Bottom Sediments from a Dam Reservoir as a Core in Embankments—Filtration and Stability: A Case Study
Abstract
:1. Introduction
2. Materials and Methods
2.1. Study Area
2.2. Geotechnical Parameters
2.3. Stability and Filtration Calculations
3. Results
3.1. Characteristic of Bottom Sediments
3.2. Filtration Calculations
3.3. Stability Calculations
3.3.1. Bishop’s Method
3.3.2. FEM Method
3.4. Summary and Discussion of the Results
4. Conclusions
Author Contributions
Funding
Institutional Review Board Statement
Informed Consent Statement
Conflicts of Interest
References
- Sobczak, J. Zapory z Materiałów Miejscowych; PWN: Warszawa, Poland, 1975. [Google Scholar]
- Flores-Berrones, R.; López-Acosta, P. Internal Erosion due to Water Flow through Earth Dams and Earth Structures. In Soil Erosion; Godone, D., Stanchi, S., Eds.; IntechOpen: Rijeka, Croatia, 2011; pp. 283–306. [Google Scholar] [CrossRef] [Green Version]
- U.S. Society on Dams. Materials for Embankment Dams; Prepared by the USSD Committee on Materials for Embankment Dams; U.S. Society on Dams: Denver, CO, USA, 2011. [Google Scholar]
- Bednarczyk, S.; Jarzębińska, T.; Mackiewicz, S.; Wołoszyn, E. Vademecum ochrony przeciwpowodziowej; Krajowy Zarząd Gospodarki Wodnej: Gdańsk, Poland, 2006. [Google Scholar]
- Park, J.; Son, Y.; Noh, S.; Bong, T. The suitability evaluation of dredged soil from reservoirs as embankment material. J. Environ. Manag. 2016, 183, 443–452. [Google Scholar] [CrossRef]
- Ipsita, P.; Surabhi, J.; Sarat, K.; Jayabalan, R. Characterization of red mud as a structural fill and embankment material using bioremediation. Int. Biodeterior. Biodegrad. 2017, 119, 368–376. [Google Scholar] [CrossRef]
- Zydroń, T.; Gruchot, A. Influence of Moisture and Compaction on Shear Strength and Stability of Embankments from Ash-Slag Mixture. (In Polish: Wpływ wilgotności i zagęszczenia na wytrzymałość na ścinanie popioło-żużli i stateczność budowanych z nich nasypów). Annu. Set Environ. Prot. Rocznik Ochrony Środowiska 2014, 16, 498–518. [Google Scholar]
- Gruchot, A. Utilisation of Coal Mining Wastes and Fuel Ashes for Engineering Purposes as a Factor of Environmental Development and Protection. (In Polish: Utylizacja Odpadów Powęglowych i Poenergetycznych do Celów Inżynierskich Jako Czynnik Kształtowania i Ochrony środowiska); Zeszyty Naukowe (Rozprawy), 410; Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja: Kraków, Poland, 2016; p. 533. [Google Scholar]
- Gwóźdź, R. Geotechnic properties of sediment deposited in the Rożnowskie lake and the possibility of using it in municipal waste disposal site soil construction. (In Polish: Właściwości geotechniczne osadów zdeponowanych w jeziorze rożnowskim oraz możliwości ich wykorzystania do budowy przesłon mineralnych w składowiskach odpadów komunalnych). Czasopismo Techniczne-Środowisko 2008, 1, 13–23. [Google Scholar]
- Dysarz, T.; Wicher-Dysarz, J. Analysis of Flow Conditions in the Stare Miasto Reservoir Taking into Account Sediment Settling Properties. Annu. Set Environ. Prot. Rocznik Ochrony Środowiska 2013, 15, 584–605. [Google Scholar]
- Łajczak, A. Studium nad Zamulaniem Wybranych Zbiorników Zaporowych w Dorzeczu Wisły; Monografie Komitetu Gospodarki Wodnej PAN; Oficyna Wydawnicza PWN, Zeszyt 8: Warszawa, Poland, 1995. [Google Scholar]
- Batuca, G.D.; Jordaan, M.J. Silting and Desilting of Reservoirs; A.A. Balkema: Rotterdam, The Netherlands, 2000. [Google Scholar]
- Journal of Laws. Dz.U. z 2014 r., poz. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 9 grudnia 2014 r. w sprawie katalogu odpadów. 1923. Available online: https://dziennikustaw.gov.pl/DU/rok/2014/pozycja/1923 (accessed on 10 September 2020).
- Journal of Laws. Dz.U. z 2013 r., poz. 21. Ustawa z dnia 14 grudnia 2012 r. o odpadach z późniejszymi zmianami. Available online: https://dziennikustaw.gov.pl/DU/rok/2013/pozycja/21 (accessed on 10 September 2020).
- Sojka, M.; Siepak, M.; Gnojska, E. Assessment of heavy metal concentration in bottom sediments of Stare Miasto pre-dam reservoir on the Powa River. (In Polish: Ocena zawartości metali ciężkich w osadach dennych wstępnej części zbiornika retencyjnego Stare Miasto na rzece Powie). Annu. Set Environ. Prot. Rocznik Ochrona Środowiska 2013, 15, 1916–1928. [Google Scholar]
- Zhang, Y.; Zhang, X.; Bi, Z.; Yu, Y.; Shi, P.; Ren, L.; Shan, Z. The impact of land use changes and erosion process on heavy metal distribution in the hilly area of the Loess Plateau, China. Sci. Total Environ. 2020, 718. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
- Augustyniak, R.; Grochowska, J.; Łopata, M.; Parszuto, K.; Tandyrak, R. Characteristics of bottom sediments in polish lakes with different trophic status. In Polish River Basins and Lakes—Part I. The Handbook of Environmental Chemistry; Korzeniewska, E., Harnisz, M., Eds.; Springer: Cham, Switzerland, 2020; p. 86. [Google Scholar] [CrossRef]
- Baran, A.; Tarnawski, M.; Kaczmarski, M. Assessment of agricultural utilization of bottom sediments from the Besko reservoir. Czasopismo Techniczne 2011, 108, 3–11. [Google Scholar]
- Szara, M.; Baran, A.; Klimkowicz-Pawlas, A.; Tarnawski, M. Ecotoxicological characteristics and ecological risk assessment of trace elements in the bottom sediments of the Rożnów reservoir (Poland). Ecotoxicology 2020, 29, 45–57. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
- Szal, D.; Gruca-Rokosz, R. Anaerobic oxidation of methane in freshwater sediments of Rzeszów reservoir. Water 2020, 12, 398. [Google Scholar] [CrossRef] [Green Version]
- Wiśniowska-Kielian, B.; Niemiec, M. Effect of bottom sediment addition to the substratum on the quality of produced maize biomass. Ecol. Chem. Eng. 2007, 14, 581–589. [Google Scholar]
- Fonseca, R.M.; Barriga, F.; Fyfe, W.S. Reversing desertification by using same reservoir sediments as agriculture soils. Episodes 1998, 21, 218–224. [Google Scholar] [CrossRef] [Green Version]
- Canet, R.; Chaves, C.; Pomares, R.; Alibach, R. Agricultural use of sediments from the Albufera Lake (eastern Spain). Agric. Ecosyst. Environ. 2003, 95, 29–36. [Google Scholar] [CrossRef]
- Baran, A.; Jasiewicz, C.; Tarnawski, M. Effect of bottom desposit on trace element content in light soil. Ecol. Chem. Eng. 2010, 17, 1553–1561. [Google Scholar]
- Tarnawski, M.; Baran, A.; Koniarz, T.; Wyrębek, M.; Grela, J.; Piszczek, M.; Koroluk, A. The possibilities of the environmental use of bottom sediments from the silted inlet zone of the Rożnów Reservoir. Geol. Geophys. Environ. 2017, 43, 335–344. [Google Scholar] [CrossRef]
- Pelczar, J.; Loska, K.; Melaniuk, E. Wpływ nawożenia osadem dennym na aktywność enzymatyczną zwałowiska odpadów węgla kamiennego. Arch. Ochr. Śr. 1998, 24, 93–101. [Google Scholar]
- Koś, K. Charakterystyka geotechniczna osadów dennych cofki Zbiornika Czorsztyńskiego i możliwości ich wykorzystania do celów budownictwa ziemnego. Inżynieria Morska i Geotechnika 2013, 2, 135–143. [Google Scholar]
- Bounouara, Z.; Malab, S.; Mekerta, B.; Benaissa, A.; Bourokba, S.A. Treatment of Dredged Sediments of Bouhanifia Dam for Their Valorization in Passive Barrier of Landfill. Geotech. Geol. Eng. 2020, 38, 3997–4011. [Google Scholar] [CrossRef]
- Koś, K.; Zawisza, E. Stabilization of bottom sediments from Rzeszowski Reservoir. Ann. Warsaw Univ. Life Sci.—SGGW Land Reclam. 2015, 47, 127–137. [Google Scholar] [CrossRef] [Green Version]
- Chiang, K.-Y.; Chien, K.-L.; Hwang, S.-J. Study on the characteristics of building bricks produced from reservoir sediment. J. Hazard. Mater. 2008, 159, 499–504. [Google Scholar] [CrossRef]
- Becker, A.; Bucher, F.; Davenport, C.A.; Flisch, A. Geotechnical characteristics of post-glacial organic sediments in Lake Bergsee, southern Black Forest, Germany. Eng. Geol. 2004, 74, 91–102. [Google Scholar] [CrossRef]
- Kataoka, S.; Yamashita, S.; Kawaguchi, T.; Suzuki, T. The Soil Properties of Lake-Bottom Sediments in the Lake Baikal Gas Hydrate Province. Soils Found. 2009, 49, 757–775. [Google Scholar] [CrossRef]
- Ballas, G.; Garziglia, S.; Sultan, N.; Pelleter, E.; Toucanne, S.; Marsset, T.; Riboulot, V.; Ker, S. Influence of early diagenesis on geotechnical properties of clay sediments (Romania, Black Sea). Eng. Geol. 2018, 240, 175–188. [Google Scholar] [CrossRef] [Green Version]
- Madeyski, M.; Michalec, B.; Tarnawski, M. Silting of Small Water Reservoirs and Quality of Sediments. (In Polish: Zamulanie Małych Zbiorników Wodnych i Jakość Osadów Dennych); Infrastuktura i Ekologia Terenów Wiejskich (Infrastructure And Ecology Of Rural Areas); Polska Akademia Nauk: Kraków, Poland, 2008. [Google Scholar]
- Polski Komitet Normalizacyjny. PN-EN ISO 14688-2:2006. Badania Geotechniczne. Oznaczanie i Klasyfikowanie Gruntów. Część 2: Zasady Klasyfikowania; Polski Komitet Normalizacyjny: Warszawa, Poland, 2006. [Google Scholar]
- Polski Komitet Normalizacyjny. PN-EN ISO 17892-4:2017-01. Rozpoznanie i Badania Geotechniczne. Badania Laboratoryjne Gruntów. Część 4: Badanie Uziarnienia Gruntów; Polski Komitet Normalizacyjny: Warszawa, Poland, 2017. [Google Scholar]
- Polski Komitet Normalizacyjny. PN-EN ISO 17892-3:2016-03. Rozpoznanie i Badania Geotechniczne. Badania Laboratoryjne Gruntów. Część 3: Badanie Gęstości Właściwej; Polski Komitet Normalizacyjny: Warszawa, Poland, 2016. [Google Scholar]
- Polski Komitet Normalizacyjny. PN-EN ISO 17892-12:2018-08. Rozpoznanie i Badania Geotechniczne. Badania Laboratoryjne Gruntów. Część 12: Oznaczanie Granic Płynności i Plastyczności; Polski Komitet Normalizacyjny: Warszawa, Poland, 2018. [Google Scholar]
- Polski Komitet Normalizacyjny. PN-EN 13286-2:2010. Mieszanki Niezwiązane i Związane Hydraulicznie. Część 2: Metody Badań Laboratoryjnych Gęstości na Sucho i Zawartości Wody. Zagęszczanie Metodą Proktora; Polski Komitet Normalizacyjny: Warszawa, Poland, 2010. [Google Scholar]
- Polski Komitet Normalizacyjny. PN-EN ISO 17892-10:2019-01. Rozpoznanie i Badania Geotechniczne. Badania Laboratoryjne Gruntów. Część 10: Badania w Aparacie Bezpośredniego Ścinania; Polski Komitet Normalizacyjny: Warszawa, Poland, 2019. [Google Scholar]
- Polski Komitet Normalizacyjny. PN-B-04481:1988. Grunty Budowlane. Badania Próbek Gruntu; Polski Komitet Normalizacyjny: Warszawa, Poland, 1988. [Google Scholar]
- GeoStudio. Stability Modeling with GeoStudio; GEO-SLOPE International LTD.: Calgary, AB, Canada, 2020. [Google Scholar]
- Truty, A.; Podles, K. User Developments in ZSoil®; ZSoil®.PC 200101 Report; Zace Services Ltd., Software Engineering: Lausanne, Switzerland, 2020. [Google Scholar]
- Cała, M.; Flisiak, J.; Tajduś, A. Numerical methods of slope stability analysis (In Polish: Numeryczne metody analizy stateczności skarp i zboczy). In Materiały Sympozjum Warsztaty Górnicze z Cyklu “Zagrożenia Naturalne w Górnictwie”, Bełchatów; Polska Akademia Nauk. Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią: Bełchatów, Poland, 2004; pp. 34–50. [Google Scholar]
- Baran, P.; Grodecki, M. Strength and strain parameters of colliery spoils in the light of laboratory tests and numerical analyses. (In Polish: Parametry wytrzymałościowe i odkształceniowe odpadów powęglowych w świetle badań laboratoryjnych i analiz numerycznych). Wydawnictwo Politechniki Śląskiej Zeszyty Naukowe Budownictwo 2003, 98, 15–22. [Google Scholar]
- Żurek, A.; Czop, M. Modelling of water flow and precipitation chemistry transformation during infiltration process in the lysimeter experiment. (In Polish: Modelowanie warunków przepływu i przekształceń składu chemicznego wód opadowych w trakcie procesu infiltracji, na przykładzie doświadczenia lizymetrycznego). Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego Hydrogeologia 2010, 442, 181–188. [Google Scholar]
- Van Genuchten, M.T. A closed form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Am. Soc. Soil Sci. 1980, 44, 892–898. [Google Scholar] [CrossRef] [Green Version]
- Arya, L.M.; Paris, J.F. A physico-empirical model to predict the soil moisture characteristic from particle-size distribution and bulk density data. Soil Sci. Soc. Am. J. 1981, 45, 1023–1030. [Google Scholar] [CrossRef]
- Aubertin, M.; Mbonimpa, M.; Bussire, B.; Chapuis, R.P. A model to predict the water retention curve from basic geotechnical properties. Can. Geotech. J. 2003, 40, 1104–1122. [Google Scholar] [CrossRef]
- Yang, X.; You, X. Estimating Parameters of Van Genuchten Model for Soil Water Retention Curve by Intelligent Algorithms. Appl. Math. Inf. Sci. 2013, 7, 1977–1983. [Google Scholar] [CrossRef] [Green Version]
- Borys, M.; Zawisza, E.; Gruchot, A.; Chmielowski, K. River embankments. In Open Channel Hydraulics, River Hydraulic Structures and Fluvial Geomorphology: For Engineers, Geomorphologists and Physical Geographers; Radecki-Pawlik, A., Pagliara, S., Hradecký, J., Eds.; CRC Press: Florida, USA, 2018; pp. 133–167. [Google Scholar]
- Journal of Laws. Dz.U. z 2007 r., nr 86, poz. 579. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 20 kwietnia 2007 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle hydrotechniczne i ich usytuowanie. 2007. Available online: https://dziennikustaw.gov.pl/DU/2007/s/86/579 (accessed on 10 September 2020).
- Koś, K.; Zawisza, E. Geotechnical characteristics of bottom sediments from Rzeszowski reservoir. (In Polish: Charakterystyka geotechniczna osadów dennych zbiornika Rzeszowskiego). J. Civil Eng. Environ. Archit. Czasopismo Inżynierii Lądowej Środowiska i Architektury 2015, 62, 195–208. [Google Scholar] [CrossRef]
- Polski Komitet Normalizacyjny. PN-B-12095:1997. Urządzenia Wodno-Melioracyjne. Nasypy. Wymagania i Badania Przy Odbiorze; Polski Komitet Normalizacyjny: Warszawa, Poland, 2016. [Google Scholar]
- Szarek-Gwiazda, E.; Czaplicka-Kotas, A.; Szalińska, E. Background Concentrations of Nickel in the Sediments of the Carpathian Dam Reservoirs (Southern Poland). Clean Soil Air Water 2011, 39, 368–375. [Google Scholar] [CrossRef]
- Kulbat, E.; Sokołowska, A. Methods of Assessment of Metal Contamination in Bottom Sediments (Case Study: Straszyn Lake, Poland). Arch. Environ. Contam. Toxicol. 2019, 77, 605–618. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed] [Green Version]
- Mazurkiewicz, J.; Mazur, A.; Mazur, R.; Chmielowski, K.; Czekała, W.; Janczak, D. The Process of Microbiological Remediation of the Polluted Słoneczko Reservoir in Poland: For Reduction of Water Pollution and Nutrients Management. Water 2020, 12, 3002. [Google Scholar] [CrossRef]
- Ziemińska-Stolarska, A.; Imbierowicz, E.; Jaskulski, M.; Szmidt, A. Assessment of the Chemical State of Bottom Sediments in the Eutrophied Dam Reservoir in Poland. Int. J. Environ. Res. Public Health 2020, 17, 3424. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
- Fonseca, R.; Barriga, F.J.A.S.; Fyfe, W.S. Suitability for Agricultural Use of Sediments from the Maranhão Reservoir, Portugal. In Optimization of Plant Nutrition; Developments in Plant and Soil Sciences, 53; Fragoso, M.A.C., Van Beusichem, M.L., Houwers, A., Eds.; Springer: Dordrecht, The Netherlands, 1993. [Google Scholar] [CrossRef]
Parameter | Value for Material: | ||
---|---|---|---|
Bottom Sediments—Silt (Si), Is = 0.95 | Medium Sand (MSa), ID = 0.8 | Clay (Cl), IL = 0.2 | |
Angle of internal friction [°] | 22.3 | 35 | 18 |
Cohesion [kPa] | 42.7 | 0 | 30 |
Unit weight [kN·m−3] | 20.1 | 18.6 | 21 |
Coefficient of permeability [m·s−1] | 3.4 × 10−9 | 1 × 10−4 | 1 × 10−10 |
Voids ratio [–] | 0.843 | 0.565 | 0.422 |
Parameter | Requirements | Value for the Bottom Sediments |
---|---|---|
Coefficient of uniformity, Cu | >15 | 13.3 |
Clay fraction content, Cl [%] | <30 | 8.5 |
Content of particles smaller than 0.005 mm, [%] | 10 ÷ 25 | 19 |
Content of particles smaller than 0.01 mm, [%] | >25 | 30 |
Organic matter content, [%] | <2 ÷ 3 | 3.33 |
Coefficient of permeability, [m·s−1] | <10−8 | 1.05 × 10−8 (IS = 0.9) 1.2 × 10−9 (IS = 1) |
Conditions | Embankment | Height of embankment [m] | ||||||||
4 | 6 | 8 | ||||||||
Height of maximum water level [m] | ||||||||||
2.5 | 4.5 | 6.5 | ||||||||
Maximum leakage Q [m3 × (d·m)−1] for: | ||||||||||
body | subsoil | total | body | subsoil | total | body | subsoil | total | ||
With continuous backwater | Without a core | 1.28 | 6.13 | 7.41 | 3.36 | 15.92 | 19.38 | 7.28 | 24.82 | 32.1 |
With a core | 0.66 | 3.79 | 4.45 | 1.2 | 8.4 | 9.59 | 1.15 | 12.09 | 13.24 | |
With variable backwater | Without a core | 1.29 | 6.06 | 7.35 | 2.9 | 16.01 | 18.91 | 7.56 | 24.81 | 32.36 |
With a core | 0.79 | 3.81 | 4.6 | 1.28 | 8.25 | 9.52 | 0.88 | 12.02 | 12.9 |
Height of Embankments [m] | Slope | Conditions | |||
---|---|---|---|---|---|
Without Backwater | With Continuous Backwater | ||||
Embankment | |||||
Without a Core | With a Core | Without a Core | With a Core | ||
Factor of Safety, FS [–] | |||||
4 | Upstream | 1.403 | 1.403 | 1.476 | 1.451 |
Downstream | 1.174 | 1.379 | |||
6 | Upstream | 1.403 | 1.403 | 1.611 | 1.477 |
Downstream | 0.958 | 1.321 | |||
8 | Upstream | 1.402 | 1.402 | 1.67 | 1.522 |
Downstream | 0.866 | 1.255 |
Conditions | Embankment | Height of the Embankment [m] | |||
4 | 6 | 8 | |||
Factor of safety, FS [–] | |||||
Without backwater | Without a core | 1.83 | 1.68 | 1.63 | |
With a core | 1.76 | 1.68 | 1.63 | ||
With continuous backwater | Without a core | 1.72 | 1.43 | 1.22 | |
With a core | 1.88 | 1.81 | 1.67 | ||
With variable backwater | At maximum backwater (t = 5 d) | Without a core | 1.72 | 1.43 | 1.22 |
With a core | 1.89 | 1.81 | 1.68 | ||
After the drop of the flood wave (t = 7 d) | Without a core | 2.12 | 1.97 | 1.88 | |
With a core | 2.07 | 1.98 | 1.74 |
Publisher’s Note: MDPI stays neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations. |
© 2021 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
Share and Cite
Koś, K.; Gruchot, A.; Zawisza, E. Bottom Sediments from a Dam Reservoir as a Core in Embankments—Filtration and Stability: A Case Study. Sustainability 2021, 13, 1221. https://doi.org/10.3390/su13031221
Koś K, Gruchot A, Zawisza E. Bottom Sediments from a Dam Reservoir as a Core in Embankments—Filtration and Stability: A Case Study. Sustainability. 2021; 13(3):1221. https://doi.org/10.3390/su13031221
Chicago/Turabian StyleKoś, Karolina, Andrzej Gruchot, and Eugeniusz Zawisza. 2021. "Bottom Sediments from a Dam Reservoir as a Core in Embankments—Filtration and Stability: A Case Study" Sustainability 13, no. 3: 1221. https://doi.org/10.3390/su13031221
APA StyleKoś, K., Gruchot, A., & Zawisza, E. (2021). Bottom Sediments from a Dam Reservoir as a Core in Embankments—Filtration and Stability: A Case Study. Sustainability, 13(3), 1221. https://doi.org/10.3390/su13031221