Zabezpieczenia przeciwerozyjne w kanałach, rowach i rzekach.

Transkrypt

1 Piotr Jermołowicz Inżynieria Środowiska Szczecin Zabezpieczenia przeciwerozyjne w kanałach, rowach i rzekach. Warstwy przeciwerozyjne kanałów muszą spełniać omówione wcześniej wymagania dotyczące skarp oraz wytrzymywać działanie dodatkowych sił wywoływanych przepływem wody. We wszystkich metodach projektowania kanałów stosuje się nomogramy lub wzór Manninga do określania przepustowości i prędkości przepływu lub maksymalnego naprężenia ścinającego działającego na warstwę przeciwerozyjną kanału. Dla systemów geokomórkowych z okrywą roślinną, wypełnionych kamieniami i betonem wymogi projektowe są różne. W oparciu o badania przepływów w kanałach otwartych stwierdzono, że przy zastosowaniu systemów geokomórkowych dopuszczalną prędkość przepływu można zwiększyć o 60 %. Rzeczywistą średnią prędkość przepływu w projektowanym kanale oblicza się z równania Manninga. Średnia prędkość wody płynącej kanałem ( v) wyrażona jest następującym wzorem: v = R2/3 s 1/2 n [m/s] gdzie: R - promień hydrauliczny kanału określany jako powierzchnia przepływu A podzielona przez obwód zwilżony P, n - współczynnik szorstkości konkretnego systemu przeciwerozyjnego, s - nachylenie dna. Współczynnik szorstkości n, który jest potrzebny do równania Manninga, wynosi: n = 0,0395(D 50 ) 1/6 Powyższe analizy umożliwiają projektantom szybką ocenę alternatywnych wypełnień z kruszyw i przekrojów kanałów, aby projekt był jak najbardziej optymalny. Zazwyczaj kruszywo powinno być dobrze uziarnione, a maksymalna wielkość średnicy zastępczej ziarna zależy od prędkości przepływu wody. W przypadku zastosowania materacy geokomórkowych średnica zastępcza ziarna wynosi mniej niż połowę wysokości komórki (ok. 1/3). Przeważnie należy również uwzględnić fakt, że podłoże nie jest jednorodne. Takich informacji powinny dostarczyć dokładne badania gruntu z wierceniami i sondowaniem włącznie. Gradient i(-) można określić jako iloraz różnicy pomiędzy wysokością ciśnienia w dwóch punktach oraz odległością L (m) pomiędzy tymi punktami.

2 Można tu wyróżnić składowe i x, i y i i z (rys.1). W większości sytuacji występują wszystkie trzy składowe. Do przykładowych sytuacji, w których dominują gradienty równoległe do geosyntetyków należą nabieganie fal, fale rufowe, spływ powierzchniowy opadów oraz wody gruntowe spływające po skarpach nad wodą. Do przykładowych sytuacji, w których dominują gradienty prostopadłe do geosyntetyków należą woda przesiąkająca przez wały oraz odwodnienie skarp. Rys. 1. Składowe gradientu hydraulicznego w umocnieniach brzegowych.[4] Zachowanie gradientu w granicach budowli oraz związanego z nim gradientu pojedynczej warstwy zależy od: prędkości, z jaką następuje całkowity spadek. Im szybciej spada poziom wody w otwartym cieku wodnym, tym większe będą miejscowe straty ciśnienia; prędkości wody w kanale; współczynnika filtracji wszystkich warstw, w tym również geosyntetyków; grubości poszczególnych warstw. Określenie potrzebnego umocnienia: Opisywane rozwiązania dotyczą luźno sypanych kamieni na odpowiedniej podsypce. Istnieją systemy z połączonych elementów prefabrykowanych np. materace betonowe, które nie wymagają warstwy podsypki. A. Umocnienie przed działaniem falowania. Dla przewidywanej wysokości fal odczytuje się z nomogramu ( rys.2 - ciężar kamienia narzutowego W [ kn] w funkcji wysokości fali H [m]) potrzebny ciężar kamienia w umocnieniu przy odpowiednim kącie pochylenia skarpy.

3 Wykres ten opracowano zakładając następujące właściwości: γ s - ciężar właściwy skały 27,3 kn/m 3, G s bezwymiarowy ciężar właściwy skały 2,73, K Δ - współczynnik zniszczenia 3,2 tj. brak uszkodzenia, fale nie przelewają się przez krawędź skarpy, β kąt pochylenia skarpy. Rys.2. [3] B. Umocnienie przed działaniem prądu wody. Dla przewidywanej prędkości przepływu odczytuje się z nomogramu ( rys.4: Zależność ciężaru kamienia narzutu od prędkości przepływu) wymagany ciężar kamieni w [dan] przy odpowiednim charakterze przepływu. Zastępcza średnica kamienia wynosi: D, = 3 7 w [m] gdzie: w - ciężar kamienia [dan]. Narzut powinien być układany w dwóch warstwach do łącznej miąższości 2 x D e.

4 Rys.3. Rozmiar kamienia narzutowego w zależności od prędkości przepływu wody [5] Rys.4. [3]

5 Określenie potrzebnej podsypki: Warstwa ta nie zawsze jest konieczna szczególnie gdy narzut układany jest ręcznie lub odbudowa skarpy wykonywana jest z prefabrykatów. Głównym zadaniem podsypki jest utworzenie warstwy pośredniej pomiędzy narzutem a filtrem, a więc także ochrona filtru przed uszkodzeniem. Średnica ziaren (podsypki) d 100 < 0,5 D e (narzutu) miąższość podsypki D e (narzutu). Rys.6. Wymiarowanie luźnego narzutu kamiennego w zależności od falowania ( wg Kniess a) [1] Rys.5. Wymiarowanie luźnego narzutu kamiennego w zależności od szybkości prądu wody (wg Kniess a)[1] Przykład obliczeniowy [3] Rzeka płynie uformowanym korytem, przepływ jest laminarny. Prędkość wody osiąga 3 m/s. Skarpa brzegu rzeki o pochyleniu około 1 : 2 zbudowana jest z piasku pylastego o współczynniku filtracji około 10-5 m/s i charakterystycznych rozmiarach ziarn: d 10 = 0,06 mm, d 50 = 0,20 mm, d 60 = 0,25 mm, d 90 = 0,80 mm. Jakie sa wymagane parametry materiału geosyntetycznego, podsypki i narzutu?

6 a) Zaprojektowanie materiału geosyntetycznego Grunt niespoisty, warunki statyczne U = 7 89 = ;,=> = 4,1 7 :9 ;,;? 2,5 x d 50 = 0,5 d 90 = 0,8 Zatem maksymalny wymiar O 90 = 0,5 mm. Dobór odpowiedniego materiału: dla geotkaniny o wartości k g = 2 x 10-4 odczytujemy η w = 0,09 η w k g = 0,09 x 2 x 10-4 = 1,8 x 10-5 m/s tj. nieco więcej niż współczynnik k s = 10-5 m/s. Materiał geosyntetyczny jest właściwy. z rys.19 b) Zaprojektowanie narzutu Z rys.20 dla przepływu laminarnego o prędkości 3 m/s przyjęto z pewnym zapasem narzut z kamieni o ciężarze 20 dan D, = = 355 mm Przyjęto całkowitą miąższość narzutu > 710 mm c) Warstwa podsypki Średnica d 100 < 0,5 x 355 < 355 mm, przyjęto miąższość 355 mm. Przyjęte rozwiązanie : Materiał geosyntetyczny: geotkanina O µm co najmniej k g = 2x 10-4 m/s Warstwa podsypki : kamienie do 175 mm miąższość co najmniej 355 mm. Narzut: kamienie 20 dan (0,2 kn) miąższość co najmniej 750 mm W śródlądowych drogach wodnych głównymi przyczynami erozji są prąd przepływu wody i ruch statków. Jeżeli te zjawiska można wyrazić za pomocą prędkości strugi to ogólną ocenę podatności na erozję dna i brzegów drogi wodnej można przedstawić w formie rys. 6 Posługując się rys. 6 warto odnotować, że gruntem najłatwiej ulegającym erozji jest piasek już przy prędkości przepływu około 20 cm/s (0,2 m/s) następuje transport.

7 Rys.6 [3] W celu maksymalnego ograniczenia erozji, brzegi i dno dróg wodnych muszą być zabezpieczane narzutem z kamieni o ciężarze i rozmiarach wystarczających, aby oprzeć się działaniu strumienia wody w ten sposób, że narzut zbudowany jest z dwóch warstw kamieni, ułożonych na podsypce z drobniejszego kruszywa. Podsypka z kolei leży na filtrze geosyntetycznym, rozłożonym na odpowiednio przygotowanej powierzchni skarpy brzegu i dna. Projektowanie filtrów z geosyntetyków, służących do ochrony przed erozją komplikuje fakt, że przepływ jest często turbulentny, a ponadto może zmieniać kierunek. Na przykład w kanale, w którym nie występują przepływy, poziom wody gruntowej w sąsiedztwie kanału będzie taki, jak poziom wody w kanale. Fala powstająca przy przejściu statku podnosi lokalnie poziom wody w kanale i wywołuje przepływ wody w gruncie w głąb obwałowania. Następnie przychodzący spód fali obniża poziom wody w kanale i powoduje odpływ wody z obwałowania w kierunku kanału. Z powodu zmiennego kierunku wody często nie jest możliwe powstanie sieci sklepień z ziarn gruntu przylegających do materiału geosyntetycznego. Wskutek tego nie może powstać w gruncie stabilny układ filtrujący. Stosowanie tkanin i włóknin na filtry w budowlach dróg wodnych, skarpach przybrzeżnych i śródlądowych, gdzie podłoże budują piaski i piaski pylaste, które są szczególnie podatne na erozję, wiąże się z problemem projektowania filtru. Otwartość geosyntetyków jest wystarczająco mała, aby zapobiec dużym ubytkom ziarn i cząstek gruntu, a jednocześnie zachowuje dostatecznie dużą przepuszczalność przez cały okres jego użytkowania, zapobiegając tym samym wzbudzaniu zwiększonego ciśnienia spowodowanego falowaniem.

8 Kryteria dla filtrów, które powinny zapewniać zatrzymanie drobnych cząstek i ziarn, można podsumować następująco: a) grunty niespoiste: warunki obciążenia statycznego Jeżeli U* 5 to O 90 < 10 x d 50 oraz O 90 < d 90 Jeżeli U* < 5 to O 90 < 2,5 x d 50 oraz O 90 d 90 gdzie U* oznacza wskaźnik różnoziarnistości definiowany jako d 60 /d 10 warunki obciążenia dynamicznego O 90 < d 50 b) grunty spoiste warunki statyczne/dynamiczne obciążenia O 90 < 10 x d 50 oraz O 90 d 90 i O µm Za warunki statyczne obciążenia uważa się przepływ laminarny, włączając zmiany kierunku przepływu. Dynamiczne warunki obciążenia są wytwarzane przez przepływ silnie turbulentny, działanie falowania oraz zjawisko pompowania. Dla obu wymienionych typów gruntów mogą występować odchylenia od powyższych kryteriów, w zależności od zawartości pyłów i wartości wskaźnika różnoziarnistości. W przypadku zwiększenia prędkości przepływu wody w kanałach otwartych, rowach, ciekach, potokach lub rzekach może wystąpić zjawisko zwiększonej erozji (rozmywania) dna i skarp koryta. Do przypadków, które mogą spowodować zwiększenie prędkości przepływu wody można zaliczyć: - deszcze nawalne powyżej 50 l/m 2, - ulewy długotrwałe w przypadku stosunkowo małych zlewniach, powodujące znaczne spływy powierzchniowe, - zabudowa w kanale lub rowie przewodów przepustów, - posadowienie przyczółków i filarów obiektów mostowych w nurcie rzeki, - zabudowa regulacyjna cieku (ostrogi, opaski brzegowe itd.), - obiekty rekreacyjne z częściowym wejściem w nurt, - budowa przystani, nabrzeży itp. Orientacyjne wielkości dopuszczalnych średnich prędkości przepływu wody dla różnych gruntów jako nierozmywających podano w tabl. 1 i 2.

9 Tabl. 1. Dopuszczalne średnie prędkości przepływu wody nierozmywające grunty mineralne niespoiste [2] Tabl. 2. Dopuszczalne średnie prędkości przepływu wody nierozmywające grunty mineralne spoiste [2] Tabl. 3. Dopuszczalne średnie prędkości przepływu wody dla różnego rodzaju umocnień brzegowych i dennych [2]

10 Dla głębokości pośrednich, zawierających się pomiędzy głębokościami wyszczególnionymi w tabelach 1, 2 i 3 należy każdorazowo obliczać prędkość dopuszczalną, ze wzoru : gdzie : V dop = V 1 h 0,2 V 1 - dopuszczalna prędkość przepływu wody przy głębokości 1,0 m, h - średnia głębokość cieku. Erozja gruntu na ogół nie towarzyszy robotom inżynieryjnym. Jednak jest faktem, że zdjęcie gruntu rodzimego naturalnego pokrycia, takiego jak humus lub wyższa szata roślinna drzewa, krzewy może spowodować ogromny wzrost prędkości erozji. Ilustrują to dane w tablicy 4, dotyczące zbocza z gliny pylastej o spadku 1 : 14 Tab. 4. Zależność rocznego ubytku gruntu od pokrycia terenu Okrywa roślinna Ubytek gruntu [kn/ha] Las 0,1 Trawa 0,4 Użytki rolne 400 Brak okrycia Głównym czynnikiem wywołującym erozję są deszcze. Uderzenia kropel deszczu w nieosłonięty grunt powodują odspajanie jego cząstek i spłukiwanie ich przez wodę spływającą z wyższych połaci terenu. W przypadku dużych prędkości spływu występuje wzmożone odspajanie i spłukiwanie gruntu. Ubytek gruntu jest funkcją jego podatności na erozję i erozyjności opadu, jak również długości i pochyleniu stoku. Dla określonego zbioru tych czynników jedynym sposobem poprawiającym sytuację jest ochrona nieosłoniętego gruntu. W każdym przypadku odpowiednio zastosowane maty dają trzy korzyści. Po pierwsze stanowią one czasowe zabezpieczenie przed erozją dzięki pochłanianiu energii kinetycznej spadających kropel, które w przeciwnym razie odspajałyby cząstki gruntu. Po drugie, przeciwdziałają one spływowi powierzchniowemu wody opadu i redukują tym samym zdolność do spłukiwania odspojonego gruntu. Po trzecie wreszcie, geomaty będą zatrzymywać ciepło, wytwarzając mikroklimat sprzyjający wegetacji roślinności. Geomaty i siatki mogą być użyte do zmniejszenia erozji gruntu w małych ciekach, w których główną przyczyną erozji jest płynąca woda. Brzegi cieków pokryte trawą mogą wytrzymać znaczne prędkości przepływu rzędu 2 m/s.

11 Poprawę skuteczności zabezpieczenia można uzyskać przez wzmocnienie systemu korzeniowego matami podobnymi do stosowanych przy ochronie zboczy przed erozją. 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. Z reguły są to zjawiska erozyjne o dużych zakresach. Przy projektowaniu jakichkolwiek obiektów hydrotechnicznych, odwodnień, zabezpieczeń p.wilgociowych itp. należy pamiętać o podstawowej zasadzie, że woda wolno płynąca lub woda gruntowa nigdy nie przymkną oka na nasze błędy lub zaniedbania. Literatura : 1. Empfehlungen des Arbeitsausschusses Ufereinfassungen. EAU Ernst and Sohn 2. Klugiewicz J.: Hydromechanika i hydrologia inżynierska. Projprzem-EKO, Bydgoszcz Lotrak. Poradnik projektanta Van Zanten R.V.: Geotextiles and geomembranes in civil engineering. Balkema Wesolowski A. [i in.] : Geosyntetyki w konstrukcjach inżynierskich. Wyd. SGGW, W-wa 2000