Stateczność czołowego obwałowania nasypu przeciwpowodziowego Jeziora Druzno

Transkrypt

1 Stateczność czołowego obwałowana nasypu przecwpowodzowego Jezora Druzno Dr hab. nż. Andrzej Olchawa Unwersytet Technologczno-Przyrodnczy w Bydgoszczy, Wydzał Archtektury, Budownctwa Inżyner środowska Prof. dr hab. nż. Jarosław Przewłóck Poltechnka Gdańska, Wydzał Archtektury Jak wykazuje dotychczasowa praktyka procesów nwestycyjnych w zakrese ochrony przecwpowodzowej na obszarze Żuław Elbląskch, decyzje o zakwalfkowanu nasypu obwałowana przecwpowodzowego do prac odtworzenowych lub modernzacyjnych ne są poprzedzane badanam geotechncznym oraz analzam ocenającym aktualny stan nasypu. Punktowe przesąk lub rozmyca skarpy często kwalfkują całe obwałowana do remontu zamast odcnk o obnżonej sprawnośc techncznej. Decyzje take podejmowane są w obawe przed utratą statecznośc nasypu dodatkowo obcążanego słam hydrodynamcznym podczas długotrwałych wysokch stanów wód. Projekty technczne remontu lub modernzacj nasypu ne zawerają oblczeń statecznośc ze względu na obecność w korpusach gruntów wbudowywanych w różnych okresach czasu eksploatacj różnących sę stotne parametram wytrzymałoścowym. Z tych powodów projektanc bazo często przewymarowują przekroje poprzeczne korpusów. Weloletne obserwacje obwałowań nasypów przecwpowodzowych na obszarze Żuław Elbląskch wskazują, że ch utrata statecznośc ne występuje nawet przy długotrwałych najwyższych pętrzenach wody. W dostępnej techncznej lteraturze przedmotu brak jest danych ocenających stateczność nasypów obwałowań przecwpowodzowych w tym regone. Celem nnejszego artykułu jest wypełnene tej luk. Przedstawono analzę statecznośc jednego z czołowych obwałowań przecwpowodzowych Jezora Druzno. Oblczena przeprowadzono zarówno w naprężenach całkowtych, jak efektywnych uproszczoną metodą Bshopa oraz metodą Fellenusa-Peterssona. CHARAKTERYSTYKA OBIEKTU Obektem, dla którego wykonano oblczena statecznośc jest nasyp czołowego obwałowana przecwpowodzowego Jezora Druzno na polderze 76 w mejscowośc Nowe Dolno (rys. 1), którego modernzację wykonano w 1995 roku. Polegała ona na podwyższenu korony nasypu, rozbudowe korpusu zagęszczenu udarowym starego, zdegradowanego nasypu. Do rozbudowy podwyższena zastosowano grunt organczny z poblskego rowu materałowego. Grunt wydobyty z rowu leżał przez jeden rok na hałdze w bezpośrednm sąsedztwe modernzowanego nasypu (tzw. sezonowane). Przedmotowy nasyp był perwszym, do modernzacj którego zastosowano metodę udarowego zagęszczana środkowej częśc poprzecznego przekroju nasypu od km do km Technologę wykonana zena szczelnego podzelono na dwa etapy. W perwszym wybto knetę w starej częśc nasypu od strony odpowetrznej. W wybtej knece warstwam zagęszczano grunt organczny ten sam, który zastosowano do podwyższena rozbudowy nasypu w stronę odpowetrzną [5]. INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 6/

2 Rys. 1. Wdok nasypu na polderze 76 w mejscowośc Nowe Dolno zmodernzowanego z zastosowanem metody zagęszczana udarowego po 13 latach eksploatacj budowl W drugm etape, po rozbudowanu podwyższenu nasypu wybto knetę w nadbudowanej częśc metodą udarową, wykonując zeń szczelny, którego oś pokrywała sę z osą zena w starym nasype. Charakterystyka geometryczna nasypu jest następująca: szerokość korony 3,0 m, nachylene skarp odwodnej 1:1,5 / 1:2,5, odpowetrznej 1:1,5, ławka przywałowa szerokość 4,0 m, szerokość drog na ławce 3,0 m, rzędna korony wału (+) 1,70 m n.p.m., rzędna ławk (-) 0,50 m n.p.m. Po zakończenu prac modernzacyjnych oddanu budowl do eksploatacj wykonano badana zagęszczena mas zemnych w korpuse w celu ustalena wskaźnka zagęszczena. Średna wartość tego wskaźnka wynosła I s = 0,942, spełnając tym samym warunek zagęszczena materału konstrukcyjnego w korpusach nasypów, zalczanych do III IV klasy obwałowań, a wynoszący I s 0,92 [8, 10]. WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE I MECHANICZNE MATERIAŁU KONSTRUKCYJNEGO Do badań właścwośc materału konstrukcyjnego korpusu pobrano grunt z bezpośrednego sąsedztwa rowu materałowego. Grunt pobrano z proflu, którego spąg odpowadał głębokośc rowu materałowego. Pobrany materał wymeszano w warunkach laboratoryjnych, modelując klkukrotne przekładane przemeszczane gruntu w warunkach polowych. Właścwośc gruntu oznaczono zgodne z [7]. Na podstawe badań laboratoryjnych polowych uzyskano następujące wartośc: gęstość właścwa szkeletu gruntowego ρ = 2,45 s Mg m-3, zawartość mater organcznej I om = 9,6%, zawartość CaCO = 0,8%, 3 zawartość frakcj: 2 0,05 mm 43,8%, 0,05 0,002 mm 44,2%, < 0,002 mm 2%. Wymeszany grunt zagęszczano w tzw. próbe Proctora, określającą zależność pomędzy wlgotnoścą a gęstoścą szkeletu gruntowego. Oznaczene wykonano metodą I, tzw. normalną [7], uzyskując następujące rezultaty: w opt = 34,8%, r d max = 1,19 Mg/m 3, r = 1,60 Mg/m 3, w = 10,2%, = 0,92, ρ = 1,20 Mg/m 3, strona sucha, max w = 43,9%, = 0,92, ρ = 1,57 Mg/m 3, strona mokra. r d max Badana wytrzymałoścowe przeprowadzono w aparace trójosowego ścskana Wykeham Farrance. Badana wykonane były ze wstępną konsoldacją bez odpływu wody z jednoczesnym pomarem cśnena wody w porach. Prędkość stosowanych odkształceń osowych ścnana była stała wynosła 0,007 mm/mn (0,042 mm/h), co odpowada wartośc względnego odkształcena osowego próbk wynoszącego 0,0525% na godznę. Wymeszany w warunkach laboratoryjnych grunt zagęszczano wcześnej w aparace Proctora. Wlgotność zagęszczanego gruntu była wększa od optymalnej odpowadała wlgotnośc w ( I s = 0,92), dla której w próbe Proctora stosunek gęstośc objętoścowej szkeletu gruntowego r d do maksymalnej gęstośc objętoścowej szkeletu gruntowego r d max wynosł 0,92. Wlgotność gruntu w ( I s = 0,92) wyznaczono na podstawe wcześnejszych badań określających zagęszczalność badanego materału konstrukcyjnego. Z materału zagęszczonego w cylndrze wycnano cztery walcowate próbk do badań wytrzymałoścowych. Wykonywane badań wytrzymałoścowych w aparace trójosowego ścskana było możlwe po konsoldacj naprężenem zotropowym o wartośc s 3 30 kpa. Próby rozpoczynana badań przy wartośc s 3 < 30 kpa powodowały odkształcena próbk wywołane główne cężarem własnym. Odkształcona próbka uzyskuje wówczas kształt tzw. słonowej nog, co unemożlwa zarówno badana, jak oblczena wartośc parametrów wytrzymałoścowych. Z tych względów wszystke ścnane próbk były konsoldowane wstępne naprężenem s 3 o wartośc 35 kpa, a ścnane odbywało sę, gdy wartośc mnejszego naprężena głównego wynosły s 3 = 30, 50, kpa. Jako kryterum ścęca przyjęto maksymalną wartość dewatora efektywnych składowych naprężena głównego ( s 1 s 3) max (kryterum I według [6]) lub wartość dewatora składowych naprężena głównego odpowadającą względnemu odkształcenu osowemu próbk e = 15% (kryterum II według [6]). Parametry wytrzymałoścowe gruntów, wyznaczone, gdy względne odkształcena osowe próbk e wynoszą 15%, są parametram stosowanym w analzach statecznośc budowl zemnych [2]. Wszystke ścnane próbk były wcześnej nasycane wodą przez zadane cśnena wody wewnątrz próbk (back pressure). Zgodne z zalecenam zawartym w [1], próbkę uznawano za nasyconą, jeśl parametr cśnena wody w porach B = Du / Ds > 0,95 3 lub gdy kolejne zwększene cśnena wewnątrz próbk ne powodowało zwększena wartośc parametru B. 502 INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 6/2013

3 Wynk badań przedstawono w postac obwedn naprężeń całkowtych: 0,5( s s ) = b + 0,5( s +s )tgβ (1) oraz w postac obwedn naprężeń efektywnych: 0,5( s s ) = b + 0,5( s +s )tgβ (2) Z zależnośc tg β = sn fʹ, cʹ = b/cos fʹ, tg β = sn f, u c u = b / cos f oblczono wartośc spójnośc, cʹ c oraz wartośc u u kąta tarca wewnętrznego fʹ f u. Wynk badań przedstawono w tabl. 1. Wytrzymałość na ścnane podłoża ponżej podstawy nasypu określono na podstawe badań polowych sondą krzyżakową z końcówką VT 12/6. Mejsce badana było usytuowane w stope korpusu nasypu na km Wytrzymałość na ścnane do głębokośc 4,5 p.p.t. zmenała sę od 39 do 54 kpa; średna z sześcu pomarów 41,0 kpa. ANALIZA STATECZNOŚCI Analza oblczenowa wałów przecwpowodzowych w ogólnym przypadku obejmuje ocenę statecznośc korpusu skarp, oblczena fltracj osadań korpusu podłoża. W pracy ogranczono sę do perwszego elementu. Zagadnene statecznośc zboczy należy do jednych z najważnejszych, a zarazem najtrudnejszych problemów mechank gruntów. Z jednej strony utrata statecznośc zwązana z przerwanem zapór może doprowadzć do poważnych neoblczalnych w skutkach katastrof. Z drugej, na stateczność wpływa wele różnorodnych czynnków, często określanych w przyblżonu, a ch uwzględnene w modelu matematycznym ne zawsze jest możlwe. Zarówno wymarowane nowo wznoszonych wałów przecwpowodzowych, jak analza stnejących zapór wymaga zachowana odpowednego zapasu bezpeczeństwa, zapewnającego nadwyżkę sł utrzymujących zbocze w równowadze do sł dążących do jej naruszena. W tym celu koneczne jest przeprowadzene analzy statecznośc wraz z ustalenem czynnków wpływających na jej utratę. Do oceny statecznośc zboczy stosuje sę wele znanych ogólne przyjętych metod oblczenowych. W przecągu ponad dwustu lat od czasu ukazana sę podstawowego dzeła Coulomba zaproponowano około stu metod wymarowana skarp zboczy. Wynk analzy mogą być jednak różne dla poszczególnych metod. Nawet w ramach ustalonej metody wynk oblczeń mogą odbegać od sebe w zależnośc od wykonana badań ch nterpretacj, szczególne badań wytrzymałośc gruntu uwzględnana czynnków, które mogą wydawać sę drugorzędne. Wstępnym wymaganem analzy statecznośc zboczy pownno być prawdłowe sformułowane problemu, możlwe dobrze odzwercedlającego stan faktyczny, wraz z ustalenem odpowednch parametrów oblczenowych. Należy przede wszystkm dobrze rozpoznać masyw gruntowy, stanowący ne tylko korpus wału, ale zalegające pod nm podłoże oraz ocenć warunk, w jakch należy wyznaczyć parametry wytrzymałoścowe. Mogą tu zachodzć dwa podstawowe przypadk, manowce warunk z odpływem lub bez odpływu. W perwszym przypadku analza statecznośc pownna być prowadzona w naprężenach efektywnych, z uwzględnenem efektywnych parametrów wytrzymałoścowych fʹ cʹ. Analza taka jest uzasadnona, zwłaszcza dla zboczy zbudowanych z gruntów spostych. Będze ona jednak ścśle poprawna tylko w przypadku, gdy będą uwzględnone w nej rzeczywste naprężena efektywne oraz rzeczywsty mechanzm znszczena. W praktyce najwększe zastosowane do oceny statecznośc wcąż znajdują metody równowag grancznej, a zwłaszcza ch uproszczone wersje. Zakłada sę, że lokalny wskaźnk statecznośc zdefnowany jako loraz wytrzymałośc rzeczywstej zmoblzowanej jest równy globalnemu wskaźnkow statecznośc, będącemu lorazem momentów od sł utrzymujących zbocze w równowadze do sł dążących do jej naruszena. Oznacza to przyjęce jednakowego stopna zmoblzowanej wytrzymałośc na ścnane wzdłuż całej ln poślzgu. W wększośc metod oceny statecznośc końcowym wynkem oblczeń jest bezwymarowy parametr F, zwany wskaźnkem (współczynnkem) statecznośc. Jest on najczęścej odnoszony do parametrów wytrzymałoścowych z reguły przedstawany jako loraz momentów lub sł utrzymujących zbocze w równowadze momentów lub sł dążących do jej naruszena. Należy podkreślć, że choć analza statecznośc prowadzona uproszczonym metodam równowag grancznej w naprężenach efektywnych budz sporo zastrzeżeń, często zaskakuje to, że uzyskane na jej podstawe wskaźnk statecznośc ne różną sę zbytno od wartośc otrzymanych metodam dokładnym. Może to wynkać z naturalnej elmnacj szeregu błędów powstałych wskutek wprowadzena poszczególnych uproszczeń [9]. W nnejszej pracy oblczena przeprowadzono tzw. uproszczoną metodą Bshopa oraz metodą Fellenusa-Peterssona, naj- Tabl. 1. Wynk badań wytrzymałoścowych gruntu organcznego z Nowego Dolna 1) σ 3 [kpa] p q p q p q p q tg β b R 2 [%] Parametr wytrzymałoścowy f u [ o ] c u [kpa] I 63,3 33,2 85,5 37,4 105,3 38,2 145,2 44,3 0,13 25,2 94,2 7,4 25,4 fʹ [ o ] cʹ [kpa] II 44,2 33,2 60,1 37,4 65,1 38,2 90,2 44,3 0,24 22,7 98,8 14,0 23,4 1) wyznaczone z obwedn naprężeń całkowtych, kryterum ścęca ε = 15%, gdze: p = s 1 + s 3, q = s 1 s 3 I, II parametry wyznaczone odpowedno w funkcj naprężena całkowtego efektywnego INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 6/

4 częścej stosowanym metodam równowag grancznej. Zakłada sę kołową lnę poślzgu, a masyw potencjalnego osuwska dzel sę na ponowe pask (rys. 2). Wskaźnk statecznośc F w uproszczonej metodze Bshopa zdefnowany jest następująco: 1 c b + ( W u b) tg f F = (3) W sn tg sn α f α cos α + F Należy zauważyć, że w powyższym wzorze występują efektywne parametry wytrzymałoścowe. W metodze Fellenusa Peterssona, wskaźnk statecznośc F, z uwzględnenem sł fltracj oraz całkowtych parametrów wytrzymałoścowych, zdefnowany jest wzorem: F = W cos α tg f+ c l W sn α + P r s gdze: W cężar -tego paska (ponżej zwercadła wody przyjmuje sę cężar gruntu dla S r = 1), b szerokość paska, u cśnene wody w porach równe h γ w, l długość podstawy paska, c, cʹ spojność gruntu wyznaczona odpowedno z całkowtych efektywnych obwedn składowych naprężena głównego, f, fʹ kąt tarca wewnętrznego gruntu (wyznaczone jak wyżej), P s wartość sły od cśnena spływowego w -tym pasku, r ramę momentu od sły P s względem punktu O. Warstwa Tabl. 2. Parametry geotechnczne materału konstrukcyjnego korpusu nasypu podłoża Parametr geotechnczny ρ f c, c u fʹ cʹ [Mg/m 3 ] [ ] [kpa] [ ] [kpa] I 1,25 7,4 25, ,4 II 1,65 7,4 25, ,4 III 1, (4) Do oblczeń mnmalnych wartośc wskaźnka statecznośc, oblczonych według (3) (4), wykorzystano programy numeryczne. Do uproszczonej metody Bshopa wykorzystano program USTAWALC [4], a do metody Fellenusa Peterssona program stateczność skarp zboczy INTERSOFT. Przyjęte do oblczeń parametry zestawono w tabl. 2. Założono najwyższy pozom wody gruntowej, odpowadający najwyższemu prognozowanemu, długotrwałemu spętrzenu wody w jezorze. Programem USTAWALC analzowano blsko 2000 powerzchn poślzgu, programem INTERSOFT 187. Wynk oblczeń przedstawono w tabl. 3, a uzyskane dla nch krytyczne koło poślzgu pokazano na rys. 2. ANALIZA WYNIKÓW I WNIOSKI Z przeprowadzonej analzy wynka, że wartość mnmalnego wskaźnka statecznośc wynos około 6, co zapewna znaczny zapas statecznośc nasypu podczas długotrwałych pętrzeń wody w jezorze. od sł fltracj w analzowanym przykładze stanow 17,2% całkowtego momentu zsuwającego. Oblczona metodą Bshopa wartość F mn z wykorzystanem wytrzymałoścowych efektywnych parametrów geotechncznych jest blska wartośc F mn, oblczonej metodą Fellenusa-Peterssona z wykorzystanem parametrów całkowtych. Stąd wnosek, że możlwe jest wykonane oblczeń nasypów obwałowań na podstawe polowych badań wytrzymałoścowych materału konstrukcyjnego korpusu budowl, jak podłoża oraz założenu, że c u = t fu f u = 0. Pomary wytrzymałośc na ścnane pownny być wykonane w mejscach potencjalnej powerzchn poślzgu. Wytrzymałość na ścnane bez odpływu t fu należy oblczyć na podstawe pomerzonej wartośc t fv współczynnka poprawkowego µ, którego wartość jest zależna od grancy płynnośc gruntu [3]. Implementacja wartośc t fu do wzoru (4) przekształca go do postac: F = t fu l W sn α + P r s (5) Tabl. 3. Wynk oblczeń statecznośc nasypu Metoda Parametry wytrzymałoścowe utrzymujący obracający od sł fltracj Wskaźnk statecznośc [kn m] [ ] Uproszczona Bshopa efektywne 5,99 Fellensa Peterssona całkowte 918,9 152,6 26,32 6,02 Rys. 2. Charakterystyka geometr powerzchn poślzgu dla mnmalnej wartośc wskaźnka statecznośc 504 INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 6/2013

5 Możlwość okresowych analz statecznośc eksploatowanych korpusów nasypów, na podstawe beżących polowych pomarów wytrzymałoścowych, jest szczególne stotna ze względu na postępującą degradację materału konstrukcyjnego nasypów wykonanych z mejscowych gruntów organcznych. Wynk beżącego montorowana statecznośc nasypów mogą stanowć cenną nformację przy podejmowanu decyzj o rewtalzacj lub modernzacj nasypu. Duża wartość wskaźnka statecznośc F mn może być podstawą do analz rozwązań konstrukcyjnych zmnejszających kubaturę korpusów nasypów, zwłaszcza tam, gdze ne przewduje sę ruchu pojazdów na korone wału. Zmnejszene kubatury korpusów mogłoby znacząco obnżyć koszty odtworzeń modernzacj eksploatowanych obwałowań, co jest szczególne stotne przy kurczącym sę dostępe do rezerw mas zemnych na obszarze Żuław Elbląskch. LITERATURA 1. Amercan Socety for Testng and Materals (ASTM). Standa test method for consoldated untraned trval compresson test for cohesve sol. 1988, Czyżewsk Cz., Wolsk W., Wójcck S., Żbkowsk A.: Zapory zemne. Arkady, Lechowcz Zb., Szymańsk A.: Odkształcena stateczność nasypów na gruntach organcznych. Cz.1, Madej J., Gajewsk K.: Program USTAWALC, uproszczona analza statecznośc wzdłuż walcowych powerzchn poślzgu. Koszaln Olchawa A., Borko M.: Zmany w procese eksploatacj, wartośc wskaźnków zagęszczena materału konstrukcyjnego zastosowanego do budowy modernzacj korpusów obwałowań przecwpowodzowych na obszarze Żuław Elbląskch. Rozprawy Naukowe Zawodowe PWSZ w Elblągu, Paskowsk A.: Wytyczne oznaczana spójnośc kąta tarca wewnętrznego gruntów budowlanych. Instrukcja 225. ITB, Warszawa PN-88/B Grunty Budowlane. Badana próbek gruntu. PN-97/B Nasypy. Wymagana badana przy odborze. 9. Przewłóck J.: Klka uwag o ocene statecznośc zboczy. Część I: Analza determnstyczna. Inżynera Morska Geotechnka, nr 2/2004, Roboty zemne. Warunk technczne wykonana odboru. Praca zborowa pod red. W. Wolskego, MOZNL, Warszawa INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 6/