Rikastushiekka-altaiden vakavuustarkastelut vaativat erityisosaamista

Sisäänpäinkorotettujen rikastushiekka-altaiden vakavuus eli stabiliteetti perustuu oletukseen, että lietemäisesti reunalta purettu rikastushiekka lajittuu, kun se virtaa altaan reunalta keskelle päin. Tällöin ideaalitilanteessa stabiliteetin kannalta parhaimman laatuinen karkeampi aines jää altaan reunalle ja heikoimman lujuuden omaava hienompi aines laskeutuu altaan keskelle. On kuitenkin todennäköistä, että myös reunavyöhykkeelle muodostuu operoinnin aikana heikon lujuuden omaavia kerroksia. Jotta rakenteen vakavuus voidaan taata riittävän hyvin, on rikastushiekan kerrostuneisuus tutkittava säännöllisesti ja karakterisoitava ominaisuuksiensa perusteella luokittuviin kerroksiin. Lisäksi stabiliteettianalyysissä on sovellettava oppeja, jotka eroavat perinteisistä geotekniikan opeista.

Perinteinen laskentamenetelmä johtaa usein harhaan

Hiekkapitoisten- ja karkearakeisten maalajien lujuus määritetään klassisen geotekniikan oppien mukaan kitkakulman ja maakerroksessa vallitsevan huokosvedenpaineen perusteella. Huokospaineen tason määritys perustuu usein oletukseen, että mahdollisessa sortumatilanteessa leikkautuminen tapahtuu riittävän hitaasti, jolloin huokosvedenpaineen taso säilyy muuttumattomana. Tästä mallinnustavasta käytetään nimitystä avoin tila. Tätä laskentamallia on käytetty myös rikastushiekka-altaiden stabiliteettianalyysin pohjana.

Sisäänpäinkorotettujen (upstream raised) rikastushiekka-altaiden kohdalla pelkästään tämä mallinnustatapa on harvoin – jos koskaan – todenmukainen ja saattaa johtaa merkittävään stabiliteetin yliarviointiin. Materiaalin lujuuteen leikkautuessaan nimittäin vaikuttaa merkittävästi sen tiiveys suhteessa vallitsevaan jännitystasoon. Pyrin seuraavaksi kuvaamaan tämän ilmiön mahdollisimman yksinkertaisella tavalla. 

Huomio huokosvedenpaineen muutoksiin 

Maa-aines koostuu maapartikkeleista ja niiden välisestä tyhjätilasta eli huokosista. Materiaalin lujuuden määrittää maapartikkeleiden välinen kitka ja partikkeleiden välillä vallitsevan kontaktin voimakkuus (tehokas jännitys). Huokostilan ollessa vedellä kyllästynyt, mahdollinen huokosveden ylipaine pienentää partikkeleiden välistä tehokasta jännitystä. Tällöin maan lujuus heikkenee, koska partikkelit ovat löyhemmässä kontaktissa keskenään. 

Mikäli maapartikkelit ovat pakkautuneet riittävän tiiviisti, maamassan tilavuus laajenee leikkautuessaan, jolloin hiekkapitoisessa maassa ei huokosveden ylipainetta pääse kertymään sortumatilanteessa. Tässä tapauksessa on perusteltua käyttää rikastushiekka-altaan stabiliteettilaskennassa aiemmin kuvattua avoimen tilan lujuusparametreja. 

Mikäli maapartikkelit ovat riittävän löyhässä tilassa, maamassan tilavuus pienenee leikkautuessaan. Tällöin leikkautuessaan maapartikkelit pakkautuvat lähtötilaa tiiviimpään tilaan, jolloin materiaalien huokostilaan pääsee muodostumaan huokosveden ylipaine sortumatilanteessa. Tämän on todettu tapahtuvan myös löyhillä hiekoilla. Kun muodostuva huokosveden ylipaine ei pääse purkautumaan, maa-aines käyttäytyy suljetun tilan mukaisesti, jolloin stabiliteettilaskennassa tulee käyttää suljetun tilan parametreja. 

Se käyttäytyykö maa-aines leikkautumisen yhteydessä avoimen tai suljetun tilan mukaan, vaikuttaa olennaisesti sen lujuuteen sortumatilanteessa. Äärimmillään löyhä materiaali voi nesteytyä tiettyjen tapahtumaketjujen seurauksena, jolloin sen lujuus pienenee murto-osaan alkuperäisestä avoimen tilan lujuudestaan. Käyttäytymisen selvittämiseksi tarvitaan edistyksellisiä pohjatutkimuksia ja laboratoriotestejä sekä kriittisen tilan maamekaniikkaa.

Kriittisen tilan maamekaniikka avuksi rikastushiekka-altaiden vakavuuden tarkastelussa

Kriittisen tilan maamekaniikan peruslähtökohta on sitoa materiaalin ominaisuudet tilaparametriin, joka on nykytilassa (in-situ) olevan  maa-aineksen huokosluvun erotus suhteessa kriittisen tilan huokoslukuun. Sen avulla muun muassa pyritään arvioimaan, laajeneeko vai suppeneeko kyseinen materiaali leikkautuessaan. 

Tilaparametrin avulla voidaan arvioida myös rikastushiekan altiutta nesteytymiselle ja edelleen residuaalileikkauslujuutta nesteytymisen tapahtuessa. Tilaparametrin arvioimiseen on olemassa empiiristä korrelaatiota hyödyntävä menetelmä ja kriittisen maamekaniikan teoriaan pohjautuva laskentamenetelmä. 

Rikastushiekan tilaparametrin arvioiminen edellyttää CPTu-kairauksessa mitattavien suureiden muuntamista arvioksi in situ huokosluvusta ja toisaalta kriittisen tilan arviointia. Kriittinen tila on materiaalikohtainen, mutta jännitystilasta riippuva, joten kullekin materiaalille voidaan määrittää jännitystilasta riippuva kriittisen tilan suora edistyneillä kolmiaksiaalikokeilla.     

Koska rikastushiekan rakeisuus ja tiiveys vaihtelee altaassa merkittävästi, on altaassa sekä leikkautumisen yhteydessä laajenevia että kokoonpuristuvia kerroksia. Ei ole mitenkään epätavallista, että heikomman lujuuden omaavia kerroksia ulottuu altaan reunaan saakka. Näillä voi olla merkittävä vaikutus altaan stabiliteettiin. 

Sen vuoksi altaan olosuhteet on tutkittava säännöllisesti tehtävien CPTu-kairausten ja laboratoriotutkimusten avulla. Näiden avulla selvitetään muun muassa rikastushiekan kerrostuneisuus, tiiveys suhteessa kriittiseen tilaan sekä altaassa vallitsevat huokosvedenpaineolosuhteet.

Sisäänpäinkorotetuissa rikastushiekka-altaissa patoja rakennetaan tiiveydeltään ja lujuusominaisuuksiltaan huomattavasti vaihtelevien materiaalien päälle. Puutteelliset pohjatutkimukset ja virheelliset lähtöoletukset voivat johtaa vääriin tuloksiin rakenteen stabiliteettianalyysissä. Jotta rakenteen vakavuus voidaan riittävän luotettavasti varmistaa, edellyttää se perinteisistä geotekniikan opeista poikkeavien teorioiden hyödyntämistä. Lisäksi rikastushiekan käyttäytymisen analysoimiseksi on altaaseen tehtävä säännöllisesti CPTu -kairauksia ja laboratoriotestejä rikastushiekan kerrostuneisuuden, käyttäytymisen ja altaan huokospaineolosuhteiden selvittämiseksi.