Na skuteczność zabezpieczenia przeciwerozyjnego, poza właściwościami zastosowanego materiału, ma wpływ także sposób przygotowania powierzchni, jakość wykonania zabezpieczenia oraz sposób pielęgnacji.
Erozja skarp drogowych budowli ziemnych (fot. 1) jest powszechnie spotykanym zjawiskiem. Jej przyczyny to destrukcyjne działanie kropel deszczu uderzających w nieosłoniętą powierzchnię skarp, wody spływającej po ich powierzchni, wody obmywającej podnóże i wypływającej z powierzchni skarp. Na powstawanie zniszczeń erozyjnych może dodatkowo mieć wpływ działalność wiatru. Skutki erozji to nie tylko zniszczenie elementu konstrukcyjnego budowli ziemnej, ale także zamulenie i zanieczyszczenie rowów i przyległego terenu.
Do ochrony skarp przed erozją mogą być stosowane różne zabiegi i materiały. Liczną grupę materiałów stanowią materiały geosyntetyczne [2, 11]. W normie PN-EN ISO 10318-1:2015-12 określono geosyntetyk jako produkt w postaci arkusza, pasm lub o strukturze przestrzennej, którego co najmniej jeden składnik jest wykonany z naturalnego lub syntetycznego polimeru.
Wyroby geosyntetyczne służące do zabezpieczeń przeciwerozyjnych skarp można podzielić na materiały:
– z polimerów naturalnych – ulegające biodegradacji,
– z polimerów syntetycznych – zwykle trwałe.
Do materiałów z polimerów naturalnych zalicza się biowłókniny, wykonane z włókien naturalnych z umieszczonymi w runie nasionami traw; tkaniny i siatki wykonane z włókien naturalnych oraz maty z polimerów naturalnych.
Wśród materiałów trwałych możemy wyróżnić płaskie geosiatki i przestrzenne geomaty. Na skarpach stosowane są także geosyntetyki komórkowe [7].
Materiały geosyntetyczne, zwłaszcza z polimerów syntetycznych, zaleca się stosować na skarpach, w przypadku których inne rozwiązania nie będą skuteczne. Przykładem są bardzo strome (o pochyleniu powyżej 1:1,5) skarpy wysokich nasypów.
Wybrane przykłady zapobiegania erozji skarp opisano w [6].
Fot. 1 Na erozję narażone są nawet niewielkie skarpy
Materiały do ochrony przeciwerozyjnej ulegające biodegradacji
Materiały z polimerów naturalnych stanowią ochronę przed erozją skarp drogowych w krótkim okresie (zwykle od kilku miesięcy do dwóch lat) [16]. Po rozłożeniu stanowią dodatkową dawkę nawozu dla roślinności porastającej skarpę.
Biowłókniny
Biowłókniny (fot. 2) według normy PN-B-12074:1988 są to maty z włókna bawełnianego lub bawełnianopodobnego, wykonane techniką włókninową z równomiernie rozmieszczonymi w czasie produkcji nasionami traw i roślin motylkowych, służące do umacniania i zadarniania powierzchni. Norma zawiera wymagania odnośnie do parametrów biowłóknin. Minimalna masa powierzchniowa wynosi 150 g/m2. Siła zrywająca powinna wynosić co najmniej 3 kN/m wzdłuż i 0,2 kN/m wszerz (w stanie mokrym odpowiednio 4 kN/m i 1 kN/m). Po zmoczeniu biowłóknina nie powinna kurczyć się więcej niż 5% wzdłuż i 3% wszerz. Minimalna wodochłonność biowłókniny wynosi 600%.
Ze względu na kurczenie się biowłókniny po zmoczeniu w trakcie układania należy zwrócić uwagę na jej luźne ułożenie na skarpie oraz dobre dociśnięcie do gruntu [10]. Biowłóknina nie może być jednak ułożona zbyt luźno, aby się nie fałdowała. Szpilki i kołki do przytwierdzania biowłókniny wykonuje się z drewna, z wyjątkiem drewna kruszyny, osiki oraz pędów żywej wikliny. W górnym końcu kołki powinny mieć nacięcia do nawinięcia sznurka. Sznurek polipropylenowy do przytwierdzania biowłókniny powinien spełniać wymagania normy PN-EN ISO 4167:2007 – wersja polska.
Ze względu na obecność nasion najkorzystniejsze jest wbudowanie biowłókniny do końca sierpnia tego roku, w którym została wyprodukowana [5].
Fot. 2 Biowłóknina z nasionami traw
Tkaniny i maty z włókien naturalnych
Tkaniny wykonane z włókien naturalnych (juta, len, włókna kokosowe) lub maty z włókien naturalnych (włókna drzewne, słoma, włókna kokosowe) wzmacniane fotodegradalną lub biodegradalną siatką syntetyczną stanowią czasową ochronę przed erozją. Stosowane są na skarpach o pochyleniu zwykle nie większym od 1:2. Chronią powierzchnię od momentu wbudowania do przejęcia funkcji ochronnych przez rozwijającą się na skarpie roślinność. Maty pokrywają całą chronioną powierzchnię. Tkaniny wykonywane są ze skręconych i luźno przeplecionych włókien.
Materiały ulegające biodegradacji przedstawiono na fot. 3.
a)
b)
c)
Fot. 3 Przykłady materiałów z polimerów naturalnych ulegających biodegradacji: a) mata słomiana, b) mata kokosowa, c) tkanina jutowa
Materiały z polimerów syntetycznych
Trwałe materiały przeciwerozyjne spełniają dwie funkcje:
– zabezpieczają nieosłonięty grunt przed działaniem czynników erozyjnych,
– długotrwale wzmacniają roślinność (zbroją system korzeniowy); jest ona w stanie wytrzymać większe obciążenia.
Brak jest norm lub przepisów określających wymagane parametry wyrobów do ochrony przed erozją powierzchniową.
Fot. 4 Płaska geosiatka przeciwerozyjna z polimeru syntetycznego
Geotkaniny i geosiatki polimerowe o małym oczku
Geotkaniny i geosiatki (fot. 4) – płaskie wyroby geosyntetyczne – stosowane do ochrony przed erozją powierzchniową powinny spełniać wymagania co do wielkości oczek, aby mogły przez nie swobodnie przerastać korzenie traw, o grubości zwykle od 0,1 do 0,3 mm [2]. Oczka nie mogą być zbyt małe, gdyż uniemożliwiłyby rozwój roślinności. Z kolei geosiatki i geotkaniny o zbyt dużych oczkach nie będą w wystarczającym stopniu chronić powierzchni skarp. Zwykle wielkość oczka zawiera się w granicach od 0,5 mm do 5 mm.
Przestrzenne geomaty przeciwerozyjne
Geomaty przeciwerozyjne (fot. 5) mają strukturę trójwymiarową. Zbudowane są z tkanych lub splątanych włókien polimerowych lub też z siatki ze strukturą przestrzenną. Włókna połączone są ze sobą w miejscu skrzyżowań, np. przez zgrzanie. Geomaty mogą być wzmacniane dodatkową geosiatką polimerową. Wytrzymałość na rozciąganie geomat wynosi od ok. 1 kN/m do nawet 100 kN/m (geomaty wzmacniane geosiatką). Te ostatnie są stosowane przy zazielenianiu składowisk odpadów osłoniętych geosyntetycznymi barierami polimerowymi (tzw. geomembrany), gdy szpilenie geomat na powierzchni skarpy nie jest możliwe.
Zaletą przestrzennych geomat jest ich zdolność utrzymywania w swej objętości gruntu. Wypełniona gruntem geomata wraz z przerastającymi ją korzeniami traw tworzą ciągłą warstwę doskonale chroniącą grunt przed erozją.
Przestrzenne geomaty przeciwerozyjne mają wiele zastosowań. Doskonale się nadają do ochrony skarp drogowych. Mogą być też wykorzystywane do ochrony brzegów cieków wodnych. Geomaty przeciwerozyjne stosowane są zwykle na zboczach o pochyleniu większym od 1:3 [16].
Spotykane są również geomaty połączone z siatkami i tkaninami z włókien naturalnych. Przykładem jest geomata polipropylenowa połączona z tkaniną jutową (fot. 6).
a)
b)
c)
d)
Fot. 5 Przykłady przestrzennych mat przeciwerozyjnych: a) z włókien tkanych w formie przestrzennych piramidek, b) ze splątanych włókien (górna powierzchnia w formie regularnych wypustek), c) ze splątanych włókien (górna powierzchnia płaska), d) z włókien umieszczonych między geosiateczkami
Geosyntetyki komórkowe
Geosyntetyki komórkowe (fot. 7) to przestrzenne struktury w formie plastra miodu, utworzone przez zgrzanie taśm zwykle z polietylenu wysokiej gęstości. Geosyntetyki komórkowe z taśm polimerowych mogą mieć otwory umożliwiające przepływ wody równolegle do płaszczyzny skarpy. Do ochrony przed erozją niekiedy stosowane są geosyntetyki komórkowe z pasm geotkaniny lub geowłókniny połączonych przez zszycie.
Geosyntetyki komórkowe mogą być wypełnione gruntem i obsiane trawą. Tam, gdzie na powierzchni skarpy istnieje konieczność szybkiego odprowadzenia wody, geosyntetyki komórkowe wypełnia się kruszywem.
Wysokość i wymiar komórek powinny być tak dobrane, aby zapewnić utrzymanie materiału wypełniającego komórki.
Fot. 6 Geomata polipropylenowa połączona z tkaniną jutową
Geowłókniny fotodegradowalne
Geowłókniny fotodegradowalne (fot. 8) wykonane są z polimerów syntetycznych (zwykle polipropylenu). Włókna nie zawierają stabilizatorów przeciw promieniowaniu UV. Geowłókniny takie mają perforacje, które umożliwiają rozwój roślinności na ochranianej skarpie. Stanowią czasowe wzmocnienie powierzchni skarpy. W miarę upływu czasu geowłóknina ulega degradacji na skutek działania promieni słonecznych, a rolę ochronną przejmuje roślinność. Geowłókniny fotodegradowalne chronią powierzchnię skarp przed erozją przez kilka lat.
Fot. 7 Przykład geosyntetyku komórkowego
Zabezpieczenia przeciwerozyjne
Na zabezpieczenie z użyciem geosyntetyków przeciwerozyjnych składa się wiele czynności. Konieczne jest właściwe przygotowanie skarpy, wbudowanie materiału, wysiew i pielęgnacja, zwłaszcza w początkowym okresie wzrostu roślin.
W zależności od funkcji danego zabezpieczenia i rodzaju stosowanych geosyntetyków stosowane są następujące materiały:
– ziemia urodzajna (humus),
– nasiona traw oraz roślin motylkowatych drobnonasiennych,
– biowłóknina i materiały do jej przytwierdzania,
– geosyntetyki i materiały do ich przytwierdzania,
– kruszywo do wypełnienia geosyntetyków komórkowych.
Skarpy nasypów powinny być zagęszczone na głębokość 0,5 m do wskaźnika zagęszczenia IS > 0,95 [13]. Na skarpach słabo dogęszczonych trudno jest uzyskać okrywę roślinną.
Fot. 8 Przykład geowłókniny fotodegradowalnej
Ziemia urodzajna (humus)
Na powierzchni nowo uformowanej skarpy przeznaczonej do zazielenienia z użyciem materiałów geosyntetycznych konieczne jest utworzenie poziomu próchnicznego przez humusowanie (fot. 9), czyli naniesienie na powierzchnię skarpy warstwy ziemi urodzajnej o odpowiedniej miąższości. Humusowanie obejmuje dogęszczenie gruntu, rowkowanie, naniesienie ziemi urodzajnej z jej grabieniem (bronowaniem) i dogęszczeniem (moletowaniem).
Humusowanie skarp rozpoczyna się od ich górnej krawędzi i podąża ku dołowi. Warstwa ziemi urodzajnej powinna sięgać około 1 m poza górną krawędź (chyba że w projekcie przewidziano inne rozwiązanie powierzchni nieutwardzonej) i od 15 do 25 cm poza podnóże skarpy. Naniesioną warstwę ziemi urodzajnej należy dogęścić. Grubość warstwy humusu po dogęszczeniu jest zależna od gruntu, z którego zbudowana jest skarpa. Zwykle powinna wynosić od 10 do 15 cm. W przypadku skarp zbudowanych z gruntów spoistych minimalna grubość warstwy humusu to 5 cm, a w przypadku skarp z gruntów piaszczystych to 10 cm.
Kryteria dla ziemi urodzajnej zawiera m.in. ogólna specyfikacja techniczna: „Umacnianie powierzchniowe skarp, rowów i ścieków” [12].
W praktyce do humusowania stosuje się ziemie pochodzące z pól uprawnych lub użytków zielonych, specjalne ziemie ogrodnicze oraz tzw. ziemie przemysłowe (torf ogrodniczy, torf rolniczy, komposty torfowe, mieszanki nawozowe torfowo-mineralne, substraty (podłoża) torfowe).
Fot. 9 Widok zahumusowanej skarpy
Wbudowywanie materiałów geosyntetycznych
Materiały przeciwerozyjne układa się na wyrównanej, oczyszczonej z kamieni, korzeni itp. oraz pokrytej warstwą ziemi urodzajnej (humusu) powierzchni skarp. W przypadku geosyntetyków komórkowych humusowanie powierzchni nie zawsze jest konieczne. Materiały powinny być układane wzdłuż pochylenia skarpy i kotwione na górze i u jej podnóża w rowkach kotwiących [1]. Grunt wypełniający rowki kotwiące należy zagęścić. Jeżeli to konieczne, pasma w rowkach kotwiących można dodatkowo przyszpilić. Nie zaleca się układania pasm geosyntetyków przeciwerozyjnych poprzecznie do pochylenia skarpy. W takim przypadku zwykle trudne jest ich zakotwienie i przymocowanie do powierzchni skarpy.
Zakład sąsiednich pasm powinien wynosić co najmniej 10 cm. Zakłady zabezpiecza się przez szpilkowanie w odstępie co 1–1,5 m. Pasma geosyntetyków przytwierdza się na całej powierzchni skarpy, w rozstawie dostosowanym do jej pochylenia. Długość i rozstaw szpilek powinny być tak dobrane, żeby zapewnić trwałe przytwierdzenie materiału do powierzchni skarpy. Do przytwierdzania geosyntetyków przeciwerozyjnych najlepiej jest stosować szpilki w kształcie litery U, umieszczane prostopadle do kierunku wzdłuż pasma geosyntetyku.
Geosyntetyki komórkowe składają się z sekcji standardowo z 60 taśm, często mniejszych od długości skarpy. W przypadku bardziej stromych skarp prawidłowe zakotwienie wymaga użycia specjalnych bloków kotwiących i systemów naciągowych. Szczegóły dotyczące wbudowywania geosyntetyków komórkowych na skarpach zawiera [9].
Ze względu na możliwość uszkodzenia materiału nie należy się poruszać bezpośrednio po powierzchni zabezpieczanej skarpy. Szpilkowanie należy prowadzić z drabiny ułożonej na wbudowanym materiale.
Geomaty przestrzenne powinny być wypełnione humusem niezwłocznie po ich wbudowaniu.
Nasiona roślin do obsiewu skarp drogowych
Na wybór rodzajów traw oraz roślin motylkowatych drobnonasiennych ma wpływ rodzaj zastosowanych gleb i stopień ich zawilgocenia oraz wystawa i pochylenie skarpy. W przypadku budowli drogowych najbardziej odpowiednie są mieszanki traw o drobnym i gęstym ukorzenianiu, odporne na zanieczyszczenia. Rośliny powinny się charakteryzować szybkim wzrostem po zasiewie, mieć niewielkie wymagania pokarmowe i być odporne na zmienne warunki wilgotnościowe [17].
Powierzchnie umocnione powinny być obsiane mieszanką traw odpowiednio dobraną do warunków klimatycznych i ekspozycji skarpy. Sposób wykonania obsiewu musi być dostosowany do pochylenia skarpy. W polskich warunkach klimatycznych zwykle stosowane są następujące normy wysiewu:
– 180 kg/ha dla skarp o wystawie północnej,
– 300 kg/ha dla skarp o wystawie południowej.
Po wykonaniu obsiewu powierzchnia skarpy powinna być dogęszczona.
Powierzchnię skarp po wykonaniu umocnień i obsiewie trzeba utrzymywać w stanie wilgotnym, aby umożliwić wzrost roślinności. W przypadku braku opadów zaleca się okresowe deszczowanie powierzchni obsianych skarp do czasu pojawienia się trzeciego listka, tj. przez około sześć tygodni.
W okresie wegetacji roślin porastających skarpy powinny być wykonywane zabiegi pielęgnacyjne odpowiednie dla danej roślinności, tj. podlewanie, koszenie itp.
Podsumowanie
Zastosowanie materiałów służących do ochrony przeciwerozyjnej ogranicza erozję skarp drogowych. Pozwala to uniknąć znacznych kosztów naprawy niszczonych przez erozję budowli ziemnych, a w skrajnych przypadkach odbudowy zniszczonej budowli ziemnej. Na skuteczność zabezpieczenia przeciwerozyjnego, poza właściwościami zastosowanego materiału, ma wpływ także sposób przygotowania powierzchni, jakość wykonania zabezpieczenia oraz sposób pielęgnacji. Wybór właściwego materiału ochraniającego zależy od pochylenia skarpy i warunków siedliskowych.
Zastosowanie materiałów przeciwerozyjnych umożliwia wytworzenie na powierzchni skarp warunków do rozwoju roślinności tam, gdzie jej samoistny wzrost jest trudny lub niemożliwy. Zacieniają one większą część powierzchni skarpy, co pomaga dłużej utrzymać wilgoć.
Dzięki pochłanianiu energii kinetycznej kropel deszczu maty przeciwerozyjne zabezpieczają osłoniętą powierzchnię przed odspajaniem cząstek gruntu. Redukują też ilość spłukiwanego odspojonego gruntu z powierzchni skarpy. Badania przeprowadzone w IBDiM na poletkach doświadczalnych wykazały, że zastosowanie materiałów z polimerów syntetycznych znacznie ogranicza spływ powierzchniowy gruntu z nachylonej powierzchni. Spływ ten jest znacznie mniejszy zarówno w porównaniu ze spływem z nieosłoniętej powierzchni, jak i powierzchni ze słabo wykształconą szatą roślinną. Szczegółowe wyniki przeprowadzonych badań zaprezentowano w [3] i [4].
Zabezpieczenie przeciwerozyjne, niezależnie od rodzaju zastosowanych materiałów geosyntetycznych, jest w pełni skuteczne dopiero wtedy, gdy na powierzchni skarpy wykształci się warstwa darniny.
mgr inż. Beata Gajewska
Instytut Badawczy Dróg i Mostów
Zdjęcia autorki
Literatura
1. B. Gajewska, R. Drząszcz, M. Głażewski, Zastosowanie przestrzennych mat przeciwerozyjnych i hydroobsiewu do ochrony przed erozją skarp terminala granicznego w Olszynie, IX Międzynarodowa Konferencja „Trwałe i bezpieczne nawierzchnie drogowe”, Kielce 2003.
2. B. Gajewska, B. Kłosiński, P. Rychlewski, Materiały do ochrony przeciwerozyjnej skarp drogowych, VIII Międzynarodowa Konferencja „Trwałe i bezpieczne nawierzchnie drogowe”, Kielce 2002.
3. B. Gajewska, Zastosowanie materiałów geosyntetycznych do ochrony skarp przed erozją powierzchniową, Międzynarodowa Konferencja EKO MOST 2006 „Trwałe obiekty mostowe w środowisku”, Kielce 2006.
4. B. Gajewska, Zastosowanie geosyntetyków do ochrony skarp przed erozją, „Autostrady” nr 8–9/2006.
5. B. Gajewska, Zapobieganie erozji skarp – praktyczne przykłady rozwiązań, Seminarium „Skarpy drogowe”, Warszawa 2010.
6. B. Gajewska, Wybrane przykłady zapobiegania erozji skarp, „Inżynieria i Budownictwo” nr 67 (1), 2010.
7. E. Gil, Wpływ zabezpieczenia zbocza GEOKRATĄ komórkową TABOSS na spływ powierzchniowy i erozję mechaniczną, Polska Akademia Nauk, Szymbark 2004.
8. M. Głażewski, W. Ziaja, Przygotowanie skarp do zadarnienia, „Drogownictwo” nr 3/92.
9. A. Kessler, Zastosowanie systemów geokomórkowych do zabezpieczeń przeciwerozyjnych skarp i zboczy w budownictwie drogowym, Seminarium „Skarpy Drogowe”, Warszawa 2010.
10. M. Kossakowski, Umacnianie skarp biowłókniną, geosyntetykami i hydroobsiewem, „Drogownictwo” nr 8/2001.
11. G. Lombard, J. Młynarek, F. Bernard, Geosynthetics for erosion control systems, Third International Conference Geofilters 2000, Warszawa 2000.
12. Ogólna specyfikacja techniczna D-06.01.01 Umacnianie powierzchni skarp, rowów i ścieków, Generalna Dyrekcja Dróg Publicznych, Warszawa 2001.
13. PN-B-12074:1998 Urządzenia wodno-melioracyjne. Umacnianie i zadarnianie powierzchni biowłókniną. Wymagania i badania przy odbiorze.
14. PN-EN ISO 4167:2007 – wersja polska. Sznurki rolnicze poliolefinowe.
15. PN-EN ISO 10318-1:2015-12 – wersja angielska. Geosyntetyki – Część 1: Terminy i definicje.
16. Wisconsin Department of Transportation, Erosion control product acceptability list (PAL), 2001.
17. W. Ziaja, Dobór traw i roślin do obsiewów pasa drogowego, „Drogownictwo” nr 1/93.
