Wykład 6 - Wały przeciwpowodziowe Ochrona przed powodzią

Wykład 6 - Wały przeciwpowodziowe Ochrona przed powodzią

Ochrona przed powodzią
Wykład 6 - Wały przeciwpowodziowe
Najstarszy i podstawowy środek ochrony przed powodzią
dolin na obszarach nizinnych
Zalety:
• prosta konstrukcja
• stosunkowo niskie koszty wykonania
• bezpośrednia skuteczność (ograniczona wysokością
wału i jego szczelnością)
• łatwość włączenia do kompleksu urządzeń
wodno – gospodarczych
Wały przeciwpowodziowe
Wady:
• utrudniona regulacja stosunków wodnych na obszarze
doliny odciętym wałami;
• zwężenie koryta WW, podniesienie poziomu wody, wzrost
prędkości, możliwość erozja koryta głównego;
• akumulacja rumowiska unoszonego w międzywalu –
tym intensywniejsza im międzywale jest bardziej zarośnięte
roślinnością wysoką (drzewami i krzewami);
• odcięta retencja dolinowa, wzrost prędkości przemieszczania
się fali wezbraniowej, wzrost zagrożenia dla niżej leżących
terenów;
• odcięcie siedlisk dolinowych od rzeki, zanikanie mokradeł,
zarastanie starorzeczy i oczek wodnych (zubażanie
środowiska przyrodniczego);
Wały przeciwpowodziowe
Wady:
• zmiana użytkowania gospodarczego doliny (bardziej
intensywne wykorzystanie rolnicze, obiekty infrastruktury,
zabudowa, co powoduje wzrost strat powodziowych w
przypadku przerwania wału);
• fałszywe przekonanie mieszkańców o całkowitym
bezpieczeństwie.
Prawdopodobieństwo pojawiania się przepływów miarodajnych
i kontrolnych dla stałych budowli hydrotechnicznych p [%]
Rozp. Min. Ochrony Środ., Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z 20 XII 1996 r.
W sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać
budowle gospodarki wodnej i ich usytuowanie
Klasy wałów
Funkcja budowli
Budowle
przeznaczone do
ochrony przeciwpowodziowej
*
Wskaźnik
Obszar
chroniony
F [km2] *
Klasa
I
Klasa
II
Klasa
III
Klasa
IV
F>
300
150 < F
≤ 300
10 < F
≤ 150
F ≤ 10
Obszar, którym przed obwałowaniem ulegał zatopieniu wodami
o prawdopodobieństwie p = 1 %.
Prawdopodobieństwo pojawiania się przepływów miarodajnych
i kontrolnych dla stałych budowli hydrotechnicznych p [%]
Rozp. Min. Ochrony Środ., Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z 20 XII 1996 r.
W sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać
budowle gospodarki wodnej i ich usytuowanie
Rodzaj
budowli
Przepływ
Klasa
I
Klasa
II
Klasa III
Klasa
IV
Budowle ulegające
zniszczeniu przy
przelaniu się przez
nie wody*
miarodajny Qm
0,1
0,3
0,5
1,0
kontrolny Qk
0,02
0,05
0,2
0,5
Budowle nie
ulegające
zniszczeniu przy
przelaniu się przez
nie wody **
miarodajny Qm
0,5
1,0
2,0
3,0
kontrolny Qk
0,1
0,3
0,5
1,0
* Budowle hydrotechniczne ziemne na podłożu łatwo
** Budowle betonowe i wały przeciwpowodziowe
rozmywalnym
Konstrukcja wału i jego główne wymiary
Korona wału
Międzywale
WW
Zawale
δ
m
1:
Hw = H + δ
n
1:
Skarpa odwodna
H
bk
Skarpa
odpowietrzna
bp
Klasa wału
Bezpieczne wzniesienie korony δ [m]
I
II
III
IV
1,3
1,0
0,7
0,5
Konstrukcja wału i jego główne wymiary
Korona wału
Międzywale
WW
bk
δ
Hw = H + δ
m
1:
n
1:
Skarpa odwodna
H
Zawale
Skarpa
odpowietrzna
bp
Minimalne wymiary wałów
Wysokość wału Hw [m]
1,0
2,0
3,0
> 4,0
Skarpa odwodna- nachylenie 1:m
1:2
1:2
1:2
1:2
1:1,5
1:1,5
1:2
1:2
Korona wału – szerokość bk [m]
1,0
1,5
2,0
3,0
Podstawa wału – szerokość bp [m]
4,5
8,5
14,0
19,0
Skarpa odpowietrzna – nachylenie 1:n
Wymiary wału mogą ulec zmianie na podstawie wyników
obliczeń:
• filtracji wody przez wał
• stateczności wału
Charakter przepływu filtracyjnego:
• filtracja ustalona
• filtracja nieustalona
Filtracja ustalona – występuje gdy czas trwania wezbrania Tw
jest:
● dłuższy od czasu przesiąkania Tp wody przez wał
● dłuższy od czasu ustalenia Tu krzywej filtracji
Tw > Tp i Tw > Tu
Filtracja nieustalona – występuje gdy czas trwania wezbrania
Tw jest:
• krótszy od czasu przesiąkania Tp i krótszy od czasu
ustalenia Tu krzywej filtracji:
Tw < Tp i Tw < Tu
oraz
• dłuższy od czasu przesiąkania Tp , ale jednocześnie
krótszy od czasu ustalenia Tu krzywej filtracji
Tw > Tp i Tw < Tu
Obliczenia wykonuje się przy założeniu nagłego wzrostu
stanów wody od poziomu podstawy wału do poziomu
WW - wody miarodajnej
Obliczanie czasu przesiąkania Tp według wzoru Thiema
Założenie:
• wał posadowiony na podłożu słaboprzepuszczalnym
T
p
n p L 12
=
3 kH 1
np = n −
ρd
W
ρw
np – objętość porów wypełnionych powietrzem, (-)
n – porowatość gruntu w korpusie wału, (-)
ρd, ρw – gęstość szkieletu gruntowego i wody, (kg/m3)
W – wilgotność gruntu, (-)
L1 – zastępcza długość podstawy wału, (m)
k – współczynnik filtracji, (m/s)
H1 – maksymalna głębokość wody przy wale, (m)
Wał posadowiony na podłożu słaboprzepuszczalnym –
schemat obliczeniowy
Obliczanie czasu Tu według wzoru Erba
Tp =
np L2
kH
H2
ho =
2 L0
L – długość obliczeniowa równa:
L = Lo - mho
Wał posadowiony na podłożu słaboprzepuszczalnym
Obliczenie jednostkowego przepływu filtracyjnego [m3/s*m]
przez wał posadowiony na podłożu słaboprzepuszczalnym
q=
kH 2
Ln − L2n − (m1H )
Ln = m2 Hw + bk + (Hw − H )m1 + ∆Ln
2
∆Ln = βH
β=
1
2+
1
m2
Obliczenie rzędnych krzywej filtracji w korpusie wału
2q
(x − m2 ho ) + ho2
y=
k
q (4m2 + 2 )
ho =
2k
(x, y) - współrzędne
krzywej filtracji
ho – wysokość przecięcia
się krzywej filtracji ze
skarpą odpowietrzną
Ochrona korpusu wału przed skutkami filtracji w przypadku
wypływu wody na skarpę odpowietrzną
Drenaż rurowy w
obsypce żwirowej
z odprowadzeniem
wody do rowu
przywałowego
Drenaż żwirowy
płaski na skarpie
połączony z rowem
przywałowym
Minimalna odległość krzywej filtracji od skarpy wału
Zmiana wymiarów przekroju wału
Zmiana wymiarów przekroju wału
Zwiększenie wymiarów przekroju poprzecznego wału
powoduje wzrost kosztów budowy i wymaga większej
powierzchni terenu.
Tym niemniej koszt wykonania drenażu lub
uszczelnienia wału może być znacznie większy.
Uszczelnienie wału – zmniejszenie nadmiernej filtracji przez
korpus wału posadowionego na gruncie słaboprzepuszczalnym
Ekran uszczelniający – obecnie
wykonywany z geomembrany
lub maty bentonitowej (rodzaj iłu)
Rdzeń uszczelniający – obecnie
wykonywany z geomembrany
bentonitu lub mieszanki bentonitu
z cementem
Uszczelnienie wału – posadowionego na gruncie
przepuszczalnym
Ekran połączony z tzw. fartuchem uszczelniającym podłoże –
wydłużającym drogę filtracji pod wałem.
Fartuch obecnie najczęściej wykonywany jest
z maty bentonitowej.
Urządzenia wbudowane lub połączone z wałem
Obwałowania powodują utrudnienia w komunikacji oraz
regulacji stosunków wodnych na zawalu.
W celu złagodzenia tych niedogodności wały muszą być
wyposażone w:
• przepusty wałowe
• pompownie
• przelewy (na obszarach polderów)
• przejazdy, schody
Przepusty wałowe – służą do grawitacyjnego odprowadzania
wody z rowów odwadniających dolinę oraz z mniejszych rzek dopływów rzeki głównej.
Pompownie wałowe – w okresie przepływu wód wielkich
służą do przerzutu wód z zawala (z sieci rowów
odwadniających dolinę oraz z rzek - dopływów rzeki głównej).
Przy niskich stanach woda odprowadzana jest rurociągiem
grawitacyjnym.
Śluzy wałowe – służą do wprowadzania i odprowadzania wód
wielkich na teren polderów. Mogą być również stosowane na
ciągach komunikacyjnych do zamykania przejazdu przez wał.
Przejazd przez koronę wału – utwardzony odcinek drogi,
zjazd na międzywale w kierunku zgodnym z kierunkiem
przepływu w rzece.
Przyczyny uszkodzenia wałów:
• Przelanie się wody przez koronę – 34 % przypadków
(zbyt mała wysokość wału lub miejscowe osiadanie
gruntu podłoża).
Pozostałe 66 % przypadków:
• Sufozja gruntu i przecieki w podłożu,
• Przecieki przy budowlach wałowych,
• Upłynnienie gruntu w korpusie wału,
• Uszkodzenia wału w wyniku zatorów lodowych,
zwalonych drzew, itp.
Uszczelnienie korpusu starych wałów – za pomocą
przesłon pionowych (rdzeni) wykonywanych z korony wału na
głębokość do 10-15 m, często do warstwy nieprzepuszczalnej.
Zabezpieczenie korpusu wału przed zwierzętami
ryjącymi - przykrycie skarpy odwodnej siatką stalową.
Doraźne zabezpieczanie wyrw w wałach:
• Zastosowanie koszy gabionowych i elementów typu „big bag”
wypełnione piaskiem lub innym gruntem sypkim.
Kosze gabionowe są zabezpieczone geowłókniną i nie są
wypełniane kamieniem jak w umocnieniach brzegowych
i innych konstrukcjach hydrotechnicznych.
• Stosowanie ścianki szczelnej i zagęszczanie podłoża metodą
wibroflotacji.
Doraźne podwyższanie wałów i wykonywanie
tymczasowych przegród
Stosowane są:
• Elementy „big bag” wypełnione piaskiem;
• Worki z piaskiem (metoda bardzo pracochłonna, przegrody są
mniej wytrzymałe, wymaga dużej ilości ludzi do napełniania,
przenoszenia i układania worków z piaskiem);
• prefabrykowane, przenośne systemy grodzy (z elementów
stalowych, aluminiowych, z tworzyw sztucznych);
• przegrody z tworzyw sztucznych napełnianych wodą.