Uszczelnienia z folii polimerowych w polskim budownictwie hydrotechnicznym

ZBIGNIEW AMBROZEWSKI Ośrodek Technicznej Kontroli Zapór Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej Uszczelnienia z folii polimerowych w polskim budownictwie hydrotechnicznym W artykule przedstawiono polskie obiekty budownictwa wodnego, na których - od wczesnych lat siedemdziesiątych do obecnych czasów - zastosowano uszczelnienia z folii polimerowych. Opisano zrealizowane wielkoobszarowe uszczelnienia stref przed zaporami ziemnymi (Sulejów, Jeziorsko, Chańcza), uszczelnienie korpusu zapory ziemnej (Poraj), uszczelnienia wałów przeciwpowodziowych na górnej i środkowej Wiśle (w dawnych województwach tarnowskim i rzeszowskim) oraz górnej Odrze (województwo lubuskie). Przedstawiono zalety i wady zastosowanych uszczelnień oraz przeprowadzono analizę zastosowanych rozwiązań z uwypukleniem popełnionych błędów. W Polsce obiekty budownictwa wodnego uszczelnia się foliami polimerowymi od wczesnych lat siedemdziesiątych. Zastosowane wtedy uszczelnienia tego rodzaju materiałami wyprzedziły o kilka lat podobne rozwiązania europejskie. Odwrotnie jednak niż na Zachodzie nie powstało jak dotąd żadne krajowe przedsiębiorstwo, które specjalizowałoby się w realizacji takich konstrukcji. W tej sytuacji, pomimo wielu znakomitych rozwiązań projektowych i doskonałych realizacji, nie ustrzeżono się również od poważniejszych błędów, powielanych niestety nawet do dziś. Mając to na uwadze przedstawiono w artykule, poza sprawami poznawczymi, również zalecane przez autora metody badań, projektowania, wykonawstwa i eksploatacji omawianych uszczelnień. Stanowić to może pewnego rodzaju instrukcję postępowania przy realizacji tego rodzaju uszczelnień. Omówiono także metody prowadzenia niezbędnych badań gruntów i folii (od wyników których zależą zastosowane rozwiązania uszczelnień), przedstawiono podstawowe zasady projektowania uszczelnień, zasady technologii ich wykonania oraz podano wymagania eksploatacyjne budowli z takimi uszczelnieniami. Przykłady zastosowania uszczelniań f ni i o (fot. 1, 2, 3). Oddany do eksploatacji w 1973 r. Uszczelniony w strefie przyzaporowej folią estrofol grubości 0,036-0,080 mm, styki sklejane. Powierzchnia uszczelnień 92 ha, w tym 13 ha uszczelnień foliąpolietylenowągrubości 0,2 mm, ułożoną pod wodą. Projektanci: mgr inż. Jerzy Piątkowski i mgr inż. Kazimierz CzyżewskT] - Hydroprojekt Warszawa. Wykonawca Hydrobudowa 1 z Nowego Dworu Mazowieckiego i Zakład Prac Podwodnych i Hydrotechnicznych z Warszawy (układanie folii pod wodą). Zbiornik wodny Chańcza na Czarnej Staszowskiej (rys. 1, fot. 4). Uszczelnienie strefy przyzaporowej zbiornika folią estrofol, powierzchnia uszczelnień 2,5 ha. Generalny projektant: mgr inż. Jan Rakowski - Hydroprojekt Warszawa. Wykonawca Hydroinż z Rzeszowa. Zbiornik wodny Jeziorsko na Warcie (fot. 5, 6). Oddany do eksploatacji w 1988 r. Uszczelnienie stref przyzaporowych zapory czołowej i zapór bocznych folią polietylenową grubości 0,2 mm, styki łączone na zakład. Powierzchnia uszczelnień 230 ha. Generalny. f ' Fot. 1. Układanie folii na dnie przyszłego zbiornika Fot. 2. Układanie folii pod wodą 510 Gospodarka Wodna nr 12/2004

Fot. 3. Widok zapory czołowej z uszczelnieniami folią od WG Fot. 4. Widok zbiornika uszczelnionego folią od WG ją. Rys. 1. Przekrój przez zaporę projektant: mgr inż. Wojciech Orłowski, Hydroprojekt Poznań. Wykonawca Hydrobudowa 7 z Poznania. Zbiornik wodny Poraj na Warcie (rys. 2, fot. 7). Oddany do eksploatacji w 1978 r. Uszczelnienie zapory ziemnej foliąpcw grubości 2 mm. Powierzchnia uszczelnień 4 ha. Projektanci z Biura Projektów Hutnictwa w Katowicach. Od lat siedemdziesiątych do tej pory wykonano znaczne ilości uszczelnień foliami polimerowymi wałów przeciwpowodziowych i zbiorników kopanych. Poniżej przedstawiono rozwiązania uszczelnień wałów przeciwpowodziowych zaprojektowane przez autora artykułu. Zasady projektowania uszczelnień Folie mogą być stosowane jako ekrany przeciwfiltracyjne we wszystkich ziemnych budowlach piętrzących. Uszczelnienia mogą być poziome, pionowe i pochyłe. W polskich warunkach powinny być stosowane hydroizolacyjne folie PCW grubości 1-2 mm lub inne spełniające warunki projektu. Folie mogą być przezroczyste, przeświecające, bezbarwne i barwione. Powierzchnia folii może być gładka, błyszcząca, matowa, moletowana (regularne zgrubienia powierzchni) i wytłaczana. Przed projektowaniem uszczelnień należy zgromadzić informacje o foliach Fot. 5 i 6. Zapora czołowa - zapora boczna; obie uszczelnione folią od WG i gruntach, z którymi uszczelnienie ma pracować. Folie powinny współpracować bezpośrednio z gruntami budowli. Jeśli jednak istnieją wątpliwości co do współpracy folii z gruntem zalegającym pod folią, a także przewidzianym na przysypkę uszczelnienia, konieczne jest zastosowanie specjalnie dobranego gruntu lub przekładki z włókniny filtracyjnej. Mogą wystąpić również sytuacje, w których oba te materiały stosuje się łącznie. Gospodarka Wodna nr 12/2004 511

Fot. 7. Zapora w Poraju uszczelniona folią na skarpie odwodnej. PORAJ-PRZEKRÓJ POPRZECZNY ZAPORĘ CZOŁOWĄ Przy zastosowaniu podsypki pod folię jej grubość nie powinna być mniejsza niż 0,2 m. Grubość przysypki nad uszczelnieniem nie powinna być mniejsza niż 0,3 m przy układaniu ręcznym i 0,5 m przy układaniu mechanicznym. Zwykle stosu- n ustalenie wytrzymałości na rozciąganie w obu kierunkach (nie mniejsza niż 8 Mpa) wraz z pomiarem wartości wydłużenia przy zerwaniu (nie mniejsze niż 80%), D wyznaczenie wartości oporu przedarcia folii w kierunku prostopadłym do płaszczyzny arkuszy. Pożądane jest wyznaczenie wartości pomocniczych (fot. 8, 9, 10), takich jak: c Pomiar wielkości przepuklenia i siły rozrywającej (obliczone naprężenia rozciągające nie większe niż 0,1 naprężeń rozrywających). D Ustalenie wytrzymałości na przebicie materiałem podłoża (naprężenia dopuszczalne nie większe niż 0,5 naprężenia rozrywającego). Wyznaczenie wytrzymałości na ścinanie elementem betonowym - gdy występuje połączenie folii z konstrukcjami betonowymi. Rys. 2. Przekrój poprzeczny przez zaporę Rys. 3. Prawy wał Wisły w b. województwach tarnowskim i rzeszowskim Styki folii z konstrukcjami sztywnymi (stalowymi i betonowymi) powinny być specjalnie zaprojektowane przy zastosowaniu stref przejściowych z materiałów elastycznych takich, jak glina czy włóknina i przewidziana kompensacyjna pętla foliowa. W ekranach pochyłych powinna być bezwzględnie sprawdzona stateczność przysypki nad folią. Uszczelnione powierzchnie narażone na falowanie powinny być zabezpieczone płytami betonowymi, narzutem kamiennym lub innymi podobnymi materiałami ułożonymi na warstwie drenażowej lub geowłókninie. 1 - temus 2 - przysypka je się przysypkę grubości 1 m w strefie wahań wody i 0,5 m poniżej normalnego poziomu piętrzenia. Zasady przeprowadzania badań Badania materiałów foliowych Niezależnie od atestów fabrycznych przy realizacji dużych powierzchni uszczelnień folią należy przeprowadzać następujące rodzaje badań: n ocenę wizualną folii - aby wykluczyć partie uszkodzone (dziury, pęcherze, obce wtrącenia, rysy, zagniecenia i inne), n pomiar grubości folii, Badania kąta tarcia gruntu po folii Konieczne jest przeprowadzenie badań gruntu i wyznaczenie: n uziarnienia (analiza sitowa oraz kształt ziaren i stopień ich obtoczenia), n minimalny i maksymalny ciężar objętościowy szkieletu gruntowego, n kątów tarcia wewnętrznego gruntu stykającego się z uszczelnieniem foliowym dla gruntu suchego i nawodnionego. Wyznaczenie kąta tarcia gruntu po folii, a właściwie wyznaczenie kąta miarodajnego do obliczeń stateczności gruntu przysypki nad uszczelnieniem przeprowadzić można: D Metodą zsuwu po równi pochyłej (zsuwanie się skrzynki z gruntem po unoszonej pod kątem płaszczyzny pokrytej folią, pod którą również powinien być grunt (fot. 11-14). D Metodą wyciągania paska folii ze skrzynki napełnionej gruntem poddanym obciążeniom pionowym (fot. 3). Wyniki uzyskane tą ostatnią metodą powinny być odpowiednio zinterpretowane w taki sposób, aby mógł być uwzględniony rozkład naprężeń w gruncie na styku z folią na całej długości wyciąganego paska foliowego (tab. l). H Zasady wykonywania uszczelnień Podłoże i przysypka powinny być wykonane z gruntów mineralnych dostosowanych do rodzaju folii i być zagęszczone. Materiały te nie mogą zawierać gruntów organicznych oraz przedmiotów obcych i ostrokrawędziowych. Folię 512 Gospodarka Wodna nr 12/2004

powinno się układać tylko w temperaturach dodatnich. Nie należy również układać uszczelnienia na gruntach zmrożonych i na śniegu. Należy stosować następujące zasady: n arkusze powinny być układane prostopadle lub równolegle do krawędzi budowli, n styki sąsiednich arkuszy powinny być łączone w sposób trwały przez klejenie, zgrzewanie lub wulkanizowanie. Minimalna szerokość złączy powinna wynosić: n klejonych - 10 cm, n zgrzewanych - 3 cm, n wulkanizowanych - 5 cm, n przy stykach arkuszy na zakład, stosowanych tylko w wypadku gdy folie są układane przez płetwonurków pod wodą, nie powinny być one mniejsze niż 50 cm. Po folii można chodzić tylko w obuwiu gumowym. H 'H '-" TT f Międzywale Dąbrówka Morska Warstwa ziemi roślinnej gr. 0,1 m i obsiew mieszanką traw\ Nasyp z gruntu \ ~ przepuszczalnego gr. ^ 625 Wal istniejący ^Uszczelnienie folią PCV gr. 1-2 mm uszorstkowioną Zdjęcie warstwy ziemi roślinnej gr 0,3 m Wężys R y s - 4 - Prawy wał Wisły i lewy wał rzeki Gróbki w m. Dąbrówka Morska Rys. 5. Lewy wał Odry w m. Wężysko-Chlebowo, woj. lubuskie!t \ Drenaż płaski z drenem z rur PCV śednicy 120 mm ka-chlebowo = ś ^ '.0. l Rzędna korony wału ^Uszczelnienie folia PCV grubości 1-2 " iiew mieszanką traw ziemi rodzajnej " "0.1 Fot. 8 i 9. Badanie wytrzymałości na przepuklenie i przebicie z różnymi podłożami: próbka przed badaniami; próbka zniszczona po wykonaniu badań Zasady eksploatacji uszczelnień Eksploatując uszczelnienia foliowe należy przestrzegać zasad takich, jakie obowiązują przy eksploatacji budowli hydrotechnicznych: Tabela l. Orientacyjne wartości kąta tarcia (badania własne) Na sucho W wodzie piasek żwir beton beton piasek żwir piasek żwir piasek żwir piasek żwir PE-0,2 20-22 21,8 26,1 25,8 33,1 15 25,3 E-0,036 20,5-23,6 22,6-26 19,2 28,8 18,8 23,5 PCW-1 25 27 22 22,6 PCW-2 Grunt 24,2 32 26,5 39,5 21,2 32 24,5 39,5 Fot. 10. Badanie wytrzymałości na ścinanie próbki elementem betonowym Gospodarka Wodna nr 12/2004 513

Fot. 11 i 12. Badanie kąta tarcia gruntu po folii w laboratorium., : - ' - ^ HB i : : i "!! - -... ^ Fot. 14. Badanie kąta tarcia gruntu po folii na doświadczalnym w terenie stanowisku Fot. 13. Badanie współczynnika tarcia gruntu po folii metodą wyciągania paska folii ze skrzynki z gruntem n pierwsze piętrzenie powinno być przeprowadzone w sposób powolny i równomierny, n każde obniżenie i podwyższenie piętrzenia nie może być również przeprowadzone w sposób gwałtowny, n obserwowanie istniejącego zabezpieczenia uszczelnienia przed falowaniem-o ile stwierdzi się ubytki, należy je odpowiednio uzupełnić, na przykład płytami betonowymi, narzutem kamiennym (ułożonymi oczywiście na warstwie przejściowej), n zainstalowanie, w rejonie uszczelnień, aparatury kontrolno-pomiarowej określającej wielkości odkształceń budowli i zjawisk filtracyjnych, n okresowe przeglądy budowli uszczelnianych foliami, n w przypadku nieprawidłowej pracy uszczelnień, pilne wykonanie napraw. Najczęściej popełniane błędy 19HHRHHHI : ; y lenia skarp do rodzaju gruntu Po dużych powodziach na Wiśle (1997 i 2001), postanowiono wykonać uszczelnienie folią polimerową lewego wału Wisły Środkowej na długości ok. 35 km. Na niektórych odcinkach wał jest zbudowany z gruntów gliniastych. Powinno się na tych właśnie odcinkach zastosować przysypkę, a może nawet podsypkę z gruntów przepuszczalnych i dostosować nachylenie uszczelnianej skarpy do wymaganego przez materiały foliowe kąta tarcia zastosowanego gruntu po użytej folii. Przewidziano jednak inne rozwiązanie. Zdjęto ze skarpy odwodnej wału warstwę gruntu o grubości przewidzianej na przysypkę uszczelnie- 514 Gospodarka Wodna nr 12/2004

Fot. 15, 16. Badania kąta tarcia gruntu po folii na stanowisku terenowym (na skarpie zbiornika wodnego Czaniec) Przygotowanie do wykonania badania Stan skarpy po jej nawodnieniu i odwodnieniu nią, ułożono na tak przygotowanej skarpie folię i przysypano ją zdjętym ze skarpy gruntem. W efekcie na wielu odcinkach nastąpiło zsunięcie się przysypki po płaszczyźnie folii, co można zaobserwować na zdjęciach (fot. 17- -19). Popełniono błąd polegający na niedostosowaniu nachylenia skarpy przebudowanego wału do kąta tarcia gruntu po folii. Brak trwałego połączenia styków folii i złe połączenie folii z konstrukcjami betonowymi, zastosowanie niewłaściwego rodzaju folii Znaczne ilości uszczelnień folią polimerową w Polsce wykonano uszczelniając strefy przed zaporą główną i zaporami bocznymi przy zastosowaniu folii polietylenowej PCW - 0,2 mm. Jest to folia używana w ogrodnictwie i ma taką zaletę, że jest dostarczana w postaci rękawów, które po rozcięciu dają arkusz o szerokości do 12 m i dowolnej długości. W ten sposób przy jej stosowaniu unika się dużej ilości styków z sąsiednimi arkuszami. Natomiast wadą, z punktu widzenia zastosowania w budownictwie wodnym, jest jej ciężar objętościowy, który jest mniejszy od wody. Powoduje to odrywanie się ułożonego uszczelnienia od podłoża mimo obciążenia przysypką z gruntu. Podczas 15-letniej eksploatacji zaobserwowano początkowo zwiększonąfiltrację przez podłoże i korpusy zapór, co można wytłumaczyć przeciekami przez styki arkuszy wykonane na zakład oraz mało precyzyjnymi połączeniami folii ;-. : - -T^ : -..^,,. ' '" ^HMnglH Fot. 17, 18. Szczegóły uszkodzeń wału przeciwpowodziowego z uszczelnieniem foliowym Fot. 19. Widok pękniętego wału przeciwpowodziowego uszczelnionego folią Gospodarka Wodna nr 12/2004 515

Fot. 20, 21, 22, 23. Odkryta folia po 15 latach eksploatacji z konstrukcją betonową ekranów wykonanych na skarpach omawianych zapór. Ilustracją obecnego stanu uszczelnień foliowych są zdjęcia (fot. 20-23), wyko- Fot. 24. Zniszczone uszczelnienie foliowe przez falowanie na brzegu zbiornika wodnego nane po odkryciu tych uszczelnień. Z czasem filtracja wydatnie się zmniejszyła, co można przypisać procesom kolmatacji uszczelnionych powierzchni. Brak zabezpieczenia uszczelnienia przed falowaniem Na f ot. 24 przedstawiono skarpę zbiornika wodnego uszczelnionego folią w strefie wahań wody. Szerokość zbiornika, w tym miejscu wynosząca ok. 3 km, umożliwiła swobodny rozbieg fali, co w konsekwencji doprowadziło do rozmycia przysypki nad folią wykonanej ze żwiru mimo dość dużej średnicy ziaren i zniszczenia uszczelnienia foliowego. Dopiero po zastosowaniu w tym miejscu umocnienia z płyt betonowych na włókninie proces ten został powstrzymany. Wnioski n W Polsce od ponad trzydziestu lat stosuje się do uszczelnień folie polimerowe. Początkowo były to uszczelnienia dużych powierzchni (Sulejów 92 ha, Jeziorsko 230 ha, Chańcza na Czarnej Staszowskiej 2,5 ha) stref przyzaporowych zbiorników wodnych. Następnie wykonano wiele uszczelnień skarpowych (zapora czołowa zbiornika wodnego Poraj na Warcie, uszczelnienie wałów przeciwpowodziowych i zbiorników kopanych). 516 Gospodarka Wodna nr 12/2004

n Nie wszystkie jednak wykonane uszczelnienia w pełni spełniły wymagania projektowe. n Wynikało to z popełnienia przy projektowaniu, wykonawstwie i eksploatacji tak uszczelnionych budowli podstawowych błędów takich, jak: - użycie niewłaściwych folii (lżejszej od wody bez odpowiednich obciążników), - nieuwzględnienie w uszczelnieniach skarpowych rzeczywistego kąta tarcia gruntów współpracujących z folią, - złe dobranie rodzaju folii do gruntu, który ma ona uszczelnić, - zastosowanie złych metod wykonawczych (mało precyzyjne układanie folii pod wodą, brak trwałych połączeń pomiędzy sąsiednimi arkuszami folii, złe połączenia folii z konstrukcjami sztywnymi (beton, stal), brak zabezpieczenia uszczelnień przed falowaniem). n Eliminując przedstawione mankamenty można z powodzeniem stosować krajowe i zagraniczne folie polimerowe w budownictwie wodnym. n Uszczelnienie foliami jest tanie i proste w wykonaniu, a przy właściwej ich eksploatacji osiąga znaczną trwałość. LITERATURA 1. Z. AMBROŻEWSKI: Metodyka badań ważniejszych właściwości folii polimerowych do uszczelnienia zapór. (Pr. doktor.). Wydział Melioracji Wodnych SGGW AR w Warszawie 1984. 2. Z. AMBROŻEWSKI: Metodyka badań ważniejszych właściwości folii polimerowych do uszczelnienia zapór wraz z instrukcją badań. Materiały Badawcze Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej. Seria Inżynieria Wodna 5. Warszawa 1988. 3. Z. AMBROŻEWSKI: Monografia zbiornika wodnego Sulejów. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności Warszawa 1980. 4. Z. AMBROŻEWSKI: Uszczelnienia ziemnych budowli piętrzących foliami polimerowymi w Polsce. Problemy badawcze, projektowe, wykonawcze i eksploatacyjne. Referat na sympozjum, Geomembrany na obiektach hydrotechnicznych energetyki wodnej - Dychów 3.06.2003. 5. Z. AMBROŻEWSKI: Zastosowanie folii polimerowych w obiektach ochrony przeciwpowodziowych w Polsce. Materiały Sympozjum Ogólnopolskiego Hydrotechnika VI' 2004. Powodzie: przyczyny, skutki i zapobieganie. Ustroń 25-27. 05.2004. 6. Z. AMBROŻEWSKI, W. JANKOWSKI: Kompleksowy projekt nowego lewego wału rzeki Odry w rejonie miejscowości Wężyska-Chlebowo (województwo lubuskie). Materiały z konferencji Akademii Rolniczej we Wrocławiu, Instytutu Inżynierii Środowiska. Wrocław-Lądek Zdrój 26-28.05.2003. 7. Z. AMBROŻEWSKI, W. JANKOWSKI: Kompleksowy projekt nowego lewego wału rzeki Odry w rejonie miejscowości Wężyska-Chlebowo. Gosp. Wodn. nr 2/2004. 8. Z. AMBROŻEWSKI, W. JANKOWSKI: Projekt wykonawczy nowego lewego wału rzeki Odry w rejonie miejscowości Wężyska-Chlebowo. IMGW OTKZ. Warszawa 1999. 9. Z. AMBROŻEWSKI, T. RESZKAJ: Projekty wykonawcze zabezpieczenia przeciwpowodziowego prawego obwałowania rzeki Wisły oraz obwałowań rzek Gróbki, Uszwicy, Dunajca i Kisieliny. Samodzielna Pracownia Technicznej Kontroli Zapór w Dobczycach - IMGW O/Kraków. 1998-2001. 10. Biuro Projektów Hutnictwa w Katowicach. Projekt techniczno-roboczy zapory czołowej w Poraju. 1974. 11. Hydroprojekt Poznań. Projekty techniczno-robocze uszczelnień folią stref przyzaporowych zapory czołowej i zapór bocznych. 1980. 12. Hydroprojekt Warszawa. Projekt technicznoroboczy uszczelnień folią strefy przyzaporowej zbiornika Sulejów. 1970. 13. Norma Branżowa nr BN-87/8955-02. Budownictwo Hydrotechniczne, uszczelnienie zbiorników wodnych folią polimerową, projektowanie, warunki techniczne wykonania i odbioru. Dz. Norm. i Miar nr 14/1987, póz. 36 i Dz. Norm. i Miar nr 5/1988, póz. 12. 14. J. WISŁAWSKI, J. BOROWSKA: Tymczasowe wytyczne projektowania i wykonywania uszczelnień z folii polimerowych. COBR Energopol. Warszawa 1982. D SWISTAWKI i GŁĘBOKOSCIOMIERZE HYDROGEOLOGICZNE 1 _i f or» c KTisP R 4", 6o-601 POZNAŃ, ul. Grudzieniec 12,. s, e-mail: wektor@swistawka.pl tel. 061/848 47 59 fax 061/847 94 67 www.swistawka.prv Gospodarka Wodna nr 12/2004 517