PROJEKT UMOCNIEŃ GROBLI I FILARA OCHRONNEGO KOPALNI KRUSZYWA W BIELINKU NAD ODRĄ

Transkrypt

1 WŁADYSŁAW BUCHHOLZ 1 PROJEKT UMOCNIEŃ GROBLI I FILARA OCHRONNEGO KOPALNI KRUSZYWA W BIELINKU NAD ODRĄ 1. Wstęp Na dolnej Odrze występują duże zagrożenia powodziowe wywoływane przez fale wezbraniowe i zatory lodowe. Zagrożenia te uwidaczniają się szczególnie w rejonie kopalni kruszywa w Bielinku, gdzie kruszywo wydobywane jest na mokro z dna sztucznie utworzonego zbiornika. Zbiornik ten oddzielony jest od Odry filarem ochronnym o minimalnej szerokości 60 m. Filar ten był wielokrotnie rozmywany przez przelewającą się w okresach wezbrań wodę. Ponieważ filar leży w korycie przepływu wód wielkich, nie ma możliwości jego podniesienia ani wybudowania tam wałów przeciwpowodziowych. Ponieważ jednocześnie Odra jest tutaj rzeką graniczną to zarówno ona sama jak i rejon kopalni kruszywa podlegają szczególnej ochronie. W niniejszym artykule przedstawiono sposób wykonania zabezpieczeń w tym rejonie, które jak się okazało zdały doskonale egzamin, przetrwały bowiem zarówno próbę czasu jak i próbę wielu wezbrań zarówno zatorowych jak i związanych z przepływem wód wielkich. 2. Krótki opis kopalni kruszywa w Bielinku i problemów ochrony przeciwpowodziowej Kopalnia kruszywa w Bielinku położona jest na wschodnim brzegu Odry na północ od miejscowości Bielinek (rys. 1). W rejonie tym występują zagrożenia powodziami zarówno letnimi jak i zimowymi (zatorowymi). Powodzie takie wielokrotnie powodowały przerwanie filara ochronnego i zmianę koryta Odry, co groziło zmianą granicy państwa (według umowy polsko-niemieckiej granica biegnie linia nurtu). Problemy te zagrażały dalszemu istnieniu kopalni, a wykonanie właściwych zabezpieczeń było warunkiem uzyskania pozwolenia wodno-prawnego na dalszą eksploatację. Rejon kopalni usytuowanej na wschodnim brzegu Odry rozciąga się od km 674,5 do km 678,5 drogi wodnej. Wyrobisko (zbiornik) od rzeki oddziela filar ochronny o szerokości od 60 m do około 180 m, który znajduje się w obszarze przepływu wielkich wód i dlatego nie można na nim wznosić żadnych wałów zabezpieczających. Hydrograficznie (oprócz zakładu przeróbczego położonego na wysokim brzegu) rejon kopalni składa się z następujących części (rys.2) : - zbiornika wyrobiska o powierzchni ponad 300 ha ciągle powiększanego w kierunku północnym. Głębokości na zbiorniku dochodzą do m, - starego (poniemieckiego) nie eksploatowanego już zbiornika powyrobiskowego o powierzchni ok. 50 ha i głębokości do 20 m, - grobli dzielącej oba zbiorniki o długości ok m na której zlokalizowane są: droga transportowa i taśmociąg do kruszywa, 1 Politechnika Szczecińska, Szczecin

2 - filara ochronnego oddzielającego zbiornik od Odry; filar ten stanowi jednocześnie brzeg graniczny (granica polsko-niemiecka), połączenia żeglugowego pomiędzy rzeką a zbiornikiem, resztki (ok. 200 m) wału z zainstalowanymi tam odwadniaczami, z których wstępnie osuszone kruszywo przekazywane jest na taśmociąg. Rys. 1 Usytuowanie kopalni kruszyw w Bielinku.

3 W czasie wysokich stanów na Odrze (przepływy wielkie lub wezbrania zatorowe) filar jest zalewany przepływającą wodą, a prędkości nad filarem wskutek różnicy zwierciadła wody między rzeką a zbiornikiem przekraczają prędkości krytyczne, co powoduje rozmywanie filara. Efektem tych zjawisk było parokrotne przerwanie filara i zmiana koryta Odry -przepływała ona od miejsca przerwania (które zawsze występowało w rejonie km 675,0 na początku zbiornika) do połączenia żeglugowego. Pozostawienie takiego stanu groziło nawet zmianą granicy państwa. Rys. 2 Szkic usytuowania kopalni kruszywa w Bielinku, 3. Skutki wezbrań dla kopalni w Bielinku Wezbrania na Odrze w przedmiotowym rejonie wywołane zarówno przepływami wielkimi jak i zatorami lodowymi powodują różnorakie zniszczenia i zagrożenia w rejonie kopalni kruszywa w Bielinku. Do najważniejszych z nich zaliczyć należy :

4 - przerwanie filara ochronnego (wielokrotnie) w rejonie km 674,6 675,0 (rys. 2), - rozmywania korony filara i skarpy od strony zbiornika, - osuwanie się skarpy od strony zbiornika i zmniejszenie szerokości filara, - osuwanie się skarpy grobli dzielącej oba zbiorniki powodujące zagrożenie dla taśmociągu, - możliwość przelania się wody przez groblę i jej rozmycie, - rozmywanie skarp i czoła pozostałości wału stanowiące zagrożenie dla zainstalowanych tam odwadniaczy, - przelewanie się wody z Odry w rejonie 673,0 674,0 do starego zbiornika powodujące dużą różnicę stanów wody pomiędzy zbiornikami i zagrożenie dla grobli, - inne lokalne zagrożenia dla brzegów zbiornika wywołane falowaniem na zbiorniku, szczególnie przy wiatrach o sile powyżej 6 o B, - zagrożenie dla północnej części filara w rejonie km 678,0 wywołane wysokimi stanami na zbiorniku i możliwością przelewania się wody przez filar w tym rejonie ze zbiornika do Odry, - zamulanie połączenia żeglugowego w km 677,0, - zamulanie złoża na wyrobisku. Dotychczas wymaganymi zabezpieczeniami były : - utrzymanie minimalnej szerokości filara ochronnego 60 m przy nachyleniu skarpy od strony zbiornika 1:3, - nie podnoszenie rzędnych filara ochronnego powyżej rzędnych naturalnych, - utrzymanie filara ochronnego - nie dopuszczenie do rozmycia, - zachowanie bezpieczeństwa obiektów i ludzi. Obowiązki te spoczywają na Szczecińskich Kopalniach Surowców Mineralnych S.A. w Szczecinie właściciel kopalni w Bielinku. Doświadczenia zaistniałych powodzi wykazały, że najpoważniejszym problemem jest utrzymanie filara ochronnego w rejonie km 674,6 675,0, utrzymanie grobli i utrzymanie pozostałości wału z odwadniaczami. Przeprowadzone analizy wykazały też, że znacznie groźniejsze dla kopalni są wezbrania zatorowe z następujących powodów : - różnica zwierciadła wody pomiędzy rzeka w km 674,0, a zbiornikiem dochodzić może w takich przypadkach do ok., 1,2 1,5 m, co wywołuje ruch podkrytyczny przepływającej nad filarem wody. Zanotowane w lutym 1994 r. prędkości dochodziły do 2 m/s, - na filar ochronny wchodzi kra powodująca dodatkowe zniszczenia korony filara. 4. Projekt umocnień rejonu kopalni kruszywa w Bielinku nad Odrą 4.1. Wprowadzenie Doświadczenia z dotychczasowych powodzi powodujących uszkodzenia filara ochronnego i grobli wskazały jednoznacznie, że klasyczne metody zabezpieczeń nie dały spodziewanych efektów szczególnie w przypadku filara ochronnego. Budowle typu ciężkiego płyty drogowe na geowłókninie nie zdały egzaminu rozmycie nastąpiło poza płytami. Również narzut kamienny na podsypce żwirowej i geowłókninie nie okazały się wystarczającym zabezpieczeniem; nastąpił poślizg narzutu po geowłókninie, jego rozmycie i rozerwanie geowłókniny. Największe szkody wyrządziły tutaj zimowe wezbrania zatorowe i kra..

5 W przypadku grobli jednym z istotnych problemów było zagrożenie rozmyciem korpusu infiltrującego wody pomiędzy starym, a nowym zbiornikiem. Silna filtracja w piaskowym korpusie zapory wywoływana jest zmiennymi poziomami wody w obu zalewanych przez wezbrania zbiornikach, przy czym różnica poziomów dochodzi do 1 m przy zalaniu w pierwszej kolejności zbiornika nowego i 60 cm przy opadaniu zwierciadła wody. Wyższy poziom jest wówczas w zbiorniku starym. Te duże i zmienne różnice poziomów są zagrożeniem dla stateczności grobli i znajdującego się na niej taśmociągu do transportu kruszywa Projekt i prototyp zabezpieczenia filara ochronnego Dotychczasowe doświadczenia oraz doświadczenia z innych wykonanych zabezpieczeń (zabezpieczenia brzegów śródlądowej części toru wodnego), a także analiza metod stosowanych w innych krajach (Holandia) wskazują, iż wskazane byłoby zastosowanie specjalnej biologicznej zabudowy ochrony korony filara. Zabudowa specjalna polega w tym przypadku na tym, że zastosowano tutaj rodzaj tzw. gruntu zbrojnego. Do zbrojenia zastosowano sieć rybacką o oczkach 5 x 5 cm rozłożoną na filarze i zakotwioną stalowymi prętami o długości 60 cm w odstępach co 2 m. Siatkę przysypano warstwą pospółki o grubości 30 cm a następnie warstwą ziemi o grubości 10 cm. Koronę obsadzono wikliną oraz posiano trawę. Rejon korony przy skarpie i nadwodną część skarpy filara od strony zbiornika umocniono dodatkowo drobnym narzutem kamiennym (Ø 5 10 cm). Ponadto na doświadczalnym odcinku wyrównano i nasypano skarpę filara od strony zbiornika na całym odcinku od dna do korony do wymaganego nachylenia 1:3. Stosowne analizy i projekt umocnienia wraz z konsultacjami wykonał Instytut Morski Oddział w Szczecinie, a umocnienia na filarze wykonały Szczecińskie Kopalnie Surowców Mineralnych S.A. siłami własnymi. Schematyczny projekt umocnień przedstawiono na rys. 3 a. Rys. 3 Schematyczny projekt umocnień korony filara. Prototyp przedstawionych umocnień wykonano na odcinku 30 m długości filara i 30 m szerokości filara w miejscu najczęstszych przerwań filara. Lokalizację wykonanych umocnień przedstawiono na rys. 4.

6 Rys. 4 Rejony umocnień dorażnych Projekt doświadczalnego zabezpieczenia grobli Grobla dzieląca oba zbiorniki o długości około 1000 m zbudowana jest z utworów piaszczystych. Na grobli zlokalizowany jest taśmociąg do transportu kruszywa biegnący od odwadniaczy ustawionych na pozostałości wału do zakładu przeróbczego kruszywa. Przeprowadzone analizy wykazały, że główne zagrożenia dla grobli to : - przelanie się wody ponad groblą i jej przerwanie, - możliwości utraty stateczności grobli wskutek infiltracji wody przez korpus grobli, - osuwanie się skarp od strony nowego zbiornika wskutek falowania na zbiorniku (obliczona i pomierzona wysokość fal ok. 40 cm) przy wysokich stanach.

7 Wszystkie te zagrożenia wystąpić mogą jednocześnie. Na obecnym etapie prac postanowiono zająć się drugim z problemów, który występuje permanentnie. Pozostałe dwa są okresowe występują tylko w okresach wysokich wezbrań. W celu zmniejszenia filtracji zaprojektowano połączenie obydwu zbiorników przy pomocy rur. Zaprojektowano dwa takie połączenia z rur refulacyjnych (materiał miejscowy) o średnicy 405 mm, zlokalizowanymi na poziomie 3 m poniżej korony grobli co pozwala na ich pracę od górnej strefy stanów niskich wzwyż. Przeprowadzone obliczenia wykazały, że przy stanach wysokich 1 % redukcja różnicy stanów pomiędzy zbiornikami winna wynosić około 60 cm, a więc winna spaść z około 80 cm do około 20 cm, a przy powodziach takich jak w 1997 r z około 1 m do około cm. Spowoduje to więc istotne zmniejszenie filtracji przez korpus grobli. Schematyczny projekt ułożenia rury przedstawiono na rys. 5, a ich lokalizację na rys. 4. Rys. 5 Przekrój grobli i przepusty rurowe. 5. Projekt dodatkowych umocnień Analiza zjawiska rozmywania filara ochronnego doprowadziła jednoznacznie do sformułowania dwóch wniosków : - rozmywanie filara ochronnego nastąpiło przy przelaniu się wody z Odry przez filar do zbiornika w czasie wezbrania przy czym na krawędzi i skarpie filara od strony zbiornika panuje ruch krytyczny, a nawet podkrytyczny, - rozmywanie zaczyna się od skarpy filara i ją w pierwszej kolejności należy chronić, przy czym najbardziej zagrożonym odcinkiem jest rejon pomiędzy km 674,7 (licząc od podstawy pozostałości wału) do km 675,0. Do tego odcinka winien być wykonany w pierwszej kolejności projekt zabezpieczenia oraz nastąpić jego wdrożenie. Projekt umocnień Biorąc pod uwagę wykonane prace zaprojektowano następujące rozwiązanie (schematyczny szkic przedstawiono na rys. 6) : - w istotny sposób zmniejszyć nachylenie skarp filara od strony zbiornika z obecnych 1:3 do 1:4 1:5 poprzez narefulowanie nadkładu powstającego przy odkrywaniu złoża kruszywa na zbiorniku, - poszerzyć w I etapie o ok m filar w tym rejonie,

8 - umocnić skarpę filara narzutem kamiennym drobnym przemieszanym z pospółką i piaskiem (względy zabudowy biologicznej), - umocnić rejon krawędzi skarpy płotkami faszynowymi, - obsadzić krawędź skarpy niską roślinnością typu wierzba, wiklina, trawa. Rys. 6 Przekrój przez filar. Projekt zabudowy ma więc charakter zbliżony do biologicznego, a wykonanie ma nastąpić z materiałów miejscowych. Z uwagi na termin wykonania prac (październik listopad) wskazano, iż z zabudowy biologicznej możliwe jest obsadzenie sadzonkami, natomiast obsiewy wykonywać należy w okresie wiosna lato, uzupełniając zabudowę biologiczną sukcesywnie w latach następnych. Zaprojektowano także dalsze etapy poszerzenia filara w tym rejonie z materiału powstającego z pozostałości wału poprzez narefulowanie. Obszar zaprojektowanych umocnień zaznaczono na rys. 7.

9 Rys. 7 Plan dalszych umocnień. 6. Podsumowanie Naturalną oceną jakości wykonanych prac praktycznie weryfikacja była powódź marzec kwiecień 1999 r. kiedy wystąpiło zalanie filara przez okres około 24 dni; przy maksymalnym przepływie 1600 m 3 /s (przepływ wielki o prawdopodobieństwie wystąpienia 18 %). Powódź ta nie wyrządziła, żadnych najmniejszych nawet szkód. Można więc stwierdzić, że kopalnia zabezpieczona jest dobrze przed powodziami letnimi. Powodzie zimowe zatorowe są zupełnie odrębnym problemem z uwagi na swoja nie przewidywalność: - wzajemne nieprzewidywalne jednoczesnego wystąpienia wielkości zatoru, miejsca jego powstania, czasu trwania (skuteczność i szybkość akcji lodołamania) oraz wielkości przepływu w rzece.

10 Ewentualne szkody związane z tego typu powodzią muszą być natychmiastowo usuwane przez SKSM S.A. Określono także zakres dalszych niezbędnych prac z których najważniejsze to: - sukcesywne powiększanie i ulepszanie zabudowy biologicznej korony filara, jego krawędzi i skarp odwodnych od strony zbiornika grobli z taśmociągiem, - sukcesywne etapowe poszerzenie filara w części południowej poprzez narefulowanie mas ziemnych powstających w wyniku rozbiórki pozostałości wału w miarę postępującej eksploatacji w południowej części zbiornika. Warunki te sformułowano jako niezbędne do umieszczenia ich w stosownym operacie wodno prawnym, który musiał być opracowany dla celów uzyskania pozwolenia wodno -prawnego. Wszystkie wykonane w ramach omawianego projektu prace, ich zakres i jakość stanowiły podstawę do wystąpienia o takie pozwolenie. Uzyskanie takiego pozwolenia stanowiło więc także praktyczna weryfikację wykonanych prac. Literatura Buchholz W. z zespołem, Monografia dolnej Odry, Praca IBW PAN Nr 25, Gdańsk 1991 Buchholz W. z zespołem, Program i projekt wykonania zabudowy hydrotechnicznej kopalni kruszywa w Bielinku nad Odrą, Projekt celowy KBN, Instytut Morski O. Szczecin, 1999 DESIGN OF DYKE AND PROTECTING PILLAR EMBANKMENTS FOR THE BIELINEK GRAVEL PIT NEAR ODER RIVER Summary The paper presents swell threats for the Bielinek gravel pit located near Oder river and design of protecting pillar and dyke embankments. These light-type embankments, although being not classical hydrotechnical construction, passed the tests with regard to exploitation time and resistance to a number of swells occurring in the region since the construction performance. Streszczenie W artykule przedstawiono zarówno zagrożenia dla kopalni kruszywa w Bielinku nad Odrą wywołane wezbraniami oraz projekt umocnień filara ochronnego i grobli. Umocnienia te typu lekkiego nie są klasyką w budownictwie hydrotechnicznym, zdały jednak egzamin na co wskazuje zarówno czas eksploatacji jak i odporność na szereg wezbrań w tym rejonie, które wystąpiły od czasu realizacji.