Bezpieczne wały przeciwpowodziowe

Rozwiązania stosowane w nowoczesnych technologiach modernizacji wałów przeciwpowodziowych są następujące:

• budowa nowych wałów z gruntów gwarantujących lepsze parametry stabilności skarp,
• wbudowanie w istniejący wał i jego podłoże warstwy gruntu o mniejszej wodoprzepuszczalności (rozwiązanie kosztowne, związane z przebudową wałów o dużej wrażliwości na osiadanie),
• zastosowanie geosyntetycznych mat bentonitowych (łatwy montaż, wysokie zmechanizowanie robót i stosunkowo niskie koszty budowy),
• alternatywne zastosowanie geomembran PE-HD (są szczelne, ale sprawiają problemy techniczne związane z koniecznością starannego łączenia poszczególnych pasm i sprawdzania szczelności połączeń, poza tym muszą być układane w określonych warunkach pogodowych).

Uszczelnienie korpusu wału przez ułożenie mat bentonitowych na odwodnej skarpie i w podłożu w bezpośrednim sąsiedztwie wałów powoduje:

• znaczne wydłużenie czasu filtracji wody w podłożu wałów,
• zabezpieczenie korpusu wału przed rozwojem procesów deformacji wywoływanych infiltracją wód.

Ponadto wbudowanie warstwy uszczelniającej nie narusza równowagi panującej między korpusem wału a podłożem, a nawet zwiększa stateczność korpusu przez ograniczenie filtracji wody przez wał przeciwpowodziowy. Konstrukcja ta nie wykazuje też wrażliwości na osiadanie korpusu wału.

Uproszczona technologia wykonania renowacji konstrukcji wału

Kolejność robót budowlano-montażowych polegających na renowacji wału pokazano na rys. 1. Roboty te polegają na: mechanicznym zdjęciu wierzchniej warstwy gruntu z odwodnej powierzchni wału – grubość warstwy: 1,0 m, mechanicznym rozwinięciu maty bentonitowej z rolki i wbudowaniu na podłożu gruntu rodzimego wału (po zdjęciu warstwy wierzchniej), nasypaniu i wyrównaniu zdjętej uprzednio warstwy gruntu.

Ta ostatnia faza zabudowy i zagęszczania warstwy gruntu ma na celu zabezpieczenie mat bentonitowych i stworzenie odpowiedniego docisku. Na rys. 2 pokazano zmodernizowany wał po renowacji.

Główne czynniki fizyczno-klimatyczne powodujące uszkodzenia wałów to: zalewanie wodne ponad stany alarmowe, silne oddziaływanie fal prądu rzecznego i przecieki infiltracyjne wody.

Stosowane dawniej zabezpieczenia przed tymi zagrożeniami były następujące (rys. 3–5):

• podwyższenie korpusu wału (budowa naziemna),
• nadbudowa betonowa,- wbudowanie w środku wału szczelnych ścianek,
• wbudowanie maty uszczelniającej na poboczu skarpy odwodnej.

Silne oddziaływanie fal i prądu rzecznego niszczy warstwę ochronną wału i prowadzi zwykle do rozwoju procesu erozji odwodnej skarpy wału.

Rozwiązaniem tego problemu może być jedynie wzmocnienie skarp wału przez ułożenie na nich warstwy zabezpieczającej, np. wzmocnionej warstwy geotekstylnej (rys. 2, 3–5).

Przesiąkanie wody na skarpie odwietrznej wału na skutek infiltracji wody przez korpus może prowadzić do rozwoju procesu deformacji filtracyjnej gruntu budowlanego, powodującego zmniejszenie stabilności wału (sufozja).

Zasadniczy problem stanowi jednak czas trwania powodziowych stanów wód. Jeżeli czas ten jest krótszy od prędkości filtracji wody przez korpus wału do momentu osiągnięcia stanu krytycznego na jego zewnętrznym stoku, nie stanowi to zagrożenia powstania wysięków na odpowietrznej skarpie wału.

Zagrożenie takie istnieje zawsze, kiedy powodziowe stany wód utrzymują się przez dłuższy okres, tzn. powyżej 4 dni. Rozwiązaniem tego problemu może być: zabezpieczenie zewnętrznej skarpy wału przed erozją i zwiększenie stabilności przez wzmocnienie szczelności systemu drenażowego (warstwa żwiru lub kamieni, geotekstylia i rów drenażowy – rys. 3), uszczelnienie korpusu i podłoża wału przez zabudowanie szczelnej ścianki w przekroju podłużnym korpusu i w podłożu (rys. 4) (przy czym poważnymi wadami tego rozwiązania są duże koszty związane z przebudową oraz duża wrażliwość na osiadanie w przypadku starych wałów) lub uszczelnienie podłoża wału i stoku odwodnego matami bentonitowymi, wydłużenie drogi filtracji wody przez ułożenie na stoku wału i w jego podłożu warstwy mat bentonitowych (rys. 5).

Przy zastosowaniu rozwiązania pokazanego na rys. 2 nie zostaje naruszona równowaga panująca między korpusem wału i podłożem, a nawet zwiększona zostaje stateczność korpusu przez ograniczenie filtracji wody przez wał. Ponadto konstrukcja ta nie wykazuje wrażliwości na osiadanie korpusu wału ani nie wystęuje konieczność transportu dużej ilości materiału budowlanego.

Obliczenia hydrotechniczne czasu filtracji wody przez korpus wału

Założenia techniczne do obliczeń, oparte na schematach hydrograficznych (rys. 6, 7), są następujące:

• szerokość korony wału – B = 4,0 m,
• nachylenie stoku (skarp) – 1:2,
• wysokość korony wału – 3,0 m,
• poziom wody – H = 2,5 m,
• szerokość stopy wału – b = 16,0 m,
• głębokość podłoża przepuszczającego
• wodę – T = 3,0 m,
• współczynnik filtracji (wodoprzepuszczalności) – k_f = 10^–4 m/s (przez korpus wału).
  
  

W celu ustalenia czasu filtracji wody stosuje się metodę krzywej filtracji, ponieważ nie jest ona skomplikowana, a jej znaczenie z punktu widzenia fizyki jest zrozumiałe. Metoda ta jest graficznym rozwiązaniem modelu matematycznego (równanie Laplace’a). Do stosowania w praktyce jest wystarczająco dokładna pod warunkiem precyzyjnego wytyczenia krzywych filtracji wody. Wyjaśnienia dotyczące metody obliczeń (rys. 6, 7):

a – długość pola – linia przepływu wody,

b – długość pola – linia ekwipotencjalna,

n – liczba pól.

Prędkość przepływu wody w polu „i” obliczana ze wzoru Darcy’ego wynosi: V_i = k_f·l_i (1), gdzie: l_i = ΔH/a jest gradientem hydraulicznym nacisku słupa wody H na odcinku n (ΔH = H/n). Zatem: l_i = H/n·a.

Dane te wykorzystuje się do obliczenia czasu t_i, przepływu (filtracji) wody przez pole „i”: t_i = a/vi = na²/kf·H (2).

Całkowity czas przepływu wody oblicza się ze wzoru: t = Σ t_i = (na)²/kf·H (3), gdzie: (na) to całkowita długość drogi przepływu. Widać tutaj, że czas filtracji wody jest proporcjonalny do kwadratu długości drogi filtracji. Czas filtracji wody w odniesieniu do wału przeciwpowodziowego o konstrukcji tradycyjnej, bez uszczelnienia skarpy odwodnej, z następującymi warunkami ramowymi (rys. 6):

a = 1,2 m,
n = 10,
kf= 10–4 m/s,
H= 2,5 m

po podstawieniu danych do równania (3) jest następujący: t = (na)²/kH = (1,2·10)²/(10–4·2,5) = 6,7 dni.

Wynik ten jest wątpliwy, gdyż obliczeniowy czas t filtracji wody zbliżony jest do granicznego czasu utrzymywania wody w wale wynoszącym ok. 4 dni. Wał przeciwpowodziowy spełniający analogiczne warunki ramowe, którego stok odwodny i podłoże na długości 5,0 m od wału są uszczelnione warstwą mat bentonitowych, charakteryzuje się następującymi parametrami (rys. 7):

a = 1,3 m,
n = 15,
kf = 10–4 m/s,
H =2,5 m.

Ponieważ wartość współczynnika filtracji k warstwy mat bentonitowych jest bardzo niska w porównaniu z wartością współczynnika filtracji wału i gruntów podłoża, przyjmuje się w warunkach ograniczonego czasowo spiętrzenia wody (powodziowy stan wody), że warstwa mat bentonitowych jest nieprzepuszczalna.

Po podstawieniu danych do równania (3) otrzymujemy: t = (na)²/kH = (1,3·15)²/(10–4·2,5) =17,5 dni.

Wynik ten gwarantuje szczelność nawet w czasie utrzymywania się wody w wale przez ponad 2 tyg., co bezpiecznie przekracza graniczny okres 4 dni. Wynik przeprowadzonych obliczeń jest efektem wydłużenia drogi filtracji, co graficznie przedstawiono na rys. 7.

Wydłużony do 17,5 dnia czas przesiąkania wody tylko przez przepuszczalne podłoże ziemne wału o długości ok. 15×1,3 m = 19,5 m wynika z parametrów hydrotechnicznych i bardzo małego współczynnika wodoprzepuszczalności maty bentonitowej, która uszczelnia odwodny stok skarpy korpusu wału. Po wystąpieniu przecieku krytycznym miejscem staje się odpowietrzny stok wału, gdyż pojawia się tam niebezpieczeństwo wystąpienia dużego parcia hydraulicznego, które może doprowadzić do erozji tej części wału. Dlatego wartość kąta nachylenia stoku wału musi być mniejsza od wartości krytycznej, przy której może dojść do rozmycia stoku wału. Według wyliczeń wartość spadku hydraulicznego po drugiej stronie wału może zostać zredukowana o połowę poprzez uszczelnienie wału matą bentonitową. Oznacza to, że zwiększa się w ten sposób stabilność wału o ok. 100%.

Zakończenie

Technologię doszczelniania wałów matami bentonitowymi zastosowano do odbudowy wałów przeciwpowodziowych w 1998 r. na Odrze w obrębie gminy Wińsko k. Wrocławia. Maty układane były na 30-centymetrową zakładkę pasmami o szerokości 4,85 m i długości 30 m. Do przykrywania mat bentonitowych wykorzystano metrową warstwę gliny piaszczystej. Okrycie było wykonywane etapami – pojedynczymi, zagęszczanymi warstwami o miąższości 0,35 m. Podłoże mat stanowiła wyrównana warstwa zagęszczonej gliny piaszczystej o grubości 0,5 m, którą wykonano na skarpie i w podłożu od strony odwodnej wału.

Przykład zastosowania maty bentonitowej do uszczelnienia wału przedstawiono na rys. 8. Obecnie do modernizacji wałów stosuje się geotekstylne maty zabezpieczające skarpy przed erozją powierzchniową po stronie odpowietrznej. Maty te umożliwiają wymywanie deszczem i wiatrem ziaren piasku korpusu wału, co wzmacnia stateczność wału. Tak więc podstawowymi rozwiązaniami inżynierskimi polegającymi na modernizacji wałów są przede wszystkim odpowiednie uszczelnienia skarp odwodnych oraz geotechniczne stabilizowanie korpusu wału, w którym pochylenie skarp odwodnych i odpowietrznych powinno wynosić 1:3, a nie jak do 1997 r. – 1:2 [1, 3, 7].

Literatura

1. G. Heerten, „Der sichere Deich”, Symposium „Notsicherung von Dämmen und Deichen”, 07.02.2003, Siegen.
2. G. Heerten, H.B. Hörlacher, „Konsequenzen aus Katastrophenhochwässern an Oder, Donau und Elbe”, „Geotechnik”, nr 4/2002.
3. R. Haselsteiner, M. Conrad, T. Strobl, „Kriterien zur Ertuchtigung von Hochwasserschüzdeichen”.
4. S. Stępniak, „Modernizacja zniszczonych wałów przeciwpowodziowych na Odrze i Jezierzycy z zastosowaniem uszczelniających mat geosyntetycznych”, IZOLACJE, nr 2/2008.
5. Prospekt NAUE „Geosyntetyki w budownictwie wodnym”, Espelkamp, Warszawa.
6. Rozporządzenie MOŚZNiL w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać obiekty gospodarki wodnej w ich usytuowanie (DzU z 1997 nr 21, poz. 111).
7. DIN 19700-11/2004 „Hochwassersicherheitund Hochwasserschutz”.

PAŹDZIERNIK 2009

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!