Budownictwo hydrotechniczne to między innymi zabudowa rzek z ich ujściowymi odcinkami, falochronów, zabezpieczanie klifów morskich, ochrona przed powodzią dużych miast położonych nad głównymi ciekami, ich bezpieczeństwo, ochrona ekologicznych walorów rzeki i jej zlewni, a także planowa dbałość o ich stan jako dróg transportowych z infrastrukturą portową włącznie.
Konsekwentna odbudowa i modernizacja systemu obwałowań oraz systemu urządzeń hydrotechnicznych, budowa zbiorników retencyjnych, zagospodarowanie i wydzielenie polderów oraz modernizacja rzecznej drogi transportowej z budową stopni wodnych i ochrona brzegów morskich to obecnie jeden z głównych priorytetów większości programów i prognoz ich przebudowy na najbliższe lata.
Wydatki na realizację tych programów będą ogromne jak również ogromne będzie zaangażowanie sił i środków technicznych poczynając od fazy studialnej, projektowej a na końcowym wykonawstwie kończąc. 
Trafność podejmowanych decyzji w całym cyklu realizacyjnym będzie decydującym czynnikiem o powodzeniu przedsięwzięcia.
Przedstawiając nowoczesne materiały i technologie stosowane w budownictwie hydrotechnicznym pragniemy zainteresować nimi inżynierów, projektantów, inwestorów i jednostki nadzoru w gestii których leży wybór technologii ekonomicznie opłacalnych z gwarancją długotrwałej eksploatacji obiektów.

Od ponad 40 lat z powodzeniem stosuje się geosyntetyki w budownictwie hydrotechnicznym. Do tej pory opisanych zostało ponad 100 rodzajów różnych zastosowań.
Z uwagi na dużą różnorodność geosyntetyków opracowano dla celów projektowych kryteria doboru pod względem hydraulicznym i mechanicznym, a także programy komputerowe jako podstawowe narzędzia przy optymalizacji doboru i obliczeniach konstrukcyjnych. Szczególną uwagę należy zwrócić przy obliczaniu stateczności budowli z uwzględnieniem I i II stanu granicznego. Posiadane przez nas programy komputerowe umożliwiają rozpatrywanie nawet najbardziej złożonych konstrukcji wraz z określaniem krzywych filtracji w korpusie wału, nasypu lub klifu.

Rys. 1. Obliczenia stateczności skarpy zbrojonej geotkaniną – met. Bishopa

 

Rys. 2. Obliczenia stateczności skarpy odwodnej – met. Bishopa

 

Rys.3. Tabelaryczne zestawienie wyników obliczeń stateczności

 

Geosyntetyki

Geosyntetyki stosowane w konstrukcjach hydrotechnicznych można podzielić na :

  • przepuszczalne:

geotkaniny, geowłókniny, geosiatki, geokomórki, geokompozyty,

  • nieprzepuszczalne:

geomembrany, bentomaty i geomembrany bentonitowe.

W większości przypadków spełniają one cztery podstawowe funkcje:

  • separacyjną,
  • wzmacniającą,
  • filtracyjną,
  • drenującą.

Rys. 4. Funkcje geosyntetyków

W trakcie projektowania obiektów hydrotechnicznych najistotniejsze są następujące parametry geosyntetyków:

  • wytrzymałość na rozciąganie,
  • wydłużalność,
  • wodoprzepuszczalność,
  • otwartość porów.

Podstawowym czynnikiem decydującym o wyborze geosyntetyków jest możliwość potanienia konstrukcji, jej wzmocnienia i zapewnienia długotrwałej stateczności.
Połączenie wiedzy o właściwościach fizyko – mechanicznych geosyntetyków, kryteriach ich doboru do danych warunków gruntowo – wodnych jak i pełnionych funkcjach oraz umiejętność dokonywania obliczeń złożonych układów gruntowo – geosyntetycznych z doświadczeniem inżynierskim w tej dziedzinie daje dopiero pożądane efekty.

 

Geomembrany i bentomaty

Geomembrany HDPE ( gładkie lub szorstkie ) i bentomaty stosowane do uszczelnień wałów charakteryzują się łatwością i szybkością wykonywanych prac z gwarancją szczelności nieosiągalną przy metodach tradycyjnych np. uszczelnianiu gliną.

Fot. 1. Geomembrany

Dodatkową zaletą geomembran jest ochrona wałów przed gryzoniami ( nornice, piżmaki ). Ich gładka i bardzo mocna powierzchnia uniemożliwia wgryzanie się zwierząt do środka konstrukcji. Przeprowadzone obserwacje własne tak zabezpieczonych wałów na rzece Redze potwierdzają fakt, że gryzonie po nieudanej próbie przegryzienia materiału przechodziły na drugą stronę po jego koronie.

Mimo wielu zalet geomembran niejednokrotnie okazuje się, że w danych warunkach gruntowo – wodnych korzystniejsze jest zastosowanie bentomaty. Jest to uzasadnione szczególnie przy dużych prędkościach przepływu, silnych prądach dennych i przy konieczności zapewnienia lepszej wegetacji roślin.

Rys. 5, 6, 7, 8. Przykłady zastosowania geomembran w konstrukcjach wałów ppow.

 

Geotkaniny

Geotkaniny  ze względu na bardzo duży zakres wytrzymałości na rozciąganie ( 15 – 800 kN/m ) i przy bardzo małej wydłużalności rzędu 10 % nadają się do wszystkich zakresów zastosowań. 

Fot. 2. Geotkaniny

Przy izotropowej otwartości czyli wielkości porów oraz współczynniku filtracji 20 l/m2/s spełniają doskonale funkcję filtracyjną i drenującą wraz z zapewnieniem warunku niekolmatowania porów.

 

Fot. 3. Geotkanina w powiększeniu 30x

Zaprojektowane przez nas i wykonane obiekty hydrotechniczne m. in. w rejonie Wrocławia, Bielinka, Daleszewa i Gryfic z zastosowaniem tych materiałów potwierdziły ich doskonałość. Dotyczy to również wzmacniania dróg przywałowych posadawianych podobnie jak wały na gruntach organicznych o niskich parametrach wytrzymałościowych i dużej ściśliwości. 
Nasza specjalizacja w tym zakresie zaowocowała wieloma opracowaniami projektowymi jak również wykonawstwem tego typu obiektów z zastosowaniem drenaży pionowych i geotkanin. Bazując na dokładnym określeniu stref wyporu gruntu spod nasypu oraz nośności podłoża jesteśmy w stanie dobrać odpowiedni przekrój poprzeczny nasypu wraz z kontrbankietami i parametry geotkaniny wzmacniającej konstrukcję. 
Opierając się na dużym doświadczeniu naszej kadry inżynierów możemy rozwiązywać wszelkie problemy w zakresie posadawiania na gruntach słabonośnych. 

Rys. 9, 10, 11, 12, 13.  Schematy z zastosowań geotkanin w groblach i polderach

 

Geosyntetyki antyerozyjne

Geowykładzina antyerozyjna jest materiałem tkanym wykonanym na bazie syntetycznych geotkanin polipropylenowych, które charakteryzują się wysoką wytrzymałością przy niewielkiej wydłużalności. Dodatkowo zaopatrzona jest w pętle o stałej wysokości 20 mm wykonane z pojedynczych włókien polipropylenowych. 

Fot. 4. Geotkanina z pętlami

W celu optymalnego doboru produkowana jest w zróżnicowanym asortymencie pod względem wytrzymałości na zerwanie ( 40 - 200 kN/m ). Charakteryzuje się wysoką odpornością chemiczną, bakteriologiczną, na promieniowanie UV oraz procesy starzenia.

Geowykładziny zabezpieczające przed erozją powierzchniową w budownictwie hydrotechnicznym znalazły szerokie zastosowanie m. in. do:

  • zabezpieczania wszelkiego typu brzegów i wybrzeży oraz ochrony skarp i obwałowań przed erozją gruntów,
  • zapobiegania wymywania gruntu z wałów i skarp odwodnych,
  • zwiększenia przyczepności materiału nasypowego do podłoża,
  • zwiększenia wytrzymałości gruntu tworzącego korpus wału na siły ścinające,
  • wzmocnienia stabilności konstrukcji ziemnej poprzez umożliwienie swobodnej wegetacji roślinności,
  • zabezpieczania powierzchni uszczelnień syntetycznych przed uszkodzeniami mechanicznymi,
  • zwiększenia stabilności struktury rozbudowywanych skarp i nasypów.

Rys. 14. Schemat ułożenia maty na skarpie

W przypadku konieczności zastosowania w pracach budowlano – montażowych materiałów przyjaznych środowisku istnieje możliwość zastosowania geomaty wykonanej w 100 % z włókien sizalowych lub biowłókniny wykonanej z włókien bawełnopodobnych z wsianą mieszanką traw. Tego typu rozwiązania tymczasowo spełniają funkcję geowykładziny lub geowłókniny jednak po jakimś czasie ulegają one całkowitej biodegradacji a w przypadku biowłókniny pozwalają dodatkowo na szybki rozwój roślinności.

 

Wały przeciwpowodziowe

Po powodzi z 1997 roku wyciągnięto szereg wniosków m. in. dotyczących zastosowania nowych materiałów i technologii przy odbudowywaniu wałów przeciwpowodziowych. Skuteczność ochrony terenów z optymalizacją kosztów w stosunku do klasycznych rozwiązań to kierunek z którego nie ma praktycznie odwrotu. Świadomość odpowiedzialności za stan wałów oraz niedoskonałość „Przepisów technicznych ...” powoduje konieczność zrewidowania również „Wytycznych” ( WIP ).

Wybierając odpowiednie materiały i technologie w fazie projektowania wału przeciwpowodziowego należy obliczyć i zapewnić:

  • stateczność ogólną i lokalną korpusu wału,
  • stabilność niwelety ze względu na osiadanie,
  • bezpieczeństwo ze względu na przebicie hydrauliczne poprzez ustalenie krzywej filtracji dla warunków przepływu w czasie wezbrania ( filtrację odwrotną ),
  • separację podłoża od warstwy nasypowej,
  • minimalne dopuszczalne wymiary korpusu dla wody obliczeniowej ( miarodajnej i kontrolnej ),
  • przejazdy pojazdów i przejścia dla ludzi i zwierząt,
  • spełnienie wymagań ochrony środowiska i ekologów.

Typowe przekroje poprzeczne wałów uwzględniające wiele czynników destrukcyjnych pokazano na schematach poniżej:

Rys. 15. Typowe uszkodzenia wałów ppow.

Typowe zabezpieczenia wałów przeciwpowodziowych :

 

Geotuby

Fot. 5. Geotuba w linii brzegowej

Tradycyjne sposoby budowy wałów przeciwpowodziowych lub ich remontów polegają na przemieszczaniu dużych mas ziemnych - pozyskiwanych z reguły w miejscach oddalonych od placu budowy, w trudnych warunkach terenowych – jazda ciężkim sprzętem po rozmytej i niestabilnej koronie wału istniejącego lub po grząskich terenach polderów, ich wbudowywaniu w korpus wału, darniowaniu i obsiewaniu skarp roślinnością. Jest to proces wyjątkowo kosztowny, długotrwały oraz w znacznym stopniu ingerujący w środowisko naturalne. W przypadku przecieków wałów podczas podwyższonych stanów wód w celu ich „załatania” stosuje się okładanie tych miejsc workami z piaskiem. 
Zastosowanie hydraulicznie napełnianych refulatem pozyskiwanym z dna rzeki lub innego naturalnego zbiornika wodnego długich, elastycznych geotub z geotkaniny jako rdzenia przy budowie nowych i jako solidnego wzmocnienia przy remoncie istniejących wałów przeciwpowodziowych, grobli, zapór, tam oraz do ochrony brzegów morskich zmniejsza w znacznym stopniu koszty inwestycyjne, skraca czas realizacji inwestycji oraz minimalizuje skutki zniszczenia środowiska naturalnego.
Każda geotuba w przypadku konieczności może posiadać dodatkowe wstęgi ( wąsy ) z jednej lub obu stron, których zadaniem jest eliminowanie erozji powierzchniowej wywołanej dużym przepływem wody oraz falowaniem. 

Sposób budowy nowych wałów przeciwpowodziowych, progów podwodnych, zabezpieczania stromych skarp lub klifów morskich  przy wykorzystaniu elastycznych geotub z geotkaniny polega m. in. na tym, że są one układane obok siebie warstwami tak, aby kolejna napełniana refulatem geotuba układana była na wzdłużnej wstędze ( wąsie ) poprzedniej, natomiast każda następna warstwa zawierała co najmniej o jedną elastyczną geotubę mniej.
Natomiast usuwanie przecieków i naprawa wałów przeciwpowodziowych już istniejących polega na układaniu elastycznych geotub wzdłuż jednej i/lub drugiej stopy wału oraz w miejscach występowania przecieków. Dobrze jest układać geotuby jedną na drugą począwszy od stopy wału, przy czym geotuba wyżej usytuowana musi być ułożona na wzdłużnej wstędze ( wąsie ) niżej usytuowanej geotuby.

Geotuby posiadają szereg zalet:

  • przy wykorzystania urobku powstałego podczas bagrowania dna rzeki lub pogłębiania torów wodnych i nurtów rzek do wypełniania elastycznych geotub z geotkaniny zamiast odkładania go na polach refulacyjnych nie ma konieczności przeprowadzania badań oceny oddziaływania na środowisko i wielu innych czynności formalno – prawnych,
  • długość geotuby może być indywidualnie dobierana w zależności od potrzeb w zakresie 20 – 200 m przy średnicy 1 – 4 m,
  • geotuby mogą być układane zarówno na lądzie jak i pod wodą do głębokości 3 m,
  • wykonywane są z bardzo wytrzymałych geotkanin GEOLON ( 80 – 200 kN/m ) za pomocą specjalnie opracowanych technik szycia zapewniających wysoką wytrzymałość szwów,
  • geotuby są bardzo wytrzymałe, odporne na promieniowanie UV, nie ulegające biodegradacji, odporne na uszkodzenia mechaniczne, mają długi okres bezawaryjnej eksploatacji,
  • są elastyczne więc idealnie dopasowują się swoim kształtem do podłoża,
  • z uwagi na swój ciężar 130 – 5.200 kN tworzą masywną i trwałą konstrukcję nie ulegającą erozji.

Rys. 16, 17.  Geotuby w konstrukcji wału ppow.

 

Geokontener

Jest to system służący do umocnień dna akwenów wodnych przy nabrzeżach oraz ochrony i odbudowy skarp dna przybrzeżnego oparty na długich workach workach wykonanych z geotkaniny. 
Worki te, o dowolnej długości, wypełnione materiałem sypkim, mają doskonałe zdolności separacyjne, uniemożliwiają mieszanie lub wydostanie się na zewnątrz refulatu. Jednocześnie zachowana jest przepuszczalność wody, dzięki właściwościom  i strukturze geotkaniny (wytrzymałość na zerwanie do 800 kN/m). Wielkość worków uzależniona jest od  stosowanych barek z otwieranym dnem. W przypadku występowania znacznych sił rozciągających w geotkaninie, wynikających z głębokości układania oraz z rodzaju materiału wypełniającego worki, stosuje się specjalne zabezpieczenia w postaci dodatkowych zakładek.

Zalety stosowania systemu GEOKONTENER:

  • oszczędność czasu i materiału (można wykorzystywać refulat uzyskiwany z pogłębiania rzek, basenów portowych i zatok ),
  • możliwość dokładnego układania niezależna od warunków atmosferycznych, stanu wody, zmiennych prędkości prądów wodnych i głębokości,
  • brak strat materiałów wynikających z procesów erozji, podczas i po zainstalowaniu,
  • krótki czas montażu,
  • konkurencyjność w stosunku do metod tradycyjnych.

 

Materace betonowe

Elastyczne materace betonowe z prefabrykowanych bloczków na podkładzie z geowłókniny są optymalnym rozwiązaniem zabezpieczenia nabrzeży i skarp odwodnych przed erozją i rozmywaniem.
Materace te są tworzone z pojedynczych bloczków ze specjalnie utwardzonego i zagęszczonego betonu, powiązanych ze sobą linami stalowymi poprzez otwory znajdujące się w każdym elemencie. Utworzony w ten sposób materac układa się dźwigiem na pokrytą geowłókniną skarpę, dno akwenu portowego lub powierzchnię terenu. Powiązanie bloczków betonowych linami stalowymi stanowi gwarancję długotrwałej eksploatacji oraz wpływa na dużą zdolność wygaszania energii fal, zapobiega wypłukiwaniu gruntu spod materaca, zwiększa odporność gruntu na osiadanie oraz sprzyja szybkiemu rozwojowi flory brzegowej.
W okresach zlodzenia nie ma możliwości uszkodzenia takiego zabezpieczenia poprzez lokalne wynoszenia wywołane zmianami  poziomów wody.
Dodatkową zaletą tego systemu  jest możliwość formowania różnych kształtów zabezpieczenia oraz zmechanizowanie robót co pozwala na znaczne zwiększenie tempa robót. 
Skuteczność materacy betonowych  w ochronie nabrzeży poddawana była testom w specjalnych basenach ze sztucznym falowaniem i uzyskała pozytywne wyniki, co zadecydowało o zastosowaniu tego materiału do wykładania skarp np. przy kanale ulgi wzdłuż ul. Pasterskiej we Wrocławiu, stacji pomp w rejonie Kamienia Pomorskiego czy skarp strumienia wzdłuż ul. Europejskiej w Szczecinie. 

Fot. 6, 7. Układanie materacy betonowych przy wlocie do stacji pomp Rozworowo

Materace te mogą być wykorzystane również w sytuacjach awaryjnych do szybkiej budowy dróg tymczasowych na koronie wałów przeciwpowodziowych lub u ich podstawy.

 

Materace fasznowo-tkaninowe

Umacnianie koryt rzecznych i skarp budowli hydrotechnicznych dotychczas realizowane tradycyjną metodą z zastosowaniem typowych materacy faszynowych zostało z powodzeniem wzbogacone o geotkaniny. Obecnie taki materac jest prefabrykowany na miejscu wbudowania lub przywożony na barkach. Konstrukcja materaca jest tworzona na geotkaninie poprzez przymocowanie kiszek faszynowych do specjalnych pętli utworzonych na powierzchni geotkaniny w siatce kwadratów o rozstawie 0,50 x 0,50 m.

Fot. 8. Prefabrykacja materaca na brzegu rzeki

 

Fot. 9. Wiązanie kiszek faszynowych do pętli montażowych

Taki materac może swobodnie pływać po powierzchni wody a zatapia się go w miejscu wbudowania poprzez równomierne obciążenie narzutem kamiennym. 
Zaletą tego systemu jest trwałość, odporność na erozję i łatwość wbudowania.

 

Zakończenie

Przedstawione materiały i technologie pokazują szerokie możliwości zastosowania geosyntetyków w budownictwie hydrotechnicznym m. in. przy budowie i zabezpieczaniu wałów przeciwpowodziowych, grobli, zapór, tam, nabrzeży, brzegów rzek, wybrzeży morskich, klifów, wysokich skarp, nasypów, przy umacnianiu koryt rzecznych i skarp budowli hydrotechnicznych, przy budowie dróg dojazdowych i tymczasowych biegnących po koronie wału lub posadawianych na gruntach organicznych. Pomimo swojej różnorodności materiały te oraz opisane technologie charakteryzują się kilkoma wspólnymi cechami do których zaliczyć można: 

  • łatwość i szybkość wykonania,
  • trwałość i bezawaryjność eksploatacji konstrukcji hydrotechnicznych,
  • brak konieczności tworzenia wielkich placów budów.

Należałoby sobie tylko życzyć, aby znalazły one szersze zastosowanie w pracach hydrotechnicznych i zyskały większą przychylność inwestorów, a problemy związane z budową i ochroną wałów przeciwpowodziowych, tam , zapór i brzegów morskich były rozwiązywane systematycznie bez oczekiwania na akcje związane z wysokim stanem wody.