Analiza stateczności masywnego muru oporowego w warunkach nieustalonego obciążenia wodą.pdf

XV Konferencja Naukowa - Korbielów’ 2003

„Metody Komputerowe w Projektowaniu i Analizie Konstrukcji Hydrotechnicznych”

Analiza stateczności masywnego muru oporowego w

warunkach nieustalonego obciążenia wodą.

Jerzy Florkowski 1

Dariusz Adamek 2

1. 1. WSTĘP

Od kilku lat prowadzona jest modernizacja obwałowań i bulwarów wiślanych w

Krakowie. Polega ona na podwyższeniu w sposób stały lub za pomocą aluminiowych

ścianek rozbieralnych korony istniejących obiektów przeciwpowodziowych tak aby

pomieściły wodę 1000-letnią oraz na wzmocnieniu i uszczelnieniu tych konstrukcji.

Wykonane w dużej mierze jeszcze przed I Wojną światową betonowe mury bulwarów

wiślanych reprezentowały przed modernizacją zróżnicowany stan techniczny, od dobrego

po wymagający wzmocnienia i uszczelnienia. Taki, nie zadawalający, stan występował na

jednym z odcinków lewego brzegu gdzie aby zapobiec przeciekom i zarazem wzmocnić

mur wykonano do niego iniekcję ciśnieniową zaczynem cementowym. Mimo to, podczas

wezbrania Wisły jakie miało miejsce w roku 2001 zauważono, że wprawdzie mur po

cementacji okazał się szczelny to po odpowietrznej stronie bulwaru dały się zauważyć

niewielkie ale niepokojące wysięki wody z gruntu na powierzchnię terenu. Konieczne stało

się wyjaśnienie przyczyn tego zjawiska i ustalenie optymalnego sposobu poprawy

warunków filtracji przez podłoże bulwaru i zarazem jego stateczności.

Aby uniknąć błędów zbyt dużych uproszczeń jakie są nieuniknione w uproszczonych

metodach obliczeniowych, opracowano – z wykorzystaniem systemu Z_Soil - model

numeryczny pozwalający symulować zarówno przebieg filtracji przez podłoże bulwaru jak i

jego stateczność w zależności od zmieniających się w czasie poziomów wody w rzece.

W niniejszym referacie przedstawiono założenia i ciekawsze wyniki wykonanych obliczeń.

1.12. KONSTRUKCJA BULWARU

Niestety, nie zachowała się (w każdym razie okazała się niedostępna dla autorów)

pierwotna dokumentacja projektowa bulwarów krakowskich. Posiadane informacje

zawdzięczamy odkrywkom inwentaryzacyjnym, które dały informacje o gabarycie i jakości

muru. Według nich bulwar na rozważanym odcinku jest masywnym murem oporowym

wysokości około 7 m, konstrukcji betonowej z okładziną kamienną powyżej powierzchni

terenu. Fundament muru o szerokości 3,6 m znajduje się na głębokości 2,5 m poniżej

poziomu terenu po stronie odpowietrznej. Po stronie odwodnej do muru przylega skarpa o

1 mgr inż. , Hydroprojekt Kraków Sp. z o. o.

2 mgr inż. , Hydroprojekt Kraków Sp. z o. o.

zmiennym nachyleniu od 1:1 do 1:3, przechodząca w asfaltową ścieżkę spacerową

kończącą się murem oporowym tak zwanego bulwaru niskiego, który stanowi obramowanie

koryta Wisły w normalnych warunkach hydrologicznych. Nie udało się jednoznacznie

stwierdzić czy na przedmiotowym odcinku mur jest posadowiony na palach wierconych

(stosowanie takiego fundowania na innych odcinkach bulwarów krakowskich potwierdzają

zachowane fotografie z przebiegu ich budowy) czy też bezpośrednio na gruncie. Przy braku

pewności przyjęto w obliczeniach bezpiecznie, że pali takich nie zastosowano. Przekrój

poprzeczny bulwaru ilustruje Rys. 1.

1.23.

UZBROJENIE I ZAGOSPODAROWANIE TERENU W SĄSIEDZTWIE

BULWARU

Jak się okazało, w sąsiedztwie bulwaru doszło w przeszłości do zagospodarowania

terenu, który według obecnych standardów merytorycznych i formalnych należy uznać za

niewłaściwy, stanowiący konkretne zagrożenie dla szczelności hydraulicznej profilu

piętrzenia. W bliskim sąsiedztwie, lub nawet na styku z bulwarem znajdują się budynki,

obiekty sportowe i garaże. Część z tych obiektów jest podpiwniczona i spowodowała

przecięcie lub osłabienie przypowierzchniowej, szczelnej warstwy gruntu.

Jak by tego było mało, w bezpośredniej bliskości bulwaru - a lokalnie nawet nad

odsadzką fundamentu - wykonano w latach 50. od strony odpowietrznej dużą magistralę

wodociągową średnicy 800 mm, a od strony koryta Wisły - jeszcze w okresie

międzywojennym - średnioprężny gazociąg o średnicy 250 mm. Mimo iż można mieć

pewność, że obecnie taka lokalizacja rurociągów byłaby nie do przyjęcia to ich likwidacja

jest niemożliwa gdyż zasilają duże obszary miasta a ich przełożenie uniemożliwia

zabudowa terenu. Podobnie jak budynki, rurociągi te przecięły lub osłabiły

przypowierzchniową warstwę gruntów słabo-przepuszczalnych.

1.34. BUDOWA GEOLOGICZNA PODŁOŻA GRUNTOWEGO

Typową, to jest, najczęściej spotykaną, budowę geologiczną koryta Wisły w centrum

Krakowa cechuje następujący układ kompleksów geotechnicznych. Na głębokości około 10

m pod powierzchnią terenu zalegają nieprzepuszczalne osady miocenu wykształcone jako

iły i iłołupki. Na nich zalega seria pleistoceńskich żwirów, pospółek i piasków o miąższości

5÷8 m, która z kolei pokryta jest słabo przepuszczalnym, holoceńskim, niskim terasem rzeki

Wisły. Miąższość utworów holoceńskich wynosi 3÷5m. Na rozpatrywanym odcinku

bulwaru, zaobserwowano jednak nietypowy układ warstw, polegający na tym, że brak jest

tu naturalnej warstwy przypowierzchniowej z mało przepuszczalnych gruntów aluwialnych

a na przepuszczalnym podłożu leży bezpośrednio nasyp. Mur bulwarowy posadowiony jest

bezpośrednio na przepuszczalnych piaszczysto-żwirowych osadach holoceńskich a nie - jak

to ma miejsce na sąsiednich odcinkach - na słabo przepuszczalnych aluwiach.

1.45. WARTOŚCI PARAMETRÓW GEOTECHNICZNYCH PODŁOŻA

Nasyp piaszczysto - gliniasty

=20,1 kN/m 3

wn=19%

E=40000 kPa , =0,25

k=1*10 -5 m/s

Pospółki i piaski podłoża

=19,6 kN/m 3

 d =16,9 kN/m 3

e=0,6

S r =0,8 i =2

  ‘=30 0 , c‘=4 kPa

wn=22%

 d =16,1 kN/m 3

e=0,6

S r =1 i =5

  ‘=38 0 , c‘=4 kPa

E=100000 kPa ,=0,25

k=6,1*10 -4 m/s

 ’ =15 0 , c‘=20 kPa

E=12000 kPa ,=0,25

k=8,7*10 -8 m/s

Bulwar betonowy (jako element

sprężysty)

=23 kN/m 3

E=2,1*10 8 kPa

=0,16

Przewarstwienie pyłu

 d =19,6 kN/m 3

1.56. PRZYJĘTY KSZTAŁT WEZBRANIA WISŁY

Obciążenie wodą pochodzi od hipotetycznej fali powodziowej Wisły przyjętej przy

ostatniej modernizacji bulwarów i obwałowań Krakowa do wymiarowania poziomu ich

korony. Hydrogram fali ilustruje Rys. 2.

Przebieg hipotetycznego wezbrania wody 1000 letniej

207.0

206.5

206.0

205.5

204.5

204.0

203.5

203.0

202.5

202.0

201.5

201.0

200.5

200.0

199.5

199.0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130140150

Czas [h]

Rys. 2.

1.67.

ROZPATRZONE SCHEMATY OBLICZENIOWE

Przeprowadzone obliczenia obejmowały następujące przypadki: symulację stanu

zaobserwowanego w roku 2001, obciążenia występujące przy przepływie wezbrania

miarodajnej i kontrolnego dla bulwarów krakowskich, ocena wpływu zastosowania

pionowego uszczelnienia lub pionowego drenażu podłoża na współczynnik stateczności

 Przypadek Nr 1 – symulacja numeryczna sytuacji obserwowanej w podczas wezbrania

Wisły w dniu 27.07.2001, o kulminacji na poziomie 203,70.

Sprawdzenie stateczności przy przejściu fali powodziowej do poziomu 203,70 m n.p.m.

wykazało współczynnik stateczności n =2,4. Obliczenia wykazały, że najsłabszym punktem

e=0,6

S r =1 i =1

205.0

przy tym układzie obciążeń jest stateczność skarpy po stronie odwodnej bulwaru.

Obliczenia wykazały, że poziom wody gruntowej nie osiąga poziomu terenu za murem

(max. poz. zwierciadła wody wyniósł 0,6 m poniżej poziomu terenu). Co oznacza, że gdyby

zasypy magistrali wodociągowej były wykonane prawidłowo nie powinno dojść do

zaobserwowanych wysięków. Gradient filtracji w warstwie przypowierzchniowej Irzecz =

0,5. Współczynnik stateczności na przebicie hydrauliczne warstwy przypowierzchniowej

wynosi 2,0.

 Przypadek Nr 2 – symulacja numeryczna przepływu wody miarodajnej o kulminacji na

poziomie 204,79.

Krytyczna okazała się 28 godzina przejścia fali powodziowej gdy osiąga ona rzędną 204,79

m n.p.m. Współczynnik stateczność wynosi 2,4. Obliczenia wykazały, że najsłabszym

punktem przy tym układzie obciążeń jest stateczność skarpy po stronie odwodnej bulwaru.

Gradient filtracji w warstwie przypowierzchniowej I rzecz =0,86. Woda gruntowa może

wypływać na powierzchnię terenu za murem. Współczynnik stateczności na przebicie

hydrauliczne warstwy przypowierzchniowej wynosi 1,16.

 Przypadek Nr 3 – symulacja numeryczna przepływu wody kontrolnej Wisły o

kulminacji na poziomie 206,60, równym koronie bulwaru.

Krytyczna okazała się godzina, w której fala powodziowa osiąga rzędną korony muru, to

jest 206,60 m n.p.m. Współczynnik stateczności wynosi 1,14. Gradient filtracji w warstwie

przypowierzchniowej I rzecz =1,0. Woda gruntowa może wypływać na powierzchnię terenu za

murem. Współczynnik stateczności na przebicie hydrauliczne warstwy

przypowierzchniowej wynosi 1,0. Wektory prędkości przedstawiono na Rys 3, deformacje

w stanie równowagi granicznej na Rys 4.

 Przypadek Nr 4 – symulacja numeryczna przepływu wody kontrolnej Wisły o

poziomie równym koronie bulwaru z uwzględnieniem uszczelnienia podłoża.

Wykonanie pionowej, zawieszonej przesłony szczelnej poniżej poziomu posadowienia

bulwaru daje wzrost współczynnika stateczność bulwaru do wartości 1,46. Gradient filtracji

w warstwie przypowierzchniowej ograniczył się do I rzecz =0,4. Woda gruntowa może

wypływać na powierzchnię terenu za murem. Współczynnik stateczności na przebicie

hydrauliczne warstwy przypowierzchniowej wynosi 2,5. Wektory prędkości przedstawiono

na Rys 5, deformacje w stanie równowagi granicznej na Rys 6.

 Przypadek Nr 5 – symulacja numeryczna przepływu wody kontrolnej Wisły o

poziomie równym koronie bulwaru z uwzględnieniem drenażu pionowego podłoża.

Wykonanie lokalnej bariery odwadniającej w formie pionowego drenażu podłoża po stronie

odpowietrznej bulwaru z pompowaniem wody okazało się najskuteczniejsze a ponadto

zapobiega zatapianiu terenu zawala. Współczynnik stateczności osiągnął wartość 3,28.

Wektory prędkości przedstawiono na Rys 7, deformacje w stanie równowagi granicznej na

Rys 8.

1.78.

WNIOSKI KOŃCOWE

 Pojawienie się komercyjnych wersji programów metody elementów skończonych, z

przyjazną dla użytkownika formą wprowadzania danych i, przede wszystkim, bogatą,

graficzną prezentacją wyników, umożliwia prowadzenie nawet w standardowym

projektowaniu poprawnej analizy złożonych schematów obciążeń filtracyjnych.

 Omawiane obliczenia potwierdziły, że przyczyną zaobserwowanych wysięków wody za

bulwarem jest zbieg następujących niekorzystnych okoliczności: wykonanie w ubiegłych

latach tuż przy bulwarze rurociągów z brakiem zachowania ostrożności koniecznej w takich

przypadkach, posadowienie przedmiotowego odcinka bulwaru na przepuszczalnych

piaskach i pospółkach bez uszczelnienia podłoża, lokalne obniżenie terenu po

odpowietrznej stronie bulwaru.

 Potwierdzona została zasada, że w warunkach hydrogeologicznych gdy w podłożu budowli

przeciwpowodziowej występuje warstwa gruntów o relatywnie dużej miąższości i

przepuszczalności a na niej zalega przypowierzchniowa warstwa gruntów słabo

przepuszczalnych, wykonywanie zawieszonej przesłony pionowej ma ograniczoną skuteczność

(wykonanie przesłony zupełnej jest zwykle niemożliwe gdyż może doprowadzić do stałego

podtopienia teren zawala). Główny spadek ciśnienia odbywa się bowiem i tak w mniej

przepuszczalnej warstwie przypowierzchniowej. Ponadto, przesłona nie pozwala wykluczyć

występowania wycieków wody na powierzchnię terenu co na przykład w terenie miejskim

stwarza spory dyskomfort. Wyjątek stanowi sytuacja gdy przyczynę przecieków stanowią tak

zwane uprzywilejowane drogi filtracji, co jednak w rozważanym przypadku nie zostało

stwierdzone.

 W rozważanym zagadnieniu najbardziej efektywnym sposobem zapobiegnięcia wysiękom za

bulwarem przy równoczesnym uzyskaniu poprawy współczynnika stateczności okazała się lokalna

bariera odwadniająca. Jej działanie jest niezbędne w sytuacji hydrologicznej, która występuje

średnio co 10 lat i trwa kilka dni.

1.8

1.99. WYKAZ LITERATURY

 Hydroprojekt Kraków Sp. z o. o. Bulwar wiślany w rejonie ul. Jaskółczej w Krakowie.

Analiza z wykorzystaniem modelu numerycznego przyczyn wysięków wody i

możliwości ich zapobiegania. Kraków, 2002 r.

 Zace Services Ltd. Program Z_SOIL.PC 2001/2D, wersja 5.79.

2.STRESZCZENIE

Podczas dużej powodzi w roku 2001 zauważono na jednym z odcinków niedawno

zmodernizowanego bulwaru wiślanego w Krakowie niewielkie ale niepokojące wysięki

wody z gruntu na powierzchnię terenu. Konieczne stało się wyjaśnienie przyczyn tego

zjawiska i ustalenie optymalnego sposobu poprawy warunków filtracji przez podłoże

bulwaru i zarazem jego stateczności. Aby uniknąć błędów zbyt dużych uproszczeń jakie są

nieuniknione w uproszczonych metodach obliczeniowych, opracowano – z wykorzystaniem

systemu Z_Soil - model numeryczny pozwalający symulować zarówno przebieg filtracji

przez podłoże bulwaru jak i jego stateczność w zależności od zmieniających się w czasie

poziomów wody w rzece.

Obliczenia potwierdziły, że grunty zawala – jak się okazało rozcięte w latach 50. budową

magistrali wodociągowej - nie maja wymaganej odporności na przebicie hydrauliczne a

zapewnienie stateczności bulwaru w warunkach przepływu kontrolnego wymaga wykonania

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: