Remonty budowli wodnych i melioracyjnych - zastosowanie geosiatek i mat bentonitowych

Typowe i powtarzalne stopnie, powszechnie budowane na małych ciekach w początkach drugiej połowy ubiegłego wieku jako element regulacji rzek dla celów poprawy stosunków wodnych na obszarach rolniczych, nie wykazały się niestety oczekiwaną długotrwałością. Liczne uszkodzenia stopni, najczęściej związane są ze zbyt krótkimi umocnieniami w strefie poszuru, z brakiem dodatkowej strefy umocnień elastycznych poniżej betonowych umocnień sztywnych, a także ze skróceniem drogi filtracji, najczęściej filtracji bocznej.

Artykuł opublikowany w "Wiadomości melioracyjne i łąkarskie" 2/2010
Autor: Mgr inż. Zdzisław Szczepaniak, STRUCTUM Sp. z o.o. w Lublinie

Remonty budowli wodno-melioracyjnych, z zastosowaniem geosiatek komórkowych i mat bentonitowych

Słowa kluczowe: stopnie korekcyjne, remonty, nowe technologie, geokrata, geosiatka, mata bentonitowa
                                   
Wprowadzenie

Typowe i powtarzalne stopnie, powszechnie budowane na małych ciekach w początkach drugiej połowy ubiegłego wieku jako element regulacji rzek dla celów poprawy stosunków wodnych na obszarach rolniczych, nie wykazały się niestety oczekiwaną długotrwałością. Liczne uszkodzenia stopni, najczęściej związane są ze zbyt krótkimi umocnieniami w strefie poszuru, z brakiem dodatkowej strefy umocnień elastycznych poniżej betonowych umocnień sztywnych, a także ze skróceniem drogi filtracji, najczęściej filtracji bocznej.

Uważa się, że niezbędne remonty stopni należałoby prowadzić z dostosowaniem obiektów w miarę potrzeby do nowych funkcji, w tym wynikających ze zmiany użytkowania doliny i nowymi uwarunkowaniami przyrodniczymi. Istotnym jest rozważenie możliwości stosowania w szerszym zakresie zabudowy terenów przyległych roślinnością, w tym stosowanie zakrzewień i zadrzewień, głównie dla podniesienia walorów ekologicznych rzeki po wykonaniu prac remontowych.

W niniejszej pracy opisano możliwości przeprowadzania remontów budowli z zastosowaniem nowszych technologii materiałowych. Możliwości remontów stopni z zastosowaniem geosiatek komórkowych (geokrat) oraz mat bentonitowych pokazano na przykładach z faktycznie ostatnio przeprowadzonych realizacji na kilku rzekach w województwie lubelskim (rzeki: Gorajec, Sanna, Kurówka, Gałęzówka i inne).

Geosiatki komórkowe (geokraty) produkowane są z polietylenu wysokiej gęstości (HDPE), dwustronnie teksturowanych, stabilizowanych na UV i połączonych przy pomocy zgrzewów. Oprócz tekstury taśmy mogą również posiadać perforację. Produkt jest stabilny w zakresie temperatur użytkowania od -50oC do +80oC, nie stanowi zagrożenia dla zdrowia ani dla środowiska z uwagi na nierozpuszczalność w wodzie i dużą odporność na działanie czynników chemicznych (w tym występujących w glebie).

Bentomat jest samonaprawialną, bentonitową matą izolacyjną. Jedna z odmian maty posiada 5 kg bentonitu w 1 m2 produktu i jest produkowana w rolkach 5 m x 40 m. Mata powstaje z zespolenia trzech komponentów: warstwy granulatu bentonitowego, umieszczonego między tkaniną i włókniną polipropylenową. Zespolenie w jednorodny wyrób zapewnia opatentowany proces igłowania. Mata ma właściwości samouszczelniające, zaś instalacja może się odbywać praktycznie w dowolnych warunkach pogodowych, z wyjątkiem ulewnych deszczy i bardzo silnych wiatrów. Materiał ma nieograniczoną w czasie skuteczność. Jego instalacja jest prosta i szybka. Nie wymaga poza tym specjalistycznego sprzętu.

Przedstawiono także zastosowanie nowych materiałów do remontów takich obiektów jak wały przeciwpowodziowe, nadbudowa korony zbiornika, bród przez rzekę itp.

Remonty stopni korekcyjnych

Fot.1. Zniszczenia dwóch położonych blisko siebie stopni na rzece Gorajec spowodowały gwałtowną erozję koryta w górnym stanowisku, w konsekwencji z niebezpiecznym dla środowiska nadmiernym odwodnieniem szerokiej doliny łąkowej (fot. Z. Szczepaniak)

Generalna koncepcja remontów stopni zakłada wykonanie swoistej „nakładki” na pozostałościach konstrukcji istniejących, z wykorzystaniem w szczególności ścianki szczelnej na progu stopnia (jeśli oczywiście ścianka taka faktycznie istniała na danej budowli). Typowe rozwiązanie z progiem pionowym stopnia (pomiędzy stanowiskiem górnym i niecką wypadową) w ramach wykonawstwa „nakładki” z geosiatek komórkowych wypełnionych betonem zostaje prawie zawsze zamienione na układ bystrotokowy. Przyjmuje się, że pozostałości starej konstrukcji, zagłębione w gruncie, zostaną przysypane nowym, zagęszczonym naziomem. Pozostałości starej konstrukcji w stanie luźnym są usuwane poza strefę robót. Prace remontowe według tej koncepcji w zdecydowanej większości przypadków są realizowane pod osłoną obwodnicy, czasami także ze wspomaganiem poprzez odwadnianie dołu fundamentowego.

Istotnymi elementami rozwiązania „nakładki” są uszczelnienia pod geosiatką komórkową, wykonywane z mat bentonitowych (o zawartości bentonitu 5kg/m2) oraz „wtopienie” w świeży beton, bezpośrednio po zalaniu komórek zaprawą betonową, kruszyw w postaci tłuczni lub gruboklastycznych żwirów.

Najlepsze efekty techniczne uszczelnienia „nakładki” uzyskuje się po wstępnym wykonaniu w podłożu warstwy chudego betonu, o grubości w zależności od rozmiarów remontowanego stopnia: 15-25 cm. Stwierdzono natomiast, że przy całkowitym braku podkładu betonowego pod „nakładką” w niektórych przypadkach powstają lokalne przebicia hydrauliczne na stykach arkuszy mat bentonitowych, z uwagi na ich niedostateczny docisk do podłoża.

Często „nakładka” odtwarza poprzednie warunki konstrukcyjne budowli. Istnieje jednak niepowtarzalna szansa, by w ramach remontu poprawić warunki hydrauliczne pracy stopnia poprzez na przykład pogłębienie niecki wypadowej, czy też wydłużenie umocnień technicznych, w szczególności na poszurze.

Przedstawiona metoda remontu stopnia zakłada poprawę warunków filtracji w podłożu wyremontowanej budowli (w wyniku wydłużenia drogi przepływu wody).Wynika to z wykonania uszczelnienia pod „nakładką” z materaca geokomórkowego. Ponadto ograniczenie zagrożenia dla wyremontowanej budowli w wyniku filtracji można uzyskać poprzez doszczelnienie matą bentonitową układaną pod całą nakładką z geosiatki komórkowej, w tym w obrębie sztywnych umocnień dolnych. Dodatkowe umocnienia elastyczne mogą być realizowane w dowolnym rozwiązaniu konstrukcyjnym, tj. stopni wykonanych z płyt prefabrykowanych, z gabionów kamiennych, z materacy faszynowo- kamiennych, z narzutów w płotkach itp.

Obserwacje wykazują, że dla stopni o spadach rzędu 0,2–1,2 m uzyskuje stabilne warunki filtracyjne i to niezależnie od tego, w jakim stanie znajdowała się stara ścianka szczelna w strefie progu oraz czy w ogóle była ona w pierwotnym rozwiązaniu zainstalowana. Rozwiązania „nakładki” przewidują w każdym przypadku dobre połączenie jej z wierzchem (oczepem) ścianki szczelnej. Tak samo w każdym przypadku konieczne jest sprawdzenie budowli na wyparcie.

„Nakładki” z geosiatek komórkowych, zwanych też geokratami posiadają odpowiednie parametry wytrzymałościowe, w tym odporność na mróz i promieniowanie ultrafioletowe. Dzięki dużej wytrzymałości ścianek komórek geosiatki spełniają rolę wkładek zbrojeniowych konstrukcji żelbetowej, zaś samo „zbrojenie” uzyskuje się tu jedynie poprzez skuteczne połączenie poszczególnych sekcji, o wymiarach standardowo 2,5 x 8,0 m. Sekcje takie, o powierzchni po 20,0 m2 łatwo i szybko łączy się ze sobą zszywkami za pomocą zszywarki pneumatycznej.

Po zalaniu sekcji betonem plastik materaca spełnia nie tylko rolę zbrojenia, lecz również deskowania. Dla tak wykonanej specjalnej konstrukcji betonowej wzmocnionej geosiatką zbędne jest wykonywanie dylatacji, ponieważ każda z komórek jest zdylatowana z sąsiednimi. Sekcja geokomórkowa, zalana betonem pozostaje faktycznie półsztywna, łatwo dostosowując się do zmiennych krzywizn w obrębie niecki wypadowej. Nakładka, stanowiąca w rzeczywistości półelastyczną membranę, dostosowuje się do zmiennych warunków miejscowych. Przy wykorzystaniu geosiatek łatwe są do wykonania połączenia z rurociągami, wylotami spustów, z bocznymi korytami itp. Możliwości elastycznego uformowania budowli w trakcie remontu stopnia są bezsprzecznie jednym z najważniejszych walorów technologii geokomórkowej. Można traktować sekcje komórkowe jako specjalne tworzywo (klocki lego?), z których tworzy się w korycie rzeki także inne konstrukcje, w tym przyległe do stopni, takie jak np. boczne koryta przepławek dla ryb. Przykłady montażu geosiatki na budowie pokazano fotografii 2.

Fot.2. Prace remontowe stopnia na rzece Gorajec wykonywane w kilku asortymentach robót jednocześnie: montaż geosiatki na macie bentonitowej, zalewanie betonem i „wtapianie” kruszyw, w tym przypadku tłuczni drogowych w świeży beton; uzyskuje się natychmiast całkowitą szczelność nakładki w strefie niecki wypadowej ze względu na zastosowanie mat bentonitowych (fot. Z. Szczepaniak)

Specjalne znaczenie w koncepcji remontu stopni przykłada się do „uszorstnienia” wypełnienia betonowego materaca. Wtopione w świeży beton tłucznie lub żwiry nie tylko zwiększają współczynnik szorstkości, poprawiając warunki hydraulicznej pracy obiektu, lecz również pozwalają maskować beton, symulując naturalność kamiennej płaszczyzny stopnia. Na szorstkiej powierzchni zatrzymują się osady i namuły rzeczne, porastają mchy i trawy, co w sumie daje oczekiwane dziś szeroko efekty naturalizujące (fot. 3).

Remonty stopni opisanym wyżej sposobem mają nie tylko walory techniczno-użytkowe (trwałość, niezawodność, rozwiązanie proekologiczne), lecz także koszty budowy są średnio o około 20-30% niższe od ekwiwalentnych kosztów odbudowy stopni w rutynowych technologiach (projekty typowe, czy powtarzalne – z zastosowaniem materiałów tradycyjnych: zbrojenie, deskowanie, dylatacje itp.) a ponadto prace mogą zrealizowane w cyklu 30-40% krótszym od normalnie przyjmowanego dla takich robót.

Fot. 3. Stopień na rzece Kurówce po remoncie; prace wykonano bez dewastacji nadrzecznego zadrzewienia, zgodnie z zaleceniami konserwatora przyrody (fot. Z. Szczepaniak)

Nadbudowa i wzmocnienie nasypów ziemnych
Zachodziła konieczność zwiększenia pojemności zbiornika przemysłowego wód nadosadowych. Budowa nowego osadnika nie wchodziła w grę ze względów ekonomicznych, także z uwagi na brak czasu i na wymogi środowiskowe.

Rozpatrywano rozbudowę grobli w obrębie korony i odpowiednio też w strefie skarpy odpowietrznej (istniały tylko te możliwości techniczne). Rozwiązanie takie byłoby jednak niezwykle kosztowne, konieczne byłyby bowiem dodatkowe wywłaszczenia, przekładanie wielu urządzeń infrastrukturalnych.

Ostatecznie zdecydowano się na wykonanie nadbudowy grobli poprzez ułożenie kilku pryzm z geosiatki komórkowej, o grubości sekcji 20 cm (razem 80 cm). Dodatkowe zabezpieczenia filtracyjne, niezbędne z uwagi na podwyższenie piętrzenia ścieków w zbiorniku, zrealizowano układając bentonitowy ekran pionowy od wody górnej.

Całość prac wykonano przy maksymalnym poziomie piętrzenia w osadniku i przy stale dostarczanej do niego pulpie (fot. 4).

Fot. 4. Nadbudowa grobli o 0,8 m zrealizowana była z 4 warstw geosiatek (geokrat) przy pełnym piętrzeniu na zbiorniku; ekran bentonitowy od wody górnej, zagłębiony do rzędnych obecnego poziomu piętrzenia zapewnia szczelność dobudowanej części konstrukcji (fot. Z. szczepaniak)

Nadbudowa zbiornika została wykonana w terminie dwukrotnie szybszym od czasu potrzebnego na rozbudowę zbiornika od strony odpowietrznej, jako rozwiązania ekwiwalentnego, przy kosztach trzykrotnie mniejszych. Po pełnym „zalądowaniu” osadnika nadbudowa będzie możliwa do rozbiórki, a zastosowane geosiatki (i płyty żelbetowe) stanowić będą mogły materiał do odzysku.

Innym interesującym przykładem wykorzystania geosiatek jest przeciwpowodziowego przebudowa wału przeciwpowodziowego w Sandomierzu. Po powodzi roku 1997 wał musiał zostać podwyższony o blisko 2 m. Uwarunkowania terenowe wynikające z przebiegu drogi krajowej i zabudowy miejskiej oraz cennych walorów przyrodniczych starorzecza Wisły uniemożliwiały wykonanie standardowej rozbudowy, z zachowaniem trapezowego kształtu przekroju poprzecznego. Rozpatrywano również wykonanie „podparcia” nasypu od strony Wisły ścianką szczelną stalową typu Larssena, której koszt, ze względu na rozmiar inwestycji (blisko 1km długości) i z uwagi na fatalne warunki gruntowo – wodne okazał się bardzo wysoki.

Do przebudowy wału zastosowano geosiatki komórkowe w systemie „przenoszenia obciążeń”, najbardziej zaawansowanej funkcji, jaką daje się „przypisać” tym materiałom.

Wykonano wstępny nasyp z nachyleniem skarpy odwodnej 1:1 i koroną o szerokości 2 m, ze specjalną podbudową w strefie styku wału z wodą. Technologia geokomórkowa pozwoliła nadbudować wał do niezbędnych wymiarów.
W strefie stopy skarpy odwodnej wykonano wzmocnienie w formie niewysokiej pryzmy materacowej, z 6 warstw (plastrów) geosiatki o wysokości po 20 cm (fot. 5). Cała powierzchnia nasypu: skarpa odwodna, korona i skarpa odpowietrzna zostały wzmocnione materacem o grubości 10 cm. Materac skarpowy został później zasypany ziemią urodzajną i obsiany trawą.

Fot. 5. Montaż pryzmy podporowej wału od strony Łachy Wiślanej (fot. Z. Szczepaniak)

Upusty zbiorników, brody

Geosiatki wraz z bentomatami znajdują szerokie zastosowanie przy budowie urządzeń piętrzących niewielkich zbiorników, brodów, bystrotoków itp.

Wybudowany został zbiornik o powierzchni około 1,25 ha, z dwoma spustami dennymi ukrytymi w odnogach zbiornika i z przepuszczeniem większości wód wielkich powodziowych przez specjalnie skonstruowany przewał. Sam zbiornik w całości uszczelniono matą bentonitową, zaś przewał wykonano z geosiatek (jedna warstwa), z zalaniem komórek betonem hydrotechnicznym, w który „wtopiono” tłucznie i drobne kamienie. Uzyskano efekt bystrza kamiennego, który po częściowym pokryciu roślinnością posiada naturalny charakter (fot. 6).

Fot. 6. Przewał zbiornika wodnego w Skansenie Lublin po 5 latach eksploatacji (fot. Z. Szczepaniak)

Brody na rzece Biała (fot. 7), a właściwie „stopnie zerowe z funkcją brodu” skonstruowano z dwóch warstw nośnych jezdni. W podłożu (na geowłókninie filtracyjnej) zamontowano materac z geosiatki komórkowej wysokości 20 cm, z wypełnieniem komórek tłuczniem lub niesortem kamiennym, wyżej zaś założono bruk kamienny, o grubości warstwy także 20 cm, z wypełnieniem szpar w bruku drobniejszymi kruszywami.

Uzyskano wytrzymałą i elastyczną „membranę” podłoża i naturalną nawierzchnię jezdną. Konstrukcja taka jest odporna na rozdmycie przez wody, zarówno w okresie niżówek, jak i w okresach powodziowych i przede wszystkim nie wykazuje wszystkich wad projektów typowych brodów.

Fot. 7. Bród na rzece Biała dobrze wytrzymuje spływ wód wielkich (fot. Z. Szczepaniak)

Podsumowanie

Z pewnością warto jest sięgnąć przy realizacjach niektórych obiektów – zwłaszcza przy remontach budowli wodno-melioracyjnych – do szerokich możliwości, jakie dają nowe (czy choćby tylko nowsze, bo znane już w Polsce od przeszło 10 lat) technologie materiałowe.

Wydaje się, że warto jest zauważyć istotne walory opisanych sposobów remontu budowli, w tym prostotę wykonawstwa, skuteczność napraw, proekologiczność rozwiązań oraz obniżkę kosztów budowy o 30–40% w stosunku do ekwiwalentnych rozwiązań, jak również możliwość skrócenia czasu budowy o 20–30%.

Literatura

1. Informacja dla potrzeb Ogólnopolskiej Konferencji z okazji 25-lecia Kazimierskiego Parku Krajobrazowego „Współczesne problemy ochrony krajobrazu”, „Czy współczesna inżynieria wodna może służyć ochronie krajobrazu? Przykłady zastosowań nowych technologii w inżynierii krajobrazowej”. STRUCTUM Lublin.
2. Katalogi producentów i wytyczne stosowania geosiatek komórkowych (geokrat) oraz mat bentonitowych.
3. Katalogi projektów typowych dawnego CBSiPWM w Warszawie – różne.
4. Kessler A., Kuźniarski A., Szczepaniak Z. Use of GEOWEB system for construction of Vistula River embankment in Sandomierz City. 33rd Annual IECA Expo "Adventures in Erosion Education", 2002 – Orlando.
5. Kessler A., Szczepaniak Z. Budowle wodne wzmocnione komórkowym systemem ograniczającym. Materiały budowlane Nr 8/2004.
6. Łoś M.J. Stopnie na małych rzekach. WMiŁ Nr 4/2009.
7. Projekty remontów stopni i innych budowli, wykonane w STRUCTUM Lublin w latach 2000-2006.
8. Szamowski A. Erozja denna w rzekach swobodnie płynących i zestopniowanych. Mat. Bud. Nr 8/2004.