Budowle hydrotechniczne – kontrola uszczelnień

Do najważniejszych budowli hydrotechnicznych należą zapory i wały przeciwpowodziowe. Budowle te wykonywane są zazwyczaj z gruntów miejscowych, a ich przekrój poprzeczny zależy od dostępności określonego rodzaju materiału gruntowego. W zaporach tworzących zbiorniki wodne uszczelnienia zarówno podłoża, jak i korpusu są gwarancją utrzymania planowanego piętrzenia i zapewniają stateczność budowli przy ograniczonych wymiarach korpusu. Takie rozwiązanie umożliwiło budowanie zapór wyższych, zmniejszenie strat filtracyjnych oraz zwiększenie bezpieczeństwa zapór przez zapobieganie niekorzystnym zmianom w korpusie zapory wywołanych filtracją [1]. W zaporach ziemnych i narzutowych stosowane jest najczęściej uszczelnienie w postaci rdzenia pionowego (rys. 1a), pochyłego (rys. 1b) lub ekranu skarpowego (rys. 1c).

Rys. 1. Typowe przekroje poprzeczne zapór ziemnych z uszczelnieniem w postaci: a) rdzenia pionowego, b) rdzenia pochyłego, c) ekranu

Obiekty te na etapie projektowania, podczas budowy oraz w okresie eksploatacji wymagają szczególnego podejścia. Właściwy dobór przekroju poprzecznego i właściwe wykonanie robót ziemnych potwierdzonych badaniami geotechnicznymi, wykonywanymi na etapie projektowania i podczas budowy (rys. 2), są gwarancją trwałości zapory i zapewniają jej bezpieczną eksploatację [2].

Rys. 2. Badania kontrolne rdzenia zapory podczas budowy

Do budowli hydrotechnicznych zaliczane są również mokre składowiska odpadów (np. zbiorniki odpadów poflotacyjnych), projektowane i budowane z wykorzystaniem tych samych zasad co zapory, a stosowane uszczelnienia uniemożliwiają przenikanie zanieczyszczeń do gruntu i wód gruntowych, podobnie jak w przypadku składowisk odpadów komunalnych [3, 4].
 

Zobacz: Zastosowanie georusztów do wzmocnień i napraw wałów przeciwpowodziowych
 

Po powodzi w 1997 r. zintensyfikowano działania naprawcze wałów przeciwpowodziowych. Przebudowano oraz zmodernizowano wiele kilometrów wałów w dorzeczu Odry i Wisły. W większości przypadków modernizacja polegała na uszczelnieniu zarówno obwałowania, jak i podłoża [5, 6], poprzedzona obliczeniami filtracji i analizą stateczności [7].

W modernizowanych wałach przeciwpowodziowych podstawową formą uszczelnień są poziome lub pionowe przesłony. W przypadku gdy podłoże jest słabo przepuszczalne, preferowane są uszczelnienia skarpy odwodnej wału. Natomiast gdy zachodzi konieczność uszczelnienia zarówno korpusu wału, jak i podłoża, lepszym rozwiązaniem jest wtedy uszczelnienie przesłoną pionową wykonywaną w osi wału przez korpus i podłoże [5]. Wybór technologii wykonania przesłony zależy od rodzaju gruntu wału i podłoża, możliwości wykonawcy, odległości od zabudowań i wielu innych czynników. Wykonanie przesłony poza uszczelnieniem poprawia stateczność budowli i zapobiega niekorzystnym zjawiskom filtracyjnym, takim jak sufozja czy przebicie hydrauliczne, będące skutkiem wieloletniej eksploatacji obiektu.

Budowle hydrotechniczne. Najczęściej stosowane technologie wykonywania uszczelnień

Technologia ściany szczelinowej jest najczęściej stosowana do wykonywania głębokich ścian fundamentowych, obudów wykopów i ścian kondygnacji podziemnych. Technologia ta jest stosowana również w budownictwie hydrotechnicznym do uszczelniania podłoża pod budowlami hydrotechnicznymi, a obecnie coraz częściej do wykonywania uszczelnień z zawiesin samotwardniejących w zaporach i wałach przeciwpowodziowych [9, 10]. W konstrukcjach mających na celu ochronę środowiska wodno-gruntowego (np. składowiska odpadów) wymagania stawiane w odniesieniu do przepuszczalności są bardzo wysokie [3, 4]. Wartość współczynnika filtracji takiej bariery powinna być mniejsza niż 10-9 m/s [11]. Mimo wielu zalet technologia ściany szczelinowej wymaga wykonania wykopu, co w przypadku długich odcinków wałów przeciwpowodziowych sprawia, że kubatura robót ziemnych jest bardzo duża. Dlatego też częściej stosowane są technologie bezwykopowe, zwłaszcza podczas modernizacji wałów już istniejących [12].

Do najczęściej używanych technologii wykonywania przesłon w wałach należą:
technologia WIPS, DSM i iniekcja nisko- lub wysokociśnieniowa (jet grouting) [13, 14, 15].

Przesłona WIPS – wibracyjnie iniektowana przesłona szczelinowa – jest wykonywana zazwyczaj z zaczynu cementowo-bentonitowego z wypełniaczem, jej grubość wynosi 15-20 cm. Szczeliny wykonywane są w sposób ciągły urządzeniem, którym jest stalowy brus o przekroju dwuteowym. Kształtownik wyposażony jest w zestaw dysz, przez które podawana jest zawiesina. Szczelina wypełniana jest zawiesiną w trakcie wyciągania kształtownika do góry, co w połączeniu z odpowiednimi jej parametrami reologicznymi i tiksotropowymi zapobiega zaciskaniu się szczeliny. Ciągła przesłona w tej technologii powstaje przez wykonanie kolejnych zachodzących na siebie sztychów (fot. 1).

Fot. 1. Technologia WIPS wykonywania przesłony (https://www.keller.com.pl/)

Metodę WIPS cechuje duża wydajność i związane z tym niskie koszty wykonania przesłony. Do jej wad można zaliczyć małą grubość przesłony (uzależniona od rodzaju i stanu gruntu). Oddziaływanie wibracji w tej metodzie z jednej strony jest korzystne (dogęszczanie gruntu), z drugiej może działać niekorzystnie na obiekty zlokalizowane w sąsiedztwie robót.

Przesłona DSM – wgłębnego mieszania gruntu (ang. deep soil mixing) – jest wykonywana w postaci pali wierconych tworzonych przez mieszanie gruntu korpusu wału czy podłoża z zaczynem cementowo-bentonitowym, wprowadzonym wiertnicą z mieszadłem o specjalnej końcówce.

Ciągłość przesłony uzyskuje się przez wykonywanie sąsiednich pali o średnicy 60 cm w rozstawie co 50 cm, powstaje w ten sposób palisada grubości około 30 cm (fot. 2).

Fot. 2. Wykonywanie przesłony w technologii DSM oraz przesłona po odkopaniu

W przypadku iniekcji niskociśnieniowej do gruntu wprowadza się spoiwo przez wykonany otwór wiertniczy. Iniekcja jest prowadzona z określonym chwilowym wydatkiem i ciśnieniem roboczym zależnym od rodzaju gruntu, zazwyczaj ciśnienie nie przekracza 2-5 MPa.

W metodzie iniekcji wysokociśnieniowej – jet grouting – grunt jest mieszany z zaczynem zatłaczanym pod ciśnieniem nawet powyżej 20 MPa. Metoda ta najlepiej się sprawdza w gruntach niespoistych. Z jej pomocą można wykonywać zarówno przesłony pionowe, jak i poziome (rys. 3).

Rys. 3. Wykonywanie przesłony pionowej i poziomej za pomocą iniekcji strumieniowej

Wybrane metody badań uszczelnień budowli hydrotechnicznych

W zasadzie nie ma powszechnie obowiązujących wymagań co do zakresu i rodzaju badań kontrolnych przesłon przeciwfiltracyjnych wykonywanych zwłaszcza metodami bezwykopowymi.

W celu udokumentowania, że uszczelnienie zostało wykonane zgodnie z projektem, lub sprawdzenia po danym okresie eksploatacji zarówno inwestor, jak i wykonawca są zobowiązani do kontrolowania przepuszczalności i wytrzymałości na ścinanie [3, 4, 7, 10, 11].

Badania gruntowych elementów uszczelniających (rdzeni zapór, ekranów) i przesłon wykonywanych w technologii ściany szczelinowej można wykonać w terenie lub na próbkach pobranych z wykonanego już elementu bądź próbkach przygotowanych z materiału przesłony i odpowiednio kondycjonowanych. Najbardziej wiarygodne wyniki badań przepuszczalności czy wytrzymałości na ścinanie uzyskuje się na podstawie odpowiednio dobranych badań in situ, wykonanych bezpośrednio w uszczelnieniu. Badania takie wykonujemy za pomocą sond geotechnicznych, np. sondy BAT, DMT i CPT [16-18].
 

Polecamy: Ciągłe mieszanie wgłębne – nowa metoda wzmacniania podłoża i wykonania obudów wykopów

Budowle hydrotechniczne. Badania systemem BAT

Sonda BAT, zwana też Systemem Monitoringu Wód Podziemnych [16], wykorzystywana jest najczęściej do badania współczynnika przepuszczalności i pomiaru ciśnienia wody w porach. Głównym celem badań sondą BAT w przypadku modernizowanych wałów przeciwpowodziowych jest określenie przepuszczalności przesłony w warunkach in situ [19]. Badanie rozpoczyna się od zainstalowania w gruncie końcówki filtrującej zwanej piezometrem BAT (fot. 3).

Fot. 3. Końcówka filtrująca piezometru BAT

Jego konstrukcja, filtr o odpowiedniej przepuszczalności oraz zakończona gumową uszczelką dysza, pozwala na wykonanie badania w ośrodku gruntowym o niskim współczynniku przepuszczalności (<10-6 m/s), do którego wprowadzana jest ta końcówka. W celu umieszczenia końcówki na żądanej głębokości przytwierdzana jest ona do rury (żerdzi) o odpowiedniej średnicy, a następnie wciskana bądź wbijana. Jednostka pomiarowa (sonda BAT) to system membran, igieł, szklany pojemnik i przetwornik ciśnienia połączony przewodem elektrycznym z urządzeniem odczytowym. Badanie współczynnika przepuszczalności sondą BAT polega na połączeniu jednostki pomiarowej zawierającej szklany pojemnik wypełniony wodą, w którym przed badaniem wytwarzane jest ciśnienie zazwyczaj wyższe od ciśnienia wody w porach („out flow test”), z piezometrem (rys. 4).

Rys. 4
Schemat sondy BAT połączonej z piezometrem podczas badania współczynnika filtracji

Szybkość zmian ciśnienia wewnątrz pojemnika zależy od przepuszczalności hydraulicznej badanego ośrodka gruntowego, w którym zainstalowano piezometr. Na podstawie zmian ciśnienia w funkcji czasu oblicza się współczynnik przepuszczalności wg wzoru zaproponowanego przez twórcę systemu BAT [16]. Niezwykle trudnym zadaniem jest instalacja piezometru BAT w uszczelnieniu wykonanym z samotwardniejącej zawiesiny. Można to zrobić różnymi sposobami, wciskając za pomocą sondy do badań CPT lub wykonując odwiert, a następnie wbijając kolumnę rur zakończonych końcówką filtrującą w nienaruszoną strefę uszczelnienia. Badanie sondą BAT można wykonać również poniżej betonowej czy asfaltowej nawierzchni drogi usytuowanej na nasypie wału czy zapory (fot. 4).

Fot. 4. Instalacja końcówki filtrującej BAT poniżej betonowej nawierzchni drogi usytuowanej
na wale przeciwpowodziowym

Budowle hydrotechniczne. Sondowania CPT

Celem sondowań CPT wykonywanych w modernizowanych wałach przeciwpowodziowych była ocena jednorodności, ciągłości wykonania przesłony oraz jej wytrzymałości na ścinanie. Podczas wciskania końcówki sondy ze stałą prędkością 2 cm/s określano wartości oporów stożka (q_c) i tarcia na tulei (f_s), które następnie wykorzystano do identyfikacji zmienności materiału przesłony lub jej głębokości oraz określenia jej stanu lub stanu gruntów wału czy podłoża (stopnia zagęszczenia I_D lub stopnia plastyczności I_L oraz wyznaczenia parametrów wytrzymałościowych gruntów).

Wyniki badań BAT i CPT

Bezpośrednim celem badań była ocena parametrów wytrzymałościowych i filtracyjnych uszczelnień na badanych obiektach, którymi były wybrane odcinki wałów przeciwpowodziowych Wisły. Zakres badań obejmował badania terenowe – sondowania statyczne CPT i sondowania BAT oraz badania laboratoryjne, które obejmowały badania właściwości fizycznych, badania wytrzymałości na ścinanie w aparacie trójosiowego ściskania i badania przepuszczalności. Celem badań laboratoryjnych była weryfikacja wyników badań terenowych. Szczegółowe wyniki badań przedstawiono w artykule [16].

Na rys. 5 i 6 przedstawiono w formie wykresów przykładowe wyniki sondowań CPT, na których zaznaczono, w jaki sposób rozkład podstawowych parametrów sondowania q_c, i R_f można wykorzystać do oceny rzeczywistej głębokości przesłony. Na wykresach tych naniesiono również wyniki badań polowych przepuszczalności przesłony sondą BAT, a także wyniki badań przepuszczalności wykonane w laboratorium.

Rys. 5. Przykładowe wyniki sondowania CPT i badań BAT w przesłonie wykonanej w technologii iniekcji niskociśnieniowej

Rys. 6. Przykładowe wyniki sondowania CPT i badań BAT w przesłonie wykonanej w technologii
iniekcji niskociśnieniowej

Wyniki sondowań CPT i BAT potwierdziły przydatność tych urządzeń do oceny stanu technicznego modernizowanych wałów przeciwpowodziowych. W każdym przypadku możliwa była ilościowa ocena jakości uszczelnienia oraz jego zasięgu i jednorodności. Niewątpliwą zaletą tych badań jest fakt, że są to badania wykonywane w warunkach in situ.

Przeprowadzone badania jakości uszczelnień zmodernizowanych kilkanaście lat temu wałów przeciwpowodziowych wykazały, że niezależnie od zastosowanej technologii wykonania przesłony, pomimo upływu dość długiego czasu, konstrukcje są trwałe i spełniają podstawowe wymaganie dotyczące współczynnika filtracji >1·10^-9 m/s.

Literatura

1. R.B. Jansen, Advanced Dam Engineering for Design, Construction, and Rehabilitation, Van Nostrand Reinhold, New York 1988.
2. Z. Skutnik, Weryfikacja parametrów geotechnicznych rdzenia zapory nasypowej na podstawie badań prowadzonych podczas budowy, rozprawa doktorska (maszynopis), Katedra Geoinżynierii SGGW, Warszawa 2002.
3. E. Koda, Z. Skutnik, Badania kontrolne bentonitowych przesłon przeciwfiltracyjnych w starych wysypiskach odpadów komunalnych, „Inżynieria i Budownictwo” nr 60/2004.
4. E. Koda, Z. Skutnik, C. Di Michele, Durability of vertical bentonite barrier for old sanitary landfill containment, In EU GeoEnvNet Seminar on Geoenvironmental Engineering-Transfer of Knowledge and EU's Directives to Newly Associated States, 2004.
5. Z.J. Ambrożewski, Zastosowanie pionowych przesłon przeciwfiltracyjnych przy modernizacji wałów przeciwpowodziowych na Górnej Wiśle, „Gospodarka Wodna” nr 9/2000.
6. M. Borys, Metody modernizacji obwałowań przeciwpowodziowych z zastosowaniem nowych technik i technologii, Wydawnictwo Instytutu Melioracji i Użytków Zielonych, 2006.
7. Rozporządzenie Ministra Środowiska z 20 kwietnia 2007 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle hydrotechniczne i ich usytuowanie (Dz.U. Nr 86, poz. 579).
8. M. Kowacki, Przesłony przeciwfiltracyjne, Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne, listopad-grudzień 2015.
9. P Falaciński, K. Garbulewsk, Zb. Kledyński, Z. Skutnik, K. Ziarkowska, Fluidised fly-ash cement-bentonite cut-off walls in flood protection, Archives of Hydro-Engineering and Environmental Mechanics, vol. 52, No. 1,2005.
10. P Falaciński, K. Garbulewski, Zb. Kledyński, Z. Skutnik, K. Ziarkowska, Badania barier hydraulicznych z zawiesin cementowo-bentonitowych z dodatkiem popiołów fluidalnych, Przegląd Naukowy Wydziału Inżynierii i Kształtowania Środowiska 2 (29)/2004.
11. D.E. Daniel, K. Choi, Hydraulic conductivity evaluation of vertical barrier walls, Special Publication No. 90: Geo-engineering for underground facilities (ed. By Fernandez G. and Bauer R.A.), Urbana-Champaign, 1999.
12. M. Borys, K. Mosiej, M. Topolnicki, Projektowanie i wykonawstwo pionowych przegród przeciwfiltracyjnych z zawiesin twardniejących w korpusach i podłożu wałów przeciwpowodziowych, red. nauk. M. Borys, Instytut Melioracji i Użytków Zielonych w Falentach, Zakład Inżynierii Wodno-Melioracyjnej, Falenty, 2006.
13. R. Kuś, D. Słowikowski, Zastosowanie wybranych technologii uszczelniania podłoża gruntowego w budownictwie hydrotechnicznym – wieloletnie doświadczenia PRGW, Europejskie Sympozjum Współczesne Problemy Ochrony Przeciwpowodziowej, Paryż-Orlean, 28, 30, 2012.
14. Z. Skutnik, M. Bajda, M. Lech, The selection of sealing technologies of the subsoil and hydrotechnical structures and quality assurance, Open Engineering, 9(1), Retrieved 25 Nov. 2019, from doi:10.1515/ eng-2019-0050.
15. Z. Skutnik, M. Bajda, M. Lech, M. Wdowska, R. Kuś, Zastosowanie sond geotechnicznych CPT i BAT do oceny trwałości przesłon hydroizolacyjnych w modernizowanych wałach przeciwpowodziowych, „Inżynieria i Budownictwo” nr 3/2017.
16. B.A. Tortstensson, A newsystem for Groundwater Monitoring, Groundwater Monitoring Review, 1984.
17. S. Marchetti, P Monaco, G. Totani, M. Calabrese, The Fiat Dilatometer Test (DMT) in Soil lnvestigations, A Report by the ISSMGE Committee TC16, 2001.
18. T. Lunne, PK. Robertson, J.J.M. Powell, Cone penetration testing in geotechnical practice, Blackie Academic, EF Spon/ Routledge Publ., New York 1997.
19. Z. Skutnik, Przykłady zastosowania sondy BAT w technicznej kontroli zapór, materiały XXI Konferencji Technicznej „Kontrola zapór”, Zakopane-Polana Zgorzelisko, 2005.
20. Z. Skutnik, M. Bajda, Ocena jakości przesłony przeciwfiltracyjnej wykonanej w technologii DSM za pomocą sondowań geotechnicznych, Przegląd Naukowy, Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, r. 17, z. 4, 2008.

dr inż. Zdzisław Skutnik
Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
Instytut Inżynierii Lądowej
Katedra Hydrotechniki, Technologii i Organizacji Robót

Fot. 2, 3, 4 – autora