Ποσοτικοποίηση διαρροών μέσω σύνθετων στεγανωτικών στρώσεων πυθμένα ΧΥΤΑ: Βελτιώσεις μεθόδων υπολογισμού Giroud και σύγκριση με επί τόπου μετρήσεις

Ποσοτικοποίηση διαρροών μέσω σύνθετων στεγανωτικών στρώσεων πυθμένα ΧΥΤΑ: Βελτιώσεις μεθόδων υπολογισμού Giroud και σύγκριση με επί τόπου μετρήσεις Ιωάννης-Νέστωρ Καούρης Επιβλέπουσα: Μαρίνα Πανταζίδου, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Τομέα Γεωτεχνικής Σχολής Πολιτικών Μηχανικών ΕΜΠ ΑΘΗΝΑ ΙΟΥΛΙΟΣ, 2025 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτέλεσε για εμένα την πιο σημαντική ακαδημαϊκή εμπειρία κατά τη διάρκεια των σπουδών μου στο Πολυτεχνείο.Μέσα από τη διαδικασία εκπόνησής της εξελίχθηκα τόσο επιστημονικά όσο και προσωπικά.Η εμπειρία αυτή δεν θα ήταν δυνατή χωρίς τη στήριξη και την καθοδήγηση ορισμένων πολύτιμων ανθρώπων για εμένα.Θα ήθελα να εκφράσω την ειλικρινή μου ευγνωμοσύνη στην επιβλέπουσα καθηγήτρια-coach μου, κυρία Μαρίνα Πανταζίδου, για την εμπιστοσύνη που έδειξε στις δυνατότητές μου και για την ώθηση που μου έδωσε να φτάσω πιο κοντά σε αυτές.Την ευχαριστώ θερμά για την πολύτιμη καθοδήγησή της, που ξεπέρασε τα όρια της διπλωματικής εργασίας.Η επιστημονική της κατάρτιση, η αφοσίωση, το ειλικρινές ενδιαφέρον, η υπομονή, η διαθεσιμότητα, και η έμπνευση που μου προσέφερε, αποτέλεσαν καθοριστικά στοιχεία για την ολοκλήρωση της εργασίας και γι' αυτό της είμαι βαθιά ευγνώμων.Ευχαριστώ τα μέλη της εξεταστικής επιτροπής, και συγκεκριμένα τον κ.Δανιήλ Μαμάη, Καθηγητή της Σχολής Πολιτικών Μηχανικών ΕΜΠ και τον κ.Αχιλλέα Παπαδημητρίου, Αναπληρωτή Καθηγητή της Σχολής Πολιτικών Μηχανικών ΕΜΠ, για τη συμμετοχή τους στη διαδικασία αξιολόγησης της εργασίας μου.Επιπλέον, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Κυριάκο Κανδρή για την καλογραμμένη διπλωματική εργασία του, την οποία χρησιμοποίησα ως οδηγό στην εκπόνηση της δικής μου.Από καρδιάς ευχαριστώ τη Δήμητρα, που με στήριξε ψυχικά σε όλη τη διάρκεια αυτής της προσπάθειας, τους γονείς μου Αντώνη και Μαρία, τον αδελφό μου Ρίκη, τον παππού μου Γιώργο, τη γιαγιά μου Νίκη, τη θεία μου Μπέτυ και τα ξαδέλφια μου Βένια και Νικόλα, για την αγάπη και τη συμπαράστασή τους.v Ποσοτικοποίηση διαρροών μέσω σύνθετων στεγανωτικών στρώσεων πυθμένα ΧΥΤΑ: Βελτιώσεις μεθόδων υπολογισμού Giroud και σύγκριση με επί τόπου μετρήσεις ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η διαχείριση των αποβλήτων είναι μια σημαντική περιβαλλοντική πρόκληση της σύγχρονης εποχής, καθώς απαιτεί την ελαχιστοποίηση των επιπτώσεων στο φυσικό περιβάλλον.Στο πλαίσιο αυτό, οι Χώροι Υγειονομικής Ταφής Απορριμμάτων (ΧΥΤΑ) οφείλουν να προστατεύουν το υπέδαφος από τη ρύπανση που προκαλούν τα απόβλητα και τα στραγγίσματα που διηθούνται ανάμεσα από τα απόβλητα.Για τον σκοπό αυτό, ο πυθμένας ενός ΧΥΤΑ διαμορφώνεται με τη χρήση στεγανωτικών στρώσεων, οι οποίες αποσκοπούν στην παρεμπόδιση των διαρροών.Ωστόσο, η πλήρης αποτροπή δεν είναι εφικτή• οι διαρροές είναι αναπόφευκτες!Η παρούσα διπλωματική εργασία εστιάζει στις διαρροές μέσω των σύνθετων στεγανωτικών στρώσεων που κατασκευάζονται στον πυθμένα ΧΥΤΑ.Αρχικά, παρουσιάζονται τα βασικά υλικά που χρησιμοποιούνται για τη διαμόρφωση των στεγανωτικών στρώσεων, δηλαδή η γεωμεμβράνη, η συμπυκνωμένη άργιλος και η γεωσυνθετική άργιλος, καθώς και οι συνήθεις διατάξεις που συναντώνται στην πράξη, δηλαδή η σύνθετη στρώση και η διπλή στρώση.Επιπλέον παρουσιάζονται οι νομοθετικές απαιτήσεις για τον πυθμένα που ισχύουν σε ΕΕ, ΗΠΑ και Ηνωμένο Βασίλειο.Στην συνέχεια, παρουσιάζονται οι εμπειρικές εξισώσεις για την ποσοτικοποίηση των διαρροών σε σύνθετες στεγανωτικές στρώσεις που αναπτύχθηκαν από τον Giroud και τους συνεργάτες του στην χρονική περίοδο 1989-2006.Εξετάζονται οι τροποποιήσεις που αυτοί επέφεραν στις διαδοχικές εκδοχές των εξισώσεων για να πετύχουν την άρση αρχικών παραδοχών, όπως η παραδοχή υδραυλικής κλίσης ίσης με τη μονάδα, καθώς και οι νέες εξισώσεις που ανέπτυξαν για διαφορετικά είδη ατελειών της γεωμεμβράνης.Αυτή η ανάλυση αναδεικνύει τη διαχρονική εξέλιξη και σταδιακή βελτίωση των μεθόδων υπολογισμού των διαρροών.Οι εξισώσεις που αφορούν συγκεκριμένα κυκλικές οπές χρησιμοποιήθηκαν, σε κάθε διαδοχική εκδοχή τους, σε υπολογισμούς του ρυθμού διαρροής σε σύνθετη στεγανωτική στρώση από γεωμεμβράνη και συμπυκνωμένη άργιλο.Τα αποτελέσματα των υπολογισμών συγκρίνονται μεταξύ τους για να αξιολογηθεί η μεταξύ τους απόκλιση, η οποία γίνεται εμφανής σε μεγάλα ύψη στραγγίσματος.Ακολούθως, γίνονται υπολογισμοί του ρυθμού διαρροής μέσω τριών διαφορετικών στεγανωτικών στρώσεων: σκέτης γεωμεμβράνης, σύνθετης στεγανωτικής στρώσης από γεωμεμβράνη και συμπυκνωμένη άργιλο, και σύνθετης στεγανωτικής στρώσης από γεωμεμβράνη, γεωσυνθετική άργιλο και συμπυκνωμένη άργιλο.Οι υπολογισμοί πραγματοποιούνται και πάλι για κυκλικές οπές, συγκεκριμένων μεγεθών και συχνότητας, που αντιστοιχούν σε πολύ καλής ποιότητας κατασκευή, για διαφορετικά ύψη στραγγίσματος.Για τις υπόλοιπες μεταβλητές (πάχη και υδραυλική αγωγιμότητα στεγανωτικών στρώσεων) ελήφθησαν υπόψη τυπικές τιμές πεδίου.Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με επί τόπου μετρήσεις από την βιβλιογραφία, για κυψέλες ΧΥΤΑ με αντίστοιχες στεγανωτικές στρώσεις.Τέλος, τα αποτελέσματα των υπολογισμών συγκρίνονται με τιμές αναφοράς στις Ηνωμένες Πολιτείες και στην Ευρωπαϊκή Ένωση.Οι ρυθμοί διαρροής καλύπτουν δύο τάξεις μεγέθους.Οι vi χαμηλότεροι, της τάξης των 2-10 λίτρων ανά εκτάριο ανά μέρα, είναι αυτοί που προέκυψαν από τους υπολογισμούς, λαμβάνοντας υπόψη περιορισμένες ατέλειες που μπορούν να επιτευχθούν με κατασκευή καλής ποιότητας.Η μέση μετρημένη τιμή στο πεδίο είναι της τάξης των 20-100 λίτρων ανά εκτάριο ανά μέρα και οι επιτρεπόμενες τιμές από την νομοθεσία είναι της τάξης των 200-1000 λίτρων ανά εκτάριο ανά μέρα.Συνοπτικά, η παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζει δύο βασικές πτυχές της εκτίμησης διαρροών σε στεγανωτικές στρώσεις ΧΥΤΑ: την εξέλιξη και βελτίωση των εμπειρικών εξισώσεων που αναπτύχθηκαν σε μια περίοδο περίπου εικοσαετίας η οποία ακολούθησε την καθιέρωση νομοθετικών ρυθμίσεων για ΧΥΤΑ και την σύγκριση των αποτελεσμάτων των εξισώσεων με επί τόπου μετρήσεις.vii Quantification of leakage through composite landfill liners: Improvements of Giroud's calculation methods and comparison with in situ measurements ABSTRACT Waste management is a pressing environmental challenge of the modern era, due to the need to minimize impact on the natural environment.In this context, landfills must ensure their impermeability in order to prevent contamination of the subsoil and groundwater by waste and leachate.To this end, modern landfills incorporate engineered liners designed to minimize leakage.However, no liner system is completely impermeable, and some level of leakage is inevitable.This thesis focuses on leakage through composite landfill liners.Firstly, we introduce the main materials used in liner construction, i.e. geomembranes, compacted clay, and geosynthetic clay, along with common configurations found in practice, i.e. composite liners and double liners.We also outline regulatory requirements for bottom liner systems in the European Union, United States and the United Kingdom.ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 2.1: Ρυθμός διαρροής στραγγισμάτων σε ΧΥΤΑ με διπλή στεγανωτική στρώση (Bonaparte et al., 2002)………………………………………………………………………………………………………………………………………… 16 Πίνακας 2.2: Ρυθμός διαρροής στραγγισμάτων σε ΧΥΤΑ με διπλή στεγανωτική στρώση (Jain et al., 2023)……………………………………………………………………………………………………………………………………………… 18 Πίνακας 2.3: Συνδυασμοί μεταβλητών που εξετάστηκαν στα πειράματα των Brown et al. (1987)….. 22 Πίνακας 2.4: Υπολογισμένος ρυθμός διαρροής (m 3 /year) για μεταβλητά: διάμετρο κυκλικής οπής, ύψος στραγγίσματος και υδραυλική αγωγιμότητα εδάφους (Brown et al., 1987: Πίνακας 18)……….. 26 Πίνακας 2.5: Εξισώσεις για οριακές καταστάσεις ρυθμού διαρροής κατά τους Giroud and Bonaparte, 1989b……………………………………………………………………………………………………………………………………………… 35 Πίνακας 2.6: Εμπειρικές εξισώσεις κατά τους Giroud et al. (1989)…………………………………………………. 37 Πίνακας 2.7: Εξισώσεις για ρυθμό διαρροής κατά τους Giroud et al. (1992)……………………………………. 39 Πίνακας 2.8: Εξισώσεις για ρυθμό διαρροής κατά τον Giroud (1997)……………………………………………… 40 Πίνακας 2.9: Εξισώσεις για ρυθμό διαρροής κατά τους Touze-Foltz και Giroud (2003, 2005)………….. 42 Πίνακας 2.10: Εξισώσεις για ρυθμό διαρροής κατά τους Giroud και Touze-Foltz (2005)………………….43 Πίνακας 2.11: Εξισώσεις για ρυθμό διαρροής κατά τους Touze-Foltz και Barroso (2006)………………… 44 Πίνακας 3.1: Μέθοδοι που θα χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό του ρυθμού διαρροής στην σύνθετη στεγανωτική στρώση από γεωμεμβράνη και συμπυκνωμένη άργιλο (GM+CCL)……………….48 Πίνακας 3.2: Εξισώσεις που θα χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό του ρυθμού διαρροής στις 3 ενδεικτικές στεγανωτικές στρώσεις (GM, GM+CCL, GM+GCL)……………………………………………………..… 48 Πίνακας 3.3: Τιμές παραμέτρων που θα χρησιμοποιηθούν στους υπολογισμούς…………………………… 50 Πίνακας 3.4: Εξισώσεις γραφικής μεθόδου Giroud και Bonaparte (1989b) για υπολογισμό ρυθμού διαρροής μέσω κυκλικής οπής σε σύνθετη στεγανωτική στρώση…………………………………………………… 53Πίνακας 3.5: Ρυθμός διαρροής από κυκλική οπή σε σύνθετη στεγανωτική στρώση από γεωμεμβράνη και συμπυκνωμένη άργιλο (GM+CCL) με ks = 1 x 10 -9 m/s, Hs = 1 m, α = 10 mm 2 για ύψος στραγγίσματος hw = 0,03 m, hw = 0,3 m και hw = 3 m για καλή και κακή επαφή υπολογισμένος με την γραφική μέθοδο των Giroud και Bonaparte (1989b)………………………………………………………………………………………………….53 Πίνακας 3.6: Ρυθμός διαρροής από κυκλική οπή σε σύνθετη στεγανωτική στρώση από γεωμεμβράνη και συμπυκνωμένη άργιλο (GM+CCL) με ks = 1 x 10 -9 m/s, Hs = 1 m, α = 5 mm 2 για ύψος στραγγίσματος hw = 0,03 m, hw = 0,3 m και hw = 3 m για καλή και κακή επαφή υπολογισμένος με την γραφική μέθοδο των Giroud και Bonaparte (1989b)………………………………………………………………………………………………….. 53 Πίνακας 3.7: Ρυθμός διαρροής από κυκλική οπή σε σύνθετη στεγανωτική στρώση από γεωμεμβράνη και συμπυκνωμένη άργιλο (GM+CCL) με ks = 1 x 10 -9 m/s, Hs = 1 m, α = 3 mm 2 για ύψος στραγγίσματος hw = 0,03 m, hw = 0,3 m και hw = 3 m για καλή και κακή επαφή υπολογισμένος με την γραφική μέθοδο των Giroud και Bonaparte (1989b)………………………………………………………………………………………………….. 54 xiv Πίνακας 3.8: Ρυθμός διαρροής από κυκλική οπή σε σύνθετη στεγανωτική στρώση από γεωμεμβράνη και συμπυκνωμένη άργιλο (GM+CCL) με ks = 1 x 10 -9 m/s, Hs = 1 m,