ANALIZA ZMIANY GEOMETRII WYBRANEGO PRZEKROJU KLIFU MORSKIEGO W JASTRZĘBIEJ GÓRZE

Transkrypt

1 ANALIZA ZMIANY GEOMETRII WYBRANEGO PRZEKROJU KLIFU MORSKIEGO W JASTRZĘBIEJ GÓRZE Paweł Szawłowski, Opiekun pracy dyplomowej: Tomasz Wawrzyński dr inż. Zygmunt Kurałowicz Wydział Budownictwa Wodnego i Inżynierii Środowiska Politechnika Gdańska 1. STRESZCZENIE W artykule przedstawiono opis stanu wybranego fragmentu klifu w Jastrzębiej Górze. Zamieszczono wyniki geodezyjnych pomiarów geometrii w dwóch przekrojach klifu. Scharakteryzowano klify występujące na Polskim Wybrzeżu oraz metody zastosowanych zabezpieczeń. 2. WSTĘP Klif w Jastrzębiej Górze jest jednym z najpiękniejszych odcinków polskiego wybrzeża. Powierzchnia terenu, wypiętrzona na długości jednego kilometra do wysokości 30 metrów n.p.m. urywa się nagle w odległości około metrów od linii brzegowej i opada ku morzu, miejscami prawie pionową skarpą o licznych, starych i nowych stopniach osuwiskowych oraz okresowo pojawiających się intensywnych wysiękach wód gruntowych. W ostatnich latach zaobserwować można ożywienie zjawisk osuwiskowych zachodzących na klifie jastrzębskim. Powstało poważne zagrożenie dla byłego ośrodka Horyzont oraz wielu innych budynków znajdujących się w jego sąsiedztwie. Przedstawiona praca ma na celu zawiera przyczynek do analizy zmiany geometrii klifu w Jastrzębiej Górze na przykładzie dwóch wybranych przekrojów oraz określenie przyczyn powstających osuwisk. Lokalizacja przekrojów została tak dobrana, aby można było zaobserwować różnice zachowania się zbocza zabezpieczonego i takiego, który w dalszym stopniu ulega niszczeniu. Praca zawiera obliczenia opracowane na podstawie pomiarów

2 geodezyjnych wykonanych na obu założonych przekrojach. W oparciu o uzyskane wyniki przeprowadzona została analiza zmiany geometrii oraz analiza stateczności zbocza. Przedstawiona została również charakterystyka wybranych brzegów klifowych polskiego wybrzeża oraz metody ich zabezpieczenia. 3. OPIS KLIFU W JASTRZĘBIEJ GÓRZE Klif jastrzębski rozciąga się od Rozewia do Jastrzębiej Góry (km 131,7 134,55), a jego wysokość kształtuje się w granicach od 30 do 35m. Na jego budowę składają się utwory plejstoceńskich, głównie zlodowacenia Wisły, są to gliny zwałowe oraz piaski i żwiry wodnolodowcowe, również glacilimniczne iły i piaski. Budowa geologiczna klifu (Rys. 1 do Rys. 3). Rys. 1. Przekrój geologiczny klifu w Jastrzębiej Górze [19]. W budowie geologicznej klifu utwory glacilimniczne mają duże znacznie, zwłaszcza odpowiedzialne za powstawanie zjawisk osuwiskowych na klifie iły. Za bezpośrednią przyczynę osuwiska można przyjąć abrazję podnóża klifu. Rys. 2. Przekrój geotechniczny klifu w Jastrzębiej Górze, km 133,8 [20].

3 Rys. 3. Przekrój geotechniczny klifu w Jastrzębiej Górze, km 134,2 [20]. 3.1 Historia osuwiska Ochrona brzegu w Jastrzębiej Górze od wielu lat stanowi poważny problem przede wszystkim dlatego, że degradacja klifu i plaż zagraża lokalnej społeczności, która w głównej mierze żyje z turystyki. Na przełomie XIX i XX w. zostało odnotowane intensywne niszczenie klifu, poprzez abrazję od strony morza i zjawiska osuwiskowe. W tym czasie występowały szczególnie silne i długotrwałe wezbrania sztormowe. Dla porównania można wspomnieć, że w latach 1837 do 1875 klif w Rozewiu cofnął się o około 90 m, czyli intensywność niszczenia wynosiła 2,35 m/rok. Zatem przyjmując przez analogię można przypuszczać, że klif jastrzębski charakteryzowała podobna dynamika procesów niszczących. Świadczy o tym obecność dużych form osuwiskowych takich jak nisze i stopnie osuwiskowe, co przyczyniło się do zestopniowania profilu poprzecznego klifu. W latach , po licznych wierceniach badawczych stwierdzono, że abrazja progu wynosi około 0,9 m/rok. Realizacja zaleceń pogłębionej analizy zapoczątkowała wykonanie odwiertów w 1977 roku związanych z uruchomieniem na zboczu klifowym wieży wyciągu brzegowego Światowid. Eksploatowana była w latach , zaś w nocy z 6 na 7 stycznia 1982 roku wieża tracąc stateczność przewróciła się. Spowodowało to, że wraz ze wzrastającą aktywnością osuwiska, zaczęto w latach osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych zajmować się ochroną zagrożonej infrastruktury budowlanej usytuowanej w sąsiedztwie klifu. Jednak, w nocy z maja 1988 r. wystąpiło osuwisko i krawędź klifu uformowała się około 8 m od skraju budynków. Powstałe osuwisko, bezpośrednio zagroziło stateczności budynku ośrodka wypoczynkowego Horyzont w rejonie ul. Słowackiego.

4 W celu zabezpieczenia obiektów Urząd Morski w Gdyni podjął decyzję wybudowania u podnóża klifu konstrukcji oporowej. Rys. 4. Zabezpieczenie klifu opaską gabionową, km 134,5 (fot. własna, marzec 2003). W 1994 roku na wschodnim odcinku w rejonie ośrodka wybudowano opaskę z gabionów, której obszar następnie rozszerzono o kolejne 800 m, co stanowiło ochronę brzegu klifowego od ul. Słowackiego do ul. Bałtyckiej, przy której znajduje się ośrodek wypoczynkowy Bałtyk Ministerstwa Finansów. Budowę zakończono w 1997 roku. Po krótkim okresie eksploatacji zauważono, że siatki druciane, z których zbudowane są gabiony przecierają się i następuje ich niszczenie. Wymagały one pilnej naprawy. W roku ze względu na duże niebezpieczeństwo katastrofy budowlanej ośrodka Bałtyk, Urząd Morski w Gdyni podjął decyzję o zabezpieczeniu najbardziej zagrożonego odcinka o długości 200 m. Projekt autorstwa Zakładu Geoinżynierii i Geoekologii Instytutu Morskiego w Gdańsku zawierał pięć koncepcji ochrony brzegu klifowego. Wybrano do realizacji koncepcję odtworzenia rzeczywistego kształtu klifu w dwóch do trzech stopni osuwiskowych z gruntu zbrojonego. Inwestycja ta była bardzo kosztowna i trudna w realizacji, ze względu na aktywność klifu. Należy zaznaczyć, że ze względu na bezpieczeństwo pracujących ludzi zaprojektowano i zainstalowano system wczesnego ostrzegania, który uruchamiał się w chwili, gdyby nastąpiło przemieszczenie korony klifu. Działanie systemu polegało na uruchomieniu wizualnego, dźwiękowego i telefonicznego sygnału w momencie pojawienia się

5 przemieszczeń. Sygnał ten miał być generowany z chwilą wystąpienia przerwy w odbiorze promieni laserów umieszczonych na krawędzi klifu. Rys. 5. Zabezpieczenie klifu blokami Terramesh, km 134,40 (fot. własna, wrzesień 2003). Prace związane z budową skarp z gruntu zbrojonego rozpoczęto w maju 2000 roku i zakończono jeszcze tego samego roku. W kwietniu 2002 roku, nastąpiło kolejne groźne osuwisko w rejonie ośrodka wypoczynkowego Horyzont. Krawędź progu klifowego znalazła się w odległości około 1,5 metra od budynku. Dwa miesiące później w maju, kolejne osuwisko spowodowało zniszczenie fragmentu budynku. 4. POMIAR GEOMETRII KLIFU W WYBRANYCH DWÓCH PRZEKROJACH W związku z ciągłą zmianą geometrii różnego rodzaju osuwisk, w tym również klifów, należy prowadzić ich ciągłą obserwację. Monitoring polegał na pomiarze zmiany wysokości klifu, odległości oraz kątów między punktami pomiarowymi. W celu zbadania przemieszczenia zbocza klifu w Jastrzębiej Górze zostały obrane dwa przekroje, na których założono osnowę wysokościową, a następnie wykonano dwie serie pomiarów geodezyjnych. Lokalizacje przekrojów dobrano tak, aby można było zaobserwować różnice zachowania się między klifem aktywnym a ustabilizowanym, w odległości około 20 m po obu stronach od istniejącego umocnienia, wykonanego z gruntu zbrojonego, znajdującego się w rejonie ul. Bałtyckiej przy ośrodku wypoczynkowym Bałtyk. Pierwszy przekrój (km 134,26) obrany został na wschód od umocnień, na klifie o wysokości około 28 m i nachyleniu 1:2, będącym typowym przykładem klifu osuwiskowo spływowego. Charakteryzuje się on obecnością dwóch warstw gliny morenowej przedzielonej piaskami i żwirami oraz wody gruntowej ujawniającej się w postaci licznych wysięków. Lokalne

6 osuwiska, występujące głównie w środkowej i dolnej partii klifu, w istotny sposób utrudniały wejście na klif w celu założenia osnowy. Niekorzystny wpływ miała również pogoda (temperatura +5 o C), która przyczyniała się do rozmarzania wody gruntowej i koluwium, a w konsekwencji prowadziło do intensywnego spływu powierzchniowego. Drugi przekrój (km 134,49) zlokalizowano po zachodniej stronie umocnienia na zboczu będącym końcowym odcinkiem klifu jastrzębskiego, o wysokości ok. 13,80 m i nachyleniu 1:1,5. Jest ono umocnione za pomocą faszyny, obsadzone trawą i krzewami, a u podstawy znajduje się opaska gabionowa. Osnowa geodezyjna została ustabilizowana przy użyciu drewnianych palików o długość 50 cm, rozmieszczonych w poprzek zbocza klifu w odstępach, co 8.0 m na pierwszym przekroju i co 3.0 m na drugim. Pomiary przeprowadzone na klifie w dwóch przekrojach, (na 134,26 km i 134,49 km) miały na celu określenie zmiany geometrii klifu w okresie od marca do lipca 2003 roku. Zaobserwowane zmiany zostały przedstawione w niższych tabelach 1 i 2. Tabela 1. Zestawienie zmian geometrii klifu z trzech pomiarów na km 134,26. Różnice wysokości [m] Różnice odległości [m] Punkt Pomiar I-II Pomiar II-III Pomiar I-III Pomiar I-II Pomiar II-III Pomiar I-III [m] [m] [m] [m] [m] [m] 1 0,08 0,01 0, ,03 0,02 0,05 0,03 0,01 0,04 3 0,05 0,07 0,12 0,03-0,18-0,15 4 0,05 0,06 0,11 0,12 0,03 0,15 5 0,08 0,04 0,12-0,05 0,11 0,06 6 0,02 0,21 0,23-0,01-0,23-0,24 7 0,06-0,06 0 0,13 1,85 1,98 Punkt nr 1 znajduje się na koronie klifu, zaś punk nr 7 w miejscu styku wody z plażą. W związku z tym przy każdym pomiarze punkt ten znajdował się w innym miejscu i nie można dokonać porównania uzyskanych w tym punkcie wartości. Największa zmiana wysokości zaszła w punkcie nr 6, który znajduje się u podnóża klifu i wynosi 23 cm. W punktach nr 3, 4 i 5 znajdujących się w środkowej partii klifu, różnica wysokości wynosi 12 cm. Punkt nr 2 obniżył się o 5 cm zaś punkt nr 1 o 9 cm. Największa zmiana odległości pomiędzy kolejnymi punktami zaszła między punktem nr 5 i 6 i wynosi 24 cm. W pozostałych przypadkach waha się od 6 do 15 cm. Różnice wysokości wynikające z II, sprawdzającego pomiaru są niewielkie i wahają się w granicach od 2 do 8 cm. Maksymalna zmiana odległości 12 cm zaszła między punktami nr 3 i 4. Największa różnica wysokości wystąpiła w punkcie nr 3 i wyniosła 10 cm. W pozostałych przypadkach zmiana waha się od 2

7 do 5 cm. Tak samo jak w przekroju A w punkcie nr 7 wystąpiły znaczne różnice wysokości, wynikające z nie ustabilizowania tego punktu. Tabela 2. Zestawienie zmian geometrii klifu z trzech pomiarów na km 134,49. Różnice wysokości [m] Różnice odległości [m] Punkt Pomiar I-II Pomiar II-III Pomiar I-III Pomiar I-II Pomiar II-III Pomiar I-III [m] [m] [m] [m] [m] [m] 1 0 0,02 0, ,05 0,05-0,04-0,01-0,05 3 0,01 0,09 0,10 0,05-0, ,01 0,04 0,05-0,11 0,06-0,05 5-0,01 0,06 0,05 0,01-0,03-0, ,03-0,03 0,05 0,2 0,25 7 0,19 0,21 0,40 0,14-1,56-1,42 Maksymalne przesunięcie wystąpiło między punktami nr 5 i 6 i wyniosło 25 cm. Różnica odległości pomiędzy pozostałymi punktami nie przekracza 5 cm. Wartości zmiany wysokości uzyskane z II pomiaru nie przekraczają 1 cm, a różnice wysokości wynoszą maksymalnie 11 cm, pomiędzy punktami nr 3 i ANALIZA WYNIKÓW OBLICZEŃ STATECZNOŚCI W DWÓCH WYBRANYCH PRZEKROJACH Istnieje wiele obiektów i konstrukcji, w których może wystąpić utrata stateczności w wyniku poślizgu większej lub mniejszej objętości masy gruntu. Poślizg taki powstaje po przekroczeniu wytrzymałości gruntu na ścinanie wzdłuż określonej powierzchni, przebiegającej w ośrodku gruntowym i nazywanej powierzchnią poślizgu. Zjawiska takie cechują się tym, że głównymi siłami wpływającymi na utratę stateczności są siły masowe, wywodzące się od ciężaru gruntu oraz siły hydrodynamiczne, pochodzące od wody przepływającej przez grunt. Mniej istotne znaczenie mają siły pochodzące od obciążeń zewnętrznych, jednak należy je uwzględnić Analiza stateczności została przeprowadzona przy użyciu programu USTAWALC5. Po przeliczeniu danych wejściowych otrzymano wartości współczynnika stateczności podane w Tablicy 3. Można zauważyć, że największa wartość współczynnik F s = 1,63 uzyskana została przy pierwszej powierzchni poślizgu przechodzącej w odległości 4,27 metra od krawędzi korony klifu. Zapas bezpieczeństwa jest dość znaczny, co oznacza, że mało prawdopodobne jest, aby masa gruntu znajdująca się ponad tą powierzchnią poślizgu uległa obsuwowi. Przyczyną tego jest fakt, że linia poślizgu kończy się w warstwie gliny pylastej

8 o kącie tarcia wewnętrznego f = 19,8 o, która leży ponad warstwą piasku pylastego o f = 0,0 o. Następne linie powierzchni poślizgu mają swój koniec już w tej warstwie piasku, co powoduje znaczne zmniejszenie wartości współczynnika stateczności. Tabela 3. Zestawienie danych wejściowych i wartości współczynnika F s. Nr X 0 Y 0 R k F s [m] [m] [m] 1 150,36 86,76 28,08 1, ,16 91,35 34,24 1, ,39 96,39 39,25 1, ,66 102,3 45,08 1, ,87 110,12 52,93 1, ,37 116,68 59,59 1, ,98 123,24 66,09 1,39 Powierzchnia poślizgu przechodząca w odległości 14,59 metra od korony klifu ma współczynnik F s = 1,17. Idąc w głąb klifu wartość ta wzrasta do F s = 1,39 w odległości 39,04 metra od krawędzi korony. Wzrost współczynnika stateczności spowodowany jest wzrostem masy gruntu. Przyczynia się to do wzrostu sił pionowych, powodujących docisk gruntu oraz zwiększenia wartości tarcia na linii poślizgu. Według propozycji Wiłuna [22], wartość współczynnika stateczności dla metody Bishopa powinno przyjmować się za bezpieczny, jeżeli jego wartość wynosi F dop = 1, 3 1,5. Oznacza to, że najbardziej narażony na utratę stateczności jest obszar klifu sięgający około 30 metrów od korony, gdzie współczynnik stateczności ma wartość około F s = 1,3. Za bezpieczną strefę należy przyjąć obszar znajdujący się w odległości, co najmniej 30 metrów od krawędzi klifu. 6. ZABEZPIECZENIE KLIFU W JASTRZĘBIEJ GÓRZE Zabezpieczenie klifu w Jastrzębiej Górze od wielu lat stanowi poważny problem i wyzwanie dla inżynierów zajmujących się problematyką brzegu morskiego. Przez lata powstawało wiele różnych koncepcji ochrony tego odcinka klifu. Ostatecznie Urząd Morski w Gdyni w roku 1994, podjął decyzję o wykonaniu opaski brzegowej, decydując się na wariant opaski gabionowej. Jej konstrukcja zbudowana jest z materaców gabionowych, posadowionych na geowłókninie i ustawionych na nich koszy gabionowych. Mimo braku zadowalających efektów, metodę tą wykorzystano do zabezpieczenia całego, około kilometrowego odcinka brzegu klifowego w Jastrzębiej Górze. Również i tym razem nie wykonano narzutu odmorskiego ani drenażu na zboczu. W dalszym stopniu postępowały zjawiska osuwiskowe, których intensywność spowodowała zniszczenie opaski gabionowej.

9 3,00 kosz gabionowy -0,3 geowłóknina materac gabionowy Rys. 6. Opaska gabionowa w Jastrzębiej Górze [1]. W związku z tym, że tempo i zasięg cofania się krawędzi klifu w latach stworzyły bezpośrednie zagrożenie dla znajdujących się na koronie klifu budynków w 2000 roku Urząd Morski w Gdyni zdecydował się na zabezpieczenie najbardziej zagrożonego odcinka o długości 200 metrów. Projekt zabezpieczenia zbocza opracowano w Zakładzie Geoinżynierii i Geoekologii Instytutu Morskiego w Gdańsku. W celu zapewnienia stateczności stoku wzięto pod uwagę następujące rozwiązania: uregulowanie warunków wodnych w celu podwyższenia wytrzymałości warstw miękkoplastycznych gruntów spoisty, po których przebiega powierzchnia ścięcia bez zmiany geometrii skarpy klifu. zmiana pochylenia górnej części skarpy klifu wraz z pracami drenażowymi i zabezpieczającymi na obszarze koluwium, kotwienie lub gwoździowanie górnej części klifu wraz z pracami drenażowymi zabezpieczającymi na obszarze koluwium, mury oporowe, palisady lub kaskady betonowe wraz z drenażem, odbudowa skarpy klifu z zastosowaniem siatek zbrojeniowych po usunięciu części koluwium i wykonaniu drenażu na całej powierzchni gruntu rodzimego odbudowanej skarpy klifu. Do realizacji przyjęto wariant polegający na wykonaniu bloków gruntu zbrojonego, drenażu na kontakcie gruntu rodzimego klifu z gruntem wbudowanym oraz wypełnienia materiałem piaszczystym pomiędzy blokami gruntu zbrojonego a drenażem.

10 Istotą gruntu zbrojonego jest wytworzenie współpracy gruntu i zbrojenia w taki sposób, aby wyeliminować lub ograniczyć zjawisko poślizgu pomiędzy gruntem a zbrojeniem. Zbrojenie gruntu musi przenosić siły rozciągające, których sam grunt nie jest w stanie przenieść. Ogólna zasada zbrojenia gruntu elementami siatkowymi "Green Terramesh" polega na odpowiednio przygotowanym podłożu gruntowym (zagęszczonym i stabilnym), na którym buduje się system pionowych i poziomych filtrów kamiennych odwadniających skarpę. Na poziomym filtrze kamiennym układa się warstwę geowłókniny, na niej układa się element (blok) siatkowy systemu "Green Terramesh" i usypuje się warstwę z kruszywa piaskowego o granulacji gwarantującej uzyskanie zagęszczenia. Zagęszczanie warstwy gruntu odbywa się przy odpowiedniej wilgotności kruszywa. Po zagęszczeniu jednej warstwy o wysokości bloku czołowego układa się następny element siatkowy systemu "Green Terramesh" i powtarza się czynności jak przy budowie pierwszej warstwy. Integralną częścią takiego rozwiązania jest drenaż, który ma na celu odbiór wszystkich wypływów z masywu klifu. W jego skład wchodzi drenaż płaszczyznowy wykonany jako ciągła warstwa filtracyjna o miąższości 1 metra z kamienia łamanego, obustronnie otulony geowłókniną, ułożony na wyprofilowanej powierzchni rodzimego gruntu. Jego zasięg sięga od korony klifu do opaski brzegowej. Drugim elementem systemu drenażowego są wcinki drenażowe, które umiejscowione zostały poniżej bloków B i C, pod powierzchnią drenu płaszczyznowego w kierunku prostopadłym do opaski brzegowej. Wykonane są z kamienia łamanego w otulinie z geowłókniny o szerokości minimum 50 centymetrów. Ich rozstaw wynosi 10 metrów, zaś zasięg w głąb gruntu rodzimego waha się od 2 do 5 metrów.