Acta Sci. Pol. Formatio Circumiectus 17 1 2018 189207 · 2018. 5. 8. · Narzuty mogą być...

Acta Sci. Pol. Formatio Circumiectus 17 (1) 2018, 189–207

DOI: http://dx.doi.org/10.15576/ASP.FC/2018.17.1.189www.formatiocircumiectus.actapol.net/pl/ ISSN 1644-0765

O R I G I N A L PA P E R Accepted: 1.03.2018

e-mail: [email protected], [email protected]

© Copyright by Wydawnictwo Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie, Kraków 2018

ENVIRONMENTAL PROCESSES

AWARIE NARZUTU KAMIENNEGO NA RZEKACH GÓRSKICH (NA PRZYKŁADZIE ZABEZPIECZENIA BRZEGU NA RZECE CZARNY DUNAJEC)

Artur Radecki-Pawlik1, Bartosz Radecki-Pawlik1, Patryk Podkanowicz2, Karol Plesiński2

1 Instytut Mechaniki Budowli, Wydział Inżynierii Lądowej, Politechnika Krakowska, ul. Warszawska 24, 31-155 Kraków2 Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki, Wydział Inżynierii Środowiska i Geodezji, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, al. Mickiewicza 24/28, 30-059 Kraków

ABSTRAKT

Zagadnienia związane z utrzymaniem rzek i umocnieniem ich brzegów są bardzo istotne w inżynierii rzecz-nej. Dobór odpowiednich zabezpieczeń uzależniony jest od wielu czynników. Przy projektowaniu należy brać pod uwagę między innymi rodzaj gruntu, warunki hydrodynamiczne, zjawiska atmosferyczne i che-miczny stan wód. Przykładowymi konstrukcjami umacniającymi koryto cieku są ostrogi, opaski, gabiony, a także narzuty kamienne z kamienia łamanego. Efektywne działanie wszelkiego rodzaju umocnień zależy od ich prawidłowego wykonania. W przypadku narzutów kamiennych istnieje szereg wytycznych dotyczących wymaganych właściwości fizycznych i mechanicznych kamienia łamanego. W pracy omówiono sposoby za-bezpieczeń brzegów rzeki, przedstawiając czynniki determinujące wybór narzutu kamiennego przez określe-nie specyfikacji technicznej dotyczącej wielkości kamienia łamanego, narzutu oraz stosowanego filtra przy narzucie kamiennym. W sposób szczególny zajęto się jakością materiału filtra użytego do ułożenia kamienia łamanego. Materiał filtra jest usypywany bezpośrednio pod narzutem kamiennym i jego niewłaściwy dobór często prowadzi do awarii ubezpieczenia brzegowego. Analizie zostały poddane trzy narzuty kamienne na terenie Nowego Targu. Na każdym stanowisku zostało przeprowadzone szereg pomiarów granulometrycz-nych oraz kątów usypania narzutu. Sprawdzono dwa warunki stabilności oraz warunek przepuszczalności.

Słowa kluczowe: narzut kamienny, rzeka górska, podsypka filtracyjne

WPROWADZENIE

Zagadnienia związane z regulacją rzek i umocnie-niem brzegów są bardzo istotne w inżynierii rzecznej. Dobór odpowiednich zabezpieczeń uzależniony jest od wielu czynników. Przy projektowaniu należy brać pod uwagę między innymi rodzaj gruntu, warunki hy-drodynamiczne, zjawiska atmosferyczne i chemiczny stan wód. Przykładami konstrukcji umacniających koryto są ostrogi, opaski, gabiony, narzuty kamienne i inne. W związku z obowiązującą na terenie Unii Eu-

ropejskiej Ramową Dyrektywą Wodną podejmowane działania inżynierskie w dziedzinie hydrotechniki powinny w najmniejszy możliwy sposób ingerować w środowisko naturalne. Budowle hydrotechniczne powinny spełniać wymagania techniczne i ekologicz-ne. Przy regulacji rzek zaleca się stosowanie natu-ralnych materiałów budowlanych, takich jak kamień łamany lub drewno. Efektywne działanie wszelkiego rodzaju umocnień zależy od ich prawidłowego wyko-nania. W przypadku umocnień z narzutu kamiennego istnieje szereg wytycznych dotyczących wymaga-

Radecki-Pawlik, A., Radecki-Pawlik, B., Podkanowicz, P., Plesiński K. (2018). Awarie narzutu kamiennego na rzekach górskich... Acta Sci. Pol., Formatio Circumiectus, 17(1), 189–207. DOI: http://dx.doi.org/10.15576/ASP.FC/2018.17.1.189

190 www.formatiocircumiectus.actapol.net/pl/

nych właściwości fizycznych i mechanicznych kamie-ni oraz filtra.

Celem pracy jest określenie stabilności istnieją-cych narzutów kamiennych na rzece Czarny Duna-jec. Zakres pracy obejmował pomiary terenowe oraz opracowanie danych wraz z ich analizą. Opisano róż-ne konstrukcje zabezpieczeń brzegów oraz omówio-no specyfikę narzutów kamiennych. Metodyka obej-mowała badania granulacji podłoża oraz wymiarów narzutów kamiennych metodą Wolmana, w trzech miejscach na terenie Nowego Targu. Kolejno, na pod-stawie pomiarów in situ sporządzono skumulowa-ne wykresy uziarnienia i krzywe granulometryczne. Sprawdzono dwa warunki stabilności i jeden warunek przepuszczalności. Ocenie poddano także funkcjono-wanie narzutu dla konkretnych warunków hydrody-namicznych, w której określono zależności pomiędzy warunkami hydrodynamicznymi, a średnicą charakte-rystyczną narzutów

UBEZPIECZENIE BRZEGÓW NARZUTEM KAMIENNYM

Celem zabezpieczenia brzegów koryta cieku jest za-trzymanie bądź zminimalizowanie erozji bocznej, a także regulacja koryta rzeki. Istnieje wiele konstruk-cji spełniających w/w funkcje, o wyborze których de-cydują następujące czynniki: • rodzaj gruntu, w którym uformowane jest koryto

cieku, • prędkość wody w korycie rzeki (w warunkach róż-

nych stanów), • częstość występowania stanów wysokich i czas ich

trwania, • zmiany poziomu wód gruntowych w stosunku do

poziomu zwierciadła wody w cieku, • prędkość dopływu wód gruntowych (zależna od

warunków geologicznych), • zjawiska atmosferyczne, • możliwość uszkodzeń mechanicznych oraz od-

działywanie wód zanieczyszczonych chemicznie [Jędryka 2007]. Wśród sposobów zabezpieczających brzegi i re-

gulujących rzekę można wymienić: ostrogi, gabio-ny, opaski brzegowe oraz narzuty kamienne. Narzut kamienny stosuje się do umocnienia dolnego i środ-kowego pasa skarpy lub lokalnego zabezpieczenia

skarpy w miejscach szczególnie narażonych na erozję. Narzuty mogą być wykonywane – w płotkach lub bez – na podsypce ze żwiru o grubości 10–15 cm. Uzupeł-niając konstrukcję narzutu umocnieniem z sadzonek wiklinowych, uzyskujemy tzw. żywy narzut kamien-ny. W miejscach, w których występują wysięki, skar-pę pod narzutem kamiennym dodatkowo zabezpiecza się geowłókniną (pod warstwą podsypki), spełniającą rolę filtru odwrotnego. Grubość narzutu kamiennego nie powinna być mniejsza niż 30 cm, a nachylenie nie większe od 1 : 2 [Jędryka 2007]. Kamień do wykona-nia narzutu powinien być nie zwietrzały oraz odporny na działanie wody, mrozu, jak i odporny na działanie związków chemicznych znajdujących się w wodzie (przykładowo: granit, porfir, andezyt oraz piaskowiec twardy i średnio twardy [lapanow.pl]).

Zalecane właściwości fizyczne i mechaniczne ka-mienia łamanego:• wytrzymałość na ściskanie w stanie suchopo-

wietrznym co najmniej 20–80 MPa, • mrozoodporność w cyklach co najmniej 21–25, • ścieralność na tarczy Boechemego 0,25–05, • ciężar objętościowy: dla skał magmowych i prze-

obrażonych g = 2,4 – 3,0 kN · m–3, dla skał osado-wych g = 1,9 – 3,0 kN · m–3,

• nasiąkliwość wodą 0,5–12%. W myśl Ramowej Dyrektywy Wodnej Unii Eu-

ropejskiej, środki techniczne stosowane przy utrzy-maniu koryt rzek i potoków górskich powinny być „bliskie naturze” i podejmowane we współpracy inter-dyscyplinarnej z przyrodnikami. I tak, przy uzasadnio-nej potrzebie zabezpieczenia brzegów lub dna koryta rzecznego, zaleca się stosowanie umocnień z natural-nych materiałów budowlanych takich jak kamień ła-many, czy drewno. Do takich budowli można zaliczyć kolejno kosze siatkowo-kamienne, gabiony, narzuty kamienne (ryc. 1), budowle kaszycowe, czy też by-strza o zwiększonej szorstkości [Korpak i in. 2008].

Istotnym elementem konstrukcji z narzutu kamien-nego, wymagającym osobnego omówienia, jest filtr. Główną funkcją filtra, jest utrzymanie bliskiego kontak-tu pomiędzy narzutem, a gruntem poprzez utworzenie stabilnej powierzchni przylegania [Lagasse i in. 2006]. W praktyce filtr realizowany jest przez zastosowanie geowłókniny lub podsypki z kruszywa o odpowied-nim uziarnieniu. W pewnych sytuacjach zalecane jest użycie łączonego filtra zawierającego zarówno war-


191www.formatiocircumiectus.actapol.net/pl/

stwę ziarnistą jak i geowłókninę [Lagasse i in. 2006]. Potrzebę użycia i sposób zaprojektowania warstwy fil-tracyjnej determinuje charakterystyka gleby zalegającej pod narzutem. W przypadkach, gdzie grunt składa się głównie ze stosunkowo dużych cząstek (gruby piasek i żwir), nie wymaga się stosowania warstwy filtracyj-nej. Ostrożne projektowanie, selekcja i instalacja od-powiedniego materiału, pełniącego rolę filtra, odgrywa ważną rolę w poprawnym funkcjonowaniu narzutu. Ryc. 2 pokazuje schemat trzech najbardziej typowych układów filtra w narzucie kamiennym [Lagasse i in. 2006]. Wśród głównych zadań filtra należy wymienić: • zatrzymanie cząsteczek gleby, • zapewnienie strefy wolnego przepływu pomiędzy

narzutem, a gruntem [Lagasse i in. 2006]. Celem zachowania właściwej retencji gleby, pory

w filtrze winny być małe. Równocześnie utrzymanie dużej przepuszczalności filtra wymaga większych porów o dużym zagęszczeniu. Chcąc osiągnąć peł-ną funkcjonalność filtra, konieczne jest zachowanie równowagi pomiędzy retencją, a przepuszczalnością. Warunek ten wiąże się ze znalezieniem optymalnego materiału, godzącego zarówno zachowanie retencji gleby, jak i gwarantującego przepuszczalność filtra. W zależności od wewnętrznej stabilności gleby oraz

rozmiaru porów w filtrze z upływem czasu zachodzą procesy zmieniające jego strukturę.

Jak podkreśla Molski [Molski 2010] niekorzyst-ne oddziaływanie filtracji na stateczność ziemnych budowli hydrotechnicznych i podłoża – w tym za-bezpieczeń brzegów – może przejawiać się w posta-ci kurzawek (upłynniania gruntu), sufozji, przebicia hydraulicznego lub wyparcia [Philip i in. 1979, Wiłun 1982, Żak i in. 1995, Molski i in. 1997, Pisarczyk 2001, Żak 2003]. Należy zauważyć, że zmiany w gruncie wywołane filtracją nie występują w tylko jednej z wy-mienionych postaci, lecz są ze sobą w większym lub mniejszym stopniu połączone.

I tak kolejno definiując wyżej wymienione zja-wiska, sufozja, definiowana przez Żbikowskiego [Żbi kowski 1962] jest zjawiskiem polegającym na unoszeniu przez wodę drobnych ziaren gruntu wypeł-niających szkielet ziaren o większych wymiarach, któ-re pozostają nienaruszone w swym uprzednim położe-niu. Cząstki mogą być przesunięte na inne miejsce lub wyniesione poza obręb gruntu. W wyniku tego zjawi-ska mogą powstać kawerny lub kanały; zjawisko przy-biera wtedy cechy przebicia hydraulicznego. Sufozja jest częściej spotykana w gruntach niespójnych, nie-stabilnych glebach, które są w kontakcie z filtrem

Ryc. 1. Schemat budowy narzutu kamiennego [za: Keller i Fowler 2005]Fig.1. Scheme of rip-rap [acc. to Keller and Fowler 2005]

Geo-textilor gravel

filterMinimumrip-rap width

1/3

of bankheight

2/3of bank

height:

a typical

height of

rip-rap

Predictedscour

depth



o dużych porach. Duże pory kolejno nie zatrzymują małych cząstek, które to usuwane są przez przecieki i zmienność ciśnienia, pozostawiając jedynie duże cząsteczki. Sufozja zwiększa potencjał erozyjny po-przez osłabienie struktury gleby znajdującej się pod narzutem [Lagasse i in. 2006]. Kolejno przebiciem hydraulicznym nazywamy tworzenie się kanału (prze-wodu) w masie gruntowej, wypełnionego gruntem o naruszonej strukturze, łączącego miejsca o wyższym i niższym ciśnieniu wody w porach. Na powierzchni terenu przebicie hydrauliczne jest widoczne w postaci wypływów mieszaniny wodno-gruntowej. Przebicie hydrauliczne powstaje w sytuacji, gdy ciśnienie wody w gruncie osiąga wartość równą ciężarowi nadległej warstwy gruntu. W takim przypadku naprężenie efek-

tywne maleje do zera. Zjawisko przebicia występuje przeważnie w gruntach mało spoistych podścielo-nych gruntami przepuszczalnymi. Następnie wyparcie gruntu polegające na przesunięciu wszystkich ziaren pewnej objętości gruntu – często wraz z obciążający-mi ją elementami ubezpieczeń – filtrów lub drenaży. Wyparta masa z reguły powiększa swoją objętość, a w konsekwencji porowatość. Zjawisko wyparcia występuje zarówno w kierunku pionowym (do góry), jak i poziomo w podłożu budowli piętrzących wodę. Niekiedy wyparcie występuje również w kierunku do dołu. Ostatnim zjawiskiem wymienionym są kurzaw-ki. Występują one, gdy grunt traci cechy ciała stałego i przechodzi w stan ciekły–zjawisko to dotyczy grun-tów drobnoziarnistych i piasków pylastych.

Ryc. 2. Przekrój poprzeczny kanału przedstawiający standardową konfigurację narzutu i warstwy filtracyjnej [Lagasse i in. 2006]Fig. 2. Cross-section of river channel with rip-rap [Lagasse et al. 2006]



Ryc. 3. Lokalizacja Czarnego Dunajca na tle regionów fizycznogeograficznych południowej Polski (A) oraz Zlewnia Czar-nego Dunajca na tle hipsometrii i jednostek fizycznogeograficznych (B): 1 – góry wysokie; 2 – góry średnie i niskie; 3 – po-górza; 4 – kotliny przedgórskie i śródgórskie; 5 – zlewnia Czarnego Dunajca; 6 – przyrost zlewni Czarnego Dunajca; 7 – gra-nice zlewni Czarnego Dunajca; 8 – granice jednostek fizycznogeograficznych; PPS – Pieniński Pas Skałkowy; RPT – Rów Podtatrzański [za: Wyżga i in. 2008]Fig. 3. Location of the Czarny Dunajec River on the back ground of physiogeographic regions of southern Poland (A) and drainage network and physiography of the Czarny Dunajec catchment and detailed setting of the study reach (B): 1 – high mountains; 2 – mountains of intermediate and low height; 3 – foothills; 4 – intramontane and submontane depressions; 5 – the Czarny Dunajec catchment to the beginning of the study reach; 6 – catchment area increment along the study reach; 7 – boundary of the Czarny Dunajec catchment; 8 – boundaries of physiogeographicunits; 9 – studyreach; 10 – flow-gaug-ingstations;PKB – Pieniny Klippen Belt; STT – Sub-Tatran Trough (Wyżga et. al. 2008)



MATERIAŁY I METODY

Opis badanej zlewniZlewnia Czarnego Dunajca (ryc. 3) cechuje się bar-dzo zróżnicowaną budową geologiczną. Obszar bu-dują skały krystaliczne, węglanowe, flisz podhalański i utwory fluwioglacjalne. Zlewnia Czarnego Dunajca obejmuje kilka regionów: Tatry Zachodnie, Rów Pod-tatrzański, Pasmo Gubałowskie, Kotlinę Orawsko-No-wotarską oraz Działy Orawskie [Korpak i in. 2008].

Czarny Dunajec jest rzeką znajdującą się na połu-dniu Polski w województwie małopolskim. Uważany jest za początkowy odcinek Dunajca, który stanowi prawy dopływ Wisły. Powierzchnia zlewni Czarne-go Dunajca wynosi 456 km², a jego długość 48 km. Za ciek źródłowy Czarnego Dunajca przyjmuje się Wyżni Chochołowski Potok, który wypływa pod Wo-łowcem w Tatrach Zachodnich na wysokości około 1500 m n.p.m. [Korpak i in. 2008]. W korycie Czar-nego Dunajca dominuje rumowisko granitowe i kwar-cytowe. W odcinku początkowym – do Chochołowa – procentowy udział granitoidów wzrasta; dalej ma-leje aż do Nowego Targu. Maksymalne wezbrania na Czarnym Dunajcu związane są z ciągłymi i gwałtow-nymi opadami letnimi, występującymi od czerwca do sierpnia. Największy przepływ wystąpił w 1934 r. – 870 m3 · s–1, a minimalny w 1964 r. – 0,85 m3 · s–1 [Korpak i in. 2008]. W korycie Czarnego Dunajca pro-wadzono intensywną eksploatację rumowiska. Proce-

der ten zaznaczył się po II wojnie światowej, a szcze-gólnie rozwinął się w latach 70. XX w., podobnie jak w innych korytach rzek karpackich. Eksploatacja odbywała się w sposób zorganizowany i za pomocą sprzętu mechanicznego lub w sposób niezorganizo-wany i bardziej rozproszony. Pobierano więc mate-riał żwirowy i głazowy z powierzchni łach lub cały materiał znajdujący się w korycie rzeki. W związku z eksploatacją rumowiska następowało likwidowanie opancerzenia koryta oraz jego pogłębianie w odcin-ku eksploatowanym. Zmiany te odzwierciedlały się w zwiększonej erozji wstecznej dna koryta na odcin-kach wyżej położonych [Korpak i in. 2008].

Badane narzuty kamienneW Nowym Targu zbadano narzuty kamienne w trzech miejscach (ryc. 5,6,7). Badane punkty zlokalizowane są (ryc. 8):• poniżej mostu na Kowańcu,• poniżej kładki koło Hali Lodowej,• poniżej mostu na ulicy Krakowskiej.

Wysokość narzutów wahała się od 0,8 m w miej-scach o najmniejszym kącie nachylenia do 1,6 m. Kąt nachylenia narzutów wynosił od 22° do 45°. W na-rzutach nie stwierdzono obecności filtra. Średnica ka-mieni w narzucie zawiera się w przedziale 0,24 m do 1,43 m.

Ogólny schemat budowy narzutów kamiennych w Nowym Targu obrazuje ryc. 4.

Ryc. 4. Schemat budowy brzegu wraz z narzutem kamiennym w miejscowości Nowy Targ na rzece Czarny DunajecFig. 4. Rip-rap in Nowy Targ on the Czarny Dunajec

Over-bank

Rip-rap

Gravel river bar

River bed

Water level



Ryc. 5. Narzut kamienny w pierwszym badanym punkcie (Nowy Targ, Czarny Dunajec)Fig. 5. Rip-rap in Nowy Targ, the Czarny Dunajec – point 1

Ryc. 6. Narzut kamienny w drugim badanym punkcie (Nowy Targ, Czarny Dunajec)Fig. 6. Rip-rap in Nowy Targ, the Czarny Dunajec – point 2



Ryc. 7. Narzut kamienny w trzecim badanym punkcie (Nowy Targ, Czarny Dunajec)Fig. 7. Rip-rap in Nowy Targ, the Czarny Dunajec – point 3

Szerokość koryta Czarnego Dunajca na terenie No-wego Targu wynosi 15–25 m. Powyżej narzutu znaj-duje się teras zalewowy silnie porośnięty roślinnością. Powyżej tarasów biegną równolegle do rzeki wały przeciwpowodziowe. Wysokość obszaru zalewowego ponad dno koryta mierzy od 1 do 3 m.

Metodyka badań

Badaniami objęto koryto Czarnego Dunajca (dopływu rzeki Dunajec). Metodyka opierała się na wyznacze-niu kilku stanowisk badawczych (ryc. 8) z narzutem kamiennym i łachą poniżej. Na każdym ze stanowisk został przeprowadzony szereg pomiarów granulome-trii wg metody Wolmana [1954]. Zostało zmierzone po 100 głazów w narzucie i 100 kamieni rumowiska w każdym badanym punkcie. Uwzględniając średni-ce została określona przynależność kolejnych próbek do odpowiednich klas wielkości. Następnie wykonane zostały krzywe granulometryczne. Na ich podstawie zostały sprawdzone warunki stabilności i przepusz-czalności narzutu. Kolejnym krokiem było obliczenie średnic charakterystycznych dla narzutu i ich analiza.

Średnicę charakterystyczną kamieni łamanych w narzucie – zakładając, że przepływ w korycie zmie-nia się stopniowo i jednostajnie – obliczono według wytycznych projektowych dla stanu Connecticut w USA (Drainage Manual Chapter 7 z 2000 r.):

gdzie: – średnica charakterystyczna, m, – średnia prędkość przepływu wody, m/s – średnia głębokość przepływu, m – współczynnik korekcyjny, obliczany jest ze

wzoru:

gdzie: – (theta) kąt ułożenia narzutu – (phi) kąt naturalnego usypania narzutu



Średnia głębokość i prędkość przepływu użyte w powyższym równaniu są mierzone w głównym ka-nale. Główny kanał określany jest jako obszar pomię-dzy brzegami (ryc. 9).

W celu zabezpieczenia brzegów rzeki przed eroz-ją może się okazać konieczne użycie dodatkowo filtra w narzucie kamiennym. Zapobiega on wymywaniu drobnego materiału ze szczelin w warstwie narzutu kamieni. W normalnych warunkach filtr konieczny jest tylko wtedy, gdy leżący pod warstwą narzutu ma-teriał jest bardzo niespójny (na przykład jednorodny piasek, muł) lub gdy potrzebny jest niezwykle wysoki współczynnik bezpieczeństwa. Zapotrzebowanie na filtr może być sprawdzone również przez warunki sta-bilności i przepuszczalności. Wartości średnic do wa-runków odczytywane są z krzywych granulometrycz-nych [Keller i Fowler 2005].

Warunek stabilności:

oraz

Warunek przepuszczalności:

D – średnica ziaren odczytywana z krzywych gra-nulometrycznych.

W przypadku, gdy zależność średnicy ziaren na-rzutu od materiału nabrzeżnego nie spełnia warunku, zachodzi potrzeba zastosowania filtru [Keller i Fow-ler 2005].

Ryc. 8. Fragment mapy Nowego Targu. Lokalizacja miejsc pobierania próbek [geoportal.gov.pl]Fig. 8. The part of the map of Nowy Targ with research points [geoportal.gov.pl]



WYNIKI BADAŃ I DYSKUSJA

W podrozdziale przedstawiono krzywe granulome-tryczne próbek materiału nabrzeżnego na łachach oraz kamieni w narzutach w trzech badanych punktach (ryc. 8). Średnice materiału nabrzeżnego w pierw-szym punkcie badań wahały się od 0,01 m do 0,105 m, w punkcie drugim od 0,017 do 0,081 m, w punkcie trzecim od 0,001 do 0,127 m. Średnice kamieni w na-rzutach w punkcie pierwszym zawierały się w prze-

dziale od 0,24 m do 1,3 m, w punkcie drugim 0,22÷1,4 m, w punkcie trzecim 0,25÷1,43 m.

W pierwszym badanym punkcie w materiale na-brzeżnym przeważał gruby żwir, najmniej było śred-nich kamieni (tab. 1). Udział frakcji grubego żwiru wynosił 57% (ryc. 10). W narzucie kamiennym domi-nował średni głaz, najmniej liczna była klasa wielko-ści bardzo dużych kamieni (tab. 2). Frakcja średniego głazu wynosi 68% (ryc. 12).

Tabela 1. Dane zebrane w punkcie pierwszym dla łachy (Kowaniec – Nowy Targ, Czarny Dunajec)Table 1. Gravel-river bar in point 1 data (Kowaniec – Nowy Targ, Czarny Dunajec)

Łacha 1 – River bar 1

liczba ziarenno. of grains

klasa wielkości name of a class

zakres wielkościrange

środek przedziału middle of class %

narastająco increasing

%

0 0 0

4 średni żwir 8–16 12 4% 4%

57 gruby żwir 16–32 24 57% 61%

34 bardzo gruby żwir 32–64 48 34% 95%

3 małe kamienie 64–90 77 3% 98%

2 średnie kamienie 90–128 109 2% 100%

suma 100

Ryc. 9. Schemat pokazujący główny kanał w korycie rzecznym [za: Drainage Manual Chapter7 2000]Fig. 9. A cross-section showing main river channel [after: Drainage Manual Chapter7 2000]



Ryc. 10. Udział frakcji dla łachy (Kowaniec – Nowy Targ, Czarny Dunajec)Fig. 10. Grain size analysis for gravel bar (Kowaniec – Nowy Targ, Czarny Dunajec)

4%

57%

34%

3% 2%0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

8–16 16–32 32–64 64–90 90–128

[mm]

[%]

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 20 40 60 80 100 120[mm]

[%]

Ryc. 11. Krzywa uziarnienia dla łachy (Kowaniec – Nowy Targ, Czarny Dunajec)Fig. 11. Grain-size curve for gravel bar (Kowaniec – Nowy Targ, Czarny Dunajec)

Tabela 2. Dane zebrane w punkcie pierwszym dla narzutu (Kowaniec – Nowy Targ, Czarny Dunajec)Table 2. Rip-rap in point 2 data (Kowaniec – Nowy Targ, Czarny Dunajec)

Narzut 1 – Rip-rap 1




środek przedziału

middle of class%

narastająco increasing

%

0 0 0

1 bardzo duży kamień 180–256 218 1% 1%

24 mały głaz 256–512 384 24% 25%

68 średni głaz 512–1024 768 68% 93%

7 duży głaz 1024–2048 1536 7% 100%

suma 100

Ryc. 12. Udział frakcji dla narzutu (Kowaniec – Nowy Targ, Czarny Dunajec)Fig. 12. Grain size analysis for rip-rap (Kowaniec – Nowy Targ, the Czarny Dunajec)

Ryc. 13. Krzywa uziarnienia dla narzutu (Kowaniec – Nowy Targ, Czarny Dunajec)Fig. 13. Grain-size curve for rip-rap (Kowaniec – Nowy Targ, Czarny Dunajec)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 500 1000 1500 2000

[mm]

[%]

1%

24%

68%

7%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

180–256 256–512 512–1024 1024–2048

[mm]

[%]



W drugim badanym punkcie w materiale nabrzeż-nym przeważał bardzo gruby żwir, najmniej było ma-łych kamieni (tab. 3). Udział frakcji bardzo grubego żwiru wynosił 67% (ryc. 14). W narzucie kamiennym

dominował średni głaz, najmniej liczna była klasa wielkości bardzo dużych kamieni (tab. 4). Frakcja średniego głazu wynosi 57% (ryc. 16).

Tabela 3. Dane zebrane w punkcie drugim dla łachy (Hala Lodowa – Nowy Targ, Czarny Dunajec)Table 3. Gravel-river bar in point 2 data (Hala Lodowa – Nowy Targ, the Czarny Dunajec)





środek przedziału middle of class

% narastającoincreasing

%

0 0 0

21 gruby żwir 16–32 24 21% 21%


12 małe kamienie 64–90 77 12% 100%

suma 100

Ryc. 14. Udział frakcji dla łachy (Hala Lodowa – Nowy Targ, Czarny Dunajec)Fig. 14. Grain size analysis for gravel bar (Hala Lodowa – Nowy Targ, the Czarny Dunajec)

Ryc. 15. Krzywa uziarnienia dla łachy (Hala Lodowa – Nowy Targ, Czarny Dunajec)Fig. 15. Grain-size curve for gravel bar (Hala Lodowa – Nowy Targ, Czarny Dunajec)

21%

67%

12%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

16-32 32-64 64-90

[mm]

[%]

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 20 40 60 80 100

[mm]

[%]



Tabela 4. Dane zebrane w punkcie drugim dla narzutu (Hala Lodowa – Nowy Targ, Czarny Dunajec)Table 4. Rip-rap in point 2 data (Hala Lodowa – Nowy Targ, the Czarny Dunajec)






narastającoincreasing

%

0 0 0


25 mały głaz 256–512 384 25% 28%

57 średni głaz 512–1024 768 57% 85%

15 duży głaz 1024–2048 1536 15% 100%

suma 100

Ryc. 16. Udział frakcji dla narzutu (Hala Lodowa – Nowy Targ, Czarny Dunajec)Fig. 16. Grain size analysis for rip-rap (Hala Lodowa – Nowy Targ, the Czarny Dunajec)

Ryc. 17. Krzywa uziarnienia dla narzutu (Hala Lodowa – Nowy Targ, Czarny Dunajec)Fig. 17. Grain-size curve for rip-rap (Hala Lodowa – Nowy Targ, Czarny Dunajec)

3%

25%

57%

15%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

180-256 256-512 512-1024 1024-2048

[mm]

[%]

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 500 1000 1500 2000

[mm]

[%]

W trzecim badanym punkcie w materiale nabrzeż-nym przeważał bardzo gruby żwir, najmniej było śred-niego żwiru (tab. 5). Udział frakcji bardzo grubego żwiru wynosił 60% (ryc. 18). W narzucie kamiennym

dominował średni głaz, najmniej liczna była klasa wielkości bardzo dużych kamieni (tab. 6). Frakcja średniego głazu wynosi 58% (ryc. 20).



Tabela 5. Dane zebrane w punkcie trzecim dla łachy (Krakowska – Nowy Targ, Czarny Dunajec)Table 5. Gravel-river bar in point 3 data (Krakowska – Nowy Targ, Czarny Dunajec)







0 0 0

2 średni żwir 8–16 12 2% 2%

20 gruby żwir 16–32 24 20% 22%


14 małe kamienie 64–90 77 14% 96%

4 średnie kamienie 90–128 109 4% 100%

suma 100

Ryc. 18. Udział frakcji dla łachy (Krakowska – Nowy Targ, Czarny Dunajec)Fig. 18. Grain size analysis for gravel bar (Krakowska – Nowy Targ, Czarny Dunajec)

Ryc. 19. Krzywa uziarnienia dla łachy (Krakowska – Nowy Targ, Czarny Dunajec)Fig. 19. Grain-size curve for gravel bar (Krakowska – Nowy Targ, Czarny Dunajec)

2%

20%

60%

14%

4%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

8-16 16-32 32-64 64-90 90-128

[mm]

[%]

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 20 40 60 80 100 120

[mm]

[%]

Tabela 6. Dane zebrane w punkcie trzecim dla narzutu (Krakowska – Nowy Targ, Czarny Dunajec)Table 6. Gravel-river bar in point 3 data (Krakowska – Nowy Targ, the Czarny Dunajec)






narastającoincreasing

%0 0 0


19 mały głaz 256–512 384 19% 20%

58 średni głaz 512–1024 768 58% 78%

22 duży głaz 1024–2048 1536 22% 100%

suma 100



Sporządzone krzywe granulometryczne posłużyły do sprawdzenia warunków stabilności i przepuszczal-ności (ryc. 11, 13, 15, 17, 19, 21).• Warunek stabilności 1

Obliczenie pierwszego warunku stabilności dało wyniki zestawione w tabeli 7.

Tabela 7. Zestawienie wyników obliczeń pierwszego wa-runku stabilności dla trzech badanych punktówTable 7. First condition of stability data

Lp.No.

D15(narzut – rip-rap)

mm

D85(rumowisko –

bed load)mm

D15/D85 ≤ 5

1 330 39 8,46

2 310 46 6,74

3 350 46 7,61

• Warunek stabilności 2

Obliczenie drugiego warunku stabilności dało wy-niki zestawione w tabeli 8.

Tabela 8. Zestawienie wyników obliczeń drugiego warun-ku stabilności dla trzech badanych punktówTable 8. Second condition of stability data

Lp.No.


mm

D50(rumowisko – bed

load)mm

D50/D50 ≤ 25

1 500 22 22,73

2 510 34 15,00

3 550 35 15,71

Ryc. 20. Udział frakcji dla narzutu (Krakowska – Nowy Targ, Czarny Dunajec)Fig. 20. Grain size analysis for rip-rap (Krakowska – Nowy Targ, the Czarny Dunajec)

Ryc. 21. Krzywa uziarnienia dla narzutu (Krakowska – Nowy Targ, Czarny Dunajec)Fig. 21. Grain-size curve for rip-rap (Krakowska – Nowy Targ, Czarny Dunajec)

1%

19%

58%

22%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

180-256 256-512 512-1024 1024-2048

[mm]

[%]

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 500 1000 1500 2000[mm]

[%]

• Warunek przepuszczalności

Obliczenie warunku przepuszczalności dało wyni-ki zestawione w tabeli 9.

Tabela 9. Zestawienie wyników obliczeń warunku prze-puszczalności dla trzech badanych punktówTable 9. The condition of permabilibitydata

Lp.No.


mm

D15(rumowisko – bed load)

mm

D15/D15 ≤ 5

1 330 17 19,412 310 21 14,763 350 21 16,67

Pierwszy warunek stabilizacji oraz warunek prze-puszczalności zostały przekroczone. Spełniony został tylko drugi warunek stabilizacji, potwierdził się dla każdego badanego punktu (tab. 10):

1. D50: obecnie 22 mm – powinno być 20 lub więcej

2. D50: obecnie 34 mm – powinno być 20,4 lub więcej

3. D50: obecnie 35 mm – powinno być 22 lub więcej

Pierwszy warunek stabilności został przekroczony o 1,74÷3,46. Aby warunek mógł zostać spełnion,y ka-mienie w rumowisku powinny być odpowiednio więk-sze (tab. 10):1. D85: obecnie 39 mm – powinno być 66 mm lub

więcej2. D85: obecnie 46 mm – powinno być 62 mm lub

więcej3. D85: obecnie 46 mm – powinno być 70 mm lub

więcej

Warunek przepuszczalności nie został spełniony dla żadnego z badanych punktów. Co więcej znacznie prze-kracza wyznaczony przedział (9,76÷14,41) (tab. 10):1. D15: obecnie 17 mm – powinno być 66 lub więcej 2. D15: obecnie 21 mm – powinno być 62 lub więcej3. D15: obecnie 21 mm – powinno być 70 lub więcej

W każdym z punktów badawczych zmie-rzono kąty nachylenia narzutu w sześciu miej-scach równych odstępach na całej długości i na tej podstawie wyliczono średnie kąty nachyle-nia narzutów. Kąty zawierają się w przedziale 31÷40° (tab. 11).

Uwzględniając średnie kąty nachylenia narzutu w poszczególnych punktach, można obliczyć średnice charakterystyczne narzutu kamiennego dla teoretycz-nych średnich prędkości przepływu oraz średniej głę-bokości napełnienia (tab. 12).

Tabela 10. Zestawienie wartości średnic wymaganych do spełnienia poszczególnych warunkówTable 10. Diameters of gravel for all conditions

Lp.No.

D85 (rumowisko – bed load) średnica minimalna minimum diameter

mm

D50 (rumowisko – bed load) średnica minimalna

minimum diametermm

D15 (rumowisko – bed load) średnica minimalna

minimum diametermm

1 66≤ 20≤ 66≤

2 62≤ 20,4≤ 62≤

3 70≤ 22≤ 70≤



Tabela 11. Zestawieniem kątów nachylenia narzutu w róż-nych punktach (kąt θ)Table 11. Inclination angles for rip-rap (θ)

Lp. – No. N1-θ, ° N2-θ, ° N3-θ, °

1 40 35 31

2 42 37 32

3 35 37 38

4 37 33 30

5 45 38 31

6 43 32 22

Średni kąt θ 40 35 31

Tabela 12. Zestawieniem średnic charakterystycznych dla narzutu kamiennego w zależności od przepływuTable 12. Rip-rap characteristic diameters dependly on di-scharge

Lp.No.

Vam · s–1

davgm θ, ° Φ, ° K1 D50

1

0,3 0,1

40 44 0,3792

0,002

0,6 0,5 0,008

0,9 0,7 0,022

1,2 1 0,044

1,5 1,2 0,078

2 1,4 0,172

2,5 1,5 0,325

3 1,6 0,543

3,5 1,7 0,837

4 1,8 1,214

4,5 1,9 1,682

5 2 2,249

5,5 2,1 2,921

6 2,2 3,705

6,5 2,3 4,607

7 2,4 5,633

7,5 2,5 6,788

8 2,6 8,078

2

0,3 0,1

35 44 0,5641

0,001

0,6 0,5 0,004

0,9 0,7 0,012

1,2 1 0,024

1,5 1,2 0,043

2 1,4 0,095

2,5 1,5 0,179

3 1,6 0,299

3,5 1,7 0,461

4 1,8 0,669

4,5 1,9 0,927

5 2 1,239

5,5 2,1 1,610

6 2,2 2,042

6,5 2,3 2,539

7 2,4 3,104

7,5 2,5 3,741

8 2,6 4,452

3

0,3 0,1

31 44 0,6710

0,001

0,6 0,5 0,003

0,9 0,7 0,009

1,2 1 0,019

1,5 1,2 0,033

2 1,4 0,073

2,5 1,5 0,138

3 1,6 0,231

3,5 1,7 0,355

4 1,8 0,515

4,5 1,9 0,714

5 2 0,955

5,5 2,1 1,241

6 2,2 1,574

6,5 2,3 1,957

7 2,4 2,393

7,5 2,5 2,883

8 2,6 3,431

Z wyników można wnioskować, że im większe prędkość przepływu i poziom napełnienia tym więk-sza jest średnica zastępcza dla narzutu. Na podstawie danych w poszczególnych punktach można stwier-dzić, że narzut został dobrany dla konkretnej prędko-ści przepływu i poziomu napełniania:1. D50: 500 mm – V = 3 m · s–1; d = 1,6 m2. D50: 510 mm – V = 4 m · s–1; d = 1,8 m3. D50: 550 mm – V = 4 m · s–1; d = 1,8 m

WNIOSKI

1. Istnieje zależność pomiędzy średnią prędkością przepływu, napełnieniem, kątem nachylenia, a średnicą charakterystyczną narzutu. Im więk-sza średnia prędkość przepływu, napełnienie i kąt tym większa średnica charakterystyczna kamieni w narzucie.

2. Biorąc pod uwagę średnicę kamieni w istnieją-cych narzutach można stwierdzić iż zostały one zaprojektowane dla średniej prędkości przepływu 3÷4 m · s–1 oraz dla napełnienia 1,6÷1,8 m.

3. Po sprawdzeniu warunków stabilności i prze-puszczalności dla narzutu kamiennego można stwierdzić, że konieczne byłoby użycie podsyp-ki filtracyjnej lub geowłókniny, które nie zostały wprowadzone do konstrukcji w terenie.

4. Brak filtru może być przyczyną niedostatecz-nej ochrony brzegu przed rozmyciem (sufozja), co skutkuje z reguły utratą stabilności narzutu i zwiększoną erozją (wyparcie narzutu).

5. Narzut kamienny został zaprojektowany dla śred-niej prędkości przepływu, zakładając maksymal-nie v = 4 m · s–1. Większa maksymalna prędkość przepływu może przyczynić się do oderwania na-rzutu.

PIŚMIENNICTWO

Drainage Manual, Chapter 7, http://www.ct.gov/dot/cwp/view.asp?a=3200&q=260100 (dostęp: 08.09.2016).

Fragment mapy Nowego Targu, www.geoportal.gov.pl (do-stęp: 08.09.2016).

Jędryka, E. (2007). Budowle wodne z naturalnych materia-łów. Woda Środ. Obsz. Wiej., 7, 2b(21), 55—74.

Jędryka, E., Kamińska, A. (2007). Małe budowle wodne z gabionów – charakterystyka i badania wstępne. Woda Środ. Obsz. Wiej., 4, 2a(11), 95–110.

Keller, R.J., Fowler, K. (2005). Guidelines for the Design of River Bank Stability and Protection using RIP-RAP. Catchment Hydrology, Australia, 15–19

Korpak, J., Krzemień, K., Radecki-Pawlik, A. (2008). Wpływ czynników antropogenicznych na zmiany koryt cieków karpackich. Infrastr. Ekol. Ter. Wiej., 4, 13–15

Lagasse, P.F., Clopper, P.E., Zevenbergen, L.W., Ruff, J.F. (2006). Riprap Deisgn Criteria, Recommended Speci-fications, and Quality Control. Ayres Associates Inc., Washington.

Molski, T., Parylak, K. (1997). Badania geotechniczne i analizy warunków stateczności obwałowań kanału derywacyjnego i zbiornika wyrównawczego zakładów energetycznych w Dychowie. Instytut Inżynierii Środo-wiska AR, Wrocław.

Molski, T. (2010). Wpływ warunków filtracji naporowej na stateczność ziemnych budowli hydrotechnicznych i podłoża. Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego, Wrocław.

Narzut kamienny, www.lapanow.pl/images/.../narzut_ka-mienny.doc (dostęp: 08.09.2016).

Philip, L.F., Ligget, J.A. (1979). Boundary Solutions to Two Problems in Porous Media. J. Hydraulies Division ASCE, 105, No HY3, March.

Pisarczyk, S. (2001). Gruntoznawstwo inżynierskie. Wy-dawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.

Wiłun, Z. (1982). Zarys geotechniki. WKiŁ, Warszawa.Wolman, M.J. (1954). A method of sampling coarse river

bed material. Trans. Am. Geophys. Union, 35, 951–956.Wyżga, B., Zawiejska, J., Radecki-Pawlik, A., Amirowicz,

A. (2008). Ocena hydromorfologicznej jakości rze-ki górskiej na przykładzie Czarnego Dunajca. Instytut Ochrony Przyrody, Kraków.

Zaczkiewicz, K. (2013). Anatomia wielkiej rzeki – opaski, http://www.mikado.pl/anatomia-wielkiej-rzeki-opaski.

Żak, S. (2003). Właściwości hydrogeologiczne skał – wza-jemne relacje. Mat. XI Symp. „Współczesne problemy hydrogeologii”, cz. I. Gdańsk.

Żak, S., Ossowski, J. (1995). Wpływ ciśnienia spływowego na właściwości gruntów spoistych. [W:] Współczesne problemy hydrogeologii. T. 7, cz. II. AGH, Kraków – Krynica.

Żbikowski, A. (1962). Małe budowle wodne. Cz. I: Jazy i zapory. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.



RIP-RAP EXPLOITATION AND DESIGNING PROBLEMS: THE CZARNY DUNAJEC CASE STUDY

ABSTRACT

All works related to the maintenance of mountain rivers engineering structures especially to river banks pro-tection works are very important in river engineering and flood protection works. The selection of appropriate hydraulic structures depends on many factors. When designing, one should take into account, among others, the type of soil, hydrodynamic conditions, atmospheric phenomena and chemical state of water. Examples of hydraulic structures are: weirs, gabions, rip-rap, boulder ramps etc. This paper discusses the methods of river bank protection, which is rip-rap. We test the quality of the filter material used for rip-rap. If not appropriate material for rip-rap is used very often rip-rap suffers failture. For this paper we have chosen three rip-raps on the Czarny Dunajec river in Nowy Targ. A number of granulometry measurements were carried out at each station. Two stability conditions and a permeability condition were tested.

Key words: rip-rap, mountain river, gravel filter

Acta Sci. Pol. Formatio Circumiectus 17 1 2018 189207 · 2018. 5. 8. · Narzuty mogą być...

Documents

Transcript of Acta Sci. Pol. Formatio Circumiectus 17 1 2018 189207 · 2018. 5. 8. · Narzuty mogą być...