Sztuczne zasilanie brzegu

Jastarnia 28.06.2010 r.
Stosowane metody stabilizacji brzegu morskiego
w aspekcie zachowania i odtwarzania plaż
oraz trwałość stosowanych rozwiązań
Marek Szmytkiewicz
Instytut Budownictwa Wodnego PAN w Gdańsku
Wstęp
• Brzeg morski – wspaniały krajobrazowo dar przyrody, tworzony przez
morze w sposób naturalny.
• Pojawienie się ludzi na Ziemi - budowa miast nadmorskich, portów,
sztuczne utrwalanie brzegów → rozregulowanie naturalnych procesów
brzegowych.
• XX wiek - masowa turystyka → budowa ośrodków wczasowych w
bezpośrednim sąsiedztwie brzegu,
→ utrzymanie/odtworzenie szerokich
„naturalnych” plaż.
Nieunikniony konflikt między cywilizacja i naturą.
• Nie można ograniczać człowiekowi swobodnego dostępu do morza.
• Dążenie do zachowanie „naturalnego” brzegu morskiego.
Bezpieczny profil brzegu
Najlepszym naturalnym zabezpieczeniem brzegu przed erozją jest odpowiednio szeroka plaża
z rozbudowanym systemem rew.
Orientacyjne wymiary:
rzędna korony wydmy: +4.0 m,
minimalna szerokość korony wydmy: 10 m,
rzędna podstawy wydmy: +2.0 m,
szerokość plaży: 30÷40 m
nachylenie plaży 1:20
I rewa: odległość 150÷250 m od brzegu, rzędna korony: od –1.8 do –2.0 m
II rewa: odległość 350÷500 m od brzegu, rzędna korony: od –3.5 do –4.5 m
Średnie nachylenie dna minimum: 1:100
Stopień odporności brzegu na procesy erozyjne
• Strategia Ochrony Brzegów Morskich 2003 r. → monitoring → pomiary batymetryczne i
tachimetryczne strefy brzegowej → ocena aktualnego stanu brzegu, wskazania działań
zmierzających do ich ochrony.
• Instytut Morski → całka „Cieślaka” → ujednolicenie analizy danych pomiarowych
(adaptacja holenderskiej metodologii) → wyznaczenie parametrów charakteryzujących
strefę brzegową.
4
z [m]
2
z1
X0
0
-2
±0.00
X
x [m]
z = z1 -z2
A0
z(x)
-4
z2
-6
X=X1
A
w - umowna szerokość zmian brzegowych
X=X2
x2 - szerokość dynamicznej części profilu brzegowego
1. przyjmuje się najwyższą rzędną profilu z1 = 2 m - średnia wysokość podstawy wydmy,
2. przyjmuje się najniższą rzędną profilu z2 = - 6 m - tzw. głębokość zamknięcia, czyli
głębokość poniżej której nie występuje transport osadów,
3. oblicza się powierzchnię aktywną przekroju A zawartą pomiędzy tymi profilami.
Instytut Morski – ocenił odporność wszystkich pomierzonych profili batymetrycznych na erozję
Dla otwartego morza (km 124.5÷428.0)
• powierzchnia aktywna przekroju większa od 1494.8 m2 → akumulacja,
• powierzchnia aktywna przekroju mniejsza od 1494.8 m2 → erozja.
a k u m u la c ja
1800
A œr = 1 4 9 4 . 8 m 2
d la o tw a r te g o m o r z a
e r o z ja
p o w ie r z c h n ia [ m 2 ]
1600
1400
1200
p o w i e r z c h n i a p o d p r z e k r o je m
o d rz ê d n e j + 2 m d o -6 m
2 0 0 4 { P œr = 1 4 6 8 m 2 }
1000
2 0 0 5 { P œr = 1 4 8 1 m
2
}
2 0 0 6 { P œr = 1 4 4 6 m
2
}
2 0 0 7 { P œr = 1 4 4 8 m
2
}
2 0 0 8 { P œr = 1 4 0 2 m
2
}
800
380
379 378
377 376
375 374 373
372 371 370
369
368
367
366
365
364
363
362
k il o m e t r b r z e g u [ k m ]
Przykład układu erozyjno-akumulacyjnego w strefie brzegowej
Projektowanie
• Skuteczne projektowanie ochrony brzegu musi być poprzedzone rozpoznaniem
naturalnych procesów fizycznych występujących w strefie brzegowej morza.
• Współczesne metody ochrony brzegów muszą spełniać dwa warunki:
– jak najmniej ingerować w środowisko,
– być niewidoczne, głównie dla oczu
turystów spędzających wakacje nad
morzem.
W IA T R
F A L O W A N IE
P R Ą D Y M O R S K IE
RUCH O SADÓ W
Z M IA N Y D N A M O R S K IE G O
Z M IA N Y P O Ł O Ż E N IA
BRZEG U
Kolejność obliczeń
Techniczna ochrona brzegu
Umocnienia wspomagające utrzymanie plaży
1.
Sztuczne zasilanie
2.
Ostrogi brzegowe
3.
Falochrony brzegowe
4.
Progi podwodne
Sztuczne zasilanie brzegu – pobór piasku z pewnego obszaru lądowego lub morskiego,
transport do zasilanego odcinka brzegu i złożenie na tym
odcinku w celu poszerzenia plaży, spłycenia podbrzeża, lub
budowy wydmy
Metoda powszechnie stosowane w świecie – w Polsce metoda wiodąca (Strategia ...)
Zalety:
- metoda najbliższa naturalnej metodzie ochrony
brzegu,
- nie wznosi się żadnej konstrukcji
hydrotechnicznej,
- wprowadza stosunkowo niewielkie zaburzenia
w naturalnych procesach zachodzących na
brzegu,
- szybkość realizacji.
Wady:
- metoda wymagająca cyklicznych powtórzeń,
- konieczność posiadania odpowiednio zasobnych
źródeł poboru materiału zasilającego w
niedużych odległościach,
- problemy związane z ochroną środowiska w
miejscach poboru materiału (niszczenie
siedlisk),
- niemożliwość dofinansowania inwestycji z
funduszy europejskich
Efektywność:
odkład z szalandy w strefie brzegowej: ~ 20 %,
system „rainbown”: ~ 17 %,
odkład bezpośrednio na plażę: ~ 43-46 %.
Ostrogi brzegowe – budowle aktywne (przechwytują piasek transportowany przez fale i prądy),
usytuowane prostopadle do linii brzegowej, z reguły budowane w postaci rzędów drewnianych
pali.
W czasie przeciętnego
falowania podchodzącego
ukośnie do brzegu piasek
gromadzi się w polach
między ostrogami.
W czasie falowania
sztormowego, kiedy kierunek
fal jest prawie prostopadły do
brzegu następuje wynoszenie
osadów.
Zalety;
- pozwalają zachować walory rekreacyjne plaż,
- ostrogi, głównie w początkowym okresie, przyczyniają się do odbudowy i poszerzania plaż,
- wspomagają utrzymanie odłożonego na brzegu refulatu.
Wady:
- przegłębianie dna w sąsiedztwie budowli, głównie w rejonie głowic,
- rozwój zatok erozyjnych na zakończeniu grupy ostróg,
- ograniczona w czasie skuteczność działania,
- duża podatność na zniszczenie konstrukcji.
Warunkiem dobrego oddziaływania ostróg jest stała podaż piasku i zrównoważony
transport osadów w ciągu roku (wypadkowy transport bliski zero).
800
700
T r a n s p o r t o b lic z a n y z m o d e lu B ijk e r a
t r a n s p o r t w y p a d k o w y , ³¹ c z n y d l a w s z y s t k i c h k i e r u n k ó w f a l o w a n i a
r o c z n y tr a n s p o r t d la fa lo w a n ia z k ie r u n k u W N W
r o c z n y tr a n s p o r t d la fa lo w a n ia z k ie r u n k u N W
r o c z n y tr a n s p o r t d la fa lo w a n ia z k ie r u n k u N
r o c z n y tr a n s p o r t d la fa lo w a n ia z k ie r u n k u N N E
r o c z n y tr a n s p o r t d la fa lo w a n ia z k ie r u n k u N E
600
ro c z n y tra n s p o rt o s a d ó w Q [m 3/ro k /m ]
500
400
300
200
100
0
-1 0 0
-2 0 0
-3 0 0
1000
-4 0 0
750
-5 0 0
500
-6 0 0
250
-8 0 0
0
100
200
300
400
500
600
o d l e g ³o œæ o d b r z e g u [ m ]
700
800
900
Przykład zrównoważonego wypadkowego rocznego
transportu osadów
1000
ro c z n y tr a n s p o rt o s a d ó w Q [m 3/ro k /m ]
-7 0 0
0
-2 5 0
-5 0 0
-7 5 0
-1 0 0 0
T r a n s p o r t o b lic z a n y z m o d e lu v a n
r o c z n y tr a n s p o r t d la f a lo w a n ia
r o c z n y tr a n s p o r t d la f a lo w a n ia
r o c z n y tr a n s p o r t d la f a lo w a n ia
r o c z n y tr a n s p o r t d la f a lo w a n ia
r o c z n y tr a n s p o r t d la f a lo w a n ia
r o c z n y tr a n s p o r t d la f a lo w a n ia
tr a n s p o r t w y p a d k o w y
-1 2 5 0
-1 5 0 0
-1 7 5 0
-2 0 0 0
-2 2 5 0
-2 5 0 0
z
z
z
z
z
z
R ijn a
k ie r u
k ie r u
k ie r u
k ie r u
k ie r u
k ie r u
n
n
n
n
n
n
ku
ku
ku
ku
ku
ku
W
W
W
N
N
N
SW
N W
W
N W
-2 7 5 0
-3 0 0 0
0
100
200
300
400
500
600
o d l e g ³o œæ o d b r z e g u [ m ]
700
800
900
Przykład niezrównoważonego wypadkowego
rocznego transportu osadów
1000
Falochrony brzegowe – aktywne działanie na brzeg, usytuowane równolegle do
brzegu w strefie brzegowej, budowane jako wynurzone lub zanurzone.
Zalety:
- trwały przyrost brzegu w
chronionym obszarze,
- redukcja fal działających na brzeg
morski,
- pozwala zachować walory
rekreacyjne plaż (konstrukcja
zanurzona).
Redukcja oddziaływania falowania na
plażę, tworzenie korzystnych warunków
do odkładania się osadów w cieniu
falochronów. Skuteczność działania
zależy od długości odcinków, odległości
między nimi, odległości od brzegu.
Wady:
- wysoki koszt,
- erozja plaż na odcinkach
przyległych,
- intensyfikacja prądów w sąsiedztwie
budowli,
- pogorszenie walorów
krajobrazowych dla konstrukcji
wynurzonych.
Przykłady
Progi podwodne – aktywnie oddziałują na brzegi, zatrzymują rumowisko
wynoszone z brzegu w kierunku morza, spłycają podbrzeże, z reguły stosowane
łącznie ze sztucznym zasilaniem brzegu.
Zalety:
- minimalny wpływ na erozję sąsiednich odcinków brzegów,
- pozwala zachować rekreacyjne walory plaż, progi są niewidoczne dla
przebywających na plażach turystów,
- istotne wspomaganie sztucznego zasilania plaż,
- zmniejszenie fal działających na brzeg morski.
Wady:
- wysoki koszt,
- wymaga szczególnie starannego zaprojektowania,
- wymaga systematycznego monitoringu i konserwacji.
Progi w Orłowie
Odległość od brzegu 130÷170 m, długość segmentu 330 m, zbudowane z kamiennych
bloków o średnicy 0.7÷1.5 m. Budowa zakończono w czerwcu 2006.
Symulacje numeryczne
• W warunkach silnych sztormów z NE i E - wzdłuż brzegu pojawia się szeroki pas
spłyceń, który co najmniej stabilizuje dotychczasowe położenie linii brzegowej.
• Po odlądowych stronach progów tworzą się obszary akumulacji osadów, co
przyczynia się do zwiększenia dyssypacji energii fal w tym rejonie.
• Przy słabszych oddziaływaniach brak jest widocznych zmian głębokości.
Współczesne tendencje w budowie falochronów brzegowych i progów
podwodnych
1) Wykorzystanie geosyntetyków
2) Budowa sztucznych raf
Zalety:
• utrzymanie wszystkich zalet tradycyjnych progów przy jednoczesnym
zmniejszeniu kosztów realizacji przedsięwzięcia,
• zmniejszenie zapotrzebowania na kruszywo,
• znaczna kubatura tak budowanych progów podwodnych i ich duża elastyczność
zmniejsza problemy związane z nierównomiernym osiadaniem,
• ograniczenie kosztów budowy i konserwacji.
Główna trudność:
• opanowanie technologii napełniania geotekstylnych prefabrykatów metodami
hydraulicznymi,
• precyzyjne układanie w żądanych miejscach strefy brzegowej morza,
• produkcja/kupno odpowiednio wytrzymałych materiałów geotekstylnych.
Geotuby
Instalacja
Obkładanie narzutem
Przekrój poprzeczny
Geokontenery
Napełnianie
Zszywanie
Zatapianie
Sztuczne rafy
Bloki Aquareef - opracowane w Japonii w latach 90-tych – do budowy progów
podwodnych działających jak rafy koralowe
Zastosowane co najmniej 4-krotnie u wybrzeży Japonii
Wygląd bloków Aquareef
Szerokość korony: 40÷60 m,
Rzedne korony: ~ 2 m,
Głebokości w miejscu posadowienia: ~ 10 m
Ciężar pojedynczego bloku: 6÷10 ton
Układane na podsypce kamiennej.
Schemat układania
Podsumowanie
•
Spośród istniejących metod ochrony brzegów metodami wspomagającymi utrzymanie plaż są:
- sztuczne zasilanie brzegów – w Polsce przyjęta jako metoda wiodąca,
- budowa ostróg brzegowych,
- budowa progów podwodnych, bądź falochronów brzegowych o zatopionej koronie
•
Przy zrównoważonym w kierunku wschodnim i zachodnim transporcie osadów można
rozważać budowę ostróg brzegowych jako:
- budowli samodzielnych,
- łącznie ze sztucznym zasilaniem – dłuższy okres utrzymania refulatu na brzegu.
•
Transport niezrównoważony z przewagą falowania podchodzącego w miarę prostopadle do
brzegu — budowa progów podwodnych jako:
- budowli samodzielnych,
- łącznie ze sztucznym zasilaniem.
•
Niewielka podaż rumowiska, miąższość warstwy piaszczystej na dnie niewielka — sztuczne
zasilanie brzegu, budowa progów i ostróg brzegowych.
•
Ostatnia dekada to:
- wykorzystanie prefabrykatów geotekstylnych stosowanych jako rdzenie falochronów i
progów podwodnych, bądź jako samodzielne budowle ochronne (opaski brzegowe i ostrogi)
- budowa sztucznych raf pełniących zadania progów podwodnych,
- moduły siedliskowe.