Renowacja wałów przeciwpowodziowych

Tegoroczna powódź przyniosła straty na ogromnym obszarze naszego kraju. Skala zniszczeń spowodowanych przez wodę wskutek przerwania wałów skłania nas do wskazania przyczyn tego stanu oraz opracowania sposobów zapobieżenia podobnym katastrofom w przyszłości. Podstawowym wymaganiem, jakie powinien spełniać grunt tworzący korpus wału przeciwpowodziowego oraz jego podłoże, jest jego odpowiednie zagęszczenie [1].

Zagęszczenie gruntów w nasypach w zależności od rodzaju gruntu ocenia się na podstawie wartości wskaźnika zagęszczenia (I_S) lub stopnia zagęszczenia (I_D). Wymagane wartości stopnia zagęszczenia lub wskaźnika zagęszczenia gruntów wałów nowo zbudowanych lub zrekonstruowanych można przyjąć na podstawie wartości podanych w tabeli.

Tab. Wartości stopnia zagęszczenia lub wskaźnika zagęszczenia gruntów wałów nowo zbudowanych lub zrekonstruowanych [1]

Z administracyjnego punktu widzenia w naszym kraju, podobnie jak w innych krajach Unii Europejskiej, istnieje dużo opracowań i wytycznych dotyczących sprawdzania jakości wałów przeciwpowodziowych. Zgodnie z wytycznymi wykonywania kontroli [2] zarówno okresowych, jak i corocznych, kontrolą powinno się obejmować: korpus wału, podłoże, budowle wałowe towarzyszące, międzywale, zawale oraz obszar chroniony. Zgodnie z wytycznymi [2] podstawowym celem kontroli okresowych jest:

– sprawdzenie stanu technicznego poszczególnych elementów wału przeciwpowodziowego,

– inwentaryzacja ewentualnych uszkodzeń korpusu wału i podłoża oraz urządzeń towarzyszących,

– przyporządkowanie kontrolowanego odcinka wału do odpowiedniej kategorii stanu technicznego i bezpieczeństwa,

– ustalenie zakresu i terminu koniecznych robót oraz

– ustalenie potrzeb w zakresie badań uzupełniających.

Na podstawie wyników okresowej (rocznej) kontroli wały przeciwpowodziowe należy przyporządkować do następujących kategorii stanu technicznego i bezpieczeństwa [1]:

– stan zagrożenia bezpieczeństwa,

– stan mogący zagrażać bezpieczeństwu,

– stan techniczny dobry, niezagrażający bezpieczeństwu.

Fot. 1. Renowacja wału w Austrii

Obecnie rozwój technologii pomiarowych pozwala jednak na badania stanu wałów, szczególnie stanu nasycenia korpusu i podłoża wałów przeciwpowodziowych, metodami superelektroniki pomiarowej, w tym m.in. metodami pasywnej radiometrii mikrofalowej. Autorski program sprawdzania jakości i stanu wałów, opracowany w Katedrze Geotechniki, Geologii i Budownictwa Morskiego (KGGiBM) Politechniki Gdańskiej, obejmuje trzy etapy badań.

Etap pierwszy: makrobadanie stopnia nasycenia porów gruntu wodą(nasiąkliwość, wilgotność) wałów metodami pomiarowymi superelektroniki i wyznaczenie słabych obszarów wraz z opracowaniem bazy danych geologicznych wydzielonych obszarów.

Etap drugi: badania geofizyczne i geotechniczne wydzielonych obszaróww celu ustalenia struktury gruntu wałów i ich podłoża. Oszacowanie stateczności wałów (symulacje komputerowe z wykorzystaniem nowoczesnych technik obliczeniowych) wraz z wytycznymi określającymi rodzaje technologii stabilizacji podłoża gruntowego i renowacji (modernizacji) wałów.

Etap trzeci: nadzór budowlano-geotechniczny stabilizacji podłoża gruntowego i renowacjiwałów ze szczególnym uwzględnieniem metod kontroli jakości wykonanych prac budowlanych (zagęszczenie podłoża i korpusu wałów, wykonanie barier filtracyjnych itp.).

Fot. 2. Moment inicjacji wybuchu

Rys. 1. Ładunki ukryte

Jedną z podstawowych przyczyn destrukcji wałów przeciwpowodziowych jest makroporowatość korpusu wału oraz problemy tzw. słabego podłoża pod korpusem wału. Niejednorodność objętości wałów oraz ich zniszczenie przez zjawiska sufozji, kawerny, nory i kanały wykonane przez zwierzęta norne w samym korpusie i w podłożu stanowią dla wału zagrożenie, które w znaczącej mierze klasyfikuje wały do pierwszej kategorii stanu zagrożenia i bezpieczeństwa. Z tego m.in. powodu niezwykle istotnym zagrożeniem dla stateczności wału jest problem nasiąkliwości, tj. wysoki stopień nasycenia porów wodą korpusu wału i jego podłoża. Obecność negatywnych elementów w korpusie wału oraz w podłożu stanowi słabe miejsca zagrożone przerwaniem wału przy odpowiednio wysokich wezbraniach. Spełnienie funkcji ochronnej przez wał przeciwpowodziowy jest możliwe tylko w przypadku, kiedy wał na całej swej długości jest stateczny i szczelny zgodnie z profesjonalnym projektem budowlanym. Przerwanie ciągłości wału tylko w jednym miejscu powoduje, że cały wał traci swoją funkcję ochronną i poddaje się siłom żywiołu, praktycznie bez możliwości kontroli. Z naturą trudno wygrać, ale trzeba się bronić. Należy dodać, że merytoryczne oceny rozwiązań inżynierskich w tym zakresie pozostawiają również wiele do życzenia.

Problem modernizacji (renowacji) wału przeciwpowodziowego należy zawsze rozwiązywać kompleksowo,biorąc pod uwagę warunki podłoża gruntowego oraz ryzyko wystąpienia wysokich stanów w połączeniu z odpowiednią technologią wykonania wałów przeciwpowodziowych. Z tego też powodu 9 września 2010 r. na udostępnionym odcinku wału, w miejscowości Steblewo/Giemlice, woj. pomorskie, przedstawiono prezentację nowej kompleksowej łączonej (hybrydowej) technologii zagęszczania podłoża i samej konstrukcji wału, począwszy od stanu naturalnego (rzeczywistego) do końcowej fazy przygotowania wału do spełnienia jego funkcji. Test zrealizowano pod kierownictwem naukowym prof. Zbigniewa Sikory kierownika KGGiBM Politechniki Gdańskiej. Zaproponowano udział konsorcjum składającego się z trzech następujących firm wykonawczych: Polbud-Pomorze (PL), Terra-Mix (A), UTex (PL). Firmy te dysponują odpowiednim doświadczeniem projektowo-wykonawczym i inżynierskim w sferze zagadnień wzmacniania gruntu i renowacji wałów przeciwpowodziowych. Przedmiotem testu był kompletny produkt rozwiązania technologicznego stabilizacji (renowacji) wału przeciwpowodziowego. Należy dodać, że technologie zastosowane w prezentacji modernizacji wału, dotyczące zagęszczenia (wzmocnienia) korpusu i podłoża wału, w pełni zabezpieczają wymagania stanu gruntu wymienione w tabeli. Innowacyjna, hybrydowa technologia, oparta na sprawdzonych (opatentowanych) metodach wzmacniania podłoża gruntowego, oraz metoda uszczelniania gruntu wykorzystująca optymalne mieszanki na bazie gruntów piaszczystych refulowanych z prac pogłębiarskich i popiołów stanowią nowoczesne podejście do problemu modernizacji wałów. Sam test innowacyjnego produktu geoinżynierskiego dotyczył realizacji trzech etapów wykonawczych:

– zagęszczenia podłoża gruntowego metodą głębokiej dynamicznej konsolidacji (ang. Deep Dynamic Consolidation, tzw. metoda mikrowybuchów), firma Polbud-Pomorze;

– zagęszczenia korpusu wału metodą zagęszczania impulsowego (ang. RIC – rapid impulse compaction), firma Terra-Mix;

– innowacyjnej technologii uszczelnienia wału przedstawionej przez firmę UTex.

Fot. 3. Zagęszczanie podłoża

Technologia mikrowybuchów opiera się na wykorzystaniu energii eksplozji niedużych ładunków wybuchowych, rys. 1, umieszczanych wewnątrz podłoża gruntowego (obszar 1 lub/i 5 na rys. 2). Metoda ta jest powszechnie stosowana w kraju i za granicą. W przypadku gruntu nawodnionego pod korpusem wału lub nawodnionego samego wału metoda ta jest niezwykle efektywnym narzędziem, zarówno pod względem szybkości wykonania samego zagęszczenia, jak i efektu stabilizacji podłoża w warunkach kontrolowanego wzmocnienia gruntu. Ładunki są projektowane specjalnie dla konkretnych konstrukcji wału przeciwpowodziowego, tak aby podłoże gruntowe po wykonaniu wzmocnienia spełniało wymagane parametry zgodne z tabelą (patrz www.polbud-pomorze.pl/pl/mikrowybuchy).

Należy wyraźnie podkreślić, że jakość wykonania zagęszczenia metodą mikrowybuchów jest metodą kontrolowaną, której spełnienie zgodne jest z projektem wzmocnienia podłoża. Metoda ta jest całkowicie bezpieczna zarówno pod względem wykorzystania materiałów wybuchowych, jak również efektów dynamicznych związanych z samym procesem zagęszczania. Stosowanie tej metody przez firmy niedoświadczone może jednak wywołać niezaplanowany skutek. Metoda ta sprawdza się zarówno w gruntach niespoistych, jak i spoistych. Na fot. 2 pokazano moment inicjacji wybuchu.

Technologia impulsowego zagęszczania była wielokrotnie wykorzystywana w renowacji wałów przeciwpowodziowych(rys. 2, obszar 3 i 4), głównie na terenie Austrii, a także w innych krajach. Ideę zagęszczania przedstawiono na fot. 3 z prac renowacyjnych wałów rzeki Kamp w Austrii. Opracowano specjalny program procesu zagęszczania impulsowego, ustawiając węzły zagęszczania w jednej linii korony wału (również fot. 1), dobierając odstępy między nimi tak, aby dodatkowo nie obciążać pierwotnie osłabionego wału. Dzięki zastosowaniu tej metody zagęszczania redukuje się porowatość nawet do 5 m i głębiej, co skutkuje zmniejszeniem zdolności filtracyjnych korpusu wału. Metodę cechują bardzo dobre parametry techniczne oraz niskie koszty wykonania. Uzupełnienie krateru po dynamicznych uderzeniach młota optymalną mieszanką refulatowo-popiołową (optymalną pod względem zagęszczalności i warunków filtracyjnych) powoduje, że korpus wału staje się szczelny nie tylko dla filtracji wody, ale i ingerencji małych zwierząt nornych (patrz www.terra-mix.com/en/impulse-compaction.html).

Technologię doszczelnienia wałów i wykonania przesłon filtracyjnychprzedstawiono schematycznie na rys. 2, gdzie pola 1 i 5 oznaczają podłoże gruntowe zagęszczone metodą mikrowybuchów, 2 i 4 to warstwa ochronna przed naporem fal wodnych z zakot­wioną ścianą szczelinową w warstwie gruntu nieprzepuszczalnego (5) lub 1 m pod poziomem dna rzeki, obszar 3 to przekrój korpusu wału zagęszczony metodą impulsową, 5 – warstwa gruntów nieprzepuszczalnych lub zagęszczone podłoże metodą mikrowybuchów, 6 – droga dojazdowa, 7 – rowek przesiąków wodnych. W technologii doszczelnienia wykorzystuje się optymalne kompozyty na bazie refulatu (grunty pozyskane z pogłębiania lub regulacji dna rzeki), popiołów i ewentualnie innych domieszek uszlachetniających (np. spoiwa hydrauliczne). Ilość kruszywa rzecznego w mieszaninie z popiołem jest tak dobrana, aby uzyskać optymalną granulometrię mieszaniny, kąt tarcia wewnętrznego (31°–36°), spójność (c = 5,5–14 kPa) i moduł ściśliwości większy niż w pojedynczo stosowanych materiałach. Innowacyjność polega na tym, że do budowy korpusu wału wykorzystuje się nowy materiał, który zapewnia właściwości mechaniczne lepsze w porównaniu do materiałów tradycyjnych. W celu uniemożliwienia przesiąkania wody przez korpus wału zabezpieczamy go przegrodą (rysunek przekroju wału z podłożem: oznaczenia 2 i 4) z mieszaniny drobnych popiołów wysokowapniowych i puculanowych z dodatkiem wody umożliwiającym zajście w mieszaninie procesów hydratacji i reakcji puculanowych. Drugim elementem wału będzie ściana szczelinowa o grubości ok. 50 cm zbudowana z tej samej mieszanki. Ścianę szczelinową należy wykonać do głębokości ok. 1 m poniżej poziomu dna rzeki albo zakotwić ją w warstwie nieprzepuszczalnej (5). Przegłębienie przegrody należy zaprojektować dla każdego odcinka wału. W ten sposób ograniczy się filtrację wody pod wałem i przez wał. Popiół będący produktem ubocznym przy spalaniu węgla w elektrowniach posiada dobre właściwości mechaniczne, które mogą być porównywane z właściwościami mechanicznymi pyłów, tj. gruntów mine­ralnych. Mieszanka popiołu z odpowiednią ilością kruszywa rzecznego poprawia dodatkowo te wła­ściwości. Wykonanie przegrody o współczynniku filtracji o wartości k = 10^-7–10^-8 m/s stanowi dostateczną barierę dla przenikania wody przez wał i pod wałem.

Rys. 2. Przekrój przez wał przeciwpowodziowy (opis w artykule)

Zalety stosowanej technologii

Nowoczesna technologia zagęszczania dynamicznego w postaci kompletnego produktu geoinżynierskiego jest praktycznie jedynym sensownym rozwiązaniem, za pomocą którego istnieje możliwość zlikwidowania kanałów i nor wydrążonych przez małe zwierzęta. Jest to zupełna technologia renowacji zniszczonych wałów przeciwpowodziowych, które staną się stabilne i służyć będą społeczeństwu przez długie lata w warunkach zmiennych stanów wód, szczególnie w ekstremalnych poziomach wezbrań, co miało miejsce w ostatnich latach oraz w ubiegłym i bieżącym roku. Spełnia ona wymagania konstrukcji wałów przeciwpowodziowych zarówno z punktu widzenia sztuki inżynierskiej, jak i oczekiwań ofiar żywiołu powodzi.

Trwałość i bezpieczeństwo konstrukcji wałów przeciwpowodziowych każdorazowo wymagają odpowiedniego zaprojektowania, wyboru technologii wykonania samego korpusu wału oraz odpowiedniej technologii wzmocnienia i uszczelnienia podłoża. Katedra Geotechniki, Geologii i Budownictwa Morskiego Politechniki Gdańskiej podejmie się nadzoru i konsultacji naukowych związanych z opisanym zagadnieniem renowacji wałów przeciwpowodziowych.

Do wymienionych zalet prezentowanej technologii należy dodać niskie ko­szty wykonawstwa.

prof. Zbigniew Sikora

Politechnika Gdańska

Katedra Geotechniki, Geologii i Budownictwa Morskiego

Literatura

1. M. Borys, K. Mosiej, Ocena stanu technicznego obwałowań przeciwpowodziowych, Wyd. IMUZ, Falenty 2008.

2. M. Borys, Wytyczne wykonywania okresowej (rocznej) kontroli stanu technicznego wału przeciwpowodziowego, Wyd. IMUZ, Falenty 2007.