Zabezpieczenie przeciwerozyjne skarp

Piotr Jermołowicz - In ynieria rodowiska Szczecin
Zabezpieczenia warstw przeciwerozyjnych na geomembranach.
1. Wst p.
Problem wła ciwych zabezpiecze przeciwerozyjnych pojawia si szczególnie tam, gdzie
planujemy na nowo formowanie stoków, budow skarp nasypów i wykopów, rowów
drogowych, rekultywacj wysypisk nadpoziomowych i budow nowych składowisk,
wylewisk oraz ró nego rodzaju zbiorników wodnych z wałami przeciwpowodziowymi na
czele. Zjawisko osuwania si gruntów i erozji powierzchniowej pojawia si szczególnie po
intensywnych deszczach, na powierzchniach pozbawionych jeszcze ro linno ci, uaktywniaj c
spływ powierzchniowy i zwi kszone przepływy w rowach drogowych i ró nego rodzaju
ciekach wodnych.
Zjawiska te w poł czeniu z uszczelnieniami w postaci geomembran, powoduj cych
dodatkowo znacz ce zmniejszenie si warto ci k tów tarcia i adhezji gruntów nasypowych w
obecno ci wody, stwarzaj układ bardzo niestabilny.
Typowy zsów obsypki na geomembranie
Efektem braku szaty ro linnej i zmienionych parametrów fizyko-mechanicznych gruntów
obsypki na geomembranach jest niekontrolowana erozja, która oprócz deformacji
powierzchni powoduje najcz ciej zsuwy i spłukiwanie warstw.
Dobrze wykonany projekt, prawidłowa realizacja i wła ciwie prowadzona eksploatacja
zmniejszaj na ogół prawdopodobie stwo wyst pienia awarii.
Woda w swoim obiegu jest najbardziej agresywnym czynnikiem wywołuj cym erozj gruntu.
Erozja jest wi c procesem naturalnym, a działania powinny i w kierunku jej ograniczenia
lub wyeliminowania.
1
2. Zabezpieczenia przeciwerozyjne.
Wody opadowe w postaci intensywnych lub nawalnych deszczy infiltruj ce w warstwy
obsypki przykrywaj ce geomembrany powoduj niejednokrotnie olbrzymie zniszczenia
szacowane na poziomie przekraczaj cym 10 % kosztów robót ziemnych,
St d bierze si potrzeba wszelkiego rodzaju umocnie i zabezpiecze .
Tradycyjne rodzaje zabezpiecze przeciwerozyjnych mo na zestawi nast puj co:
• biologiczne zadarnienie skarp,
• hydroobsiewy,
• biowłókniny,
• przestrzenne maty przeciwerozyjne,
• materace geokomórkowe
I I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
II
I
I
I
I
I
W wielu konstrukcjach z zastosowaniem geomembran poszukuje si mo liwo ci zwi kszenia
nachylenia skarpy w celu powi kszenia pojemno ci składowiska, zbiornika retencyjnego lub
zabudowy rekultywacyjnej zamykanego wysypiska przy jednoczesnym zaj ciu mo liwie
minimalnej powierzchni terenu. Nale y jednak pami ta , e przy skarpach przekraczaj cych
długo 30 m nale y wykona półki po rednie (odci aj ce).
Zwi kszenie pochylenia skarp
Półki po rednie na skarpach o długo ciach ponad 30 m.
Warunkiem dodatkowym w tego typu konstrukcjach jest konieczno
wykonania
zabezpieczenia antyerozyjnego dla warstwy ochronnej na geomembranie, która od razu
powinna zacz pełni swoj funkcj .
Na podstawie wielu zrealizowanych obiektów nale y stwierdzi , e optymalnym
rozwi zaniem technicznym w utrzymywaniu warstw przykrywaj cych na geomembranach
jest stosowanie materacy geokomórkowych.
W ten sposób uzyskuje si swoisty rodzaj synergii. Ł czy si stabilizacj gruntu i jego
zabezpieczenie przeciwerozyjne wraz z odwodnieniem powierzchniowym i wgł bnym w
pełnej harmonii z wymaganiami architektury krajobrazu i ochrony rodowiska.
2
a)
b)
c)
d)
Typowe schematy zniszcze a), b) – obsypki na geomembranie, c), d) – obsypki i geomembrany
3. Tradycyjne zabezpieczenia geokomórkowe.
Materace geokomórkowe s jedn z wielu technologii, które mog by rozpatrywane na
etapie ró nych projektów zwi zanych z zabezpieczeniami przeciwerozyjnymi, a tak e ze
stabilizacj powierzchni skarp nasypów i wykopów, zboczy naturalnych oraz w przekrojach
poprzecznych rzek, potoków lub kanałów.
W skład tych technicznie zaawansowanych systemów wchodz oprócz geokomórek o ró nej
wysoko ci i wymiarach, wypełnienia zasypowe ( grunt próchniczny, piaski, kruszywa grube i
beton), elementy ł cz ce ( ta my zaciskowe, kotwy gruntowe, szpilki, odci gi linowe, klipsy,
przetyczki oporowe i widry talerzowe lub bloki betonowe) oraz materiały pod cielaj ce lub
zbroj ce – geotkaniny, geowłókniny, geosiatki lub geomembrany.
Systemy geokomórkowe mog by stosowane w szerokim zakresie do ochrony powierzchni
skarp i zboczy nara onych na oddziaływanie sił erozyjnych, pełnienia funkcji drena y
powierzchniowych oraz utrzymania pokry ro linnych i mineralnych. Istotn zalet takiego
systemu oprócz utrzymywania warstwy zasypki s jego wła ciwo ci retencyjne, zdolno
odprowadzania wód opadowych i gruntowych nie dopuszczaj c w ten sposób do zjawiska
przebicia hydraulicznego, a równocze nie utrzymywanie wilgotno ci zasypki potrzebnej dla
wegetacji ro linno ci naskarpowej (hydroboxy).
Hydroboxy, to dodatkowy geokompozyt pozwalaj cy przechwytywa i magazynowa w
swojej strukturze wod przes czaj c si w warstwie obsypki. Zmagazynowana wilgo
poprawia wegetacj ro lin. Hydroboxy mog równie przyczyni si docelowo do
zmniejszania grubo ci obsypki na uszczelnionych odwodnych skarpach wałów ppow.
Obecnie wymagana jest 80 cm minimalna grubo warstwy obsypki dla utrzymania procesów
wegetacji ro linno ci przy uwzgl dnianiu dłu szych okresów suszy. Wymaga to jednak
dalszych bada i prób w skali 1 : 1.
3
Typowy przekrój wału ppow.
Dla utrzymania warstwy humusu jak i innych wypełnie mineralnych ( piaski, wiry itp. )
geokomórki wymagaj odpowiedniego systemu kotwienia na skarpie jak i w koronie przy
u yciu szpilek, kotew gruntowych, opasek zaciskowych, odci gów linowych z klipsami i
blokami kotwi cymi jak równie ustalenia minimalnej długo ci zakotwienia w naziomie.
Grawitacyjne zakotwienie materaca w koronie skarpy
System
geokomórkowy
H
V
Materiał
wypełniaj cy
Kotwienie grzbietowe
Geowłóknina
Linka AR
Kotwa
Kotwa
Kotwa ziemna
(do specjalnych zastosowa )
Zakotwienie materaca w koronie skarpy z kotwami
4
System
geokomórkowy
H
V
Materiał
wypełniaj cy
Kotwienie w na ziomie
Blok
kotwi cy
Geowłóknina
lub geomembrana HDPE
Linka AR
Klips napinaj cy
Zakotwienie materaca z blokiem kotwi cym (bez szpilek)
W zastosowaniach na skarpowych, geokomórki musz posiada perforacje w cianach
bocznych umo liwiaj c w ten sposób przepływ wody wzdłu skarpy minimalizuj c ci nienie
spływowe.
Perforacje te spełniaj jeszcze jedn funkcj – pomagaj utrzyma wewn trz komórek
znajduj cy si grunt lub kruszywo.
W przypadku gdy skarpa lub zbocze zbudowane jest z gruntów pylastych ( pyły, iły )
podlegaj cych silnie erozji, pod materacami z geokomórek umieszcza si geowłókniny lub
biowłókniny.
W przypadku układania materacy na geomembranach, np. w zastosowaniach przy
formowaniu:
• skarp odwodnych wałów przeciwpowodziowych,
• skarp rekultywowanych składowisk,
• skarp nowo budowanych składowisk i wylewisk,
• zbiorników retencyjnych i rowów drogowych
nie stosuje si kotwienia szpilkami do powierzchni. W takich przypadkach stosuje si odci gi
linowe z klipsami i przetyczkami oporowymi lub opaski zaciskowe mocuj ce poszczególne
komórki materaca do szykan przyspawanych do powierzchni geomembrany co umo liwia
system GeoQiube.
Elementy pokrycia skarpy z blokiem kotwi cy
5
Elementy pokrycia skarpy z systemem GeoQiube.
Szykany to wst gi dospawane do powierzchni geomembrany, o wymiarach i w odst pach
dopasowanych do wielko ci komórek. Wst gi o długo ci 50 cm zaopatrzone s w otwory do
mocowania geokraty sze ciok tnej eliminuj c zjawisko punktowej koncentracji napr e w
komórkach. Dzi ki takiemu rozwi zaniu otrzymuje si konstrukcj , której obci enia s
policzalne i która równowa y siły utrzymuj ce i zsuwaj ce bez naruszania szczelno ci
powierzchni eliminuj c konieczno stosowania szpilek.
Stosuj c obsypki na skarpach wyło onych geomembran (bez systemów antyerozyjnych)
sprawdzeniu podlega powinien rodzaj materiału obsybki lub dodanie uszorstnienia na samej
geomembranie i w skrajnym przypadku zmiana pochylenia skarpy.
Przykład: Jaki rodzaj gruntu zastosowa (do pokrycia geomembrany HDPE) na skarpie o
pochyleniu 1 : 3 przy współczynniku bezpiecze stwa Fs = 1,3.
gdzie
– k t nachylenia skarpy
– k t tarcia pomi dzy geomembran a obsypk
St d wynika konieczno
tg = 1,3 · 0,32 = 0,416
= 22,5 o
zastosowania np. piasku o ostrokraw dzistych ziarnach.
Poprzez poł czenie geomembrany z szykanami oraz komórek materaca opaskami o
wytrzymało ciach porównywalnych do wytrzymało ci ta my komórki otrzymujemy
podwójny efekt:
6
• zostaje wyeliminowany efekt najsłabszego ogniwa i
• zahamowanie zsuwu całych sekcji po skarpie.
Dla osi gni cia optymalnej trwało ci i wytrzymało ci oraz efektu półsztywnej płyty, nale y
poszczególne komórki z s siaduj cych sekcji materacy ł czy ze sob opaskami o
wytrzymało ci 650 – 700 N.
W obliczeniach stateczno ci warstwy antyerozyjnej nale y uwzgl dni wytrzymało folii,
doskonał adhezj z podło em, wytrzymało poł cze materaca z szykanami we współpracy
z wypełnieniem zasypowym i sztywno komórek.
Obliczenie
minimalnej
siły
2
kotwi cej na 1 m materaca
geokomórkowego
przy
współczynniku bezpiecze stwa Fs =
1,5 mo na przeprowadzi według
wzoru:
fa = (H· ) (1,5 sin – cos · tgØ)
Ø – k t tarcia pomi dzy kruszywem
obsypki a geomembran (*)
Całkowita siła kotwi ca:
Fa = fa · L
L – długo
zabezpieczenia na skarpie
Po wykonaniu oblicze wytrzymało poszczególnych szykan nale y dobiera zgodnie z
wytrzymało ciami gwarantowanymi przez producenta.
Fenomen systemów geokomórkowych opiera si na podniesieniu parametrów fizykomechanicznych materiałów sypkich zamkni tych w poszczególnych komórkach poprzez
zjawisko „pozornej kohezji”.
W przypadku gdy wywierane s obci enia, trójwymiarowa struktura systemu przyczynia si
do korzystnego rozkładu napr e cinaj cych oraz zapobiega bocznym przesuni ciom w
wypełnieniu. Wynika to z wytrzymało ci obwodowej komórek, biernej odporno ci s siednich
komórek oraz wytworzonego tarcia mi dzy ciankami i materiałem wypełniaj cym.
Wa n zalet tego typu systemów w ochronie przeciwerozyjnej zbiorników i cieków
wodnych, rowów drogowych, bystrotoków i wałów przeciwpowodziowych jest
zabezpieczenie skarp i dna przed wpływem falowania lustra wody i zabezpieczenie przed
wymywaniem ziaren i cz stek.
7
Zale no
k ta nachylenia skarpy a wielko ci komórki Qiube i rodzaju obsypki
Nowoczesne systemy geokomórkowe dobrze utrzymuj gleb na skarpach i zboczach o
nachyleniu do 45o , jednak e wykonane w tym systemie zabezpieczenia powierzchniowe o
perforowanych komórkach prawidłowo poł czone opaskami z szykanami na geomembranach
mog utrzyma warstw humusu i ro linno na pochyleniach do 70o.
Na wysoko komórki, w trakcie projektowania, maj wpływ dwa czynniki:
• maksymalna rednica kamieni nie powinna przekracza 1/3 wysoko ci komórki,
• warstwa kamieni musi wypełnia co najmniej połow komórki w pionie.
Ten drugi warunek mo na wyrazi nast puj cym wzorem:
tg (β − φ ) =
gdzie:
H
2D
- k t nachylenia skarpy,
Ø - k t tarcia wewn trznego gruntu obsypki,
H - wysoko komórki,
D - szeroko efektywna komórki.
8
Zatem w przypadku komórki o D = 21,3 cm umieszczonej na skarpie nachylonej pod k tem
H = 2Dtg ( –Ø) =
2 · 21,3 · tg (120) =
9,1 cm
tj. 10 cm
Maksymalna wielko
ziaren wypełniaj cych takie komórki powinna wynosi
10 cm / 3 = 3,3 cm. Je eli potrzebne jest grubsze kruszywo, z uwagi na du y przepływ lub
falowanie wody, nale y zastosowa wtedy odpowiednio wi ksze geokomórki.
Dla zapewnienia stateczno ci całego systemu przeciwerozyjnego na skarpie, konieczne jest
okre lenie długo ci odcinka geomembrany (LR) stanowi cego zakotwienie w naziomie skarpy
jak równie wytrzymało ci geomembrany na zerwanie według poni szego schematu:
g
N t
tg
!
"# $
() $
%
*
&'
+
&'
Mo liwo ci zastosowania systemów geokomórkowych
geomembran poprzez szykany:
•
rowy drogowe,
•
rzeki, cieki wodne, bystrotoki
mocowanych do powierzchni
9
•
poldery,
•
wały przeciwpowodziowe
•
skarpy składowisk
•
rekultywacja składowisk
Zalety systemu antyerozyjnego na geomembranach typu GeoQiube:
• trwałe i bezpieczne poł czenie geokraty z geomembran ,
• mo liwo instalacji na skarpie bez rowy kotwi cego,
• mo liwo bezpiecznego monta u pod wod ,
• wzmocnienie i izolacja podło a,
• nieszkodliwo dla rodowiska naturalnego,
• skuteczna stabilizacja warstw biologicznych na geomembranie nawet przy znacznym
pochyleniu skarp,
• zwi kszona pojemno obiektu poprzez mo liwo zwi kszenia pochylenia skarp,
• mo liwo ci poprawy wegetacji ro lin poprzez dodatkowe zastosowanie hydroboxów.
10