ALEKSANDRA WAWRZYŃSKA doi: 10.12716/1002.28.07 Akademia Morska w Gdyni Katedra Transportu i Logistyki ANALIZA PRZYCZYN WYSTĘPOWANIA ZAGROŻENIA BEZPIECZEŃSTWA OBIEKTÓW INFRASTRUKTURY PORTOWO-MORSKIEJ. CZĘŚĆ TRZECIA: KONSTRUKCJE OCHRANIAJĄCE BRZEG MORSKI Brzeg morski poddawany jest ciągłej naturalnej przebudowie, głównie w postaci abrazji brzegu, rzadziej w postaci jego budowy. Awaria budowli ochrony brzegu morskiego wiąże się ze znacznym niebezpieczeństwem, np. w postaci powodzi na zamieszkałych terenach przybrzeżnych czy też utraty stateczności czynnych klifów morskich na skutek rozmyć stoków. Artykuł jest trzecią częścią pracy poświęconej analizie przyczyn występowania zagrożenia dla obiektów infrastruktury portowo- -morskiej i dotyczy obiektów ochrony brzegu morskiego. WSTĘP Ustawiczna praca morza sprawia, że brzeg morski poddawany jest ciągłej naturalnej przebudowie, głównie w postaci abrazji brzegu, rzadziej w postaci jego budowy. Akty prawne dotyczące ochrony brzegu na całym świecie upoważniają odpowiednie instytucje do budowy konstrukcji ochronnych zapobiegających niszczeniu brzegu i wdzieraniu się morza w głąb lądu [2]. Awaria budowli ochrony brzegu morskiego wiąże się ze znacznym niebezpieczeństwem, np. w postaci powodzi na zamieszkałych terenach przybrzeżnych czy też utraty stateczności czynnych klifów morskich na skutek rozmyć stoków. Artykuł jest trzecią częścią publikacji poświęconych analizie przyczyn występowania zagrożenia dla obiektów infrastruktury portowo-morskiej i dotyczy obiektów ochrony brzegu morskiego. 1. ZESTAWIENIE I CHARAKTERYSTYKA ROZPATRYWANYCH BUDOWLI Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 1 czerwca 1998 r. do budowli ochrony brzegu morskiego należą [5]: 1) opaski brzegowe; 2) ostrogi brzegowe; 3) falochrony brzegowe; 4) progi podwodne; 5) okładziny.
60 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 28, 2013 1.1. Opaski brzegowe Opaski brzegowe stanowią jedną z najstarszych i najczęściej stosowanych metod umocnienia brzegu. Są to bierne budowle ochronne posadowione równolegle do linii brzegowej, będące najczęściej umocnieniem klifu lub wału brzegowego [2]. Opaski stosuje się na tych odcinkach brzegu, gdzie przyczyną abrazji jest działanie fali. W miarę możliwości odsuwa się je od linii brzegowej, aby fala traciła jak największą część swej energii przez tarcie o płytkie dno i plażę, a więc by z najmniejszą siłą uderzała w opaskę. Na polskim wybrzeżu występują opaski [3]: 1) faszynowe pomiędzy podwójną palisadą z pali drewnianych lub żelbetowych układane są wiązki faszyny obciążone kamieniami lub prefabrykowanymi blokami betonowymi; 2) faszynowo-kamienne wiązki faszyny układane są warstwami, na przemian z narzutem kamiennym, od strony wody opaska ograniczona jest palisadą; 3) kamienne wały kamienne, wały z gabionów lub z bloków betonowych, budowane na materacach faszynowych, stosowane zwykle przy brzegach klifowych, gdzie nie ma plaży; 4) masywne betonowe lub żelbetowe mury oporowe, z reguły związane z wydmą i posadowione na podsypce lub palach; strona odwodna często wklęsła, co ułatwia odrzucanie fali ku morzu i zapobiega tworzeniu się bryzgów; przed podmyciem zabezpiecza je narzut na faszynie lub ścianka szczelna. 1.2. Ostrogi brzegowe Ostroga brzegowa jest czynną budowlą ochronną w postaci szczelnej lub ażurowej przegrody, wychodzącej w morze w zasadzie prostopadle do linii brzegowej. Zadaniem ostrogi jest zakumulowanie i utrzymanie możliwie szerokiej i wysokiej plaży, na której stoku powinny wygaszać się całkowicie wszystkie wielkości fal [2]. W polskich warunkach występują następujące rozwiązania ostróg brzegowych [3]: 1) palisadowe pojedynczy lub podwójny rząd pali; przestrzeń między dwoma rzędami pali może być wypełniona kamieniami, blokami betonowymi (ażurowe lub przepuszczalne) albo panelami; 2) kamienne (narzuty kamienne luźne i związane asfaltem); 3) ze ścianki szczelnej (ścianka pojedyncza, ścianki szczelne podwójne z wypełnieniem). 1.3. Falochrony brzegowe Są to konstrukcje usytuowane równolegle do brzegu, posadowione w wodzie w pewnym oddaleniu od linii brzegowej w postaci ciągłej lub segmentowej. W polskich warunkach są konstrukcjami narzutowymi z kamienia. Pomiędzy brzegiem i falochronem tworzy się zwykle samoistne tombolo, czyli piaszczysty cypel łączący budowlę hydrotechniczną z linią brzegową [3].
A. Wawrzyńska, Analiza przyczyn występowania zagrożenia... Część trzecia: konstrukcje osłaniające brzeg... 61 1.4. Progi podwodne Konstrukcje ciągłe, najczęściej zbudowane równolegle do brzegu, na głębokości, która wymusza załamanie fali nad progiem. Rzędna korony progu podwodnego znajduje się poniżej niskiego poziomu wody. Budowle te mają za zadanie osłabienie energii falowania i zatrzymanie rumowiska transportowanego od lądu w kierunku morza. Progi podwodne są wykonywane przeważnie jako budowle zwarte w postaci narzutów z kamienia lub bloków betonowych. 1.5. Okładziny Okładziny stanowią bierną budowlę ochronną zabezpieczającą przed rozmywaniem skarpy wału ochronnego, wydmy, niski klif o łagodnym stoku lub skarpy kanału morskiego. Zakłada się, że zabezpieczenie sięga na wysokość 1 m powyżej linii nabiegania fali na skarpę. Zasadniczymi elementami konstrukcyjnymi okładziny są: odpowiednio przygotowane podłoże, warstwa filtracyjna i warstwa wierzchnia [3]. Na polskim brzegu spotykane są okładziny przede wszystkim w postaci [3]: 1) narzutów i bruków kamiennych; 2) dużych płyt lub bloków betonowych; 3) materacy betonowych; 4) bruków kamiennych ze spoinami wypełnionych asfaltem; 5) narzutów i bruków kamiennych układanych na zaprawie betonowej; 6) koszy lub siatek wypełnionych kamieniami (gabionów). 2. ZAGROŻENIA DLA BUDOWLI OCHRONY BRZEGU MORSKIEGO ORAZ OKREŚLENIE ICH STANU STWARZAJĄCEGO KONIECZNOŚĆ PRZYSTĄPIENIA DO ROBÓT ZABEZPIECZAJĄCYCH Budowle ochrony brzegu morskiego mogą ulegać awarii w następujących obszarach: obszary za i przed budowlą erozja lokalna dna przed budowlą lub lokalna deformacja obszaru pomiędzy budowlą a jej zapleczem; wystąpić mogą tutaj: rozmycia denne, podmywanie, erozja związana ze spływem wód powierzchniowych, poślizgi lokalne; budowla jako całość ruchy budowli: całościowe, liniowe i kątowe odkształcenia budowli z obrotem i pochyleniem, poślizgi, osiadanie i unoszenie; wnętrze oraz części składowe budowli niszczenie części składowych budowli. 2.1. Opaski Mechanizmy i rodzaje awarii opasek przedstawić można następująco [2]: 1) utrata nośności podłoża; 2) niewłaściwe połączenie z brzegiem;
62 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 28, 2013 3) rozmycie lokalne u podnóża budowli; 4) erozja boczna; 5) oddziaływania hydrodynamiczne związane z niewłaściwą wysokością budowli; 6) wymywanie materiału zasypki przez erozję kanalikową oraz erozję powierzchniową wywołane spływającą wodą. Stosowanie opasek do ochrony brzegów morskich może wywoływać, na skutek zakłócającego wpływu budowli, charakterystyczne erozyjne efekty uboczne, a mianowicie (rys. 1): 1) rozmycia na skrzydłach opaski w wyniku nakładania się fal podchodzących ukośnie do brzegu; 2) wymywanie materiału zza opaski w wyniku spływu fal przelewających się przez koronę; 3) lokalną erozję brzegu przed opaską w wyniku działania prądów odbrzegowych w odbitej fali. Rys. 1. Przykłady erozji podłoża wokół opaski brzegowej Źrodło: opracowanie własne na podstawie: K. Bakker, P. Meijrs, Stability against sliding of flexible revements, SOWAS-88, 1988. Opaski, wykonane w postaci samodzielnych ścianek szczelnych, są konstrukcjami mniej trwałymi na skutek uszkodzeń i korozji ścianki szczelnej, co prowadzi do awarii. Głównymi przyczynami awarii opasek palisadowo-faszynowych z blokami betonowymi są: 1) przegłębienia dna przed budowlą; 2) rozmycie skarpy za budowlą w wyniku przelewania się fali; 3) osiadanie bloków; 4) wyłamanie pali. Opaski muszą podlegać bieżącym oględzinom i dokładnym kontrolom okresowym, zwłaszcza że drobne początkowo uszkodzenia mogą być słabo widoczne. Uszkodzenia należy usuwać niezwłocznie po ich stwierdzeniu.
A. Wawrzyńska, Analiza przyczyn występowania zagrożenia... Część trzecia: konstrukcje osłaniające brzeg... 63 2.2. Okładziny W odniesieniu do okładzin skarpowych można wyróżnić następujące rodzaje awarii [1, 4]: 1) unoszenie bloków niedopuszczalne przemieszczenia elementów warstwy górnej; 2) ślizganie narzutu niedopuszczalny wewnętrzny transport ziaren w podłożu okładziny; 3) utrata stateczności podłoża niedopuszczalne poślizgi lub upłynnienie podłoża. W przypadkach, gdy obciążenie górnej warstwy, na skutek uderzenia załamującej się fali, przekracza pewną wartość krytyczną, warstwa ta może ulegać następującym rodzajom awarii [2]: 1) ruchowi pojedynczego bloku; 2) wyrzuceniu pojedynczych bloków; 3) poślizgowi całej górnej warstwy; 4) odchyleniu górnej warstwy, kiedy ruch pojedynczego bloku ograniczony jest obecnością sąsiednich bloków. Wyróżnia się dwie przyczyny transportu materiału wewnątrz skarpy [4]: erozja materiału filtra poprzez złącza bloków; erozja materiału wypełniającego złącza. Stan konstrukcji okładzinowych lub ich elementów stwarzający konieczność przystąpienia do robót zabezpieczających jest trudny do określenia. Decyzja w tej sprawie powinna być podejmowana każdorazowo przez ekspertów w sposób indywidualny na podstawie sposobu i częstotliwości bieżących oględzin budowli, kontroli okresowych budowli i podstawowych kontroli budowli podanych w punkcie 3 niniejszego artykułu. Celowe jest usuwanie uszkodzeń niezwłocznie po ich stwierdzeniu. 2.3. Ostrogi Podstawowymi przyczynami awarii systemu ostróg w warunkach polskiego brzegu są: 1) przegłębienie i erozja dna w rejonie ostróg; 2) wypłukiwanie pali przez fale; 3) wyciąganie lub wyłamywanie fali przez lód; 4) szybka korozja ostróg falowych, gnicie pali drewnianych, pęknięcia pali żelbetowych i korozja zbrojenia; 5) przerwanie łączności z lądem powodujące możliwość powstawania prądów rozmywających plażę; 6) zmiana przepuszczalności ostrogi przez porośnięcie budowli muszlami. Typowe awarie konstrukcji ostróg palisadowych wbijanych przedstawiono na rysunku 2.
64 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 28, 2013 nadmierne osiadanie podłoża dna morskiego Źródło:opracowanie własne. Rys. 2. Awarie ostróg palisadowych Decyzja o konieczności przystąpienia do prac zabezpieczających i remontowych ostrogi powinna być podejmowana każdorazowo na podstawie wyników kontroli scharakteryzowanej w punkcie 3 niniejszego artykułu lub na podstawie indywidualnych ekspertyz. Wskazane jest szybkie usuwanie uszkodzeń. 2.4. Progi podwodne i falochrony brzegowe Progi podwodne i falochrony brzegowe to konstrukcje niemające bezpośredniego połączenia z brzegiem morskim, zaś ich funkcjonalność jest zbliżona do rozwiązań konstrukcji osłaniających akweny portowe i wejścia do portów, przedstawionych w części drugiej niniejszego opracowania (s. 83 i nast.). Niemniej analizując przyczyny występowania zagrożeń bezpieczeństwa tych obiektów hydrotechnicznych, warto przedstawić typowe uszkodzenia elementów konstrukcyjnych: 1) dla falochronów brzegowych: obniżanie się rzędnej korony falochronu, na skutek osiadań konstrukcji w wyniku złożonych oddziaływań hydrodynamicznych od strony morza, powstawanie erozji lokalnej i przegłębień przy stopie falochronu w wyniku oddziaływania falowania morskiego oraz na odcinkach pomiędzy sąsiadującymi falochronami na skutek powstania silnych prądów spływowych, erozja brzegu przed i za odcinkiem umocnionym; 2) dla progów podwodnych: duże ryzyko nierównomiernych osiadań, w wyniku powstania erozji lokalnej oraz ruchów cząsteczek materiału dennego pod budowlą, jak również w wyniku wibracji konstrukcji w trakcie uderzeń załamujących się fal, pęknięcia w wyniku osiadań oraz tendencji w kierunku skręcania długich pasmowych fundamentów.
A. Wawrzyńska, Analiza przyczyn występowania zagrożenia... Część trzecia: konstrukcje osłaniające brzeg... 65 3. ZAKRES I CZĘSTOTLIWOŚĆ INSPEKCJI DLA UTRZYMANIA KONSTRUKCJI OCHRONY BRZEGU MORSKIEGO W WYMAGANYM STANIE TECHNICZNYM W punkcie 3 części pierwszej niniejszej publikacji (s. 78 i nast.) szczegółowo opisano zakres kontroli okresowych obowiązkowo stosowanych dla konstrukcji hydrotechnicznych. Poniżej przedstawiono zalecenia specjalne dla budowli ochrony brzegu morskiego, o których jest mowa w rozporządzeniu [6]. Kontrole okresowe obiektów chroniących brzeg morski, polegające na sprawdzeniu stanu sprawności technicznej i wartości użytkowej całej budowli morskiej, powinny obejmować w szczególności [6]: 1) sprawdzenie warunków posadowienia budowli; 2) określenie ubytków materiału narzutowego i zasypowego; 3) określenie stanu okładzin skarp i gabionów; 4) określenie stanu zużycia elementów drewnianych i żelbetowych konstrukcji; 5) sprawdzenie przegłębień w sąsiedztwie konstrukcji; 6) sprawdzenie stanu konstrukcji i przemieszczeń opasek brzegowych; 7) określenie osiadań i przemieszczeń pozostałych budowli ochrony brzegu morskiego. PODSUMOWANIE Podobnie jak w przypadku omawianych obiektów analizowanych w poprzednich częściach niniejszego opracowania stan budowli ochrony brzegu morskiego, stwarzający konieczność przystąpienia do robót zabezpieczających, jest trudny do określenia. Również i tym razem decyzję należy podejmować w sposób indywidualny na podstawie wyżej wymienionych wytycznych. Szczególnie ważne jest, aby oprócz monitoringu elementów konstrukcyjnych budowli ochraniających lub umacniających brzeg morski w obszarach zagrożonych zatopieniem prowadzić w czasie wezbrań sztormowych ciągłą rejestrację poziomów wody. Dodatkowo, konstrukcje falochronów brzegowych oraz progów podwodnych wymagają wykonywania stałych prac konserwacyjnych. LITERATURA 1. Bakker K., Meijrs P., Stability against sliding of flexible revements, SOWAS-88, 1988. 2. Basiński T., Pruszak Z., Tarnowska M., Zeidler R., Ochrona brzegów morskich, IBW PAN, Gdańsk 1993. 3. Mazurkiewicz B., Encyklopedia inżynierii morskiej, Fundacja Promocji Przemysłu Okrętowego i Gospodarki Morskiej, Gdańsk 2009. 4. PIANC WG21, Failure modes and response models, 1988.
66 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 28, 2013 5. 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. 6. Rozporządzenie Ministra Gospodarki Morskiej z dnia 23 października 2006 r. w sprawie warunków technicznych użytkowania oraz szczegółowego zakresu kontroli morskich budowli hydrotechnicznych. 7. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane. ANALYSIS OF THE CAUSES OF SECURITY RISKS FOR PORT AND MARINE INFRASTRUCTURE. PART THREE: STRUCTURES PROTECTING THE SEA SHORE Summary Seashore is subjected to continuous natural reconstruction, mainly in the form of abrasion shore, rarely in the form of its construction. Failure to protect the sea shore associated with a significant danger such as flooding in coastal areas inhabited or loss of stability of the active sea cliffs due to blur the slopes. The publication is the third part of the analysis of the causes of threats to infrastructure port and at sea, and as contained in the title refers to the protection of objects of the sea coast.