سد باطله چیست؟

شرکت های معدنی مختلف به دنبال افزایش منافع اقتصادی خود به حفر معادن عمیق‌تر و بزرگتر روی آورده و احجامی جدید و زیاد از حجم باطله را بر جا گذاشته اند. برای مدیریت این باطله ها و آوارهای معدنی است که شرکت های بزرگ، سد هایی را ساخته اند که در زمره بزرگترین و غول پیکرترین ساخته های دست بشر به شمار می رود. در این خاکریزهای سفالی که به نام سد باطله شناخته می شوند، جریان های گل و لای، مورد فرآوری قرار می‌گیرند تا سنگ‌ها و آب ها از آن جدا شده و در نهایت، فلزات باقی بمانند.

  سد های باطله به طور نظری به این منظور ساخته می شوند که تا ابد باقی بمانند. با این حال، در عمل اتفاقات متعددی رخ می دهد که مهندسان معدنی و ساختمانی هم خودشان نسبت به تکرار این اتفاقات هشدار دهند.

کاربرد، ساختار و تفاوت‌ سد های باطله با سدهای آبی

سدهای باطله به منظور انباشت و رسوب دادن مواد باطله (پساب) حاصل از کارخانجات کنسانتره مواد معدنی و همچنین در اکثر موارد با برگشت مجدد آب به کارخانه هم زمان با استخراج معدن ساخته می شود. در سراسر دنیا حدود 3500 سد باطله وجود دارد که این سدها بر خلاف سدهای نیروگاهی از بتن یا سنگ ساخته نشده اند. بیشتر سد های باطله از نوع خاکی می باشند و به منظور کاهش هزینه ها از مصالح موجود در محل احداث کارخانه جهت ساخت بدنه سد استفاده می گردد. تفاوت اساسی این سدها با سدهای آبی امکان خطر نشت پساب به آب های زیرزمینی و پایین دست سد می باشد که وجود عناصر سنگین و سمی بودن پساب ها می تواند باعث خسارات زیست محیطی جبران ناپذیری گردد. بنابراین لازم است سدهای باطله با دقت و ضریب اطمینان بالا طراحی، ساخته و کنترل شوند. چرا که در صورت تخریب سد باطله محیط زیست پایین دست آلوده شده و چه بسا حیات و سلامت انسان و محیط زیست در آن ناحیه در معرض خطر جدی قرار گیرد. در این بین تنها سه کشور هستند که فعالیت سدهای بالادستی را ممنوع کرده اند. شیلی، پرو و جدیدا برزیل. شیلی که اولین تولید کننده مس دنیاست همچنین مقرراتی برای حداقل فاصله سدها با محل سکونت مردم را نیز طراحی کرده است.

باطله های معدنی به شیوه های مختلفی انبار می شوند. در یکی از رایج‌ترین و ارزان‌ترین شیوه ها، خاکریزهایی برای نگهداری باطله ها ایجاد می کنند. با افزایش حجم این پسماندها در پشت سد ایجاد شده، مرحله دیگری از خاکریزی انجام می‌شود تا ارتفاع سد افزایش یابد. در این شیوه، لایه‌های مختلف خاکریزی به صورت پلکانی و به داخل سد باطله انجام می شود. با این حال، بررسی ها نشان می دهد که این نوع از سدهای باطله بسیار خطرناک هستند و به ویژه در برابر زلزله کارآیی خاصی ندارند. به همین دلیل است که استفاده از آنها در شیلی زلزله خیز ممنوع است.

در این میان، مشکلات دیگری هم وجود دارد که نمی توان از آنها چشم پوشید. یکی از آنها این است که در کشورهای استبدادی، به ویژه چین، آماری از فجایع معدنی منتشر نمی شود. قانون گذاری و اجرای مقررات هم در کشورها و مناطق مختلف با یکدیگر تفاوت دارد و گاهی به شرکت های بزرگ اجازه می دهند که خودشان بر فعالیت هایشان نظارت داشته باشند. هاروی مک لوید، رییس کمیته باطله های کمیسیون بین المللی سدهای بزرگ هم می گوید: «در گوشه و کنار جهان شاهد یک هرج و مرج هستیم. سدهای باطله، سازه های بسیار پیچیده ای هستند که نمی توان برای آنها مقررات از پیش تدوین شده ای نوشت و این موضوع، کار را دشوارتر می کند.

 روش‌های ساخت استخر و سد باطله

سدها و استخرهای باطله در معدن‌کاری و صنایع مرتبط با مواد معدنی کاربرد دارند و برای ذخیره و مدیریت مواد زاید یا پساب‌های حاصل از فرآیندهای صنعتی استفاده می‌شوند. ساخت این سازه‌ها به دلیل اهمیت حفظ ایمنی و کاهش اثرات زیست‌محیطی، نیازمند روش‌ها و فناوری‌های خاصی است. در ادامه به برخی از روش‌های معمول ساخت استخر و سد باطله اشاره می‌کنیم:

1. سدهای خاکی

سدهای خاکی یکی از پرکاربردترین روش‌های ساخت سد باطله هستند که از مصالح خاکی محلی، مانند ماسه و رس، برای ساخت آن استفاده می‌شود. این نوع سدها به دلیل هزینه کمتر و دسترسی به مصالح بومی، معمولاً انتخاب مناسبی هستند. سدهای خاکی معمولاً با استفاده از لایه‌بندی و کوبیدن مصالح به شکل لایه‌ای ساخته می‌شوند تا مقاومت لازم ایجاد شود.

2. سدهای سنگریزه‌ای

این نوع سدها، با استفاده از سنکریزه ها و سنگ های خرد شده ساخته شده و اغلب در مناطقی که مصالح سنگی مناسبی در دسترس هستند، به کار میروند. سدهای سنگریزه‌ای مقاومت بالایی دارند و برای کنترل سیالات باطله که ممکن است حاوی مواد شیمیایی باشند، مناسب‌اند. ساخت این نوع سدها معمولاً نیاز به استحکام بیشتر و زیرساخت‌های مناسب‌تری دارد.

3. سدهای مرکب یا ترکیبی

سدهای مرکب از ترکیب چندین روش و نوع مصالح ساخته می‌شوند. به عنوان مثال، می‌توانند شامل ترکیبی از خاک، سنگریزه و سیمان باشند. این نوع سدها با هدف افزایش پایداری و بهبود عملکرد ساخته می‌شوند. استفاده از این روش بیشتر در شرایطی است که نیاز به یک سازه مقاوم و ایمن‌تر در برابر فشارها و خطرات محیطی وجود دارد.

4. سدهای بتنی

در برخی موارد، از بتن برای ساخت سدهای باطله استفاده می‌شود، به ویژه زمانی که نیاز به مقاومت بالا در برابر فشار یا جلوگیری از نشت مواد شیمیایی است. سدهای بتنی هزینه ساخت بالاتری نسبت به سدهای خاکی یا سنگریزه‌ای دارند، اما برای کاربردهایی که پایداری بیشتری نیاز دارند، استفاده می‌شوند.

5. سدهای بالارونده (Upstream, Downstream, Centerline)

این روش‌ها به موقعیت ساخت و گسترش سد باطله مربوط می‌شوند و شامل سه روش اصلی هستند:

• روش بالارونده (Upstream): در این روش، سازه سد باطله به مرور زمان و با پیشرفت عملیات معدنی از مواد باطله خود معدن ساخته می‌شود. این روش ارزان‌تر است، اما ریسک شکست بالاتری دارد.
• روش پایین‌رونده (Downstream): این روش ایمن‌تر است و مواد اضافی برای تقویت بخش پایین سد استفاده می‌شوند، که به پایداری بیشتر منجر می‌شود.
• روش سنترلاین (Centerline): در این روش، ارتفاع سد از خط مرکزی افزایش می‌یابد و ترکیبی از روش‌های بالارونده و پایین‌رونده است. این روش تعادل خوبی بین هزینه و پایداری ایجاد می‌کند.

6. استفاده از لاینرها (Liners)

در ساخت استخر و سدهای باطله، اغلب از لاینرهای ژئوممبران یا لاینرهای خاکی به عنوان لایه‌های عایق استفاده می‌شود تا از نشت مواد سمی و آلودگی آب‌های زیرزمینی جلوگیری شود. این لاینرها به طور ویژه برای حفظ محیط زیست و جلوگیری از نفوذ مواد شیمیایی به آب‌های سطحی و زیرزمینی استفاده می‌شوند.

7. سدهای سلولی (Cell Dams)

در این روش، سد باطله به بخش‌های مختلفی به نام سلول تقسیم می‌شود. هر سلول به صورت جداگانه ساخته و پر می‌شود و این کار به کنترل بهتر پسماندها و کاهش ریسک نشت یا شکست سد کمک می‌کند.

انتخاب روش ساخت مناسب

انتخاب روش ساخت مناسب برای استخر و سد باطله به عوامل متعددی بستگی دارد که شامل شرایط زمین‌شناسی، میزان تولید پسماند، نوع مواد معدنی و باطله، و همچنین شرایط اقتصادی و زیست‌محیطی می‌باشد. هر کدام از این روش‌ها می‌تواند با توجه به شرایط خاص معدن و اهداف زیست‌محیطی و ایمنی انتخاب شود.

راهکارهای کاهش ریسک فاجعه‌های معدنی در سدهای باطله

برخی از سد های باطله قدیمی در جهان وجود دارند که بسته شده و به تدریج وضعیت باثباتی به خود می گیرند. کم و بیش هم می توان سدهایی یافت که با طبیعت اطراف خود تلفیق می شوند. شرکت معدنی آنتوفاگاستا یکی از شرکت هایی است که احیای طبیعت را در دستور کار خود قرار داده است. این شرکت، سد باطله «کوئیلایس» شیلی خود را که در دهه گذشته بسته شده، همچنان مورد توجه قرار می دهد. در اطراف و داخل این سد، گیاهان و درختانی بومی کاشته شده اند تا مواد سمی موجود در باطله ها را جذب کنند و ظاهری همگون با محیط اطراف هم پدید آورند. سد باطله دیگری هم که در شهر وناتچه واشنگتن ایالات متحده قرار دارد و متعلق به یک معدن طلای متروک است، با انجام اقدامات زیست محیطی تبدیل به یک مرکز سوارکاری و تفریحی برای علاقه‌مندان به اسب دوانی شده است.

 برای جلوگیری از فاجعه های معدنی مشابه باید در طراحی سدها دقت بیشتری کرد، حجم باطله های پشت آنها را محدود کرد (تعداد سدها را افزایش داد و تمام بار باطله‌ها را پشت یک سد رها نکرد) و در نهایت از طراحی های ایمن‌تر سدها استفاده کرد؛ هر چند تمام این شیوه ها گرانتر تمام خواهند شد.

اما موضوع دیگری که کارشناسان به آن اشاره می کنند، حجم قابل توجه آب در باطله های معدنی است که نگهداری آنها را مخاطره آمیزتر می کند. برای اجتناب از این خطر، به شرکت های معدنی توصیه می شود که در انتهای فرآیندهای خود و پیش از انبار باطله ها، بخشی از آب موجود در آن را جداسازی کنند. فرآوری خشک هم راه دیگری برای حرکت به آن سمت است.

پایش آلودگی آب های زیرزمینی مخازن و سدهای باطله از اهمیت ویژه ای برخوردار بوده که برای این امر یک چاه پایش به شکل دستی یا دستگاهی حفر شده و این چاه ممکن است به سطح آب های زیرزمینی برسد و یا با آن فاصله داشته باشد. هدف از حفر چاه پایش در شکل زیر مشخص شده است.

چاه پایش شاهد به چاهی گفته می شود که مانند دیگر چاه های پایش به صورت دستی و یا  دستگاهی حفر می شود. در صورت وجود فعالیت های انسانی، صنعتی، خدماتی، تولیدی و … در پیرامون سد یا مخزن باطله ممکن است به نوعی باعث تداخل آلودگی ها شود؛ لذا با هدف تفکیک آلودگی های واحدهای مجاور و بالادست از واحد تحت پایش، چاه شاهد مورد پایش قرار می گیرد تا آلودگی های  فعالیت های دیگر پس از مقایسه و تطبیق نتایج پایش با این واحد قابل تفکیک و تمیز از همدیگر باشد. چاه شاهد بنا به درخواست مسئول مخزن یا سد باطله در بالادست جهت جریان آب های زیرزمینی گزینش و حفر می شود.

سدهای باطله به خاطر عدم اعمال تحکیم در حین ساخت، عدم تزریق و یا عدم ایجاد هسته های نفوذ ناپذیر نسبت به سایر انواع سدهای خاکی کمترین مقاومت را دارند و چنانچه به علتی در آنها تخریب صورت پذیرد کاملاً ناگهانی و فاجعه آمیز خواهد بود. بنابراین سدهای باطله در مبحث ژئوتکنیک نیازمند توجه به مسائلی از قبیل: جانمایی سد با توجه به تأثیر عوامل ساختاری مثل ناپیوستگی ها به خصوص گسل های ناحیه، محاسبه خواص مکانیکی و دینامیکی خاک پی و دیواره های سد، بررسی وضعیت هیدروسیستم سد و تحلیل پایداری شیب دیواره ها می باشند.

عموماً روش های تحلیل پایداری شیروانی های خاکی (Limit equilibrium method) روش های مبتنی بر تعادل حدی و روش های آنالیز حدی می باشد. در روش های تعادل حدی فرض بر این است که در امتداد سطح لغزش (مسطح یا منحنی) معیار گسیختگی موهر-کولمب حاکم بوده و بخش لغزنده به صورت مجزا و صلب بر سطح لغزش جا به جا می شود و با در نظرگرفتن نسبت نیروهای مقاوم به نیروهای محرک در سازه، ضریب اطمینان تعیین می گردد. با توجه به تشریح روش های تحلیل قطعی پایداری، مشخص است که در این روش تحلیل پایداری شیب دیواره، مشخصه های ورودی ضریب اطمینان، همه از نوع قطعی در نظر گرفته می شوند و با توجه به اینکه خاک و سنگ از جمله محیط های غیرهمگن و ناهمسانگرد هستند که معمولاً توسط یک سری مشخصات هندسی، مکانیکی و مقاومتی (وزن مخصوص، مدول یانگ، چسبندگی، زاویه اصطکاک داخلی وغیره) تعریف می شوند و ممکن است این مشخصات در دو نقطه مختلف مقادیر متفاوتی را نشان دهند، بنابراین لازم است از روش هایی استفاده گردد که در آن بتوان با تحلیل های احتمالاتی ابهامات مشخصات ورودی در محاسبه ضریب اطمینان را بررسی کرده و این امکان را فراهم سازند تا احتمال ریزش سازه تعیین شود.

با توجه به نتایج حاصل از تحلیل حساسیت این نکته قابل توجه است که در ساخت سد باطله به اکثر مشخصات خاک دیواره سد توجه گردد و از خاکی استفاده گردد که دارای چگالی و سایر مشخصه های مناسب باشد و نیز با مقایسه نتایج حاصل از تحلیل حساسیت و تحلیل احتمالاتی این نکته روشن است که با استفاده از روش های تحلیل حساسیت نمی توان احتمال شکست سازه را محاسبه نمود.