Geologiczno-in¿ynierskie i geomorfologiczne uwarunkowania erozji w¹wozowej
w lessach w rejonie Kazimierza Dolnego (w¹wóz Opolska Droga)
Zbigniew Frankowski*, Dariusz Grabowski*
Engineering-geological and geomorphological conditions of gully erosion in loess depos-its in the Kazimierz Dolny area (Opolska Droga Gully). Prz. Geol., 54: 777–783.
S u m m a r y. . The article presents the problem of intense erosion in loess gullies in the locality Kazimierz Dolny. Primary reasons for such a quick development of gullies are: lithogenetic and physical-mechanical characteristics of loess, geomorphological and climatic conditions of the region and also human activity. Gully erosion impedes rural activity and communication in the area and causes considerable damages to local roads. In one of the loess gullies typical for the region, called ,,Opolska Droga” near Kwaskowa Góra, physical and mechanical parameters were examined by field and laboratory tests. The results revealed a clear correla-tion: shear strength of loess considerably decreases when its natural moisture content increases. What is also important, the structure of loess — loose soil skeleton mostly built of quartz and small amount of cementing clay particles — is prone to erosion. Thus, its adverse susceptibility to influence of water occurs to be primary reason of intensive gully erosion development in the area of Na³êczów Plateau . Additionally, geomorphological and climatic conditions, together with human rural activity (often using gullies as local ways of road transport) result in faster erosion development and, in effect, they lead to disastrous results like those that took place in the region dur-ing extreme rainfalls some years ago. Any stabilizdur-ing engineerdur-ing works within loess gullies should be preceded by appropriately designed system for the regulation of run-off in the drainage area.
Key words: loess gully erosion, shear strength and natural moisture content in loess
Intensywne procesy erozji gleb, a w szczególnoœci ero-zji w rejonach pokrytych osadami ma³o odpornymi (lessa-mi), s¹ na obszarze Polski znane powszechnie z terenu Wy¿yny Lubelskiej, a zw³aszcza w mezoregionie P³asko-wy¿u Na³êczowskiego (Maruszczak, 1973; Maruszczak i in., 1984; Maruszczak, 1986; Gardziel i in., 1996; Zg³obic-ki, 1998). Procesy te uwarunkowane s¹ lokalnymi czynni-kami morfologicznymi i wystêpowaniem mi¹¿szej pokrywy lessowej z silnie rozwiniêt¹ sieci¹ w¹wozów.
P³askowy¿ Na³êczowski obejmuje obszar zbli¿ony kszta³tem do równoleg³oboku o d³u¿szej osi ok. 45 km i szerokoœci 10–13 km, ograniczony dolinami Wis³y (od zachodu) i Bystrzycy (od wschodu) oraz krawêdziami mor-fologicznymi (od pó³nocy i po³udnia). Orientacja osi i kra-wêdzi p³askowy¿u jest zbli¿ona do kierunku WNW–ESE. Powierzchnia p³askowy¿u, nadbudowana utworami czwar-torzêdowymi, w obrêbie których najwiêksze rozprzestrze-nienie maj¹ lessy, wznosi siê œrednio 200–230 m n.p.m. Jednoczeœnie jest to obszar znacznych deniwelacji terenu: w pó³nocnej czêœci obejmuj¹cej krawêdŸ Wy¿yny Lubelskiej wynosz¹ one 40–45 m, wewn¹trz p³askowy¿u osi¹gaj¹ 30 m, a w czêœci zachodniej obejmuj¹cej zbocza doliny Wis³y — dochodz¹ do 90–100 m.
P³askowy¿ Na³êczowski wyró¿nia siê spoœród pozo-sta³ych mezoregionów Wy¿yny Lubelskiej mi¹¿sz¹ pokryw¹ lessow¹ (œrednio ok. 15 m, maksymalnie ponad 30 m) porozcinan¹ licznymi i g³êbokimi w¹wozami (Dowgia³³o, 1981; Burczyñski i in., 2005). Œrednia gêstoœæ sieci tych w¹wozów wynosi ok. 5 km/km2
, ale w czêœci zachodniej p³askowy¿u dochodzi nawet do 11 km/km2— jest to wartoœæ ekstremalna nawet w skali Europy (Marusz-czak, 1973; Harasimiuk & Henkiel, 1978). Podobna gêstoœæ sieci w¹wozów drogowych (> 5 km/km2
) w
obrê-bie pokrywy lessowej wystêpuje jedynie na obszarze miê-dzy Janowem Lubelskim a Zamoœciem.
Znaczn¹ czêœæ tych w¹wozów, o przewa¿aj¹cej roz-ci¹g³oœci zgodnej z kierunkiem nachylenia stoku, stanowi¹ drogi u¿ytkowane rolniczo, na których odbywa siê okreso-wy ruch ko³ookreso-wy. Jednoczeœnie te same w¹wozy drogowe s¹ wykorzystywane przez sp³yw wód powierzchniowych, odbywaj¹cy siê w czasie okresów deszczowych i roztopów zimowo-wiosennych. W czasie intensywnych i gwa³tow-nych opadów ukierunkowany sp³yw wód powoduje siln¹ erozjê œcian i dna w¹wozów oraz wynoszenie znacznych iloœci materia³u lessowego, akumulowanego najczêœciej u wylotu w¹wozu (Zg³obicki, 1998, 2002). W wielu przy-padkach procesy erozyjne prowadz¹ do znacznych prze-kszta³ceñ i zniszczeñ w obrêbie samego w¹wozu (powstawanie bruzd i rozciêæ, pog³êbianie dna, osuwanie siê œcian), niejednokrotnie wy³¹czaj¹c go na pewien czas z u¿ytkowania drogowego. Równoczeœnie materia³ wyno-szony z w¹wozów stanowi bardzo du¿e zagro¿enie dla ruchu ko³owego odbywaj¹cego siê na szosach, prowadz¹c w ekstremalnych przypadkach do powa¿nych uszkodzeñ i zniszczeñ odcinków jezdni po³o¿onych najbli¿ej wylotu w¹wozu.
Procesy erozji w¹wozowej s¹ powa¿nym utrudnieniem dla funkcjonowania lokalnej spo³ecznoœci, zw³aszcza dla rolników u¿ytkuj¹cych pola, znajduj¹ce siê pomiêdzy w¹wozami drogowymi. Procesy te prowadz¹ z jednej stro-ny do znacznego ograniczenia, a nawet ca³kowitego wy³¹czenia najsilniej erodowanych w¹wozów z u¿ytko-wych funkcji komunikacyjnych, jakie pe³ni¹ na tym obsza-rze, z drugiej strony stopniowo ograniczaj¹ (zmniejszaj¹) powierzchnie pól uprawnych.
G³ówne przyczyny erozji w¹wozowej
Obszar P³askowy¿u Na³êczowskiego jest terenem, gdzie intensywnoœæ i szybkoœæ procesów erozji w¹wozo-wej zachodzi na bardzo du¿¹ skalê. Œrednie roczne tempo *Pañstwowy Instytut Geologiczny, ul. Rakowiecka 4,
00-975 Warszawa; zbigniew.frankowski@pgi.gov.pl; dariusz.grabowski@pgi.gov.pl
pog³êbiania w¹wozów drogowych wynosi ok. 4,5 cm/rok, a wartoœæ ta zmienia siê w zakresie 2–9 cm/rok (Nowocieñ, 1996; Rodzik i in., 1996). Takie wskaŸniki wielkoœci erozji nale¿¹ do najwiêkszych w skali wy¿ynnych obszarów europejskich (Maruszczak, 1973). W innych obszarach lessowych zarówno w Polsce, jak i w Europie, procesy erozji w¹wozowej zachodz¹ na znacznie mniejsz¹ skalê.
G³ówne przyczyny intensywnej erozji w¹wozowej na obszarze P³askowy¿u Na³êczowskiego s¹ wynikiem trzech podstawowych czynników:
1) cech litogenetycznych i fizyczno-mechanicznych samego lessu;
2) specyfiki geograficznej omawianego obszaru; 3) dzia³alnoœci cz³owieka.
Lessy P³askowy¿u Na³êczowskiego charakteryzuj¹ siê bardzo wysok¹ zawartoœci¹ frakcji py³owej (œrednio ok. 70%) oraz wzglêdnie nisk¹ zawartoœci¹ frakcji i³owej (œrednio 10–15%) i wêglanu wapnia (œrednio 4–7%), co powoduje ma³¹ spoistoœæ osadu (Dowgia³³o, 1981; Bura-czyñski i in., 2005). Wymienione cechy, w po³¹czeniu ze znaczn¹ mi¹¿szoœci¹ (20–30 m) pokryw lessowych, oraz z cechami fizycznymi i mechanicznymi, które ulegaj¹ zasad-niczym zmianom ze wzrostem wilgotnoœci oœrodka grunto-wego, powoduj¹, ¿e odpornoœæ lessów na dzia³anie czynników erozyjnych jest bardzo ma³a.
Przy omawianiu powstawania i rozwoju w¹wozów w strefach krawêdziowych wysoczyzn zbudowanych z lessów konieczne jest przedstawienie specyficznych w³aœciwoœci tych gruntów. Lessy jako subaeralny osad py³owy pochodzenia eolicznego wyró¿niaj¹ siê specyficz-nymi cechami litogenetyczspecyficz-nymi. Wykszta³cenie tych cech jest zwi¹zane bezpoœrednio z akumulacj¹ lessu na obsza-rach zmarzliny plejstoceñskiej w strefie peryglacjalnej przedpola l¹dolodów (Liszkowski, 1994). Z punktu widze-nia charakterystyki do wa¿nych elementów nale¿¹: geneza, typ litologiczny, sk³ad mineralny i uziarnienie, struktura i typy wi¹zañ oraz cechy fizyczne i mechaniczne. Do cech fizycznych wyró¿niaj¹cych lessy z innych osadów nale¿¹: — ma³a wilgotnoœæ naturalna w profilach pionowych, — du¿a porowatoœæ,
— nietrwa³a struktura, — szybkie rozmakanie,
— ma³a gêstoœæ objêtoœciowa szkieletu gruntowego.
W przypadku cech mechanicznych istotna jest du¿a wytrzyma³oœæ lessów w warunkach niewielkiej wilgotnoœci oraz szybki spadek wytrzyma³oœci tych gruntów w wyniku zmian ich stanu i/lub struktury.
Na obszarze P³askowy¿u Na³êczow-skiego w rejonach wystêpowania gêstej sie-ci w¹wozów znaczne rozprzestrzenienie i mi¹¿szoœæ maj¹ lessy najm³odsze, które stra-tygraficznie zaliczono do lessów m³odszych górnych — LMg (Maruszczak, 1991).
Wyniki badañ polowych i laboratoryjnych
Geologiczno-in¿ynierskie badania lessów wystêpuj¹cych na Wy¿ynie Lubel-skiej by³y prowadzone przez Pañstwowy Instytut Geologiczny w okresie kilkunastu lat. Badaniami objêto g³ównie lessy m³odsze (LM), a szczególnie du¿o uwagi poœwiêcono lessom m³odszym górnym (LMg), gdy¿ stanowi¹ pod³o¿e ró¿nych obiektów budow-lanych. W rejonach tych badañ w Kazimierzu Dolnym na Kwaskowej Górze przeprowadzono w kilku okresach wie-loma metodami polowymi szerok¹ ocenê geologicz-no-in¿yniersk¹ lessów. Kompleksowymi badaniami objêty by³ tak¿e w¹wóz Opolska Droga — punkty badawcze by³y po³o¿one w obrêbie w¹wozu i w odleg³oœci kilkunastu metrów od jego œcian (ryc. 1).
Badania lessów wskazuj¹, ¿e podstawowym elemen-tem strukturalnym tych utworów s¹ ziarna i agregaty sk³adaj¹ce siê z cz¹stek py³owych, ilastych i koloidalnych zespolonych wi¹zaniami koagulacyjno-cementacyjnymi (Grabowska-Olszewska, 1988, 1998). Wêglan wapnia jest g³ównym sk³adnikiem cementuj¹cym cz¹stki, a minera³y ilaste i cz¹stki koloidalne g³ównym koagulantem. Udzia³ frakcji agregatowej odpowiadaj¹cej frakcji py³owej wynosi od ok. 67 do ok. 77% (Myœliñska, 2004). Wymiary agrega-tów najczêœciej maj¹ wielkoœæ odpowiadaj¹c¹ frakcji py³owej oraz w niewielkim procencie odpowiadaj¹ piaskom drobnym. W lessach o wiêkszym udziale agregatów zawar-toœci frakcji grubopy³owej (0,06–0,02 mm wg BS 1377) i piaskowej wzrastaj¹.
Lessy maj¹ mikrostrukturê szkieletow¹, co spowodo-wane jest du¿¹ zawartoœci¹ cz¹stek py³owych o wymiarach 0,02–0,05 mm. Udzia³ tej frakcji (zwanej frakcj¹ „lessow¹”) w lessach czêsto wynosi ponad 50%. Mikrostruktura ta charakteryzuje siê luŸnym szkieletem o równomiernych porach (Grabowska-Olszewska, 1988). Szkielet jest zbu-dowany z ziaren kwarcu, skaleni i minera³ów ilastych oraz wêglanu wapnia i tlenków ¿elaza.
Zró¿nicowanie zawartoœci wêglanu wapnia wystêpuje zarówno z g³êbokoœci¹, jak i przestrzennie. Wêglany, jako zwi¹zki rozpuszczalne w wodzie, s¹ ³atwo wymywane z pierwotnych poziomów. Powstaj¹ strefy odwapnienia o mi¹¿szoœci nawet do kilku metrów. Zmiany w zawartoœci wêglanów zachodz¹ równie¿ podczas procesów glebo-wych (wietrzenioglebo-wych). Zawartoœæ wêglanu wapnia w nie-zwietrza³ych lessach na Wy¿ynie Lubelskiej zmienia siê od 2 do 20%, przy najczêœciej wystêpuj¹cych wartoœciach od 5 do 8%.
Do oceny parametrów fizyczno-mechanicznych lessów zastosowano m.in. badania radiometryczne, sondo-wania dynamiczne i statyczne oraz sond¹ krzy¿akow¹. W
punkty w obrêbie w¹wozu
points within the gully
punkty poza w¹wozem
points aside from gully
granica obszaru badañ
research area 1 J F E D B C A 4 3 2
Góra
Kwaskowa
G H WARSZAWARyc. 1. Lokalizacja terenu badañ Fig. 1. Location of the study area
profilach pionowych do g³êbokoœci ok. 10–11 m pomiara-mi izotopowypomiara-mi w odstêpach 0,20 m okreœlono wartoœci gêstoœci objêtoœciowej (D) i wilgotnoœci objêtoœciowej (wo).
Na podstawieD i wowyznaczonych metodami
radiome-trycznymi, przy przyjêciu dla lessów wykszta³conych jako py³y i gliny pylaste gêstoœci w³aœciwej szkieletu gruntowe-goDs= 2,67 Mg/m
3
, obliczono wartoœci wskaŸnika poro-watoœci i stopnia wilgotnoœci (Borowczyk & Frankowski, 1979). Sondowania dynamiczne wykonano sond¹ lekk¹ (DPL), a sondowania statyczne sond¹ CPT szwedzkiej fir-my Borro.
Wytrzyma³oœæ na œcinanie lessów okreœlono za pomoc¹ sondy krzy¿akowej (FVT). Badania przeprowadzono koñcówk¹ krzy¿akow¹ o œrednicy 40 mm i wysokoœci 80 mm. Prêdkoœæ obrotu koñcówki krzy¿akowej by³a sta³a i wynosi³a 5°/min.
Do badañ laboratoryjnych próbki gruntu o nienaruszo-nej strukturze pobrano cienkoœciennymi cylindrami (gru-boœæ œcianki cylindra 1 mm).
Jedn¹ z wa¿niejszych cech lessów jest ich uziarnienie. Lessy wysoczyznowe (wierzchowinowe) Kwaskowej
Góry pod wzglêdem granulometrycznym s¹ wykszta³cone g³ównie jako py³y, a w g³êbszych poziomach jako gliny pylaste (zgodnie z klasyfikacj¹ wg polskiej normy PN–86/B–02480). Zró¿nicowanie uziarnienia badanych lessów przedstawiono na ryc. 2, opracowanej na podstawie 78 analiz areometrycznych. Najwiêkszy procentowy udzia³ ma frakcja py³owa (0,002–0,05 mm wg PN–86/B–02480). Z histogramu (ryc. 3a) wynika, ¿e du¿a zawartoœæ frakcji py³owej w przedziale 75–80% jest naj-czêstsza w badanych próbkach lessu. Udzia³ pozosta³ych frakcji jest znacznie mniejszy. Œrednia zawartoœæ frakcji i³owej wynosi³a 7,6%, a frakcji piaskowej 13,3% (tab. 1). W badanych profilach nie stwierdzono wystêpowania war-stewek lub soczewek piasków. Jedynie w stropowej czêœci pokrywy lessowej w strefie g³êbokoœci od powierzchni do 1,0 m wystêpowa³y warstewki piasku pylastego o mi¹¿szo-œci od 1,0 do 2,0 cm.
Na w³aœciwoœci lessów istotny wp³yw ma wilgotnoœæ naturalna. W punktach badawczych w rejonie w¹wozu wil-gotnoœæ oznaczono metod¹ radiometryczn¹ oraz na prób-kach gruntu w laboratorium. Na podstawie wartoœci wilgotnoœci objêtoœciowej uzyskanej z pomiarów metod¹ radiometryczn¹ obliczono wilgotnoœæ naturaln¹. W rejonie Kwaskowej Góry wilgotnoœæ ta zmienia³a siê w przedziale od 7,7 do 22,8%, a œrednio 12,5% (ryc. 3b, tab. 1).
Lessy wysoczyznowe o ma³ej wilgotnoœci naturalnej (wn) charakteryzuj¹ siê najwiêkszymi parametrami
wytrzy-ma³oœciowymi. Zmiennoœæ wartoœci wilgotnoœci natural-nej i wytrzyma³oœci na œcinanie (Jf) okreœlonej sonda
krzy¿akow¹ (FVT) w profilach pionowych przedstawiono na ryc. 4. W punktach A i J po³o¿onych w w¹wozie zazna-czaj¹ siê strefy o podwy¿szonej wilgotnoœci (ryc. 1). W punkcie A od 4 do 8 m, a w punkcie J od 2 do 4 m. Pomiary wytrzyma³oœci na œcinanie sond¹ krzy¿akow¹ wykaza³y wystêpowanie wyraŸnego obni¿enia wytrzyma³oœci lessu w strefach zawilgoconych. W punktach E i F zlokalizowa-nych poza w¹wozem, przy wilgotnoœci naturalnej lessu od 7 do 18%, nie zaznacza siê obni¿enie wartoœci wytrzy-ma³oœci na œcinanie.
Wykonane przy punktach badawczych A, J, E i F son-dowania dynamiczne sond¹ DPL i statyczne sond¹ CPT (ryc. 5) wykaza³y podobn¹ reakcjê na zmiany wilgotnoœci naturalnej jak uzyskano sond¹ krzy¿akow¹ (ryc. 4). War-toœci liczby uderzeñ (N10) sondy DPL i oporu sto¿ka (qc)
sondy CPT s¹ wyraŸnie mniejsze w punktach A i J ni¿ w E i F. W punkcie E badania sondami FVT, CPT i DPL wyka-za³y znaczn¹ wytrzyma³oœæ lessu w warunkach naturalnej wilgotnoœci wynosz¹cej od 7 do 12%. 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0,2 0,5 0,1 0,05 0,02 0,01 0,005 0,002 F R A K C J E F R A C T I O N S piaskowa sand py³owa silt i³owa clay zawartoœæ cz¹stek o œrednicy mniejszej ni¿ "d" percentage of particles diameter smaller than "d"
œrednica zastêpcza ziarna (cz¹stki) – d (mm)
diameter of sphere – d (mm) 0,001 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% zawartoœæ cz¹stek o œrednicy wiêkszej ni¿ "d" percentage of particles diameter bigger than "d"
Ryc. 2. Zró¿nicowanie uziarnienia lessów m³odszych (LM) w rejonie Kwaskowej Góry
Fig. 2. Variability in grain size distribution in younger less (LM) in the locality Kwaskowa Góra
65 70 75 80 85 90 95 0 5 10 15 20 25 30 licze b noœæ number of samples liczebnoœæ number of samples liczebnoœæ number of samples frakcja py³owa [%] silt fraction [%] a 0 10 20 30 40 50 60 70 25 23 21 19 17 15 13 11 wilgotnoœæ naturalna [%]
natural moisture content [%]
7 9 b 1,35 1,40 1,45 1,50 1,55 1,60 1,65 1,70 1,75 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
gêstoœæ objêtoœciowa szkieletu gruntowego [Mg/m ]3
dry density [Mg/m ]3 c
Ryc. 3. Histogramy wartoœci frakcji py³owej (a), gêstoœci objêtoœciowej szkieletu gruntowego (b) i wilgotnoœci natural-nej (c)
Na rycinie 6 przedstawiono zale¿noœæ wytrzyma³oœci na œcinanie z sondy krzy¿ako-wej od wilgotnoœci naturalnej. Wartoœci wytrzyma³oœci na œcinanieJf) pomierzone w 9
punktach sond¹ krzy¿akow¹ wynosi³y od 0,051 do 0,211 MPa. Na próbkach gruntu pobranych z poziomów, na których wykonano pomiary sond¹ krzy¿akow¹ oznaczono wil-gotnoœæ w laboratorium. Pomimo doœæ znacz-nego rozrzutu punktów wyraŸna jest zale¿noœæ miêdzy obu mierzonymi cechami.
W funkcji g³êbokoœci pokazano zmiany stopnia wilgotnoœci (Sr) w punktach
wykona-nych w w¹wozie oraz w punktach oddalowykona-nych kilkanaœcie metrów od niego (ryc. 7). Wartoœci stopnia wilgotnoœci w w¹wozie (pkt. B, C, D, 3 i 4) zmieniaj¹ siê od 0,45 do 0,7 w strefie g³êbokoœci do oko³o 4 m, a g³êbiej dochodz¹ do Srbliskiego wartoœci 1,0. WyraŸnie
zazna-cza siê wp³yw wód opadowych okresowo p³yn¹cych w¹wozem. W punktach zlokalizo-wanych poza w¹wozem (pkt. E, H, F, G, 1 i 2) stopieñ wilgotnoœci wynosi od 0,3 do 0,6 w strefie g³êbokoœci do ok. 11 m, a jedynie w niektórych punktach jest wy¿szy.
Badania terenowe i laboratoryjne wyka-za³y, ¿e lessy o wysokiej porowatoœci ogólnej szybko reaguj¹ na wodê. Charakterystykê porowatoœci lessów wystêpuj¹cych na Kwaskowej Górze przedstawiono w postaci wykresów wartoœci wskaŸnika porowatoœci (e). Na ryc. 8 przedstawiono wartoœci wska-Ÿnika porowatoœci w punktach po³o¿onych w b 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 5 10 15 20 25 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 w –n punkt Epoint E w –n punkt Fpoint F τf –punkt Epoint E τf –punkt Fpoint F 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 5 10 15 20 25 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 g³êbokoœæ [m] depth [m] g³êbokoœæ [m] depth [m] wilgotnoœæ naturalna w [%]n
natural moisture content w [%]n
wilgotnoϾ naturalna w [%]n
natural moisture content w [%]n
a
wytrzyma³oœæ na œcinanie f [MPa]τ τ
shear strenght f [MPa] wytrzyma³oœæ na œcinanie f [MPa]
τ τ
shear strenght f [MPa]
w –n punkt Apoint A
w –n punkt Jpoint J
τf –punkt Apoint A
τf –punkt Jpoint J
Ryc. 4. Zmiennoœæ wartoœci wytrzyma³oœci na œcinanie i wilgotnoœci naturalnej z g³êbokoœci¹; a) w w¹wozie, b) poza w¹wozem
Fig. 4. Dependence of shear strength and natural moisture content on depth; a) in the gully, b) aside from gully
Miary zmiennoœci Measures of variability Parametr Parameter fp (%) fB (%) fi (%) wn (%) D d (Mg/m3) Sr (–) e (–) wL (%) wp (%) J f (MPa) min min 4,0 65,0 3,0 7,2 1,39 0,21 0,49 23,8 18,6 0,031 max max 19,0 93,0 15,0 25,8 1,73 0,99 1,27 32,7 24,7 0,245 œrednia average 13,3 79,1 7,6 12,5 1,58 0,48 0,70 26,5 20,6 0,118 odchylenie standardowe standard deviation 7,7 6,8 3,5 3,0 0,08 0,14 0,12 2,3 1,1 0,046 mediana median 13,5 78,0 7,0 12,2 1,60 0,45 0,67 25,7 20,8 0,112 liczba oznaczeñ number of tests 78 78 78 169 157 187 187 25 25 143
Tab. 1. Parametry fizyczno-mechaniczne lessów m³odszych górnych w rejonie Kwaskowej Góry. Symbole: fp – frakcja piaskowa, fð— frakcja py³owa, fi— frakcja ilasta, wn — wilgotnoœæ naturalna, ñd— gêstoœæ objêtoœciowa szkieletu gruntowego, Sr—stopieñ wilgotnoœci, e —wskaŸnik porowatoœci, wL—granica p³ynnoœci, wP—granica plastycznoœci, ôf
—wytrzyma³oœæ na œcinanie
Table 1. Physical and mechanical parametres of upper younger loess in locality of Kwaskowa Mountain. Symbols:fp—sand-size
grains, fð—silt-size particles, fi—clay fraction, wn—natural moisture content,ñd—dry density, Sr—degree of saturation, e —
w¹wozie i poza nim. Lini¹ przerywan¹ zaznaczono warto-œci wskaŸnika porowatowarto-œci e = 0,72 , która odpowiada porowatoœci 42%. Znaczna liczba badañ wykaza³a, ¿e lessy wykszta³cone jako py³y (wg klasyfikacji PN–86/B–02480), o stopniu wilgotnoœci Sr< 0,6 i porowatoœci > 42% mog¹
charakteryzowaæ siê struktur¹ nietrwa³¹ (Borowczyk & Frankowski, 1979; Frankowski, 1979). W lessach o struk-turze nietrwa³ej pod wp³ywem wody nastêpuje gwa³towny spadek wytrzyma³oœci na œcinanie i bardzo szybki rozwój deformacji objêtoœciowych.
Do charakterystycznych cech lessu zaliczana jest przez wielu badaczy gêstoœæ objêtoœciowa szkieletu gruntowego (Dd). Parametr ten okreœlono za pomoc¹ pomiarów
izotopo-wych i oznaczeñ w laboratorium. Zmiennoœæ gêstoœci objê-toœciowej szkieletu gruntowego lessów w rejonie w¹wozu na Kwaskowej Górze przedstawiono na histogramie (ryc. 3c). WartoœciDdz punktów badawczych po³o¿onych w
oto-czeniu w¹wozu wynosi³y od 1,42 do 1,67 Mg/m3, a w punktach po³o¿onych w w¹wozie od 1,62 do 1,75 Mg/m3. WartoœciDd< 1,6 Mg/m
3
s¹ charakterystyczne dla lessów o wilgotnoœci poni¿ej 13%.
Analiza wyników badañ
W³aœciwoœci fizyczno-mechaniczne lessu s¹ decy-duj¹cym elementem w procesach odkszta³ceñ tego oœrod-ka gruntowego pod wp³ywem opadów atmosferycznych. Istotn¹ cech¹ jest bardzo ma³a odpornoœæ lessu na oddzia³ywanie wód. Wi¹¿e siê ona z mikrostruktur¹ szkieletow¹ lessów, która stanowi luŸny szkielet zbudo-wany z ziaren frakcji py³owej, g³ównie kwarcu. Udzia³ cz¹stek ilastych jest niewielki i s¹ nierównomiernie roz³o¿one. £¹cz¹ ziarna i agregaty za pomoc¹ tzw. most-ków (Grabowska-Olszewska, 1988). Powoduje to, ¿e wi¹zania miêdzy elementami strukturalnymi s¹ typu koagulacyjnego. W warunkach nasycenia lessu wod¹ wi¹zania te ³atwo ulegaj¹ niszczeniu, wystêpuje szybki rozwój deformacji struktury gruntu a¿ do up³ynnienia. Badania szybkoœci rozmakania kostek lessu (py³y) o wymiarach 5 × 5 × 5 cm wykaza³y, ¿e ca³kowity ich roz-pad nastêpuje po oko³o 1–2 minutach.
W strukturze szkieletowej przewa¿aj¹cy udzia³ maj¹ otwarte pory o wielkoœci kilku mikrometrów. Ich procen-towy udzia³ w lessach m³odszych górnych z rejonu Kwa-skowej Góry wynosi od 58 do ponad 70%. Wielkoœæ porów okreœlona za pomoc¹ porozymetru rtêciowego fir-my Micromeritics wynosi od 3 do 11:m. 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
a
Pkt APoint Anumber of blows Nliczba uderzeñ N1010 Pkt JPoint J Pkt EPoint E Pkt FPoint F
liczba uderzeñ N10 number of blows N10 liczba uderzeñ N10 number of blows N10 liczba uderzeñ N10 number of blows N10
opór sto¿ka q [MPa]c
penetration resistance q [MPa]c
opór sto¿ka q [MPa]c
penetration resistance q [MPa]c
opór sto¿ka q [MPa]c
penetration resistance q [MPa]c
opór sto¿ka q [MPa]c
penetration resistance q [MPa]c
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
b
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 sonda DPL penetrometer DSL sonda CPT penetrometer CPT sonda DPL penetrometer DSL sonda CPT penetrometer CPT sonda DPL penetrometer DSL sonda CPT penetrometer CPT sonda DPL penetrometer DSL sonda CPT penetrometer CPT g ³ê b o koœæ [m] depth [m] g³êbokoœæ [m] depth [m] g³êbokoœæ [m] depth [m] g³êbokoœæ [m] depth [m]Ryc. 5. Zmiennoœæ wartoœci liczby uderzeñ sondy DPL i oporu sto¿ka sondy CPT z g³êbokoœci¹; a) w w¹wozie, b) poza w¹wozem Fig. 5. Dependance of number of blows (DPL) and CPT core resistance on depth; a) in the gully, b) aside from gully
6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 w [%]n τf [MPa]
Ryc. 6. Zale¿noœæ wytrzyma³oœci na œcinanie (Jf) od wilgotnoœci natu-ralnej (wn) lessów m³odszych (LM) z rejonu Kwaskowej Góry Fig. 6. Dependence of shear strength (Jf) on natural moisture content (wn) in younger loess (LM) in the locality Kwaskowa Góra
Stosunkowo ma³a gêstoœæ u³o¿enia ziaren i cz¹stek powoduje, ¿e pod wp³ywem wody wystêpuje filtracyjne niszczenie struktury lessu. Przenikanie wód opadowych w g³¹b lessu uruchamia procesy przemieszczania siê drob-nych frakcji i rozpuszczania ró¿drob-nych soli. Te cechy lessu w po³¹czeniu z naturalnymi warunkami, jakie wyst¹pi³y na danym terenie s¹ czêsto przyczyn¹ gwa³townego rozwoju procesów erozyjnych zarówno powierzchniowych, jak i podziemnych (Liszkowski, 1971). Skoncentrowany sp³yw wód opadowych powoduje rozwój liniowych i powierzch-niowych rozmyæ. G³êbokoœæ tych rozmyæ jest zmienna, œciœle uzale¿niona od intensywnoœci opadu i czasu jego trwania. Oddzia³ywanie procesów erozji jest zale¿ne od zagospodarowania terenu i stopnia uporz¹dkowania warunków odp³ywu wód opadowych. Analiza zniszczeñ spowodowanych przez procesy erozyjne wskazuje tak¿e na znaczny udzia³ czynników antropogenicznych. Przyczyn¹ powstania wielu w¹wozów jest gospodarcza dzia³alnoœæ cz³owieka.
Wystêpowanie szczelin w strefach krawêdziowych pokryw lessowych u³atwia wnikanie wody, a w dalszej konsekwencji decyduje o procesach podziemnego
rozmy-wania — erozji podziemnej. Wody opadowe wnikaj¹ce w system szczelin o ró¿nym rozprze-strzenieniu i g³êbokoœci powoduj¹ zawilgoce-nie lessu, obni¿anie wytrzyma³oœci i wyp³ukiwanie drobnych cz¹stek gruntu. Powo-duje to powiêkszanie szczelin, tworzenie siê systemów kana³ów i kawern, osiadanie gruntu i powstawanie deformacji zboczy w¹wozów (ryc. 9*).
Obserwacje œcian w¹wozów wykaza³y, ¿e w wielu przypadkach wystêpuj¹ pionowe œciany. Pionowa oddzielnoœæ i zdolnoœæ masywu lesso-wego do utrzymywania pionowych œcian jest najprawdopodobniej zwi¹zana z procesami kriogenicznymi, którym podlega³y osady lesso-we po ich depozycji (Liszkowski, 1994).
Rozciêcie masywu lessowego przez wody opadowe powoduje, ¿e w strefach przykrawê-dziowych w¹wozu wystêpuje przesuszenie lessów, które sprzyja rozwieraniu siê spêkañ ju¿ istniej¹cych. Niekorzystnym czynnikiem jest oddzia³ywanie korzeni drzew. Rozwój korzeni w szczelinach, a nastêpnie ich rozrastanie siê w po³¹czeniu z u³atwionym wnikaniem wód opa-dowych powoduje rozwieranie siê szczelin a¿ do odspojenia siê bloków lessu (ryc.10). Procesy te ³¹cznie z okresowym podcinaniem erozyjnym zboczy w¹wozów przez wody opadowe s¹ przyczyn¹ pog³êbiania i poszerza-nia siê w¹wozów. Charakter zsuwów i obrywów materia³u lessowego na zboczach w¹wozów wskazuje na ich zró¿ni-cowan¹ wilgotnoœæ i uziarnienie.
Z obserwacji terenowych wynika, ¿e na statecznoœæ zboczy w¹wozów du¿y wp³yw ma roœlinnoœæ. Zbocza poroœniête krzewami charakteryzuj¹ siê wiêksz¹ stateczno-œci¹ ni¿ poroœniête drzewami. Systemy korzeniowe drzew jedynie okresowo wp³ywaj¹ na stabilizacjê œcian w¹wozów, gdy¿ w miarê rozrastania siê umo¿liwiaj¹ skon-centrowane przenikanie wody w g³¹b masywu, a tym samym uruchamiaj¹ procesy erozji wewnêtrznej (ryc. 11). Inne przyczyny wp³ywaj¹ce na intensywn¹ erozjê w¹wozow¹ w pokrywach lessowych zwi¹zane s¹ ze specy-fik¹ geograficzn¹ P³askowy¿u Na³êczowskiego oraz dzia³alnoœci¹ cz³owieka. Najwa¿niejsze cechy fizycz-no-geograficzne P³askowy¿u u³atwiaj¹ce erozjê w¹wozow¹ s¹ nastêpuj¹ce: 11 11 10 10 9 9 8 8 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 stopieñ wilgotnoœci Sr degree of saturation Sr stopieñ wilgotnoœci Sr degree of saturation Sr S = 0,6r S = 0,6r a b punkt E point E punkt H point H punkt F point F punkt G point G punkt 1 point 1 punkt 2 point 2 punkt B point B punkt C point C punkt D point D punkt 3 point 3 punkt 4 point 4 g ³ê b o koœæ [m] depth [m] g³êbokoœæ [m] depth [m]
Ryc. 7. Zmiennoœæ wartoœci stopnia wilgotnoœci z g³êbokoœci¹ Fig. 7. Changes of degree of saturation with depth
11 11 10 10 9 9 8 8 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 wskaŸnik porowatoœci e void ratio e wskaŸnik porowatoœci e void ratio e e = 0,72 a b 1,1 1,2 1,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 e = 0,72 g³êbokoœæ [m] depth [m] g³êbokoœæ [m] depth [m] punkt E point E punkt H point H punkt F point F punkt G point G punkt 1 point 1 punkt 2 point 2 punkt B point B punkt C point C punkt D point D punkt 3 point 3 punkt 4 point 4
¬
Ryc. 8. Zmiennoœæ wartoœci wskaŸnika porowa-toœci z g³êbokoœci¹
Fig. 8. Changes of void ratio with depth
— specyficzna sytuacja geomorfologiczna — region znacznie wyniesiony w stosunku do regionów ota-czaj¹cych;
— zró¿nicowane ukszta³towanie powierzchni wyso-czyzn lessowych (du¿e deniwelacje i znaczne spadki);
— klimat oraz iloœæ i natê¿enie opadów, zw³aszcza tzw. zjawiska ekstremalne (Maruszczak, 1986).
Intensywna dzia³alnoœæ rolnicza prowadzona przez cz³owieka przez co najmniej 1000 lat (a w szczególnoœci ostatnie 200 lat) w znacznym stopniu zainicjowa³a, a w wielu przypadkach zdecydowanie przyœpieszy³a rozwój erozji w¹wozowej. Najwiêkszy wp³yw na zwiêkszenie ero-zji mia³o:
— wylesianie stoków;
— usuwanie ze stoków roœlinnoœci krzewiastej i traw i zastêpowanie jej polami uprawnymi;
— sposób i typ prowadzonej uprawy (wzd³u¿stokowa i poprzecznostokowa — Rodzik & Zg³obicki, 2000);
— intensywne u¿ytkowanie w¹wozów jako dróg portu, a zw³aszcza wprowadzenie mechanicznego trans-portu ko³owego (Gardziel & Rodzik, 2001).
Natê¿enie procesów erozji wg³êbnej i bocznej w poje-dynczych w¹wozach jest dodatkowo uzale¿nione od:
— d³ugoœci w¹wozu i nachylenia dna; — wielkoœci zlewni;
— intensywnoœci u¿ytkowania; — stadium rozwoju w¹wozu;
— stopnia zabezpieczenia krawêdzi w¹wozu przez roœlinnoœæ.
Wnioski
Czynnikami inicjuj¹cymi rozwój erozji w¹wozowej w mi¹¿szych i ma³o odpornych na procesy erozyjne lessach by³y naturalne po³o¿enie, ukszta³towanie oraz klimat P³askowy¿u Na³êczowskiego. Naturalny rozwój tych pro-cesów by³ u³atwiony ma³¹ odpornoœci¹ na erozjê lessów w stanie wilgotnym, ale zosta³ jednak w sposób istotny przy-spieszony przez rolnicz¹ dzia³alnoœæ cz³owieka, prze-kszta³caj¹cego znaczne kompleksy leœne (stanowi¹ce naturaln¹ barierê ochronn¹ przed zbyt intensywn¹ erozj¹ pod³o¿a) w pola uprawne oraz w¹wozy (stanowi¹ce natu-ralne systemy odprowadzania wód z wierzchowin P³asko-wy¿u do dolin rzecznych) w ci¹gi komunikacyjne. Intensywny rozwój w¹wozów zwi¹zany by³ zatem g³ównie z wykarczowaniem lasów i ekspansj¹ rolnictwa, co stwo-rzy³o korzystne warunki do sp³ywu powierzchniowego oraz erozji wód opadowych i roztopowych.
Przedstawione wyniki badañ ró¿nych parametrów lessów w zale¿noœci od zmian wilgotnoœci osadu wskazuj¹ na bardzo siln¹ podatnoœæ tych gruntów na procesy erozyj-ne w warunkach podwy¿szoerozyj-nej wilgotnoœci. Najwa¿niej-szym zadaniem, przed podjêciem jakichkolwiek zabiegów stabilizuj¹cych w¹wóz, jest uregulowanie (tj. ogranicze-nie) sp³ywu powierzchniowego z obszaru zlewni. Jest to element decyduj¹cy w ograniczaniu dalszego rozwoju ero-zji w¹wozowej. Bez w³aœciwej regulacji stosunków wod-nych wszelkie inne prace stabilizacyjne (takie jak utwardzenie dna w¹wozów, biologiczna stabilizacja ich
zboczy) nie s¹ w stanie ograniczyæ w sposób zadawalaj¹cy negatywnych efektów erozji i bêd¹ z góry skazane na nie-powodzenie.
Literatura
BOROWCZYK M. & FRANKOWSKI Z. 1979 — Wytyczne wykony-wania badañ lessów metodami polowymi. Instrukcja i metody badañ geologicznych, z. 40, Instytut Geologiczny, Warszawa: 5–26. BURACZYÑSKI J., HENKIEL A. & SZWAJGIER 2005 — Szcze-gó³owa mapa geologiczna Polski w skali 1 : 50 000 wraz z objaœnienia-mi, arkusz Na³êczów. CAG Pañstw. Inst. Geol.
DOWGIA££O W.D. 1981 — Szczegó³owa mapa geologiczna Polski w skali 1 : 50 000, arkusz Kazimierz Dolny. Pañstw. Instyt. Geol. FRANKOWSKI Z. 1979 — Wp³yw litogenezy na fizyczno-mechaniczne w³aœciwoœci lessów okreœlane metodami polowymi. Prz. Geol., 27: 31–36. GARDZIEL Z., HARASIMIUK M. & RODZIK J. 1996 — Dynamika procesów geomorfologicznych w zlewni Grodarza i zwi¹zane z nimi zagro¿enia dla Kazimierza Dolnego. [W:] M. Kucharczyk (red.) — Ma³opolski prze³om Wis³y — walory, zagro¿enia, ochrona. Wydawnic-two UMCS, Lublin: 21–31.
GARDZIEL Z. & RODZIK J. 2001 — Drogi gruntowe jako stymulator przemian silnie urzeŸbionego krajobrazu lessowego okolic Kazimierza, [W:] K. German & J. Balon (red.) Przemiany œrodowiska przyrodniczego Polski a jego funkcjonowanie. Problemy Ekologii Krajobrazu t. 10: 305–311. GRABOWSKA-OLSZEWSKA B. 1988 — Wi¹zania strukturalne w lessach i ich wp³yw na osiadanie zapadowe. Prz. Geol., 418: 65–69. GRABOWSKA-OLSZEWSKA B. 1998 — In¿yniersko-geologiczna rejonizacja lessów polskich, [W:] Wspó³czesne Problemy Geologii In¿ynierskiej w Polsce. WIND, Wroc³aw: 139–145.
HARASIMIUK M. & HENKIEL A. 1978 — Wp³yw budowy geolo-gicznej i rzeŸby pod³o¿a na ukszta³towanie pokrywy lessowej w zachodniej czêœci P³askowy¿u Na³êczowskiego. Ann. UMCS, sec. B, 30/31: 55–80.
LISZKOWSKI J. 1971 — Filtracyjne deformacje utworów lessowych. Biul. Geol. UW, t. 13: 87–126.
LISZKOWSKI J. 1994 — Reliktowe cechy mikrostrukturalne i fizycz-ne lessów i ich paleoœrodowiskowa interpretacja. GEORAMA 2, Sosno-wiec: 3–11.
MARUSZCZAK H. 1973 — Erozja w¹wozowa we wschodniej czêœci pasa wy¿yn po³udniowopolskich. Z. Nauk. Post. Nauk. Roln., 151: 15–30. MARUSZCZAK H. 1986 — Tendencje sekularne i zjawiska ekstremal-ne w rozwoju rzeŸby ma³opolskich wy¿yn lessowych w czasach histo-rycznych. Czas. Geograf., 57: 271–282.
MARUSZCZAK H. 1991 — Zró¿nicowanie stratygraficzne lessów w Polsce, [W:] H. Matuszczak (red.) — Podstawowe profile lessów w Polsce. Wyd. UMCS, Lublin, A: 13–35.
MARUSZCZAK H., MICHALCZYK Z. & RODZIK J. 1984 — Warunki geomorfologiczne i hydrogeologiczne rozwoju denudacji w dorzeczu Grodarza na Wy¿ynie Lubelskiej. Ann. UMCS, sec. B., 39: 117–145.
MYŒLIÑSKA E. 2004 — Wystêpowanie agregatów w gruntach spo-istych i ich wp³yw na ocenê niektórych w³aœciwoœci tych gruntów. Prz. Geol., 52: 653–656.
NOWOCIEÑ E. 1996 — Dynamika rozwoju w¹wozów drogowych na obszarach lessowych. Pam. Pu³. Pr. IUNG, 107: 101–111.
RODZIK J., JANICKI G. & ZG£OBICKI W. 1996 — Reakcja agro-ekosystemu zlewni lessowej na epizodyczny sp³yw podczas gwa³tow-nej ulewy. [W:] A. Józefaciuk (red.) — Ochrona agroekosystemów zagro¿onych erozj¹, IUNG K(11/1). Pr. Naukowe cz., 1: 201–214. RODZIK. J. & ZG£OBICKI W. 2000 — Wspó³czesny rozwój w¹wozu lessowego na tle uk³adu pól. [W:] S. Radwan, Z. Lorkiewicz (red.) — Problemy ochrony i u¿ytkowania obszarów wiejskich o du¿ych walo-rach przyrodniczych. Wyd. UMCS, Lublin: 257–261.
ZG£OBICKI W. 1998 — W¹wozy drogowe pó³nocno-zachodniej czê-œci P³askowy¿u Na³êczowskiego, [W:] R. Dobrowolski (red.) — G³ówne kierunki badañ geomorfologicznych w Polsce. Stan aktualny i perspektywy. IV Zjazd Geomorfologów Polskich. III. Przewodnik wycieczkowy. Wyd. UMCS, Lublin 1998: 175–179.
ZG£OBICKI W. 2002 — Dynamika procesów denudacyjnych w pó³noc-no-zachodniej czêœci Wy¿yny Lubelskiej. Wydawnictwo UMCS, Lublin. PN–86/B–02480 — Grunty budowlane. Okreœlenia, symbole, podzia³ i opis gruntów
BS 1377:1975 — Soils for civil engineering purposes
Praca wp³ynê³a do redakcji 04.04.2006 r. Akceptowano do druku 17.07.2006 r.
Geologiczno-in¿ynierskie i geomorfologiczne uwarunkowania erozji w¹wozowej w
lessach w rejonie Kazimierza Dolnego (w¹wóz Opolska Droga) — patrz str. 777
9
10
11
Ryc. 9. Œciana w¹wozu — droga lokalna Wilków–Rogów Fig. 9. Wall of a gully — local road Wilków–Rogów Ryc. 10. System korzeniowy w szczelinie — Wilków Fig. 10. Plant root system in a fissure — Wilków Ryc. 11. W¹wóz Korzeniowy Dó³ — Kazimierz Dolny Fig. 11. Gully Korzeniowy Dó³ — Kazimierz Dolny
