ZABEZPIECZENIE KANAŁU ODPŁYWOWEGO STOPNIA WODNEGO W STRASZYNIE PRZED ZJAWISKAMI SUFOZYJNYMI

dr hab. inż. Adam BOLT, prof. nadzw. PG; dr inż. Wojciech SZUDEK, dr inż. Remigiusz DUSZYŃSKI Politechnika Gdańska, WILiŚ, Katedra Budownictwa Wodnego i Gospodarki Wodnej dr inż.tadeusz SUKOWSKI Pracownia Modelowania Hydrogeologicznego w Gdańsku ZABEZPIECZENIE KANAŁU ODPŁYWOWEGO STOPNIA WODNEGO W STRASZYNIE PRZED ZJAWISKAMI SUFOZYJNYMI Problem sufozji nasila się wraz z wiekiem ziemnych budowli piętrzących. To niebezpieczne zjawisko jest zawsze przedmiotem największej uwagi zarówno użytkowników obiektu jak i projektantów. Na skutek spiętrzenia wód powierzchniowych w zbiorniku zmianom ulegają uprzywilejowane drogi filtracji wód gruntowych, zwiększają się też naprężenia w podłożu gruntowym wywołane wysokim słupem wody zgromadzonej w zbiorniku. Wynoszenie drobnego materiału gruntowego może wystąpić na skutek przecięcia naturalnych dróg spływu wód gruntowych np. poprzez wykopy, kanały, makroniwelacje lub na skutek zwiększenia ciśnienia wód gruntowych. Zjawiska te mogą stwarzać zagrożenie stateczności obiektów piętrzących i bezpieczeństwa powodziowego terenów położonych poniżej budowli. Średni wiek istniejących budowli piętrzących w Polsce przekracza 80 lat. Opis obiektu i rozwoju zjawisk sufozyjnych Stopień wodny w Straszynie zlokalizowany w odległości 12 km od Gdańska oddano do użytku w 1910 r. Jego głównym zadaniem miała być ochrona przed powodziami roztopowymi. Objętość powstałego zbiornika wynosi 3,4 mln m 3, a powierzchnia zalewu wynosi około 72 ha. Zapora ziemna o długości 260 m, maksymalnej wysokości 18 m oraz szerokości w koronie 5 m składa się z rdzenia szczelnego o szerokiej podstawie, wykonanego z gliny zwałowej marglistej oraz nasypu piaszczystego przykrywającego rdzeń z obu stron. Na całej długości zapory dolną cześć rdzenia doprowadzono do szczelnego podłoża, które stanowią pokłady gliny zwałowej o dużej miąższości. Oś zapory wykonana jest w łuku o promieniu 500 m. W korpus zapory wbudowany jest spust denny z ujęciem wieżowym. Przelew burzowy z kaskadą zlokalizowany jest poza korpusem zapory na prawym brzegu doliny. Elektrownia wodna ma moc 1100 kw. Woda z turbin odprowadzana jest do Raduni kanałem odpływowym o przekroju trapezowym wykonanym w głębokim wykopie o długości 80 m. Skarpy kanału po obu stronach wsparte są na drewnianej ściance szczelnej z oczepem betonowym. Zjawisko punktowego wypływu wody gruntowej u podnóża lewej skarpy kanału odpływowego elektrowni, poniżej najniższego poziomu eksploatacyjnego wody w kanale, zaobserwowano prawdopodobnie już w trakcie budowy obiektu. W odległości około 65 m od budynku elektrowni wypływająca woda wynosiła bardzo drobne cząstki piasku. W sąsiedztwie wypływu woda w kanale była zmętniała. To bezustanne wynoszenie gruntu powodowało lokalną deformację skarpy z jednoczesnym, okresowym pojawianiem się zapadlisk na jej koronie. Zapadliska te były systematycznie zasypywane. Pierwsze zabezpieczenia, w celu ograniczenia sufozji i deformacji skarpy wykonano w 1992 r. Dla oceny reżimu wód gruntowych w samej skarpie i w sąsiedztwie źródliska, w 1995 r. wykonano badania geotechniczne podłoża oraz zainstalowano dwa piezometry. Otwory wiertnicze wykazały występowanie w górnej części podłoża gruntowego gliny, a w dolnej piasków drobnych lub piasków z cienkimi przewarstwieniami gliny. Obserwacje piezometrycznego poziomu wód gruntowych wewnątrz skarpy wykazały, że woda ta nie

może wywoływać gradientów ciśnienia, które generowałyby tak dynamiczny wypływ u podnóża skarpy. Charakter wypływu wody oraz niskie poziomy wody gruntowej wewnątrz skarpy w stosunku do poziomu wody w kanale, świadczą o tym, że wypływ ten wywołany jest wodami gruntowymi o większym ciśnieniu zalegającymi dużo głębiej pod warstwami utworów nieprzepuszczalnych. Piezometry zainstalowane w skarpie ze względu na niewielką długość nie mogły służyć do oceny tego naporu. Zachowanie się wód artezyjskich w tym rejonie odzwierciedlają obserwacje, wykonanych w latach 1959 oraz 1972, studni do głębokości ~ 45 m w odległości 100 m od elektrowni. Studnie te wykonano w celu ujęcia wody na potrzeby gospodarcze i konsumpcyjne. Statyczne zwierciadło wody w studni wykonanej w 1972 r. układało się około 3 m ponad powierzchnię terenu, co odpowiada rzędnej ~ 45,0 m npm. tj. ok. 4 m powyżej normalnego poziomu piętrzenia w zbiorniku. Pod koniec lat osiemdziesiątych zaprzestano eksploatacji tej studni. W końcu lat dziewięćdziesiątych studnia uległa praktycznie całkowitemu zakolmatowaniu. W tym czasie zaobserwowano proces wzmożonej degradacji prawej skarpy i bardziej intensywną sufozję w dnie kanału. Rozwój tych procesów spowodował stan wymagający interwencji i trwałej likwidacji przyczyn ich powstawania. W marcu 2002r. po prawej stronie kanału wykonano próbny otwór odciążający (studnię pilotażową O-1), o ciśnieniu artezyjskim 8,5 m npt. Obniżenie zwierciadła wody w tej studni przez pompowanie powstrzymało widoczny proces sufozji obserwowany w kanale. Budowa geologiczna podłoża i warunki hydrogeologiczne Do modelu numerycznego wprowadzono ukształtowanie terenu na podstawie aktualnych map topograficznych oraz zachowanych map archiwalnych oraz dane z istniejących i archiwalnych otworów geotechnicznych. Digitalizacja map pozwoliła na określenie różnic w ukształtowaniu terenu z okresu przed budową stopnia wodnego ze stanem aktualnym. Budowę podłoża opisano na podstawie wyników wierceń 8 otworów o głębokościach w przedziale 46 180 m oraz archiwalnych danych geologicznych z okresu budowy elektrowni. Przykładowe przekroje geologiczne wykonane w oparciu o wyniki wierceń w Bąkowie i Goszynie oraz dane archiwalne przedstawiono na rys. 1 i 2. Na rysunkach przedstawiono podział na warstwy obliczeniowe modelu oraz współczynniki filtracji wykorzystane w przeprowadzonych obliczeniach. Opracowane przekroje stanowiły podstawę do wykonania cyfrowych map spągów poszczególnych warstw uwzględnionych w dalszych obliczeniach. Rys.1 Przekrój geologiczny Bąkowo Goszyn 2

Rys. 2 Przekrój geologiczny przez oś zapory Modelowanie obiegu wód oraz zachowania się ośrodka gruntowego w rejonie stopnia wodnego Badania i prace, prowadzone na terenie Stopnia Wodnego Straszyn miały na celu rozpoznanie mechanizmu występujących zjawisk hydrogeologicznych i możliwości zabezpieczenia budowli i budynków przed sufozją systemem studni odciążających. Model przestrzennego obiegu wód w rejonie stopnia wodnego opracowano wykorzystując program MIKE SHE w celu określenia: warunków powiązań między poziomami wodonośnymi czwartorzędu, a wodami rzeki Raduni i zbiornika elektrowni, przyczyn występowania przebić hydraulicznych po stronie wody dolnej zapory, możliwych sposobów ograniczenia a następnie eliminacji procesów sufozji gruntu, zakresu prac i badań związanych z wykonaniem stałego monitoringu wód podziemnych w rejonie zapory. Model pola odkształcenia ośrodka gruntowego spowodowanego zmianami ZWG w płaskim stanie odkształcenia opracowano z zastosowaniem wersji profesjonalnej programu PLAXIS 8.2. Wyniki obliczeń numerycznych oraz badania w skali rzeczywistej były podstawą decyzji o zakresie prac zabezpieczających. Położenie zwierciadła wód podziemnych Analizę zachowania się wód podziemnych wykonano dla dwóch okresów: bazowy - od 1997 do 6 marca 2002 oraz w warunkach pompowania próbnego otworu odciążającego od 7 marca 2002 do 9 września 2003r. W sierpniu 2003r. włączono do eksploatacji drugi otwór odciążający O-2 w miejscu studni artezyjskiej z 1972r. Lokalizację analizowanych piezometrów przedstawiono na rysunku 3. Wnioski z analizy zachowania się wód podziemnych są następujące: 3

Rys.3 Lokalizacja analizowanych piezometrów Okres przed pompowaniem otworu próbnego generalny brak korelacji wahań zwierciadła wody w piezometrach i wód powierzchniowych, istnieje możliwość oddziaływanie wód artezyjskich na stany wody w piezometrach w wyniku zmian wywołanych w ośrodku gruntowym przez wybudowanie zapory, powstanie zbiornika Straszyńskiego, zmiany warunków drenażu wód podziemnych, w tym wód artezyjskich i związanej z tym lokalizacji przebić hydraulicznych, lokalizacja istniejących obecnie przebić hydraulicznych może mieć związek z robotami wiertniczymi i hydrotechnicznymi w czasie budowy zapory, przebicia hydrauliczne i procesy sufozyjne wynikają z naturalnego ciśnienia artezyjskiego wód podziemnych stymulowanego istnieniem zbiornika zapory, redukcja procesów sufozyjnych jest możliwa poprzez redukcję ciśnień artezyjskich. Okres po uruchomieniu pompowania otworów próbnych po ponad rocznym pompowania otworu próbnego O-1 z wydajnością około 60 m 3 /h, a następnie od sierpnia 2003 roku pompowania otworu O-2 z wydajnością 36 m 3 /h powstało zróżnicowane obniżenie zwierciadła wody w piezometrach wynoszące maksymalnie ponad 1 m. największe obniżenia ponad 30 cm koncentrują się w dwu rejonach. Pierwszy widoczny jest w piezometrach P-9, P-11 i P-12, czyli w rejonie upustu dennego, drugi w piezometrze P-5, w pobliżu budynku elektrowni. wskutek pompowania pojawiła się korelacja wahań w 8 piezometrach. Są to te same piezometry, w których odnotowano największą reakcję na pompowanie. Korelacji tej nie było przed pompowaniem. mapa hydroizohips (rys.4) ilustrująca kierunki przepływu wód w obrębie warstwy 1 wskazuje na koncentrację dopływu do rejonu upustu dennego i do rejonu stwierdzonych przebić hydraulicznych w dnie rzeki. 4

Rys. 4 Mapa hydroizohips warstwa 1. Stan na 9 września 2003r Konstrukcja i weryfikacja modelu obiegu wód Model przestrzennego obiegu wód opracowano przy następujących założeniach: opady atmosferyczne i ewapotranspiracja w okresie od 1997-01-01 do 2002-11-12, (ewapotranspiracja obliczona na podstawie wzorów empirycznych z uwzględnieniem temperatury, nasłonecznienia, wilgotności), istniejące ukształtowanie terenu przed i po wykonaniu stopnia wodnego, budowa geologiczna i parametry hydrogeologiczne warstw wodonośnych zgodnie z istniejącym rozpoznaniem obszaru, wody powierzchniowe Raduni pierwotne koryto przed wykonaniem zapory, pobór wód podziemnych z warstwy 3 przez studnię odciążającą z wydajnością 60 m 3 /h, okres wykonywania obliczeń od 1997 2002, siatka obliczeniowa 50 m - dla obszaru o powierzchni około 6 km 2, siatka obliczeniowa 10 m - dla terenu stopnia wodnego. W tablicy 1 przedstawiono zasadnicze wyniki pomiarów i obliczeń położenia zwierciadła wody w piezometrach głębokich. Pomiary te wykonano w okresie eksploatacji studni odciążającej. Tablica 1. Porównanie wyników pomiarów i obliczeń Piezometr Pomiar Obliczenie Różnica Warstwa Rok pomiaru P-4N 34,58 38,85 4,27 5 2003 471 41,00 40,59 0,41 5 1972 Goszyn 41,40 41,58 0,18 3 1961 O-1 ~38,00 36,73 1,27 3 2002 P-1,2N 40,58 40,1 0,48 3 2003 40,23 40,1 0,13 3 2003 P-3N 36,39 36,70 0,31 3 2003 5

Weryfikacja modelu wykonana w drugim etapie polegała na sprawdzeniu zgodności obliczeń z pomiarami w piezometrach znajdujących się na terenie stopnia wodnego ujmującymi warstwę 1. Wobec zagęszczenia otworów zmniejszono krok siatki obliczeniowej do 10 m. Podstawę porównań stanowiły wyniki pomiarów wykonanych w dniu 2 maja 2000 - charakteryzujących okres gdy nie była eksploatowana studnia odciążająca O-1 oraz dnia 12 lipca 2002, gdy była eksploatowana studnia odciążająca. Uzyskano dobre warunki zgodności. Model aktualizowany jest w miarę pozyskiwania nowych danych pomiarowych. Warunki redukcji ciśnienia artezyjskiego Optymalne rozwiązanie techniczne problemu wymagało zdefiniowania celów, warunków realizacji oraz kryteriów sprawdzania skuteczności i poprawności działania każdego z proponowanych rozwiązań, a także określenia skutków redukcji ciśnienia w odniesieniu do bezpieczeństwa zapory a także terenu, który znajdzie się w zasięgu oddziaływania instalacji. Cele te sformułowano następująco: 1. Eliminacja wynoszenia gruntu z podłoża w stwierdzonych dotychczas miejscach przebić hydraulicznych, oraz przeciwdziałanie ewentualnej możliwości powstania nowych przebić hydraulicznych poprzez obniżenie ciśnienia wód artezyjskich w rejonie kanału. 2. Wprowadzone zmiany ciśnienia artezyjskiego powinny ograniczyć się do stref niezbędnych ze względu na bezpieczeństwo obiektu. 3. Instalacja odciążająca powinna zapewniać trwałą redukcję ciśnień, niezależną od czynników antropogenicznych oraz samoregulującą się w dostosowaniu do naturalnych zmian w położeniu zwierciadła wody i ciśnieniach w pompowanej warstwie artezyjskiej. Osiągnięcie tych celów wymagało: 1. Zmniejszenia różnicy ciśnień wód artezyjskich (warstwy 3) i wód gruntowych (warstwa 1) w strefie istniejących i prawdopodobnie występujących przebić hydraulicznych ograniczając ruch wód z warstwy 3 do warstwy 1. Wymaga to pompowania wody z warstwy 3, w obrębie której zmianie uległy wcześniej występujące relacje między wodami gruntowymi i wodami artezyjskim. 2. Różnicowania obniżeń ciśnienia artezyjskiego w zależności od potrzebnej rzędnej zwierciadła wody i wysokości ciśnienia. W tym przypadku obszar zmniejszenia ciśnień artezyjskich zróżnicowano przestrzennie natomiast lokalizację instalacji odciążającej dostosowano do rejonów, gdzie potrzebne będą obniżenia ciśnień. 3. Zastosowania odpowiedniej instalacji, gwarantującej trwałość i niezawodność pracy układu odprowadzania wód artezyjskich. Dla obszaru zapory i jej najbliższego sąsiedztwa przyjęto, że rzędna zwierciadła wody w poziomie artezyjskim (warstwa 3) nie powinna być niższa niż rzędna zwierciadła wody w warstwie ujmowanej przez piezometry (warstwa 1) oraz nie powinna być niższa niż rzędna zwierciadła wody w kanałach zrzutowych. Warunkami terenowymi ograniczającymi lokalizację instalacji odciążającej jest ukształtowanie i zabudowa terenu stromy prawy brzeg, zabudowany lewy brzeg kanałów zrzutowych, zabudowana wysepka na przedpolu zapory. Jako stan wyjściowy przyjęto warunki przed uruchomieniem studni próbnej i dokonano symulacji numerycznych położenia zwierciadła wód artezyjskich. Obliczono pierwotne, naturalne położenie zwierciadła wody w warstwie 1 i warstwie 3, przy założeniu, że zbiornik jest napełniony do rzędnej 40,7 m npm oraz nie istnieją przebicia hydrauliczne. Wyniki obliczeń: Powierzchnia obszaru analizowanego 360 000 m 2. Obszar występowania ciśnienia artezyjskiego 111 000 m 2. 6

Granice występowania ciśnienia artezyjskiego Powierzchnia obszaru na którym zwierciadło wody warstwy 3 układa się powyżej zwierciadła wody warstwy 1 wynosi 319 100 m 2. Zwierciadło wody w warstwie 3, w kanałach na rzędnej około 38 m npm. Na zaporze zwierciadło wody warstwy 3 układa się powyżej warstwy 1. Powyższe wyniki obliczeń stanowiły poziom porównawczy dla rozpatrywanych wariantów. Rys. 5 Stan początkowy (wariant 0) Proponowane rozwiązanie Podane wyżej cele i warunki określają jednocześnie dwa możliwe do zmiany parametry redukcji ciśnienia w warstwie artezyjskiej. Pierwszy to lokalizacja otworów redukujących ciśnienie czyli odległość od stwierdzonych przebić hydraulicznych. Drugi parametr to rzędna zwierciadła wody wymagana do osiągnięcia postawionego celu. Lokalizując otwory w poszczególnych wariantach brano pod uwagę: dostępność ze względu na zabudowę i ukształtowanie terenu, oraz nakład prac związanych z wykonaniem instalacji odprowadzenia wody. Wymagana rzędna zwierciadła wody jest narzucona istniejącymi przebiciami w kanałach zrzutowych. Aby zlikwidować przebicia należy obniżyć zwierciadło wody do rzędnej przeciętnego stanu wody dolnej, a jednocześnie zapewnić grawitacyjne odprowadzenie wód artezyjskich. Określono rzędną zwierciadła wody jaką należy utrzymywać w otworach odciążających. Za kryterium porównywalności wariantów, przyjęto: granicę i obszar występowania ciśnienia artezyjskiego, rzędne zwierciadła wody w piezometrach P-1 do P-13 czyli z warstwy 1 oraz zwierciadła wody w warstwie 3. Analiza różnych układów przedstawionych parametrów pozwoliła dokonać wyboru wariantu nr 3, który uznano za optymalny. Wariant ten stanowi połączenie warunków lokalizacji otworów odciążających w miejscach istniejących przebić artezyjskich oraz w miejscach gdzie utrudnienia w użytkowaniu terenu będą minimalne. Wyniki obliczeń w tym przypadku są następujące: Obszar występowania ciśnienia artezyjskiego 83 100 m 2 [wariant 0 111 000 m 2 ]. Granice występowania ciśnienia artezyjskiego (rys. 6) Na powierzchni 309 300 m 2 rozpatrywanego obszaru [powierzchnia porównawcza 319 100 m 2 ], zwierciadło wody warstwy 3 układa się powyżej zwierciadła wody warstwy 1. 7

Rys. 6 Lokalizacja studni odciążających - Wariant 3 Eksploatacyjny zasięg oddziaływania studni odciążających dla wybranego wariantu w warstwie 3 przedstawiono na rys. 7 a zasięg oddziaływania w warstwie 1 na rys. 8 Rys. 7 Oddziaływanie eksploatacji studni w warstwie 3, Wariant nr 3. Rys. 8 Oddziaływanie eksploatacji studni w warstwie 1, Wariant nr 3 Przyjęty do realizacji schemat zapewnia największe zmniejszenie różnicy ciśnień w warstwach. Otwory zlokalizowano w bezpośrednim sąsiedztwie stwierdzonych przebić eliminując ich występowanie. Otwory zlokalizowane w dalszej odległości zmniejszają spadki hydrauliczne, zwiększają zasięg leja depresji a więc zmniejszają tempo podnoszenia się ciśnień w przypadku awarii części zespołu odciążającego. Otwory zlokalizowane na 8

północnym i południowym skraju zapory zapewniają równomierne obniżenie ciśnień pod korpusem zapory. Analiza przemieszczeń ośrodka gruntowego Wyniki badań geotechnicznych oraz geofizycznych (georadar) wykonanych w rejonie stopnia wodnego potwierdziły przypuszczenia Autorów o zaawansowanych procesach degradacji podłoża. Procesy te wywołane sufozją (napięte ZWG) powodują, że zbocze lewego brzegu kanału zrzutowego jest rejonem czynnym geologicznie. Pompowanie studni odciążającej wpływa na obniżenie napiętego ZWG i osiadania obszaru, co poprawia ogólne warunki stateczności zbocza, lecz może być niekorzystne dla istniejących w tym rejonie budowli. Zjawiska te są analizowane i kontrolowane poprzez systematyczne pomiary geodezyjne. W celu oceny wpływu zjawisk zachodzących w podłożu na obiekty istniejące przeprowadzono symulacje numeryczne przemieszczeń wywoływanych zmianą położenia zwierciadła wody gruntowej po wprowadzeniu projektowanych studni odciążających. Dzięki rozbudowanym możliwościom analitycznym zastosowanego modelu, możliwe było uzyskanie informacji odnośnie prognozowanych przemieszczeń, odkształceń, mechanizmów ewentualnego zniszczenia, rozkładu naprężeń w badanym ośrodku oraz określenie współczynnika bezpieczeństwa w przypadku analizy stateczności skarp i zboczy. Po wstępnej analizie zagadnień określono trzy charakterystyczne przekroje obliczeniowe (rys. 9). Przekrój I-I zlokalizowany jest prostopadle do osi zapory w bezpośrednim sąsiedztwie budynku elektrowni. Przekrój II-II zlokalizowany jest prostopadle do zapory w bezpośrednim sąsiedztwie kanału zrzutowego i upustów dennych. Przekrój III-III przebiega równolegle do osi zapory w miejscu lokalizacji otworu O-1 i obejmuje swoim zasięgiem skarpy po obu stronach kanału odpływowego. Wprowadzono dane opisujące położenie ZWG oraz napiętego ZWG dla każdego z analizowanych przekrojów uzyskane z modelu hydrogeologicznego. Parametry gruntowe tablica 2) przyjęte do obliczeń ustalono metodą B w oparciu o wyniki badań geotechnicznych i geofizycznych, oraz dostępne materiały archiwalne. W obliczeniach uwzględniono model gruntu sprężysto-plastyczny Coulomba-Mohra. Rys. 9 Przekroje obliczeniowe 9

Tablica 2. Parametry gruntów przyjęte do analiz numerycznych L.p. Nazwa γ γ ' k x k y ν M 0 c φ [kn/m 3 ] [kn/m 3 ] [m/day] [m/day] [ - ] [kn/m 2 ] [kn/m 2 ] [ ] 1 straszyn 2 - G/Ił 19,5 21 0,01 0,01 0,30 37000 32 22 2 straszyn 3 - P 18 19 5,4 5,40 0,31 130000 0 34 3 straszyn 5 - P 20 21 6,0 6,00 0,31 150000 0 35 4 straszyn 1 - Ps/ Ko 17,2 18 0,9 0,90 0,32 60410 0 30 5 straszyn 4 - G/Ił 20 21 0,01 0,01 0,30 37000 32 22 Obliczenia wykonano według następującej procedury: 1. Analiza stanu wyjściowego przy uwzględnieniu istniejących poziomów ZWG oraz wielkości ciśnień generowanych przez napięte zwierciadło wód naporowych z warstwy 3. Generowanie naprężeń początkowych w gruncie dla obecnego stanu obciążeń. 2. Analiza zachowania się podłoża gruntowego po obniżeniu ciśnienia wód naporowych na skutek pompowania zgodnie z danymi dla wariantu 3 (największe obniżenia napiętego zwierciadła wód gruntowych). 3. Wyznaczenie współczynnika bezpieczeństwa dla zapory oraz skarp wzdłuż kanału odpływowego i kanału zrzutowego. Rys. 10 Położenie ZWG oraz napiętego ZWG dla przekroju III-III Przeprowadzone symulacje numeryczne pozwoliły oszacować wartości spodziewanych odkształceń, przemieszczeń oraz zmian stanu naprężenia w ośrodku gruntowym. Wyniki wykonanych obliczeń były podstawą wyznaczenia obszarów, które należy poddać nadzorowi geodezyjnemu w celu kontroli spodziewanych osiadań konstrukcji. Wielkości całkowitych przemieszczeń ośrodka gruntowego mogących wystąpić na skutek zmniejszenia ciśnienia wód naporowych oraz obszary możliwego występowania tych przemieszczeń przedstawiono na rysunkach 11 i 12. 10

Analizie poddano także stateczność zapory oraz skarp wzdłuż kanału odpływowego z elektrowni. Wyznaczone wartości współczynników bezpieczeństwa uzyskano przy założeniu jednorodności warstw gruntu budującego skarpę. Dla poszczególnych przekrojów obliczeniowych uzyskano następujące wartości współczynnika bezpieczeństwa: zapora w przekroju I-I (przy bud. elektrowni) F=2,14, zapora w przekroju II-II (wzdłuż przelewu i upustów) F=1,66, skarpa w przekroju III-III (przy przelewie) F=1,59, skarpa w przekroju III-III (przy parkingu) F=2,00. Należy podkreślić, że rzeczywisty współczynnik stateczności dla skarpy lokalnie w miejscach występowania znacznego rozluźnienie gruntu spowodowanego procesami sufozyjnymi może być mniejszy. Rys. 11 Przemieszczenia całkowite w przekroju II-II 11

Rys. 12 Zasięg obszarów prognozowanego osiadania Aktualne wyniki monitorowania obiektu Zainstalowane w rejonie stopnia wodnego Straszyn repery geodezyjne oraz piezometry podlegają stałej kontroli. Od momentu włączenia do eksploatacji otworów odciążających warstwę artezyjską prowadzone są stałe pomiary pozwalające ocenić skuteczność rozwiązania oraz jego wpływ na otoczenie. Na rysunku 13 przedstawiono wyniki pomiarów ZWG w piezometrach zlokalizowanych na zaporze, skarpach wzdłuż kanału odpływowego, w okolicy otworu O-1 i na przeciwległym brzegu Raduni. Prowadzone są systematyczne pomiary przemieszczeń na całej sieci 53 reperów kontrolnych. Obejmują one: repery na konstrukcjach (wlot i wylot ze sztolni, ujęcie do turbin, budynek elektrowni), repery ziemne zapory i kanału. W okresie listopad 2001- kwiecień 2002 wykonano 6 serii pomiarowych. Względne zmiany przemieszczeń poszczególnych reperów na konstrukcjach są dość wyrównane. Maksymalne różnice zaobserwowano na budynku elektrowni około 2,1 mm. Od strony południowej wznoszenie (+0,4 mm), od strony północnej osiadania (-1,7 mm). Stałą tendencję osiadań wykazuje reper nr 7z w koronie zapory przy ujęciu do elektrowni. Zaobserwowane maksymalne osiadanie zapory wynosi 2,0 mm. W rejonie kanału obserwowanych jest 6 reperów ziemnych (dodatkowo do pomiarów włączono kryzy piezometrów P1 i P2 - w przekroju źródlisk w kanale). Największe stałe osiadania obserwuje się w przekroju piezometrów powyżej wypływu sufozyjnego, tu osiadanie na krawędzi górnej skarpy wynosi (-46,8 mm), w miejscu ławeczki około (-20,0 mm). Silne osiadania wykazały również repery w części wylotowej kanału. Tu przemieszczenia zawierają się w granicy około (-10,0 mm). Najmniejsze osiadania w granicach (-3,0-4,0 mm) wykazują repery po stronie wlotowej do kanału. 12

Rys. 13. Rzędne zwierciadła wody w piezometrach Podsumowanie Wykonane ujęcie próbne studnią odciążającą O-1 i odprowadzenie wód artezyjskich wpłynęło na poprawę warunków bezpieczeństwa w rejonie kanału zrzutowego. Zachodzące procesy są monitorowane w celu pozyskiwania informacji niezbędnych do oceny zmian zachodzących w podłożu, co pozwala na bieżącą analizę i umożliwia w każdej chwili podjęcie ewentualnych działań w kierunku zapobiegania uszkodzeniom budynków zlokalizowanych na zagrożonym terenie. Obliczenia hydrogeologiczne pozwoliły ograniczyć system do pięciu studni odciążających. Zapewniają one największe zmniejszenie różnicy ciśnień w warstwach artezyjskich. Otwory zlokalizowane w najbliższej odległości od stwierdzonych przebić eliminują ich funkcjonowanie. Otwory zlokalizowane w dalszej odległości zmniejszają spadki hydrauliczne, zwiększają zasięg leja depresji przez co zmniejszają tempo podnoszenia się ciśnień w przypadku awarii części zespołu odciążającego. Otwory zlokalizowane na północnym i południowym skraju zapory pozwalają na równomierne obniżenie ciśnień pod korpusem zapory. Analizy numeryczne osiadań obszaru poddanego obniżeniu ciśnienia wód gruntowych na skutek funkcjonowania systemu odwodnieniowego pozwoliły oszacować wielkości przemieszczeń przy założeniu występowania jednorodnych warunków gruntowych w poszczególnych warstwach geotechnicznych. Wyznaczone wielkości możliwych przemieszczeń nie przekraczają 11 mm na obszarze bezpośrednio przylegającym do eksploatowanej studni O-1. Obserwacje prowadzone na chronionym terenie wskazują na lokalne występowanie, na małych obszarach, miejsc szczególnie zdegradowanych na skutek dotychczasowego wymywania gruntu. Dotyczy to w szczególności brzegu kanału i wiąże się z występowaniem kawern wypełnionych upłynnionym gruntem. Osiadania w takich miejscach są kilkakrotnie 13

większe od wyznaczonych numerycznie i sięgają już ponad 40 mm. Bardzo istotne jest to, że przypadki te mają ograniczony zasięg i są pod stała kontrolą. Bilbliografia [1] A. Bolt, W. Szudek T. Sukowski: Badania modelowe warstw artezyjskich w strefie osiadań sufozyjnych EW Straszyn na rz. Raduni. Sympozjum Ogólnokrajowe HYDROTECHNIKA Vi 2004 Powodzie, przyczyny, skutki, zapobieganie. Ustroń, 25-27 maja 2004r. STRESZCZENIE. Charakterystyka stopnia wodnego w Straszynie. Warunki gruntowe. Model numeryczny obszaru zagrożonego sufozją. Porównanie i analiza wyników obliczeń i pomiarów terenowych. Opis rozwiązań zabezpieczających i ich stateczności. 14