Charakterystyka geotechniczna osadów dennych cofki Zbiornika Czorsztyńskiego i możliwości ich wykorzystania do celów budownictwa ziemnego

Charakterystyka geotechniczna osadów dennych cofki Zbiornika Czorsztyńskiego i możliwości ich wykorzystania do celów budownictwa ziemnego Mgr inż. Karolina Koś Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, Wydział Inżynierii Środowiska i Geodezji ZAMULANIE ZBIORNIKÓW ZAPOROWYCH W każdym zbiorniku wodnym, w którym woda piętrzona jest dzięki zaporze wybudowanej w przekroju cieku, występuje zamulanie. Proces ten spowodowany jest głównie osadzaniem się rumowiska niesionego przez dopływy oraz materiału pochodzącego z abrazji brzegów. W zależności od wielu czynników, takich jak powierzchnia, sposób użytkowania czy budowa geologiczna zlewni, proces zamulania przebiega w każdym zbiorniku z różną intensywnością. Zamulenie wpływa w negatywny sposób na funkcjonowanie danego obiektu, może prowadzić m. in. do zmniejszenia rezerwy pojemności powodziowej [1]. Nagromadzone osady powodują zmętnienie wód, mogą być siedliskiem zanieczyszczeń, mają również negatywny wpływ na jakość wód pitnych [6]. Problem zamulania dotyczy głównie części cofkowych zbiorników ujść rzek i potoków do zbiornika, czyli miejsc, gdzie zaczynają odkładać się najgrubsze frakcje i najwcześniej mogą wystąpić problemy eksploatacyjne. Odkładanie się osadów w tym rejonie powoduje zmniejszenie spadku zwierciadła wody w górnej części zbiornika, przez co przekrój końcowy cofki przemieszcza się w górę rzeki. Osadzające się osady zmieniają linię brzegową i powodują spłycenie, tworząc obszar delty. Przy projektowaniu oraz w trakcie eksploatacji zaporowych zbiorników wodnych istotne jest prawidłowe rozpoznanie procesu ich zamulania oraz uwzględnienie jego skutków, takich jak zmniejszanie pojemności użytkowej oraz zmiany w części cofkowej. Rozwiązaniem problemu może być przeprowadzenie odmulania i wydobycie zalegających na dnie osadów. Bagrowane osady mogą być złożone na hałdę lub wykorzystane również do celów budownictwa ziemnego. Rozpoznanie właściwości tego materiału, zarówno pod kątem właściwości geotechnicznych, jak i chemicznych, pozwoli na podjęcie decyzji co do ich zagospodarowania. Osady bagrowane ze zbiorników wodnych mogą być wykorzystane w różny sposób do niwelacji terenu, rekultywacji gruntów bezglebowych lub jako dodatek do gleb lekkich do poprawienia ich wartości produkcyjnych, nawożenia i użyźniania gleb (w tym przypadku osady wymagają odpowiedniego przygotowania: stabilizacji, higienizacji oraz odwodnienia i suszenia) [11]. Materiał wydobyty w czasie odmulania zbiorników wodnych może być również wykorzystany do celów budownictwa ziemnego: do nadbudowy i modernizacji grobli lub skarp zbiorników [4, 12], do budowy nasypów drogowych, w budowlach hydrotechnicznych, do formowania warstw izolacyjnych w składowiskach odpadów. W praktyce, w budownictwie ziemnym wykorzystanie wydobytych z dna osadów sprowadza się do ich rozplantowania na miejscu, uzupełnienia lub nadbudowy skarp zbiornika. Tymczasem z dotychczasowych badań właściwości osadów dennych różnych zbiorników wodnych [6, 8, 11, 12, 14] wynika, że mogą one stanowić wartościowy materiał, również do celów budownictwa ziemnego, zwłaszcza gdy brak jest gruntów mineralnych w pobliżu lokalizacji danej budowy. PROCES ZAMULANIA W ZBIORNIKU CZORSZTYŃSKIM Zbiornik Czorsztyński powstał w roku 1997 przez spiętrzenie wód Dunajca zaporą ziemną w Nidzicy, zlokalizowaną w 173,3 km biegu rzeki. Powierzchnia zalewu przy normalnym poziomie piętrzenia to 1340 ha, pojemność całkowita wynosi 234 mln m 3, z czego pojemność użytkowa stanowi 198 mln m 3. Do funkcji zbiornika należy ochrona przeciwpowodziowa doliny Dunajca, wyrównanie przepływów poniżej zapory oraz produkcja energii elektrycznej, dzięki elektrowni szczytowo pompowej o mocy 92 MW. Zbiornik Czorsztyński spełnia również funkcję krajobrazową i rekreacyjną [25]. Zlewnia zbiornika Czorsztyn położona jest w górskim regionie południowej Polski. Od północy graniczy z łańcuchem Gorców, na południu zaś z Tatrami Zachodnimi i Tatrami Wysokimi. Zachodnią część doliny wyznacza Czarny Dunajec i jego dopływy. Na wschodzie granicę stanowią Pieniny i Kotlina Orawsko- Nowotarska, której środkową część przedziela Dunajec. Kotlina Orawsko-Nowotarska o stosunkowo wyrównanej powierzchni, wypełniona jest kompleksem utworów neogenu reprezentowanych przez iły, muły, kredę jeziorną, wkładki węgla brunatnego, żwiry, piaski, zlepieńce. Utwory te są przykryte osadami czwartorzędowymi zwietrzelinowymi, aluwialnymi, lodowcowo-rzecznymi (w formie stożków napływowych) i organogenicznymi [24]. W strukturze użytkowania gruntów powiatu nowotarskiego, na terenie którego znajduje się zbiornik, grunty rolne stanowią 55, leśne 37, a pozostałe grunty i nieużytki 8 [15]. Powierzchnia zlewni zbiornika to 1147 km 2, co stanowi 16,4 powierzchni dorzecza Dunajca. Po połączeniu potoków źródłowych, Czarnego i Białego Dunajca, rzeka Dunajec płynie szeroką doliną przez Kotlinę Nowotarską, aż do zapory w Niedzicy. Najważniejszymi bezpośrednimi dopływami Zbiornika są m.in. Białka, Piekiełko, Przykopa i Niedziczanka. W regionie występują najwyższe opady w Polsce, w granicach 700 1800 mm, których skutkiem są częste i nagłe wezbrania rzek [16]. Największy udział w procesie zamulania Zbiornika Czorsztyńskiego ma Dunajec i Białka, które powodują sedymentację materiału w części cofkowej. W ciągu 14 lat eksploatacji zbiornika przy ujściu Dunajca utworzył się INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 2/2013 135

Rys. 1. Fragment mapy terenu cofkowej części Zbiornika Czorsztyńskiego z lokalizacją poboru próbek [23] już cypel o długości ponad 200 m przy normalnym poziomie piętrzenia i szerokości około 20 30 m [9]. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Próbki osadów dennych pobrano w rejonie cofki Zbiornika Czorsztyńskiego, w pobliżu miejscowości Dębno, przy ujściu rzeki Dunajec do zbiornika (rys. 1). Głębokość odkrywek była zależna od występującego w danym okresie poziomu wody. Próbki pobierano w czasie kolejnych wyjazdów terenowych: luty 2008 roku wykonano jedną odkrywkę O-I (rys. 2) zlokalizowaną na prawym brzegu, w części cofkowej zbiornika, w której pobrano próbki osadów z głębokości 0,0 1,1 m. grudzień 2009 wykonano cztery odkrywki (O-II V) zlokalizowane na lewym brzegu, w części cofkowej zbiornika, w których pobrano próbki osadów z głębokości. luty 2010 wykonano sześć odkrywek (O-VI XI) zlokalizowanych około 200 m od ujścia Dunajca w głąb zbiornika, w części cofkowej zbiornika, w których pobrano próbki osadów z głębokości 0,0 0,6 m. wrzesień 2011 wykonano pięć odkrywek (O-XII XVI) zlokalizowanych ponad 200 m od brzegu zbiornika, w części cofkowej zbiornika (rys. 3), w których pobrano próbki osadów z głębokości 0,0 0,5 m. Odkrywkę O-XII wykonano do głębokości 1,7 m w celu rozpoznania gruntów (pierwotnych osadów Dunajca) zalegających pod osadami naniesionymi do zbiornika. Dokonano również obmiaru cypla. Oznaczenie właściwości geotechnicznych osadów dennych przeprowadzono zgodnie z normą [19]. Wykonano następujące oznaczenia: uziarnienie metodą mieszaną sitowo-areometryczną, gęstość właściwa metodą piknometru, granica plastyczności metodą wałeczkowania oraz płynności metodą penetrometru stożkowego. Oznaczono również zawartość części organicznych metodą utleniania oraz straty prażenia według [20] i wartość wskaźnika piaskowego według [17]. Współczynnik filtracji oznaczono w edometrach dla osadów odpowiadających gruntom spoistym oraz w aparacie ITB-ZW-k2 dla osadów odpowiadających gruntom niespoistym. Wilgotność optymalną i maksymalną gęstość objętościową szkieletu osadów spoistych oznaczono w aparacie Proctora, przy standardowej energii zagęszczania 0,59 J/cm 3. Maksymalną i minimalną gęstość objętościową szkieletu osadów niespoistych oznaczono metodą wibracyjną. Wytrzymałość na ścinanie oznaczono w aparacie bezpośredniego ścinania [19] w skrzynce o wymiarach w rzucie Rys. 2. Lokalizacja odkrywek badawczych w cofkowej części Zbiornika Czorsztyńskiego Rys. 3. Widok na cypel zbudowany z naniesionych osadów w cofkowej części Zbiornika Czorsztyńskiego, wrzesień 2011 (fot. autorki) 136 INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 2/2013

100 100 mm, z ramkami pośrednimi tworzącymi strefę ścinania o grubości 4 mm. Próbki formowane były bezpośrednio w skrzynce aparatu przy wilgotności optymalnej i trzech wartościach wskaźnika zagęszczenia: I s = 0,90, 0,95 i 1,00. Próbki poddawano obciążeniu o wartości 100, 200 i 400 kpa, a następnie ścinano przy prędkości 0,5 mm/min do uzyskania 10 odkształcenia poziomego próbki. Obliczenia parametrów wytrzymałościowych wykonano dla wartości maksymalnych naprężeń ścinających (max τ f ). Wskaźnik nośności określono na próbkach bezpośrednio po zagęszczeniu oraz po 4 dobach nasycania wodą zgodnie z [22], przy obciążeniu 22,0 N i penetracji trzpienia o powierzchni 20 cm 2 do głębokości 2,5 i 5,0 mm zagłębianego ze stałą prędkością 1,25 mm/min. Jako wartość miarodajną przyjęto wyższą wartość wskaźnika nośności. W trakcie procesu nasycenia dokonywano pomiaru zmian wysokości próbki w celu oznaczenia pęcznienia. Badania wykonano w dwóch powtórzeniach, jako wynik końcowy przyjęto wartości średnie, odnosząc je do wilgotności uzyskanej w strefie penetracji trzpienia. CHARAKTERYSTYKA WŁAŚCIWOŚCI GEOTECHNICZNYCH OSADÓW Profile wykonanych odkrywek (rys. 4) oraz uziarnienie osadów dennych wskazują na ich duże zróżnicowanie zarówno przestrzenne, jak i w profilu pionowym. Na podstawie składu uziarnienia badanych osadów wydzielono dwie grupy pierwszą, której uziarnienie odpowiada gruntom spoistym oraz drugą, której uziarnienie odpowiada gruntom niespoistym. W dalszej części pracy przedstawiono wyniki badań właściwości geotechnicznych obydwu grup osadów, a następnie próby średniej uzyskanej przez zmieszanie wszystkich próbek osadów. Stropowe warstwy pierwotnych osadów Dunajca budują żwiry pylaste (0,5 0,7 m), piaski pylaste (0,7 1,4 m), piaski ilaste (1,4 1,5 m) oraz iły pylasto-piaszczyste (nieprzewiercone do głębokości 1,7 m por. rys. 4, O-XII). OSADY SKLASYFIKOWANE JAKO GRUNTY SPOISTE Charakterystykę uziarnienia oraz wartości parametrów geotechnicznych osadów spoistych zestawiono w tabl. 1. Osady te sklasyfikowano jako pyły lub pyły piaszczyste. Pyły charakteryzowały się zawartością frakcji piaskowej od 10 do 13, pyłowej od 81 do 85, a iłowej około 5. Wskaźnik uziarnienia wyniósł około 11, zatem można określić je jako kilkufrakcyjne. Pyły piaszczyste charakteryzowały się zawartością frakcji piaskowej od 22 do 60, pyłowej od 38 do ponad 70 oraz iłowej 2, incydentalnie 7. Wskaźnik uziarnienia dla tej grupy wydzielonych osadów wahał się od około 8 do ponad 23, lokalnie około 4, można zatem określić je jako kilku- lub wielofrakcyjne. Zawartość części organicznych oznaczona metodą utleniania wahała się od 2,1 do 3,1 nie wykazując istotnego zróżnico- Rys. 4. Profile odkrywek badawczych INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 2/2013 137

Tabl. 1. Skład granulometryczny oraz parametry geotechniczne osadów spoistych Parametr Symbol Jednostka O-I 0,0 0,3 m* O-I 0,5 0,7 m* O-III** O-VI 0,0 0,15m O-VI** 0,15 0,25m O-XII 0,0 0,5 m O-XIII 0,0 0,2 m Zawartość frakcji: piaskowej 2 0,063 mm Sa 9,8 13,4 56,0 22,0 35,0 60,0 58,0 pyłowej 0,063 0,002 mm Si 85,0 81,2 42,0 71,0 63,0 38,0 40,0 iłowej < 0,002 mm Cl 5,2 5,4 2,0 7,0 2,0 2,0 2,0 Zawartość cząstek < 0,075 mm < 0,02 mm 94,0 48,0 90,0 53,0 52,0 9,0 83,0 38,0 84,0 30,0 45,0 17,5 47,0 20,0 Wskaźnik różnoziarnistości C U 11,7 10,9 3,8 16,8 7,9 18,0 23,2 Nazwa gruntu według [18] Si sasi Wilgotność naturalna w n 55,53 62,32 39,9 65,95 32,41 29,78 36,45 Gęstość właściwa szkieletu ρ s g/cm 3 2,68 2,67 2,68 2,66 2,72 2,62 2,67 Straty prażenia I ż 6,37 7,30 4,15 7,15 4,96 3,87 3,88 Zawartość części organicznych I om 2,09 3,13 2,12 2,55 2,98 Wilgotność optymalna w opt 25,2 27,9 22,4 19,8 Maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntowego ρ ds g/cm 3 1,438 1,418 1,506 1,593 Granica płynności w L 42,9 50,2 36,6 52,50 39,8 Granica plastyczności W P 27,7 32,0 28,5 32,66 27,9 Wskaźnik plastyczności I P 15,2 18,2 8,1 19,8 11,9 Wskaźnik konsystencji I C -0,83-0,66-0,41-0,68 Współczynnik filtracji k 10 m/s 6,32 10-9 3,27 10-9 4,69 10-9 2,91 10-9 * według [16] ** według [7] wania między obydwoma rodzajami osadów spoistych. Większe wartości uzyskano z oznaczenia strat prażenia, od około 4 do ponad 7. Wilgotność naturalna była wysoka i w przypadku pyłów wynosiła od około 56 do ponad 62, natomiast w przypadku pyłów piaszczystych wynosiła od około 30 do 65. Wilgotność optymalna pyłów wynosiła od 25 do około 28, a pyłów piaszczystych była wyraźnie mniejsza i wynosiła około 20. Maksymalna gęstość objętościowa szkieletu pyłów wynosiła 1,42 g/cm 3, a pyłów piaszczystych była wyraźnie większa i wynosiła około 1,6 g/cm 3. Granica płynności wyniosła od około 40 do 52, natomiast wartość granicy plastyczności od około 28 do 32 i nie wykazywała istotnego zróżnicowania między obydwoma rodzajami osadów spoistych. Wskaźnik plastyczności pyłów wynosił od około 15 do 18, a pyłów piaszczystych był niższy i wynosił od około 8 do 12. Wszystkie osady spoiste były w stanie płynnym (wskaźnik konsystencji poniżej 0,25). Współczynnik filtracji dla wszystkich wydzielonych osadów spoistych był stosunkowo mały i wynosił od około 3 10-9 do 6,3 10-9 m/s. Ostatecznie osady denne spoiste sklasyfikowano jako grunty pylaste, przeważnie kilkufrakcyjne, słabo przepuszczalne, w stanie płynnym. Charakteryzują się zawartością części organicznych znacznie przekraczającą 2, przez co zaliczają się do gruntów organicznych. OSADY SKLASYFIKOWANE JAKO GRUNTY NIESPOISTE Charakterystykę uziarnienia oraz wartości parametrów geotechnicznych osadów niespoistych zestawiono w tabl. 2. Sklasyfikowano je jako piaski, piaski drobne lub piaski pylaste. W piaskach udział frakcji piaskowej wynosił powyżej 98, a w piaskach drobnych od 95 do 98. Piaski pylaste charakteryzowały się zawartością frakcji piaskowej od 61 do 83, a pyłowej od około 17 do 37. Zawartość frakcji iłowej w wydzielonych gruntach była nieznaczna, co wynika z procesu sedymentacji w zbiornikach zaporowych, gdzie najdrobniejsze frakcje są deponowane bliżej zapory, w podwodnej części zbiornika. Na podstawie wskaźnika uziarnienia piasków i piasków drobnych, który wyniósł od 1,6 do 2,4, można określić je jako jednofrakcyjne. Natomiast dla piasków pylastych wartość wskaźnika uziarnienia była wyższa i wahała się od prawie 3 do 16, zatem można je określić jako jedno- lub kilkufkracyjne. Wskaźnik piaskowy wynosił od 19 do 88. 138 INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 2/2013

Tabl. 2. Skład granulometryczny oraz parametry geotechniczne osadów niespoistych Symbol Jednostka O-I 0,7 0,8 m* O-I < 0,9 m* O-II** O-IV** O-V** O-VI** 0,25 0,45 m O-VII ** 0,0 0,1 m O-VII** 0,1 0,6 m O-VIII** 0,0 0,3 m O-VIII** 0,3 0,5 m O-IX 0,0 0,3 O-IX 0,3 0,5 m O-X O-XI O-XIV O-XV 0,0 0,1 m O-XV 0,1 0,5 m O-XVI 0,0 0,15 m O-XVI 0,15 0,3 m Parametr Zawartość frakcji: piaskowej 2 0,063 mm pyłowej 0,063 0,002 mm iłowej < 0,002 mm Sa 83,2 97,9 61,0 82,0 80,0 98,0 67,0 99,5 95,0 68,0 95,0 95,5 72,0 73,0 82,0 83,0 69,0 76,0 75,0 Si 16,6 37,0 17,0 19,5 32,5 32,0 27,0 27,0 17,0 17,0 29,0 24,0 24,0 2,1 2,0 0,5 5,0 5,0 4,5 Cl 0,2 2,0 1,0 0,5 0,5 0,0 1,0 0,0 1,0 0,0 2,0 0,0 1,0 Zawartość cząstek: < 0,075 mm < 0,02 mm 23,5 2,0 4,0 1,0 50,0 10,0 20,0 2,0 24,0 3,0 8,0 1,0 37,0 7,0 1,0 0,0 15,0 0,0 38,0 5,0 10,0 8,0 33,0 12,0 30,0 14,0 20,0 10,0 22,0 8,0 37,0 17,0 26,0 9,0 26,0 12,0 Wskaźnik różnoziarnistości C U 2,6 2,4 4,1 3,6 2,0 5,4 1,6 2,2 2,7 1,9 2,0 11,4 11,3 8,5 5,8 16,0 7,5 10,6 Nazwa gruntu według [18] sisa Sa sisa FSa sisa Sa FSa sisa FSa sisa Wilgotność naturalna w n 21,6 10,0 32,0 41,9 43,0 19,9 37,2 7,5 13,5 33,7 31,2 36,8 39,1 38,4 33,2 Gęstość właściwa ρ s g/cm 3 2,66 2,67 2,705 2,68 2,66 2,65 2,59 2,69 2,65 2,68 2,71 2,66 2,67 2,64 2,68 2,66 Wskaźnik piaskowy w p 65 21 88 38 22 70 76 25 19 Straty prażenia I ż 2,49 1,74 2,13 1,56 1,76 0,88 5,10 0,77 1,55 2,60 0,93 1,17 3,05 2,24 2,92 2,37 4,07 2,41 3,50 Zawartość części organicznych I om 1,00 0,75 1,45 0,98 1,05 0,81 1,88 0,50 0,97 2,49 0,81 0,97 1,88 1,58 1,92 1,72 2,07 2,11 Wilgotność optymalna w opt 19,3 19,2 16,8 17,3 19,7 20,4 17,0 Maksymalna gęstość objętościowa szkieletu według metody: Proctora wibracyjnej ρ ds g/cm 3 dmax ρ 3 1,47 1,52 1,58 1,56 1,62 1,48 1,72 1,49 1,54 1,55 1,50 1,49 1,56 1,66 Minimalna gęstość objętościowa szkieletu ρ dmin g/cm 3 1,25 1,31 1,34 1,30 1,30 Współczynnik filtracji k 10 m/s 2,15 6,17 10-5 10-5 5,37 3,70 1,72 1,38 4,80 3,62 5,86 3,52 5,42 10-5 10-7 10-4 10-6 10-6 10-5 10-5 10-6 10-7 * według [16] ** według [7] INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 2/2013 139

Straty prażenia nie wykazały istotnych różnic w poszczególnych rodzajach osadów niespoistych i wahały się od 0,9 do ponad 5,0. Zawartość części organicznych oznaczona metodą utleniania wynosiła przeważnie od 0,5 do 1,9, incydentalnie 2,5. Osady niespoiste zaliczyć można zatem do grupy gruntów mineralnych, ewentualnie na pograniczu gruntów mineralnych i organicznych. Wilgotność naturalna piasków pylastych wynosiła od około 22 do 43 i była wyraźnie wyższa niż piasków 7,5 do 10 i piasków drobnych 14 do 20. Wilgotność optymalna piasków pylastych wynosiła od około 17 do 20, natomiast maksymalna gęstość objętościowa szkieletu oznaczona w aparacie Proctora ρ ds przeważnie od 1,55 do 1,72 g/cm 3. Maksymalna i minimalna gęstość objętościowa szkieletu gruntowego piasków i piasków drobnych oznaczone metodą wibracyjną ρ dmax i ρ dmin wynosiły odpowiednio około 1,50 i 1,30 g/ cm 3, nie wykazując istotnych różnic między wspomnianymi rodzajami osadów sypkich. Współczynnik filtracji wyniósł dla piasków od 1,7 10-4 do 6,2 10-5 m/s, dla piasków drobnych od 3,6 10-5 do 1,3 10-6 m/s, natomiast dla piasków pylastych od 3,5 10-6 do 3,7 10-7 m/s, incydentalnie 2,1 10-5 m/s. Wydzielone osady niespoiste sklasyfikowano jako grunty piaszczyste, z przewagą piasków pylastych. Są to grunty mineralne, jednofrakcyjne lub kilkufrakcyjne, słabo zagęszczone o średniej przepuszczalności. Tabl. 3. Skład granulometryczny oraz parametry geotechniczne materiału uśrednionego Parametr Zawartość frakcji: piaskowej 2 0,063 mm pyłowej 0,063 0,002 mm iłowej < 0,002 mm Nazwa gruntu według [18] Wartość 74,87 24,37 0,76 sisa Wskaźnik różnoziarnistości 11,8 Gęstość właściwa 2,663 g/cm 3 Wskaźnik piaskowy 30 Zawartość części organicznych 1,44 Wilgotność optymalna 14,8 Maksymalna gęstość objętościowa szkieletu oznaczona w aparacie Proctora Współczynnik filtracji przy: I s = 0,90 I s = 1,00 Kąt tarcia wewnętrznego przy: I s = 0,90 I s = 0,95 I s = 1,00 Spójność przy: I s = 0,90 I s = 0,95 I s = 1,00 1,653 g/cm 3 6,63 10-6 m/s 1,98 10-6 m/s 30,4 31,1 31,7 24,3 kpa 25,8 kpa 28,4 kpa MATERIAŁ UŚREDNIONY Uziarnienie materiału uśrednionego odpowiadało piaskom pylastym o zawartości frakcji piaskowej prawie 75, pyłowej ponad 24 oraz iłowej poniżej 1 (tabl. 3). Wartość wskaźnika różnoziarnistości wynosiła około 12, można więc określić materiał jako kilkufrakcyjny. Zawartość części organicznych wynosiła 1,44, materiał można zaliczyć do gruntów mineralnych. Wskaźnik piaskowy wyniósł 30, a wartość gęstości właściwej 2,66 g/cm 3. Wilgotność optymalna wyniosła około 15, natomiast maksymalna gęstość objętościowa szkieletu 1,65 g/ cm 3. Współczynnik filtracji wykazał zależność od zagęszczenia i zmniejszał się od 6,6 10-6 do około 2,0 10-6 m/s, odpowiednio do zwiększania wskaźnika zagęszczenia od 0,90 do 1,00. Wartości parametrów charakteryzujących wytrzymałość na ścinanie były stosunkowo duże i mało zależne od zagęszczenia. Kąt tarcia wewnętrznego zwiększał się od 30 do około 32, a spójność od 24 do 28 kpa, odpowiednio do zwiększania wskaźnika zagęszczenia od 0,90 do 1,00. Wartości wskaźnika nośności były stosunkowo duże, zależne od wilgotności próbek. Wskaźnik nośności oznaczony bezpośrednio po zagęszczeniu próbki (w = 13) wynosił od 15 do około 17 (tabl. 4). Po czterodobowej nasiąkliwości wartość wskaźnika nośności zmniejszyła się do około 11, przy wzroście wilgotności o około 5 (rys. 5). Pęcznienie linowe było znikome i wyniosło około 0,08. Ostatecznie materiał uśredniony sklasyfikowano jako piasek pylasty kilkufrakcyjny, o zawartości części organicznych po- Próbka 1 2 Tabl. 4. Wartości wskaźnika nośności i pęcznienia liniowego materiału uśrednionego Czas nasiąkliwości [doby] Wilgotność w strefie penetracji trzpienia [] Wskaźnik nośności [] Pęcznienie liniowe [] 0 13,14 15,12 4 18,77 11,16 0,076 0 13,41 16,81 4 18,16 10,81 0,080 Rys. 5. Zależność wskaźnika nośności od wilgotności próbki 140 INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 2/2013

zwalającej zaliczyć go do gruntów mineralnych. Jest to materiał słabo przepuszczalny o stosunkowo dużych wartościach wskaźnika nośności i parametrów charakteryzujących wytrzymałość na ścinanie. KRYTERIA OCENY PRZYDATNOŚCI DO CELÓW BUDOWNICTWA ZIEMNEGO Przydatność gruntów do celów budownictwa ziemnego uregulowano m.in. w normie [21], gdzie zawarte są wymagania, jakie powinny być spełnione przy wykonywaniu i odbiorze technicznych robót ziemnych. We wspomnianej normie podaje się, że przy ocenie przydatności gruntów należy uwzględnić szereg właściwości, takich jak: uziarnienie, przepuszczalność, plastyczność, zagęszczalność czy zawartość części organicznych. W zależności od rodzaju budowli, bardziej szczegółowe kryteria doboru gruntów znaleźć można w odnośnych normach lub w literaturze specjalistycznej. Wymagania określające przydatność gruntów do budowy nasypów drogowych określono w normie [22]. Na podstawie zaleceń obu wspomnianych norm najlepszymi gruntami do stosowania są grunty ziarniste o możliwie najbardziej zróżnicowanym uziarnieniu, takie jak: żwiry, pospółki oraz piaski grubo- i średnioziarniste. Obie normy nie dopuszczają stosowania gruntów wysadzinowych, pęczniejących, organicznych, spoistych o granicy płynności powyżej 60 oraz trudno zagęszczanych, których maksymalna gęstość objętościowa szkieletu nie przekracza wartości 1,6 g/cm 3. W przypadku budownictwa hydrotechnicznego należy kierować się głównie zaleceniami odnośnej literatury [2, 13, 15]. Do ziemnych budowli hydrotechnicznych zalicza się zapory ziemne oraz nasypy do celów budownictwa wodno-melioracyjnego, tj.: wały przeciwpowodziowe, groble, obwałowania. Do budowy zewnętrznej części zapory ziemnej można użyć grunty kamieniste (rumosze, zwietrzeliny i otoczaki) lub gruboziarniste (piaski). Grunty drobnoziarniste są wbudowywane w uszczelnienie zapory i mają za zadanie ograniczyć filtrację przez korpus zapory [6]. Różnorodność stosowanych gruntów pokazano na rys. 6, na którym przedstawione są przykładowe krzywe uziarnienia gruntów wykorzystanych do budowy zapór. W przypadku nasypów hydrotechnicznych, jak obwałowania lub groble, ze względu na wysokie koszty transportu najczęściej stosuje się materiał miejscowy, mimo że nie zawsze spełnia on wszystkie kryteria [2]. Są to zazwyczaj grunty organiczne, które według normy [21] nie powinny być stosowane. W Polsce wybudowano jednak wiele kilometrów niskich nasypów z miejscowych gruntów organicznych, które spełniają swoje funkcje [2, 6]. Dowodzi to, że osady rzeczne lub zbiornikowe, mimo obaw związanych z ich stosowaniem, mogą być z powodzeniem używane do budowy obiektów budownictwa ziemnego, zwłaszcza w przypadku niższych klas technicznych. OCENA PRZYDATNOŚCI BADANYCH OSADÓW DENNYCH DO CELÓW BUDOWNICTWA ZIEMNEGO Ocenę przydatności osadów dennych z cofki Zbiornika Czorsztyńskiego do celów budownictwa ziemnego przeprowadzono zgodnie z wymaganiami norm [21, 22] oraz zaleceń i wytycznych dostępnych w literaturze przedmiotowej. Na podstawie uzyskanych wartości parametrów geotechnicznych wyróżnionych grup osadów można stwierdzić, że: osady spoiste w każdym przypadku sklasyfikowano jako grunty wysadzinowe, o zawartości części organicznych powyżej 2 oraz niskiej wartości gęstości objętościowej szkieletu. Pyły i pyły piaszczyste można wstępnie dopu- Rys. 6. Wykresy uziarnienia gruntów stosowanych na zapory [3] 1 nasyp statyczny zapory w Tresnej; 2 nasyp statyczny zapory w Schwammenauel w Niemczech; 3 nasyp statyczny zapory w Myczkowcach; 4 rdzeń zapory Kingslay w USA; 5 rdzeń zapory Avro we Włoszech; 6 rdzeń zapory w Tustervatan w Norwegii INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 2/2013 141

ścić do stosowania na przesłony w składowiskach odpadów komunalnych [5], ale pod warunkiem polepszenia ich właściwości. osady niespoiste spełniały większą liczbę wymaganych kryteriów, m. in. dotyczących zawartości części organicznych lub właściwości mechanicznych, ale zazwyczaj klasyfikowane były jako wątpliwe pod względem wysadzinowości i były materiałem przesortowanym o niskim wskaźniku uziarnienia. Materiał ten można dopuścić do stosowania na nasypy ziemne pod warunkiem polepszenia ich właściwości przez stabilizację, np. cementem. Ze względu na specyfikę badanych materiałów bardziej właściwa ocena jego przydatności powinna odnosić się do materiału uśrednionego. Wynika to stąd, że w trakcie wydobywania, transportu i składowania następuje przemieszanie różnych warstw osadów. W przypadku decyzji o wykorzystaniu tych osadów jako gruntu konstrukcyjnego należy brać pod uwagę charakterystykę geotechniczną materiału uśrednionego. OCENA PRZYDATNOŚCI DO BUDOWY NASYPÓW DROGOWYCH W normie PN-S-02205:1998 określono piaski pylaste jako przydatne do stosowania na dolne warstwy nasypu pod warunkiem wbudowania w miejsca suche lub zabezpieczone od wód gruntowych i powierzchniowych. W normie dopuszcza się ten rodzaj gruntu również na górne warstwy nasypów w strefie przemarzania pod warunkiem ulepszenia spoiwami. Pozostałe kryteria zawarte w omawianej normie przedstawiono w tabl. 5. Materiał uśredniony osadów dennych cofki Zbiornika Czorsztyńskiego spełnia zdecydowaną większość podanych kryteriów. Wartości wskaźnika uziarnienia i wartość maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu gruntowego pozwalają prognozować dobrą zagęszczalność materiału. Spełnione są warunki dotyczące dopuszczalnej zawartości części organicznych oraz plastyczności. Ze względu na zbyt wysoką zawartość cząstek drobnych materiał ten został sklasyfikowany jako wątpliwy pod względem wysadzinowości. Wartości wskaźnika nośności po 4 dobach nasiąkliwości wodą wynoszą powyżej 10, dlatego materiał uśredniony można zakwalifikować do grupy nośności G1. Ze względu jednak na jego kategorię wysadzinowości należy grupę nośności obniżyć do G2 [10]. Mimo to przydatność osadów do celów budownictwa drogowego można ocenić wysoko. Uzyskane wartości parametrów wytrzymałościowych pozwalają prognozować odpowiednią nośność i stateczność nasypów formowanych z omawianych osadów. OCENA PRZYDATNOŚCI DO BUDOWNICTWA HYDROTECHNICZNEGO Ze względu na charakterystykę uziarnienia w przypadku oceny przydatności do celów budownictwa hydrotechniczne- Tabl. 5. Ocena przydatności osadów dennych z cofki Zbiornika Czorsztyńskiego do budowy nasypów drogowych i hydrotechnicznych Parametr Jednostka Nasypy drogowe Normy [21,22] Nasypy hydrotechniczne [15] Wartości uzyskane dla materiału uśrednionego (sisa) Maksymalny wymiar ziarn mm 200 brak ziarn powyżej 200 mm Wskaźnik uziarnienia C U 3 > 60 11,8 Zawartość frakcji iłowej uszczelnienie > 20 0,76 Zawartość części organicznych, I om < 2 < 3 1,44 Maksymalna gęstość objętościowa szkieletu, ρ ds g/cm 3 1,6 1,653 Granica płynności w L (w zależności od warstwy nasypu) górne < 35 dolne < 65 nie oznaczano Zawartość cząstek: 0,075 mm 0,02 mm < 15 < 3 30,0 12,2 Wskaźnik piaskowy w p >35 30 Grupa wysadzinowości zależnie od grupy gruntów wątpliwe Współczynnik filtracji korpus < 10-6 I m/s s = 0,90 6,63 10-6 uszczelnienie < 10-7 I s = 1,00 1,98 10-6 Zawartość cząstek: 0,01 mm korpus 6 20 uszczelnienie > 25 7,0 Kąt tarcia wewnętrznego f > 25* 31,7 Wskaźnik nośności po 4 dobach nasiąkliwości w noś 10 10,8 * przy nasyceniu wodą 142 INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 2/2013

go wzięto pod uwagę możliwość wykorzystania omawianych osadów na budowę korpusu nasypów. Badany materiał spełnia wszystkie istotne kryteria, jak wartość współczynnika filtracji i zawartość części organicznych. Dodatkowo, wysokie wartości kąta tarcia wewnętrznego pozwalają prognozować dobrą stateczność nasypów wykonanych z omawianych osadów. Zastrzeżenia mogą dotyczyć jedynie wartości wskaźnika uziarnienia, która jest mniejsza od podanej w pracy Sobczaka [15]. Jednak biorąc pod uwagę doświadczenia związane z wykorzystaniem mad rzecznych do formowania obwałowań [6], można wnosić, że osady z cofki Zbiornika Czorsztyńskiego można wykorzystać do budowy nasypów hydrotechnicznych. PODSUMOWANIE Proces zamulania Zbiornika Czorsztyńskiego spowodował wypłycenie obszaru cofki tego zbiornika, przez co należy rozważyć możliwość przeprowadzenia pogłębiania i wydobycia zalegających osadów. Przedstawione wyniki badań i ich analiza może pozwolić na podjęcie decyzji dotyczącej zagospodarowania tego materiału. W cofce Zbiornika Czorsztyńskiego zalegają naprzemianlegle osady piaszczysto pylaste. Materiał uśredniony sklasyfikowano jako piasek pylasty, kilkufrakcyjny, o niedużej zawartości części organicznych pozwalającej zaliczyć ten materiał do gruntów mineralnych. Uzyskane wartości parametrów wytrzymałościowych i wskaźnika nośności były wysokie, co pozwala prognozować dobrą stateczność i nośność budowli ziemnych formowanych z osadów. Jedyne zastrzeżenia dotyczą uziarnienia, które klasyfikuje badany materiał jako wątpliwy pod względem wysadzinowości. Na podstawie przeprowadzonej oceny przydatności osadów do celów budownictwa ziemnego stwierdzono, że można je stosować do formowania nasypów drogowych i hydrotechnicznych, pod warunkiem polepszenia ich właściwości. Badane osady nie spełniają wszystkich wymaganych kryteriów, jednak na podstawie dotychczasowych doświadczeń związanych ze stosowaniem podobnych materiałów [2, 6] można uznać, że mogą one być zastosowane do budowy nasypów o niższych klasach technicznych bez stosowania zabiegów, które dodatkowo podniosłyby koszty inwestycji. Planuje się kontynuację badań mających na celu oznaczenia zawartości metali ciężkich w omawianych osadach, aby ocenić oddziaływanie badanego materiału na środowisko przyrodnicze oraz stabilizację osadów, na przykład spoiwami hydraulicznymi, w celu polepszenia ich właściwości geotechnicznych. LITERATURA 1. Babiński Z.: Wpływ zapór na procesy korytowe rzek aluwialnych. Bydgoszcz, Wydawnictwo Akademii Bydgoskiej 2002. 2. Borys M.: Niskie nasypy z miejscowych gruntów organicznych dla potrzeb budownictwa wodno-melioracyjnego. Falenty, Wydawnictwo IMUZ 1993. 3. Czyżewski K., Wolski W., Wójcicki S., Zbikowski A.: Zapory ziemne. Warszawa, Arkady 1973. 4. Dymkowski A., Lewandowski R.: Rekultywacja wybranych stref brzegowych i częściowe odmulenie zbiorników Rożnów i Czchów. Gospodarka Wodna. Warszawa. Wydawnictwo Sigma-Not, 2001. 10, 420-423. 5. Gruchot A., Sudyka K.: Usability evaluation of bottom sediments from backwater of Czorsztyn Niedzica reservoir in geotechnical engineering. Geologija. Versita Publisher 2011. 53, No.2 (74), 20-27. 6. Gwóźdź R.: Właściwości osadów spoistych Jeziora Rożnowskiego w aspekcie ich geotechnicznego wykorzystania. Rozprawa doktorska. Maszynopis. PK Kraków 2007. 7. Koś K.: Charakterystyka geotechniczna osadów dennych w cofce Zbiornika Czorsztyńskiego. Acta Sci. Pol., Formatio Circumiectus. Wydawnictwo Uniwersytetu Rolniczego 2011. 10 (2), 29-40. 8. Kozielska-Sroka E., Chęć M.: Właściwości osadów dennych Jeziora Czorsztyńskiego w aspekcie ich wykorzystania w budownictwie ziemnym. Górnictwo i Inżynieria. 2009. 1, 369-375. 9. Kozielska-Sroka E., Michalski P., Zydroń T.: Uwarunkowania geotechniczne i hydrodynamiczne transformacji północnej strefy brzegowej zbiornika Czorsztyn Niedzica w trakcie jego eksploatacji. Pieniny Zapora Zmiany Monografie Pienińskie 2010. 2, 63-82. 10. Katalog typowych konstrukcji nawierzchni podatnych i półsztywnych. Generalna Dyrekcja Dróg Publicznych i Autostrad, Warszawa 1997. 11. Loska K., Cebula J., Wiechuła D.: Analiza właściwości fizykochemicznych osadów dennych zbiornika rybnickiego w aspekcie ich wykorzystania do celów nieprzemysłowych. Gospodarka Wodna. Warszawa. Wydawnictwo Sigma-Not, 2002. 7, 292-294. 12. Madeyski M., Bednarz J.: Wykorzystanie osadów dennych wybranego zbiornika wodnego. Zesz. Nauk. AR w Krakowie, 2004. Inżynieria Środowiska, 25, 283-292. 13. Patrzałek A., Pozzi M. (red.): Obwałowania cieków wodnych i pobocza szlaków komunikacyjnych. Zabrze. Wyd. IPIŚ PAN O/Zabrze i IGS Pol. Śl. 2003. 14. Rzętała M. A.: Procesy brzegowe i osady denne wybranych zbiorników wodnych w warunkach zróżnicowanej antropopresji. Katowice. Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego 2003. 15. Sobczak J.: Zapory z materiałów miejscowych. Warszawa. PWN 1975. 16. Sudyka K.: Analiza geotechniczna i chemiczna osadów dennych Zbiornika Czorsztyn Niedzica i ich wykorzystanie w budownictwie ziemnym. Praca magisterska. Maszynopis. Kraków. Uniwersytet Rolniczy 2009. 17. BN-64/8931-01. Drogi samochodowe. Oznaczenie wskaźnika piaskowego. 18. PN-EN ISO 14688-2:2006. Badania geotechniczne. Oznaczanie i klasyfikowanie gruntów. Część 2: Zasady klasyfikowania. 19. PN-EN-ISO TS 17892. Badania geotechniczne. Badania laboratoryjne gruntów. 20. PN-88/B 04481. Grunty budowlane. Badania próbek gruntu. 21. PN-B-06050:1999. Geotechnika. Roboty Ziemne. Wymagania ogólne. 22. PN-S-02205:1998. Drogi samochodowe. Roboty zimne. Wymagania i badania. 23. Gorce 1:50 000. Wydawnictwo Compass. 2010. 24. www.czarny-dunajec.pl 25. www.zzw-niedzica.com.pl INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 2/2013 143