Bogusław Michalec* Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych nr 45, 2010 r.

Transkrypt

1 Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych nr 45, 2010 r. Bogusław Michalec* Wpływ przebudowy odcinka betonowego żłobu w Łącku na przepływ wód wezbraniowych The influence of the reconstruction of the section of concrete through in Łącko locality on the freshet flow conditions Słowa kluczowe: potok, żłób betonowy, przepustowość, wezbranie. Key words: stream, concrete through, water conveyance, freshet. The qualification of the influence of the rebuilt concrete manger of the stream Czarna Woda on the improvement of the flood safety of the locality Łącko was the aim of investigations. The appraisals of the condition of development and conveyance of the concrete through of stream Czarna Woda were executed in this aim, taking into account influence of three bridges and water barrage on the conditions of the water flows. Investigations were engaged on the section of the channel by the length above 68 m, i.e. from the cross-section in the km stream Czarna Woda to the crosssection in the km The performed evaluation of conveyance capacity of channel permits to identify sections of low conveyance of the stream. The conveyance of the stream bed conditions of reliable flow trough these structures was determined. The reliable flow, calculated by use of the Carpathian Punzet s formula, equals m 3 s-1. It was showed that the rebuilt section of the concrete through, by the length 260 m, guaranteed the flow of reliable waters ongoings of the considerable height reserve, the definite as the difference ordinate of the crown of concrete through and the water level of reliable flow in the trough. The flood threat for the locality Łącko establishes the old concrete through without the reconstruction manger, of which from the cross-section 10 (km ) to the cross-section 12 (km ), on account of his low capacity. The river barrage, ensuring flow of reliable flow in the stream bed would require the elevation of side-walls by 0.56 m. The bridges located at km and km do not cause the rise of water level of reliable flows, however the bridge on the province road of no. 969 at km * Dr hab. inż. Bogusław Michalec Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, al. A. Mickiewicza 24/28, Kraków; tel.: ; rmmichbo@cyf-kr.edu.pl 136

2 Wpływ przebudowy odcinka betonowego żłobu w Łącku na przepływ wód wezbraniowych of stream Czarna Woda creates the significant threat of swelling the freshet flows. Affirm, that the executed partial reconstruction of the trough of the stream Czarna Woda does not guarantee the total protection before submergence of the centre of the locality Łącko. 1. Wprowadzenie Miejscowości położone w dolinach terenów górskich i podgórskich charakteryzuje gęsta zabudowa terenów nadbrzeżnych potoków. Infrastruktura urbanistyczna tych miejscowości wymusza regulację techniczną koryt potoków znajdujących się w ich granicach. Najczęściej stosowane są zabudowy koryt cieków typu ciężkiego w postaci żłobów betonowych. Stare konstrukcje regulacyjne, ze względu na coraz intensywniejsze wezbrania nie gwarantują przepuszczenia przepływów wezbraniowych w korycie cieku, tym bardziej, że na tych terenach wezbrania charakteryzuje krótki czas kulminacji i zarazem wysoki szczyt fali. Przykładem tego jest Łącko, gdzie w okresie międzywojennym wykonano przebudowę i ubezpieczenie dna oraz skarp potoku Czarna Woda [Regulacja odcinka 1985]. Betonowy żłób był remontowany po przejściu wód powodziowych, powodujących jego uszkodzenia. W trakcie tych prac nie zmieniano parametrów technicznych koryta, wykonując jedynie naprawy ubytków okładzin kamiennych lub wyprawy betonowej. W wyniku powodzi wodno-błotnej w 1997 r. zostało zalane centrum Łącka. Fala wezbraniowa przepłynęła lewą i prawobrzeżną częścią zabudowanej doliny, powodując zalanie dróg i budynków znajdujących się w centrum Łącka. Odnotowano liczne uszkodzeniu infrastruktury komunikacyjnej, między innymi zniszczeniu uległ most w km potoku Czarna Woda [Michalec 2007]. Po powodzi w 1997 r. podjęto modernizację żłobu w centrum Łącka. Prace budowlane wykonano dwuetapowo, wydzielając trzy odcinki żłobu do przeprowadzenia tych prac. W ramach pierwszego etapu prac przebudowano odcinek od km do km i odbudowano zniszczony most w km (fot. 1a). W wyniku przebudowy uzyskano korzystne warunki hydrauliczne na 62-metrowym odcinku nowego żłobu, uzyskując zmniejszenie napełnienia koryta potoku dla przepływu miarodajnego. Powiększono szerokość dna do 8,4 m i wykonano ściany boczne żłobu o nachyleniu 1:0,25. Uzyskano głębokość żłobu przekraczającą 3 m poprzez wykonanie bulwaru w linii brzegowej koryta. Mur bulwaru został wzniesiony na wysokość od 0,6 do 0,8 m nad rzędną korony starego żłobu. Koryto nowego żłobu zostało wykonane jako konstrukcja żelbetowa z kamienia układanego na mokro. Jak wykazano w Ekspertyzie przepustowości koryta pot. Czarna Woda [Bednarczyk i in. 2004], tak znaczna głębokość nowego żłobu w porównaniu do napełnienia wynoszącego 1,97 m, określonego dla przepływu miarodajnego Q m =94,32 m 3 s-1, chroni centrum Łącka przed zatopieniem. Przed przebudową tego odcinka napełnienie przy tym przepływie wynosiło 2,50 3,10 m i było równe maksymalnej głębokości koryta. W drugiej fazie przebudowy żłobu planowano wykonanie prac budowlanych, polegających na przebudowie żłobu, na odcinkach od km do km i od km do km

3 Bogusław Michalec a b Fot. 1. Betonowy żłób w Łącku: a) fragment nowego żłobu i mostu w km potoku Czarna Woda, odbudowane po powodzi w 1997 r.; b) połączenie starego i nowego żłobu w km potoku Czarna Woda, przebudowanego w 2006 r. Phot. 1. The concrete through at the locality Łącko: a) fragment of the new concrete through and the bridge in km of the stream Czarna Woda, rebuild after the flood in 1997; b) connection of the old and the new concrete through in km of the stream Czarna Woda, rebuild in 2006 Wykonanie prac budowlanych zaprojektowanych w drugim etapie zależało od pozyskania środków finansowych z funduszy Unii Europejskiej. W roku 2001 kolejna powódź dokonała zniszczeń w Łącku. Straty spowodowane tą powodzią, określone przez Komisję Wojewódzką ds. szacowania skutków klęsk spowodowanych zjawiskami atmosferycznymi, wyniosły około 5287 tys. zł. W roku 2006 przebudowano odcinek żłobu od km do km (fot. 1b), co wydłużyło nowy żłób wykonany po powodzi w 1997 r. Koryto starego żłobu na odcinku powyżej przebudowanego żłobu (fot. 1b) charakteryzuje mniejsza szerokość dna i mniejsza głębokość, a tym samym mniejsza przepustowość, co może być przyczyną ponownego zatopienia centrum Łącka w razie wezbrania powodziowego. W pracy przedstawiono wyniki obliczeń przepustowości żłobu potoku Czarna Woda, na odcinku od przekroju poprzecznego w km do przekroju poprzecznego w km Na podstawie wyników obliczeń hydraulicznych oceniono wpływ przebudowy odcinka żłobu betonowego w Łącku na warunki przepływu wód wezbraniowych. 2. Metodyka badań Badaniami objęto odcinek żłobu od przekroju zlokalizowanego w centrum Łącka w km rzeki Czarna Woda do przekroju poprzecznego w km 1+581, powyżej stopnia wodnego (rys. 1). W wyznaczonych przekrojach poprzecznych określono napełnienie dla przepływu miarodajnego Q m =94,32 m 3 s-1 [Bednarczyk i in. 2004]. W przekrojach, w których nie mieścił się przepływ miarodajny, określono przepływ brzegowy. Krzywe przepływu w każ- 138

4 Wpływ przebudowy odcinka betonowego żłobu w Łącku na przepływ wód wezbraniowych Rys. 1. Lokalizacja przekrojów poprzecznych, stopnia wodnego i obiektów mostowych na potoku Czarna Woda w Łącku Fig. 1. Location of cross-sections, of water barrage and of bridges at the stream Czarna Woda in the locality Łącko 139

5 Bogusław Michalec dym przekroju i napełnienia w żłobie obliczono za pomocą programu komputerowego cieq v.2.9.xls, opracowanego w środowisku Microsoft Visual Basic for Application, bazującego na równaniu Chézy, w którym współczynnik prędkości obliczono według wzoru Manninga. Współczynniki szorstkości koryta ustalono na podstawie inwentaryzacji stanu koryta [Bednarczyk i in. 2004]. Na badanym odcinku żłobu znajdują się trzy mosty. W km jest zlokalizowany most na drodze wojewódzkiej nr 969 (fot. 3a), a w km (fot. 1a) i w km (rys. 3b), znajdują się mosty dróg lokalnych. a b Fot. 2. Mosty potoku Czarna Woda w Łącku: a) most na drodze wojewódzkiej w km 0+930; b) most na drodze wojewódzkiej w km i stopień wodny w km Phot. 2. Bridges at the stream Czarna Woda in Łącko: a) the bridge on province road in km 0+930; b) bridge on regional road in km and water barrage in km Zgodnie z rozporządzeniem Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 30 maja 2000 r. [Dz. U. Nr 63, poz. 735], dotyczącym warunków technicznych drogowych obiektów inżynierskich, most na drodze krajowej powinien gwarantować przepuszczenie przepływu miarodajnego o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 0,5%, a most na drodze lokalnej powinien zostać zwymiarowany na przepuszczenie przepływu o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 1,0%. Określona wysokość spiętrzenia wód miarodajnych przez mosty stanowiła podstawę oceny warunków przepływu miarodajnego w świetle mostu i wpływu spiętrzenia powodowanego przez most na warunki przepływu wody w korycie żłobu. Spiętrzenie wody powodowane mostami (Δz) obliczono metodą iteracyjną [Utrysko 2000] według wzoru zalecanego w rozporządzeniu Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej [Rozporządzenie 2000]: Δz = K αm V m 2 2 α 1 (V 2 - V 12 ) + 2g 2g (1) gdzie: K współczynnik strat energii, 140

6 Wpływ przebudowy odcinka betonowego żłobu w Łącku na przepływ wód wezbraniowych α m V m V 1 V 2 α 1 współczynnik St. Venanta dla przekroju mostowego, średnia prędkość przepływu w przekroju mostu, średnia prędkość przepływu w przekroju poprzecznego powyżej mostu po spiętrzeniu, średnia prędkość przepływu w przekroju poprzecznego poniżej mostu, współczynnik St. Venanta dla przekroju koryta przed mostem; w przypadku mostu zwartego: α 1 = 1,2. Współczynnik strat energii K, zgodnie z przywołanym wcześniej rozporządzeniem, obliczany jest ze wzoru: K = K 0 + ΔK f + ΔK e + ΔK p (2) gdzie: K 0 podstawowy współczynnik strat zależny od współczynnika kontrakcji M, ΔK f poprawka uwzględniająca wpływ filarów, ΔK e poprawka uwzględniająca wpływ niesymetryczności usytuowania światła mostu w stosunku do terenów zalewowych, ΔK p poprawka uwzględniająca wpływ ukośnego usytuowania mostu w stosunku do osi cieku. W km potoku Czarna Woda znajduje się stopień wodny (fot. 3b), którego przepustowość określono ze wzoru [Sobota 1994]: Q = m B 2 g H 1,5 (3) gdzie: m współczynnik wydatku; m=0,495, B szerokość przelewu; B=10,2 m, H wysokość wody na przelewie. 3. wyniki badań Przepływ miarodajny Q 1% służący wymiarowaniu koryt potoków, wynoszący 94,32 m 3 s-1, mieści się na całej długości badanego odcinka żłobu, poza przekrojem poprzecznym 11, zlokalizowanym w km (tab. 1). Przebudowane koryto żłobu w 2006 r. gwarantuje przepuszczenie przepływu miarodajnego z zachowaniem znacznego zapasu, określonego jako różnica rzędnej korony żłobu i zwierciadła wody przepływu miarodajnego w korycie żłobu. Zapas ten wynosi od 1,35 do 1,53 m. W starym żłobie przed przebudową przepływ brzegowy był niższy od przepływu miarodajnego i wynosił 61,09 m 3 s-1 w przekroju w km i 74,52 m 3 s-1 w przekroju w km

7 Bogusław Michalec Zagrożenie powodziowe dla Łącka stanowi pozostawiony bez przebudowy stary żłób potoku Czarna Woda, z którego od przekroju 10 (km 1+370) do przekroju 12 (km 1+541), ze względu na jego niską przepustowość wystąpią wody przepływów wezbraniowych. Wody te płynąc ulicami znajdującymi się na lewym i prawym brzegu, poza bulwarami nowego żłobu, zatopią centrum Łącka. Tabela 1. Wyniki obliczeń przepływów i napełnień w przekrojach poprzecznych potoku Czarna Woda Table 1. Results of computations of discharges and depths in cross-sections of the stream Czarna Woda Przekrój Nr Głębokość koryta h k [m] Przepływ miarodajny Q m lub maksymalny Q max [m 3 s -1 ] Średnia prędkość przepływu V[m s -1 ] Napełnienie w korycie h [m] Różnica głębokości koryta i napełnienia w korycie h k -h [m] 1 (km 0+898) 2,37 Q m =94,32 5,47 2,15 0,17 2 (km 0+919) 2,37 Q m =94,32 5,49 2,20 0,17 3 (km 0+940) 2,85 Q m =94,32 5,49 2,51 0,34 4 (km 1+028) 3,22 Q m =94,32 5,46 2,82 0,40 5 (km 1+075) 3,88 Q m =94,32 5,01 3,58 0,30 6 (km 1+100) 3,89 Q m =94,32 5,01 3,58 0,31 7 (km 1+120) 3,50 Q m =94,32 5,29 1,97 1,53 8 (km 1+170) 3,41 Q m =94,32 5,29 1,97 1,44 9 (km 1+306) 3,32 Q m =94,32 5,29 1,97 1,35 10 (km 1+370) 3,36 Q m =94,32 5,29 1,97 1,39 11 (km 1+426) 2,83 Q max =89,72 5,91 2,83 0,00 12 (km 1+541) 3,01 Q m =94,32 5,94 2,66 0,35 13 (km 1+581) 2,54 Q m =94,32 5,27 2,12 0,42 Wyniki obliczeń przepustowości koryta żłobu zamieszczone w tabeli 1 nie uwzględniają wpływ mostów na spiętrzenie wody miarodajnej. Konstrukcja mostu na drodze wojewódzkiej nr 969 w km potoku Czarna Woda zmniejsza powierzchnię przekroju. Przyczyną tego jest położenie belki przęsła mostu poniżej rzędnej korony żłobu oraz wprowadzenia przyczółków mostu w koryto. Dolna krawędź belki mostu znajduje się 0,3 m poniżej krawędzi korony żłobu, a światło mostu, wynoszące 6,6 m, jest o 4,4 m mniejsze od szerokości żłobu określonej w jego koronie. Wysokość spiętrzenia w świetle tego mostu (tab. 2) obliczono dla przepływu o prawdopodobieństwie przewyższenia p=0,5%, wynoszącego 108,86 m 3 s-1 i przepływu miarodajnego Q m =94,32 m 3 s-1, służącego wymiarowaniu koryt potoków [Bednarczyk i in. 2004]. Wysokość spiętrzenia przepływu miarodajnego Q m =94,32 m 3 s-1 w świetle mostów w km i w km zamieszczono w tabeli 2. Współczynnik strat K, obliczony według wzoru (2) wynosi 0,2 dla mostu w km potoku Czarna Woda i 0,05 dla mostów w km i w km

8 Wpływ przebudowy odcinka betonowego żłobu w Łącku na przepływ wód wezbraniowych Tabela 2. Wysokość spiętrzenia wody przez mosty potoku Czarna Woda Table 2. Height of water swelling on the bridges at stream Czarna Woda Most w km Przepływ [m 3 s -1 ] powyżej mostu A 1 [m 2 ] V 1 [m s -1 ] Przekrój mostowy A m [m 2 ] V m [m s -1 ] poniżej mostu A 2 [m 2 ] V 2 [m s -1 ] Wysokość spiętrzenia wody miarodajnej Δz [m] Zapas w świetle mostu [m] Q m =108,86 19,06 5,71 13,97 7,79 18,90 5,69 1,94 0,00 Q m =94,32 17,18 5,49 12,65 7,46 17,18 5,49 1,57 0, Q m =94,32 17,81 5,29 21,43 4,40 18,82 5,01 0,00 1, Q m =94,32 17,91 5,27 28,62 3,29 32,07 2,94 0,00 0,78 Wysokość spiętrzenia przepływu miarodajnego wynoszącego Q m = Q m,5%, określona dla mostu w km i wynosząca 1,94 m (tab. 2), wskazuje, że pole powierzchni w świetle jest zbyt małe. Tak znaczne spiętrzenie wody przy przepływie 108,86 m 3 s-1 spowoduje wystąpienie wody z koryta i zatopienie terenów przyległych. Określona wysokość spiętrzenia przepływu miarodajnego 94,32 m 3 s-1, służącego wymiarowaniu koryta potoku, wynosząca 1,57 m, spowoduje również wystąpienie tego przepływu z koryta powyżej mostu. W przekrojach od 3 3 do 6 6 zwierciadło wody niespiętrzonego przepływu miarodajnego znajdowałoby się 0,3 0,4 m poniżej korony żłobu. Wykonanie murów podnoszących zbyt niską koronę koryta z zachowaniem bezpiecznego jej wzniesienia nad zwierciadło przepływu obliczeniowego, może zmniejszyć ryzyko wpłynięcia spiętrzonych wód miarodajnych ze starej części żłobu, znajdującej się pomiędzy mostami w km i w km na tereny zabudowane miejscowości Łącko. Zarówno most w km i most w km 1+544, za względu na odpowiednio dużą szerokość ich światła, nie powodują spiętrzenia przepływu miarodajnego i nie wpłyną na zmianę warunków przepływu wód wezbraniowych w korycie żłobu powyżej i poniżej przekrojów, w których są zlokalizowane. Poniżej mostu w km 1+544, znajduje się stopień wodny (rys. 3b), którego wydatek maksymalny przelewu, wynoszący 65,64 m 3 s-1, został określony dla wysokości wody na przelewie (H), równej wysokości przyczółków stopnia i wynoszącej 2,05 m [Michalec 2007]. Ze względu na zbyt niskie przyczółki stopnia wodnego i brak obwałowań na jego górnym stanowisku stwarza on zagrożenie powodziowe, ze względu na jego przepustowość niższą od przepływu miarodajnego Q m = Q 1% =94,32 m 3 s Wnioski Pozostawienie w stanie istniejącym części koryta żłobu, znajdującej się powyżej przebudowanego żłobu w 2006 r., tj. od km do km 1+541, może się przyczynić do zatopienia centrum Łącka. Dodatkowe zagrożenie powodziowe stanowi stopień wodny znajdu- 143

9 Bogusław Michalec jący się w górnej części wspomnianego starego koryta żłobu. Ze względu na jego przepustowość, niższą od wymaganej dla przepływu miarodajnego, konieczne byłoby zwiększenie wysokości przyczółków co najmniej o 0,6 m. Wiązałoby się to również z koniecznością zwiększenia wysokości obwałowań koryta powyżej stopnia, aż do mostu w km Podniesienie korony wałów niższego brzegu lewego o 1 m, a brzegu prawego o 0,5 m może ograniczyć ryzyko wystąpienia wody miarodajnej z koryta na tym odcinku. Zmniejszenie ryzyka powodziowego, wynikającego ze zbyt niskiej przepustowości wspominanego wcześniej koryta żłobu na odcinku od km do km 1+541, można uzyskać przez podniesienie korony brzegów o 0,75 m, przez wzniesienie murów podnoszących koronę obu brzegów żłobu, umożliwiających przepuszczenie przepływu miarodajnego w korycie. Oceniając zagrożenie Łącka powodzią należy mieć na uwadze wpływ mostu na drodze wojewódzkiej nr 969, w km 0+930, na warunki przepływu wód zebraniowych. Analizy wykazały, że przebudowanie fragmentu koryta potoku Czarna Woda, przepływającego przez centrum Łącka, nie zmniejsza zagrożenia powodzią. Wody wezbraniowe potoku Czarna Woda powodują również zatopienie wiosek znajdujących się w górnym biegu potoku, powyżej terenu Łącka. Zabezpieczeniem Łącka i miejscowości położonych w wyższych partiach zlewni mogłaby być zabudowa techniczna zlewni, między innymi budowa suchych zbiorników o maksymalnym wydatku urządzeń upustowych mniejszym od przepustowości koryta. PIŚMIENNICTWO I AKTY PRAWNE Bednarczyk T., Michalec B., Tarnawski M Ekspertyza przepustowości koryta pot. Czarna Woda w Łącku, pow. nowosądecki, woj. małopolskie w ramach usuwania skutków powodzi z lipca 2001 r. Opracowanie na zlecenie Regionalnego Zarządu Gospodarki Wodnej w Krakowie. Maszynopis, archiwum Katedry Inżynierii Wodnej i Geotechniki Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie. Michalec B Ocena wpływu stopnia wodnego na przepustowość koryta potoku Czarna Woda w miejscowości Łącko. Polska Akademia Nauk Oddział w Krakowie, Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich z. 4/1: Regulacja odcinka potoku Czarna Woda powyżej dopływu Zakiczańskiego Hydroprojekt, Kraków. Materiały archiwalne RZGW, nr arch Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia z dnia 30 maja 2000 r. Dziennik Ustaw 63, poz Załącznik nr 1, rozdział: 2.4. Spiętrzenie przed mostem. ( Sobota J Hydraulika. Wydawnictwo AR Wrocław, tom II: 175. Utrysko B Światła mostów i przepustów. Zasady obliczeń z przykładami. Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Wrocław Żmigród: