Przeciwdziałanie erozji wodnej w obiektach inżynierskich

18.06.2015

Przeciwdziałanie erozji wodnej jest ściśle związane z budową i eksploatacją obiektów inżynierskich, dlatego już na etapie prac projektowych należy proponować odpowiednie sprawdzone rozwiązania.

Erozja wodna i jej znaczenie

Mianem erozji (z łac. erodare – żłobić) określa się procesy mechanicznego niszczenia powierzchni skorupy ziem­skiej przez różne siły przyrody – wodę, lodowiec oraz wiatr. W węższym zna­czeniu termin ten obejmuje zjawiska towarzyszące niszczeniu gleby i grun­tu. Klasyfikacja erozji w geograficz­nych warunkach Polski [1] przedsta­wia różne jej rodzaje, w tym erozję wietrzną i wodną (rys. 1).

 

Rys. 1 Klasyfikacja erozji w geograficznych warunkach Polski [1]

 

Procesy erozyjne można podzielić na: naturalne (geologiczne) – trwające od zarania globu ziemskiego bez udziału człowieka, oraz inicjowane działalnością człowieka. Obecnie erozja naturalna występuje tylko tam, gdzie istnieją na­turalne warunki środowiska, np. w re­zerwatach przyrody. W miejscach gdzie w środowisko ingeruje człowiek, obser­wuje się występowanie erozji tzw. przy­spieszonej [1]. Procesy erozyjne ulega­ją intensyfikacji w wyniku m.in. uprawy stoków, wycinania lasów, trasowania dróg oraz prac związanych z szeroko pojętą regulacją rzek i potoków. Odsło­nięta w wyniku gospodarowania pokry­wa glebowa znacznie słabiej opiera się procesom wietrzenia eolicznego oraz spływu wody, co ułatwia odrywanie się okruchów skał i cząstek gleby, ich wy­płukiwanie oraz przemieszczanie.

Zwłaszcza w obszarach górskich zapo­bieganie erozji wodnej ma szczególne znaczenie z punktu widzenia gospodar­czego, ochrony zasobów naturalnych, eksploatacji infrastruktury inżynierskiej oraz szlaków komunikacyjnych. Czynni­kami wpływającymi na nasilenie erozji wodnej na tych obszarach są: rzeźba (znaczne spadki terenu), stosunki klimatyczno-hydrologiczne, rodzaj gleb oraz sposób użytkowania. W określo­nych warunkach (hydroklimatycznych, geologicznych, glebowych i in.) ekstre­malne zjawiska opadowe mogą powodo­wać inicjowanie procesów erozyjnych na trasie szlaków zrywkowych, prze­kształcając je w swoistego rodzaju wą­wozy, mogą również powodować uszko­dzenia dróg, przepustów oraz małych mostów.

Problematyka przeciwdziałania erozji wodnej jest ściśle związana z budową i eksploatacją obiektów inżynierskich (drogowych, kolejowych, wodnych) i już na etapie prac projektowych wskaza­ne jest proponowanie sprawdzonych i efektywnych rozwiązań w tym zakre­sie oraz dobór materiałów, spełniają­cych określone wymagania.

Niezwykle istotną kwestią dotyczącą przeciwdziałania erozji wodnej jest prawidłowe rozpoznanie jej rodzaju oraz określenie stopnia nasilenia. W ciągu kilkudziesięciu ostatnich lat opracowano na świecie wiele metod oceny oraz nasilenia erozji wodnej. Proponowane metody różnią się mię­dzy sobą np. precyzją w odzwierciedle­niu rzeczywistości czy samym zakre­sem oceny. Metody stosowane w celu ochrony przed działaniem erozji wodnej można umownie podzielić na przyrod­nicze, przyrodniczo-techniczne oraz techniczne. W ogólnym ujęciu metody przyrodnicze polegają na stosowaniu zabiegów fitomelioracyjnych obejmu­jących głównie zadarnienie (hydrosiew, humusowanie i in.), zakrzaczenie lub zadrzewienie. Metody techniczne mają zastosowanie wówczas, gdy proce­sów erozyjnych nie można ograniczyć za pomocą metod przyrodniczych, w szczególności w zabudowie potoków górskich i eksploatacji zbiorników wod­nych. Są również stosowane w przy­padku tarasowania zboczy, moderni­zacji stanu dróg i szlaków zrywkowych oraz innych prac w zakresie ochrony przed osuwiskami.

 

Fot. 1 Skutki wystąpienia osuwiska

 

Ruchy mas ziemnych i osuwiska

Ważnym problemem dla inżynierów są powierzchniowe ruchy masowe, które mogą powodować wiele kom­plikacji w procesie inżynieryjnego zagospodarowania obszarów. Bezpo­średnią przyczyną ich powstania jest m.in. silne zwietrzenie skał, podcię­cie erozyjne zbocza, przeciążenie zbocza wodą opadową lub śniegiem bądź też silne nawodnienie podłoża przez spękane warstwy [2]. Zasad­niczą kwestią jest występujący ro­dzaj gruntu, gdyż proces ruchu mas ziemnych będzie przebiegał zupełnie inaczej w przypadku utworów okru­chowych (żwiry, piaski) niż w iłach czy glinach. W żwirach i piaskach po­zbawionych cząstek ilastych kohezja jest znikoma, a w piaskach bardzo drobnoziarnistych, niezawierających składników ilastych, kohezja będzie istniała głównie w obecności wody kapilarnej.

Ruchy mas ziemnych mogą wystę­pować naturalnie, mogą również być inicjowane inżynierską działalnością człowieka, m.in. poprzez: zmiany stosunków wodnych na stoku przez przecięcie warstw wodonośnych czy podcięcie stoku wkopem w wyniku przebiegu tras komunikacyjnych; ob­ciążenia statyczne i dynamiczne powo­dowane nadmiernie ciężkimi konstruk­cjami budowlanymi lub składowaniem materiałów na stoku; zmiany konsy­stencji gruntu w wyniku nadmiernego uwilgotnienia stoku; eksploatację ka­mieniołomów i żwirowisk; zmiany prze­biegu koryt rzek i potoków, powiązane z niepożądanym spiętrzeniem wód po­wierzchniowych.

Stosując klasyfikację opartą na kry­teriach rodzaju i prędkości ruchu oraz charakteru i mechanizmu zsu­wających się po stoku mas ziemnych [2], można wyróżnić trzy grupy ru­chów masowych: 1) spływy, które powstają, gdy nastąpi nasycenie warstw przypowierzchniowych wodą, zwłaszcza pokryw zwietrzelinowych, wśród których przeważają utwory pylaste i ilasto-gliniaste; 2) zsuwy, tj. osuwiska w węższym znacze­niu, gdy mamy do czynienia z dyna­micznym przemieszczeniem się mas skalnych znacznej objętości, oraz 3) obrywy, które powstają w wyni­ku oderwania i osunięcia w dół mas skalnych ze znaczną prędkością. O ile obrywy mogą odbywać się „na sucho”, o tyle spełzywanie, osuwanie (zsuwy), a zwłaszcza spływanie jest  silnie związane z występowaniem znacznych ilości wody w gruncie. Ru­chy mas ziemnych, w tym osuwiska, mogą zagrażać infrastrukturze drogowej, niszczyć drzewostany i pola uprawne (fot. 1), mogą również po­wodować zmianę biegu rzek.

 

Fot. 2 Wodospust i korytka ściekowe

 

Potrzeby inwestycyjne w zakresie zabezpieczeń przeciwerozyjnych

W obszarach górskich i podgórskich najczęściej występuje erozja wodna liniowa, w szczególności żłobinowa i wąwozowa (na szlakach zrywkowych i wzdłuż dróg leśnych), oraz erozja den­na i boczna (rzeki i potoki) [3]. Potrzeby inwestycyjne w zakresie zabezpieczeń przeciwerozyjnych obejmują zabudowę szlaków zrywkowych, tarasowanie zbo­czy, szczególnie narażonych na działa­nie spływu wody, zabezpieczanie przed osuwiskami, polepszenie stanu dróg stokowych i szlaków turystycznych, modernizację przepustów oraz budo­wę zbiorników retencyjnych. Z punktu widzenia prawidłowej eksploatacji dróg niezmiernie istotny jest poprawnie za­projektowany i wykonany system od­wadniający. Ważnym elementem tego systemu są m.in. korytka ściekowe (ścieki), wodospusty (fot. 2), przepusty oraz małe mosty.

 

Fot. 3 Wymywanie drogi w wyniku braku wykonania ubezpieczenia wylotu przepustu

 

Przepusty mają za zadanie spraw­ne przeprowadzanie wody opadowej (i roztopowej) z jednej strony drogi na drugą. Niedbałe wykonanie przepustu, polegające najczęściej na braku zasto­sowania odpowiedniego ubezpieczenia, zwłaszcza wylotu przepustu, lub wyko­nanie tego ubezpieczenia niezgodnie ze sztuką może powodować erozję w ob­rębie obiektu (fot. 3) oraz ograniczać drożność koryta cieku (fot. 4). Prace związane z wykonaniem ubezpieczenia na wlocie i wylocie przepustu (fot. 5) oraz jego tzw. wykończenie wymagają zastosowania określonych rozwiązań technicznych i materiałów (fot. 6), których wybór nierzadko jest podykto­wany kosztami związanymi z realizacją danej inwestycji. Poza aspektem eko­nomicznym niemożność zastosowania zaproponowanego przez projektanta określonego rozwiązania może wynikać z różnych obostrzeń natury prawnej, związanych z szeroko pojętą ochroną środowiska. Przykładowo kraty na stu­dzienkach projektowanych na wlocie przepustu mogą stanowić swoistego rodzaju pułapkę dla niektórych zwie­rząt, głównie płazów.

 

Fot. 4 Przeszkoda w korycie potoku w po­staci luźno rozlokowanych elemen­tów betonowych pochodzących ze zniszczonego przepustu

 

Regulacja rzek i potoków górskich

W projektach zabudowy potoków gór­skich obecnie odstępuje się od roz­wiązań typowo technicznych, propo­nujących koncepcje zabudowy cieku za pomocą betonowych lub żelbetonowych budowli wodnych, takich jak zapory przeciwrumowiskowe, stopnie, pro­gi (kombinacja: progi-stopnie) czy też betonowych ubezpieczeń stosowanych w celu ochrony skarp. Wprowadzane są natomiast efektywne rozwiązania przyrodniczo-techniczne, przyjazne środowisku.
Co do zasady, wszelkie prace w za­kresie regulacji rzek i potoków powin­ny dążyć do zachowania naturalnych warunków panujących w korycie cieku przy zachowaniu panującego reżimu hydrologicznego. W praktyce w ra­mach podejmowanych działań przeciwerozyjnych w strefie oddziaływania cieku wprowadzane są stosowane obecnie na szeroką skalę kosze siatkowo-kamienne oraz drewniane skrzynie z wypełnieniem kamiennym (konstruk­cje kaszycowe). Materiały, takie jak np. kamień, drewno, faszyna, oprócz tego, że mają spełniać określone funkcje, również wkomponowują się w istnieją­cy naturalny krajobraz. Redukcję spad­ku podłużnego koryta oraz stabilizację dna można uzyskać, stosując kon­strukcje poprzeczne, tj. stopnie, progi wykonywane z materiałów odpornych i przyjaznych środowisku (fot. 7). Po­dejmowane są działania zmierzające do zastępowania stopni i progów be­tonowych gabionami lub bystrotokami kamiennymi, które umożliwiają lokal­nie redukcję spadku oraz dodatkowo wspomagają natlenianie wody. W celu przeciwdziałania erozji wgłębnej w ko­rycie cieku projektuje się ażurowe za­pory przeciwrumowiskowe, wykonywa­ne z belek drewnianych lub żelaznych, których zadaniem jest segregacja oraz powstrzymywanie transportu rumoszu drzewnego i skalnego pod­czas wezbrań. W przypadku obiektów budownictwa drogowego i wodnego w projektach uwzględnia się przejścia dla zwierząt oraz przepławki dla ryb.

 

Fot. 5 Wykonywanie ubezpieczenia wylo­tu przepustu i skarpy (prace w toku)

 

Kosze siatkowo-kamienne (gabiony)

Kosze siatkowo-kamienne (gabiony) znajdują zastosowanie niemal we wszystkich realizacjach związanych z ochroną przeciwerozyjną w inżynierii wodnej (regulacja linii cieku, stabiliza­cja skarp, umocnienie dna) – fot. 8. Są również stosowane w celu zabezpie­czenia infrastruktury inżynierskiej na przekroczeniu cieku (podpory mostów, gazociągi etc.) – fot. 9, oraz stanowią ważny element infrastruktury drogowej (zabezpieczenie i podparcie stromego nasypu). Gabiony coraz częściej są uży­wane również w architekturze miesz­kalnej (ściany budynków, ogrodzeń). Popularność tych konstrukcji wzrasta głównie ze względu na funkcjonalność oraz bliski naturze rodzaj materiału używanego do ich produkcji.

 

Fot. 6 Przykład ubezpieczania wlotu prze­pustu i skarpy (obrukowanie wraz z zastosowaniem szykan z kamieni, mur z gabionów)

 

Stosowanie konstrukcji gabionowych do prac z zakresu regulacji rzek stwa­rza możliwości rozwoju lub odbudowy ekosystemów (renaturyzacja). W przy­padku ochrony stoków, skarp oraz brze­gów gabiony pełnią funkcję stabilizato­ra i mogą być również stosowane jako uzupełnienie konstrukcji istniejących obiektów. Z punktu widzenia eksploata­cji niezmiernie istotnymi parametrami są jakość użytych materiałów oraz technika (sposób) wykonania. Podsta­wową konstrukcję kosza stanowią: siatka dolna, siatki boczne oraz pokry­wa. Ze względu na sposób wykonania istnieje podział na kosze zgrzewane (na krzyż) oraz plecione (o oczku heksa­gonalnym, podwójnie skręcane). Zada­niem konstrukcji kosza jest utrzymanie kształtu gabionu, całą resztę dopełnia kruszywo (wsad). Wypełnione, zamknię­te i łączone ze sobą kosze siatkowo-ka- mienne stanowią trwałe, stabilne oraz odporne konstrukcje. Nazwa „gabion” początkowo obejmowała tylko skrzynie zgrzewane, jednakże obecnie nie jest stosowane takie rozgraniczenie. Kosze są wykonywane z siatki drucianej stalo­wej, najczęściej drut jest pokryty war­stwą cynku, stopu cynku i aluminium lub tego ostatniego stopu z dodat­kiem PVC. Jako wsad stosowane jest kruszywo techniczne o parametrach określonych w normach (np. PN-EN 13383-1, PN-EN 13383-2).

Podstawowym warunkiem prawidłowej instalacji gabionów jest odpowied­nie przygotowanie podłoża i sposób układania wsadu w celu samoistnego klinowania się kruszywa. Usypywanie kruszywa do koszy, np. za pomocą ko­parki, może nie gwarantować prawi­dłowej eksploatacji gabionów. Na sty­ku dwóch ośrodków, tj. podłoża oraz gabionu, stosowana jest geowłóknina o właściwościach dyfuzyjnych.

 

Fot. 7 Stopień kaszycowy wraz z ubezpie­czeniem

 

Popularne rozwiązania w za­kresie stabilizacji i ochrony skarp oraz nasypów

W praktyce inżynierskiej do stabilizacji i zabezpieczania skarp oraz nasypów stosowane są różnego rodzaju geosyntetyki, m.in. geowłókniny, geomaty, geosiatki (w tym geokraty), geotkaniny, geomembrany, geokompozyty. Geowłókniny charakteryzujące się wysoką wodoprzepuszczalnością mogą sta­nowić zarówno warstwy separacyjne, filtracyjne, jak i wzmacniające. Stoso­wane głównie do podbudowy dróg oraz zboczy chronią przed wymywaniem czą­stek gruntu. Geosiatki optymalnie roz­wiązują problem słabej nośności grun­tu, co równocześnie ogranicza koszty związane z jego wzmacnianiem. Dzięki zastosowaniu geokrat możliwe jest formowanie nasypów w budownictwie komunikacyjnym, rekonstrukcja skarp i wałów. Stanowią również zabezpiecze­nie przeciwerozyjne powierzchni skarp, nasypów, rowów i zbiorników wodnych. System geokrat wpływa korzystnie  na własności niespoistych materiałów, takich jak żwir czy piasek, zamknięcie tych materiałów w środku geosyntetycznych komórek pozwala na od­powiednio wysokie ich zagęszczenie. Geokompozyty z kolei to rozwiązania łą­czące w sobie kilka rodzajów geosyntetyków. Najczęściej w przypadku działań związanych z przeciwdziałaniem erozji wodnej oraz zabezpieczeniem wysokich skarp i nasypów stosowane są maty przestrzenne wzmocnione geosiatką.

 

Fot. 8 Regulacja linii cieku wodnego i stabilizacja skarp

 

Geomembrany (syntetyczne folie nie­przepuszczalne) są wykorzystywane jako bariera uszczelniająca w hydrotechnice (m.in. sztuczne zbiorniki wodne, wały przeciwpowodziowe, sta­wy hodowlane). Wykonywane są z two­rzywa termoplastycznego (najczęściej HDPE, rzadziej PcV) o bardzo niskiej przepuszczalności. Geomembrana może być materiałem o jednorodnej strukturze lub stanowić produkt zło­żony z różnych materiałów (termoplastów, elastomerów). Zaletą geomembran jest łatwy montaż i sposób łączenia, odporność mechaniczna, bio­logiczna i chemiczna oraz neutralność oddziaływania na środowisko.

Ochrona przeciwerozyjna skarp i na­sypów może być realizowana z uży­ciem metod biologiczno-technicznych, w tym metody hydrosiewu (natrysko­we rozprowadzanie mieszaniny: indywi­dualnie dobierana kompozycja nasion, hydronawozów oraz lepiszcza). Hydrosiew wymaga znacznej ilości wody jako nośnika. Jest stosowany w celu ochrony przed ablacją deszczową, osuwaniem czy żłobieniem. Powstały w wyniku hydrosiewu system korze­niowy skutecznie zabezpiecza skarpy przed ich osuwaniem, co w znacz­nym stopniu może przyczynić się do ograniczenia kosztów inwestycyjnych oraz eksploatacji. Ponieważ hydrosiew umożliwia całkowite pokrywanie nawet nierównych powierzchni, może być stosowany również do gabionów, które są obsiewane mieszankami traw charakteryzujących się płytkim syste­mem korzeniowym. Hydrosiew znajdu­je zastosowanie także w ochronie wa­łów przeciwpowodziowych, a głównymi jego atutami są: wysoka skuteczność, krótki czas wykonywania oraz optymal­ny koszt (np. w porównaniu z kosztem układania trawnika z rolki).

 

Fot. 9 Zastosowanie gabionów w pracach związanych z budową mostu

 

Hydrorehabilitacja – co to takiego?

Hydrorehabilitacja polega na pokrywa­niu spalonych w wyniku pożaru tere­nów leśnych specjalnie przygotowaną wodną ściółką zawierającą nasiona roślin, włókien celulozowych i lepiszcza przy użyciu aplikatorów lądowych i po­wietrznych. Obszary leśne po pożarze są narażone na erozję wodną i wietrz­ną i związane z nią niebezpieczeństwo osunięcia gleb, wymywania nasion czy zanieczyszczenia pobliskich wód, po­wodowane głównie podczas ulewnych deszczy przez spływające masy błot­ne, osady i popiół. Bardzo poważnym problemem jest również „dysfunkcja” gleby w zakresie jej nasiąkliwości, gdzie gleba po pożarze najczęściej wykazuje właściwości hydrofobowe.

 

dr inż. Ewa Słowik-Opoka

Uniwersytet Rolniczy w Krakowie

Zdjęcia autorki

 

Literatura

1.  P Prochal K. Maślanka, K. Koreleski, Ochrona środowiska przed erozją wod­ną, Wyd. Akademii Rolniczej w Krako­wie, 2005.

2.  M. Plewa, Geologia inżynierska w inży­nierii środowiska,Wyd. Naukowe DWN, Politechnika Krakowska, 1999.

3.  E. Pierzgalski, M. Janek, K. Kucharska, S. Niemtur, A. Stolarek, J. Tyszka, M. Wróbel, Procesy hydrologiczne i erozyj­ne w leśnych zlewniach górskich, IBL, Sękocin Stary 2009.

4.  PN-EN 13383-1 Kamień do robót hy­drotechnicznych – Cz. 1: Wymagania.

5.  PN-EN 13383-2 Kamień do robót hydro­technicznych – Cz. 2: Metody badań. T

www.facebook.com

www.piib.org.pl

www.kreatorbudownictwaroku.pl

www.izbudujemy.pl

Kanał na YouTube

Używamy cookies i podobnych technologii m.in. w celach: świadczenia usług, reklamy, statystyk. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień Twojej przeglądarki oznacza, że będą one umieszczane w Twoim urządzeniu końcowym. Pamiętaj, że zawsze możesz zmienić te ustawienia. Szczegóły znajdziesz w Polityce Prywatności.