Umocnienia denne i brzegowe dla przepływów rwących i progów

Staranność projektowania, wykonawstwa oraz czujność nadzoru przy robotach hydrotechnicznych decydują o powodzeniu danej inwestycji.

Umocnienia brzegowe i denne oznaczają budowle, których podstawowym zadaniem jest ochrona profilu cieku wodnego w określonych warunkach brzegowych i granicach. Działanie erozyjne wody ma dwa główne składniki. Jeden z nich to wypłukiwanie i następnie unoszenie w formie rumoszu ziaren, które ma miejsce, gdy prędkość przepływu wody przekracza pewną wartość krytyczną, zależną od wielkości uziarnienia. Z reguły przy niekontrolowanym przebiegu tego procesu powstają osuwiska lub spływy i osuwy. Drugi składnik to falowanie eoliczne i rozmycie wywołane przez strumienie wody od śrub napędowych statków. Działanie falowania eolicznego (wiatrowego) i od przepływających statków szczególnie niszczy nieumocnione brzegi w zakresie stanów średnich wód. Jest to pas środkowy skarpy odwodnej. Obciążenia dynamiczne od falowania może przejąć tylko odpowiednio zaprojektowane umocnienie. Uzyskuje się to dzięki podtrzymywaniu brzegów i materiałów dennych. Materiał denny składa się przede wszystkim z torfu, piasku lub pyłu, czyli materiałów luźnych, ziarnistych lub spoistych, mniej lub bardziej podatnych na erozję. Erozja może być spowodowana nie tylko działaniem fal i prądów, ale również napływem wód powierzchniowych i/lub gruntowych z lądu.

Fot. 1 i 2. Zerodowane brzegi rzeki

Czytaj też: Dobrze rozwinięty system monitoringu podstawą bezpiecznej eksploatacji obiektów hydrotechnicznych na przykładzie OUOW Żelazny Most

Spływ powierzchniowy może doprowadzić do silnego zerodowania konstrukcji ochronnej, zwłaszcza w miejscach ze słabym drenażem lub bez drenażu. Ponadto należy uwzględniać w analizach wszelkie nietypowe obciążenia, związane z warunkami atmosferycznymi, różnymi odpadami niesionymi z nurtem rzeki, rekreacją, wandalizmem i katastrofami. Znaczący wpływ na analizy obliczeniowe dla wyboru odpowiedniego zabezpieczenia antyerozyjnego mają przepływy rwące i progi wodne i związane z tym odskoki hydrauliczne.

Przewody otwarte mogą być zarówno naturalne (rzeki, strumienie i potoki), jak i sztuczne (kanały irygacyjne, kanały ulgi, przekopy, rowy melioracyjne itp.).

W każdym tego typu obiekcie wyróżnić można (rys. 1):

pole przekroju przepływu A,
obwód zwilżony U,
promień hydrauliczny R_h

Klasyfikacja ruchu cieczy w kanałach otwartych obejmuje ruchy równomierne i nierównomierne oraz przepływy spokojne i rwące.

Zadaniem projektanta ustalającego ewentualne zabezpieczenia koryta jest odpowiednie posługiwanie się wzorami obowiązującymi w tych sytuacjach. Podstawą podziału ruchów cieczy w kanałach otwartych jest wzór Lagrange’a:

gdzie: c – szybkość rozprzestrzeniania się fal płaskich powstających na powierzchni lustra wody, t_s – średnia głębokość cieku.

Przepływy spokojne (łagodne) odbywają się z prędkościami średnimi v < c, a przepływy rwące z prędkościami średnimi v > c.

Fot. 3. Strefa odskoku hydraulicznego poniżej jazu

Polecamy też: Grodzice (ścianki szczelne) w budownictwie

Ponadto ruchy równomierne charakteryzują się równoległością między spadkiem hydraulicznym, spadkiem niwelacyjnym dna cieku i zwierciadła swobodnego przepływającej wody, czyli pomiędzy dwoma punktami oddalonymi od siebie o i wystąpi:

gdzie: I – spadek hydrauliczny, H₁, H₂ – rzędne punktów środków pola przekroju w nurcie cieku oddalone od siebie o l, i_d – spadek dna, i – spadek zwierciadła swobodnego, β – kąt nachylenia dna cieku.

Potrzebne równanie hydrodynamiczne ruchu równomiernego i stąd wynikający wzór na średnią prędkość przepływu przybiera postać:

gdzie: g – przyspieszenie ziemskie, λ – bezwymiarowy współczynnik oporu łożyska, R_h – promień hydrauliczny.

Oznaczając , otrzymujemy znany wzór Chezy:

Dla wyznaczenia λ i C można posłużyć się poniższymi wzorami:

Formuła Misesa – określa współczynnik oporu λ

gdzie: κ – współczynnik chropowatości, którego wartość zależy od rodzaju ścian łożyska, mający wartości (0,2-200 pm),
przy czym dolna wartość dotyczy ścian wykończonych gładką wyprawą cementową, górna natomiast gruntowych.

Formuła Bazina

w której współczynnik c zależy od rodzaju ścian łożyska. Ścianom wykończonym gładką wyprawą cementową przypisuje się liczbę c = 0,06, natomiast ścianom z głazów c = 1,75.

Formuła Manninga

w której n jest współczynnikiem zależnym od rodzaju i chropowatości ścian kanału. Współczynnik n może mieć wartości 0,009-0,03. Dolna wartość dotyczy wyjątkowo gładkich powierzchni pokrytych emalią lub glazurą. Wartość górna odnosi się do kanałów wyjątkowo źle utrzymanych o znacznych wyrwach i osypiskach, zarośniętych szuwarami z dużymi kamieniami na dnie itp.

Formuła Matakiewicza – pozwala obliczyć prędkość średnią w łożysku naturalnym

gdzie: t_s – średnia głębokość w kanale.

Rys. 1. Obwód zwilżony cieku

Rys. 2. Typowe przejście z ruchu spokojnego w rwący I z rwącego w spokojny ze zjawiskiem odskoku hydraulicznego

Rys. 3. Kształt odskoku przy wypływie wody z upustu dennego

Kryterium podziału na przepływ spokojny i rwący wynika ze średniej prędkości przepływu wody:

ruch rwący

ruch spokojny

gdzie: v – średnia prędkość przepływu,

– prędkość rozchodzenia się fali powierzchniowej na powierzchni cieczy o średniej głębokości wynoszącej t_s.

W odniesieniu do wszelkich rodzajów umocnień dennych i brzegowych należy wyraźnie podkreślić, że przepływy rwące charakteryzują się dużą wartością energii kinetycznej i przez to wywierają silne działanie erozyjne na kształt kanału.

Ruch rwący i próg wodny towarzyszą nieodmiennie zjawiskom przechodzenia przepływu spokojnego w rwący i rwącego w spokojny.

Zjawiska te można zaobserwować na jazach, przepławkach, zmianie spadku dna cieku z łagodnego w bardziej stromy, zaporach i elektrowniach wodnych oraz przy upustach dennych i szandorach podnoszonych do góry.

Podczas przepływu przez kanał o zmiennym spadku (rys. 2) ruch jednostajny byłby odpowiednio spokojny, rwący i znów spokojny. Po pierwszej zmianie spadku przejście jest łagodne, prędkość wzrasta równomiernie, a zwierciadło płynnie zmienia
swoje położenie. Inaczej przedstawia się sytuacja podczas przejścia z ruchu rwącego w spokojny. Obserwuje się tu strefę bardzo silnych zaburzeń, w której głębokość gwałtownie wzrasta, tworząc próg albo odskok hydrauliczny (Bidone’a).

Między przekrojami 2 i 4 (rys. 3) powstaje odskok hydrauliczny, gdzie prędkość maleje z v₃ do v_k. Przyczyną tego zjawiska jest stwierdzony doświadczalnie fakt, że strata energii jest proporcjonalna do kwadratu prędkości v², a wzrost głębokości do prędkości v.

Progiem (odskokiem) hydraulicznym nazywamy więc gwałtowne zwiększenie się głębokości strugi przy jednoczesnym zmniejszeniu prędkości.

Rys. 4. Schemat budowli piętrzącej z ponurem i poszurem

Rys. 5. Typowy schemat ułożenia kolejnych warstw projektowanego umocnienia cieku

Uwaga: W ruchu krytycznym i przepływach rwących wszelkie zaburzenia nie przenoszą się w górę kanału, a wszelkie tworzone w tych przepływach przeszkody mają wpływ tylko na ruch w części kanału położonej poniżej (w rejonie poszuru).

Długość odskoku jest istotna ze względu na konieczność umocnienia dna kanału, szczególnie w rejonie poszuru, a wyznacza się ją ze wzorów doświadczalnych. Poszur jest to część dolna budowli hydrotechnicznej, która chroni dno przed rozmyciem, zwiększa stateczność budowli szczególnie na przesunięcie, przedłuża drogę filtracji oraz przejmuje obciążenia pionowe wynikające z odskoku hydraulicznego i przejścia strumienia z ruchu rwącego w ruch spokojny. Przez zaprojektowanie odpowiedniej długości poszuru eliminuje się powstawanie wyrw i wybojów oraz zmniejsza możliwości powstania szkodliwych deformacji filtracyjnych podłoża wodoprzepuszczalnego.

Z przebiegu krzywych doświadczalnych z różnych obiektów wynika, że długość progu wodnego jest zawarta w granicach:

l = (4,3÷5,2) h₂

Długość progu wodnego można również określić na podstawie wzoru Wóycickiego:

Do dodatkowych funkcji umocnień brzegowych i dennych należą wartości ekologiczne, funkcja rekreacyjna i ochrona krajobrazu, oznakowanie dla żeglugi i funkcja hydrauliczna związana z szorstkością profilu. Aby móc pełnić te wszystkie funkcje, brzeg z reguły musi być pokryty okładziną wielowarstwową. Głównymi elementami tej okładziny są wierzchnia warstwa okrywowa, warstwa filtracyjna, a czasem również jedna lub więcej warstw pośrednich.

Wierzchnia warstwa, która w szczególności musi wytrzymywać zewnętrzne siły działające na budowlę, może być wykonana z różnych materiałów lub ich połączeń.
Opisywane rozwiązania dotyczą luźno układanych kamieni na odpowiedniej podsypce wraz z warstwą filtracyjną. Istnieją również inne systemy, np. z połączonych linkami stalowymi bloczków betonowych (tzw. materace betonowe, które nie wymagają warstwy podsypki). Dobrze, że minął już czas betonowania i uszczelniania koryt, tworzących kanały bez jakichkolwiek oporów przepływu i retencji.

Rys. 6. Wymiarowanie obrzutu kamiennego w zależności od nachylenia skarpy i wysokości fali

Rys. 7. Rozmiar kamienia narzutowego w zależności od prędkości przepływu wody

Rys. 8. Dobór ciężaru kamieni narzutu w funkcji prędkości przepływu i jego charakteru

Umocnienia przed działaniem falowania

Dla przewidywanej wysokości fal odczytuje się z nomogramu (rys. 6) potrzebny ciężar kamienia w umocnieniu przy odpowiednim pochyleniu skarpy.

Umocnienie przed działaniem prądu wody

Dla przewidywanej prędkości przepływu odczytuje się z nomogramów lub oblicza (rys. 8) wymagany ciężar kamieni w [daN] przy odpowiednim charakterze przepływu.

Zastępcza średnica kamienia wynosi:

[m]

gdzie G – ciężar kamienia [daN].

Z ogólnych zaleceń wynika, że narzut powinien być układany w dwóch warstwach do łącznej miąższości 2 x D_e.

Fot. 4-7. Kolejne etapy zabudowy brzegów rzeki z filtrem geosyntetycznym, rusztem faszynowym i narzutem kamiennym

Określenie potrzebnej podsypki

Warstwa ta nie zawsze jest konieczna, szczególnie gdy narzut kamienny układany jest ręcznie, mechanicznie z dużą starannością lub odbudowa skarpy wykonywana jest z prefabrykatów. Głównym zadaniem podsypki jest utworzenie warstwy pośredniej między narzutem a filtrem naturalnym lub syntetycznym, a więc także ochrona filtru przed uszkodzeniem mechanicznym.

Podstawowe kryterium doboru podsypki pod narzutem kamiennym wymaga spełnienia dwóch warunków:

średnica ziaren (podsypki) d₁₀₀ < 0,5 D_e (narzutu kamiennego),
miąższość podsypki ≥ D_e (narzutu kamiennego).

W śródlądowych drogach wodnych głównymi przyczynami erozji są prąd przepływu wody i ruch statków. Jeżeli te zjawiska można wyrazić za pomocą prędkości strugi, to ogólną ocenę podatności na erozję dna i brzegów drogi wodnej można przedstawić w formie rys. 11.

Posługując się rys. 11, warto odnotować, że gruntem najłatwiej ulegającym erozji jest piasek – już przy prędkości przepływu około 0,2 m/s następuje transport ziaren.

Fot. 8-11. Zabudowa ochronna wlotu i wylotu stacji pomp elastycznymi materacami z bloczków betonowych układanych bezpośrednio na geotkaninie

PRZYKŁAD OBLICZENIOWY

Rzeka płynie uformowanym korytem, przepływ jest laminarny. Prędkość wody osiąga 3 m/s. Skarpa brzegu rzeki o pochyleniu ok. 1 : 2,5 zbudowana jest z piasku pylastego o współczynniku filtracji okoto 10^-5 m/s i charakterystycznych rozmiarach ziaren:

d₁₀= 0,06 mm, d₅₀ = 0,12 mm, d₆₀ = 0,25 mm, d₉₀ = 0,63 mm.

Jakie są wymagane parametry materiału geosyntetycznego, podsypki i narzutu?

Zaprojektowanie materiału geosyntetycznego

Grunt niespoisty, warunki statyczne:

2,5 • d₅₀ = 0,3

d₉₀ = 0,63

A zatem wartość otwartości porów w geosyntetyku wynosi: O₉₀ = 0,3 mm = 300 um.

Dobór odpowiedniego materiału geosyntetycznego:

dla geotkaniny o wartości k_g = 2 • 10^-4 → η_G = 0,09

η_G • kg = 0,09 • 2 • 10^-4 = 1,8 • 10^-5 m/s

tj. nieco więcej niż współczynnik k_s = 10^-5 m/s.

Materiał geosyntetyczny można uznać za właściwie zaprojektowany.

Zaprojektowanie narzutu

Z rys. 8 (cz. I artykułu) dla przepływu laminarnego o prędkości 3 m/s przyjęto z pewnym zapasem narzut z kamieni o ciężarze 12 [daN]

Przyjęto całkowitą miąższość narzutu ponad 550 mm.

Warstwa podsypki

Średnica d₁₀₀< 0,5 • 275

przyjęto miąższość podsypki ≥ D_e → 280 mm.

Przyjęte rozwiązanie

Materiał geosyntetyczny: geotkanina

O₉₀ ≈ 300 µm

co najmniej k_g = 2 • 10^-4 m/s

Warstwa podsypki: kamienie o wymiarach do 140 mm, miąższość co najmniej 280 mm.

Narzut: kamienie o ciężarze 12 daN, miąższość co najmniej 550 mm.

Rys. 9. Wymiarowanie luźnego narzutu kamiennego w zależności od szybkości prądu wody (wg Kniessa)

Rys. 10. Wymiarowanie luźnego narzutu kamiennego w zależności od falowania wg Kniessa

Reasumując, w celu maksymalnego ograniczenia erozji brzegi i dno dróg wodnych muszą być zabezpieczane narzutem z kamieni o ciężarze i rozmiarach wystarczających, aby oprzeć się działaniu strumienia wody w ten sposób, że narzut zbudowany jest z dwóch warstw kamieni, ułożonych na podsypce z drobniejszego kruszywa w konstrukcji filtru odwrotnego. Podsypka z kolei leży na filtrze geosyntetycznym, rozłożonym na odpowiednio przygotowanej powierzchni skarpy brzegu i dna. Projektowanie filtrów z geosyntetyków służących do ochrony przed erozją komplikuje fakt, że przepływ jest często turbulentny, a ponadto może zmieniać kierunek. Na przykład w kanale, w którym nie występują przepływy, poziom wody gruntowej w sąsiedztwie kanału będzie taki jak poziom wody w kanale. Fala powstająca przy przejściu statku podnosi lokalnie poziom wody w kanale i wywołuje przepływ wody w gruncie w głąb obwałowania. Następnie przychodzący spód fali obniża poziom wody w kanale i powoduje odpływ wody z obwałowania w kierunku kanału. Z powodu zmiennego kierunku wody często nie jest możliwe powstanie sieci przesklepień z ziaren gruntu przylegających do materiału geosyntetycznego.

Wskutek tego nie może powstać w gruncie stabilny układ filtrujący. Stosowanie geotkanin i geowłóknin na filtry w budowlach dróg wodnych, skarpach przybrzeżnych i śródlądowych, gdzie podłoże budują piaski i piaski pylaste, które są szczególnie podatne na erozję, wiąże się z problemem projektowania filtru. Otwartość geosyntetyków jest wystarczająco mała, aby zapobiec dużym ubytkom ziaren i cząstek gruntu, a jednocześnie zachowuje dostatecznie dużą przepuszczalność przez cały okres jego użytkowania, zapobiegając tym samym wzbudzaniu zwiększonego ciśnienia spowodowanego falowaniem.

Fot. 12-13. Przykład nieprzestrzegania podstawowych zasad układania kamieni jako narzutu na skarpach odwodnych pokrytych geosyntetykami

Kryteria dla filtrów, które powinny zapewniać zatrzymanie drobnych cząstek i ziaren, można podsumować następująco: Grunty niespoiste: warunki obciążenia statycznego

Jeżeli U* ≥ 5 to O₉₀ < 10 x d₅₀ oraz O₉₀ < d₉₀

Jeżeli U* < 5 to O₉₀ < 2,5 x d₅₀ oraz O₉₀ ≤ d₉₀

gdzie: U* – wskaźnik różnoziarnistości definiowany jako d₆₀/d₁₀

warunki obciążenia dynamicznego

O₉₀ < d₅₀

Grunty spoiste

warunki statyczne/dynamiczne obciążenia

O₉₀ < 10 x d₅₀

oraz O₉₀ ≤ d₉₀

i O₉₀ ≤ 100 µm

Za warunki statyczne obciążenia uważa się przepływ laminarny, włączając zmiany kierunku przepływu. Dynamiczne warunki obciążenia są wytwarzane przez przepływ silnie turbulentny, działanie falowania oraz zjawisko „pompowania”. Dla obu wymienionych typów gruntów mogą występować odchylenia od podanych kryteriów, w zależności od zawartości pyłów i wartości wskaźnika różnoziarnistości.

Rys. 11. Zjawiska erozyjne w dnie I na brzegach rzek

Rys. 12. Nomogram do wyznaczania współczynnika redukcyjnego η_G

Kryterium przepuszczalności wymaga, aby przepuszczalność geosyntetyków była zawsze większa od współczynnika filtracji ks chronionego gruntu obwałowania. Jeżeli w laboratorium jest mierzona przepuszczalność kg samego materiału geosyntetycznego, poddanego działaniu odpowiedniego naprężenia ściskającego, to może się ona wydawać wystarczająca, tj. k_g > k_s. Jednak gdy geosyntetyki są umieszczane w kontakcie z gruntem, to ich przepuszczalność maleje przez naprężenia ściskające i zjawisko kolmatacji, czyli zatrzymywania cząstek gruntów wewnątrz przestrzennej struktury geosyntetyków.

Wodoprzepuszczalność tkanin w kontakcie z gruntem maleje wskutek blokowania, tj. zasłaniania bądź osadzania się ziaren i cząstek w otworach tkaniny. Zmniejszanie się wodoprzepuszczalności geotkaniny może być wyrażone za pomocą współczynnika redukcyjnego η_G, który jest funkcją przepuszczalności k_g materiału geosyntetycznego oraz średnicy d₁₀ gruntu, który ma być filtrowany (k_s).

Warunek przyjmuje wówczas postać:

η_G • k_g > k_s

Dla wyznaczenia tego współczynnika można się posłużyć nomogramem [4].

Staranność projektowania, wykonawstwa oraz czujność nadzoru przy robotach hydrotechnicznych decydują o powodzeniu danej inwestycji. Szczególnie jest to istotne w środowisku wodnym. Należy pamiętać, że woda jest żywiołem nieznoszącym jakichkolwiek błędów ludzkich. Woda na pewno zareaguje na nasze niedoróbki.

UWAGA: W znalezieniu odpowiedzi na pytania dotyczące osuwisk i innych problemów z zakresu geotechniki, hydrotechniki, posadawiania obiektów lub stosowania geosyntetyków pomocna może być internetowa encyklopedia prezentowana przez autora artykułu na http://www.inzynieriasrodowiska.com.pl/encyklopedia.

Piotr Jermołowicz

Inżynieria Środowiska, Szczecin

Zdjęcia autora

Literatura

Empfehlungen des Arbeitsausschusses „Ufereinfassungen”, EAU 1985, Ernst and Sohn.
R.M. Korner, Designing with geosythetics, Prentice Hall, 2005.
Poradnik projektanta firmy Lotrak 1996.
Merkblatt fuer die Anwendung von Geotextilien im Erdbau, Koeln 1987.
R.V. Van Zanten, Geotextiles and geomembranes in civil engineering, Balkema 1986.
A. Wesolowski i in., Geosyntetyki w konstrukcjach inżynierskich, Wyd. SGGW, Warszawa 2000.