Grodzice. w konstrukcji wału przeciwpowodziowego. Wały przeciwpowodziowe są budowane wzdłuż naturalnych

Transkrypt

1 Grodzice w konstrukcji wału przeciwpowodziowego Daniel Reiter, Arcelor Mittal CRPS Ewa Sakwerda, Arcelor Mittal CLP Grodzice stanowią najprostszą i najbardziej opłacalną metodę, jeśli chodzi o zapewnienie stabilności systemów wałów. Blokada przepływu wody w postaci stalowej grodzicy jest całkowicie szczelna y przeciwpowodziowe są budowane wzdłuż naturalnych zbiorników wodnych takich, jak jeziora, morza i rzeki w celu ochrony obszarów znajdujących się za nimi przed powodzią. Zazwyczaj wał ma kształt płaskiego wzgórza z nieprzepuszczalną warstwą uszczelniającą od strony wody i przepuszczalną warstwą filtrów od strony zewnętrznej. Wymiary wału, a zwłaszcza jego wysokość, są dostosowane do warunków naturalnych. Powszechnym i częstym zjawiskiem jest adaptacja ich wysokości i wymiarów w sytuacji, gdy podwyższony w wyniku powodzi poziom wód tego wymaga. Przykładowo groble wzdłuż Łaby w Niemczech mają typową wysokość wynoszącą 8 m. Wzdłuż grobli znajduje się droga umożliwiająca stały dostęp i kontrolę struktury wału, która może osłabiać się pod stałym wysokim ciśnieniem wody. y przeciwpowodziowe są stosunkowo prostą konstrukcją, acz ogromną strukturą ziemną i jako takie są przeznaczone do użytkowania w bardzo długim czasie. Kilka historycznych grobli od średniowiecza przetrwało do naszych czasów. Są one narażone na wiele zagrożeń w trakcie ich użytkowania takich, jak: podmywanie wzdłuż linii wody. Ten niesłyszalny proces rozpoczyna się zwykle powoli i może być wywołany przez zwierzęta, które wykopują sobie drogę przez szaniec. Przez rosnącą liczbę szczelin materiał jest wymywany i coraz więcej wody 38

2 Geoinżynieria przepływa przez wał, a jego stabilność jest zagrożona; przepływ wody pod wałem podczas wysokiego poziomu wody. Cząsteczki gruntu są wymywane, powodując osiadanie całej konstrukcji. Jeżeli ten proces trwa dłuższy czas, wysokość wału obniża się i woda może przepływać powyżej jego korony; pęknięcie warstwy nieprzepuszczalnej ze względu na nadmierne ciśnienie wody, erozję lub ścierania spowodowane Fot. 2, 3. Naprawa wałów, Klokowa materiałem przenoszonym przez wody powodziowe. Przemieszczenie dużych ilości materiału stanowiącego konstrukcję wału może w następstwie spowodować przerwanie jego ciągłości. Awaria wału zazwyczaj oznacza znaczne szkody w infrastrukturze, którą zamierza chronić. Historia pokazuje, że wypadki śmiertelne w wyniku poważnych powodzi takich, jak te, które miały miejsce w 1953 r. w Holandii, w roku 1962 Warstwa filtracyjna Warstwa filtracyjna Rys. 1. Stabilizacja wewnętrzna Rys. 2. Stabilizacja od strony wody Rys. 3. Stabilizacja od strony zewnętrznej 39

3 w Hamburgu lub w 1966 r. w Wenecji są istotnym niebezpieczeństwem. Nawet w obecnym tysiącleciu trudno uniknąć tego niebezpieczeństwa, czego dowodem są powodzie w 2002 r. na rzece Łabie i huragan Katrina z 2005 r. w Nowym Orleanie. Powódź oznacza nie tylko śmierć ludzi, chociaż to koszt najwyższy, ale ogromne straty finansowe, czego dowodem są powodzie na polskich rzekach w ostatnich latach, jak np. w roku 1997, 2001 czy Głównymi przyczynami awarii wałów przeciwpowodziowych są nie tylko ekstremalne zjawiska meteorologiczne, ale także starzenie się i nieprawidłowe projektowanie takich konstrukcji. Grodzice należą do najprostszych i najbardziej opłacalnych metod, jeśli chodzi o zapewnienie stabilności systemów wałów. Blokada przepływu wody w postaci stalowej grodzicy jest całkowicie szczelna. Przeprowadzono badania we współpracy z Delft University w celu oceny przepływu wody przez ściankę szczelną, w czasie których stwierdzono, że ilość wody przenikającej przez takie ściany jest znikoma, a ewentualne miejsca wycieku uszczelniają się samoistnie cząsteczkami gruntu. Można dodatkowo przeciwdziałać i takim przepływom poprzez stosowanie dodatkowych materiałów uszczelniających. W niektórych przypadkach należy jednak pozostawić otwory w grodzicach w celu umożliwienia utrzymania naturalnego przepływu wód podziemnych do rzek. W przypadku dodatkowych uszczelnień wybór zależy od ewentualnego skażenia obszaru, a możemy wybierać np. pomiędzy systemami uszczelniających takimi, jak Beltan (materiał bitumiczny) lub Arcoseal (olej mineralny + parafina). Generalnie istnieją trzy możliwości instalacji ścianek szczelnych jako elementów stabilizujących strukturę wałów: stabilizacja wewnętrzna, stabilizacja od strony wody, stabilizacja od strony zewnętrznej. Fot. 4, 5. Wzmocnienie wałów Wisły, Polska Południowa W przypadku pogrążania grodzic w środku wału, jak pokazano na rys. 1, ścianka zapobiega wymywaniu i przepływom pod linią wału, przeciwdziałając przesuwaniu materiału gruntowego. W takiej sytuacji możliwe jest osiągnięcie bardziej stromych kątów dla całej konstrukcji i znaczne zwiększenie nieprzepuszczalności, stanowiąc nieprzeniknioną barierę dla zwierząt i korzeni, które mogłyby zniszczyć wał. Stabilność struktury wału jest również zwiększona poprzez przeniesienie obciążeń na niższe warstwy gruntu. Inną korzyścią ze stosowania grodzic w środku wału jest możliwość podwyższenia istniejących wałów nawet o parę metrów, w tym również przy pomocy dodatkowo instalowanych systemów posiłkowej ochrony, mocowanych do stalowej ścianki. Takie rozwiązanie jest na pewno bardziej ekonomiczne niż zwiększanie wysokości wału metodą tradycyjną poprzez dodanie kolejnej warstwy ziemi. Nie ma też utraty ko- Fot. 6, 7, 8. Podwyższanie poziomu ochrony przeciwpowodziowej, Port Praski, Warszawa 40

4 Geoinżynieria lejnej powierzchni pod wał, a jego wysokość nie ulega modyfikacji na stałe. Korzyść ze stosowania grodzic po zewnętrznej stronie wału to przede wszystkim możliwość ograniczenia ich wysokości i, co za tym idzie, kosztów. Należy jednak mieć pewność, że warstwy uszczelnienia zachowują swoją funkcjonalność w każdej chwili i wpływ wody na konstrukcję jest na stałe ograniczony. Zasadniczo grodzice są stosowane, aby uniemożliwić penetrację wody w głąb konstrukcji. Ważne jest, by grodzice miały odpowiednią głębokość pogrążenia, przeciwdziałając przepływom wody poniżej wału. Grodzice instalowane od strony lądu oddzielają teren zabudowany od samego wału i równocześnie zabezpieczają budynki usytuowane w bezpośrednim sąsiedztwie przed utratą stateczności, spowodowaną osiadaniem gruntu. Ścianki szczelne kotwione są idealnym rozwiązaniem, gdy przestrzeń pozostająca do dyspozycji jest ściśle ograniczona, lub gdy istniejące drogi wodne muszą zwiększyć swoją szerokość nawet o kilka metrów. Wybierając konkretny typ grodzicy należy uwzględnić zarówno wymagania statyki jak i możliwość instalacji. Ciśnienie wody i gleby (szczególnie istotne w przypadku pionowych ścian szczelnych) to główne siły działające na system. Poziom wody powinien uwzględniać maksymalne przewidywane poziomy wody w przypadku powodzi i obciążenia związane z przyrastającą w szybkim tempie ilością wody w trakcie samej powodzi. Gleba po stronie nie zabezpieczonej może zostać zabrana przez powodzie lub duże opady deszczu do linii samej ścianki szczelnej. Grodzice powinny być w stanie zagwarantować stabilność wału nawet w skrajnych przypadkach, gdy powodzie spowodują wymycie całości gruntu, narażając ściany szczelne na dodatkowe obciążenia. Etapowanie samej budowy powinno być analizowane dokładnie ze względu na powodzie, mogące wystąpić w czasie budowy ściany. Jeśli ściana ma stanowić jedynie przegrodę filtracyjną, jedynie jej instalacja i osiągnięcie nieprzepuszczalności stanowi wyzwanie. Nie istnieje ogólna i kompleksowa metoda projektowania grodzic w wałach przeciwpowodziowych. Należy brać pod uwagę zarówno kształt, jak Fot. 9. i geometrię grobli, funkcję ściany jako uszczelnienia oraz inne specyficzne lokalne warunki. Empiryczne badania przeprowadzone w celu oceny skutków korozji stali w gruntach nienaruszonych lub zagęszczonych nieagresywnych wypełnieniach, tj. piaskach i glinach, czyli typowe elementy składowych wałów rzeki, wskazują na spowolnienie korozji w czasie. Dane empiryczne zostały wykorzystane do określenia szybkości korozji, a badania ograniczone do normalnych warunków. Z 95% pewnością badań potwierdzają, że powierzchnie ze stali węglowej korodują jedynie 0,65 mm na 100 lat w normalnych warunkach. Bezpośredni, ścisły kontakt grodzic stalowych z glebą zapobiega migracji produktów korozji. Drobnoziarniste i kompaktowe warstwy gleby powodują spowolnienie reakcji, które wymagają migracji jonów. Produkty korozji pozostają w tym samym miejscu, uszczelniając powierzchnię stali, dodatkowo prowadząc do mniejszych ubytków w porównaniu do redukcji grubości stali elementów bezpośrednio narażonych na działanie wody. Norma Eurocode 5 proponuje uwzględniać przy projektowaniu utratę grubości 1,20 mm po 100 latach, co odpowiada również maksymalnym wartościom, widocznym w tab. 1, dla gruntów naturalnych nienaruszonych. Gatunki stali na ogół nie są kwestią istotną przy wyborze grodzic dla wzmocnienia wałów, a jedyny wyjątek to pogrążanie grodzic w trudnych warunkach gruntowych. W ogóle najlepszym rozwiązaniem wydają się stosunkowo lekkie, ale szerokie grodzice, np.: w kształcie litery U o szerokości od 600 mm do 750 mm lub od 700 mm do 770 mm w kształcie litery Z, które mogą być instalowane jako pojedyncze lub podwójne. Szerokie grodzice są nie tylko bardziej ekonomiczne ze względu na mniejszą masę na m 2 ściany, ale również mają lepsze właściwości nieprzepuszczalne, jako że zamki grodzic są dalej od siebie. Poniższe tabele przedstawiają przegląd różnych typów grodzic stalowych dla ściany o długości 100 m. Przyjęto 8 m jako długość ścianek szczelnych. Instalacja grodzic w wale może być wykonana przy pomocy lekkich maszyn, tj. koparek z wmontowanym młotem wibracyjnym, którymi można uzyskać dostęp do wału struk- Ściana z grodzic stalowych, Wietrzychowice, Polska Centralna 41

5 tury, nie stanowiąc zagrożenia dla jej integralności. W przypadku już zagrożonych i bardzo wrażliwych struktur wałów, młot wibracyjny bezrezonansowy jest zawieszany na dźwigu umieszczonym w pewnej odległości od wałów. Jeśli wibracje mogą stanowić zagrożenie dla stabilności wału, rozwiązaniem może być prasa hydrauliczna oraz dodatkowo stosowane podwiercanie. Instalacja grodzic może być bardzo szybka Nazwa w [mm] s [mm] t [mm] Wx [cm 3 /m] M [kg/m 2 ] Ilość [t] GU ,5 12, GU ,5 9, AU ,3 10, AZ ,5 8, PU 8R 600 6,9 7, GU 6N 600 6,0 6, Tab. 1. Grodzice gorącowalcowane (L = 8 m, L ściany = 100 m) Nazwa w [mm] s [mm] t [mm] Wx [cm 3 /m] M [kg/m 2 ] Ilość [t] RC ,0 6, ,1 44 PAZ ,0 5, ,0 42 PAU ,0 4, ,3 34 PAL ,0 4, ,2 31 Tab. 2. Grodzice formowane na zimno (L = 8 m, L ściany = 100 m) Fot. 10., 11., 12., 13. Wzmacnianie wałów, Kwików, południowo wschodnia część Polski pomimo niewielkiego zaangażowania specjalistycznego sprzętu i siły roboczej. Grodzice są idealnym rozwiązaniem dla stabilizacji i podnoszenia wysokości wałów, które zostały uszkodzone w wyniku erozji, lub których szczelność budzi wątpliwości, szczególnie w wyniku powodzi, jakie miały miejsce w maju i czerwcu br. w Polsce. Ściany z gotowych do zainstalowania elementów stalowych okazały się najbardziej opłacalną metodą zwiększenia ochrony przeciwpowodziowej, nawet w tych wąskich strefach, w których nie można budować wielkich zapór z dużej ilości ziemi ze względu na bezpośrednie sąsiedztwo budynków już istniejących. Produkowane zgodnie z normami ISO, oferują oszczędność czasu i wysokiej jakości rozwiązanie, które łączy nieprzepuszczalność oraz funkcje estetyczne. Dziękujemy za udostępnienie zdjęć firmom: Zakład Robót Inżynieryjnych Henryk Chrobok i Hubert Chrobok oraz Prywatne Przedsiębiorstwo Inżynieryjne Gerhard Chrobok Bojszowy Nowe. LITERATURA: [1] AM Brochure étanchéité [2] Recommendations of the committee for waterfront structures harbours & waterways EAU1996 [3] Failure Mechanisms of Hydraulic Heave at Excavations by Robert-Balthasar Wudtke [4] Corrosion of steel pipe piles by Jouko Törnqvist [5] Eurocode 3, Part 5: Piling 42