Piotr Jermołowicz Inżynieria Środowiska Szczecin Umocnienia brzegowe i denne. Umocnienia brzegowe i denne oznaczają budowle, których podstawowym zadaniem jest ochrona profilu cieku wodnego w określonych granicach. Działanie erozyjne wody ma dwa główne składniki. Jeden z nich to wypłukiwanie i następnie unoszenie w formie rumoszu ziarn, które ma miejsce, gdy prędkość przepływu wody przekracza pewną wartość krytyczną, zależną od wielkości uziarnienia. Z reguły przy niekontrolowanym przebiegu tego procesu powstają osuwiska lub spływy i osuwy. Drugi składnik to falowanie eoliczne i rozmycie wywołane przez strumienie wody od śrub napędowych statków. Działanie falowania eolicznego (wiatrowego) i od przepływających statków szczególnie niszczy nieumocnione brzegi w zakresie stanów średnich wód. Obciążenia dynamiczne od falowania może przejąć tylko odpowiednio zaprojektowane umocnienie. Uzyskuje się to dzięki podtrzymywaniu brzegów i materiałów dennych. Materiał denny składa się przede wszystkim z torfu, piasku lub pyłu, czyli materiałów luźnych, ziarnistych lub spoistych, mniej lub bardziej podatnych na erozję. Erozja może być spowodowana nie tylko działaniem fal i prądów, ale również napływem wód powierzchniowych i/lub gruntowych z lądu. Spływ powierzchniowy może doprowadzić do silnego zerodowania konstrukcji ochronnej, zwłaszcza w miejscach ze słabym drenażem lub bez drenażu. Ponadto należy uwzględnić wszelkie nietypowe obciążenia, związane z warunkami atmosferycznymi, różnymi odpadami niesionymi z prądem, rekreacją, wandalizmem i katastrofami. Do dodatkowych funkcji umocnień brzegowych należą: wartości ekologiczne, funkcja rekreacyjna i ochrona krajobrazu; oznakowanie dla żeglugi; funkcja hydrauliczna związana z szorstkością profilu. Aby móc pełnić te wszystkie funkcje, brzeg z reguły musi być pokryty okładziną. Głównymi elementami tej okładziny (rys. 1) są wierzchnia warstwa okrywowa, warstwa filtracyjna, a czasem również jedna lub więcej warstw pośrednich. Wierzchnia warstwa, która w szczególności musi wytrzymywać zewnętrzne siły działające na budowlę, może być wykonana z różnych materiałów lub ich połączeń.
górny poziom, zależny od WWW i wysokości fal SW (średnia woda) stopień poziom dolnej krawędzi, zależny od zjawisk hydrologicznych i użytej maty warstwa wierzchnia warstwa ochronna (niekoniecznie) geosyntetyki Rys. 1. Typowy przekrój poprzeczny umocnień brzegowych z filtrem geosyntetycznym.[4] Warstwa pośrednia może służyć jako warstwa przejściowa pomiędzy pozostałymi warstwami i/lub jako osłona warstwy filtracyjnej. Do wykonania tej warstwy również można wykorzystywać różne materiały. Warstwa filtracyjna może składać się z materiałów następującego typu: a) Filtry ziarniste: luźne ziarna, spajane ziarna, ciasno ułożone kamienie. b) Filtry włókniste: materiały syntetyczne i naturalne. Filtry ziarniste (a). Do filtrów ziarnistych należą na przykład warstwy piasku lub żwiru (luźnego), asfaltu piaskowego lub kamienne warstwy filtracyjne. Ogólnie rzecz biorąc, filtry ziarniste mają następujące zalety: w określonych okolicznościach same się naprawiają ; ich elementy są przeważnie bardzo trwałe; dobrze przylegają swoją powierzchnią do warstw położonych wyżej i niżej; łatwo jest je naprawić. Ewentualną wadą może być większa wysokość budowli, kompensująca: zmienny rozkład uziarnienia materiału filtracyjnego i zmienną grubość tej warstwy; nieznajomość wielkości porów; brak kontroli nad gotowym produktem. Filtry włókniste (b). Filtry włókniste mogą się składać z materiałów syntetycznych (geosyntetyki) lub naturalnych (np. klasyczne maty wiklinowe lub sizalowe). Geosyntetyki charakteryzują się następującymi zaletami: mała wysokość konstrukcji; wytrzymałość materiału na rozciąganie w płaszczyźnie; są stosunkowo niedrogie. Do ewentualnych wad należą: niepewność przy ekstrapolacji zachowania w długim okresie czasu; połączenia - szczególnie z gruntem podłoża - należy wykonać bardzo starannie;
geosyntetyki a łatwo jest uszkodzić, a raczej trudno naprawić; geosyntetyki nie poddają się nierównomiernemu osiadaniu tak dobrze jak filtry ziarniste. Głównym zadaniem konstrukcji filtracyjnej w umocnieniach brzegowych i dennych jest zatrzymywanie materiałów podłoża bez nadmiernego, niedopuszczalnego wzrostu ciśnienia porowego. Oznacza to, że przez cały okres eksploatacji konstrukcja powinna przepuszczać wodę, bez ubytku materiału z podłoża. Filtr może również pełnić rolę separacji pomiędzy warstwami oraz zbrojenia gruntu. Aby filtr mógł spełniać te funkcje, trzeba sformułować założenia dotyczące zdolności do nieprzepuszczania ziaren gruntu, wodoprzepuszczalności, wytrzymałości materiału itp. Aby ocenić te właściwości, zastosować można wiele różnych kryteriów. Kryteria determinuje wiele ogólnie obowiązujących procedur badawczych. Zależą od konkretnych warunków użytkowania danej budowli. Opisując funkcję, użyto określenia niedopuszczalny w odniesieniu do stateczności konstrukcji, która musi zostać zachowana przez cały okres eksploatacji. Oznacza to, że : przemieszczenia części wierzchniej warstwy lub innych elementów konstrukcji muszą być w zasadzie minimalne lub w ogóle nie występować, w zależności od projektu i przyjętej filozofii konserwacji. W rzeczywistości to projektant ustala, co jest dopuszczalne, a co nie, należy w miarę możliwości unikać wypłukiwania materiału dennego. Nie może dochodzić do nadmiernego, niedopuszczalnego osiadania, geosyntetyki nie mogą stanowić płaszczyzny poślizgu. Zatopione materiały nie mogą ani częściowo, ani w całości ześlizgiwać się wzdłuż płaszczyzny geosyntetyków, natomiast same geosyntetyki nie mogą ślizgać się po podłożu, budowla nie może się podnosić, należy zapewnić odpowiednią odporność na wszelkie obciążenia (chemiczne, biologiczne i mechaniczne) mające wpływ na długość okresu eksploatacji. Główne kategorie zmiennych podstawowych to wytrzymałość i obciążenie. Wytrzymałość materiału i geometria budowli należą do kategorii wytrzymałość lub odporność. Należy tu uwzględnić takie parametry, jak wytrzymałość materiału na rozciąganie, właściwości cierne gruntu, wysokość nasypu oraz grubość warstwy ochronnej. Podstawowe zmienne stanowiące warunki brzegowe dla konstrukcji to nachylenia skarp, szybkości prądów, naprężenia rozciągające i zanieczyszczenia. Lokalizacja budowli to ważny aspekt projektowania elementów filtracyjnych w umocnieniach brzegowych lub dennych. Można tu wyróżnić kilka elementów, takich jak: brzeg (sposób użytkowania, wymiary), ruch statków (natężenie, osiągane prędkości, wymiary statków), poziom wód przy brzegu, różnice poziomu wód w cieku wodnym i w gruncie, różne alternatywy realizacji oraz względy ogólnoekonomiczne. Brzeg. Funkcje brzegu, a także drogi wodnej i cieku wodnego, muszą zostać określone przez projektanta i/lub późniejszego zarządcę. W związku z tym należy zwracać szczególną uwagę na ewentualne przyszłe zmiany funkcji, spowodowane na przykład rozwojem infrastruktury.
Żegluga. Wiele istotnych informacji o żegludze pozwala ustalić granice hydrauliczne dla geosyntetyków (głównie informacje o typach statków i natężeniu ruchu). Różnica poziomów wód pomiędzy drogą wodną a wodami gruntowymi. Poziom wód gruntowych i poziom wód w cieku wodnym mogą się znacznie od siebie różnić. Takie różnice poziomów mogą być spowodowane wykopami w okolicy cieku wodnego, podwyższeniem terenu lub położeniem w pobliżu zapory. Podłoże. Informacje o podłożu muszą obejmować dane o układzie warstw i właściwości fizyko-mechaniczntch (wykresy z analizy sitowej, charakterystyczne wielkości ziaren) oraz powiązaną z nimi wodoprzepuszczalność. Ważna jest również kohezja (determinująca własności wiążące gruntu) oraz kąt tarcia wewnętrznego (determinujący odporność na ścinanie). Przeważnie należy również uwzględnić fakt, że podłoże nie jest jednorodne. Takich informacji powinny dostarczyć dokładne badania gruntu z wierceniami i sondowaniem. Gradient i(-) można określić jako iloraz różnicy pomiędzy wysokością ciśnienia w dwóch punktach oraz odległością L (m) pomiędzy tymi punktami. Można tu wyróżnić składowe i x, i y i i z (rys.13). W większości sytuacji występują wszystkie trzy składowe. Do przykładowych sytuacji, w których dominują gradienty równoległe do geosyntetyków należą nabieganie fal, fale rufowe, odpływ opadów oraz wody gruntowe spływające po skarpach nad wodą. Do przykładowych sytuacji, w których dominują gradienty prostopadłe do geosyntetyków należą woda przesiąkająca przez wały oraz odwodnienie skarp. Rysunek 2. Składowe gradientu hydraulicznego w umocnieniach brzegowych.[4] Zachowanie gradientu w granicach budowli oraz związanego z nim gradientu pojedynczej warstwy zależy od: prędkości, z jaką następuje całkowity spadek. Im szybciej spada poziom wody w otwartym cieku wodnym, tym większe będą miejscowe straty ciśnienia; współczynnika filtracji wszystkich warstw, w tym również geosyntetyków; grubości poszczególnych warstw.
Na powstanie sił wyporu wpływa wiele różnych czynników: wysokość, czas trwania i forma zmiennych w czasie warunków brzegowych, takich jak wezbrania sztormowe i pływy w pobliżu wału oraz warunki panujące za budowlą (poziom wody w polderach, poziom rowów drenażowych itp.); wodoprzepuszczalność i różnice w wodoprzepuszczalności gruntów w budowli i pod nią; geometria: wymiary, skarpa wału, stopnie, poziom podnóża; chłonność wodna podłoża gruntowego; poziom przedbrzeża przed wałem; położenie wszelkich warstw nieprzepuszczalnych, np. iłu, w podłożu; długość ścianki szczelnej u podnóża skarpy; obecność i rodzaj systemu drenażu w podnóżu lub w innym miejscu budowli. a = siły spowodowane opadaniem fal b= siła wyporu związana z obecnością wody w filtrze c= siły wyporu związane z nadchodzącym czołem fali d= zmiana pola prędkości e = uderzenie fali f = siła wyporu związana z masą wody opadającą na skarpę g = podciśnienie na skarpie związane z uwięzionym powietrzem h = siły wywołane przez nabieganie fal Rys.3. Schematyczna ilustracja mechanizmów zniszczenia umocnień skarp.[4] Siły wyporu powodowane przez fale. Fale uderzające w budowlę mogą powodować wiele różnych zjawisk hydraulicznych, skutkujących zmianą profilu fali i rozproszeniem jej energii. Do najważniejszych procesów należą załamywanie, nadbieganie, opadanie i odbijanie fal, które powodują powstawanie sił działających na umocnienia. Siły działające na nachylone umocnienia skarpy pokazano na rys. 3. Wielkość wyporu zależy od wysokości fal, wodoprzepuszczalności wierzchniej warstwy, wodoprzepuszczalności geosyntetyków oraz wodoprzepuszczalności spodniej warstwy.
Na podstawie doświadczeń i obliczeń opracowano wiele nomogramów i wzorów ustalających zależność pomiędzy wodoprzepuszczalnością kilku warstw, wysokością fal a siłami wyporu. W większości przypadków geosyntetyki służą zapobieganiu erozji niespoistej warstwy gruntu. Jednak nawet grunt spoisty może czasem ulegać erozji. Tab.1. Współczynniki filtracji k dla różnych rodzajów gruntu. Materiał Przybliżone wartości współczynnika filtracji (m/s) Ił od 10-8 do 10-12 Torf od 10-7 do 10-9 Piasek ilasty od 10-5 do 10-8 Miałki piasek od 10-4 do 10-6 Średnio miałki piasek od 10-3 do 10-5 Gruby piasek od 10-2 do 10-4 Żwir od 10-1 do 10-3 Wapień od 10-6 do 10-9 Piaskowiec od 10-5 do 10-8 Wodoprzepuszczalność geosyntetyków jest związana z przepływem przez budowlę, czyli prędkością filtracji v. Można wyróżnić: a) sytuacje, w których geosyntetyki dobrze przylegają do chronionej warstwy; b) sytuacje, w których występują puste przestrzenie, takie jak dziury czy kanały itp. Dobre przyleganie (a). Tutaj przepływ właściwy przez geosyntetyki q jest równy przepływowi z podłoża materiału dennego, kiedy przepływ wód gruntowych następuje wyłącznie prostopadle do płaszczyzny geosyntetyków: q g (geosyntetyki) = q b (materiał denny) Wówczas nie dojdzie do erozji, o ile zapewniona zostanie odpowiednia zdolność do nieprzepuszczania ziaren piasku. Obciążenia działające na umocnienia brzegowe lub denne można sklasyfikować w następujący sposób: a) Obciążenia hydrauliczne. Wyróżniamy obciążenia wynikające ze stałego lub mało zmiennego w czasie ruchu wody (np. przepływy w rzekach i kanałach, wezbrania i przepływ wód gruntowych) oraz obciążenia wynikające z szybko zmieniającego się w czasie ruchu wody (fale wiatrowe, translacyjne, ruch wody wywoływany przez statki).
Dla geosyntetyków, które zazwyczaj stanowią zakryty element budowli, szczególnie ważne są zmienne wewnętrzne wynikające z obciążeń. Należą do nich: gradienty; nadciśnienie wody; wodoprzepuszczalność; szybkości filtracji; warunki przepływu. Zwłaszcza nadciśnienia powstałe wskutek wzrostu gradientu lub spadku przenikalności (wskutek zatkania lub zamulenia geosyntetyków) mogą doprowadzić do stanów granicznych, takich jak wypływanie na powierzchnię i poślizg. Jeżeli chodzi o umocnienia denne, zmienne zewnętrzne, takie jak prędkości prądów i fal, mogą doprowadzić do stanów granicznych łopotanie materiału lub niestabilność zakładek. Odgrywają one również pewną rolę przy zatapianiu i holowaniu na etapie budowy. b) Obciążenia mechaniczne, w odniesieniu do sił wpływających na stateczność całego brzegu. Do istotnych zmiennych należą: obciążenie z góry; naprężenia związane z ziarnami i wodą; zagęszczanie i osiadanie; odporność na ścinanie. Stanowiąc część konstrukcji, przy statecznym podłożu, geosyntetyki używane w umocnieniach brzegowych lub dennych nie muszą raczej przenosić żadnych obciążeń, ponieważ są osadzone pomiędzy wierzchnią warstwą a podłożem. W przypadku, gdy umocnienia brzegowe znajdują się na skarpie, geosyntetyki muszą przekazywać siłę ścinającą wywołaną przez wierzchnią warstwę do podłoża. Materiał musi wówczas charakteryzować się odpowiednią wytrzymałością. Jedynie w przypadku poślizgu dolnej części umocnień brzegowych, podczas gdy ich górna część pozostaje na miejscu, w warstwie geosyntetyków mogą powstać silne naprężenia rozciągające (np. podczas budowy). Współczynniki tarcia pomiędzy wierzchnią warstwą a geosyntetykami oraz pomiędzy geosyntetykami a podłożem mają duże znaczenie dla tych stanów granicznych. Położenie płaszczyzny poślizgu wyznacza stan równowagi. Jeżeli wskutek osiadania, wykopów czy występowania pojedynczych kamieni dojdzie do odkształceń gruntu, mogą powstać miejscowe obciążenia mechaniczne. Na etapie budowy takie odkształcenia mogą być spowodowane przez maszyny budowlane oraz układanie materiałów. Wprowadzenie kryterium wyporu ma na celu zapobieganie wypieraniu konstrukcji geosyntetycznej. Innymi słowy, nie powinny powstawać siły wypychające konstrukcję do góry.
Dlatego maksymalne ciśnienie wody F w nie może przekraczać składowej wyporności G prostopadłej do skarpy (rys.4): zatem: gdzie : F W = siła wyporu wody (N/m 2 ) Δh g = różnica wysokości ciśnienia hydraulicznego w geosyntetykach (m) ρ w = gęstość wody (kg/m 3 ) ρ t' = gęstość wierzchniej warstwy pod wodą = (ρ s - ρ w)(1 - n) (kg/m 3 ) ρ s = gęstość kamieni (kg/m 3 ) n = porowatość (-) g = przyspieszenie ziemskie (m/s 2 ) α = kąt nachylenia skarpy (w stopniach) Rys. 4. Wypór wierzchniej warstwy. W takim stanie równowagi zakładamy, że różnica wysokości ciśnień w wierzchniej warstwie jest nieistotna w stosunku do różnicy wysokości ciśnień w całych geosyntetykach. Ponieważ w tym przypadku kryterium poślizgu nie może zostać spełnione, w materiale mogą powstać naprężenia rozciągające i ściskające. Jeżeli mata nie będzie podtrzymywana, na przykład przez konstrukcję u podnóża, w geosyntetykach powstaną naprężenia, które nie mogą przekroczyć maksymalnych dopuszczalnych naprężeń w materiale. Wymagania wobec geosyntetyków związane z transportem materiału to przede wszystkim odpowiednia zdolność do nieprzepuszczania ziaren gruntu oraz zapewnienie odpowiedniego przylegania warstw. Niemniej jednak należy wybierać takie geosyntetyki, które nie rozedrą się wskutek miejscowej erozji.
Naprężenia rozciągające geosyntetyki można ostrożnie oszacować za pomocą równania linii łańcuchowej. Można je wykorzystać w przypadkach działających miejscowo obciążeń szczytowych spowodowanych przez osiadające kamienie oraz w przypadkach, gdy geosyntetyki są rozpięte nad pustą przestrzenią ( rys.5). Rys.5. Naprężenia rozciągające spowodowane przez osiadające kamienie i puste przestrzenie pod geosyntetykami. W procesie projektowania i analiz należy każdorazowo ustalić, czy erozja jest wynikiem przepływu laminarnego, obejmującego przemienne kierunki przepływu, tj. warunków statycznych. Może się zdarzyć, że erozja jest wynikiem przepływu turbulentnego, działania fal lub pompowania i wtedy mamy do czynienia z warunkami dynamicznymi. Przykład obliczeniowy [3] Przedstawiony sposób projektowania odnosi się zasadniczo do gruntów najbardziej wrażliwych na erozję piasków i piasków pylastych oraz do systemów ochronnych podobnych do podanego na rys. 6. Rys.6. [3]
1. Maksymalny wymiar 0 90 filtru geosyntetycznego a) grunty niespoiste Określa się wskaźnik różnoziarnistości U = $ %& $ '& warunki statyczne Jeżeli U 5 Jeżeli U 5 to O 90 < 10 d 50 to O 90 < 2,5 d 50 oraz O 90 < d 90 oraz O 90 d 90 warunki dynamiczne O 90 < d 90 stąd wynika maksymalny rozmiar O 90. b) grunty spoiste Zarówno warunki dynamiczne, jak i statyczne: O 90 < 10 d 50 oraz O 90 d 90 i O 90 100µm stąd wynika maksymalny rozmiar O 90. 2. Dobór materiału filtru geosyntetycznego a) Geotkaniny Jeżeli η w k g > k s to k g jest wystarczający; gdzie: η w współczynnik redukcji wodoprzepuszczalności dla geotkanin, k g wodoprzepuszczalność materiału [m/s]. Współczynnik η w odczytuje się z nomogramu ( rys.7) na odpowiedniej linii d 10. Rys.7. [3]
b) Geowłókniny i geokompozyty (geowłókniny na podkładzie tkanym) Jeżeli η w k g > k s to k g jest wystarczający; gdzie η w współczynnik redukcji wodoprzepuszczalności dla geowłóknin. Jeśli O 90 < 0,5 d 10 to η w = 1. Jeśli O 90 > 0,5 d 10 oblicza się wartość ( ) * +,-.& gdzie : n porowatość materiału, t grubość materiału [m] pod naciskiem 2 kn/m 2, O 90 średnica [m], od której jest mniejsze 90% porów materiału geosyntetycznego Współczynnik η w odczytuje się z nomogramu (rys.8) Rys.8 [3] Określenie potrzebnego umocnienia: Opisywane rozwiązania dotyczą luźno sypanych kamieni na odpowiedniej podsypce. Istnieją systemy z połączonych elementów prefabrykowanych np. materace betonowe, które nie wymagają warstwy podsypki. a) umocnienie przed działaniem falowania Dla przewidywanej wysokości fal odczytuje się z nomogramu ( rys.9) - ciężar kamienia narzutowego W [ kn] w funkcji wysokości fali H [m]) potrzebny ciężar kamienia w umocnieniu przy odpowiednim kącie pochylenia skarpy. Wykres ten opracowano zakładając następujące właściwości: γ s - ciężar właściwy skały 27,3 kn/m 3, G s bezwymiarowy ciężar właściwy skały 2,73, K Δ - współczynnik zniszczenia 3,2 tj. brak uszkodzenia, fale nie przelewają się przez krawędź skarpy, β kąt pochylenia skarpy.
Rys.9. [3] b) Umocnienie przed działaniem prądu wody Dla przewidywanej prędkości przepływu odczytuje się z nomogramu ( rys.11): Zależność ciężaru kamienia narzutu od prędkości przepływu) wymagany ciężar kamieni w [dan] przy odpowiednim charakterze przepływu. Zastępcza średnica kamienia wynosi: D 0 = 3 7w 10 78 [m] gdzie: w = ciężar kamienia [dan]. Narzut powinien być układany w dwóch warstwach do łącznej miąższości 2 x D e.
Rys.10. Rozmiar kamienia narzutowego w zależności od prędkości przepływu wody [5] Rys.11. [3]
Określenie potrzebnej podsypki: Warstwa ta nie zawsze jest konieczna szczególnie gdy narzut układany jest ręcznie lub odbudowa skarpy wykonywana jest z prefabrykatów. Głównym zadaniem podsypki jest utworzenie warstwy pośredniej pomiędzy narzutem a filtrem, a więc także ochrona filtru przed uszkodzeniem. Średnica ziaren (podsypki) d100 < 0,5 De (narzutu) miąższość podsypki De (narzutu). Rys.13. Wymiarowanie luźnego narzutu kamiennego w zależności od falowania ( wg Kniess a) [2] Rys.12. Wymiarowanie luźnego narzutu kamiennego w zależności od szybkości prądu wody (wg Kniess a)[2] W przypadku skarp odwodnych największe zniszczenia wynikają z procesów falowania. Część skarpy położona w strefie zmian poziomu wody w zbiornikach nazywa się pasem środkowym i jest najbardziej narażona na zniszczenia. Pas środkowy jest to powierzchnia liczona od rzędnej wtaczania się fali do głębokości równej podwójnej wysokości fali poniżej poziomu minimalnego. W związku z powyższym, w pasie środkowym stosuje się ciężkie umocnienia w postaci narzutów kamiennych, płyt betonowych, żelbetowych lub materacy w postaci połączonych ze sobą bloczków betonowych.
Wszelkie umocnienia muszą wystawać ponad górny poziom wody (zgodnie z przyjętą klasą budowli lub drogi wodnej). Tab. 2. Minimalne charakterystyki narzutu kamiennego Max. Wysokość fali d 50 [m] [m] Grubość narzutu [m] 0 0,31 0,31 0,61 0,61 1,22 1,22 1,83 1,83 2,44 2,44 3,05 0,20 0,25 0,31 0,38 0,46 0,62 0,31 0,38 0,46 0,61 0,76 0,91 Ważność tab.2 założono dla nachyleń skarp w zakresie 1:4 1:2, wykres uziarnienia ciągły w zakresie d max = 1,5 d 50 i d min = 2,5 cm. Całość należy rozpatrywać w kategorii filtru odwrotnego. Tab. 3. Charakterystyka warstwy filtracyjnej pod narzutem kamiennym Max. wysokość fali [m] D 85 większe niż [m] Min. grubość filtru [m] 0 1,22 1,22 1,83 1,83 2,44 2,44 3,66 0,025 0,038 0,038 0,051 - - 0,15-0,23 0,31 Tab. 4. Maksymalne wartości sił erozyjnych dla różnych gruntów i umocnień Rodzaj materiału Siła poruszająca S [kn] P d P s P r 0,2 0,4 mm 0,4 1,0 mm 1,0 2,0 mm 0,18 0,20 0,25 0,30 0,4 P r G p Ż zagęszczony 5 15 mm 0,80 1,0 1,1 - Ż zagliniony Ż 4 50 mm Płaskie kamienie rzeczne o grubości 10 60 mm 1,25 1,50 do 2 4,80-5,60
Darniowanie krótko po wykonaniu Porost traw po dłuższym okresie Narzut kamienny w płotkach Bruk w płotkach Wyściółka faszynowa Faszynada obrukowana 2 3 1,5 1,8 4 4 7 16 Przykład obliczeniowy[3] Rzeka płynie uformowanym korytem, przepływ jest laminarny. Prędkość wody osiąga 3 m/s. Skarpa rzeki o pochyleniu około 1 : 2 zbudowana jest z piasku pylastego o współczynniku filtracji około 10-5 m/s i charakterystycznych rozmiarach ziarn: d 10 = 0,06 mm, d 50 = 0,20 mm, d 60 = 0,25 mm, d 90 = 0,80 mm. Jakie są wymagane parametry materiału geosyntetycznego, podsypki i narzutu? a) Zaprojektowanie materiału geosyntetycznego Grunt niespoisty, warunki statyczne U = $ %& = 9,;< = 4,1 $ '& 9,9= 2,5 x d 50 = 0,5 d 90 = 0,8 Zatem maksymalny wymiar O 90 = 0,5 mm. Dobór odpowiedniego materiału: dla geotkaniny o wartości k g = 2 x 10-4 odczytujemy η w = 0,09 η w k g = 0,09 x 2 x 10-4 = 1,8 x 10-5 m/s tj. nieco więcej niż współczynnik k s = 10-5 m/s. Materiał geosyntetyczny jest właściwy. z rys.18 b) Zaprojektowanie narzutu Z rys.20 dla przepływu laminarnego o prędkości 3 m/s przyjęto z pewnym zapasem narzut z kamieni o ciężarze 20 dan D 0 = 3 7 20 10 78 = 355 mm Przyjęto całkowitą miąższość narzutu > 710 mm c) Warstwa podsypki Średnica d 100 < 0,5 x 355 < 355 mm, przyjęto miąższość 355 mm.
Przyjęte rozwiązanie : Materiał geosyntetyczny: geotkanina O 90 500µm co najmniej k g = 2x 10-4 m/s Warstwa podsypki : kamienie do 175 mm miąższość co najmniej 355 mm. Narzut: kamienie 20 dan (0,2 kn) miąższość co najmniej 750 mm W śródlądowych drogach wodnych głównymi przyczynami erozji są prąd przepływu wody i ruch statków. Jeżeli te zjawiska można wyrazić za pomocą prędkości strugi to ogólną ocenę podatności na erozję dna i brzegów drogi wodnej można przedstawić w formie rys. 14. Posługując się rys. 14 warto odnotować, że gruntem najłatwiej ulegającym erozji jest piasek już przy prędkości przepływu około 20 cm/s (0,2 m/s) następuje transport. Rys.14. [3] W celu maksymalnego ograniczenia erozji, brzegi i dno dróg wodnych muszą być zabezpieczane narzutem z kamieni o ciężarze i rozmiarach wystarczających, aby oprzeć się działaniu strumienia wody w ten sposób, że narzut zbudowany jest z dwóch warstw kamieni, ułożonych na podsypce z drobniejszego kruszywa. Podsypka z kolei leży na filtrze geosyntetycznym, rozłożonym na odpowiednio przygotowanej powierzchni skarpy brzegu i dna.
Rys. 15. Przykład wadliwie zaprojektowanego umocnienia dna i skarp dla kanału o przepływie wody Q > 130 m 3 /s i prędkości wody v > 2,5 m/s. Przykłady prawidłowych rozwiązań. Rys. 16. Zabezpieczenie górnej części skarpy kanału z półką [1]
Rys. 17. Przykład zabezpieczenia mieszanego- górna część skarpy jest szczelna, a dolna występuje jako przepuszczalna ( port Rotterdam) [1] Rys.18. Przykład umocnienia skarp z zastosowaniem mat antyerozyjnych (port Hamburg) [1]
Rys. 19. Typowe rozwiązanie z osłoną przepuszczalną ( port Rotterdam ) [1] Rys. 20. Zabezpieczenie skarp geotkaniną z kieszeniami wypełnionymi kruszywem, a w górnej części materacami z bloczków betonowych.
Rys. 21. Zabezpieczenie skarp kanału przy gruntach słabych. Projektowanie filtrów z geosyntetyków, służących do ochrony przed erozją komplikuje fakt, że przepływ jest często turbulentny, a ponadto może zmieniać kierunek. Na przykład w kanale, w którym nie występują przepływy, poziom wody gruntowej w sąsiedztwie kanału będzie taki, jak poziom wody w kanale. Fala powstająca przy przejściu statku podnosi lokalnie poziom wody w kanale i wywołuje przepływ wody w gruncie w głąb obwałowania. Następnie przychodzący spód fali obniża poziom wody w kanale i powoduje odpływ wody z obwałowania w kierunku kanału. Z powodu zmiennego kierunku wody często nie jest możliwe powstanie sieci sklepień z ziarn gruntu przylegających do materiału geosyntetycznego. Wskutek tego nie może powstać w gruncie stabilny układ filtrujący. Stosowanie geotkanin i geowłóknin na filtry w budowlach dróg wodnych, skarpach przybrzeżnych i śródlądowych, gdzie podłoże budują piaski i piaski pylaste, które są szczególnie podatne na erozję, wiąże się z problemem projektowania filtru. Otwartość geosyntetyków jest wystarczająco mała, aby zapobiec dużym ubytkom ziarn i cząstek gruntu, a jednocześnie zachowuje dostatecznie dużą przepuszczalność przez cały okres jego użytkowania, zapobiegając tym samym wzbudzaniu zwiększonego ciśnienia spowodowanego falowaniem. Kryteria dla filtrów, które powinny zapewniać zatrzymanie drobnych cząstek i ziarn, można podsumować następująco: a) grunty niespoiste: warunki obciążenia statycznego Jeżeli U* 5 to O 90 < 10 x d 50 oraz O 90 < d 90 Jeżeli U* < 5 to O 90 < 2,5 x d 50 oraz O 90 d 90 gdzie U* oznacza wskaźnik różnoziarnistości definiowany jako d 60 /d 10
warunki obciążenia dynamicznego O 90 < d 50 b) grunty spoiste warunki statyczne/dynamiczne obciążenia O 90 < 10 x d 50 oraz O 90 d 90 i O 90 100µm Za warunki statyczne obciążenia uważa się przepływ laminarny, włączając zmiany kierunku przepływu. Dynamiczne warunki obciążenia są wytwarzane przez przepływ silnie turbulentny, działanie falowania oraz zjawisko pompowania. Dla obu wymienionych typów gruntów mogą występować odchylenia od powyższych kryteriów, w zależności od zawartości pyłów i wartości wskaźnika różnoziarnistości. Kryterium przepuszczalności wymaga, aby przepuszczalność geosyntetyków była zawsze większa od współczynnika filtracji k s chronionego gruntu obwałowania. Jeżeli w laboratorium jest mierzona przepuszczalność k g samego materiału geosyntetycznego, poddanego działaniu odpowiedniego naprężenia ściskającego, to może się ona wydawać wystarczająca tj. k g > k s. Jednak gdy geosyntetyki są umieszczane w kontakcie z gruntem, to ich przepuszczalność maleje. Wodoprzepuszczalność tkanin w kontakcie z gruntem maleje wskutek blokowania tj. zasłaniania bądź osadzania się ziarn i cząstek w otworach tkaniny. Zmniejszanie się wodoprzepuszczalności tkaniny może być wyrażone za pomocą współczynnika redukcyjnego η w, który jest funkcją przepuszczalności k g materiału oraz średnicy d 10 gruntu, który ma być filtrowany. Warunek przyjmuje wówczas postać: η w k g > k s Wartość współczynnika η w można odczytać z rys. 22 w zależności od wartości k g i d 10.
Rys.22. [3] W odróżnieniu od materiałów tkanych, wodoprzepuszczalność geowłóknin w kontakcie z gruntem maleje wskutek zatykania (kolmatacji), tj. osadzania się cząstek gruntu w strukturze przestrzennej materiału. Na zatykanie porów w geowłókninach mają wpływ: n porowatość materiału geosyntetycznego (typowo 0,8 do 0,9 dla geowłóknin igłowanych), t grubość materiału, mierzona pod naprężeniem ściskającym 2 kn/m 2, O 90 wymiar O 90 wielkości porów geowłókniny. Gdy przepuszczalność k g samej geowłókniny jest mierzona przy działaniu naprężenia ściskającego, zbliżonego do występującego w konstrukcji, to należy zastosować współczynnik redukcyjny dla włóknin η n i wówczas otrzymamy η n k g > k s Wartość η n można wyznaczyć z rys. 23, w zależności od wartości parametru k g 2 / n t O 90. W odniesieniu do geowłóknin stosuje się dodatkowe kryterium, stanowiące górne ograniczenie wartości współczynnika η n w przypadkach, gdy rozmiar O 90 jest mały w porównaniu do cząstek gruntu. Można je wyrazić następująco: jeżeli O 90 < 0,5 d 10 to przyjmuje się η n = 1.
Rys.23. [3] Erozja gruntu na ogół nie towarzyszy robotom inżynieryjnym. Jednak jest faktem, że zdjęcie gruntu rodzimego naturalnego pokrycia, takiego jak humus lub wyższa szata roślinna drzewa, krzewy może spowodować ogromny wzrost prędkości erozji. Ilustrują to dane w tablicy 5, dotyczące zbocza z gliny pylastej o spadku 1 : 14 Tab. 5. Zależność rocznego ubytku gruntu od pokrycia terenu Okrywa roślinna Ubytek gruntu [kn/ha] Las 0,1 Trawa 0,4 Użytki rolne 400 Brak okrycia 2400 Głównym czynnikiem wywołującym erozję są deszcze. Uderzenia kropel deszczu w nieosłonięty grunt powodują odspajanie jego cząstek i spłukiwanie ich przez wodę spływającą z wyższych połaci terenu. W przypadku dużych prędkości spływu występuje wzmożone odspajanie i spłukiwanie gruntu. Ubytek gruntu jest funkcją jego podatności na erozję i erozyjności opadu, jak również długości i pochyleniu stoku. Dla określonego zbioru tych czynników jedynym sposobem poprawiającym sytuację jest ochrona nieosłoniętego gruntu. W każdym przypadku odpowiednio zastosowane maty dają trzy korzyści. Po pierwsze stanowią one czasowe zabezpieczenie przed erozją dzięki pochłanianiu energii kinetycznej spadających kropel, które w przeciwnym razie odspajałyby cząstki gruntu. Po wtóre, przeciwdziałają one spływowi powierzchniowemu wody opadu i redukują tym samym zdolność do spłukiwania odspojonego gruntu. Po trzecie wreszcie, geomaty będą zatrzymywać ciepło, wytwarzając mikroklimat sprzyjający wegetacji roślinności. Geomaty i siatki mogą być użyte do zmniejszenia erozji gruntu w małych ciekach, w których główną przyczyną erozji jest płynąca woda. Brzegi cieków pokryte trawą mogą wytrzymać znaczne prędkości przepływu rzędu 2 m/s. Poprawę skuteczności zabezpieczenia można uzyskać przez wzmocnienie systemu korzeniowego matami podobnymi do stosowanych przy ochronie zboczy przed erozją.
Literatura : 1. Empfehlungen des Arbeitsausschusses Ufereinfassungen. EAU 1980 i 1985. Ernst and Sohn, 2. Jermołowicz P.: Poprawa stateczności skarp i dna zbiornika wodnego na Wyspie Puckiej w Szczecinie przy zastosowaniu geowłóknin. Mat. z sem. Polskoniemieckiego. PN PS Nr 274, IIW Nr 24, Szczecin 1983, 3. Lotrak. Poradnik projektanta. 1996, 4. Van Zanten R.V.: Geotextiles and geomembranes in civil engineering. Balkema 1986, 5. Ustawa Prawo wodne. Dz.U. z 2012r. poz 145. Brzmienie od 7.03.2013 r.