która wymaga szczegółowych badań geotechnicznych, dokumentacji geologiczno-inżynierskiej oraz projektowania geotechnicznego według norm PN-EN1997-1 EUROKOD 7 i PN-83/B-03020. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z 2012 r. [11] przedstawia ogólny zakres badań geotechnicznych, które muszą być wykonywane przy projektowaniu fundamentów, w tym turbin wiatrowych. Warunkiem koniecznym tego typu posadowienia jest odpowiednia nośność podłoża, jego stateczność oraz zdolność do przyjmowania różnorodnych obciążeń statycznych i dynamicznych. Duże znaczenie ma również ograniczenie możliwości generowania geozagrożeń i negatywnego wpływu na środowisko. Zwałowiska kopalń odkrywkowych węgla brunatnego są zbudowane z gruntów antropogenicznych cechujących się dużą niejednorodnością i zmienną litologią. Są one zbudowane w przewadze z gruntów ilastych o niskiej wytrzymałości, a grunty piaszczyste o korzystnych parametrach występują podrzędnie. Grunty zwałowe posiadają domieszki substancji organicznych, są podatne na duże osiadanie i mają wysokie ryzyko generowania osuwisk i przemieszczeń, nawet przy małych obciążeniach. Grunty zwałowe o niskiej wytrzymałości nie nadają się do posadowienia turbin wiatrowych. Dlatego duże znaczenie mają reprezentatywne badania geologiczno-inżynierskie zawierające badania terenowe i laboratoryjne w tym testy in-situ i modelowanie, oraz ich korelacja i analiza przez inżyniera geotechnika i projektanta fundamentów w celu sprawdzenie możliwości posadowienia turbiny w określonym miejscu. Typowe badania powinny obejmować 1-2 otwory, około 20-50 m głębokości (w zależności od wysokości turbiny wiatrowej), 1-3 sondowania in-situ w celu określenia parametrów wytrzymałościowych gruntu CPTU, DMT, badanie presjometrem Menarda, sondowanie dynamiczne (w przypadku gruntów niespoistych), badania wytrzymałości na ścinanie, badania in-situ w celu określenia sztywności gruntów w przypadku małych odkształceń (SCPTU, SDMT); pobieranie próbek NNS do badań laboratoryjnych (testy podstawowych parametrów fizycznych gruntu, edometryczne, trójosiowe). Zaawansowane analizy stateczności powinny uwzględniać reprezentatywne parametry wytrzymałościowe gruntu oraz działające na niego siły. Kompleksowe analizy geotechniczne wymagają uwzględnienia geometrii konstrukcji, zmienności przekazywanych naprężeń w czasie, etapów procesu budowlanego oraz wieloaspektowego zachowania się gruntu. Złożoność konstrukcji turbiny wiatrowej i jej praca pod obciążeniami cyklicznymi wymaga przyjęcia reprezentatywnego modelu geotechnicznego gruntu o wiarygodnych parametrach. Przyjęte do analizy fundamentu parametry mechaniczne i odkształceniowe gruntu powinny realistycznie odzwierciedlać jego zachowanie przy zmiennych obciążeniach. Oszacowanie nośności gruntu powinno uwzględniać teorię równowagi granicznej. Znacznie bardziej skomplikowana analiza przemieszczeń konstrukcji turbiny wiatrowej wymaga zastosowania zaawansowanych metod modelowania. Podstawowym problemem projektanta posadowienia jest złożoność interakcji sił cyklicznych i dynamicznych przenoszonych przez fundament na podłoże gruntowe. Właściwie zaprojektowanie przez konstruktora fundamentu lub wzmocnienia podłoża gruntowego powinno gwarantować bezpieczne i ekonomiczne posadowienie. W każdym przypadku należy dokładnie rozważyć możliwość konkretnej lokalizacji w celu eliminacji niebezpiecznych miejsc. W innych konieczne może być podjęcie specjalnych działań w zakresie specjalnych metod posadowienia, wzmocnienia gruntu różnymi technikami lub usunięcia gruntu o niskich parametrach.

Czasopismo: Górnictwo Odkrywkowe
Dziedziny: nauki inżynieryjno-techniczne
Dyscypliny: inżynieria środowiska, górnictwo i energetyka