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

• Autorzy: Bednarczyk Zbigniew

Warianty tytułu

EN

Preliminary analysis of the scope of geological-engineering investigations and problems connected with of wind turbines foundation on the spoil dumps soils in lignite open-pit mines - literature review

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

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.

EN

he article presents a list of available literature items related to geological-engineering investigations for the foundation of wind turbines, taking into account their foundation on the spoil dumps after lignite mining. The work was carried out on order within the EU project RFCS SUMAD agreement 847227. The work was performed under the SUMAD project entitled: “Sustainable Use of Mining Waste Dumps” financed within Research Found for Coal and Steel and co-financed by Ministry of Education and Research. In Polish Construction Law there are no standards for geological engineering investigations for this type of facility. Wind turbines are referred there as atypical structures, regardless of the complexity of ground conditions, whose construction or use may pose a serious threat to users or structures containing new technical solutions not present in the regulations and not proven in national practice. The objects so characterized are classified, according to the Geological and Mining Law, in the third geotechnical category, which requires detailed geotechnical tests, geological-engineering documentation, and geotechnical design according to the standards PN-EN1997-1 EUROKOD 7 and PN - 83/B – 03020 [4-7]. The Regulation of the Minister of Transport, Construction and Maritime Economy of 2012 [11] presents the general scope of geotechnical tests that must be performed when designing foundations, including wind turbines. The necessary condition for this type of foundation is the representative bearing load capacity of the ground, its stability, and ability to take various static and dynamic loads, limiting the possibility of generating geo-hazards together with a negative impact on the environment. Lignite opencast mine spoil heaps are characterized by high heterogeneity and variable lithology. Apart from the sandy soils with favorable strength parameters, they are mostly built of low strength clayey soils. These soils are prone to high subsidence and have a high risk of generating displacement, even at low loads. Organic low-strength clayey soils are not suitable for the foundation of wind turbines. Therefore, representative geological-engineering studies, field and laboratory tests, and correlation of the obtained test results are very important to check the possibility of its foundation in the specified place. This is required by a geotechnical engineer and foundation designer. Typical investigations should include 1-2 boreholes, approximately 20-50 m depth (depending on the wind turbine height), 1-3 in-situ sounding to determine the strength and stiffness parameters of the soil (CPTU, DMT), dynamic sounding (for non-cohesive soils), vane undrained shear strength tests, in-situ testing to determine the stiffness of soils for small deformations (SCPTU, SDMT); NNS sampling for laboratory testing (index, oedometer, triaxial). Advanced stability analyses should take into account the representative strength parameters of the soil and the forces acting on it from the wind turbine. Complex geotechnical engineering analyses require taking into account the geometry of the structure, variability of transmitted stresses in time, stages of the construction process, and multi-aspect behaviour of the soil. The complexity of the wind turbine structure and its operation under cyclic loads requires the adoption of a representative geotechnical model of the ground with reliable soil parameters. The parameters describing the mechanical and deformation properties of the soil, adopted for the analysis of the foundation, should realistically reflect the behaviour of the soil during variable structural loading. The estimation of the bearing capacity of the soil by analytical methods is performed by civil engineer constructor according to the limit equilibrium theory as a standard. A much more complicated analysis of the wind turbine structure displacement requires the use of advanced modelling methods. The basic designer problem is the complexity of the interaction of cyclic and dynamic forces transmitted by the foundation to the subsoil. Properly designed reinforcement of the subsoil should guarantee the safe and economic foundation of the wind turbines. In each case, the possibility of a specific location should be carefully considered to eliminate dangerous sites. In other cases, it may be necessary to take special measures in terms of special methods of foundation, reinforcement of the soil with various techniques, or removal of soil dump soil with low parameters.

Słowa kluczowe

PL

badania geologiczno-inżynierskie; geotechnika; turbiny wiatrowe

EN

geological-engineering investigation; geotechnical engineering; wind turbines

• Wydawca: Instytut Górnictwa Odkrywkowego "Poltegor-Instytut"
• Czasopismo: Górnictwo Odkrywkowe
• Rocznik: 2020
• Tom: R. 61, nr 3
• Strony: 17--25
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz.

Twórcy

autor

Bednarczyk Zbigniew

• „Poltegor-Instytut” Instytut Górnictwa Odkrywkowego, Wrocław

Bibliografia

• [1] Briet S. Plomteux, C. Integrated Ground Improvements Solutions for Windmill Foundation support in soft Claus, Calgary, 2010
• [2] Danielak D., Zaremba A., Analiza posadowienia turbin wiatrowych (Wind turbine foundation analysis). Geoinżynieria drogi, mosty tunele październik - grudzień 4 / 2015 [53] 47, in Polish
• [3] Det Norske Veritas. Guidelines for Design of Wind Turbines. Risø National Laboratory Copenhagen 2002
• [4] PN-EN 1997 – 1 EUROKOD 7, Projektowanie geotechniczne. Część 1: zasady ogólne (Geotechnical design. Part 1: General principles), in Polish
• [5] PN-EN 1997 2: Eurokod 7: Projektowanie geotechniczne – Część 2: Rozpoznanie i badanie podłoża gruntowego (Geotechnical design - Part 2: Identification and testing of soil), in Polish
• [6] Polska Norma PN – 83/B – 03020, Posadowienie bezpośrednie budowli (Polish Standard PN - 83/B - 03020, Direct foundation of structures) in Polish
• [7] PN-B-03040: 1980 Fundamenty i konstrukcje wsporcze pod maszyny - Obliczenia i projektowanie (Foundations and supporting structures for machinery - Calculation and design), in Polish
• [8] Madej, Ł. Geotechniczne wyzwanie na budowie Farmy Wiatrowej Przykona (Geotechnical challenge on the construction of the Przykona Wind Farm). Inżynieria.com, opublikowano 11.09.2018 źródło Energa. in Polish
• [9] Materiały wewnętrzne firmy MENARD Polska (Internal report of MENARD Polska). EBGEO 2010. GEOINŻYNIERIA, in Polish
• [10] Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 25 kwietnia 2012 r. ws. ustalania geotechnicznych warunków posadowienia obiektów budowlanych. (Regulation of the Minister of Transport, Construction and Maritime Economy of 25 April 2012 on establishing geotechnical conditions for the foundation of buildings), in Polish
• [11] Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 9 listopada 2010 r. ws. przedsięwzięć mogących znacząco oddziaływać na środowisko. (Regulation of the Council of Ministers of 9 November 2010 on projects which may significantly affect the environment) in Polish
• [12] Sobieski, G. Zaremba, A., Stankiewicz G., Danielak D., Posadowienie turbin wiatrowych w kontekście nowego systemu wsparcia OZE (The foundation of wind turbines in the context of the new RES support system) , Energetyka styczeń/marzec 1/ 2016/16 pp 15-16. in Polish
• [13] Pardela, T. Posadowienie wysokich wież elektrowni wiatrowych o mocy 2,0-2,5MW-na słabym podłożu gruntowym (Foundation of high wind turbine towers of 2.0-2.5MW on weak soils), Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne. Maj-Czerwiec 2012, pp 70-73 in Polish
• [14] Szerzo, A. Optimization of foundation solutions for wind turbines. Mathematical Modelling in Civil Engineering, 2012, pp 215-224
• [15] Wiłun, Z.: Zarys geotechniki, (The outline of geotechnical engineering) Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa, 2005, in Polish
• [16] Working group on “Wind Turbine Foundations”, Recommendations for the design, calculation, installation, and inspection of wind-turbine foundations, July 5, 2011. International Standard IEC 61400-1
• [17] Zaremba, A. Modyfikacja podłoża gruntowego w świetle posadowienia turbin wiatrowych (Modification of soil in light of wind turbine foundation). Seminarium IBDiM i PZWFS, Warszawa, 6 marca 2014, Wzmacnianie Podłoża i Fundamentów 2014, in Polish