Polowe badania gruntów na potrzeby projektowania obiektów energetyki wiatrowej

Polowe badania gruntów na potrzeby projektowania obiektów energetyki wiatrowej

 

Dr inż. Bartłomiej Czado

 

1 Wstęp

W ostatnich latach w naszym kraju obserwować można intensywny rozwój energetyki wiatrowej. Trend ten wynika z konieczności spełnienia przez Polskę wymagań wynikających z założeń pakietu klimatycznego na rok 2020, zatem w najbliższych latach zostanie on najprawdopodobniej utrzymany lub nawet wzmocniony.

Z danych GUS wynika, że osiągnięcie 15-procentowego udziału odnawialnych źródeł energii (OZE) w tzw. miksie energetycznym Polski do roku 2020 wydaje się nadal możliwe. Wypełnienie założeń pakietu klimatycznego obecnie byłoby już prawdopodobnie nierealne, gdyby nie produkcja energii z biomasy, z której pochodzi zdecydowana większość produkowanej w naszym kraju „zielonej energii” [GwZ]. Statystyki dla produkcji energii elektrycznej w roku 2010 wyglądały nienajlepiej: zaledwie 7% tej energii pochodziło z OZE, w tym około 25% z elektrowni wiatrowych, co stanowi poniżej 2% całości [SEP].

Rys. 1. Udział odnawialnych źródeł energii w zużyciu energii w Polsce w roku 2010 oraz prognoza na rok 2020, [SEP] za [PIGEO]

 

W roku 2013 energetyka odnawialna pokryła 11,3% końcowego zużycia energii brutto w Polsce.

W porównaniu do roku 2012 udział OZE w polskim miksie energetycznym wzrósł nieznacznie, bo zaledwie o 0,3%, ale jeszcze w 2005 r. wynosił tylko 7,2% [GwZ]. W roku 2013 największy udział w produkcji energii elektrycznej z OZE miał wciąż sektor biopaliw stałych (46,4%), na drugim miejscu znalazła się energetyka wiatrowa (35,2%), dalej energetyka wodna (14,3%) i biogazowa (4%) [ISB].

 

Rys. 2. Struktura wytwarzania energii elektrycznej w Polsce w roku 2012 według źródeł, [SEP] za [PER]

 

Nasuwa się zatem generalny wniosek, że w zakresie produkcji energii elektrycznej z wykorzystaniem siłowni wiatrowych wciąż jest dużo do zrobienia, a do roku 2020 czasu pozostaje coraz mniej.

Bardzo istotny będzie zatem czas realizacji inwestycji tego typu. Zależy on od bardzo wielu czynników, takich na przykład jak wymogi formalne związane z przeprowadzeniem badań środowiskowych, konsultacji ze społecznościami lokalnymi, itp. Oszczędności czasowych można jednak szukać już na etapie projektowania inwestycji, a w szczególności w fazie rozpoznania podłoża pod posadowienie fundamentów siłowni.

Zastąpienie części wierceń geotechnicznych sondowaniami może znacznie skrócić czas przygotowania dokumentacji geologiczno-inżynierskiej. Dodatkową zaletą badań typu CPTU/DMT jest fakt, że są one niemalże „nieinwazyjne” – prowadzone są bez wydobywania urobku, przez co nie wymagają likwidacji otworu (pozostawiony otwór o średnicy 36-44 mm sam się zamyka po relatywnie niedługim czasie), nie wpływają też istotnie na warunki wodne.

 

2 Wymogi projektowe dla fundamentów siłowni wiatrowych

2.1 Kategoria geotechniczna

Zgodnie z aktualnym Rozporządzeniem MTBiGM [R12] obiekty energetyki wiatrowej stanowią „nietypowe obiekty budowlane”, a jednocześnie „obiekty wysokie”, zaliczyć je zatem należy do trzeciej kategorii geotechnicznej, niezależnie od stopnia skomplikowania warunków gruntowych. Podobna klasyfikacja wynikałaby również z zapisów polskiej normy PN-B-02479 [2479], jak i Eurokodu 7 [EC7]. Konsekwencją tego faktu jest konieczność wykonania dla tego rodzaju inwestycji, oprócz opinii geotechnicznej i projektu geotechnicznego, również dokumentacji geologiczno-inżynierskiej.

Dość szeroki jest w tym wypadku wymagany prawem zakres robót geotechnicznych, który powinien uwzględniać co najmniej określenie „fizycznych i mechanicznych parametrów gruntu takich jak: kąt tarcia wewnętrznego, spójność, wytrzymałość na ścinanie bez odpływu, moduł ściśliwości lub odkształcenia, uzyskanych w badaniach laboratoryjnych lub w terenie”, co jest wymogiem dla kategorii drugiej, a w zależności od potrzeb powinien być rozszerzony, chociażby o „badania właściwości dynamicznych gruntu” [R12].

2.2 Obciążenia

Charakter obciążeń przekazywanych na fundament siłowni z wirnika, poprzez gondolę i wieżę, jest szczególny. W zestawieniu obciążeń dla środka podstawy fundamentu znaczącą rolę odgrywają siły poprzeczne oraz momenty działające w trzech płaszczyznach (skręcanie w osi wieży). Sytuację dodatkowo komplikuje fakt, że obciążenia od wiatru mają charakter dynamiczny (cykliczny), co sprawia, że zakres danych o podłożu należy rozszerzyć o parametry opisujące jego zachowanie pod tego rodzaju obciążeniem.

Dla prawidłowego zaprojektowania posadowienia siłowni, a w szczególności wykazania spełnienia warunków sztywności dynamicznej podłoża, jako minimum należy określić wartości początkowego modułu ścinania G0.

2.3 Zakres badań

Większość fundamentów pod wieże siłowni wiatrowych posadowiona jest na rozległych w rzucie fundamentach, o kształcie kołowym, pierścieniowym (Rys. 3) lub ośmiokątnym, często wspartych na głębokich palach (Fot. 1 i 2). Również rozpoznanie podłoża musi zatem sięgać na odpowiednio dużą głębokość. Podstawowe wymogi w tym zakresie zawarto chociażby w podręczniku opracowanym przez Ministerstwo Środowiska [ZAS] (nie uwzględniono tu jednak szczegółowych wymogów dla elektrowni wiatrowych) oraz  normie PN-B-02479:1998 [2479], w której sformułowano ogólne wymogi dla fundamentów bezpośrednich i pośrednich (por. Tab. 1).

Rys. 3. Przykład geometrii fundamentu bezpośredniego (pierścieniowego) siłowni wiatrowej, proj. L. Lao

 

 

Fot. 1 i 2. Przykład realizacji fundamentu kołowego pod siłownię wiatrową, opartego na palach [bop]

 

Niejako z tradycji projektowania badań geologiczno-inżynierskich w Polsce wynika przykładanie większej wagi do wykonywania wierceń geotechnicznych jako podstawowych punktów badawczych. Jednak, ze względu na brak specjalistycznych zaleceń i wytycznych projektowania geotechnicznego farm wiatrowych, czy wchodzących w ich skład pojedynczych siłowni, korzysta się coraz częściej z doświadczeń firm zagranicznych [Batog]. Z tych z kolei wynika, że większy nacisk powinien zostać położony na wykonywanie sondowań geotechnicznych (głownie CPTU i S-CPTU).

W takim podejściu wiercenia wykorzystywane są głównie do celów: wstępnego rozpoznania potencjalnych zagrożeń (grunty organiczne, zapadowe, pęczniejące, wysadzinowe); pobierania materiału gruntowego do badań laboratoryjnych; monitoringu poziomu zwierciadła wód gruntowych. Mają one także istotne znaczenie dla precyzji interpretacji sondowań CPTU (lokalna kalibracja zależności korelacyjnych).

Tab. 1. Porównanie wymogów co do zakresu rozpoznania podłoża pod pojedynczą siłownię wiatrową

Podstawa

Ilość i rodzaj punktów badawczych

Uwagi, dodatkowe wymogi

Sposób posado-wienia

Wymagana głębokość rozpoznania

Rodzaj

Kryterium

Ilość

Specyfikacja ENERCON, za [Batog]

wiercenia

średnica fundamentu

< 20 m:
1 odwiert

zlokalizowany w środku fundamentu

bezpo-średnie

równa co najmniej
średnicy fundamentu

20-30 m:
2 odwierty

jeden na krawędzi
od strony placu dźwigowego,
drugi naprzeciwko

na palach

minimum 3 m
lub 3 średnice pala
poniżej jego podstawy

sondowania
statyczne

CPTU

średnica fundamentu

< 15 m:
min. 2 sondowania

w odległości 1 m
od krawędzi fundamentu

bezpo-średnie

minimum 1,5 średnicy
fundamentu

> 15 m:
min. 3 sondowania

na palach

minimum 1,5 m
lub 3 średnice pala
poniżej jego podstawy

sondowania dynamiczne DPH/DPSH

-

-

tylko gdy nie da się wykonać CPTU

-

jak dla sondowań CPTU

PN-B-2479:1998, [ZAS]

nie określono

stopień złożoności warunków gruntowych

proste:
nie rzadziej niż co 40m

wokół obrysu obiektu,
co w praktyce oznacza

minimum 3 lub 4 punkty badawcze

bezpo-średnie

głębokość posadowienia
+ krótszy wymiar płyty

złożone:
nie rzadziej niż co 20 m

na palach

minimum 3 m lub 5 średnic pala poniżej jego podstawy;

co najmniej jeden otwór powinien spełniać wymagania dla posadowienia na płycie

W Tabeli nr 1 zestawiono przykładowe wymogi co do zakresu rozpoznania podłoża pod pojedynczą siłownię wiatrową zestawione w specyfikacji opracowanej przez jednego z dostawców takich siłowni, firmę ENERCON [Batog], celem porównania ich z wymogami normy PN-B-02479:1998.

 

Typowy układ punktów badawczych przy rozpoznaniu podłoża pod fundament pojedynczej siłowni wiatrowej obejmuje pojedynczy otwór wiertniczy w centrum fundamentu oraz przynajmniej 3 sondowania na jego obwodzie. Badania te powinno się wykonać do głębokości co najmniej 5-ciu średnic pala (jednocześnie nie mniej niż 3 m) poniżej jego podstawy.

 

3 Parametry do projektowania z badań in-situ

W tabeli nr 2 zawarto ocenę przydatności wybranych badań in-situ do wyznaczania poszczególnych parametrów geotechnicznych, według  normy Eurokod 7 [EC7-2]. Wyróżniono w niej warianty pozwalające na uzyskanie najlepszych możliwych rezultatów – można łatwo zauważyć, że sonda CPTU jest narzędziem najbardziej uniwersalnym.

Tab. 2. Przegląd stosowalności wybranych metod badań polowych
według Eurokodu 7 [EC7]

Informacje i parametry

Możliwe do otrzymania wyniki

Metody badań polowych

CPTU

PMT

DMT

DPL/M

DPH/SH

PLT

FVT

rodzaj gruntu

C2 F2

C3 F3

C2 F2

C3 F3

C3 F3

-

-

granice warstw

C1 F1

C3 F3

C2 F1

C1 F2

C1 F2

-

-

poziom z.w.g.

C2

-

-

-

-

-

-

ciśnienie porowe

C2 F2

F3

-

-

-

-

-

gęstość

C2 F2

-

C2 F2

C2

C2

-

-

wytrzymałość na ścinanie

C2 F1

C1 F1

C2 F1

C2 F3

C2 F3

C1 F1

F1

ściśliwość

C1 F2

C1 F1

C2 F1

C2 F2

C2 F2

C1 F1

-

wodoprzepuszczalność

C3 F2

F3

-

-

-

-

-

możliwość uzyskania: 1 – wysoka, 2 – średnia, 3 – niska; w gruntach: C – gruboziarnistych, F - drobnoziarnistych

 

 Nic więc dziwnego w tym, że sondowania statyczne (głównie typu CPTU) nabierają coraz większego znaczenia w rozpoznaniu podłoża pod obiekty energetyki wiatrowej. Przy posadowieniu bezpośrednim takich obiektów, gdzie szczególne znaczenie ma dokładność określenia parametrów ściśliwości gruntu, uzupełnia się je badaniami dylatometrycznymi DMT. W ostatnich latach coraz częściej inwestorzy decydują się na wykonanie tych badań (obu typów) w wariancie umożliwiającym dodatkowo pomiar in-situ prędkości propagacji fali poprzecznej w gruncie (S-CPTU i S-DMT), ze względu na możliwość bezpośredniego wyznaczenia na tej podstawie modułu ścinania G0.

 

4 Metodyka badań polowych

4.1 Badania CPTU

Badanie CPT (ang. cone penetration test) polega na wprowadzeniu w grunt sondy (penetrometru) w kształcie stożka za pomocą zestawu żerdzi, przy zachowaniu stałej prędkości penetracji (~2 cm/s). Podczas badania rejestrowane są: opór penetracji stożka (qc) oraz opór tarcia na tulei ciernej (fs) [ISOCPT], [EC7]. W Polsce badanie to przyjeło się nazywać testem statycznej penetracji stożka lub, w skrócie, „sondowaniem statycznym”, dla odróżnienia od bardziej u nas dotychczas rozpowszechnionego sondowania dynamicznego DP (ang. dynamic probing).

Doprecyzowania wymaga fakt, że w rozumieniu normy ISO 22476-1 [ISOCPT] oznaczenie CPT odnosi się do badań prowadzonych zarówno sondami z końcówką mechaniczną (ang. mechanical cone penetration test), jak i elektryczną (ang. electrical cone penetration test). Badania sondą mechaniczną (tzw. stożkiem Begemanna [Beg]) otrzymały oznaczenie CPTM i opisane są osobno w części 12 wspomnianej normy [ISOCPTM], w odróżnieniu od tych wykonywanych stożkiem elektrycznym (Fot. 3), które oznacza się jako CPTE lub po prostu CPT.

Fot. 3. Stożki sondy statycznej: elektryczny S-CPTU (z lewej)
i mechaniczny CPTM – tzw. stożek Begemanna (z prawej), fot. B. Czado

 

Badania porównawcze przeprowadzone przez autora [Czado] wskazują, że sondowanie metodą CPTM może prowadzić do znacznych błędów i nie powinno być już w ogóle stosowane.

Obecnie najbardziej rozpowszechnioną wersją stożka sondy statycznej jest stożek typu CPTU (ang. piezocone penetration test). Badanie CPTU uwzględnia dodatkowo pomiar ciśnienia porowego w sąsiedztwie stożka (u). [ISOCPT] Metoda ta charakteryzuje się dużą dokładnością pomiaru i wrażliwością na zmienne właściwości podłoża [ZAS].

Interpretacja jakościowa sondowań statycznych obejmuje określenie:

  • jednorodności budowy podłoża,
  • granic między różnymi pod względem litologicznym warstwami,
  • granicy między gruntami nasypowymi a rodzimymi,
  • wstępnej oceny stopnia skonsolidowania gruntów spoistych [ZAS].

Interpretacja ilościowa obejmuje z kolei określenie:

  • rodzaju gruntu (najczęściej na podstawie diagramu Robertsona),
  • stanu (ID) gruntów niespoistych i konsystencji (ID) gruntów spoistych (na podstawie zależności korelacyjnych),
  • parametrów odkształceniowych (M0, E0) i wytrzymałościowych (Ф’, cu) gruntów,
  • nośności pali fundamentowych (metody bezpośrednie).

4.2 Badania dylatometryczne

Celem badań dylatometrem płaskim typu DMT (ang. dilatometer Marchetti test) jest wyznaczenie parametrów wytrzymałościowych i odkształceniowych gruntu in situ poprzez odkształcenie cienkiej kolistej stalowej membrany, zamontowanej w płaszczyźnie jednej strony stalowej sondy w kształcie łopatki, wprowadzonej pionowo do gruntu [EC7-2] (Fot. 4).

Badanie polega na pomiarze ciśnień (za pomocą manometrów – por. Fot. 5) w dwóch położeniach membrany: najpierw, gdy jest ona w jednej płaszczyźnie z ostrzem, mierzy się ciśnienie wymagane do rozpoczęcia przemieszczenia membrany (pomiar A), następnie ciśnienie po jej wysunięciu o 1,1 mm w kierunku gruntu (pomiar B), dodatkowo można też mierzyć ciśnienie po powrocie membrany do pozycji wyjściowej (pomiar C).

Dylatometr Marchettiego jest przyrządem umożliwiającym rozpoznanie i pomiar parametrów gruntu bezpośrednio w podłożu. Przydatny jest szczególnie do:

  • identyfikacji rodzaju gruntu,
  • ustalenia historii naprężeń w gruncie,
  • oszacowania wartości parametrów, takich jak: moduły odkształcenia (E0, E), wytrzymałość na ścinanie bez odpływu (cu), współczynnik parcia bocznego (K0), naprężenie prekonsolidacji [ZAS].