Étapes de fermeture du bassin de cendres volantes

Liste rapide des considérations

Home » Foire aux questions » Étapes de fermeture du bassin de cendres volantes

Considérations

  • Les sites d'enfouissement
  • Conversions du système de traitement des cendres humides à sèches
  • Systèmes de manutention et d'élimination
  • Fermeture des installations d'élimination des cendres humides et sèches

Études environnementales et permis:

  • Permis
  • Études préliminaires et détaillées du site
  • Évaluations environnementales
  • Enquêtes environnementales et assainissement

Y a-t-il des utilisations bénéfiques?

  • Remise en état des mines souterraines et à ciel ouvert
  • Matériau de la base du parc à charbon et du revêtement de l'étang (béton compacté au rouleau)
  • Médias du système de collecte des lixiviats
  • Systèmes de protection du sol

Manipulation et élimination des cendres: 

  • Manipulation des cendres inférieures
  • Manipulation des cendres volantes
  • Rénovation / fermeture d'étang

Assèchement des cendres volantes pour l'assainissement


Les cendres volantes ont des propriétés et des comportements qui présentent des défis uniques lors de l'excavation, de la manutention et de l'élimination. Les cendres volantes ont toujours été stockées dans des étangs et sont connues pour être instables et sensibles aux vibrations lorsqu'elles sont saturées. Lorsque les cendres volantes saturées sont soumises à une contrainte de cisaillement, elles se densifient et expulsent l'eau, ce qui entraîne une perte quasi totale de résistance au cisaillement. Dans cet état, les cendres deviennent un fluide visqueux et peuvent commencer à glisser ou à s'écouler. Ce processus peut entraîner le dépassement ou la rupture des retenues et rend l'excavation et la manutention difficiles, voire impossibles.  

La modification de la teneur en eau des cendres de seulement quelques points de pourcentage a un effet dramatique sur son comportement, permettant des coupes stables et presque verticales adaptées à une excavation de masse conventionnelle. L'augmentation de la résistance se produit lorsqu'une réduction de la teneur en eau modifie la pression interstitielle de légèrement positive à légèrement négative, conférant une cohésion apparente et une résistance au cisaillement aux cendres.  

Le but de cet article est de discuter de deux méthodes différentes pour abaisser la teneur en eau des cendres volantes: l'une où les cendres étaient retenues dans un sol à faible perméabilité et l'autre où les cendres étaient stockées directement en contact avec un sol à haute perméabilité. Dans un premier temps, la déshydratation a été réalisée avec un système intérieur de points de puits rapprochés. Dans le second cas, la déshydratation a été réalisée à l'aide de puits profonds largement espacés et de grande capacité. Dans les deux cas, la déshydratation a permis une manipulation sûre et efficace des cendres. Ces projets démontrent à la fois la faisabilité et l'opportunité de l'assèchement pour ces types d'opérations.  

INTRODUCTION  

Les deux projets discutés ci-dessous ont tous deux nécessité l'élimination complète des cendres volantes des étangs existants. Le premier projet, à la centrale électrique de Seward à Johnstown, en Pennsylvanie, consistait à enlever complètement les cendres et à les transporter vers une installation de stockage à sec. Le deuxième projet, à la centrale électrique Daniel dans le comté de Jackson,  

Mississippi, impliquait l'enlèvement des cendres, le stockage temporaire sur place, le revêtement de l'étang et le remplacement des cendres.  

Dans les deux projets, le pré-drainage des cendres à l'aide de techniques de déshydratation courantes dans l'industrie de la construction a amélioré les caractéristiques des cendres, la sécurité du projet et le calendrier. Cependant, en raison des différents détails de construction des étangs et des sols indigènes à chaque site, le mécanisme d'assèchement différait pour chaque étang.  

SORTIE D'EAU DANS UN ÉTANG DOUBLÉ  

Le premier projet était un essai pilote de déshydratation à la centrale électrique Seward de la Pennsylvania Electric Company à Johnstown, Pennsylvanie.  

Le projet a été largement documenté dans un rapport de 1985 publié par l'Institut de recherche sur l'énergie électrique.1 La station était en service depuis les années 1920. Jusqu'en 1980, les mâchefers et les cendres volantes étaient déposés au hasard via le lisier dans les étangs de stockage. Deux étangs ont été utilisés à cette usine; lorsque le premier étang était plein, le dépôt de cendres passait au deuxième étang et le premier étang était vidé. Les cendres seraient ensuite transportées et déposées sur un site de stockage définitif.  

Après la fermeture des étangs de stockage en 1980, l'État de Pennsylvanie a exigé que les étangs soient vidés et remis à leur niveau d'origine. Cela posait deux problèmes au propriétaire de l'usine: 1) en raison du faible angle de repos des cendres humides presque liquides, le site de stockage final n'avait pas la capacité de stocker toutes les cendres dans les étangs à moins qu'il  

a été pré-drainé, et 2) l'État a exigé que le projet soit achevé en moins de deux ans, nécessitant une méthode de pré-drainage relativement rapide.  

Au moment du projet, Ash Pond 1 ne contenait qu'environ 1.2 m de cendres. Par conséquent, il a été décidé d'éliminer ces cendres sans assécher, car on pensait que les avantages du pré-drainage ne valaient pas le coût d'une couche aussi mince. Cependant, le bassin de cendres 2 contenait entre 2.1 et 3.7 m de cendres et le propriétaire de l'usine a décidé d'utiliser des techniques d'assèchement pour le pré-drainage.  

Ash Pond 2 avait des dimensions approximatives de 122 m sur 183 m et a été construit sur une couche d'argile native imperméable avec une digue de remplissage d'argile périphérique (figure 1).  

Les fosses d'essai creusées dans les cendres avant l'installation de tout dispositif de drainage ont montré une croûte relativement stable d'environ 1 à 1.2 m d'épaisseur sous-jacente à une zone de cendres coulantes qui remplirait une fosse d'essai aussi rapidement que la fosse pourrait être creusée. Les niveaux phréatiques dans les puits d'observation existants dans les cendres étaient de 0.30 à 0.60 m sous le sommet de la zone de cendres en mouvement.

TEST INITIAL  

L'entrepreneur spécialisé retenu par le propriétaire a mis dans un premier tableau de cinq puits (figure 2) qui ont produit individuellement entre 1 et 1.25 L / min. 

Le premier test effectué impliquait un pompage sur le puits n ° 3 pendant 35 minutes à l'aide d'une pompe centrifuge. Le débit pour le test était de 1 L / min et les rabattements maximums observés à une distance de 1.5 et 3 m du point de puits de test étaient de 0.35 et 0.20 m respectivement.  

Le deuxième test effectué en utilisant ce réseau impliquait un pompage sur le point de puits n ° 2 pendant 310 minutes à l'aide d'un éjecteur. Le débit pour le test était de 1 L / min et les rabattements maximaux observés à une distance de 1.5 et 2.1 m du point de puits d'essai étaient de 0.40 et 0.36 m respectivement.  

Les systèmes de puits et d'éjecteurs sont capables de pomper les rendements de puits observés pendant le test. Cependant, les systèmes d'éjection nécessitent l'installation de deux tuyaux (alimentation et retour) tandis que les systèmes Wellpoint ne nécessitent qu'un seul tuyau (collecteur à vide). Compte tenu des résultats similaires des deux tests et de la simplicité relative de la mise en œuvre d'un système de point de puits par rapport à un système d'éjection, il a été décidé d'aller de l'avant avec un test de point de puits plus complet.  

DEUXIÈME TEST  

Le deuxième réseau d'essai consistait en une ligne de 23 points de puits (certains installés dans les mâchefers et d'autres dans les cendres volantes) espacés d'environ 3 m, avec des piézomètres installés à différentes distances et positions par rapport à la ligne, comme le montre la figure 3 ci-dessous.

Au cours d'un test de pompe de près de 11 jours avec les 23 points de pompage, le débit du réseau a chuté d'une valeur initiale de 57 L / min à une valeur finale de 13 L / min Des rabattements de plus de 0.60 m ont été observés à la fin du test dans trois des quatre piézomètres.  

Des forages manuels ont été réalisés jusqu'à 30 m de la ligne de puits afin d'observer les conditions réelles dans l'étang juste avant de fermer les puits. Similaire à la condition de pré-pompage, une croûte stable de 1 à 1.2 m d'épaisseur a été rencontrée. Cette fois, cependant, il y avait une zone d'environ 0.9 m d'épaisseur de matériau thixotrope sous la couche stable. Ce matériau tolérerait l'action de creusement mais coulerait lorsqu'il est soumis à des vibrations. Au-dessous de cette zone, les cendres sont restées dans un état fluide.  

Les augures manuelles ont révélé que le pompage à plus long terme pouvait augmenter l'épaisseur de la zone excavable (par rapport aux conditions de pré-pompage) et que l'épaisseur augmentait plus près de la ligne de puits. Cette amélioration des caractéristiques des cendres s'est étendue sur une distance d'environ 12 m de la ligne de puits. Les puits d'essai creusés près de la digue périphérique ont également révélé de mauvaises conditions immédiatement à côté de la digue, même lors du pompage à proximité. Cependant, il a été théorisé qu'un ruissellement mal contrôlé de la digue aurait pu être un facteur contributif à ce phénomène.  

Les valeurs de conductivité hydraulique en vrac calculées à partir du test de la pompe pour les cendres étaient de l'ordre de 10-2 cm / s. Cette valeur est beaucoup plus élevée que les valeurs généralement supposées pour les cendres volantes et est probablement due au mélange et à la superposition de cendres de fond plus grossières avec les cendres volantes relativement fines.  

CONCEPTION FINALE DU SYSTÈME, RÉSULTATS ET CONCLUSIONS  

Sur la base des données d'essai précédentes, la conception finale consistait en des lignes de points de puits à travers l'étang avec 3 m entre les points de puits et 24 m entre les lignes de points de puits. L'espacement de 24 m était basé sur l'observation que les cendres s'étaient améliorées jusqu'à 12 m de la ligne de puits pendant les essais. Ce système a été complété par un anneau périmétrique de points de puits afin de faire face aux conditions relativement instables observées à la digue. 

Des piézomètres ont été installés entre les lignes de puits afin de surveiller les niveaux des eaux souterraines et d'informer le réglage et le fonctionnement du système. Un schéma du système est illustré à la figure 4 ci-dessous. 

Le système a été installé avec des vannes afin de permettre le retrait d'une section du système sans arrêter le reste. Ce temps de pompage maximisé en permettant à l'entrepreneur en excavation de commencer les opérations dans la partie de l'étang censée contenir plus de cendres de fond à drainage libre, offrant ainsi plus de temps de pompage dans les cendres volantes relativement mal drainées.  

Le système a été installé et activé par segments avec environ une semaine entre l'activation du premier segment et l'activation de l'ensemble du système. L'ensemble du système a été pompé pendant environ un mois avant le début de l'excavation des cendres, qui a duré cinq semaines.  

Le débit du système variait à mesure que les points de puits étaient activés et désactivés progressivement. Cependant, en général, le débit a commencé à environ 150 L / min et a diminué à 38 L / min en cinq jours. Après deux mois de pompage, l'ensemble du système 

le débit était inférieur à 19 L / min. On a estimé qu'environ 1.52 x 106 L d'eau a été pompé de l'étang au total. 

L'épaisseur des cendres instables variait dans tout l'étang, mais en général, moins de 30 cm de cendres en cours d'exécution ont été rencontrées pendant le retrait. Des points bas localisés dans le fond de l'étang ont entraîné de l'eau piégée et la dégradation concomitante de la stabilité des cendres. Le projet a réussi en ce que la déshydratation des cendres a grandement amélioré sa résistance au cisaillement et a permis une excavation de masse rapide avec un équipement de pneu en caoutchouc conventionnel (figures 6a, 6b, 6c).  

 Les tests géotechniques et l'échantillonnage in situ avant et pendant le pompage ont également fourni des informations pertinentes, notamment:  

  1. Deux jauges d'humidité du sol installées à des profondeurs de 1.2 et 1.7 m respectivement ont montré une augmentation de la succion du sol (c.-à-d. Une pression interstitielle négative) par rapport à la diminution simultanée des niveaux d'eau dans les piézomètres adjacents. 
  2. La densité des cendres avant le pompage n'était pas significativement différente de celle mesurée dans les échantillons après pompage.  
  3. Un point de surveillance du tassement installé près du centre du bassin de cendres a indiqué qu'aucun tassement ne s'était produit pendant ou après le rabattement.  
  4. La conductivité hydraulique telle que déterminée à partir des tests de pompe in situ était significativement plus élevée que les valeurs publiées.  

Les conclusions tirées par l'équipe du projet comprennent:  

  1. L'augmentation apparente de la résistance au cisaillement observée pendant l'excavation ne pouvait pas être due à la densification ou à la consolidation. La densité des cendres n'a pas augmenté après le pompage et aucun tassement de consolidation n'a été observé. L'augmentation de la résistance semble être due à l'augmentation de la pression interstitielle négative lorsque l'eau de l'étang est aspirée.  
  2. La mesure in situ de la conductivité hydraulique peut donner des résultats sensiblement différents des valeurs publiées typiques. La conductivité hydraulique réelle dépendra des proportions relatives de cendres volantes par rapport aux mâchefers et de la méthode de dépôt.  
  3. L'efficacité de l'assèchement a été renforcée par l'intensité de l'effort d'assèchement (c.-à-d. Des puits rapprochés dans tout l'étang). L'application du vide a également probablement joué un rôle dans l'abaissement de la pression interstitielle, mais cet effet n'a pas été quantifié.  

PLANT DANIEL: ÉVACUER AVEC UN SOUS-DRAIN NATUREL  

Daniel Electric Generating Plant, propriété de Southern Company Services Inc., est situé dans le comté de Jackson, Mississippi. Le projet consistait à retirer complètement les cendres d'un étang de rétention, à les stocker temporairement sur place, à installer un revêtement dans l'étang nouvellement vidé.  

et le remplacement des cendres. L'étang avait la forme d'un triangle à angle droit avec des dimensions latérales d'environ 480 m, 540 m et 300 m.  

L'exploration géotechnique sur le site a identifié quatre unités de sol natif, comme le montre la figure 7:  

Unité 1: Une couche superficielle d'argile sableuse à limoneuse s'étendant jusqu'à une profondeur d'environ 9 m à certains endroits. Cette unité était discontinue autour du site.  

Unité 2: Une couche de sable légèrement argileux à légèrement limoneux, fin à moyen s'étendant de l'élévation 0 à l'élévation -12.2.  

Unité 3: Une couche discontinue d'argile limoneuse gris moyen à sableux généralement rencontrée entre les altitudes -13.7 et -15.2, avec une épaisseur comprise entre 0.8 et 2.9 m. 

Unité 4: Une couche moyenne de sable et de gravier entre environ -15.2 et -22.9 (la profondeur maximale d'exploration).  

De l'eau souterraine a été rencontrée entre les élévations 2.4 et 3.0 et des trous d'exploration dans l'étang ont révélé que le fond des cendres se situait entre les élévations 0.6 et 0.9. 

Il a été déterminé que, l'élévation naturelle des eaux souterraines étant au-dessus du fond de l'étang, la dépressurisation et l'assèchement du sable de l'unité 2 seraient nécessaires pour terminer le projet. L'abaissement de la surface phréatique dans l'unité 2 aurait l'avantage supplémentaire d'induire le drainage des cendres vers le bas dans le sol natif.  

TESTS DE POMPAGE AQUIFER  

Un entrepreneur spécialisé en assèchement a conçu et réalisé plusieurs essais de pompage d'aquifères à grande échelle au début du projet pour évaluer les paramètres de l'aquifère, la perméabilité des cendres volantes, la communication entre l'aquifère et les cendres et la communication entre l'aquifère et les plans d'eau ouverts environnants.  

Un ensemble de puits d'essai a été installé avec un puits criblé dans l'unité 2 seulement et deux puits criblés dans les deux unités 2 et 4. L'un des puits à double écran s'est avéré à faible rendement et a ensuite été abandonné et non utilisé pour les essais.  

Une série d'essais de pompage progressif et à débit constant a révélé que les aquifères des unités 2 et 4 avaient des transmissivités de 500 et 550 m2/ jour respectivement. Ces transmissivités sont élevées par rapport aux épaisseurs de la couche de sol et indiquent que le sol natif se prête à l'assèchement. Les tests ont également prouvé que les puits criblés uniquement dans l'unité 2 et les puits criblés dans les unités 2 et 4 pouvaient produire de manière durable 380 et 1,400 XNUMX L / min respectivement. 

Des tests supplémentaires des cendres ont directement indiqué qu'elles étaient très drainables. Un seul point de puits installé à 3.6 m dans les cendres a produit 230 L / min et n'a produit pratiquement aucun rabattement dans un point d'observation à 1.5 m de distance. Cela a été considéré comme une indication qu'il y aurait une bonne communication hydraulique entre les cendres et les sables indigènes pendant le pompage à grande échelle.  

Bien qu'à proprement parler, l'assèchement de la seule unité 2 (par opposition aux unités 2 et 4) était nécessaire pour le projet, les résultats des tests de pompage, ainsi que le fait que l'argile de l'unité 3 était discontinue sur le site, ont conduit l'équipe du projet à conclure que l'abaissement des eaux souterraines dans l'unité 4 serait également nécessaire pour l'empêcher d'agir comme une source de recharge pour l'unité 2.  

CONCEPTION FINALE DU SYSTÈME, RÉSULTATS ET CONCLUSIONS  

Sur la base des résultats des tests de pompage, l'équipe de conception a proposé un système de 15 puits criblés dans les unités 2 et 4 autour du périmètre de l'étang (figure 8). L'intention des puits était d'abaisser les eaux souterraines de l'aquifère de l'unité 2 à une élévation de -1.2 ou moins pour permettre l'excavation des cendres et l'installation du revêtement. 

Compte tenu des résultats favorables observés dans le puits d'essai installé dans les cendres, l'entrepreneur spécialisé en assèchement a également proposé une série de dix puits peu profonds projetés à travers les cendres et 3 m dans le sable de l'unité 2 sous-jacent (figure 9). Ces puits raccourciraient le trajet d'écoulement de l'eau s'écoulant des cendres vers le sable et fourniraient également une capacité de pompage supplémentaire pour faciliter l'assèchement de l'unité 2. 

Le système a pompé 17,000 10 L / min pendant plus d'un an pendant l'excavation des cendres, la mise en place du revêtement et le remplacement des cendres et a réussi à maintenir l'eau souterraine sous les niveaux cibles pour l'ensemble du projet (figure XNUMX). 

Les cendres étaient un mélange hautement stratifié de cendres résiduelles et de cendres volantes avec une perméabilité horizontale relativement élevée. En asséchant complètement l'aquifère sous-jacent via un système de puits profonds périmétriques combiné au pompage du système de puits intérieur dans les cendres, l'excavation s'est déroulée de manière sûre et efficace. Les eaux souterraines résiduelles et les eaux de surface étaient traitées par des puisards et des tranchées placés localement. 

À l'instar des résultats du projet de la centrale électrique de Seward, une fois les cendres drainées, ses caractéristiques d'excavation se sont nettement améliorées. Avec le pré-drainage, les cendres ont pu être excavées dans de grands ascenseurs verticaux (Figure 11) et transportées et stockées à sec pendant le revêtement de l'étang. Cette approche a permis une excavation plus rapide et une empreinte de stockage beaucoup plus petite que si les cendres avaient été excavées humides.  

CONCLUSIONS GÉNÉRALES  

Les deux études de cas examinées ci-dessus impliquaient des étangs de cendres dans des contextes géologiques très différents. Pour les deux projets, le succès a été dicté par une compréhension approfondie des conditions du sol, des tests adéquats des caractéristiques hydrauliques des cendres, et la conception et la mise en œuvre de systèmes d'assèchement par des praticiens expérimentés.  

Les propriétés des cendres peuvent varier considérablement en fonction de la méthode de dépôt et des proportions relatives de cendres volantes et de cendres résiduelles (c'est-à-dire la stratification et la distribution granulométrique globale des cendres). Par conséquent, il est impératif d'obtenir de bonnes données sur les performances hydrauliques in situ avant la conception finale du système d'assèchement.  

En outre, les deux projets montrent que même si les cendres peuvent être difficiles à travailler dans un état saturé, il est possible d'améliorer radicalement ses propriétés de manipulation avec un pré-drainage adéquat. Cela fait de l'assèchement et de l'excavation une technique appropriée pour les projets avec des horaires limités (une excavation plus rapide est possible avec des cendres pré-drainées), où il est souhaitable d'améliorer les caractéristiques de transport et de stockage des cendres ou lorsque la confirmation visuelle positive que 100% des cendres a été retiré de l'étang est requis.  

Références 

[1] Institut de recherche sur l'énergie électrique, assèchement pour stabiliser les bassins d'élimination des cendres volantes, 1985