Naprawa budowli betonowych zapory Wisła Czarne

Transkrypt

1 Mgr inż. Zbigniew Olszamowski HYDROPROJEKT KRAKÓW Sp. z o.o., Kraków Mgr inż. Wiesław Tężycki OTiK Sp. z o.o., Gdynia Naprawa budowli betonowych zapory Wisła Czarne Zapora Wisła Czarne położona jest ok. 300m poniżej połączenia Białej i Czarnej Wisełki w m. Wisła. Tworzy zbiornik retencyjny pojemności ok. 5mln m 3 o przeznaczeniu wyrównawczo powodziowym. Zbiornik stanowi także główne źródło zaopatrzenia w wodę rejonu Wisły, Ustronia, Skoczowa i częściowo Cieszyna. Konstrukcję zapory stanowi, należący do najwyższych w kraju, nasyp ziemny o maksymalnej wysokości 36,5 m i długości na koronie 280 m. Skarpa odwodna posiada nachylenia 1:2,5 i 1:2. Jej zabezpieczenie stanowi dwuwarstwowy, wodoszczelny ekran wykonany ze zbrojonych płyt betonowych o grubości cm i szerokości 6 m, o długościach 6, 12, 20 lub 25 m, ułożonych na warstwie podkładowej z płyt betonowych grubości 12 cm. Pozostałe konstrukcje żelbetowe wbudowane w nasyp zapory to komora zamknięć i rozpoczynający się w niej spust denny oraz tunele żelbetowe: galeria komunikacyjna prostopadła do osi zapory i zapewniająca dostęp do komory zamknięć, oraz galeria kontrolno-drenażowa usytuowana u podnóża odwodnej skarpy zapory i łącząca ekran zapory z przesłoną uszczelniającą podłoże zapory. Na styku prawego zbocza i korpusu zapory usytuowany jest zagłębiony częściowo w nasyp przelew stokowy, odprowadzający ze zbiornika nadmiar wody powodziowej po przekroczeniu określonego poziomu piętrzenia. Na zakończeniu spustu dennego i przelewu stokowego po stronie dolnej wody znajduje się wspólna niecka wypadowa. Służy ona zmniejszeniu energii wody odprowadzanej ze zbiornika do wielkości nieszkodliwych dla położonego niżej naturalnego koryta Wisły. Historia i problemy, które spowodowały konieczność remontu Realizacja zapory przypadła w okresie od 1967 do Brakowało wtedy siły roboczej, sprzętu i materiałów, które zaangażowane były na wielkich budowach socjalizmu jak np. Huta Katowice. Niedostateczne były nadzór techniczny i kontrola jakości robót. Warunki klimatyczne i strome stoki wąskiej doliny utrudniały organizację robót. Czynniki te spowodowały wiele nieprawidłowości w realizacji budowy, co w rezultacie wpłynęło na niezadowalający stan zapory już w początkowym okresie eksploatacji. Niezwłocznie po przystąpieniu do piętrzenia zbiornika w końcu 1973r stwierdzono nieprawidłowy przebieg zjawisk filtracyjnych spowodowany m. in. pęknięciami płyt, nieszczelnościami dylatacji ekranu oraz połączenia ekranu z komorą zamknięć, pęknięciami galerii komunikacyjnej i przewodów spustu dennego, oraz nieszczelnościami betonów i dylatacji galerii kontrolno-drenażowej. Spowodowało to konieczność utrzymywania obniżonego piętrzenia zbiornika i uniemożliwiało jego prawidłową eksploatację. Podjęto prace zabezpieczające betony galerii komunikacyjnej i kontrolno-drenażowej za pomocą zastrzyków cementowych. Przy znaczących zmianach piętrzenia okazały się one mało

2 strona 2 skuteczne. Badania traserowe oraz podwodne badania ekranu przez płetwonurków pozwoliły na przybliżone wyodrębnienie zasadniczych obszarów nieszczelności. Były to m.in. pęknięcia płyt o rozwartości 5-25mm oraz wzajemne przemieszczenia płyt dochodzące do 5cm, połączone z uszkodzeniami płyt i rozchyleniem się szczelin dylatacyjnych [1]. W maju 1974r podjęto decyzję o opróżnieniu zbiornika, co pozwoliło na dokładniejsze ustalenie zakresu uszkodzeń ekranu niż było to możliwe w trakcie badań podwodnych. Skuto i odtworzono wtedy najbardziej uszkodzone płyty ekranu. Wprowadzono przewody stalowe do spustu dennego i je obetonowano. Kontynuowano uszczelnienia betonów galerii komunikacyjnej i kontrolno-drenażowej. Początkowo za pomocą zastrzyków cementowych, a następnie - żywic (Izocyn). Ze względu na niedobór środków finansowych i brak dostępu do nowych, zachodnich technologii doraźnie zabezpieczono nieszczelności ekranu przy pomocy kitu fugowego, folii igielitowej, gumy, gumolitu, neoprenu itp. materiałów, mocowanych nad i pod wodą do betonu płyt ekranu. Prace te prowadzono do 1976r, a po ich zakończeniu przystąpiono do normalnego piętrzenia zbiornika [1]. Skuteczność wykonanych zabezpieczeń ekranu początkowo wydawała się zadowalająca, ale w kolejnych sezonach zimowych zabezpieczenia ulegały systematycznym zniszczeniom, dyskwalifikującym stopniowo ich przydatność. Uszczelnienia betonów w podziemnych galeriach zapory przerwano z powodu braku importowanych komponentów do produkcji żywic. Rys. 1. Stan ekranu żelbetowego zapory w roku 1985

3 strona 3 Podsumowując prace zabezpieczające wykonane w latach należy stwierdzić, że pomimo wielu niedostatków przyniosły one poprawę w stosunku do stanu wyjściowego. Umożliwiły wykorzystywanie zbiornika do celów zaopatrzenia w wodę, pozwoliły na uniknięcie niebezpiecznych deformacji nasypu zapory i nie dopuściły do powstania awarii. Poprawa nie była jednak na tyle znacząca i długotrwała aby umożliwić pełną eksploatację zbiornika przy normalnym piętrzeniu. Ponadto wytrzymałości betonów na ściskanie odbiegały od projektowanych i wynosiły w galeriach od 15 do 17 MPa, a w przelewie stokowym od 9 do 14 MPa ([2]). W latach , na zlecenie użytkownika obiektu (ODGW Gliwice), HYDROPROJEKT KRAKÓW opracował ekspertyzę techniczno-budowlaną z oceną stanu technicznego i bezpieczeństwa zapory [3]. Ekspertyzę oparto na wynikach wielu badań przeprowadzonych dzięki rozbudowie urządzeń kontrolno-pomiarowych oraz na wynikach szczegółowej inwentaryzacji stanu technicznego ekranu przeprowadzonej w 1985r przy całkowicie opróżnionym zbiorniku (Rys. 1a). W trakcie oględzin stwierdzono wtedy kolejne, skorodowane powierzchnie (Rys. 1b), a wbudowane przed 9 laty zaprawy (Rys. 1c) i uszczelnienia (Rys. 1d) były odspojone i zniszczone. W ocenie stwierdzono m.in., że wszystkie wykonane dotychczas naprawy są całkowicie nieskuteczne. Naprawy dylatacji w galeriach usytuowanych w nasypie zapory Prawie wszystkie dylatacje w galeriach były nieszczelne. Ponieważ nie było pewności czy planowany remont ekranu się odbędzie, uszczelnienia musiały zostać wykonane przy eksploatacyjnym poziomie piętrzenia w zbiorniku. Dylatacje były zatem w trakcie naprawy obciążone parciem słupa wody o wysokości 25 m, co poważnie utrudniało wykonanie robót. Inwestor po negatywnych doświadczeniach z wykonanymi wcześniej naprawami zdecydował się na postępowanie etapowe i zlecił w roku 1990 wykonanie próbnych napraw kilku złącz. Rys. 2. Uszkodzenie (a) i naprawa (b) dylatacji w galeriach: 1 i 2-taśmy dylatacyjne wewnętrzna i zewnętrzna, 3-niedogęszczony beton, 4-nieznane uszkodzenia zewnętrznej taśmy, 5-kotwa, 6-płaskownik stalowy, 7-ukształtowana przestrzeń dylatacyjna, 8-beton naprawczy PCC, 9-otwór drenażowy i iniekcyjny Planowana metoda uszczelnienia polegająca na zasklepianiu dylatacji na licu ściany galerii i iniektowaniu żywicy elastycznej do przestrzeni dylatacyjnej zawiodła na wstępie. Niedoceniono wpływu temperatury, która w betonie galerii przez cały rok oscyluje wokól 4 st. C. Dostępne żywice iniekcyjne praktycznie nie były zdolne do polimeryzacji w takich warunkach. Jedynym materiałem, który polimeryzował w temperaturze 4 st. C. był hydrofilowy żel akrylowy. Zainiektowane nim

4 strona 4 dylatacje były szczelne. Niestety, ich dalsza obesrwacja pokazała, że ten materiał także okazał się nieskuteczny. Struktura żelu tworzącego się w temperaturze 4 st. C była bardzo delikatna, a uszczelnienie dylatacji powodowało wzrost ciśnienia hydrostatycznego w szczelinie. Po kilku tygodniach żel był po prostu wypychany z dylatacji do wnętrza galerii przez coraz silniej napierającą wodę. Po wielu kolejnych doświadczeniach i obserwacjach stwierdzono, że najlepsze efekty przynosi wstępne podgrzewanie wnętrza dylatacji przez iniektowanie doń gorącej wody. Następnie wstrzykiwano iniekty poliuretanowe, które zarówno wiązały jak i uzyskiwały wystarczającą wytrzymałość mechaniczną w tak podwyższonej temperaturze. Pomimo opracowania skutecznej metody, naprawy iniekcyjne niektórych dylatacji nie były trwałe. Stwierdzono w nich poważne niedogęszczenia betonu na kontakcie z wewnętrzną taśmą dylatacyjną (Rys. 2a). Zdecydowano się odprowadzić wodę z przestrzeni dylatacyjnych (Rys. 2b) i zamocować skrzydło taśmy uszczelniającej do betonu. Po reprofilacji krawędzi złącza, przestrzeń pomiędzy obydwoma taśmami iniektowano przez otwory drenażowe. Po okresie obserwacji trwającym ponad 2 lata stwierdzono, że próbne uszczelnienia były bez zarzutu. Inwestor zdecydował o uszczelnieniu pozostałych dylatacji metodami opracowanymi w ramach napraw próbnych. Uszczelnienia i naprawy betonu w galeriach Przecieki wody obserwowano w roku 1989 na prawie wszystkich powierzchniach budowli podziemnych zapory (Rys. 3). Założono, że jedyną skuteczną metodą uszczelnienia może być iniekcja wysokociśnieniowa pęknięć i porowatości betonu. Rys. 3. Powierzchnie ścian budowli podziemnych zapory przed (a) i po (b) naprawie Stwierdzono, że skuteczne wykonanie uszczelnień (Rys. 4a) generuje powstanie po pewnym czasie wtórnych przecieków w sąsiedztwie. Aby przeciwdziałać przenoszeniu się nieszczelności stosowano różnorodne kombinacje iniekcji i uszczelnień powierzchniowych (Rys. 4b). Polegały one na wykonywaniu na betonie mineralnych warstw wodoszczelnych w obszarach otaczających przecieki przewidziane do likwidacji metodą iniekcji.

5 strona 5 Rys. 4. Uszczelnienia iniekcyjne (a) i powierzchniowe (b) na stropach galerii Naprawy dylatacji ekranu wodoszczelnego Dylatacje ekranu były kilkakrotnie bezskutecznie naprawiane i stanowiły główny powód nieszczelności zapory w początkowym okresie eksploatacji. Założono, że główną przyczyną nieszczelności są uszkodzone i/lub nieprawidłowo usytuowane taśmy dylatacyjne. Przyjęto zatem, że uszczelnienie dylatacji powinno polegać na przywróceniu prawidłowego funkcjonowania taśm dylatacyjnych, a nie na zalepianiu przestrzeni dylatacyjnych kitami elastycznymi. W tym celu poszerzono wszystkie przestrzenie dylatacyjne przez nacięcie betonu tak, aby zapewnić swobodną pracę złącz wynikającą z rozszerzalności termicznej płyt. W poszerzonych dylatacjach odkryto setki perforacji (wykonawcy zapory mocowali taśmy gwoździami do szalunków) oraz częstokroć nieprawidłowe usytuowanie taśm. W sąsiedztwie dylatacji wykonano kilka tysięcy otworów dla sprawdzenia i poprawy zagęszczenia betonu wokół taśm. Typowe uszkodzenia i metody naprawy pokazano na Rys. 5. Rys. 5. Typowe uszkodzenia dylatacji ekranu i metody naprawy

6 strona 6 Po naprawie, przestrzenie dylatacyjne wypełniono i zakryto w sposób zależny od lokalnych warunków ekspozycji na czynniki zewnętrzne w/g Tablicy 1. Usytuowanie dylatacji, występujące narażenia, sposób wypełnienia przestrzeni dylatacyjnej, powyżej zmienne temperatury styropian maksymalnego promieniowanie UV poziomu lustra wody w strefie falowania j.w. oraz oddziaływania: żywica elastyczna hydrodynamiczne wody, mechaniczne kry lodowej i kawałków w strefie stale zanurzonej drewna unoszonych przez wodę stała temperatura brak UV brak oddziaływań mechanicznych żywica elastyczna sposób zamknięcia przestrzeni dylatacyjnej wkładka ze sztucznej gumy wkładka ze sztucznej gumy wkładka z naturalnego kauczuku (dopuszczona do kontaktu z wodą pitną) Tablica 1. Sposoby wypełnienia i zamknięcia dylatacji ekranu w zależności od ich usytuowania i warunków ekspozycji Zabezpieczenie powierzchni betonu w strefie falowania W obszarach sąsiadujących z lustrem wody kumulują się niekorzystne oddziaływania niszczące powierzchnię płyt betonowych ekranu: częste zmiany wilgotności, szoki termiczne powodowane przez obmywające fale w okresie lata, oddziaływanie mechaniczne i ścieranie wywoływane przez kawałki drewna i krę lodową unoszoną przez wodę. Typowe uszkodzenie powierzchni betonu w strefie falowania to ubytek spoiwa objawiający się w pierwszym etapie obnażeniem zalegającej płytko warstwy ziaren kruszywa grubego. Zadaniem zabezpieczenia powierzchni ekranu było niedopuszczenie do bardziej poważnego zniszczenia polegającego na wymyciu spoiwa spomiędzy grubych ziaren i ich uwolnieniu z powierzchni płyt. Rys. 6. Badania terenowe trwałości zapraw naprawczych w strefie falowania Po analizie możliwych rozwiązań zdecydowano się na ekonomicznie uzasadnione pokrycie powierzchni cienką, (2 4 mm) warstwą zaprawy polimerowo-cementowej. Zadaniem zaprawy było uzupełnienie startego lub wymytego spoiwa i zabezpieczenie powierzchni przed dalszą destrukcją. Biorąc pod uwagę niską trwałość napraw betonu wykonanych na początku eksploatacji obiektu oraz ekstremalne warunki ekspozycji występujące w strefie falowania, zdecydowano się na wykonanie napraw testowych i poddanie ich kilkuletniej próbie trwałości. W tym celu, w roku 1990 obniżono piętrzenie zbiornika i na płyty w strefie falowania naniesiono różne zaprawy (Rys. 6a). Powierzchnie testowe poddano ocenie w roku Okazało się, że dwie z trzech zapraw były niemal zupełnie starte (Rys. 6b). Najtrwalsza z zapraw była starta z powierzchni grubych

7 strona 7 ziaren kruszywa, ale pozostała w dobrym stanie pomiędzy tymi ziarnami (Rys. 6c), czyli nadal zapewniała ochronę dla spoiwa w tych obszarach. Wybraną w ten sposób najtrwalszą zaprawę zastosowano do zabezpieczenia powierzchni ekranu w strefie falowania. Widok ekranu w trakcie robót pokazano na Rys. 7. Rys. 7. Ekran zapory w trakcie napraw (a) i zabezpieczenia strefy falowania (b) Naprawy uszkodzeń betonu spowodowanych korozją zbrojenia Badania terenowe wykorzystano w Wiśle także do oceny i porównania wpływu różnych materiałów naprawczych na korozję zbrojenia w naprawionych elementach konstrukcji żelbetowych. W tym celu wyznaczono dwa sąsiadujące ze sobą, identycznie wyeksponowane na środowisko i podobnie uszkodzone obszary ściany oporowej przelewu stokowego. Zawilgoceniu otuliny sprzyja tu naturalny mechanizm transportu wilgoci z gruntu (za ścianą) w kierunku powierzchni. Głębokość karbonatyzacji w obydwu obszarach wynosiła 32 mm, a grubość otuliny 35 mm. W obydwu obszarach usunięto otulinę, oczyszczono i zabezpieczono zbrojenie oraz odtworzono otulinę różnymi systemami naprawczymi. Zastosowano typowy system PCC oraz antykorozyjny system naprawczy o niższym oporze dyfuzyjnym dla pary wodnej i wyższym oporze dyfuzyjnym dla CO 2, zawierający kontaktowe i migrujące inhibitory korozji [4]. Przez 17 miesięcy po naprawie kontrolowano elektrochemiczne parametry korozji zbrojenia w obydwu obszarach oraz w nienaprawianym betonie otaczającym pola testowe. Wyniki badań podano w [5]. Rezystancja otuliny rosła we wszystkich obszarach, co wynikało z osuszania się ściany po wykonaniu odprowadzenia wód opadowych ze skarpy powyżej naprawionej ściany. Rezystancja w obszarze naprawionym systemem antykorozyjnym (VHDRS-2) była w każdym pomiarze korzystnie wyższa niż w obszarach: nienaprawianym i naprawianym typowym systemem PCC (Rys. 8). Różnica rezystancji pomiędzy obszarami stale rosła. Rezystancja w obszarze naprawionym systemem PCC była zawsze zbliżona do rezystancji w obszarze nienaprawianego betonu. Uzyskane wyniki wykazały zatem, że wykonanie naprawy systemem antykorozyjnym przyniosło poprawę ochrony antykorozyjnej zbrojenia. Wykonanie naprawy typowym systemem PCC nie przyniosło praktycznie żadnej poprawy zabezpieczenia zbrojenia przed korozją w warunkach wykonanego testu. Zgodnie z uzyskanymi wynikami, do otulania stali zbrojeniowej w budowlach żelbetowych zapory stosowano antykorozyjny system naprawczy.

8 strona 8 Rys. 8. Wyniki pomiarów rezystancji otuliny w naprawionych obszarach testowych Wykonane naprawy w liczbach W ramach remontu zapory wykonano m.in.: naprawy 2 tysięcy m2 ubytków betonu, sklejono 3 tysiące mb zarysowań w różnych elementach konstrukcji, uszczelniono 8 tysięcy przecieków i naprawiono 5 tysięcy mb dylatacji. Wyjątkowe cechy przedsięwzięcia O wyjątkowym charakterze remontu zapory w Wiśle zadecydowała historia problemów związanych z budową i uruchomieniem tego obiektu. Remont nie został po prostu zaprojektowany i wykonany. Żadna metoda i żaden materiał nie zostały zastosowane lub dobrane na podstawie teoretycznych parametrów lub informacji technicznych wytwórcy. Przeprowadzono naprawy próbne i ich długoterminowe obserwacje. Napotykano nieprzewidziane sytuacje. Uszczelnienia wykonywane 25 m poniżej zwierciadła wody przypominały często walkę człowieka z upartą naturą. Uzyskiwano zróżnicowane wyniki. Wybrano najbardziej skuteczne materiały i techniki aplikacji. Inwestor popierał empiryczne podejście do naprawy, które okazało się jedyną realną drogą do rozpoznania istniejących problemów i ich rozwiązania. Asortyment konstrukcji, uszkodzeń, napraw i warunków ekspozycji był bardzo szeroki. Nie stosowano ogólnych rozwiązań. Każda naprawa i zabezpieczenie powierzchni było indywidualnie dopasowane do konkretnego uszkodzenia i lokalnie istniejących narażeń wynikających z ekspozycji na środowisko. Prawie wszystkie materiały musiały być zaakceptowane przez PZH do zastosowania w kontakcie z wodą do picia. W latach 1996 i 1997 roboty wykonywane w niecce opróżnionego zbiornika zostały poważnie zakłócone przez powodzie. W niedzielny poranek 6 lipca 1997r woda w ciągu kilku godzin zalała węzeł betoniarski i ciężki sprzęt. Dla oceny trwałości zapraw przeprowadzono 6 - letnie badania terenowe, które wykazały, że zaprawy naprawcze o podobnych parametrach technicznych zdecydowanie różnią się trwałością w warunkach ekspozycji w strefie falowania zapory wodnej. W celu sprawdzenia wpływu napraw na korozję zbrojenia przez 17 miesięcy monitorowano obszary testowe naprawione różnymi materiałami. Badania wykazały, że dostępne na rynku zaprawy naprawcze zdecydowanie różnią się właściwościami ochronnymi dla stali.

9 strona 9 Interesujące wyniki uzyskane w Wiśle spowodowały wykonanie podobnych badań w kilku innych miejscach w Polsce. W ich następstwie ukazały się publikacje [7], [8], [9] i [10] poświęcone istotnej tematyce wpływu napraw i materiałów naprawczych na korozję zbrojenia w remontowanych konstrukcjach. Praca dyplomowa studentów Katedry Mostów Politechniki Rzeszowskiej [6] poświęcona wykonanemu w Wiśle monitoringowi korozji uzyskała w roku 1999 nagrodę Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji za podjęcie nowego, trudnego problemu technicznego i trafny wybór koncepcji porównania wyników badań laboratoryjnych z badaniami terenowymi. Piśmiennictwo 1.Olszamowski Z., Rożnowska L., Monografia zbiornika wodnego WISŁA-CZARNE, Warszawa Ekspertyza techniczna. Ocena stanu technicznego budowli betonowych zbiornika Wisła-Czarne, Zarząd Główny PZITB, Zespół Rzeczoznawców Budowlanych, Ekspertyza techniczno-budowlana. Ocena stanu bezpieczeństwa zapory oraz program prac zabezpieczających, HYDROPROJEKT KRAKÓW, VHDRS Nowa generacja materiałów do naprawy i ochrony żelbetu oferuje wydłużenie życia konstrtukcji, "OTiK" Spółka z o.o., Gdańsk, Michalak E., Tężycki W., Innowacyjne systemy naprawcze w zrealizowanym remoncie konstrukcji żelbetowych zapory wodnej, XII Konferencja Techniczna "KONTRA 2000" Trwałość Budowli i Ochrona Przed Korozją, Warszawa-Zakopane, Kopczyk J., Szaro P., Ocena skuteczności migrujących inhibitorów korozji w mostach żelbetowych, Praca Magisterska, Politechnika Rzeszowska, Michalak E., Tężycki W., Badania terenowe wpływu systemów naprawczych na korozję zbrojenia w mostach, XI seminarium "Współczesne metody wzmacniania i przebudowy mostów", Poznań, Michalak E., Tężycki W., Długoterminowa kontrola działania powłok ochronnych zawierających migrujące inhibitory korozji, XII seminarium "Współczesne metody wzmacniania i przebudowy mostów", Poznań, Michalak E., Ocena skuteczności działania migrujących inhibitorów korozji w warunkach laboratoryjnych i polowych, XVII Konferencja Naukowo-Techniczna "JADWISIN 2000" Beton i Prefabrykacja, Popowo, Michalak E., Wpływ migrujących inhibitorów korozji na ochronę antykorozyjną stali zbrojeniowej w obiektach inżynierskich, X seminarium "Współczesne metody wzmacniania i przebudowy mostów", Poznań, * * * Firma OTiK z Gdyni za remont konstrukcji żelbetowych zapory Wisła-Czarne otrzymała wyróżnienie honorowe w międzynarodowym konkursie Wybitne przedsięwzięcia remontowe roku 2002 organizowanym przez ICRI - Międzynarodowy Instytut Naprawy Betonu. Jest to jedna z dwóch nagród przyznanych przez ICRI w kategorii budowle wodne.