Stabilizacja skarp i osuwisk.

Transkrypt

1 Piotr Jermołowicz, Inżynieria Środowiska Szczecin Stabilizacja skarp i osuwisk. Problemy właściwego zagospodarowania i zabezpieczenia stoków naturalnych nabierają szczególnego znaczenia w przypadku terenów położonych w południowowschodniej części Polski, w utworach fliszowych z wysokim wskaźnikiem osuwiskowości. Wskaźnik ten jest tam największy w Polsce i wynosi 1 osuwisko na 1 km 2 powierzchni. Poza Karpatami osuwiska występują najczęściej na stromych brzegach morza, w środkowym brzegu Wisły, w dolinach Noteci i Warty, w rejonie kieleckim oraz pomorskim i mazurskim. Rys.1. Rozmieszczenie obszarów zagrożonych ruchami masowymi ziemi w Polsce (dane PIG). Stabilizacja skarp nasypów i wykopów jest również dużym wyzwaniem nie tylko projektowym ale i wykonawczym. Zarówno na zboczach naturalnych jak i formowanych skarpach nasypów i wykopów w obiektach liniowych mogą występować różne przemieszczenia mas gruntowych:! spełzywanie,! spływy,! obrywanie,! zsuwy i osuwiska. Co przyczynia się do powstawania tych zjawisk? Na pewno należy tu wymienić niejednorodność ośrodków gruntowo-skalnych, zaburzenia glacitektoniczne, zmienny udział facji litologicznych, olbrzymi i zmienny rozrzut parametrów fizyko-mechanicznych poszczególnych warstw gruntowych w podłożu, istnienie warstw wodonośnych, wzrost wilgotności gruntów po długotrwałych i intensywnych opadach lub roztopach, nieprzemyślane działanie człowieka (podkopanie lub zmiana ukształtowania stoku, obciążenie poprzez zabudowę), erozja od wód płynących lub spływów powierzchniowych,

2 wibracje związane z robotami ziemnymi, ruchem ciężkich pojazdów, eksplozjami i wyburzeniami oraz ruchy tektoniczne. Osuwiska jako ruchy masowe, polegają na przesuwaniu się materiału wzdłuż powierzchni poślizgu, połączone często z obrotem. I tak spływy gruzowe dotyczą przeważnie głazów i rumoszu, przy nachyleniu ścian ok 50 o, a w spływach ziemnych dominującą frakcją są piaski, pyły i iły, natomiast przy spływach błotnych mamy do czynienia z mieszaniną wody, iłu i pyłu przy nachyleniach powierzchni stoku lub skarpy o. Utrata stateczności skarp i zboczy, będąca przyczyną osuwania się mas ziemnych następuje zawsze w wyniku przekroczenia wytrzymałości gruntu na ścinanie. Zasadnicze siły powodujące osuwanie się zboczy i skarp leżą po stronie:! sił grawitacyjnych ciężar gruntu i dodatkowa zabudowa,! sił hydrodynamicznych wywołanych przepływem wody przez grunt,! podniesieniem się zwierciadła wody gruntowej i nadmiernego nawilgocenia zbocza. Do zjawisk osuwiskowych dochodzi jeszcze erozja powierzchniowa występująca po intensywnych deszczach szczególnie na powierzchniach pozbawionych roślinności. Stąd też wyłania się podstawowy wniosek za wszystkimi tymi zjawiskami stoi woda i człowiek. Woda w swoim obiegu w przyrodzie jest więc najbardziej agresywnym czynnikiem wywołującym erozję gruntu. Czynnik ludzki natomiast poprzez nieprzemyślane swoje działania implikuje kolejne niekorzystne zjawiska. Zakres zniszczeń spowodowanych przez erozję jest bardzo zróżnicowany i zależy od energii kinetycznej wody, podatności gruntu na erozyjność deszczu, podatności konstrukcji skarp nasypów i wykopów, błędów lub oszczędności w trakcie rozpoznania gruntów, błędów projektowych i wykonawczych i zastosowanych technologii i materiałów. Erozja jest więc procesem naturalnym, stanowiącym część cyklu geologicznego w całym systemie hydrologicznym zwanym denudacją, a nasze działania związane z ochroną przeciwerozyjną lub przeciwosuwiskową powinny iść w kierunku jedynie osłabiającym te procesy. Stabilizacja skarp i osuwisk wymaga prawidłowego procesu prac studialnych i projektowych. Te z kolei powinny opierać się na analizach i badaniach począwszy od dobrego rozpoznania warunków geotechnicznych i hydrogeologicznych z pomiarami zwierciadła wód gruntowych (nawierconych i ustabilizowanych) i kierunku ich przepływu. Do tego należy jeszcze dodać umiejętność interpretacji wyników i analiz, wymiarowania obiektów i statyki, obliczania stateczności ustrojów stabilizujących jak i granicznego pochylenia skarp. Wszystko to sprawia, że stabilizacja skarp i osuwisk staje się zagadnieniem interdyscyplinarnym, w którym wszystkie strony procesu inwestycyjnego powinny być świadome potencjalnych zagrożeń. Sposoby zabezpieczeń osuwisk Powszechnie uważa się, że projektowanie obiektu powinno eliminować przyczyny wywołujące zagrożenie powstania osuwiska. Trzeba przy tym zwrócić uwagę, że stabilizacja

3 osuwiska jest zazwyczaj kosztowna. Przy osuwiskach rozległych i głębokich korzystniejszym rozwiązaniem może okazać się zmiana trasy drogi, nasypu lub lokalizacji obiektu. We wszystkich rozwiązaniach odwodnienie zbocza i uporządkowanie stosunków wodnych na terenie potencjalnego osuwiska jest niezbędne i pierwszoplanowe. Bezpośrednio po wystąpieniu osuwiska konieczne jest podjęcie niezwłocznych działań, których celem jest minimalizacja zniszczeń i zagrożeń. W zakres tych działań wchodzą między innymi;! oznakowanie i inwentaryzacja osuwiska,! ograniczenie ruchu i prędkości pojazdów,! odprowadzenie wód poza obszar objęty osuwiskiem,! wypełnienie szczelin materiałem nieprzepuszczalnym,! usunięcie gruntu nasuniętego na jezdnię lub torowisko,! wykonanie tymczasowych zabezpieczeń. Jako zabezpieczenie doraźne mogą być stosowane przypory, gabiony, kaszyce, gwoździowanie lub geosyntetyki i kotwie gruntowe. Należy jednak zaznaczyć, że tego typu działania mogą być skuteczne tylko w przypadku, gdy płaszczyzna poślizgu jest płytko położona, a osuwisko nie jest duże. Niezależnie od przyjętego rozwiązania zabezpieczenia konstrukcyjnego osuwisk powinno się stosować uzupełniająco stabilizację powierzchniową skarp i zboczy. Ma ona na celu zabezpieczenie erozji, która mogłaby wystąpić wskutek działania czynników atmosferycznych. Jako stabilizację powierzchniową można stosować klasyczny obsiew trawą, hydroobsiew, posadzenie specjalnie dobranych roślin, utrwalenie powierzchni geosyntetykami, utrwalenie powierzchniowe środkami stabilizującymi oraz ażurowe płyty betonowe wypełnione gruntem.!! Konstrukcje odwadniające. Ostrogi w większości przypadków występują jako wspomaganie innych konstrukcji stabilizujących i stanowią równocześnie funkcję przypory lub podparcia dla skarpy lub stoku. Projektowane są różnym kształcie jako wzdłużne, typu Y, sieciowe, sklepione, diagonalne lub rozwidlone i wypełniane materiałem kamiennym. Fot.1. Ostrogi drenujące

4 !! Przypory dociążające. Dla skarp lub zboczy zbudowanych z gruntów słabych zazwyczaj stosuje się podparcie z wykorzystaniem zalet przypór z narzutu kamiennego, żwiru, pospółki lub piasku. Ogólnie rzecz biorąc z materiałów o doskonałych właściwościach filtracyjnych. W tych przypadkach obowiązkowo należy zaprojektować ujęcie wód gruntowych i spływów powierzchniowych (rowy opaskowe na naziomie i systemy drenaży objętościowych z rowami u podstawy skarpy lub stoku).!! Przypory filtracyjne. Rys. 2. Przykłady przypór dociążających Z reguły wykonuje się jako wąskoprzestrzenne wcinki, prostopadłe do skarpy lub stoku. Szerokość tych wcinek dochodzi do 2,0 m. Wypełnienie stanowi kamień łamany odizolowany od gruntu geowłókniną lub geotkaniną. W tej technologii wymaga się również wykonania pełnego systemu odwodnienia. Głębokość założenia przypór dla spełnienia funkcji stabilizującej powinna być większa niż zasięg powierzchni poślizgu.!!. Zastrzyki iniekcyjne i iniekcja strumieniowa. Zabiegi te stosuje się w podłożu gruntowym lub skalnym w celu jego uszczelnienia i wzmocnienia. Iniekcje sprawdzają się we wszystkich rodzajach gruntów (mineralnych i antropogenicznych). W tych systemach pozwalają formować się jako bloki zeskalonego gruntu, palisady, przegrody, płyty, a nawet sklepienia. Przy bardzo dużych siłach zsuwających mogą być dodatkowo zbrojone profilami stalowymi. Często przyjmuje się w obliczeniach ich zachowanie jak pali wielkośrednicowych, fundamentów masywnych, konstrukcji oporowych czy ścian szczelinowych.

5 !! Gwoździowanie. Poprzez gwoździowanie doprowadza się nasyp gruntowy do cech konstrukcji oporowej masywnej. Grunt uzbrojony za pomocą prętów stalowych i w otuleniu zaczynu cementowego spaja się w całość powłoką powierzchniową tzw. opinką, spełniającą funkcję stabilizacyjną przed erozją. Długość gwoździ musi wynikać ze szczegółowych analiz i ujęcia najbardziej niekorzystnej linii poślizgu. Przy istnieniu warstwy wodonośnej lub jej przecięciu w trakcie wykonywania wykopów należy przewidzieć systemy odwodnienia wgłębnego na odpowiednim poziomie.!! Kotwienie gruntu. Rys.3. Konstrukcje ścian z gruntu gwoździowanego. Przy istnieniu bardzo dużych sił zsuwających lub stwierdzenia osuwiska czynnego bardzo często stosuje się stabilizację zboczy kotwami zespolonymi z rusztem żelbetowym. Rys. 4. Stabilizacja zbocza za pomocą kotwi i rusztu żelbetowego. Nośność kotew dochodzi do 2 MN. Przy długościach do 30 m są atrakcyjną alternatywą do innych technologii. Podstawowy warunek pełny tok obliczeniowy z ustaleniem zasięgu płaszczyzny poślizgu.!! Palowanie, kolumny i konstrukcje oporowe. Przy dużych i rozległych osuwiskach na stokach z głęboko sięgającymi powierzchniami poślizgu stosuje się pale i kolumny. W przypadku dużych sił ścinających stosuje się gęsto zbrojone pale dużych średnic i studnie niejednokrotnie łącznie z konstrukcjami kaszycowymi.

6 Instaluje się je pionowo, ukośnie lub w sposób kozłowy. Całość zwieńczona zostaje rusztem żelbetowym. Rys.5. Stabilizacja osuwiska za pomocą pali i rusztu żelbetowego. Konstrukcje oporowe stosuje się do stabilizacji małych i średnich osuwisk z płytko położoną płaszczyzną poślizgu. Wykonuje się je jako przypory kamienne, konstrukcje masywne i kątowe oraz w formie kaszyc, gabionów i materacy geokomórkowych. Rys. 6. Mur żelbetowy. Rys.7. Kątowa ściana oporowa. Fot.2. Konstrukcja gabionowa. Fot.3. Konstrukcja oporowa z materacy geokomórkowych. Tak jak w poprzednich przykładach, również tutaj należy starannie zaprojektować i wykonać elementy upustowe dla wody gruntowej eliminując w ten sposób dodatkowe parcie od spiętrzonej wody.

7 Zabezpieczenia przeciwerozyjne. Problem właściwych zabezpieczeń przeciwerozyjnych pojawia się szczególnie tam, gdzie planujemy na nowo formowanie stoków, budowę skarp nasypów i wykopów, rowów drogowych rekultywację składowisk nadpoziomowych i budowę nowych składowisk, wylewisk oraz różnego rodzaju zbiorników wodnych z wałami przeciwpowodziowymi na czele. Zjawisko osuwania się gruntów i erozji powierzchniowej pojawia się szczególnie po intensywnych deszczach na powierzchniach pozbawionych roślinności. Przy opadach nawalnych wysokość słupa wody przybiera wartość 3-5 mm/min, a zdolność gruntów do wsiąkania wody to 0,07 0,2 mm/min (iły piaski). W tych warunkach spływ powierzchniowy wystąpi już w pierwszych minutach opadu. Przy dużych prędkościach spływu występuje wzmożone odspajanie i spłukiwanie gruntu. Z reguły są to zjawiska erozyjne o dużych zakresach. Zależność rocznego ubytku gruntu od pokrycia terenu Okrywa roślinna Ubytek gruntu [kn/ha] Las 0,1 Trawa 0,4 Użytki rolne 400 Brak okrycia Fot. 4. Erozja skarp Stąd bierze się potrzeba wszelkiego rodzaju umocnień i zabezpieczeń. Tradycyjnie w zabezpieczeniach przeciwerozyjnych stosuje się biologiczne zadarnienie skarp, hydroobsiewy, biowłókniny, przestrzenne maty przeciwerozyjne i materace geokomórkowe. Materace geokomórkowe są jedną z wielu technologii, które mogą być rozpatrywane na etapie różnych projektów związanych z zabezpieczeniami przeciwerozyjnymi, a także ze stabilizacją powierzchni skarp nasypów i wykopów, zboczy naturalnych oraz w przekrojach poprzecznych rzek, potoków lub kanałów. Istotną zaletą takiego systemu oprócz utrzymywania warstwy zasypki są jego właściwości retencyjne, zdolność odprowadzania wód opadowych i gruntowych nie dopuszczając w ten sposób do zjawiska przebicia hydraulicznego, a równocześnie utrzymywanie wilgotności zasypki potrzebnej dla wegetacji roślinności naskarpowej.

8 Rys.8. Zakotwienie materaca z blokiem kotwiącym (bez szpilek) Rys.9 Zakotwienie materaca szpilkami Obliczenie minimalnej siły kotwiącej na 1 m 2 materaca geokomórkowego przy współczynniku bezpieczeństwa F s = 1,5 można przeprowadzić według wzoru: f a = (H Ɣ) (1,5 sinβ cosβ tgø) Ø kąt tarcia pomiędzy kruszywem obsypki a geomembraną Całkowita siła kotwiąca: F a = f a L L długość zabezpieczenia na skarpie Działanie wody gruntowej. Ze względu na to, że woda gruntowa jest jedną z głównych przyczyn powstawania osuwisk w zboczach wymaga tym samym szczególnej uwagi, dokładnego rozpoznania i uwzględnienia w analizach stateczności. Wyznaczenie ustalonego przepływu wody w zboczach to zadanie dla hydrogeologów z dużym doświadczeniem. Jak pokazuje dotychczasowa praktyka, ilość awarii i katastrof jest wynikiem braku wiedzy w tym zakresie i ograniczania się tylko do własnych umiejętności i doświadczenia. Woda gruntowa wpływa na układ sił i naprężeń w zboczu, powodując w warunkach ustalonego przepływu dodatkowe obciążenie gruntu siłami hydrodynamicznymi lub zmniejszając siły oporu ścinania (jako wynik wzrostu ciśnienia porowego) w strefie potencjalnego poślizgu. Z drugiej strony woda gruntowa zwiększając w przypadku braku lub nieprawidłowego odwodnienia lub zmniejszając w procesie konsolidacji wilgotność gruntu w zboczu, oddziałuje w istotny sposób na wytrzymałość gruntu decydującą o stateczności zbocza. W związku z powyższym ochrona i stabilizacja skarp głębokich wykopów i wysokich nasypów staje się priorytetem na wszystkich etapach wykonawstwa.

9 Rys. 10. Obciążenie podnóża skarpy pryzmą materiału gruboziarnistego. Jedną z najbardziej efektywnych metod ochrony skarp jest ich drenaż, stosowany gdy w obrębie skarpy znajduje się poziom wypływu wody gruntowej powyżej jej podstawy. Drenaże w zależności od potrzeb mogą być zlokalizowane u podnóża skarpy obejmując swoją objętością poziom wypływu na skarpie lub też mogą być zlokalizowane na całej wysokości skarp. Tego typu przypadki występujące, szczególnie przy przecięciu warstwy wodonośnej w trakcie robót ziemnych implikują przemieszczenia fragmentów skarp lub ich całkowite zsuwy. Zakończenie Bezpieczeństwo konstrukcji budowlanej zależy od bardzo wielu czynników, na które mają wpływ działania ludzkie, oddziaływanie wody (gruntowej, opadowej, płynącej itd) jak i nieprzewidywalne zdarzenia losowe coraz częściej występujące w naszym kraju. Rangę stabilizacji skarp i osuwisk podnosi fakt, że w 2006 r. Państwowy Instytut Geologiczny, pełniący w Polsce rolę państwowej służby geologicznej rozpoczął realizację dużego wieloletniego projektu SOPO Systemu Osłony Przeciwosuwiskowej. Jego celem jest dostarczanie administracji państwowej danych niezbędnych do skutecznego zarządzania ryzykiem oraz uświadamiania społeczeństwu zagrożeń wynikających z osuwisk. Skuteczne przeciwdziałanie osuwiskom i stabilizacja skarp z ograniczaniem erozji powinna polegać na stałym podnoszeniu poziomu wiedzy, doskonałym rozpoznaniu potencjalnych zagrożeń z badaniem podłoża gruntowego, a także doświadczeniu i umiejętności przewidywania zjawisk geofiltracyjnych przez projektantów i wykonawców robót. Dopiero takie połączenie sił może przynieść pożądane efekty. Pamiętajmy, że woda gruntowa lub swobodnie płynąca jest żywiołem nie znoszącym jakichkolwiek błędów ludzkich. Na pewno nie przymknie oka na niedoróbki.