dr inż. Ireneusz Dyka pok [ul. Heweliusza 4]

Transkrypt

1 Zagrożenia i ochrona przed powodzią Ćwiczenie: Projektowanie wałów przeciwpowodziowych dr inż. Ireneusz Dyka pok [ul. Heweliusza 4] i.dyka@uwm.edu.pl Zakład Geotechniki i Budownictwa Drogowego WYDZIAŁ GEODEZJI, GOSPODARKI PRZESTRZENNEJ I BUDOWNICTWA Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie

2 Wezbranie a powódź Bardzo często pojęcie powodzi utożsamia się z pojęciem wezbrania - jest to nieprawidłowe ponieważ są to dwa różne zjawiska. Wezbranie każdy znaczny wzrost stanów wody w ciekach i jeziorach wywołany: zwiększonym zasilaniem naturalnym (opady deszczu, tajanie śniegu) zahamowaniem odpływu (zatory lodowe lub śryżowe, silny wiatr) Powódź na tyle duże wezbranie, że woda występując z koryta głównego rzeki, zalewa tereny nadbrzeżne (doliny rzek) powoduje straty gospodarcze, społeczne i moralne.

3 Wezbranie a powódź 1. Wezbranie jest zjawiskiem przyrodniczym i stanowi pojęcie hydrologiczne 2. Powódź jest zarówno zjawiskiem przyrodniczym jak i gospodarczym 3. Każda powódź jest wezbraniem, ale nie każde wezbranie jest powodzią 4. Pojęcie powodzi nie obejmuje zjawisk zatapiania małych obszarów bezodpływowych.

4 Metody ochrony przed powodzią

5 Tereny zagrożone, obecnie intensywnie zagospodarowane wymagają coraz skuteczniejszej ochrony Programy rozwoju gospodarczego i użytkowania terenu powinny być dostosowanie do potencjalnego zagrożenia powodziowego: wyznaczanie stref zagrożenia planowanie i gospodarka w przestrzenna musi uwzględniać ograniczenia w użytkowaniu i zabudowie terenów zalewowych Jako priorytetowe rozwiązania ochrony przed powodzią uznaje się obecnie działania wpływające na wzrost retencji w zlewni: renaturyzacja rzek i dolin budowa polderów, suchych zbiorników oraz obiektów małej retencji retencyjne przysposobienie zlewni Istniejące obiekty wymagają racjonalnej modernizacji w celu poprawy ich funkcjonowania

6 Środki techniczne, rodzaje działalności i główne ich cele zwiększanie retencji terenowej - zatrzymywanie wód opadowych w terenie poprzez racjonalną gospodarkę rolną i leśną, tworzenie sztucznych zbiorników retencyjnych - magazynowanie płynących wód (dodatkowe wymierne korzyści), ochrona terenów zalewowych o znaczącej wartości gospodarczej (tereny zurbanizowane i o wysokiej kulturze rolnej) przed zalaniem lub podtopieniem przez wody powodziowe, ochrona koryta rzeki, obiektów komunikacyjnych i budowli inżynierskich przed szkodliwym działaniem wód wezbrania powodziowego.

7 Środki ochrony przed powodzią Środki techniczne Środki ochrony czynnej Środki ochrony biernej Zmniejszają wysokość fali wezbraniowej i redukują wielkość przepływów: Poldery Suche zbiorniki Wielozadaniowe zbiorniki retencyjne Obiekty małej retencji Retencyjne przysposobienie zlewni Wpływają na bezpieczne odprowadzenie wód wielkich: Wały przeciwpowodziowe Regulacja rzek Kanały ulgi

8 Środki techniczne ochrony czynnej Zbiorniki zalewowe - poldery Poldery sterowane - zalewane w przypadku niebezpieczeństwa przerwania wałów Poldery przepływowe - zalewane w czasie każdego wezbrania

9 Środki techniczne ochrony czynnej Poldery sterowane - zalewane w przypadku niebezpieczeństwa przerwania wałów

10 Środki techniczne ochrony czynnej

11 Środki techniczne ochrony czynnej Wielozadaniowe zbiorniki retencyjne Widok zbiornika wodnego w Czorsztynie Redukcja fali wezbraniowej w lipcu 1997 roku

12 Środki techniczne ochrony biernej Regulacja rzek Zwiększenie przepustowości koryta rzeki Widok w planie koryta rzeki meandrującej Likwidacja miejsc zatorogennych Koryto rzeki roztokowej Koryto rzeki meandrującej Przekrój poprzeczny koryta

13 Środki techniczne ochrony biernej Kanały ulgi Kanał ulgi w Opolu

14 Środki techniczne ochrony biernej Wały przeciwpowodziowe - budowle ziemne, które ograniczają zasięg zalania terenów nadrzecznych płaskich o dużej powierzchni, gdy poziom wezbrania jest znacznie wyższy od brzegów głównego koryta rzeki

15 Wały przeciwpowodziowe chroniące np. nisko położone osiedla w dolinie rzecznej, gdzie wybudowane wały ochraniają znajdujące się blisko zakola rzeki nizinnej osiedle przed okresowo powtarzającymi się zalewami Obwałowanie lokalne na zakolu rzeki: 1-rzeka, 2-wały przeciwpowodziowe, 3-zabudowania, 4-drogi

16 Wały przeciwpowodziowe Schemat obwałowań doliny rzecznej: 1-rzeka, 2-wał otwarty, 3-wał zamknięty, 4-wały poprzeczne (działowe), 5-przepusty

17 Wały przeciwpowodziowe Schemat ideowy przekroju poprzecznego wału przeciwpowodziowego: a) przekrój poprzeczny z głównymi elementami; b) wariant skarpy odpowietrznej z ławą; c) plan; 1-skarpa odwodna, 2-skarpa odpowietrzna, 3-korona wału, 4-ekran szczelny, 5-rdzeń szczelny, 6- uszczelnienie podłoża, 7-drenaż, 8-rów odwadniający, 9-ława, 10-krzywa depresji w przypadku wału jednorodnego (bez uszczelnień).

18

19 Stan techniczny wałów przeciwpowodziowych: do I klasy - 6%, do klasy II 30%, do III klasy 25%, do IV klasy 36%, do pozaklasowych 3%.

20

21 Według: Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 20 kwietnia 2007 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle hydrotechniczne i ich usytuowanie DZIAŁ II Budowle hydrotechniczne Rozdział 1 Ogólne warunki techniczne budowli hydrotechnicznych Ziemne budowle hydrotechniczne, w tym ich podłoże, powinny być stateczne w każdych warunkach pracy, a w szczególności w przyjętych w projekcie budowlanym warunkach obciążeń, w całości i elementach takich jak korpus, skarpy, umocnienia, uszczelnienia, warstwy ochronne, drenaże. 2. Ziemne budowle piętrzące, takie jak zapory, wały przeciwpowodziowe, obwałowania kanałów i nadpoziomowych zbiorników gromadzących substancje płynne lub półpłynne, wykonuje się z gruntów naturalnych lub antropogenicznych, w których zawartość składników podlegających rozkładowi lub rozpuszczeniu w wodzie nie zagraża trwałości i bezpieczeństwu zarówno w czasie budowy, jak i podczas użytkowania.

22 Klasy budowli hydrotechnicznych według: Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 20 kwietnia 2007 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle hydrotechniczne i ich usytuowanie

23 Ocena stateczności wału przeciwpowodziowego Według: Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 20 kwietnia 2007 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle hydrotechniczne i ich usytuowanie 29.Obliczanie stateczności i nośności budowli hydrotechnicznych wykonuje się według metod określonych w Polskich Normach dotyczących tych obliczeń. 32. Ziemne budowle piętrzące sprawdza się w zakresie:: 1) stateczności skarp wraz z podłożem; 2) gradientów ciśnień filtracyjnych i możliwości przebicia lub sufozji; 3) chłonności, wydajności drenaży; 4) wartości osiadań korpusu i odkształceń podłoża budowli hydrotechnicznej; 5) niebezpieczeństwa wystąpienia poślizgu po podłożu i w podłożu; 6) niebezpieczeństwa wyparcia słabego gruntu spod budowli hydrotechnicznej.

24 Definicje według Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 20 kwietnia 2007 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle hydrotechniczne i ich usytuowanie : Przepływ miarodajny ( Qm ) rozumie się przez to przepływ, na podstawie którego projektuje się budowle hydrotechniczne Przepływ kontrolny ( Qk ) rozumie się przez to przepływ, na podstawie którego sprawdza się bezpieczeństwo budowli w wyjątkowym układzie obciążenia. Podstawowy układ obciążeń budowli piętrzącej - obciążenia występujące przy pełnej sprawności jej urządzeń i poziomie piętrzenia przy wezbraniu obliczeniowym o przepływie Qm. Wyjątkowy układ obciążeń budowli piętrzącej - obciążenia mniej korzystne niż obciążenia występujące w podstawowym układzie obciążeń budowli piętrzącej, w tym obciążenia: a) przy przepływie Qk lub najwyższym obliczeniowym stanie wody (Hm), o którym mowa w 42 pkt 3 i 43, b) dynamiczne powstałe w wyniku oddziaływań sejsmicznych lub parasejsmicznych, c) spowodowane awarią budowli hydrotechnicznej, jej elementów lub niesprawnością drenażu, d) wywołane nierównomiernym odkształceniem powierzchni na terenach górniczych, na obszarach występowania zjawisk krasowych oraz zapadania gruntów lessowych, e) dynamiczne wywołane ruchem pojazdów, kry i innych przedmiotów pływających, f) spowodowane huraganowym wiatrem, g) spowodowane nagłym obniżeniem poziomu piętrzenia;

25 Według: Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 20 kwietnia 2007 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle hydrotechniczne i ich usytuowanie

26 Ocena stateczności wału przeciwpowodziowego γ n E dest m E stab E stab stab - obliczeniowe oddziaływania stabilizujące, którymi są: obliczeniowy opór graniczny podłoża gruntowego, suma rzutów na płaszczyznę poślizgu wszystkich sił od obciążeń obliczeniowych przeciwdziałających przesunięciu, wyznaczonych z uwzględnieniem obliczeniowych wartości parametrów geotechnicznych, moment wszystkich sił obliczeniowych przeciwdziałających obrotowi, składowa pionowa obciążeń obliczeniowych w poziomie posadowienia przy sprawdzaniu stateczności na wypłynięcie. E dest dest - obliczeniowe oddziaływania destabilizujące, którymi są: obciążenia przekazywane przez fundamenty na podłoże gruntowe, składowa styczna wszystkich obciążeń obliczeniowych mogących spowodować przesunięcia budowli hydrotechnicznej w płaszczyźnie poślizgu, momenty wszystkich sił obliczeniowych mogących spowodować obrót, składowa pionowa wartości obliczeniowej wyporu w poziomie posadowienia przy sprawdzaniu stateczności na wypłynięcie.

27 Ocena stateczności wału przeciwpowodziowego Warunek stateczności dla stanu granicznego nośności: Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 20 kwietnia 2007 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle hydrotechniczne i ich usytuowanie γ n E dest m E stab

28 Średnia prędkość przepływu wody w przekroju koryta v = 1 n R 2 / 3 I 1/ 2 R = A U Q = va n - współczynnik szorstkości ścian i dna koryta; R promień hydrauliczny, U obwód zwilżony; Q natężenie przepływu; A przekrój przepływu.

29 Określenie wysokości zwierciadła wody dla przepływu miarodajnego Q = v da i h (Q m ) rzędna zwierciadła wody Koryto wielodzielne traktuje się jako koryto złożone z kilku odrębnych części, dla których wyznaczamy niezależnie prędkość i przepływ. Uwaga: przy obliczaniu obwodu zwilżonego uwzględniamy jedynie rzeczywistą długość zetknięcia się z korytem (nie uwzględniamy umownych linii podziału).

30 Przepływ ustalony, jednostajny

31 ZADANIE PROJEKTOWE Przedstawić projekt koncepcyjny przekroju wału przeciwpowodziowego wraz z odpowiednimi obliczeniami w oparciu o dane hydrologiczne oraz następujące założenia Klasa budowli: III Materiał gruntowy: piasek średni, I s = 0,97 Materiał podłoża wału: G πz, I L = 0,15 Rzędna zwierciadła wody przy przepływie miarodajnym: 151,8 m NN Odległość [m] Rzędna [m] nad NN

32 Znaczenie określeń NN, NAP stosowanych w określeniu wysokości nad poziomem morza (n.p.m.) budowli hydrotechnicznych. W XVI wieku w Amsterdamie używano standardu średniego poziomu morza zwanego wówczas Poziomem Miejskim (stadspeil), z czasem ten standard zaczęto używać w reszcie kraju i nazwano go Amsterdamskim Poziomem (Amsterdams Peil). W roku 1956 pod placem Dam wbito pal, na wierzchu którego umieszczono ćwiek z bronzu. Ten punkt nazwano Normalnym Amsterdamskim Poziomem (Normaal Amsterdams Peil w skrócie NAP). W Niemczech nazywa się go Normalnull - NN. Ćwiek znajduje się 90 cm pod chodnikiem a 1,43 m powyżej NAP. Później w roku 1988, po wybudowaniu nowej amsterdamskiej opery, zwanej Stopera, umieszczono w niej następny pal na wysokości 0 m NAP. Natomiast w Polsce e "poziom morza" odnosi się do: Morza Bałtyckiego w Zatoce Fińskiej, wyznaczonego dla mareografu w Kronsztadzie koło Petersburga w Rosji, Morza Północnego, wyznaczonego dla mareografu w Amsterdamie, Morza Adriatyckiego, wyznaczonego dla mareografu w Trieście. Rzędne w układzie wysokości określa się z pomiarów geodezyjnych nawiązanych do punktów podstawowej osnowy geodezyjnej kraju wysokościowej osnowy geodezyjnej. Układ wysokości Kronsztad jest częścią państwowego systemu odniesień przestrzennych wprowadzonego Rozporządzeniem Rady Ministrów z dnia 8 sierpnia 2000 i jedynym obowiązującym od 1 stycznia Układy wysokościowe Amsterdam, Triest oraz lokalne przestały obowiązywać z dniem 31 grudnia 2009, jednak w zasobach ośrodków geodezyjnych są nadal przechowywane i są używane przez geodetów jako obligatoryjne do czasu przejścia na jednolity układ odniesienia. Poziom zerowy morza (Pz) odniesiony do wodowskazu w porcie morskim Kronsztadt oznacza się jako zero kronsztadzkie (Kron). Do przeliczania wysokości pomiędzy zerem amsterdamskim (HAmst.) oraz zerem kronsztadzkim (HKron.) stosuje się, wyrażoną w metrach, zależność: HKron. = HAmst. + 0,08 (dokładniej 0,084 m)

33 Dane hydrologiczne krzywa konsumcyjna: Q=f(H) Sporządzamy analityczną krzywą konsumcyjną dla następujących założeń: H wysokość napełnienia koryta, powyżej poziomu dna koryta rzeki. 10 Rzędna dna koryta: 142,5 m NN Średni spadek zwierciadła wody: I= %0 n koryta = 0,03 m -1/3 s n zalewu = 0,06 m -1/3 s H 1 =100 cm (144,0 m NN) Q=12,44 m 3 /s Lp Hi [m] U1 [m] A1 [m 2 ] R1 [m] n1 v1 [m/s] Q1 [ m3/s] U2 [m] A2 [m 2 ] R2 [m] n2 v2 [m/s] Q2 [ m3/s] Q [ m3/s]

34 Spiętrzenie wody w międzywalu

35 W korycie naturalnym: rzędna zwierciadła wody przy przepływie miarodajnym: 151,8 m NN rzędna dna koryta: 142,5 m NN H = 151,8 142,5 = 9,3 m Q m =2187 m 3 /s Po wybudowaniu wału: Lp Hi [m] U1 [m] A1 [m 2 ] R1 [m] n1 v1 [m/s] Q1 [ m3/s] U2 [m] A2 [m 2 ] R2 [m] n2 v2 [m/s] Q2 [ m3/s] Q [ m3/s] Rzędna zwierciadła wody przy przepływie miarodajnym: 142,5 + 9,41 = 151,91 m NN

36 Ustalenie maksymalnych rzędnych

37 Ustalenie maksymalnych rzędnych Rzędna zwierciadła wody dla Q m : 151,91 m npm. Minimalna rzędna korony wału = rzędna zwierciadła wody dla Q m + a Klasa III 151,91 + 0,7 = 152,61 m npm Przyjęta rzędna korony wału: 152,7 m npm

38 Dobór wymiarów wału przeciwpowodziowego w przekroju poprzecznym Wymiary przyjmujemy zgodnie z wytycznymi przedstawionymi w Vademecum ochrony przeciwpowodziowej, rozdział 9.3.1

39 Nachylenie skarp wału przeciwpowodziowego w przekroju poprzecznym według wytycznych przedstawionych w Vademecum ochrony przeciwpowodziowej, rozdział tabela 9.6: