Zastosowanie konstrukcji gabionowych w regulacji koryt cieków wodnych Pod redakcją dr inż. Remigiusza Duszyńskiego
Przedmowa Niniejsza publikacja przeznaczona jest dla potrzeb sektora gospodarki wodnej i branży projektowej oraz stanowi podręcznik w programach nauczania takich kierunków jak: architektura krajobrazu, budownictwo wodne, inżynieria środowiska i gospodarka wodna. Celem niniejszej książki jest podsumowanie i udostępnienie najnowszej wiedzy dotyczącej stosowania nowoczesnych umocnień z siatki stalowej przy pracach rewitalizacyjnych w dorzeczu, a jednocześnie zaprezentowanie metod ich projektowania. Publikacja omawia podstawowy podział konstrukcji gabionowych i odpowiednie sposoby ich zastosowania w różnych rodzajach budowli hydrotechnicznych, przy czym w poszczególnych rozdziałach zwraca uwagę na podstawowe aspekty, które należy uwzględnić przy ich projektowaniu. W publikacji szczegółowo opisano także najważniejsze zasady fizyczne, istotne przy wymiarowaniu takich konstrukcji. Dużo uwagi poświęcono również trwałości materiałów stosowanych do produkcji konstrukcji gabionowych, w tym szczegółowemu opisowi normatywnego podejścia oraz badaniom ich właściwości fizycznych. Ostatnie rozdziały dotyczą prac zabezpieczających oraz środowiskowych aspektów stosowania konstrukcji gabionowych. Należy mieć na uwadze, że publikacja nie zawiera opisów wszystkich zjawisk hydraulicznych ani metod obliczeń i wymiarowania konstrukcji hydrotechnicznych, jakie znajdziemy w podręcznikach hydrauliki. Autorzy Strona 5
Spis treści Przedmowa 5 1. Wstęp 9 2. Wyroby wykorzystywane w budownictwie wodnym 11 2.1. Konstrukcje gabionowe 11 2.1.1. Materace Reno 11 2.1.2. GeoMac 14 2.1.3. Gabiony 15 2.1.4. Walce gabionowe 17 2.1.5. Właściwości gabionów wykonanych z siatki splatanej i siatki zgrzewanej 17 2.2. Trwałość konstrukcji gabionowych 19 2.2.1. Rodzaje powłok ochronnych i ich trwałość 19 2.2.2. Podejście normowe: PN-EN 10223-3 oraz PN-EN 10223-8 21 2.2.3. Badania trwałości 22 2.2.4. Kontrola i konserwacja konstrukcji 23 2.3. Wyroby geosyntetyczne 24 2.3.1. Mata antyerozyjna MacMat 24 3. Zastosowanie konstrukcji gabionowych do stabilizacji brzegów rzek i kanałów 25 3.1. Wymiarowanie materacy Reno i gabionów 30 3.1.1. Współczynnik Manninga 30 3.2. Ocena stateczności materacy gabionowych metodą naprężenia stycznego 31 3.3. Metoda naprężenia stycznego 32 3.3.1. Naprężenie styczne na dnie kanału 32 3.3.2. Naprężenia styczne na ścianach kanału 35 3.4. Ocena stateczności koryta rzeki w biegu krzywoliniowym 36 3.5. Ocena stateczności koryt cieków wodnych poprzez porównanie prędkości przepływu w cieku oraz granicznej prędkości nierozmywającej koryta 37 3.6. Ocena stateczności brzegów metodą prędkości nierozmywającej 38 3.6.1. Nierozmywające prędkości wody w korycie rzeki 38 3.6.2. Prędkości nierozmywające dla gruntów niespoistych 38 3.6.3. Prędkość nierozmywająca dla gruntów spoistych 40 3.7. Obliczanie prędkości wody metodą Macury, L. (1981) 41 3.8. Ocena stateczności koryta w zakolu 46 3.8.1. Określenie prędkości wody w zakolu 47 3.8.2. Kształt profilu poprzecznego koryta w zakolu 49 3.9. Ułożenie cząsteczek materiału dennego 50 3.9.1. Wpływ ułożenia i kształtu cząstek materiału dennego na wartość współczynników oporu ruchu 51 3.9.2. Wyznaczenie współczynników oporu cząstek materiału dennego 51 3.10. Ocena stateczności materacy w przypadku przesunięcia materiału wypełniającego 55 3.11. Prędkość rezydualna na granicy z podłożem wykorzystanie geotekstyliów i filtrów naturalnych 57 3.12. Geomaty przeciwerozyjne MacMat 60 Strona 6
3.12.1. Cechy ogólne 60 3.12.2. Dobór maty przeciwerozyjnej 60 4. Hydrotechniczne budowle poprzeczne 65 4.1. Zastosowanie gabionów w konstrukcji budowli poprzecznych 65 4.2. Podstawowe rodzaje jazów gabionowych kryteria wyboru 65 4.3. Obliczanie parametrów rozmycia dna pod stopniem 68 4.4. Szczegóły konstrukcyjne 71 4.4.1. Stateczność i odporność skrzydeł 71 4.4.2. Ochrona korony budowli 72 4.4.3. Ochrona poszuru 72 5. Budowle regulacyjne z elementów gabionowych 75 5.1. Ostrogi 76 5.1.1. Ostrogi nieprzepuszczalne 76 5.1.2. Powstawanie rozmyć przy konstrukcjach hydrotechnicznych 79 5.1.3. Wpływ prędkości przepływu na tworzenie rozmycia lokalnego 81 5.1.4. Wpływ średnicy miarodajnej materiału rumowiskowego 83 5.1.5. Sposób budowy ostróg 83 5.1.6. Ostrogi nieciągłe 85 5.2. Tamy podłużne 86 6. Zabezpieczanie budowli przed szkodami bobrowymi 89 6.1. Populacja bobrów w Polsce 89 6.2. Szkody bobrowe 89 6.3. Zabezpieczenia 90 6.4. Typowe rozwiązania 92 6.4.1. Bariera pionowa z siatki bobrowej 92 6.4.2. Umocnienie brzegu materacami gabionowymi 93 6.4.3. Kompleksowe zabezpieczenie korpusu wału z wykorzystaniem geomaty MacMat oraz materacy gabionowych Reno. 94 6.4.4. Zabezpieczenie wału z pozostawieniem przestrzeni dla bytowania zwierząt 95 6.4.5. Zabezpieczenie wałów na terenach chronionych Natura 2000 95 6.4.6. Zabezpieczenie przepustów drogowych i kolejowych 96 6.4.7. Ogrodzenie przepustu z rurami przelewowymi przepływ przez tamę bobrową 97 7. Prace zabezpieczające 99 7.1. Gabiony FlexMac DT 99 7.2. Zastosowania gabionów FlexMac DT 102 7.3. Zabezpieczenia przed szkodami lodowymi 103 8. Aspekty środowiskowe 105 8.1. Sekwestracja dwutlenku węgla 107 8.1.1. Ocena wchłaniania CO 2 w gruncie przy zastosowaniu rozwiązań bioinżynieryjnych z wykorzystaniem wyrobów z siatki stalowej 107 8.1.2. Metodyka badań 111 8.1.3. Podsumowanie badań 113 9. Podsumowanie 115 10. Literatura 117 Strona 7
Strona 8
1. Wstęp Rzeki odgrywają niezwykle ważną rolę w kształtowaniu klimatu i ekologii oraz w życiu materialnym i cywilizacyjnym człowieka. Niestety, niosą one ludziom nie tylko korzyści, mogą powodować również poważne szkody. Z tego powodu przez długi okres dziejów podlegały intensywnemu regulowaniu, aby ograniczyć lub wyeliminować szkody spowodowane przez powodzie. Lokalizowanie osad i miast oraz ich rozwój w dolinach zalewowych rzek wiązało się z wystąpieniem poważnego zagrożenia powodziowego. W bardzo wielu przypadkach zagrożenie to zostało spotęgowane przez nadmierną ingerencję człowieka w środowisko rzeki polegającą na zawężeniu jej koryta i nadmiernej zabudowie dolin zalewowych. Blisko dwustuletni okres szybkiego rozwoju cywilizacyjnego, uprzemysłowienia oraz silnej ingerencji człowieka w przyrodę skutkuje obecnie zmianami środowiska oddziałującymi zarówno na ludzi, jak i ekosystem. Zmiany te często niekorzystnie wpływające na tereny poddane ingerencji człowieka spowodowały, że w wielu społeczeństwach zaczęła silnie wzrastać świadomość proekologiczna, która wymusza przyjęcie nowej strategii działania zwanej zrównoważonym rozwojem. Zgodnie z tymi regułami wszelkie działania inwestycyjne człowieka powinny być prowadzone w sposób minimalizujący wpływ inwestycji na środowisko naturalne. Dotychczasowa regulacja rzek, stosowana głównie do poprawy ich żeglowności, w bardzo wielu przypadkach głęboko ingerowała w naturalne środowisko, co stało się przyczyną żywiołowych protestów ekologów. Część argumentów wytaczanych przez obrońców środowiska dotyczyła niszczenia unikatowego krajobrazu lub wpływania na siedliska zwierząt zamieszkujących rzekę bądź tereny do niej przyległe. Inne, bardziej emocjonalne wypowiedzi całkowicie negowały konieczność jakiejkolwiek ingerencji człowieka w przyrodę. Zastosowanie rozwiązań, które z jednej strony zaspokoiłyby rzeczywiste potrzeby w zakresie regulacji, a z drugiej spełniłyby warunki konieczne dla rozwoju środowiska naturalnego, o co zasadnie upominają się ekolodzy, jest możliwe choć niekiedy trudne, kosztowne i skomplikowane. Stosowane współcześnie metody regulacji rzek oraz ich rewitalizacji zostały opracowane przy uwzględnieniu założeń zrównoważonego rozwoju. Ich celem jest poprawa warunków bytowych człowieka przy możliwie najszerszej ochronie przyrody, która stanowi dla nas bezcenne dziedzictwo ( Bednarczyk, Duszyński 2008). W tę filozofię doskonale wpisuje się stosowanie do regulacji rzek materiałów, które naturalnie wkomponowują się w otoczenie, a jednocześnie stanowią solidną konstrukcję inżynierską, stawiająca opór ogromnej, niszczącej sile wody. Przykładem takich rozwiązań mogą być produkty Maccaferri, firmy o 120 letniej tradycji, które zastosowane do budowy umocnień mogą spełniać wymogi nie tylko stateczności koryta, ale także mogą stanowić część rzecznego ekosystemu. W niniejszej publikacji przedstawiamy dokonania Maccaferri w dziedzinie regulacji i rewitalizacji cieków wodnych oraz praktyczne zastosowania produktów we współczesnym aspekcie regulacji bliskich warunkom naturalnym. Strona 9