Adam BOLT * Witold STERPEJKOWICZ-WERSOCKI ** Słowa kluczowe: geosyntetyki, filtracja, kolmatacja, trwałość TRWAŁOŚĆ GEOSYNTETYKÓW Z UWZGLĘDNIENIEM ZAGADNIEŃ FILTRACJI W niniejszym referacie przedstawiono zjawiska zachodzące w płaszczyźnie kontaktu grunt-filtr syntetyczny mające wpływ na trwałość i niezawodność pracy geosyntetyku w konstrukcji. Opisano problemy wynikające z niewłaściwego doboru geosyntetyku pełniącego funkcję separacyjno-filtracyjną, badania przeprowadzone na niedroŝnych filtrach syntetycznych oraz wynikające z nich wnioski. 1. Wstęp Szczególnie szerokie zastosowanie w systemach drenaŝowych, spośród róŝnych materiałów geosyntetycznych, znalazły geowłókniny, które działając jako efektywne filtry zmniejszające ryzyko zatkania drenu drobnymi cząstkami gruntu zastąpiły w duŝym stopniu filtry odwrotne. W budownictwie hydrotechnicznym geotekstylia spełniają jednocześnie funkcje filtracyjne, drenaŝowe, separacyjne, ochronne i wzmacniające. Szczególnie w systemach zabezpieczeń przeciwerozyjnych na skarpach, gdzie zwykle układane są pod narzutami, działają jako filtr zabezpieczający podłoŝe przed wypłukiwaniem drobnych cząstek gruntu i obsuwaniem się całych konstrukcji. Geotekstylia, działając jako filtr, spełniają zatem podobną rolę, jak klasyczny drenaŝ i stosowane mogą być wszędzie tam, gdzie zachodzi konieczność odprowadzenia wód gruntowych z jednoczesnym zabezpieczeniem gruntu przed wynoszeniem z jego wnętrza drobnych frakcji i przenikaniem ich do drenaŝu, chroniąc go przed procesem kolmatacji. 2. Zjawiska zachodzące na płaszczyźnie grunt-filtr syntetyczny Wymienione we wstępie praktyczne zastosowania geotekstyliów wskazują jednocześnie na dwa zasadnicze zjawiska towarzyszące przepływowi wody przez grunt chroniony i materiał filtracyjny, którymi są sufozja gruntu i kolmatacja wewnętrzna geosyntetyku. Poglądowe wykresy natęŝenia przepływu wody przez układ grunt-filtr syntetyczny, pozwalające określić charakter zachodzących zjawisk przedstawiono na rys. 1. ZaleŜnie od kształtu końcowego odcinka krzywej zaleŝności przepływu od czasu, wyniknie jeden z trzech przypadków, tj. równowaga, sufozja, kolmatacja. * dr hab. inŝ., prof. PG, Politechnika Gdańska, ul. G. Narutowicza 11/12, 80-952 Gdańsk ** mgr inŝ., Politechnika Gdańska, ul. G. Narutowicza 11/12, 80-952 Gdańsk
Warunki równowagi będą wtedy, kiedy nachylenie ww. krzywej w końcowej części będzie zbliŝone do zera (krzywa jest pozioma). Oznacza to, Ŝe wydatek wody przepływającej przez układ grunt-geosyntetyk jest stały. Ponadto sugeruje to, Ŝe istnieje stabilna struktura gruntu vis a vis badanej próbki geosyntetyku, przynajmniej dla ustalonych warunków hydraulicznych. sufozja natęŝenie przepływu równowaga częściowa kolmatacja silna kolmatacja czas (skala logarytmiczna) Rys. 1. NatęŜenie przepływu przez układ grunt-geosyntetyk w funkcji czasu W warunkach występowania sufozji cząstka gruntu tracona jest z wewnętrznej struktury gruntu, przenika przez geosyntetyk, czego skutkiem jest zwiększenie natęŝenia przepływu. To z kolei spowodować moŝe wzrost prędkości wody w porach i porywanie coraz grubszych frakcji gruntu chronionego. W pewnych warunkach grubsze frakcje mogą utworzyć przesklepienie filtracyjne zapobiegające dalszemu wynoszeniu cząstek gruntu chronionego i stabilizujące warunki przepływu. Badania dotyczące tego zjawiska opisano w pracach [1] i [2]. Częściowa kolmatacja widoczna jest wówczas, gdy nachylenie ww. krzywej w końcowym jej odcinku jest lekko ujemne. Wskazuje to, Ŝe układ grunt-geosyntetyk jest wciąŝ strojony przez przepływającą wodę i panujące warunki hydrauliczne. Silna kolmatacja występuje wówczas, gdy nachylenie końcowego odcinka krzywej jest mocno ujemne i/lub właściwie przecina oś czasu. W tym przypadku grunt zgromadzony ponad geosyntetykiem wypełnił jego wolne przestrzenie, zatykając go wewnętrznie. ChociaŜ układ grunt-geosyntetyk charakteryzuje się jeszcze pewną zdolnością przepuszczania wody, moŝe ona jednak okazać się niewystarczająca dla określonych warunków terenowych. NaleŜy zwrócić uwagę równieŝ na inne czynniki wywołujące kolmatację geosyntetyków. Oprócz opisanej powyŝej kolmatacji cząstkami gruntu (kolmatacja mechaniczna) wyróŝniamy równieŝ przypadki kolmatacji biologicznej (np. przerost korzeni roślin przez geowłókninę, grzyby i bakterie) oraz kolmatacji chemicznej (np. przez odkładanie się związków Ŝelaza z wód gruntowych na płaszczyźnie geosyntetyku), których przykłady zostaną opisane w dalszej części referatu. 3. Przykład kolmatacji mechaniczno-biologicznej Geowłóknia ułoŝona na skarpie pełni funkcję separacyjną dla narzutu kamiennego oraz rolę filtra między podłoŝem a warstwą narzutu. Umocnienie brzegu stanowi narzut kamienny (rys. 2) o masie pojedynczych kamieni ok. 10-20 kg ułoŝonych w warstwie nie przekraczającej 20 cm grubości. Próbkę geowłókniny o wymiarach ok. 50x50 cm pobrano ze strefy połoŝonej
ok. 50 cm ponad średnim stanem wody na dolnym stanowisku stopnia wodnego Kolincz na rzece Wierzycy. Wykonana na miejscu, i ponownie w laboratorium, ocena makroskopowa pozwoliła stwierdzić, Ŝe geowłóknina jest zakolmatowana drobnoziarnistym gruntem (pyłem) miejsce pobrania próbki ZWG (podpiętrzone) π/pπ narzut kamienny gr.~20 cm (kamień łamany o m=10-20 kg) geowłóknina "Kolincz" Rys.2. Umocnienie brzegu narzutem kamiennym. Schemat istniejącej konstrukcji. o barwie brązowej oraz silnie przerośnięta korzeniami roślin (rys. 3). Uszkodzeń mechanicznych próbki nie stwierdzono. Rys.3. Kolmatacja geowłókniny pyłem i korzeniami roślin Dla oceny stopnia kolmatacji geowłókniny przeprowadzono badanie wodoprzepuszczalności w kierunku normalnym do płaszczyzny geosyntetyku. Doświadczenia przeprowadzone zostały w aparacie do badania zjawisk kolmatacji przy zmiennych reŝimach parametrów ciśnienia wody, w kolumnie filtracyjnej Ø200 mm z umieszczonym wewnątrz kolumny modułem Ø50 mm (rys. 4 i 5) w zakresie róŝnicy ciśnienia po obu stronach próbki h=10 mm 210 mm. Na podstawie otrzymanych danych, z uwzględnieniem temperaturowego współczynnika korekcyjnego RT (2), obliczany jest indeks prędkości VIH50 wyraŝony w cm/s oraz wskaźnik przepływu QI (4) w odniesieniu do jednostkowej powierzchni materiału wyraŝony w l/sm2. Oba wskaźniki obliczone są dla róŝnicy ciśnienia po obu stronach próbki wynoszącej h=50 mm. Prędkość przepływu wody przez próbkę dla poszczególnych spadków hydraulicznych określana jest na podstawie wzoru:
V RT v = [cm/s] (1) 20 A t gdzie: v 20 prędkość wody odniesiona do temperatury 20 0 C [cm/s], V objętość wody [cm 3 ], R T temperaturowy współczynnik korekcyjny (odniesienie do 20 0 C) [-], A powierzchnia próbki (czynna) [cm 2 ], t czas przepływu mierzonej objętości wody V [s]. R T ηt 1,762 = = η 20 1+ 0,0337 T + 0, 00022 T 2 [-] (2) 1,78 η T = [mpa s] (3) 2 1+ 0,0337 T + 0,00022 T gdzie: T temperatura wody [ 0 C], η T lepkość dynamiczna wody w temperaturze T [ 0 C] [mpa s], η 20 lepkość dynamiczna wody w temperaturze 20 [ 0 C] [mpa s], Wskaźnik przepływu QI obliczany (dla poszczególnych spadków) jest ze wzoru: v A 10 A 10 3 20 QI = [l/sm 2 ] (4) 4 gdzie: Q natęŝenie przepływu [cm 3 ] przez próbkę, A powierzchnia czynna próbki [cm 2 ]. Następnie sporządzany jest wykres spadku hydraulicznego w funkcji prędkości przepływu i określany wskaźnik prędkości przepływu dla spadku hydraulicznego równego 50 mm VI H50. Rys. 4. Kolumna filtracyjna z umieszczoną geowłókniną Kolincz Rys. 5. Próbki materiałów: od lewej: szablon, 1 Próbka geowłókniny Nowej, Geowłóknina melioracyjna Kolincz W celach porównawczych przeprowadzono równieŝ badanie, z zastosowaniem identycznej procedury, dla nowej geowłókniny filtracyjnej, o zbliŝonej grubości i masie powierzchniowej
do badanej geowłókniny. Otrzymane wyniki w pełni potwierdzają wcześniejszą tezę o kolmatacji, bowiem geowłóknina Kolincz ma blisko 40 krotnie!!! mniejszą przepuszczalność od nowej (rys. 6). Charakterystyczne wyniki badań wodoprzepuszczalności w kierunku normalnym do powierzchni materiału zestawiono Tablicy 1 oraz na wykresie (rys. 6.). Tablica 1. Wyniki badań wodoprzepuszczalności geowłókniny Kolincz Czynna Przepływ przez powierzchnia Indeks prędkości próbkę próbki Geowłóknina Przepływ odniesiony do 1 m 2 - A [cm 2 ] VI H50 [cm/s] Q H50 [cm 3 /s] Q H50 [l/sm 2 ] Kolincz 19,6 0,14 2,7 1,3 Nowa 19,6 5,14 100,8 51,4 Uwagi 1. Indeks H50 oznacza odniesienie danej wartości do róŝnicy ciśnień po obu stronach geosyntetyku równej 50 mm. 2. Wszystkie parametry przepływu podane w tabeli uwzględniają korektę temperaturową R T. Rys. 6. Wykres natęŝenia przepływu w kierunku normalnym do płaszczyzny w funkcji spadku ciśnienia h dla badanych geowłóknin 4. Przykład kolmatacji mechaniczno-chemicznej Geowłókninę mającą pełnić funkcję separacyjno-filtracyjną w umocnieniu skarp kanału i stawu ułoŝono bezpośrednio pod wielootworową płytą betonową (rys. 7b). UłoŜenie takie sprawia, Ŝe geowłóknina pracuje jedynie w miejscach perforacji płyty (a nie na całej powierzchni), a wywołana w ten sposób koncentracja przepływu tworzy dogodne warunki do
wystąpienia kolmatacji. Dodatkowo w przypadku zaŝelazionych wód gruntowych, Ŝelazo odkłada się w postaci tlenku Ŝelaza na geowłókninie mającej bezpośredni kontakt z powietrzem, powodując powstanie dość szczelnej membrany. UłoŜenie geowłókniny bez zabezpieczającej warstwy gruntu stwarza teŝ korzystne warunki do rozrostu sieci korzeni roślinności. W omawianym przypadku efektem zachodzących zjawisk było znaczne utrudnienie spływu wód gruntowych i powstanie zabagnienia na przyległym terenie (rys. 8). a) b) obsiew trawą obsiew trawą płyta Ŝelbetowa wielootworowa podsypka Ŝwirowa gr. 15 cm geowłóknina filtracyjna istniejąca geowłóknina istniejąca podsypka płyta Ŝelbetowa wielootworowa geowłóknina melioracyjna podsypka Ŝwirowa gr. 15 cm istniejąca geowłóknina istniejąca podsypka Rys. 7. Prawidłowe a) i nieprawidłowe b) ułoŝenie geowłókniny na skarpie pod płytą typu IOMB Rys. 8. Zabagnienie terenu przyległego do kanału i Ŝelaziste wody gruntowe spływające po umocnieniu brzegu W wyniku nieprawidłowego dobrania i wbudowania geowłókniny w konstrukcję umocnienia juŝ po 2 latach konieczne było przeprowadzenie remontu polegającego na zdjęciu płyt, podsypek, wymianie geowłókniny i ułoŝeniu nowej w sposób pozwalający na pracę w optymalnych warunkach. W celu oceny stopnia kolmatacji geowłókniny przeprowadzono badania przepuszczalności w kierunku normalnym do płaszczyzny materiału w warunkach bez obciąŝenia wg procedury opisanej w p.3 niniejszego referatu. Do badań pobrano 2 próbki
materiału: jedną z części roboczej materiału filtracyjnego Młynówka 1, drugą z czystego fragmentu materiału Młynówka 2 (rys. 9). Wyniki przeprowadzonych badań potwierdziły wcześniejszą tezę o kolmatacji geosyntetyku. W tabl. 2 zestawiono parametry filtracyjne geowłókniny otrzymane z badań próbek pobranych z materiału po 2 latach eksploatacji. Otrzymane rezultaty jednoznacznie wskazują na kolmatację materiału, gdyŝ jego wodoprzepuszczalność jest ok. 20 razy mniejsza w porównaniu do wartości materiału nowego. Rys. 9. Próbki Młynówka 1 i Młynówka 2 przygotowane do badań Rys. 10. Wykres natęŝenia przepływu w kierunku normalnym do płaszczyzny w funkcji spadku ciśnienia h dla badanych geowłóknin Tablica 2. Parametry filtracyjne geowłókniny Młynówka Czynna Przepływ Masa Indeks Przepływ Geowłóknina powierzchnia odniesiony do powierzchn. prędkości przez próbkę próbki 1 m 2 - m a [g/m 2 ] A [cm 2 ] VI H50 [cm/s] Q H50 [cm 3 /s] Q H50 [l/sm 2 ] Młynówka 1 591 19,6 0,21 2,03 1,04 Młynówka 2 281 19,6 3,95 36,70 18,72
5. Wnioski Geosyntetyki na świecie uŝywane są juŝ od 40 lat pełniąc rolę filtrów. W Polsce ich szersze wykorzystywanie rozpoczęło się na przełomie lat 80 i 90 wraz z większą dostępnością tych materiałów na rynku. Nie zawsze jednak materiały te wykorzystywane są w sposób właściwy, tzn. taki, który zapewniałby ich prawidłowe funkcjonowanie w całym okresie ich zakładanej trwałości. Przedstawione tu przykłady wskazują, Ŝe kolmatacja geosyntetycznych materiałów filtracyjnych moŝe doprowadzić do powaŝnej niewydolności filtrów i tym samym do szybkiej weryfikacji błędów popełnionych na etapie projektowania filtrów z uŝyciem geosyntetyków. Odpowiedni dobór geosyntetycznych materiałów filtracyjnych powinien w kaŝdym przypadku (nawet w przypadku konstrukcji mniej odpowiedzialnych) bazować na analizie moŝliwych zagroŝeń wynikających z zastosowania danego materiału w danych warunkach gruntowo-wodnych. W szczególności naleŝy zwrócić uwagę na ryzyko wystąpienia kolmatacji wewnętrznej materiału. Podjęcie decyzji odnośnie doboru geosyntetycznego materiału filtracyjnego bez przeprowadzenia analizy jego pracy w konstrukcji w większości przypadków musi spowodować jego dysfunkcję. Pomocne do oceny przydatności materiału mogą być badania modelowe przeprowadzone w układzie grunt-geosyntetyczny materiał filtracyjny w spodziewanych warunkach hydraulicznych, kryteria doboru materiałów dostępne w literaturze fachowej. Nie do przecenienia jest równieŝ doświadczenie projektanta we właściwym doborze materiałów pełniących funkcje filtracyjne. Praca naukowa finansowana ze środków Komitetu Badań Naukowych w latach 2003 2006 jako projekt badawczy nr 5 T07E 072 25. Literatura [1] BOLT A., STERPEJKOWICZ-WERSOCKI W., Tests of soil-geotextile systems in changeable hydraulic head conditions. International Conference on Geosynthetics and Geoenvironmental Engineering ICGGE 2004, Bombay, India, 8-10.12.2004. Bombay: Dept. Civil Engineering Indian Institute Technology [2] STERPEJKOWICZ-WERSOCKI W., Badania układu grunt-geowłóknina w warunkach zmiennych stanów wód, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej 2004 nr 1644, Budownictwo nr 102, s. 487-494 DURABILITY OF GEOSYNTHETICS IN FILTRATION BEHAVIOUR ASPECT Summary Problem of phenomena occurring in the contact zone of soil and synthetic filter has a fundamental meaning for stability of rip-rap bank protection and drainage system. Some problems resulting from inadequate selection of geosynthetics, laboratory tests of clogged geosynthetic filters and conclusions have been presented.