ALEKSANDRA WAWRZYŃSKA doi: 10.12716/1002.28.06 Akademia Morska w Gdyni Katedra Transportu i Logistyki ANALIZA PRZYCZYN WYSTĘPOWANIA ZAGROŻENIA BEZPIECZEŃSTWA OBIEKTÓW INFRASTRUKTURY PORTOWO-MORSKIEJ. CZĘŚĆ DRUGA: KONSTRUKCJE OSŁANIAJĄCE AKWENY PORTOWE I WEJŚCIA DO PORTÓW Ryzyko wystąpienia awarii obiektów chroniących wejścia do portów oraz awanportów jest niezwykle ważnym aspektem w ocenie bezpieczeństwa funkcjonalności i eksploatacji portów morskich. Niniejszy artykuł stanowi drugą część z trzech poświęconych analizie przyczyn występowania zagrożenia bezpieczeństwa obiektów infrastruktury portowo-morskiej i dotyczy hydrotechnicznych konstrukcji osłaniających przybrzeżny obszar wodny. WSTĘP Wejście do każdego portu powinno spełniać przede wszystkim dwa warunki ogólne: zabezpieczać port przed falą zewnętrzną oraz gwarantować bezpieczną żeglugę z dopuszczeniem zwrotów statku pod osłoną jednego z falochronów [4]. Oznacza to, że ryzyko wystąpienia awarii obiektów chroniących wejścia do portów oraz awanportów jest niezwykle ważnym aspektem w ocenie bezpieczeństwa funkcjonalności i eksploatacji portów morskich. Niniejszy artykuł stanowi część drugą z trzech poświęconych analizie przyczyn występowania zagrożenia bezpieczeństwa infrastruktury portowo-morskiej i dotyczy hydrotechnicznych konstrukcji osłaniających przybrzeżny obszar wodny. 1. ZESTAWIENIE I CHARAKTERYSTYKA ROZPATRYWANYCH BUDOWLI Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 1 czerwca 1998 r. budowlami osłaniającymi wejścia do portów oraz akweny portowe są falochrony. Zależnie od osłanianego obiektu dzielą się na [5]: 1) portowe zewnętrzne, oddzielające akwen portowy od morza (rys. 1), i wewnętrzne, zwane ostrogami portowymi, dzielące ten akwen na mniejsze brzegowe; 2) brzegowe, stanowiące umocnienie brzegowe sztuczne; 3) kierujące, chroniące ujścia rzek przed falą i zapiaszczeniem.
A. Wawrzyńska, Analiza przyczyn występowania zagrożenia... Część druga: konstrukcje osłaniające akweny... 53 a) b) c) Rys. 1. Położenie falochronów portowych zewnętrznych w zależności od kierunku podchodzącej fali oraz uksztaltowania linii brzegowej w sąsiedztwie portu: a) niewielki zakres wypadkowego kierunku podchodzenia fal sztormowych, b) szeroka strefa wypadkowego kierunku podchodzenia fal sztormowych, c) znaczący przyrost linii brzegowej na skutek silnego oddziaływania prądu wzdłuż brzegowego wywołującego znaczny ruch rumowiska przybrzeżnego Źródło: opracowanie własne na podstawie: H. Agershou i in., Planning and design of ports and marine terminals, Thomas Telford Books, 2004. Falochrony występujące na polskim wybrzeżu mają pod względem konstrukcyjnym charakter stałych budowli nieruchomych, posadowionych na dnie lub w gruncie zalegającym poniżej dna. Wykonywane są jako falochrony zwarte o ścianach stromych lub o ścianach pochyłych. Falochrony o ścianach stromych występują w postaci falochronów masywnych lub sprężystych. Pierwsze to sztywne masywy betonowe lub żelbetowe (blokowe lub na skrzyniach pływających) stawiane na dnie morza bezpośrednio lub na podsypce albo zapuszczane w grunt poniżej dna morskiego. Działanie falochronów stawianych polega na przeciwstawianiu się naporowi fal ciężarem własnym, a na styku z podłożem pojawiają się siły tarcia w dolnej części podstawy fundamentu. Z kolei falochrony sprężyste to konstrukcje zbudowane z drewna lub stali w postaci kaszyc drewnianych wypełnionych kamieniem, podwójnych palisad drewnianych albo podwójnych ścianek szczelnych wypełnionych kamieniem lub piaskiem.
54 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 28, 2013 Falochrony o ścianach pochyłych występują w formie narzutów i nasypów. Narzuty wykonane są z kamienia lub prefabrykowanych bloków betonowych prostopadłościennych lub kształtowych, bezładnie narzuconych. 2. ZAGROŻENIA DLA FALOCHRONÓW MORSKICH LUB ICH ELEMENTÓW I OKREŚLENIE ICH STANU STWARZAJĄCEGO KONIECZNOŚĆ PRZYSTĄPIENIA DO ROBÓT ZABEZPIECZAJĄCYCH Niezależnie od rodzaju konstrukcji oraz materiałów, z których wykonane są falochrony, podstawową przyczyną uszkodzeń budowli jest oddziaływanie czynników naturalnych. Wśród nich znajdują się zjawiska hydrologiczno-meteorologiczne (prądy, zmiany poziomów wody, termika wody, warunki lodowe, oddziaływanie wiatru, oddziaływanie falowania morskiego, temperatura powietrza i wody, ciśnienie i wilgotność) [3]. Niezwykle niebezpieczne dla falochronów są: uderzenia fal morskich, mogące prowadzić do zniszczenia całych budowli, nacisk lodu lub jego uderzenia oraz ruch rumowiska wywołany przez falowanie i prądy, powodujący ścieranie lub uszkodzenia powierzchni budowli. Poniżej przedstawiono szczegółową charakterystykę przyczyn uszkodzeń falochronów zależnie od rodzaju analizowanej konstrukcji. 2.1. Falochrony narzutowe Za podstawowe przyczyny awarii i zniszczeń falochronów narzutowych, wywołanych oddziaływaniem falowania, a wykonanych z bloków naturalnych lub sztucznych, uznaje się (rys. 2): 1) wybicie pojedynczego bloku ochronnego w wyniku uderzenia fali z góry lub wyrzucenie pojedynczego bloku przez siły będące wypadkową działania wyporu wody od wnętrza falochronu; 2) przemieszczenie (obsunięcie) całej warstwy narzutu bloków ochronnych szczególnie dla skarp stromych poddanych działaniu wysokich i stromych fal, których okres zbliżony jest do okresu rezonansu; 3) przemieszczenie, podmycie lub wywrócenie masywnej nadbudowy falochronu w wyniku działania dużych sił poziomych i pionowych; 4) przejście fali ponad koroną falochronu zniszczenia korony lub górnej części skarpy wewnętrznej (od strony portu) mogące skutkować zagrożeniem stateczności falochronu; 5) erozję stopy falochronu, stanowiącej element podporowy warstwy narzutu ochronnego; 6) wypieranie gruntu podłoża spod falochronu; 7) przepływ wody przez falochron przejście fali pod nadbudową (w przypadku dużej porowatości rdzenia lub warstwy filtra) powodujące w efekcie powstawanie dużych sił wyporu i prowadzące do zniszczenia nadbudowy lub wnętrza narzutu;
A. Wawrzyńska, Analiza przyczyn występowania zagrożenia... Część druga: konstrukcje osłaniające akweny... 55 8) zapadanie się korony lub obsunięcia od strony skarpy wewnętrznej przy przepływie wody przez falochron; 9) erozję podłoża u podstawy falochronu powodującą zniszczenie dolnej części odmorskiej skarpy falochronu (szczególnie na płytkiej wodzie). morze port Rys. 2. Rodzaje awarii typowego falochronu narzutowego: 1 wybicie pojedynczego bloku ochronnego, 2 przemieszczenie warstwy narzutu bloków ochronnych, 3 awaria masywnej nadbudowy falochronu, 4 zniszczenia korony, 5 erozja stopy falochronu, 6 wypieranie gruntu podłoża, 7 przepływ wody przez falochron, 8 zapadanie się korony, 9 erozja podłoża u podstawy falochronu Źródło: opracowanie własne na podstawie: British Standard Code 6349-7:1991, Code of practice for Maritime structures Part 7: Guide to the design and construction of breakwaters, BSI 1991. Niszczenie falochronów tego typu może rozpoczynać się już przy niewielkich ruchach bloków. Zmiany narastając systematycznie, mogą powodować, że ruszające się bloki tracą kontakt z blokami sąsiednimi lub podłożem oraz ulegają niszczeniu, co w rezultacie prowadzi do awarii. Częstą przyczyną uszkodzeń jest także niewłaściwe zaprojektowanie ciężaru bloków lub ich kształtów oraz zła jakość wykonawstwa. Z powyższego zestawienia wynika, że przyczyn awarii falochronów narzutowych może być bardzo wiele. Oznacza to konieczność prowadzenia ciągłego monitoringu tych budowli oraz bieżących oględzin budowli (szczególnie po silnych sztormach), kontroli okresowych budowli i podstawowych kontroli budowli podanych w części trzeciej niniejszego opracowania (s. 90 i nast.) oraz w punkcie 3 części pierwszej (s. 78 i nast.). Przykładowo, biorąc pod uwagę doświadczenia portów zagranicznych, obserwacje i monitoring falochronów narzutowych mogłyby polegać na: 1) malowaniu różnymi kolorami rzędów bloków warstwy ochronnej; 2) zbieraniu danych o liczbie uszkodzonych bloków; 3) założeniu sieci reperów na nadbudowie falochronu oraz pomiarach przemieszczeń i osiadań; 4) pomiarach założonych profili w części nadwodnej i podwodnej; 5) regularnym wykonywaniu echosondaży w rejonie falochronów; 6) obserwacjach warunków falowych i prądowych.
56 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 28, 2013 Gromadzone w ten sposób i analizowane dane oraz potwierdzone przyczyny uszkodzeń powinny być podstawą do opracowania ekspertyz pozwalających na podjęcie decyzji, uzasadnionych ekonomicznie i technicznie, odnoszących się do naprawy lub remontu budowli dla zapewnienia niezakłóconej eksploatacji portu. 2.2. Falochrony stawiane Stateczność ciągłych, stawianych konstrukcji hydrotechnicznych w znacznym stopniu zależy od mogącej wystąpić w ich sąsiedztwie erozji, która jest wynikiem oddziaływania fali i prądów na dno wokół budowli. Erozja ta może prowadzić do [2]: 1) rozmycia dna, postępującego w kierunku budowli i stwarzającego zagrożenie ześlizgu podsypki i konstrukcji; 2) rozluźnienia (upłynnienia) podłoża połączonego z wypieraniem gruntu przez konstrukcję. Znaczny wpływ na rozmycie dna przy budowli ma porowatość konstrukcji, która decyduje o odbiciu fali. Odbicie oddziałuje na pole falowe wokół obiektu. Drugą przyczyną powstawania przegłębień dna w sąsiedztwie portowych budowli osłonowych są niewłaściwe manewry jednostek pływających (praca śrub okrętowych oraz ruch kadłuba okrętowego). morze port Rys. 3. Rodzaje awarii falochronu stawianego: 1 poślizg konstrukcji po podsypce lub ścięcie podsypki, 2 przekroczenie nośności podłoża, 3 obrót na podsypce, 4 rozmycie zabezpieczenia przed falochronem, 5 ruchy wewnątrz podsypki, 6 erozja dna, 7 rozluźnienie dna i podsypki Źródło: opracowanie własne na podstawie: British Standard Code 6349-7:1991, Code of practice for Maritime structures Part 7: Guide to the design and construction of breakwaters, BSI 1991. Na rysunku 3 przedstawiono rodzaje awarii falochronów stawianych, których przyczyny opisano powyżej. W celu ich zapobiegania, tak jak w przypadku falochronów narzutowych, należy prowadzić stały monitoring budowli.
A. Wawrzyńska, Analiza przyczyn występowania zagrożenia... Część druga: konstrukcje osłaniające akweny... 57 3. ZAKRES I CZĘSTOTLIWOŚĆ INSPEKCJI DLA UTRZYMANIA FALOCHRONÓW OSŁANIAJĄCYCH W WYMAGANYM STANIE TECHNICZNYM W punkcie 3 części pierwszej niniejszej publikacji szczegółowo opisano zakres kontroli okresowych obowiązkowo wykonywanych dla konstrukcji hydrotechnicznych. W przypadku falochronów mają zastosowania dodatkowe przepisy, o których jest mowa w rozporządzeniu [7]. Dla falochronów narzutowych, nasypowych oraz mieszanych ustala się obowiązek kontroli okresowej polegającej na sprawdzaniu stanu technicznej sprawności co pół roku. Ponadto w punkcie 74 rozporządzenia [7] jest mowa o badaniu stateczności skarp podwodnych, a w szczególności tych, przy których odbywa się ruch jednostek pływających. Należy przy tym wykonywać sondowanie zboczy i dna, pozwalające na określenie istniejącego nachylenia skarp i porównanie go z nachyleniem dopuszczalnym. Kontrolę okresową polegającą na sprawdzeniu stanu sprawności technicznej i wartości użytkowej całej budowli morskiej wraz z jej częścią podwodną oraz na sprawdzeniu estetyki i otoczenia tej budowli przeprowadza się raz na 5 lat dla falochronów masywnych stawianych i raz na 3 lata dla falochronów narzutowych [7]. Zakres kontroli okresowej, o której mowa w art. 62 ust. 1 pkt. 2, dla falochronów osłaniających przybrzeżny akwen portowy jest następujący [7, 9]: 1) przeprowadzenie badań sonarowych i pomiarów batymetrycznych akwenu, w pasie o szerokości nie mniejszej niż 3-krotna głębokość akwenu w miejscu posadowienia budowli i nie mniejszej niż 20 m; 2) ustalenie wielkości ubytków materiałów zasypowych i wypełniających; 3) sprawdzenie aktualnych warunków posadowienia budowli na podstawie planów batymetrycznych akwenu, sprawozdania z badania dna i atestów badania podwodnego; 4) ustalenie wielkości przemieszczeń całych konstrukcji i ich elementów składowych; 5) określenie stanu technicznego całości wyposażenia falochronów. PODSUMOWANIE Jak w przypadku większości obiektów infrastruktury portowo-morskiej również wobec konstrukcji osłaniających akweny portowe i wejścia do portów trudno jest określić stan stwarzający konieczność do przystąpienia robót zabezpieczających. Decyzję w tej sprawie należy podejmować każdorazowo w sposób indywidualny na podstawie wyników oględzin i kontroli budowli omówionych w punkcie 3 części pierwszej niniejszej publikacji (s. 78 i nast.). Zarówno w przypadku falochronów narzutowych, jak i falochronów masywnych stawianych należy stale monitorować te budowle. Proponuje się prowadzenie regularnych pomiarów sytuacyjno- -wysokościowych w części nadwodnej i w części podwodnej. Wykonywanie
58 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 28, 2013 pomiarów batymetrycznych na akwenach do nich przyległych umożliwia prowadzenie analiz porównawczych, w celu opracowania odpowiednich ekspertyz i podjęcia właściwych decyzji odnośnie do prowadzenia robót zabezpieczających i remontowych. LITERATURA 1. Agershou H. i in., Planning and design of ports and marine terminals, Thomas Telford Books, 2004. 2. British Standard Code 6349-7:1991, Code of practice for Maritime structures Part 7: Guide to the design and construction of breakwaters, BSI 1991. 3. Hueckel S., Budownictwo betonowe, tom XVI: Budowle hydrotechniczne morskie, Arkady, 1966. 4. Hueckel S., Budowle morskie, t. I IV, Wyd. Morskie, Gdańsk 1974. 5. Mazurkiewicz B., Encyklopedia inżynierii morskiej, Fundacja Promocji Przemysłu Okrętowego i Gospodarki Morskiej, Gdańsk 2009. 6. Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 1 czerwca 1988 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać morskie budowle hydrotechniczne i ich usytuowanie. 7. Rozporządzenie Ministra Gospodarki Morskiej z dnia 23 października 2006 r. w sprawie warunków technicznych użytkowania oraz szczegółowego zakresu kontroli morskich budowli hydrotechnicznych. 8. Tsinker G., Port Engineering: Planning, Construction, Maintenance, and Security, John Wiley & Sons, Inc., 2004. 9. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane. ANALYSIS OF THE CAUSES OF SECURITY RISKS FOR PORT AND MARINE INFRASTRUCTURE. PART TWO: STRUCTURES PROTECTING HARBOR AND THE ENTRANCE TO THE PORT Summary The risk of failure of objects to protect the entrance to the seaports, is an extremely important aspect in the safety assessment of functionality and operation of seaports. This publication is the second part and concerns the construction of hydro-shielding coastal water area, especially the breakwaters.