Zabezpieczenia przeciwpowodziowe Nowego Orleanu 10 lat po Katrinie

29 sierpnia bieżącego roku minęło 10 lat od zalania Nowego Orleanu przez wody huraganu Katrina. Autor był konsultantem i opiniodawcą przy pro­jektowaniu budowli – głównie rucho­mych zapór – mających zmniejszyć ryzyko powodzi w Nowym Orleanie po Katrinie. Większość tych obiektów jest już zrealizowana. Zastosowane technologie mogą w przyszłości oka­zać się przydatne także w Polsce.

Nauczki z nieszczęścia

Huragan Katrina był wynikiem tropi­kalnego cyklonu (zjawiska dość re­gularnie nawiedzającego południowe wybrzeża USA). Huragan ten – wśród zarejestrowanych atlantyckich cy­klonów szósty pod względem siły wiatru – doprowadził do zalania ok. 80% powierzchni miasta, śmierci lub zaginięcia ponad 2 tys. ludzi oraz obejmujących bardzo wiele osób, choć spóźnionych ewakuacji, w wyniku których liczba ludności półmilionowego niegdyś Nowego Orleanu do dziś jest mniejsza o ok. sto tysięcy od stanu sprzed Katriny [1].

Można wprawdzie twierdzić, że odpowiedzialność za to nieszczę­ście obciąża nie tylko – a nawet nie w pierwszym rzędzie – ludzi techniki. Nie zmienia to jednak faktu, że w od­czuciu społecznym przerwane przez wody Katriny groble to tzw. smoking gun – dowód winy inżynierów. Tema­tem, którego nie wolno pominąć, jest ocena przeciwpowodziowych zabez­pieczeń miasta z okresu przed huraganem oraz rozpoznanie popełnio­nych tu błędów.

Chodzi nie tylko o rozwiązania i stan techniczny istniejących przed Katriną grobli. Inne przyczyny to intensywne bagrowanie delty Missisipi w celu lep­szego dostępu tankowców. Na skutek spotęgowanej przez to erozji delty stan Luizjana tracił w 2005 r. ob­szar wielkości boiska piłkarskiego co 38 minut [2]. Wątpliwe były też m.in. rozwiązania planistyczne oraz zaple­cze organizacyjno-techniczne ochro­ny i ewakuacji ludności.

Mające ochronić miasto groble nie okazały się dla Katriny przeszkodą. Ich typowe awarie widoczne są na zdjęciach (rys. 1).

Rys. 1 Typowe awarie grobli kanałów żeglugowych. Na szerokich odcinkach woda wtarg­nęła do miasta. W miejscach przerwanych grobli fala powodziowa (na fot. już po cofnięciu się) zmyła zabudowania do samych fundamentów. Nieco dalej niektóre budynki, choć jeszcze stoją, nadają się tylko do rozbiórki. Wzniesiona na szczycie grobli betonowa ściana piętrząca leży zniszczona w dużych odległościach od swego miejsca. Ściana ta, wieńcząca ściankę szczelną z grodzic stalowych, stanowiła przed Katriną rozwiązanie typowe. Kilka mechanizmów awarii grobli z taką ścianą pokaza­no schematycznie w dolnej części ilustracji.

Podwyższanie grobli ścianami betono­wymi nie jest samo w sobie rozwiąza­niem błędnym. Ma ono zalety szcze­gólnie w miastach i terenach o drogiej powierzchni, gdyż zmniejsza podsta­wę grobli. Na rys. 1 widać główne błę­dy, jakie popełniono przy budowie tych ścian, w każdym razie błędy na miarę huraganu o sile Katriny:

– ścianka z grodzic za krótka i niestężona,

– korona grobli niewzmocniona prze­ciw rozmyciu,

– ściana betonowa za niska.

Ostatni błąd, choć najczęściej zarzu­cany Korpusowi Inżynieryjnemu Armii USA (The United States Army Corps of Engineers, USACE) odpowiedzial­nemu za ochronę miasta, jest w za­sadzie mniej istotny od pozostałych. Zwykle się zakłada, że chroniony teren jest w stanie przyjąć pewne objętości przelewów, a szkody przez to wyrzą­dzone są niewielkie i łatwe do usu­nięcia. Wynikiem pierwszych dwóch błędów był przepływ niekontrolowany, któremu na drodze nie stało już nic. Wydaje się więc, że podjęto właściwą decyzję, zachowując konstrukcję grobli ziemnych ze ścianami na gro­dzicach, lecz odpowiednio ją mody­fikując i wzmacniając. W konstrukcji nowych grobli maksymalnie wykorzy­stano doświadczenia wynikające z Katriny. Główne zmiany w porównaniu ze stanem przed powodzią przedstawia rys. 2 (czytelnik rozpozna tu bez tru­du, w jaki sposób usunięto wyżej wymienione błędy).

Rys. 2 Typowy przekrój grobli przeciwpowodziowej: a) przed Kariną, b) po niej

Przy całym ogromie nieszczęść Katrina przyniosła też coś konstruk­tywnego: pokazała ludzkie błędy. Dała wiedzę, jak nie należy budować zabez­pieczeń przeciwpowodziowych, jakie ich układy, elementy, wymiary itp. są krytyczne i wymagają zmian. Wiedza ta okazała się niezwykle cenna przy projektowaniu i wykonawstwie nowe­go systemu ochrony miasta i całego regionu przed powodzią, który składa się już z grobli wyższych i znacznie mocniejszych niż przed Katriną. Ich plan z podziałem na sekcje (cyfry 1-8 w kółkach) przedstawia rys. 3.

W sytuacji wielkomiejskiej nie wystar­cza projekt samego przekroju grobli. Trzeba też m.in. zaprojektować połą­czenia grobli chronionych sektorów, ich skrzyżowania z infrastrukturą drogową itp. Każde miasto pragnie bowiem funkcjonować jako otwarta na świat i swobodnie komunikująca się między sobą społeczność, przy jak najmniejszych przeszkodach ze strony obiektów ochrony przeciwpowodziowej. Rozwiązań w tym zakresie jest dużo i nie sposób ich tu omówić, przykłady przedstawiono w pracach [3] i [4].

Rys. 3 Plan ochrony przeciwpowodziowej Nowego Orleanu po Katrinie (archiwum USACE). Zdjęcia w prawym górnym rogu wskazują miejsca dwóch ruchomych zapór mor­skich omawianych w artykule. Inne ważniejsze nowe zapory wskazano strzałkami. Groble brzegów Missisipi pomijamy, choć poprzednia wielka powódź miasta miała miejsce w 1927 r. i przyniosło ją nie morze, lecz rzeka Missisipi.

Bariera wzdłuż kanału portu wewnętrznego

Obok technicznej wiedzy o wytrzymało­ści i mechanizmach awarii grobli Katrina dostarczyła wiele innych informacji. Do najistotniejszych należał scena­riusz samej fali powodziowej, jej wy­sokości i kierunki w różnych miejscach i przedziałach czasu, lokalne spiętrze­nia wody oraz wzajemne relacje między istniejącymi obiektami a zachowaniem się fali powodziowej w różnych rejo­nach miasta. Są to wbrew pozorom rzeczy trudne do symulacji numerycz­nych, a nawet fizycznego modelowania przy złożonych systemach ochrony du­żych miast. Wprawdzie następny po­tężny huragan nie musi mieć dokładnie tych samych kierunków wiatru i innych parametrów, ale scenariusz, jaki „na­pisała” Katrina, stał się przebogatym źródłem danych do projektowania no­wych, lepszych konstrukcji przeciw­powodziowych.

Ze scenariusza tego, przedstawio­nego ogólnie w animacji [5], wyni­ka, że główne uderzenie przyszło od strony jeziora Borgne we wschodniej części miasta (patrz rys. 3). Jezioro to – będące właściwie zatoką morską – wcina się jak gdyby klinem między Wschodni Nowy Orlean a tereny mo­kradeł i portu wewnętrznego na po­łudniu miasta. Przy naporze sztormu nieznajdujące ujścia masy wód pro­wadzą do spiętrzeń na poboczach i w wierzchołku klina. Warto zoba­czyć zdjęcia satelitarne (dostępne w Google Earth), widać tam też już nowy element ochrony przeciwpowo­dziowej: barierę kanału żeglugowego portu wewnętrznego (Inner Harbor Navigation Canal, IHNC). Bariera ta (rys. 4) biegnie wzdłuż kanału i łączy jak gdyby dwie ściany klina, zmniej­szając przez to spiętrzenia wód powodziowych. Wraz z przebudową grobli stanowi ona dziś najważniej­sze usprawnienie systemu ochrony przeciwpowodziowej miasta.

Rys. 4 Przekrój bariery przeciwpowodziowej wzdłuż kanału żeglugowego portu wewnętrz­nego (IHNC)

Wybudowano więc ścianę o silnej, głę­boko posadowionej i odpowiednio stężo­nej konstrukcji. Jej zwieńczeniem jest szeroki betonowy oczep przenoszący nawet ruch pojazdów służb utrzyma­nia. Konstrukcja przypomina statycznie ściany grobli z rys. 2b, ale wszystkie jej elementy są o wiele większe i mocniej­sze. Wynika to nie tylko z najwyższych obciążeń hydraulicznych (efekt klina), ale i z głębokości kanału oraz ryzyka kolizji ze strony statków. Ryzyko to oraz krótki czas budowy i duża długość bariery (3 km) zadecydowały o szero­kim zastosowaniu prefabrykacji. Ścia­nę piętrzącą wykonano ze sprężonych pali betonowych o przekroju rurowym, prefabrykowanych nowoczesną tzw. wirową (spun-cast) metodą, w któ­rej zagęszczanie betonu następuje przez działanie siły odśrodkowej. Pale prefabrykowano w odcinkach długości 4,9 m (16 ft). Dziewięć takich od­cinków łączono następnie ze sobą, sprężano do całkowitej długości równej 44 m (144 ft) i transportowano bar­kami po 18 do 21 sztuk na teren bu­dowy. Zagłębianie prowadzono metodą udarową bez wybierania gruntu z rur Sam transport pali oraz ich ustawianie i zagłębianie leżały na granicach możli­wości dostępnego sprzętu [6], ale ich nie przekraczały. Ograniczyło to koszty budowy, gdyż nie było potrzeby kon­struować specjalnego sprzętu.

Do ustawiania i wbijania pali użyto dźwigów na pontonach, specjalnych szablonów i ciężkich palownic. Szcze­liny zamykano z obydwu stron lżejszy­mi już i krótszymi palami betonowymi o przekroju kwadratowym, z iniekcją ciśnieniową (jet grouting). Technologie te niewiele się już różnią od niektó­rych polskich realizacji [7]. Tak wyko­naną ścianę piętrzącą stężano potem stalowymi palami rurowymi, na które nasuwano rękawy antykorozyjne z po­lietylenu. Oczep betonowy wieńczący ścianę dostarczany był także w pre­fabrykatach, po czym montowany i odpowiednio kotwiony. Złącza oczepu betonowano na mokro przy lokalnym już tylko użyciu specjalnych zestawów stalowych deskowań.

Fot. 1 Budowa bariery morskiej w kanale IHNC 9 (archiwum USACE): a) dostawa pali ściany piętrzącej i montaż pomostu, b) wbijanie pali ściany piętrzącej, pali zamykających i ukośnych, c) pale ściany przed założeniem rękawów z PE i oczepu, d) montaż i kotwienie sekcji oczepu, e) betonowanie złącz sekcji oczepu w deskowaniach stalowych

Fot. 1 oddaje rozmiary bariery ka­nału portu wewnętrznego (IHNC) oraz technologię budowy bariery. Warto zwrócić uwagę na obszerny pomost roboczy z torem jezdnym dla dźwigów i palownic. Pomost ten, podobnie jak całość sprzętu, był konstrukcją wielokrotnego użytku, rozbieraną i przemieszczaną wraz z postępem frontu robót.

Projekty bariery w kanale IHNC oraz ruchomych zapór w tej barierze są dziełem spółki dwóch amerykańskich biur projektowych: INCA Engineering (oddział Tetra Tech) i Gerwick Inc. Oba biura pracowały na zasadzie kontrak­tu D&B (design and build) w zespole, w którym głównym wykonawcą był koncern The Shaw Group. Zlecenio­dawcą prac projektowych był USACE.

Zapora na torze wodnym Bayou Bienvenue

W poprzek kanału IHNC biegną dwa tory żeglugi śródlądowej. Pierwszy, Bayou Bienvenue, ma znaczenie lokalne; drugi, Gulf Intracostal Waterway – ogólnona­rodowe. Na obu torach należało więc wybudować ruchome zapory morskie zamykane jedynie na okres zagrożenia powodziowego. Zapewnienie przejścia dla żeglugi w torze Bayou Bienvenue było zadaniem łatwiejszym. Wymagana skrajnia żeglugi miała tu bowiem sto­sunkowo niewielką szerokość ok. 17 m. Nie było także potrzeby zapewnienia awaryjnego przejścia na okres budowy. Żegluga rekreacyjna, główny użytkow­nik toru Bayou Bienvenue, korzystała w tym okresie z drogi okrężnej. Dla przepływu wód wzdłuż tego „bayou” (termin trudny do przetłumaczenia na język polski oznaczający pierwotnie na­turalny ciek wodny w płyciznach delty, utrzymywany dla żeglugi i celów ekolo­gicznych) należało jednak skonstruować tymczasowe przepusty.

Rys. 5 Zapora morska na torze wodnym Bayou Bienvenue (model USACE)

Zapora Bayou Bienvenue (rys. 5) mu­siała – także w pozycji otwartej – za­pewnić możliwość przejazdu pojazdów służb obsługi i utrzymania. Rozwią­zano to, budując na tych samych przyczółkach tuż za zaporą rucho­my most. Jest to most podnoszony, zawieszony do wież wyciągowych na umieszczonych w narożach przęsła podnośnikach śrubowych. Wysokość podnoszenia wynosi 4 m, co dla pod­nośników śrubowych nie jest mało. Zamknięcie zapory stanowi stalowa zasuwa pionowa w prowadnicach przy­czółków i również stalowych wież wy­ciągowych. Mechanizm podnoszenia jest typu linowego bez przeciwwagi, ale za to z układem krążków znacznie redukującym wymaganą siłę napędu. Sama zasuwa nie imponuje wprawdzie rozpiętością, ale ma znaczną jak na ten rodzaj wrót wysokość. Duża wy­sokość zasuwy wynika z faktu, że jest ona rodzaju nieprzelewowego, tzn. jej górna krawędź jest wyższa niż poziom przyjętej w projekcie fali powodziowej. Dla całej bariery wzdłuż kanału IHNC – włącznie z obydwoma jej ruchomymi zaporami – falę tę przyjęto na poziomie tzw. sztormu 100-letniego, czyli sztor­mu o częstotliwości występowania 1-10'2 na rok. Warto zaznaczyć, że po­dejście to różni się istotnie od praktyki europejskiej. W Holandii np. fale sztormowe o częstotliwości występowania 1-10'2 na rok także nie wywołują prze­lewów, jednak miarodajne obciążenia projektowe dostarcza dopiero sztorm o częstotliwości 1-10'4, czyli raz na 10 tys. lat! [8]. Przy tych obciążeniach dopuszcza się zwykle niewielkie przele­wy, gdyż chroniony ląd jest w stanie je przyjąć, jednak nie dopuszcza się awarii barier Przykładem takiego podejścia są – zaprojektowane przez autora – zasu­wy pionowe bariery na kanale Hartel do portu w Rotterdamie [9], [10]. Zasuwy te są typu przelewowego, przez co są nieco niższe, chociaż ich rozpiętości (98,0 i 49,3 m) wielokrotnie przekra­czają rozpiętość zasuwy Bayou Bienvenue. Zasuwy przelewowe wymagają specjalnych form i rozwiązania proble­mów, takich jak np. drgania konstruk­cji. Problemy te nie występują w zapo­rze Bayou Bienvenue. Nie występują one także w nowej zaporze morskiej w Sankt Petersburgu [11], której 110-metrowa zasuwa odebrała rekord roz­piętości zasuwie południowej zapory na kanale Hartel.