Zabezpieczenie przed sufozją zapory w Smukale

Transkrypt

1 Dr inŝ. Witold Sterpejkowicz-Wersocki Dr inŝ. Wojciech Szudek Politechnika Gdańska, Wydział InŜynierii Lądowej i Środowiska, Katedra Hydrotechniki Zabezpieczenie przed sufozją zapory w Smukale Streszczenie W artykule przedstawiono przyczyny procesu nadmiernych osiadań korpusu lewobrzeŝnej części zapory w Smukale oraz opisano przyjęte i zrealizowane rozwiązanie problemu, polegające na wykonaniu remontu pryzmy drenaŝowej i filtra w podstawie skarpy odpowietrznej. Wprowadzenie Stopień wodny Smukała zlokalizowany jest w km rzeki Brdy i piętrzy wody do rzędnej 50,00 m npm. Istniejące obecnie budowle hydrotechniczne stopnia zostały wybudowane w latach czterdziestych XX w. W przekroju tym istniało juŝ wcześniej piętrzenie wód dla starej elektrowni, której podziemne pozostałości zalegają wewnątrz zapory lewobrzeŝnej, po lewej stronie przerzutni dla tratew. Interesująca z punktu widzenia niniejszego artykułu zapora ziemna, charakteryzuje się następującymi parametrami: długość 189 m, szerokość korony 3,0 m, rzędna korony 51,50 m npm, nachylenie skarpy odwodnej 1:2,5, nachylenie skarpy odpowietrznej 1:2 do 1:4, maksymalna wysokość ok. 14 m, maksymalna szerokość w podstawie ok. 100 m. Szczegółowa dokumentacja dotycząca zapory nie zachowała się. Na podstawie przeprowadzonych w jej obrębie badań geotechnicznych moŝna stwierdzić, Ŝe korpus zapory wykonany jest ze Ŝwirów i piasków. Element uszczelniający nie został rozpoznany. Rys.1. Ogólny widok stopnia wodnego Smukała i remontowanej pryzmy drenaŝowej Prawdopodobnie jest to rdzeń glinowy uformowany nad ścianką szczelną stalową. Rzędna korony rdzenia: 50,0 m npm, rzędna korony ścianki: 42,0 m npm, spód ścianki: 31,0 m npm (ok. 1,5 m nad stropem iłów). Widok od strony wody dolnej stopnia pokazano na rys. 1.

2 Głównym problemem technicznym eksploatacji stopnia Smukała jest proces nadmiernych osiadań korpusu zapory w części lewobrzeŝnej. W dalszej części artykułu przedstawione zostaną prawdopodobne przyczyny i przyjęty sposób zabezpieczenia zapory. Analiza przemieszczeń i kształtowania się zwierciadła wody Osiadania reperów kontrolowanych mierzone są od 1978 r. Występuje tu zjawisko sufozji i wynoszenia gruntu w lewobrzeŝnej części kanału odpływowego. Jak wynika z dokumentacji nadmierne osiadania obejmują rejon dawnej elektrowni, którą zlikwidowano w latach czterdziestych. Wykres obserwowanych w tym rejonie przemieszczeń reperów kontrolowanych pokazano na rys. 2. Najstarszy reper nr 64 wykazywał do 1995 r. skokowe przyrosty przemieszczeń, a od ostatnich kilkunastu lat wykazuje stałą i dość wyrównaną tendencję osiadań, wynoszącą ok. 20 mm/rok. Zainstalowane w 1999 r. w pobliŝu reperu nr 64 inne repery potwierdzają obserwowane przemieszczenia. Równoległym procesem do osiadań reperów jest wynoszenie materiału korpusu zapory w odległości ok. 15 poniŝej lewego przyczółka jazu. 0,0 przemieszczenia reperów kontrolowanych [mm] -50,0-100,0-150,0-200,0-250,0-300, ,0 sty 74 sty 76 sty 78 sty 80 sty 82 sty 84 sty 86 sty 88 sty 90 sty 92 sty 94 sty 96 sty 98 sty 00 sty 02 sty 04 Rys.2. Wykres przemieszczeń reperów w rejonie dawnej elektrowni Zjawiska filtracyjne obserwowane w zaporze lewobrzeŝnej wskazują, Ŝe do prostopadłego względem osi zapory kierunku filtracji nakłada się filtracja naturalnie występujących wód gruntowych z lewego brzegu. Aktualne wskazania piezometrów oraz przeprowadzone badania określające kierunki i prędkości filtracji w tym rejonie nie wskazują na zwiększoną filtrację wód ze zbiornika w strefie przyczółkowej zapory. Dodatkowym wskaźnikiem sugerującym kierunek dopływu ze strony zbocza jest brak reakcji piezometrów na wykonaną w 2003 r. przesłonę iniekcyjną w koronie zapory. Wykonano wówczas przesłonę z roztworu hydroizolacyjnego na bazie glin polimeralnych. Odwiercono 87 otworów iniekcyjnych o długościach do 22,5 m, gdzie wtłoczono 140,66 m 3 roztworu. Na wykresach stanów wody w piezometrach nie jest widoczny wpływ tej przesłony na układ zwierciadła wody w korpusie zapory (rys. 3). NaleŜy równieŝ zaznaczyć, Ŝe przepływ wód gruntowych w zaporze moŝe być silnie zaburzony w wyniku istnienia podziemnych pozostałości po starej elektrowni, które z jednej strony podpiętrzają wody, a z drugiej - tworzą uprzywilejowane drogi filtracji. Szczegółowa analiza problematyki procesów filtracyjnych zachodzących w obrębie zapory

3 Smukała została przedstawiona w Modelu matematycznym obiegu wód podziemnych w rejonie zapory EW Smukała w październiku 2005 r. 51,00 50,00 rzędna zw. wody w piezometrach [m npm] 49,00 48,00 47,00 46,00 45,00 44,00 43,00 WG WD 42,00 41,00 sty 00 sty 01 sty 02 sty 03 sty 04 sty 05 sty 06 Rys.3. Wahania zwierciadła wody w przykładowym przekroju piezometrycznym Rys. nr zapory 17a lewobrzeŝnej (wykonanie przesłony w osi zapory kwiecień 2003). W opracowaniu tym potwierdzono istnienie równoległego do osi zapory kierunku napływu wód gruntowych oraz zaburzenia ruchu wód spowodowane podziemnymi pozostałościami elektrowni wodnej, wskazując jednocześnie na potrzebę remontu pryzmy drenaŝowej w podstawie skarpy odpowietrznej z odbudową filtra powstrzymującego proces wynoszenia gruntu z korpusu zapory. Zakres prac remontowych i przyjęta technologia wykonania Celem prowadzonych prac była likwidacja przebicia hydraulicznego i powstrzymanie zjawiska sufozji w dnie koryta odpływowego na lewym brzegu, powiązanego z wynoszeniem gruntu z korpusu zapory ziemnej w Smukale. Przyjęte rozwiązanie zabezpiecza dno rzeki na szerokości ~7,5 m od dolnej krawędzi skarpy, skarpę do rzędnej 42,75 m npm oraz wywierzysko w strefie wylotu pochylni (rys. 4 i 5). Rys.4. Przekrój przez remontowany fragment zapory.

4 Rys.5. Rzut remontowanego fragmentu zapory. Tablica 1 Zasadniczy zakres robót remontu filtra na lewym brzegu na odcinku od jazu do dolnego stanowiska przerzutni tratew L.p. Wyszczególnienie j.m. Ilość Uwagi Wybagrowanie w dnie rowu (pod wodą) z wybraniem m kamieni i tłucznia 2 2. Wyrównanie dna (pod wodą) m PołoŜenie geowłókniny na dnie (pod wodą) m2 352 Ustawienie worków Big-Bag wypełnionych Ŝwirem 4. szt. 175 (pod wodą) 5. Zdjęcie narzutu kamiennego ze skarpy m3 270 wodą 178 m3 6. PołoŜenie geowłókniny na skarpie m2 485 wodą 295 m2 7. Wyrównanie powierzchni skarpy m2 485 wodą 295 m2 8. UłoŜenie na skarpie narzutu kamiennego m3 270 wodą 178 m3 Przedstawione powyŝej rozwiązanie i zakres robót wynikają z załoŝenia moŝliwie jak najmniejszej ingerencji w istniejący filtr odwrotny oraz z konieczności prowadzenia robót bez obniŝania poziomu zwierciadła wody na dolnym stanowisku stopnia w warunkach ciągłej pracy elektrowni. Pierwotnie chciano wykonać tradycyjny mineralny filtr odwrotny, jednak z uwagi na wątpliwości dotyczące jakości układania warstw filtra pod płynącą wodą zdecydowano, Ŝe zabezpieczenie dna i jednocześnie podstawę umocnienia skarpy stanowić będą worki typu Big-Bag wypełnione frakcjonowanym Ŝwirem ś#2-32 ustawione na geowłókninie, natomiast skarpa zabezpieczona zostanie narzutem kamiennym na

5 geowłóknine. Geowłóknina pełni, zatem rolę filtra powstrzymującego istniejący proces wynoszenia materiału gruntowego z korpusu zapory w miejscach lokalnych przebić hydraulicznych. Wynikają stąd wysokie wymagania jakościowe zastosowanej geowłókniny oraz wymagania związane z jej układaniem w dnie i na powierzchni skarpy. Przyjęto, Ŝe worki typu Big-Bag uŝyte jako dociąŝenie dna i podstawa skarpy muszą posiadać zamykaną pokrywę, wewnętrzne przegrody utrzymujące prostopadłościenny kształt worka po napełnieniu Ŝwirem i być wykonane z przepuszczalnej tkaniny polipropylenowej, o przepuszczalności równej co najmniej przepuszczalności geowłókniny (w kierunku prostopadłym do jej powierzchni). Rys.6. Wydobywanie kamieni z dna za pomocą chwytaka na pontonie. Przyjęto, Ŝe w pierwszej kolejności zostanie wykonane zabezpieczenie dna i podstawa na całej długości remontowanej skarpy, a następnie odbudowany zostanie filtr i umocnienie skarpy narzutem w pasach o szerokości 6 m (szerokość rolki geowłókniny), zaczynając od jazu. Silne osiadania korpusu zapory lewobrzeŝnej wykluczały wjazd sprzętu, dlatego teŝ przyjęto, Ŝe prace związane z przygotowaniem dna, układaniem geowłókniny oraz worków typu Big-Bag, a takŝe zdjęciem narzutu kamiennego, odbudowa filtra i ponowne ułoŝenie narzutu na skarpie w jej podwodnej części wykonywane będą z pontonu wyposaŝonego w odpowiednie urządzenia (koparka, Ŝuraw) przy współpracy ekipy płetwonurków. Transport materiałów i sprzętu będzie odbywał się z przeciwległego brzegu prawego w warunkach stałego przepływu wody. Podczas wykonawstwa natknięto się na pewne uciąŝliwości trudne do przewidzenia na etapie projektu. Były to między innymi pozostawione w dnie fragmenty drewnianej ścianki szczelnej oraz układane ściśle (nie narzucane) bloki kamienne o płaskich powierzchniach, które stwarzały trudność w wydobyciu w celu ułoŝenia pod nimi filtra. W miejscu

6 wynoszenia materiału z korpusu zapory, po zdjęciu warstwy kamieni, stwierdzono występowanie licznych sączeń połączonych z wynoszeniem gruntu. Miejsca te natychmiast zabezpieczono geowłókniną i dociąŝono. Pozostawione w dnie ścianki szczelne oraz lokalnie znacznie większa miąŝszość warstwy kamieni i Ŝwiru w miejscu występowania przebicia świadczą o występowaniu problemu od dłuŝszego czasu, prawdopodobnie juŝ od pierwszego napełnienia zbiornika. Rys.7. Pryzma drenaŝowa w końcowej fazie remontu. Zakończenie Przewiduje się, Ŝe zastosowane rozwiązanie zabezpieczy istniejące przebicie hydrauliczne i zlikwiduje wynoszenie materiału gruntowego z korpusu połączone z osiadaniem korpusu zapory ziemnej. Tym niemniej naleŝy się spodziewać, Ŝe w ciągu najbliŝszych 2-3 lat proces ponad przeciętnego osiadania moŝe nadal mieć miejsce, co związane będzie ze zmianą reŝimu filtracyjnego, pewnym dogęszczeniem strefy zapory w rejonie filtru i wypełnianiem ewentualnych kawern. Osiadanie jednak powinno wykazywać tendencję malejącą. Dalsze obserwacje sieci reperów kontrolnych zainstalowanych na zaporze, a zwłaszcza reperu nr 64 i sąsiednich, pozwolą ocenić skuteczność wykonanych prac. Literatura 1. Bolt A., Szudek W., Sterpejkowicz-Wersocki W., Projekt remontu zapory w Smukale (remont filtra i umocnienia skarpy), Politechnika Gdańska, Wydział InŜynierii Lądowej i Środowiska, Gdańsk, styczeń Model matematyczny obiegu wód podziemnych w rejonie zapory EW Smukała, Pracowania Modelowania Hydrogeologicznego, Chwaszczyno, październik 2005