EKSPLOATACYJNE ZAGROŻENIA STATECZNOŚCI ZAPÓR MAŁYCH ZBIORNIKÓW WODNYCH MAINTENANCE OF EMBANKMENTS SMALL DAMS DANGER

Transkrypt

1 Eksploatacyjne zagrożenia stateczności INFRASTRUKTURA I EKOLOGIA TERENÓW WIEJSKICH INFRASTRUCTURE AND ECOLOGY OF RURAL AREAS Nr 9/2008, POLSKA AKADEMIA NAUK, Oddział w Krakowie, s Komisja Technicznej Infrastruktury Wsi Krzysztof Parylak EKSPLOATACYJNE ZAGROŻENIA STATECZNOŚCI ZAPÓR MAŁYCH ZBIORNIKÓW WODNYCH MAINTENANCE OF EMBANKMENTS SMALL DAMS DANGER Streszczenie Stan bezpieczeństwa zapór ziemnych małych zbiorników wodnych Polsce jest często zagrożony, o czym świadczą liczne przypadki różnorodnych awarii. Na tle dotychczasowych opisanych przypadków katastrof przedstawiono stan zagrożenia zapory ziemnej małego zbiornika wodnego u podnóża Wielkiej Sowy w Sudetach, gromadzącego wodę do celów rekreacyjnych, a głównie dla potrzeb naśnieżania stoku narciarskiego. Celem pracy jest wykazanie, że wznoszone niezgodne z zasadami budownictwa hydrotechnicznego zapory małych zbiorników prowadzą do zagrożenia katastrofą. Na omawianym przykładzie wykazano, że złamanie wielu zasad, brak właściwego zagęszczenia, odwodnienia i uszczelnienia skarpy odwodnej prowadzi do awarii. Wykazano ponadto, że stosowana powszechnie w ocenach stateczności budowli ziemnych metoda kołowych linii poślizgu nie zastępuje wszystkich uwarunkowań stateczności występujących w rzeczywistości. Słowa kluczowe: zapory ziemne, badania geotechniczne, filtry, stateczność zapór Summary In this paper the examples of the conditions of embankments small dams in Poland which caused catastrophes were presented. The similar example damage was analyses on small water reservoir to the water take off to snowing of ski lift slope in Lower Silesia. On this danger of stability object the field and laboratory 247

2 Krzysztof Parylak test was carried. The results of investigation demonstrated that the geotechnical parameters of soils aren t appropriately. Above 50 % values of the compatibility results were lower than 0,92, and under of the base of dam was small layer of organics soil. Also index of plasticity of cohesions ground corps dams were higher than 0,70. This condition caused that too shear down slopes of is very deformed, and settlements of corps of embankment are above 24 cm. Coefficient of stability in ran of reservoir, analyzed of Swedish method is lower than 1,0. The stone concrete screen on up stream is absolutely no tight. The tested dams of reservoir in Potoczek is in very dangers condition and probably by the piping phenomena and sliding there will be damaged. Key words: earth dams, geotechnical tests, filters, stability of dam WSTĘP Potrzeby rozwoju infrastruktury technicznej wielu obszarów, a w tym rejonów górskich, związane są z koniecznością budowy, a także modernizacji szeregu istniejących urządzeń i obiektów. Należą do nich także różnorodne, przeważnie niewielkie zbiorniki wodne, które jako małe obiekty wodne projektowano i wykonywano często w sposób źle przemyślany, a niekiedy niemający wiele wspólnego z zasadami wznoszenia budowli piętrzących. Znane są liczne krajowe przypadki katastrof i awarii zbiorników z ostatnich lat, spowodowane głównie niewłaściwym wykonaniem konstrukcji budowli ziemnej i powiązane z tym zjawiska sufozji i przebić hydraulicznych. Wg światowych statystyk katastrof opracowanych przez ICOLD na podstawie analizy przyczyn 285 awarii jakie miały miejsce w latach na zaporach o wysokości większej od 15 m ustalono, że 79% katastrof spowodowanych były błędami geotechnicznymi, 13% wynikało z przelania się wody, a 8% spowodowane były m.in. uwarunkowaniami konstrukcyjnymi obiektów, jak wadliwe konstrukcje betonowe, czy niesprawności mechanizmów i zamknięć [Fell i in. 1992; Goubet 1995; Parylak, Wolski 2007]. W tabeli 1 przedstawiono niektóre odnotowane w literaturze katastrofy małych konstrukcji ziemnych z ostatnich lat, które w wyniku braku należytych badań geotechnicznych, złego projektowania i wykonawstwa skończyły się katastrofą. W podobnym stanie znajduje się w Polsce znacznie więcej obiektów, a tylko brak odpowiedniego zbiegu okoliczności powodującego utratę stateczności sprawia, że ich mankamenty nie zostały dotychczas ujawnione zniszczeniami [Parylak 2007]. 248

3 Eksploatacyjne zagrożenia stateczności Tabela 1. Zniszczenia małych budowli piętrzących w Polsce odnotowane w okresie Data Obiekt Przyczyna Skutki zniszczenia Obwałowanie zbiornika w Kluczach, piętrzenie - 2,1 m intensywna filtracja w wyniku zmian mrozowych pod konstrukcją przelewu, brak drenażu zniszczenie obwałowania na dł. 50 m Zbiornik ścieków w Łomży piętrzenie 4m. Pojemność 400 tys. m 3 słabe grunty podłoża, złe zagęszczenie, nadmierne piętrzenie, falowanie 1 ofiara śmiertelna, zniszczone obwałowania Skarpa ściany przyporowej zamka górnego zbiornika w Dychowie złe zagęszczenie gruntów, podniesiony poziom wody, drgania wywołane ruchem kołowym duże osuwisko, zniszczony budynek elektrowni i droga krajowa Zbiornik wodny w Górowie Iławeckim, piętrzenie -7,0 m, złe zagęszczenie gruntu, przebicia filtracyjne, brak drenażu, 3 ofiary śmiertelne, zniszczone zabudowania, zniszczona zapora Przerwanie obwałowania rzeki Raduni w Gdańsku przelanie wody i rozmycie obwałowania w 5 miejscach na długości 310 m duże straty materialne w zalanym Gdańsku Fotografia 1. Fragment przerwanej zapory ziemnej po rzeki Raduni katastrofie w Górowie Iławeckim (2000) Photo 1. Part of damaged embankment dam after Radunia catastrophe in Górowo Iławeckie town 249

4 Krzysztof Parylak Fotografia 2. Rozmywanie obwałowania w Gdańsku (2001) Photo 2. Destruction of embankments of river in Gdansk STAN ZAPORY ZIEMNEJ ZAGROŻONEJ UTRATĄ STATECZNOŚCI Przykładem obiektu zagrożonego utratą stateczności jest zapora ziemna zbiornika zbudowanego przed rokiem 1997 do celów przeciwpożarowych leśnictwa, a następnie przystosowanego do potrzeb gromadzenia wody do celów naśnieżania trasy narciarskiej na stoku Wielkiej Sowy w Sudetach (fot. 3). Fotografia 3. Widok zapory czołowej i bocznej zapory Photo 3. View of dam reservoir dam 250

5 Eksploatacyjne zagrożenia stateczności Fotografia 4. Fragment osuwającej się skarpy Photo 4. Part of zone of slid in down stream Szczególna specyfika tego niewielkiego akwenu o maksymalnej pojemności 3 tys. m 3, leżącego w rejonie źródliskowym potoku Kłodnica o powierzchni zlewni do miejsca przekroju 0,47 km 2, wynika z bardzo dużych spadków terenu zlewni. Powoduje to, że przepływy powodziowe wody o prawdopodobieństwie Q 5% są rzędu 3,2 m 3 /sek. Przy dyspozycyjnej pojemności 1200 m 3 uzyskiwanej w czasie dodatkowego spiętrzenia o 2 m, zbiornik napełniłby się do poziomu korony przelewu w okresie 10 minut. Ma to szczególnie istotne znaczenie nie tylko ze względu na postępujące zniszczenia konstrukcji naskarpowego, prowizorycznego bezkorytowego betonowego bystrotoku o szerokości 1,5 m, ale przede wszystkim wpływa na zagrożenie stateczności wadliwie wykonanej czołowej ziemnej zapory. BADANIA GEOTECHNICZNE Utwory geologiczne na obszarze położenia zbiornika należą do formacji Gór Sowich, które stanowią granitognejsy sylimanitowe pochodzące z proterozoiku starszego. Rejony dolin stanowią grunty zwietrzelinowe tych skał wykształcone w postaci pospółek, pospółek gliniastych, piasków gliniastych namułów, glin oraz glin piaszczystych o zawartości frakcji iłowej 5 15% [Norma Badania polowe; Norma Badania próbek; Norma Podział]. Badania cech Atterberga wykazały, że stany konsystencji tych gruntów utrzymują się w przedziale I L od 0,26 do 0,72 i zależą od stopnia wilgotności gruntów zapory związanego z poziomem napełnienia zbiornika. W dniu badania stan napełnienia zbiornika był rzędu 1,5 m. 251

6 Krzysztof Parylak Występują również bardzo niskie gęstości objętościowe szkieletu. Na podstawie badań kilkunastu prób NNS pobranych głównie z korpusu zapory (rys. 2) wykazano, że zmieniają się one w przedziale 12,0 17,4 KN/m 3, co odpowiada zmienności wskaźnika zagęszczenia od 0,71 0,97. Ponad 50% wyników miała wartości wskaźnika mniejsze od 0,92. Stanowi to jeden z podstawowych mankamentów dyskwalifikujący trwałość tej zapory, gdyż budowle hydrotechniczne zaliczane do IV klasy ważności powinny być zagęszczone do wartości I s > 0,92. Laboratoryjne badania uziarnienia wykazały, że zaporę zbudowano z różnorodnych gruntów spoistych z kamieniami o średnicach dochodzących do 30 cm, co w tego typu małych zaporach nie powinno mieć miejsca. W strefie podłoża przyległej do podstawy skarpy odpowietrznej bezpośrednio na skale osadzone są znaczne miąższości gruntów organicznych o zawartościach części organicznych I om 3 6%. Rysunek 1. Przekrój podłużny zapory z lokalizacja stref osiadań i miejsc badań [Parylak 2007] Figure 1. Elongated section of dam with settlements area and tests places [Parylak 2007] Parametry wytrzymałości na ścinanie tych gruntów określone w badaniach bezpośredniego ścinania występujących w stanie miękkoplastycznym wykonane metodą D wykazywały bardzo niskie wartości Φ = 10 o i c = 10 kpa, co w warunkach nawodnienia sprzyja możliwości powstania płaskiej strefy poślizgu. 252

7 Eksploatacyjne zagrożenia stateczności Wbudowane wyżej pospółki gliniaste o stopniu plastyczności 0,30 miały wartości Φ =19 o i c = 18 kpa. Zastawione parametry gruntu do potrzeb wykonania analizy stateczności podano na rysunku 2. Rysunek 2. Przekrój poprzeczny przez korpus zapory ziemnej z parametrami gruntów w miejscach badań [Parylak 2007] Figure 2. Cross section of earth dam corpus and soil parameter [Parylak 2007] STATECZNOŚCI ZAPORY Stateczność konstrukcji zapór ziemnych powiązana jest z wieloma procesami wynikającymi nie tylko z sił grawitacji i określonej równowagi mas ziemnych wzdłuż prawdopodobnych stref poślizgu, ale także, a jak wskazują statystyki katastrof w przeważającej mierze z zagrożeń wynikających z obecności procesów i zjawisk związanych z ruchem wody w korpusie ziemnym i w jego podłożu. Z tego względu prognozowanie tych zagrożeń metodami obliczeniowymi bez szczegółowych i skomplikowanych badań geotechnicznych jest trudne. Uproszczoną w tym względzie jest stosowana powszechnie metoda oparta na badaniach dostosowywanych do przewidywanych procesów niszczenia, bądź deformacji obiektu [Fell i in. 1992]. Rozważane są tu różnorodne warianty zniszczenia, a w tym nie rzadkie przypadki utraty stateczności skarpy odwodnej, które w przypadku szybkiego opróżniania zbiornika po długotrwałym napełnieniu są wysoce prawdopodobne. Brak śladów takiego osuwiska na skarpie wynika z dotychczasowego braku szybkiego opróżniania zbiornika. 253

8 Krzysztof Parylak Rzadko spotykane i niezgodne z krajowymi wymogami [Parylak, Wolski 2007] są konstrukcje obwałowań o nachyleniach zboczy 1 : 1,2, co przy braku wymaganego zagęszczenia objawiło się czaszowymi deformacjami skarpy odpowietrznej (rys. 2, fot. 4.) i rozległymi pomierzonymi osiadaniami środkowej części zapory (rys. 1). Na powierzchni skarpy odpowietrznej powstały deformacje wynikające z lokalnych osuwisk. Przeprowadzona analiza stateczności uwarstwionego korpusu metodą szwedzką (Felleniusa) wykazała, że generalnie zapora jest niestateczna, a o wartości F < 1,0 zasadniczo zadecydowały niskie parametry wytrzymałościowe namułów (warstwa 4 na rys. 3). Wskaźniki stateczności obliczone profesjonalnym programem [Batog 2006] obliczono znaną formułą: gdzie: W i (γ) ciężar części i-tego bloku gruntu powyżej zwierciadła wody, W i (γ ) ciężar części i-tego bloku gruntu poniżej zwierciadła wody, obliczony przy przyjęciu γ, W i (γ sr ) ciężar części i-tego bloku gruntu poniżej zwierciadła wody, obliczony przy przyjęciu γ sat, ϕ i, c i parametry wytrzymałości, l i, α i długość i nachylenie powierzchni poślizgu w i- tym bloku. Uzyskane wskaźniki stateczności pozostają w niezgodności z obrazem stanu zniszczenia zapory (fot. 4), co dowodzi, że pomimo uzyskanych wysokich współczynników stateczności górnej części korpusu większych od 1,0 (F = 2,16) skarpa w tej strefie utraciła stateczność. Potwierdza to, że powszechnie i czasem bezkrytycznie stosowana metoda kołowych linii poślizgu nie we wszystkich przypadkach właściwie opisuje warunki stateczności, na co wskazują m. in. prace [Brenner 2005; Gillon 2002]. Z tych względów przy ocenie niniejszego zagadnienia nie może być ona jedynym wskaźnikiem oceny stateczności. KONSTRUKCJA ZAPORY A POTRZEBY EKSPLOATACYJNE ZBIORNIKA Zbiornik ze względu na poziom piętrzenia 4,3 m i wysokości zapory osiągającej 6 m zaliczany jest do IV klasy budowli hydrotechnicznych. Zgodnie z istniejącymi przepisami [Rozporządzenie 2007] i prawem budowlanym powinien on posiadać komplet eksploatacyjnych dokumentacji, a w tym m.in. książkę obiektu, projekt powykonawczy, instrukcję eksploatacji i aktualną ocenę 254

9 Eksploatacyjne zagrożenia stateczności stanu technicznego. Ponadto wymagana jest specjalistyczna coroczna kontrola stanu budowli. Brak tych działań i opracowań sprawia, że eksploatacja prowadzona jest bez należytego dozoru i świadomości o stopniu zagrożenia obiektu. Rysunek 4. Badanie stateczności zapory w przekroju I Figure 4. Stability of slope of dam test in section I przelew nieszczelny ekran Fotografia 5. Fragment nieszczelnego ekranu betonowego i przelew powierzchniowy Photo 5. Part of concrete screen of dam and overflow edge 255

10 Krzysztof Parylak Jako zbiornik wodny w okresie zimowym winien zapewniać potrzeby poboru wody do naśnieżania stoku w ilości 11 l/sek (640 m 3 /dobę). Przy średnim dopływie dyspozycyjnym 1,23 l/sek. taki pobór wody jest 9-krotnie większy niż jej dopływ, co sprawia, że użytkownik zainteresowany jest utrzymywaniem maksymalnego napełnienia [Operat 1999]. Zgromadzenie jak największej ilości wody do maksymalnej pojemności zbiornika 2900 m 3 powoduje, że przy jej poborze następuje gwałtowne obniżanie piętrzenia, co w okresie zimowym, przy istniejącym braku zabezpieczeń filtracyjnych naraża konstrukcje ziemne na wiele niezwykle groźnych zjawisk. Najniebezpieczniejszym z nich jest możliwość nasycania korpusu zapory spiętrzoną wodą, która w cyklach zamarzania powoduje zarówno rozrzedzanie gruntu w korpusie i wzrost całkowitego nasycenia korpusu wodą. W okresach odmrażania powstaje możliwość gwałtownego odpływu wody porowej z mocno nasyconego korpusu, przy dużym gradiencie ciśnienia spływowego. Szczególnie mocno narażona jest na to znajdująca się w bardzo złym stanie zapora czołowa. Konstrukcję tę o niespotykanie stromym nachyleniu skarp 1 : 1,2 i niewielkiej szerokości w koronie 3,0 m (rys. 2) zbudowano z gruntów spoistych o dominacji pospółek gliniastych z kamieniami. Od strony odwodnej zapora nie ma skutecznego uszczelnienia, gdyż wykonany na skarpie betonowy ekran stanowi ułożony bruk o grubości ok. 30 cm zalany zaprawą cementową będącą w stanie zaawansowanego zwietrzenia i częściowego rozpadu (fot. 5). Powoduje to, że zarówno niezagęszczony korpus ziemny, jak i podłoże zapory mają bezpośredni kontakt z wodą zbiornika, a posadowienie zapory na podłożu skalnym, na którym zalega niewielka miąższość namułów dodatkowo sprzyja utracie stateczności po płaskiej linii poślizgu. Jak podano w p. 2 stany konsystencji tych gruntów zawierają się w przedziale I L od - 0,26 do 0,72 i zmieniają od stopnia nawodnienia lub przesuszenia korpusu ziemnego. W wyniku długotrwałego przesuszenia opróżnionego zbiornika w gruntach spoistych zawierających określone rodzaje minerałów ilastych w następstwie zjawiska skurczu wytwarzają się szczeliny i mikroszczeliny, których ścianki przy gwałtownym napełnieniu wodą nie zdążą się zamknąć. Stworzy to możliwość szybkiego nawodnienia korpusu, co może być jedną z przyczyn powstania osuwisk i powierzchniowych deformacji powierzchni skarpy (rys. 2). Dodatkowym zagrożeniem stateczności jest brak drenażu strony odpowietrznej zapory, co przy przepływie wody przez strefy rozrzedzeń lub mikroszczeliny prowadzi do naskarpowego wypływu i utraty stateczności. 256

11 PODSUMOWANIE Eksploatacyjne zagrożenia stateczności 1. Na małych piętrzących obiektach hydrotechnicznych w czasie eksploatacji mogą zachodzić niemal wszystkie niekorzystne zjawiska prowadzące do zagrożenia katastrofą jakie występują na dużych zaporach. Powszechnie ugruntowane w krajowej hydrotechnice niedocenianie tego faktu i brak należytego śledzenia stanu obiektów doprowadza do ich awarii, a także do projektowania i budowy kolejnych niewłaściwie wznoszonych zapór. 2. Wykazano, że wynik analitycznej metody obliczenia stateczności korpusu małej zapory powszechnie stosowaną metodą kołowych linii poślizgu nie jest wystarczającym miernikiem oceny stateczności. Równolegle dodatkowo powinny być wykonywane inne analizy, a w tym badania filtracyjnej stateczności i powiązane z tym deformacje postaciowe wynikające m.in. ze zmian termicznych. 3. Zapora ziemna małego zbiornika retencyjnego w Potoczku ze względu na poczynione błędy badawcze, projektowe i wykonawcze osiadła o 24 cm, czego powodem były także lokalne duże usuwiska skarpy odpowietrznej. Ponadto pozbawiona była odpowiedniego drenażu, wymaganego uszczelnienia i zagęszczenia. Dalsza eksploatacja bez wymaganej rekonstrukcji doprowadziłaby do utraty stateczności. BIBLIOGRAFIA Batog A. Program obliczeniowy metodę blokową szwedzką SMB v1.2. Wrocław Brenner R. P. Geologic considerations. Investigation methods. Treatment. Monitoring, International Commission on Large Dams, Bulletin no 129, CIGB Fell R., Mac Gregor P., Stapeldon D. Geotechnical Engineering of Embankment Dams. Balkema, Rotterdam Gillon M. Reservoir landslides. International Commission on Large Dams, Bulletin no 124, CIGB Goubet A. Dam failures. Statistical analysis, International Commission on Large Dams, Bulletin no 99, CIGB Graham J. M. Concrete Dams Control and treatment of cracks. Review and case histories, International Commission on Large Dams, Bulletin no 107, CIGB Jatana B. L. Research needs for fill dams. First conference Research needs in dam safety. Balkema Rotterdam Norma PN 74/B Grunty budowlane. Badania polowe. Norma PN-88 / Grunty budowlane. Badania próbek gruntów. Norma PN 88 / B 2480 Grunty Budowlane. Podział, nazwy, symbole. Nowak P. Operat wodnoprawny na pobór wody powierzchniowej do instalacji sztucznego naśnieżania ze zbiornika wodnego na potoku Kłomica w km w miejscowości Potoczek. Świdnica Parylak K. Badania geotechniczne wraz z oceną stanu i koncepcją modernizacji zapory zbiornika wodnego do potrzeb wyciągu narciarskiego w Potoczku w gminie Pieszyce. Wrocław

12 Krzysztof Parylak Parylak K. Zagrożenia trwałości budowli piętrzących Odrzańskiej Drogi Wodnej. Pięćdziesiąta druga Krajowa Konferencja Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN Gdańsk Krynica, Zesz. Nauk. Politechniki Gdańskiej nr 600 t. I, 2006, s Parylak K., Wolski W. Oceny stanu technicznego budowli piętrzących w Polsce w świetle standardów Unijnych. XXIII Konferencja Naukowo-Techniczna. Awarie Budowlane 2007, Wydawnictwa Politechniki Szczecińskiej, Szczecin 2007, s Rozporządzenie Ministra OŚZNiL w sprawie warunków jakim powinny odpowiadać budowle hydrotechniczne i ich usytuowanie Dz. U. Nr 86 z dn , poz 579. Strona internetowa Dr hab. inż. Krzysztof Parylak prof. UP Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Recenzent: Prof. dr hab. Jerzy Kowalski 258