Index of /rozprawy2/10906

Pełen tekst

(1)Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska Katedra Kształtowania i Ochrony Środowiska. Rozprawa doktorska. ZMODYFIKOWANA METODA ILOCZYNU SKALARNEGO SŁUŻĄCA DO BADANIA KIERUNKU FILTRACJI W ZAPORACH ZIEMNYCH. Stanisław Lach. Promotor: dr hab. inż. Leszek Opyrchał, prof. AGH. Kraków 2014.

(2) Podziękowania. Chciałbym serdecznie podziękować osobom, które wspierały mnie w trakcie realizowania tej pracy i bez których jej powstanie nie byłoby możliwe, szczególnie:. Dr hab. inż. Leszkowi Opyrchałowi, prof. AGH Promotorowi niniejszej pracy, któremu dziękuję za opiekę naukową, ukierunkowanie zainteresowań badawczych, wszechstronną pomoc przy powstawaniu rozprawy, a także cenne uwagi, które pozwoliły uczynić ją bardziej przejrzystą i zrozumiałą.. Rodzicom oraz moim braciom Dziękuję za poświęcenie, troskę, wyrozumiałość oraz cenne rady w ważnych życiowych decyzjach, a także za udzielenie wszelakiego rodzaju wsparcia.. Agacie Kozłowskiej Dziękuję za emocjonalne wsparcie na każdym etapie powstawania niniejszej pracy, za obecność przy mnie szczególnie w momentach krytycznych związanych z jej realizacją. Pragnę podziękować za motywację do osiągania założonych celów, wyrozumiałość, cierpliwość, życzliwość oraz dobre słowo, na które zawsze mogłem liczyć..

(3) SPIS TREŚCI Rozdział 1. Wstęp ................................................................................................................................ 5 Rozdział 2. Cel, zakres i teza opracowania ..................................................................................... 10 Rozdział 3. Monitoring obiektów hydrotechnicznych ................................................................... 15 3.1 Rola monitoringu w celu zapewnienia bezpieczeństwa eksploatacji budowli piętrzących..... 15 3.2 Czujniki i urządzenia służące do pomiaru i obserwacji poziomów i ciśnienia wody oraz wydatków filtracji i przecieków........................................................................................................ 21 3.2.1 Czujniki ultradźwiękowe służące do pomiaru poziomu wody......................................22 3.2.2 Czujniki ciśnieniowe do pomiaru poziomu i ciśnienia wody........................................23 3.2.3 Czujniki tensometryczne...............................................................................................24 3.2.4 Czujniki piezoelektryczne.............................................................................................24 3.2.5 Czujniki strunowe......................................................................................................... 25 3.2.6 Czujniki i przyrządy do pomiaru wydatku filtracji....................................................... 25 Rozdział 4. Metodyka prowadzonych badań .................................................................................. 27 Rozdział 5. Charakterystyka obiektów badań................................................................................ 32 5.1 Zapora ziemna w Pieczyskach.................................................................................................32 5.1.1 Charakterystyka danych pomiarowych uzyskanych dla zapory w Pieczyskach...........38 5.2 Zapora Klimkówka...................................................................................................................38 5.2.1 Charakterystyka danych pomiarowych uzyskanych dla zapory Klimkówka................44 5.3 Zapora Tresna...........................................................................................................................45 5.3.1 Charakterystyka danych pomiarowych uzyskanych dla zapory w Tresnej...................52 Rozdział 6. Analiza pomiarów piezometrycznych w aspekcie występowania błędów grubych..53 6.1 Czynniki wpływające na powstawanie błędów grubych..........................................................56 6.2 Wykrywanie oraz eliminacja błędów grubych.........................................................................57 6.2.1 Test Q-Dixona...............................................................................................................59 6.2.2 Test Grubbsa.................................................................................................................60 6.2.3 Test Hampela................................................................................................................60 .

(4) 6.2.4 Algorytmy przeprowadzania testów Q-Dixona, Grubbsa oraz Hampela......................60 6.3 Analiza materiału badawczego w aspekcie występowania błędów grubych........................... 64 Rozdział 7. Badanie kierunku filtracji w zaporach ziemnych metodą iloczynu skalarnego ...... 76 7.1 Przebieg procedury badania kierunku filtracji metodą iloczynu skalarnego............................76 7.2 Analiza wpływu obserwacji odstających................................................................................. 90 Rozdział 8. Uzyskane wyniki oraz ich analiza ................................................................................ 99 8.1 Analiza wyników uzyskanych metodą iloczynu skalarnego..................................................112 8.1.1 Wartość krytyczna miary podobieństwa stanów wody dla zapory w Pieczyskach.....112 8.1.2 Wartość krytyczna miary podobieństwa stanów wody dla zapory Klimkówka..........117 8.1.3 Wartość krytyczna miary podobieństwa stanów wody dla zapory Tresna..................122 8.2 Metoda iloczynu skalarnego a test znaku – porównanie wyników........................................126 8.2.1 Test znaku dla zapory w Pieczyskach.........................................................................141 8.2.2 Test znaku dla zapory Klimkówka..............................................................................144 8.2.3 Test znaku dla zapory Tresna......................................................................................146 8.3 Metoda graficzna a metody teoretyczne – porównanie wyników..........................................149 8.3.1 Graficzna metoda badania kierunku filtracji dla zapory w Pieczyskach.....................150 8.3.2 Graficzna metoda badania kierunku filtracji dla zapory Klimkówka......................... 154 8.3.3 Graficzna metoda badania kierunku filtracji dla zapory Tresna................................. 157 Rozdział 9. Podsumowanie i wnioski ............................................................................................. 160 LITERATURA.................................................................................................................................. 165 SPIS RYCIN ..................................................................................................................................... 177 SPIS TABEL ..................................................................................................................................... 179 SPIS ZAŁĄCZNIKÓW .................................................................................................................... 182 .

(5) Rozdział 1. Wstęp Zapotrzebowanie na wodę stale wzrasta na całym świecie. Szacuje się, iż w nadchodzących dekadach globalne zapotrzebowanie na wodę będzie rosnąć w tempie 2-3% rocznie. Zasoby słodkiej wody są jednak ograniczone i nierównomiernie rozłożone. Z globalnego cyklu hydrologicznego wynika, że około 79% opadów spada na powierzchnię mórz i oceanów, 2% na powierzchnię jezior, a jedynie 19% na obszary lądowe, z czego 59% odparowuje, a 38% odpływa do rzek odprowadzających te wody do mórz i oceanów [Jankowski 2008a]. W wielu regionach świata dostępność wody ma kluczowe znaczenie nie tylko dla przyspieszania (obecnie niezadowalająco niskiego) tempa rozwoju, ale nawet do zapewniania możliwości przetrwania istniejących wspólnot lub zaspokajania stale rosnącego popytu będącego konsekwencją szybkiego wzrostu populacji. Historia zapór tworzących sztuczne zbiorniki wodne stanowi integralną część rozwoju ludzkości. Pierwsze historyczne informacje o budowie zapór pochodzą z Egiptu – z około 2900 r p.n.e. [Głodek 1985]. Przez prawie 5000 lat zapory służyły ludziom m.in. do zapewniania odpowiedniej podaży wody przez magazynowanie jej w okresach nadwyżki oraz zwalnianie jej w czasach niedoboru. Z łącznej pojemności zbiorników wodnych całego świata zapory wnoszą znaczący wkład do efektywnego zarządzania ograniczonymi zasobami wodnymi, które podlegają dużym wahaniom sezonowym i są nierówno rozłożone. Międzynarodowa Komisja Wielkich Zapór (International Commission on Large Dams, ICOLD) podaje, iż poza celami związanymi z pozyskiwaniem i gromadzeniem wody (12,7% wszystkich zapór), na świecie zapory wykorzystywane są przede wszystkim do nawadniania pól (48,6%), do zasilania elektrowni wodnych produkujących energię elektryczną (17,4%), dla ochrony przeciwpowodziowej (10,0%), w celach rekreacyjnych (5,3%) oraz do hodowli ryb (0,6%) [Dams…2007]. W 2013 roku elektrownie wodne dostarczyły łącznie 3782 TWh energii elektrycznej, co stanowi około 16% całkowitej produkcji energii elektrycznej na świecie. W wielu krajach elektrownie wodne zapewniają pokrycie większości zapotrzebowania na energię elektryczną. Przykładowo, w 2013 roku elektrownie wodne w Norwegii pokryły aż 96,1% całkowitego Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 5 -.

(6) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". zapotrzebowania na energię elektryczną [http://www.bp.com]. Polska cechuje się stosunkowo niskim potencjałem hydroenergetycznym [Sawicki i Szurlej 2004]. Udział energetyki wodnej w całkowitej produkcji energii elektrycznej w naszym kraju osiąga wartości oscylujące wokół 1,5% [Majewski i Ankersztejn 2006]. Każda zapora czy zbiornik retencyjny są integralnymi elementami środowiska, przekształcającymi i oddziałującymi na nie, zaś skala, jak również zasięg tych oddziaływań są dla każdego obiektu inne. Powszechna jest opinia, iż budowa zapór i ochrona środowiska naturalnego pozostają ze sobą w konflikcie, choć nie zawsze jest to sprzeczność nie do pogodzenia. Wzajemne powiązania i relacje pomiędzy zaporą a środowiskiem są bardzo złożone. Projektowanie zapór jest zagadnieniem szczególnie trudnym, gdyż w każdej sytuacji należy osiągnąć kompromis między różnymi, często przeciwstawnymi celami. Społeczeństwa potrzebują zapór oraz tworzonych przez nie zbiorników. W zbiornikach tych można bowiem gromadzić wodę, gdy występuje ona w nadmiarze i wykorzystywać ją w okresach niedoborów. Dzięki zaporom możliwe jest zapobieganie skutkom niszczących powodzi oraz katastrofalnych susz. Zapory umożliwiają wyrównywanie naturalnych przepływów, których wielkość ulega zmianom w zależności od pory roku oraz losowych czynników klimatycznych. Tym samym zapory zapewniają zaspokojenie potrzeb energetyki wodnej, nawodnień rolniczych, zaopatrywania w wodę ludności i przemysłu oraz żeglugi. Stwarzają dogodne warunki do rekreacji i turystyki, rozwoju wędkarstwa i gospodarki rybackiej, mogą także przyczyniać się do polepszania warunków środowiskowych. Zapory oraz zbiorniki wodne są więc niezbędnym i koniecznym elementem infrastruktury stworzonej przez człowieka. umożliwiającym. społeczeństwom. zaspokajanie. podstawowych. potrzeb. i gwarantującym bezpieczeństwo. W celu zapewnienia właściwej gospodarki ograniczonymi i nierównomiernie rozłożonymi zasobami wodnymi w przyszłości konieczna będzie dalsza rozbudowa sieci zapór [Zapory wodne a środowisko 1996]. W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat miało miejsce wiele klęsk żywiołowych, które w istotny sposób wpływały na życie ludzi, wywołując poważne skutki społeczne oraz generując wysokie koszty ekonomiczne. Wśród kataklizmów powodowanych przez różne żywioły szczególne miejsce zajmują powodzie, które stanowią przyczynę około 40% notowanych szkód społeczno-ekonomicznych. Zapory wodne mają trwały wpływ na reżim Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 6 -.

(7) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". przepływów i są od niego zależne, co sprawia, że pomiędzy siecią zapór a ryzykiem wystąpienia i skalą powodzi istnieje dwustronna zależność. Zapory modyfikują przebieg fali powodziowej oraz mogą w istotnym stopniu obniżać jej szczyt, dzięki czemu mogą zmniejszać szkody powodziowe w dolnym biegu. Z drugiej zaś strony powodzie, szczególnie o katastrofalnie dużej skali, mogą być poważnym zagrożeniem dla konstrukcji zapory. Stąd też powodzie i ich opanowywanie są decydującym czynnikiem przy projektowaniu, budowaniu oraz eksploatacji zapór [Zapory a powodzie…2005]. Do bezpieczeństwa budowli hydrotechnicznych należy przykładać szczególną uwagę ze względu na fakt, iż liczba katastrof i poważnych awarii zapór sukcesywnie wzrasta [McCann 1998]. W przypadku zapór ziemnych oraz narzutowych najczęstszą przyczyną katastrof było przelanie (31% przypadków jako przyczyna główna oraz 18% jako przyczyna dodatkowa), a następnie erozja wewnętrza korpusu zapory (15% przypadków jako przyczyna główna oraz 13% jako przyczyna dodatkowa), jak również erozja podłoża (12% przypadków jak przyczyna główna i 5% jako przyczyna dodatkowa) [Fiedler i Hrabowski 1980, Fell i in. 2000, Katastrofy zapór…2000, Fiedler 2001]. Jeżeli przelaniu się fali powodziowej przez koronę zapory można stosunkowo łatwo zapobiegać, tak opanowanie i zapobieganie rozwojowi zjawisk filtracji w skali zagrażającej bezpieczeństwu budowli wodnej, stanowi nadal poważny problem, zarówno w kontekście naukowo-badawczym jak i technicznym. Obecnie w wielu istniejących zaporach coraz wyraźniej uwidaczniają się problemy związane z rozwojem zjawisk filtracji. Z tego powodu występuje stała konieczność doskonalenia istniejących oraz rozwijania nowych metod określania kierunków i intensywności rozwoju procesów filtracji występującej w zaporach ziemnych i ich podłożach. Praca została podzielona na 9 rozdziałów. Pierwsze dwa rozdziały stanowią wprowadzenie do niniejszej rozprawy. Został w nich zarysowany podjęty problem badawczy, określono cele prowadzonych badań oraz sformułowano tezę główną rozprawy. W Rozdziale 3. przedstawiono. rolę. monitoringu. jako. narzędzia. wspomagającego. zapewnianie. bezpieczeństwa eksploatacji budowli piętrzących. W rozdziale tym omówiono również główne przyczyny zwiększające ryzyko uszkodzeń zapór oraz podano bezpośrednie powody awarii oraz katastrof budowli piętrzących. Szczególna uwaga została zwrócona na zjawiska filtracyjne, które oprócz niewłaściwej pracy urządzeń drenażowych oraz wymywania Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 7 -.

(8) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". materiału gruntowego z zapór lub ich podłoża są najczęstszymi bezpośrednimi przyczynami awarii budowli hydrotechnicznych. Ponadto opisano czujniki i urządzenia służące do pomiaru i obserwacji poziomów i ciśnienia wody oraz wydatków filtracji i przecieków. W Rozdziale 4 przedstawiono metodykę przeprowadzonych badań bazującą na pomiarach stanów wody w piezometrach, natomiast w Rozdziale 5 pokrótce opisano trzy ziemne obiekty piętrzące, które zostały poddane analizie: zapory w Pieczyskach, Klimkówce oraz Tresnej. Określono charakterystyczne stany wód oraz parametry dla powstałych zbiorników wodnych: ich powierzchnię, pojemność oraz długość. Dla każdej zapory przedstawiono lokalizację oraz zasadnicze elementy, takie jak m.in. grunty występujące w podłożu oraz grunty wykorzystane do budowy korpusu, nachylenia skarpy odpowietrznej i odwodnej, długość i szerokość korony, jak również jej wysokość. Opisano także urządzenia służące do transportu wody z górnego na dolne stanowisko – przelewy powierzchniowe i/lub upusty denne. W Rozdziale 6 zdefiniowano pojęcie błędu przypadkowego, systematycznego oraz błędu grubego. Opisano również czynniki wpływające na powstawanie błędów grubych. W dysertacji wykonano obszerną analizę pomiarów piezometrycznych w aspekcie występowania błędów grubych, które mogą prowadzić do zaburzenia wyników analiz i fałszywej oceny bądź interpretacji badanych zjawisk. W tym celu wykorzystano trzy testy statystyczne służące do identyfikacji oraz odrzucania obserwacji odstających: dwa warianty testu Q-Dixona (test oznaczony symbolem N9 oraz N13), test Grubbsa oraz test Hampela. W Rozdziale 7 przedstawiono kompletny przebieg procedury badania kierunku filtracji metodą iloczynu skalarnego w ziemnych obiektach piętrzących wodę na przykładzie wybranego piezometru otwartego zapory w Pieczyskach. Badania wykonano na wartościach oczyszczonych z błędów grubych, a więc wartościach wolnych od czynników mogących zaburzać przebieg analizy oraz zmniejszać wiarygodność jej wyników. W celu zobrazowania wpływu obserwacji odstających na wynik obliczeń miary podobieństwa stanów wody w analizowanych piezometrach oraz stanu WG przeprowadzono dodatkowe obliczenia dla tego samego piezometru otwartego, jednak ze zbioru danych nie odrzucono obserwacji odstającej.. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 8 -.

(9) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". W Rozdziale 8 dokonano obszernej analizy miary podobieństwa stanów wody w badanych piezometrach i stanów wody górnej (WG) uzyskanych metodą iloczynu skalarnego. Metoda iloczynu skalarnego została porównana z inną teoretyczną metodą określania kierunku filtracji – metodą testu znaku. W celu oceny związków między wahaniem zwierciadła wody w poszczególnych piezometrach każdej analizowanej zapory wykorzystano analizę statystyczną, obliczając współczynniki korelacji dla wszystkich piezometrów i tworząc odpowiednią macierz korelacji. Dzięki temu dla każdej zapory możliwe było wyróżnienie tzw. „źródła”, czyli piezometru, do którego wszystkie piezometry w jego otoczeniu będą wykazywać podobieństwo zmian stanów wody. Poprawność znalezienia piezometru-źródła została zweryfikowana metodą graficzną – poprzez wykreślenie hydroizohips. Z przebiegu i układu hydroizohips na mapie hydrogeologicznej można wnioskować zarówno o kształcie i wysokości zwierciadła wody podziemnej, jak również o kierunkach jej przepływu, które układają się wzdłuż linii największego spadku. W Rozdziale 9 dokonano podsumowania przeprowadzonych w pracy badań oraz zaprezentowano wnioski z wykonanych analiz. Dodatkowo zasygnalizowano potencjalne kierunki dalszych badań. Ze względu na obszerną objętość, zarówno wykorzystane tablice statystyczne, jak i szczegółowe wyniki wszystkich przeprowadzonych badań przedstawiono w formie załączników, które znajdują się na płycie CD dołączonej do niniejszej rozprawy doktorskiej.. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 9 -.

(10) Rozdział 2. Cel, zakres i teza opracowania Od początku XX wieku prowadzono wiele badań statystycznych dotyczących katastrof i awarii zapór, których celem było poszerzenie wiedzy oraz stworzenie lepszych gwarancji bezpieczeństwa tych niewątpliwie potrzebnych dla społeczeństw budowli. Zgodnie z definicją ustaloną w 1986 roku przez ICOLD katastrofa zapory to „zawalenie się lub przemieszczenie części zapory lub jej podłoża, w wyniku którego budowla nie może piętrzyć wody. Na ogół wiąże się to ze znacznie zwiększonym odpływem stwarzającym zagrożenie dla życia ludzi i mienia w dolinie rzeki poniżej zapory” [Posadawianie zapór…2006, http://www.icoldcigb.org]. Z kolei jak proponuje Kledyński [2012] katastrofa budowlana to „utrata stateczności obiektu budowlanego, jej części lub podłoża, uniemożliwiająca jego normalne funkcjonowanie bez podjęcia odbudowy, związana z zagrożeniem bezpieczeństwa ludzi, mienia lub środowiska”. Ze wszystkich zapór wybudowanych przed 1950 rokiem zniszczeniu uległo 2,2% z nich, natomiast spośród zapór wzniesionych po 1950 roku – mniej niż 0,5%. Aktualne statystyki pokazują, że około 70% katastrof zapór wodnych następuje w okresie pierwszych 10 lat ich eksploatacji [Rak 2007]. Najbardziej złożonym a równocześnie jednym z najważniejszych elementów tworzących zbiornik retencyjny i decydujących o bezpieczeństwie całej budowli jest posadowienie zapory. Podłoże każdej zapory, która tworzy zbiornik retencyjny lub przeciwpowodziowy, jest elementem krytycznym budowli i wymaga szczególnej uwagi na wszystkich etapach projektowania, budowy, jak również w całym okresie eksploatacji. Fundamenty pełnią trzy zasadnicze funkcje, a mianowicie:  zapewniają stateczność,  zapewniają sztywność, która jest wymagana do utrzymania w dopuszczalnych granicach odkształcenia budowli spowodowanego ciężarem zapory oraz siłami oddziałującymi na nią,  ograniczają filtrację – zarówno przepływ (dzięki wymaganej nieprzepuszczalności),. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 10 -.

(11) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". jak również ciśnienie wyporu i gradienty erozyjne (dzięki zastosowaniu odpowiednich filtrów i drenażu). W przypadku gdy co najmniej jedna z tych funkcji jest spełniania jedynie częściowo (lub w ogóle nie jest spełniana) pojawia się zagrożenie dla funkcjonowania zapory, natomiast w sytuacjach ekstremalnych – utrata jej bezpieczeństwa a nawet możliwość wystąpienia katastrofy [Posadawianie zapór…2006]. Główny Urząd Nadzoru Budowlanego (GUNB) szacuje, iż w Polsce użytkowanych jest około 100 tys. obiektów budownictwa wodnego, które piętrzą wodę (łącznie z melioracjami szczegółowymi). Zalicza się do nich przede wszystkim: zapory ziemne oraz betonowe (z czego 99 budowli to obiekty tworzące zbiorniki wodne o pojemności przekraczającej 2 hm3, natomiast całkowita pojemność wszystkich zbiorników wodnych w naszym kraju wynosi 3461,4 hm3), jazy, śluzy żeglugowe, przelewy, elektrownie wodne oraz wrota przeciwpowodziowe [Fiedler i in. 2003, Depczyński 2005]. Dodatkowo funkcjonują również budowle okresowo piętrzące wodę, które służą głównie ochronie przeciwpowodziowej. Do tej grupy można zaliczyć wały przeciwpowodziowe (o łącznej długości ponad 8,5 tys. km), suche zbiorniki wodne, duże wielofunkcyjne zbiorniki wodne oraz przepompownie [Kledyński 2011c]. Z przeprowadzonego przez GUNB spisu budowli wodnych o piętrzeniu powyżej 1 m wynika, iż w naszym kraju istnieje 469 budowli przyporządkowanych do klas I-III (do I klasy: 72, do II klasy: 103, do III klasy: 294). Do klasy IV należy 1828 obiektów, natomiast 176 budowli zalicza się jako pozaklasowe [Ambożewski 2006, Depczyński i Jankowski 2006]. Do najczęściej występujących nieprawidłowości związanych z budowlami piętrzącymi położonymi na terenie Polski zaliczyć można [Stan bezpieczeństwa…2010, Raport o stanie technicznym…2010]:. . uszkodzenia urządzeń przeciwfiltracyjnych, które występują głównie w wyniku ich starzenia się, jak również niewłaściwego wykonawstwa oraz (w sporadycznych przypadkach) błędów projektowych,. . zbyt małą przepustowość urządzeń upustowych, co skutkuje stanem mogącym zagrozić bezpieczeństwu budowli,. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 11 -.

(12) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". . uszkodzenia i niedostateczne działanie urządzeń drenażowych, które wynikają z niewłaściwych rozwiązań projektowych, niestarannego ich wykonawstwa, jak również braku właściwej konserwacji; często spotkać można nieprawidłowe usytuowania tych urządzeń, całkowite lub częściowe zakolmatowanie drenaży, w szczególności ich wylotów,. . niewłaściwy stan górnego i dolnego stanowiska oraz ich skarp, który jest spowodowany przez naturalne procesy erozyjne wzmagane głównie gwałtownymi zmianami poziomu wody, będącymi najczęściej efektem szczytowej pracy elektrowni wodnych [Kledyński 2006]; procesy te są przyczyną obniżania się poziomu wody dolnej, czego następstwem jest wzmożona filtracja przez korpusy budowli i wokół ich przyczółków [Łapińska-Noworyta 1998]; wynikiem procesów erozyjnych jest również degradacja koryta rzeki lub kanału odpływowego oraz znajdujących się tam ubezpieczeń,. . wadliwa praca urządzeń kontrolno-pomiarowych, których sprawne i prawidłowe działanie jest warunkiem pozyskiwania informacji koniecznych do oceny stanu technicznego budowli [Machajski i Rędowicz 2010].. Spośród 3462 budowli stale piętrzących wodę (w tym 306 zapór, 343 zbiorników wodnych, 2262 jazów, 130 śluz żeglugowych oraz 421 elektrowni wodnych) poddanych kontroli w 2012 roku przez GUNB w przypadku 41,08% okres eksploatacji przekracza 50 lat [Lebiecki 2013]. Większość zbudowanych w Polsce zapór to konstrukcje ziemne, których wiek także przekracza 50 lat. Obiekty te zbudowano w okresie, gdy geotechnika nie była jeszcze tak dobrze rozwinięta jak w chwili obecnej. W projektowanych zabezpieczeniach przeciwfiltracyjnych nie uwzględniano doświadczenia eksploatacyjnego, gdyż w okresie budowy doświadczenia takiego jeszcze nie posiadano. Przedstawione aspekty skłoniły mnie do rozpoczęcia badań dotyczących efektów stosowania metody iloczynu skalarnego do określenia kierunku oraz intensywności procesów filtracji występującej w zaporach ziemnych i ich podłożach. W tym miejscu należy zaznaczyć, że metoda iloczynu skalarnego była już wykorzystywana we wcześniejszych badaniach dotyczących analizy kierunków filtracji. Dotychczasowe prace były jednak oparte. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 12 -.

(13) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". na analizie relatywnie niewielkich zbiorów danych pomiarowych, co w oczywisty sposób wpływało negatywnie na wiarygodność formułowanych wniosków. Przykładowo, Opyrchał i in. [2007] przeprowadzili analizę kierunków filtracji dla zapory w Brodach Iłżeckich, wykorzystując niewielki zbiór liczący 35 pomiarów miesięcznych. Warto nadmienić, że dla nielicznych zbiorów danych wykorzystywanie metod statystyki matematycznej, szczególnie korzystanie z rozkładów asymptotycznych, może prowadzić do uzyskiwania pozornych zależności [Fisz 1969]. Niniejsza rozprawa doktorska, zgodnie z najlepszą wiedzą autora, zawiera pierwsze w historii badań nad kierunkami filtracji w zaporach ziemnych w Polsce wyniki empiryczne uzyskane dzięki zastosowaniu metody iloczynu skalarnego dla obszernych i wiarygodnych zbiorów danych. Ponadto badanie kierunku filtracji w zaporach ziemnych poprzedzono obszerną analizą w aspekcie wykrywania oraz eliminacji obserwacji odstających, wykorzystując w tym celu trzy testy statystyczne. Zgodnie z wiedzą autora, również ten aspekt analizy kierunków filtracji stanowi nowy element w polskojęzycznej literaturze przedmiotu. Obserwacje odstające w znaczący sposób mogą wpłynąć na zaburzenie wyniku uzyskanego w metodzie iloczynu skalarnego, jak również mogą stać się powodem błędnej oceny lub interpretacji zjawiska filtracji. Biorąc pod uwagę wyniki dotychczasowych badań, sformułowano następującą tezę rozprawy doktorskiej:. Metoda iloczynu skalarnego, bazująca na wynikach pomiarów stanów wody w piezometrach, jest skutecznym narzędziem do oceny kierunku filtracji w zaporach ziemnych. Ogólny schemat proponowanej procedury badawczej prezentuje schemat graficzny (Ryc. 1).. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 13 -.

(14) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". Ryc. 1. Ogólny schemat proponowanej procedury badawczej [Opracowanie własne]. Celem pośrednim niniejszej pracy doktorskiej jest opracowanie użytecznej (z punktu widzenia zastosowań praktycznych) metodologii i schematu analizy wyników pomiarów piezometrycznych z uwzględnieniem konieczności odfiltrowania obserwacji odstających, które w istotny sposób mogą zwiększać prawdopodobieństwo otrzymania błędnego wyniku w metodzie iloczynu skalarnego.. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 14 -.

(15) Rozdział 3. Monitoring obiektów hydrotechnicznych 3.1 Rola monitoringu w celu zapewnienia bezpieczeństwa eksploatacji budowli piętrzących Obecnie w Polsce zadania oraz obowiązki dotyczące zapewniania bezpieczeństwa funkcjonowania budowli piętrzących w ramach prowadzenia nadzoru technicznobudowlanego jak również zasady właściwego użytkowania tych budowli regulują dwa akty prawne [Kledyński i Nachlik 2006]:  Ustawa Prawo budowlane z dnia 7 lipca 1994 r. (Dz.U. Nr 89 poz. 414 z późn. zmianami),  Ustawa Prawo wodne z dnia 18 lipca 2001 r. (Dz.U. Nr 155 poz. 1229 z późn. zmianami). Ustawa Prawo budowlane definiuje pojęcie budowli rozumianej jako każdy obiekt budowlany niebędący budynkiem lub obiektem małej architektury. Definicja taka obejmuje zatem zarówno budowle ziemne, jak również budowle hydrotechniczne [Ustawa Prawo budowlane 1994]. Ustawa Prawo wodne reguluje gospodarowanie wodami zgodnie z zasadą zrównoważonego rozwoju, a w szczególności zaś korzystanie z wód, kształtowanie oraz ochronę zasobów wodnych, jak również zarządzanie zasobami wodnymi [Ustawa Prawo wodne 2001]. Zapory ziemne, należące do grupy obiektów hydrotechnicznych, budowane są z gruntu rodzimego, kamienia łupanego, jak również rumoszu skalnego [Czyżewski i in. 1973, Depczyński i Szamowski 1999]. Ze względu na wymagania w zakresie stateczności do budowy zapór ziemnych z reguły niezbędne jest wykorzystanie ogromnych ilości materiału budulcowego [Rozporządzenie…2007]. Ze względu na swoje rozmiary oraz masę budowle tego typu stanowią jedne z najcięższych oraz największych obiektów inżynierskich. Zazwyczaj budowle tego typu piętrzą wodę na wysokość powyżej 15 m, tworząc tym samym duże zbiorniki wodne o objętości przekraczającej 15.106 m3 [Kiełbik 1984]. Wszystkie rodzaje budowli służących do magazynowania, piętrzenia czy transportu Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 15 -.

(16) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". wód są narażone na uszkodzenia oraz katastrofy [Małecki i Pokładek 2010]. Międzynarodowa Komisja Wielkich Zapór szacuje, że na każde 100 zapór w ciągu 100 lat dwie z nich ulegają katastrofie [Opyrchał 2005]. Historycznie, pierwsza katastrofa zapory miała miejsce około 2600 r. p.n.e. i dotknęła zaporę Al-Kafera k. Kairu. Powodem jej zniszczenia było przelanie się wody przez koronę, gdyż nie przewidziano upustu do przepuszczenia nadmiaru wody [Fiedler 1981]. Katastrofy budowanych od prawie 5000 lat obiektów hydrotechnicznych należą do najgroźniejszych i najniebezpieczniejszych zdarzeń, niosących poważne zagrożenie dla środowiska oraz ludności [Lecornu 1998, Jansen 2011]. Wśród głównych przyczyn zwiększających ryzyko uszkodzenia zapory należy wymienić trzy podstawowe czynniki [Połoński i Pruszyński 2008]:  brak odpowiedniej wiedzy lub błędy techniczne popełnione przez osoby nadzorujące funkcjonowanie zapory,  brak dostatecznej znajomości zjawisk przyrodniczych oraz własności materiałowych zapory i podłoża,  nieostrożność oraz niefrasobliwość osób odpowiedzialnych za eksploatację zapór (nieprzestrzeganie reguł bezpieczeństwa). Wymienione czynniki mogą wystąpić na każdym etapie prac związanych z powstawaniem zapory (badania przedprojektowe, projektowanie oraz budowa), jak również użytkowaniem obiektu (wstępna oraz stała eksploatacja). Zaniedbania te mogą mieć miejsce na różnych szczeblach odpowiedzialności i w różnym stopniu wpływać na ryzyko wystąpienia uszkodzenia zapory. Brak wiedzy i różnego typu błędy popełniane przez osoby nadzorujące funkcjonowanie zapory mogą prowadzić do wystąpienia zjawisk i procesów fizycznych powodujących uszkodzenie zapory. Bezpośrednimi przyczynami awarii oraz katastrof budowli piętrzących może być [Depczyński i Szamowski 1997]:  zbyt mała zdolność przepustowa urządzeń upustowych (przelewów oraz spustów) powstała w wyniku błędnego ich zwymiarowania,  nieosiągnięcie obliczeniowej zdolności przepustowej przelewów oraz spustów z powodu awarii urządzeń sterujących ich mechanizmami, jak również nieumiejętności oraz błędnej ich obsługi, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 16 -.

(17) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych".  filtracja, niewłaściwa praca urządzeń przeciwfiltracyjnych oraz drenażowych w zaporach lub ich podłożu, ciśnienie wody w porach, jak również wymywanie i wynoszenie materiału gruntowego z zapór lub ich podłoża,  odkształcenia oraz przemieszczenia zapór lub ich podłoża, spękania konstrukcji zapór, nierównomierne osiadanie oraz przekroczenie dopuszczalnych stanów naprężeń,  dynamiczne oddziaływanie wody przepuszczanej przez urządzenia upustowe, drgania konstrukcji, wibracje zamknięć, jak również trzęsienia ziemi oraz tąpnięcia,  ekstremalne lub długotrwałe zjawiska klimatyczne, takie jak m.in. znaczne wahania temperatur, intensywne opady, silne mrozy, wichury, falowanie itp.,  szkodliwe oddziaływanie wahań poziomów wody oraz częste lub szybkie zmiany obciążeń budowli lub ich elementów,  czynniki subiektywne, takie jak: . niska jakość wykonawstwa,. . niedostateczna kontrola jakości wykonawstwa,. . błędy obliczeniowe,. . nieprzestrzeganie przepisów technicznych i prawnych,. . nieuzasadnione przyspieszanie robót,. . poszukiwanie zysków i oszczędności kosztem jakości,. . nieuzasadnione wprowadzanie zmian do ustalonych rozwiązań konstrukcyjnych lub technologicznych itp.,. . niewystarczające i niedostateczne kwalifikacje pracowników.. W tym miejscu należy zaznaczyć, że zjawisko filtracji, niewłaściwa praca urządzeń drenażowych oraz wymywanie materiału gruntowego z zapór lub ich podłoża należą do najczęstszych bezpośrednich przyczyn awarii budowli hydrotechnicznych [Depczyński i Szamowski 1997]. Proces filtracji obserwowany jest wówczas, gdy woda znajdująca się w stanie wolnym wypełnia wszystkie pory gruntu. Pory te mają odpowiednią wielkość i woda może poruszać się w nich pod wpływem sił ciężkości lub zróżnicowanego ciśnienia [Czetwertyński i Urysko 1969, Wiłun 2001]. Dla filtracji ustalonej, a więc takiej, w której parametry strumienia wody podziemnej (np. ciśnienie i prędkość) w określonym punkcie nie ulegają zmianom w czasie (przy stałym długotrwałym piętrzeniu), ruch przebiega zgodnie Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 17 -.

(18) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". z prawem Darcy’ego [Czetwertyński 1958, Fanti 1972, Zaradny 1990]: v  k i  k . dh dl. (1). gdzie: v – prędkość filtracji [m.s-1], k – współczynnik filtracji [m.s-1], i – spadek hydrauliczny [-]. Wyrażenie v  k  i obrazuje prędkość fikcyjną w nawiązaniu do całego przekroju filtrującego środowiska łączącego w sobie ziarna i prześwity porów oraz kanalików. W celu otrzymania rzeczywistej prędkości filtracji należy uwzględnić sumaryczną powierzchnię prześwitów w danym przekroju (tzw. współczynnik porowatości) lub dokonać bezpośredniego pomiaru prędkości. Zależność pomiędzy rzeczywistą prędkością filtracji a współczynnikiem filtracji określa prawo Darcy’ego w postaci [Pazdro 1977]: vr . k i k dl   ne ne dh. (2). gdzie: n e – współczynnik porowatości efektywnej [-].. Z prawa Darcy’ego wynika, iż przepływ wody w gruncie ma miejsce wówczas, gdy występuje spadek hydrauliczny, co w praktyce oznacza, że muszą istnieć rożne stany wód w piezometrach. Zapewnienie bezpieczeństwa eksploatacji budowli piętrzących wymaga stałego monitoringu [Kledyński 2011a, Kledyński 2011b]. Celem takiej ustawicznej obserwacji jest ocena stanu budowli oraz rejestracja i prognozowanie zmian zachodzących w konstrukcji budowli i jej podłożu. Zagrożenia funkcjonowania budowli piętrzących mogą być następstwem wystąpienia różnych zjawisk i czynników, konieczne jest więc prowadzenie kontrolnych pomiarów, badań oraz analiz przez specjalistów z różnych dziedzin nauk technicznych i przyrodniczych m.in. hydrotechników, geotechników, geologów, hydrologów, matematyków, informatyków oraz konstruktorów [Jankowski 2008b].. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 18 -.

(19) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". Oddziaływanie wody spiętrzonej przez budowlę hydrotechniczną stanowi potencjalną groźbę możliwości wystąpienia ewentualnej katastrofy. Związane jest to z jednej strony z obciążeniem siłami parcia wody ściany odwodnej lub uszczelnienia znajdującego się wewnątrz korpusu budowli, z drugiej zaś objętościowymi siłami (tzw. ciśnienie spływowe) filtracji oddziałującymi na korpus oraz podłoże budowli. Jedną z podstawowych form monitoringu zapór ziemnych są pomiary piezometryczne, które umożliwiają bezpośrednią ocenę poziomu zwierciadła wody w piezometrze otwartym lub pomiar ciśnienia wody w piezometrze zamkniętym. Dzięki takim pomiarom możliwa jest kontrola intensywności zjawiska filtracji przez budowlę piętrzącą, a tym samym ocena trwałości i bezpieczeństwa funkcjonowania konstrukcji [Kledyński 2011a, Kledyński 2011b, Mirosław-Świątek i in. 2012]. Monitoring stanów wody w piezometrach pozwala również na identyfikację anomalii zachodzących w zaporze ziemnej [Mroziński 1998, Chęć 2013]. Z perspektywy bezpieczeństwa obiektu hydrotechnicznego najkorzystniejsza sytuacja zachodzi wówczas, gdy poziomy wody w piezometrach oscylują wokół stałej wartości. Zjawisko takie świadczy o ustabilizowanych procesach filtracji w korpusie oraz podłożu zapory. Trend wzrastający (względnie malejący) może wskazywać na przemieszczanie się drobnych cząstek w korpusie lub podłożu budowli, co z upływem czasu może prowadzić do lokalnego przekroczenia dopuszczalnych gradientów filtracyjnych, a więc prowadzić do sytuacji stanowiącej zagrożenie dla bezpieczeństwa funkcjonowania zapory [Molski 2012]. Dzięki systematycznym pomiarom można skutecznie zapobiegać ewentualnej katastrofie poprzez uruchamianie systemów ostrzegawczych lub alarmowych, jak również zaplanować modernizację obiektu z odpowiednim wyprzedzeniem. Jak podaje ICOLD w 15% wszystkich przypadków sufozja stanowi główną przyczynę katastrof zapór ziemnych i narzutowych, zaś w 13% przypadków proces ten stanowi przyczynę dodatkową. Choć zjawisko filtracji o umiarkowanej intensywności nie jest samo w sobie niepożądane, to jednak proces filtracji o szczególnie intensywnym przebiegu może wywoływać zmiany w strukturze gruntu i być przyczyną utraty stateczności obiektu [Cwetschek-Wiśniewska 1998, Opyrchał 1998, Dłużewski i in. 1999, Bolt i in. 2005, Sterpejkowicz-Wersocki i Szudek 2008, Popielski i in. 2011]. Rozpoznaniu tego zjawiska służy klasyczna aparatura pomiarowa (głównie piezometry i pomiary wydatku drenażu) oraz Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 19 -.

(20) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". szereg procedur badawczych począwszy od metod wskaźnikowych poprzez metody akustyczne, metody oparte na badaniu oporności, modelowanie numeryczne (metody elementów skończonych MES) aż do metod wykorzystujących zależności występujące pomiędzy filtracją a przepływem ciepła w ośrodku gruntowym [Opyrchał i in. 2005, Radzicki 2005, Bolt i in. 2006, Popielski 2007, Popielski i Stasierski 2007a, Popielski i Stasierski 2007b, Popielski i Zaczek-Peplinska 2008, Radzicki i Bonelli 2010, Radzicki i Opaliński 2011]. Istotnymi obserwowanymi dla bezpieczeństwa zapory zjawiskami filtracyjnymi są [Bednarczyk i in. 2009]: a) w zaporach ziemnych: . ciśnienie porowe w gruntach spoistych (rdzenia oraz ewentualnie podłoża),. . położenie krzywej depresji,. . sprawność i wydatek filtracji (drenażu zapory),. . ciśnienie subartezyjskie (w przypadku gdy pod przekładką słaboprzepuszczalną znajduje się warstwa przepuszczalna skontaktowana ze spiętrzoną wodą),. . ciśnienie w podłożu pod galerią zastrzykowo-drenażowo-kontrolną,. b) w budowlach betonowych oraz kamiennych: . ciśnienie w stopie budowli (wypór),. . ciśnienie porowe lub subartezyjskie w podłożu budowli, w przypadku gdy występuje niebezpieczeństwo jego wystąpienia,. . sprawność oraz wydatek urządzeń drenażowych (w tym drenażu ściany odwodnej zapór ciężkich), który gwarantuje niepowstawanie wyporu w korpusie zapory.. Na podstawie powyższych danych możliwe jest określenie ważnych dla stateczności filtracyjnej oraz mechanicznej wielkości, takich jak: . wypór – jego działanie zmniejsza współczynnik bezpieczeństwa na obrót lub przesunięcie,. . maksymalne gradienty ciśnienia filtracji (ich wartości powinny być mniejsze od dopuszczalnych dla poddanego filtracji gruntu),. . sprawność urządzeń drenażowych (w przypadku zmniejszenia, jak i zwiększenia wydatku drenażu bez zewnętrznych przyczyn (np. zmiana poziomu piętrzenia, intensywne opady itp.) możliwe jest wystąpienie katastrofy budowli piętrzącej).. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 20 -.

(21) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". Ciśnienie. porowe. w. gruntach. spoistych. jest. mierzone. jest. za. pomocą. tzw.. piezodynamometrów, które stanowią czujniki ciśnieniowe z porowatym filtrem eliminującym obciążenie czujnika przez ciśnienie gruntu. Wymagane jest umieszczenie obok tych czujników urządzeń do pomiaru naprężeń całkowitych, które występują w gruncie, w celu określenia istotnych dla wytrzymałości gruntu naprężeń efektywnych. Czujniki takie umieszczone są wewnątrz korpusu zapory lub w jej podłożu. Ciśnienie pod galeriami zapór ziemnych lub narzutowych oraz pod stopą fundamentową budowli betonowych (wypór) mierzone jest przy pomocy piezometrów ciśnieniowych (zamkniętych). Odczyt może być wykonywany ręcznie (przy użyciu manometrów) lub w sposób automatyczny (przy użyciu czujników ciśnienia). W wielu przypadkach wydatek drenaży jest mierzony w sposób pośredni poprzez pomiar czasu pracy pomp odwadniających galerię zapory. Sposób ten jest jednak mało dokładny, jak również nie pozwala na określenie sprawności pracy poszczególnych odcinków drenażu. W związku z tym coraz częściej stosuje się przelewy, zwężki lub kryzy pomiarowe, które umożliwiają wykonywanie ciągłych pomiarów w sposób automatyczny, jak również mogą być instalowane w większej liczbie miejsc [Fiedler i in. 2007].. 3.2 Czujniki i urządzenia służące do pomiaru i obserwacji poziomów i ciśnienia wody oraz wydatków filtracji i przecieków W ostatnim piętnastoleciu wiele krajowych budowli piętrzących wodę wyposażono w urządzenia oraz aparaturę kontrolno-pomiarową przystosowaną do pomiarów i obserwacji zachowania się budowli wodnych, która pracuje w zautomatyzowanych systemach pomiarowych. Czujniki i urządzenia pomiarowe działają według różnych zasad oraz metod pomiaru (takich jak m.in. tensometria elektrooporowa i strunowa, technika ultradźwiękowa, indukcyjna, optyczna, hydrauliczna i in.), natomiast odbiorcza aparatura kontrolnopomiarowa opiera się na nowoczesnych elementach elektronicznych oraz transmisji światłowodowej przy użyciu techniki mikroprocesorowej i komputerowej [Selerski 1998]. Czujniki i aparaturę pomiarową w zależności od mierzonego parametru można podzielić na. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 21 -.

(22) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". grupy przyrządów i urządzeń służących do: . pomiaru oraz obserwacji poziomów wody w piezometrach i zbiornikach, jak również wydatków filtracji i przecieków,. . pomiaru odkształceń wewnątrz i na powierzchni konstrukcji betonowych oraz metalowych,. . pomiaru sił, nacisków oraz parcia budowli na podłoże,. . pomiarów przemieszczeń liniowych oraz kątowych,. . pomiarów meteorologicznych.. Pomiar ciśnienia filtracji może być wykonany przy pomocy wielu metod, aparatur i czujników, począwszy od klasycznych, a skończywszy na elektronicznych, które działają w układach automatycznych. Pomiar ciśnienia filtracji w praktyce sprowadza się do pomiaru poziomu lub ciśnienia wody w piezometrach. Można go dokonać za pomocą dwóch metod [Posadawianie zapór…2006]. Pierwsza z metod polega na bezpośrednim pomiarze poziomu zwierciadła wody w piezometrze lub zbiorniku, z kolei w drugiej mierzone jest ciśnienie hydrostatyczne słupa wody w piezometrze, które następnie przeliczane jest na poziom wody. W obu metodach aparatura wykorzystuje środki elektroniczne i istnieje możliwość jej pracy również w systemach zautomatyzowanych. Obie metody cechują się pewnymi zaletami oraz wadami [Sherard 1981]. Pierwsza z nich pozwala mierzyć z większą dokładnością (do około 1 cm i dokładniej), kosztem wyższej ceny przyrządów. Z kolei druga metoda daje wynik z nieco mniejszą dokładnością (rzędu kilku centymetrów), jednak jej eksploatacja jest wygodniejsza (mniejsze rozmiary urządzenia pomiarowego). W zależności od wielkości obiektu oraz liczby piezometrów przyrządy zbudowane w oparciu o jedną i drugą zasadę są stosowane na obiektach wodnych w Polsce. Zazwyczaj jednak do pomiaru poziomu wody w zbiornikach są wykorzystywane przyrządy ultradźwiękowe, natomiast do pomiaru wody w piezometrach – przyrządy ciśnieniowe [Fiedler i in. 2007].. 3.2.1. Czujniki ultradźwiękowe służące do pomiaru poziomu wody. W celu bezpośredniego pomiaru poziomu wody coraz częściej wykorzystywane są czujniki działające w oparciu o metodę ultradźwiękową zapewniającą dużą dokładność. W metodzie Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 22 -.

(23) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". tej odległość. pomiędzy przetwornikiem ultradźwiękowym a swobodną powierzchnią wody. w piezometrze lub zbiorniku jest ustalana na podstawie pomiaru czasu jaki pokonuje impuls ultradźwiękowy wysyłany z czujnika zanurzonego na określonej głębokości do swobodnej powierzchni cieczy, od której odbija się i w postaci echa powraca do przetwornika z prędkością dźwięku. 2 / . Z uwagi na fakt, iż prędkość dźwięku zależna jest. po czasie. od temperatury, każdy z czujników wyposażony jest w precyzyjny miernik temperatury, który umożliwia kompensowanie jej wpływów. Metoda ultradźwiękowa pozwala na uzyskanie bardzo wysokiej rozdzielczości (lepszej niż 1 mm H2O) oraz dokładności 1 cm H2O, przy zakresie pomiarowym 20 m H2O. Urządzenia wykorzystujące tą metodę ze względu na swoją bardzo dużą niezawodność są coraz częściej stosowane w Polsce. Zastosowano je m.in. na takich obiektach jak zapora w Pieczyskach, Klimkówka, Dębe, Czaniec, Pilchowice, PorąbkaŻar i Włocławek [Fiedler i in. 2007].. 3.2.2. Czujniki ciśnieniowe do pomiaru poziomu i ciśnienia wody. Pomiar poziomu wody w piezometrach lub zbiornikach, jak również ciśnienie wyporu dokonywany jest poprzez pomiar ciśnienia słupa wody. W tym celu stosuje się czujniki ciśnieniowe o działaniu pośrednim, w których mierzone ciśnienie wody powoduje mechaniczne odkształcenie układu sprężystego (np. membrana, do której przytwierdzony jest jeden koniec drgającej struny, element tensometryczny (napawany lub naklejany) lub element piezoelektryczny). Odkształcenie płaskiej membrany, z przytwierdzonym do jej drugiej powierzchni. elementem. piezoelektrycznym,. tensometrycznym. lub. drgającą. struną. przetwarzane jest na napięcie elektryczne. Czujniki ciśnieniowe z odpowiednio dobranym filtrem ceramicznym mogą także służyć do pomiaru ciśnienia wody w porach gruntu spoistego (ciśnienia porowego. ) w rdzeniach zapór ziemnych (np. w zaporze Czorsztyn-. Niedzica lub Klimkówka) [Fiedler i in. 2007].. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 23 -.

(24) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". 3.2.3. Czujniki tensometryczne. Często w budownictwie hydrotechnicznym do pomiaru ciśnienia słupa wody stosuje się czujniki tensometryczne, których elementem pomiarowym jest wysokiej jakości przetwornik z foliowym elementem tensometryczno-rezystancyjnym naklejonym do membrany. W praktyce stosowane są również elementy piezorezystancyjne (w przypadku nowszych czujników) w postaci płytki krzemowej lub napawanego elementu krzemowego, na którym umieszczone są wdyfundowane rezystory w układzie mostka Wheatstone’a. Mierzone ciśnienie hydrostatyczne cieczy działa na czujnik z elementem piezorezystancyjnym (poprzez membranę separującą oraz olej silikonowy) i powoduje zmianę rezystancji mostka. Na jego wyjściu pojawia się napięcie wprost proporcjonalne do mierzonego ciśnienia. Konieczna poprawka związana ze zmianami ciśnienia atmosferycznego jest realizowana poprzez kapilarę, która znajduje się w kablu zasilającym, jak również może być obliczana na postawie wskazań barometru. Czujniki tensometryczne zastosowano m.in. na obiektach we Włocławku oraz w Dębem [Fiedler i in. 2007].. 3.2.4. Czujniki piezoelektryczne. Pewne kryształy, posiadające właściwości piezoelektryczne, pod wpływem działania ciśnienia hydrostatycznego, ulegają polaryzacji elektrycznej w kierunku określonej osi. Ładunki powierzchniowe, które powstają w ten sposób, wytwarzają napięcie elektryczne. Pracujące na tej zasadzie przetworniki piezoelektryczne stosowane są przede wszystkim do pomiaru ciśnienia. Powszechnie stosowanym w nich elementem są kryształy kwarcu, które cechują się bardzo. dużą. wytrzymałością. mechaniczną,. jak. również. stosunkowo. wysokim. współczynnikiem piezoelektrycznym. Przetwornik piezoelektryczny, który poddany zostanie działaniu stałej siły mechanicznej (np. stałego ciśnienia hydrostatycznego), nie wytwarza napięcia wyjściowego. Istnieją jednak metody, dzięki którym możliwy jest pomiar stałej siły mechanicznej lub ciśnienia hydrostatycznego za jego pomocą. Przetwornik taki zostaje pobudzony do drgań o częstotliwości rezonansowej za pomocą generatora elektronowego (przy znanej wartości napięcia lub prądu, który pobierany jest z generatora). W sytuacji, gdy. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 24 -.

(25) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". przetwornik zostanie poddany działaniu naprężeń mechanicznych lub ciśnień, jego częstotliwość drgań oraz moc pobierana z generatora ulegają zmianie. Metodę tę można wykorzystać także do pomiaru ciśnienia hydrostatycznego działającego na czujnik. Omawianą procedurę zastosowano do pomiaru zmian ciśnienia wody m.in. na obiektach hydrotechnicznych w Klimkówce oraz Czorsztynie [Fiedler i in. 2007].. 3.2.5. Czujniki strunowe. Czujniki z drgającą struną wykorzystywane są przede wszystkim do pomiaru odkształceń. W celu pomiaru ciśnienia jeden koniec naciągniętej struny jest przytwierdzony do membrany, natomiast drugi do korpusu czujnika. Ciśnienie, które działa na membranę, powoduje zmianę siły naciągu drgającej struny. Wartość ciśnienia otrzymujemy poprzez zliczanie drgań poprzecznych struny, które są kwadratową funkcją zmiany ciśnienia oraz mnożąc je przez stałą czujnika. Dokładność pomiaru czujnikami strunowymi wynosi 1%, 0,5% lub 0,1% zakresu pomiarowego. W przypadku wykonywania dokładnych pomiarów należy uwzględnić wpływ ciśnienia atmosferycznego, zmian temperatury otoczenia czujnika, jak również sposób obliczania stałej pomiarowej czujnika [Dunnicliff 1981]. Wadą tych czujników jest dryft struny w czasie, który powoduje konieczność zwiększonej kontroli wskazań metodami klasycznymi (gwizdkiem lub manometrem). Czujniki z drgającą struną były zainstalowane na wszystkich obiektach hydrotechnicznych w Polsce, na których pracują Automatyczne Systemy Technicznej Kontroli Zapór [Selerski 1998]. Aktualnie są one sukcesywnie wymieniane na dokładniejsze czujniki, np. piezorezystancyjne oraz ultradźwiękowe [Fiedler i in. 2007].. 3.2.6 Kolejnym. Czujniki i przyrządy do pomiaru wydatku filtracji parametrem,. który. ma. istotny. wpływ. na. bezpieczeństwo. budowli. hydrotechnicznych (obok ciśnienia wody filtrującej) jest wydatek filtracji wody przez zaporę. Dotychczas powszechnie stosowanymi przyrządami, które służyły do pomiaru wydatku filtracji wody przez zaporę były korytka przelewowe. W chwili obecnej coraz częściej. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 25 -.

(26) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". wykorzystuje się w tym celu dokładne przyrządy mechaniczno-elektryczne mogące współpracować w sposób automatyczny lub zdalny z aparaturą odczytującą. W celu samoczynnego pomiaru przecieków stosuje się czujnik mierzący poziom wody w naczyniu, które najczęściej jest wyposażone w przelew pomiarowy trójkątny. Dokładność pomiaru poziomu wody w naczyniu przelewowym równa się 0,1 mm (przy minimalnym poziomie około 5 cm i maksymalnym 20 cm). Z kolei dokładność pomiaru przelewu wynosi 1% zakresu pomiarowego (przy zakresach pomiarowych od 0,1 do 200 dm3.min-1). Innym urządzeniem służącym do pomiaru przepływu jest urządzenie działające z wykorzystaniem zasady Coriolisa. Urządzenie to umożliwia rozróżnianie ciężaru właściwego przepływającej wody (piasek i drobne elementy betonu) i jest wykorzystywane w przypadku większych przelewów. Przy przewodach zamkniętych wypełnionych wodą stosuje się kryzy pomiarowe, a różnicę ciśnień mierzy się za pomocą czujników ciśnieniowych [Fiedler i in. 2007].. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 26 -.

(27) Rozdział 4. Metodyka prowadzonych badań Badanie kierunków filtracji w ziemnych obiektach piętrzących wodę prowadzi się przede wszystkim w oparciu o pomiary stanów wody w piezometrach. Każda zapora ziemna wyposażona jest w takie urządzenia. Występowanie kontaktu hydraulicznego pomiędzy piezometrami stwierdza się na podstawie podobieństwa zmian stanów wody. Część piezometrów reaguje na zmiany stanu wody górnej lub na zmiany stanu wody dolnej, część reaguje na opady atmosferyczne. Jeżeli reakcja na zmiany stanu wody górnej jest znacząca, wówczas stwierdza się nieszczelność zabezpieczeń przeciwfiltracyjnych i przystępuje do remontu zapory [Kledyński 2006]. Takie wnioskowanie jest jednak subiektywne. Metoda badawcza zaprezentowana w niniejszej rozprawie doktorskiej jest w dużym stopniu pozbawiona subiektywizmu, gdyż opiera się na ilościowej analizie wykorzystującej metodę iloczynu skalarnego i wybrane metody statystyki matematycznej. Metoda iloczynu skalarnego oparta jest na następującym rozumowaniu: jeśli istnieje kontakt hydrauliczny między rejonem zafiltrowania danego piezometru a wodą górną (WG), wówczas stan wody w piezometrze zależeć będzie od stanu wody górnej. Analizując podobieństwo przebiegu zmian stanów wody w piezometrze oraz zmian WG można wyciągnąć wnioski na temat stopnia kontaktu hydraulicznego pomiędzy rejonem piezometru a WG. W metodzie iloczynu skalarnego do określenia stopnia podobieństwa zmian przebiegu stanu wody w piezometrze i w WG stosowane są operatory algebraiczne oraz narzędzia analizy matematycznej. Wykres przebiegu czasowego stanów wody w analizowanych piezometrach sporządzany jest w dwuwymiarowej przestrzeni ciągłej będącej iloczynem kartezjańskim dwóch podzbiorów domkniętych. , z których jeden przedstawia możliwe stany wody, natomiast drugi. reprezentuje okres obserwacji: ń. ó. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. (3). Kraków 2014. - 27 -.

(28) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". Przebiegi czasowe zmian stanów wody w piezometrach oraz zmian stanów WG są w ogólnym przypadku krzywymi gładkimi w przestrzeni wykresu, tak więc w każdym punkcie krzywej stanu wody można obliczyć wektor do niej styczny (Ryc. 2).. Ryc. 2. Wektory styczne do krzywej stanu wody [Sokołowski 2010]. Niech. oznacza wektor styczny do wykresu przebiegu zmian stanu wody. w piezometrze. , obliczony w chwili. , natomiast. przebiegu zmian WG policzony w chwili ,. wektor styczny do wykresu. . Wektor taki ma następujące składowe: ,. ,. (4). ,. gdzie: – składowa czasowa wektora stycznego w chwili – składowa stanu wody piezometru. mierzona w jednostkach czasu,. wektora stycznego w chwili. mierzona. w jednostkach piętrzenia wody, – składowa stanu. wektora stycznego w chwili. mierzona w jednostkach. piętrzenia wody. Niech. ,. oznacza iloczyn skalarny wektorów. i. obliczony. w następujący sposób: ,. (5). ,. gdzie: – r-ta współrzędna kartezjańska wektora Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. , Kraków 2014. - 28 -.

(29) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". – s-ta współrzędna kartezjańska wektora. ,. – składowe tensora metrycznego. Składowe tensora metrycznego obliczane są następująco: 1. 0 .. 1. 0. (6). Taka definicja składowych tensora metrycznego służy ujednoliceniu jednostek składowych wektora stycznego. Przy uwagach poczynionych do tej chwili wielkość:. C ( Pi ,WG ) =. 1 tmax - tmin 1 tmax - tmin. tmax. ò Sk (mPi (tk ), mWG (tk ))dt. tmin tmax. (7). ò Sk (mWG (tk ), mWG (tk ))dt. tmin. może być traktowana jako miara podobieństwa krzywych zmian stanów wody w analizowanym piezometrze oraz stanów WG. W praktyce badań empirycznych krzywe takie nie są krzywymi ciągłymi lecz łamanymi, stąd poszczególne składowe wektorów stycznych zostają obliczone na podstawie analizy przyrostów pomiędzy kolejnymi pomiarami, natomiast operację całkowania zastępuje się sumowaniem, co prowadzi do wzoru: tmax. C ( Pi , WG ) . S. k. (mPi (tk ), mWG (tk )). tmin. .. tmax. S. k. (8). (mWG (tk ), mWG (tk )). tmin. Im wielkość. ,. będzie bliższa 1, tym przebieg zmian wody w piezometrze Pi będzie. lepiej odzwierciedlał stan WG. Bezpośrednio z definicji otrzymujemy W ogólności teoretyczny rozkład poziomów. ,. ,. 1.. dla danego piezometru nie jest. znany. Z tego powodu w celu określenia granicznej wartości miary podobieństwa stanów Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 29 -.

(30) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". wody w analizowanych piezometrach oraz stanu WG, powyżej której można stwierdzić istnienie kontaktu hydraulicznego pomiędzy nimi, proponuje się traktować wartości ,. jako realizacje pewnej zmiennej losowej a następnie wykorzystać rozkład ,. empiryczny poziomów. oraz obliczyć kwantyl rzędu 95% dla tego rozkładu.. Przypomnijmy, iż kwantylem rzędu wartość. (gdzie 0. 1) zmiennej losowej. w szeregu pozycyjnym danych, która oddziela. mniejszych niż. nazywamy taką. % danych o wartościach. [Sobczyk 2004]. W celu wyznaczenia kwantyla dowolnego rzędu. wykorzystujemy empiryczną dystrybuantę (często nazywaną skumulowanym rozkładem częstości) daną za pomocą poniższego wzoru [Nowak 1999]: 0 . . ,. , . 1,2, … ,. (9). 1,. 1 . gdzie. ,…,. oznacza próbkę prostą (zbiór obserwacji) zmiennej .. Kwantyle, które są wielokrotnością 1/10 nazywamy decylami, natomiast kwantyle w postaci wielokrotności 1/100 nazywamy percentylami [Nowak 2002, Krysicki i in. 2004]. W przypadku miary podobieństwa stanów wody w analizowanych piezometrach oraz stanu WG, kwantyl rzędu 95% obliczony ze zbioru wartości statystycznie 95% obserwacji wielkości ,. ,. ,. pozwala twierdzić, iż. przyjęło wartość mniejszą lub równą. . Zatem na bazie posiadanej próbki można oczekiwać, że jeśli miara podobieństwa. przekracza poziom. ,. to z prawdopodobieństwem równym co najmniej 95% występuje. statystycznie istotny kontakt hydrauliczny pomiędzy danym piezometrem a WG. W niniejszej rozprawie doktorskiej dla każdej analizowanej zapory za pomocą testów statystycznych Doornika-Hansena, Shapiro-Wilka, Lillieforsa oraz Jarque'a-Bera dokonano także weryfikacji hipotezy mówiącej, iż uzyskane miary podobieństwa. ,. posiadają. rozkład normalny. W przypadku potwierdzenia normalności rozkładu miar podobieństwa podano alternatywną definicję granicznej wartości miary podobieństwa, bazującą na wykorzystaniu kwantyli rozkładu normalnego. Ponadto dla każdej zapory wykonano wykresy. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 30 -.

(31) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". poziomów oraz rozkładów częstości miary podobieństwa. ,. , jak również wykresy. gęstości uzyskanych rozkładów empirycznych.. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 31 -.

(32) Rozdział 5. Charakterystyka obiektów badań 5.1 Zapora ziemna w Pieczyskach Zbiornik retencyjny Koronowo zlokalizowany jest na terenie województwa kujawskopomorskiego (Ryc. 3). Powstał on w wyniku przegrodzenia zaporą ziemną rzeki Brda w 49+115 km w miejscowości Pieczyska. Zajmuje powierzchnię około 15,60 km2, natomiast jego całkowita pojemność wynosi 80,6.106 m3.. Ryc. 3. Lokalizacja zbiornika Koronowo [Materiały Elektrowni Wodnej Koronowo]. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 32 -.

(33) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". W Tabeli 1 przedstawiono podstawowe parametry zbiornika Koronowo. Spiętrzenie wody w zbiorniku wykorzystywane jest w elektrowni wodnej zlokalizowanej w miejscowości Samociążek (Ryc. 4). Elektrownia wytwarza moc równą 26 MW i produkuje średnio 40,84 GWh energii elektrycznej rocznie. Zbiornik Koronowo pełni również funkcję rekreacyjną.. Ryc. 4. Lokalizacja budowli zbiornika Koronowo [Materiały Elektrowni Wodnej Koronowo] Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 33 -.

(34) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". Tabela 1. Podstawowe parametry zbiornika Koronowo [Materiały Elektrowni Wodnej Koronowo] Parametr. Wartość. Normalny poziom piętrzenia. 81,50 m n.p.m.. Maksymalny poziom piętrzenia. 82,00 m n.p.m.. Minimalny roboczy poziom piętrzenia. 81,00 m n.p.m.. Pojemność retencyjna. 8,4.102 m3. Pojemność użytkowa. 21,6.102 m3. Pojemność całkowita. 80,6.106 m3. Długość zbiornika. 35 km 15,60 km2. Powierzchnia zbiornika. Zapora ziemna w Pieczyskach zamyka zlewnię o powierzchni 4109 km2. Piętrzy wodę do rzędnej 81,50 m n.p.m., natomiast w przypadkach nadzwyczajnych (np. podczas awarii siłowni) do rzędnej 82,00 m n.p.m. Podstawowe parametry zapory przedstawiono w Tabeli 2. Tabela 2. Podstawowe parametry zapory w Pieczyskach [Materiały Elektrowni Wodnej Koronowo] Parametr. Wartość ZAPORA. Rzędna korony. 84,50 m n.p.m.. Szerokość korony. 9,0 m. Nachylenie skarpy odwodnej: część dolna. 1:4. część górna. 1:3. Nachylenie skarpy odpowietrznej: od korony do rzędnej 80,30. 1:4. pomiędzy rzędnymi 80,30 i 76,00. 1:5. poniżej rzędnej 76,00. 1:10. Wysokość zapory. 23,5 m. Maksymalna szerokość korpusu w podstawie. 60,0 m. Długość korony. 340 m UPUST DENNY. Światło upustu – dwa przewody o przekrojach. 3,0 x 3,0 m. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 34 -.

(35) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". Długość (łącznie z niecką wypadową). 277,3 m. Spadek podłużny. 0,35% 50 m3.s-1. Wydatek jednego przewodu (teoretyczny). 73,0 m3.s-1. Łączny, praktyczny całkowity wydatek upustu. Skarpa odwodna korpusu zapory, na odcinku pomiędzy rzędnymi 84,50 a 75,00 m n.p.m., została zabezpieczona płytami betonowymi, zaś skarpa odpowietrzna – poprzez darniowanie (Ryc. 5). Stopień wodny Koronowo nie jest wyposażony w przelew powierzchniowy. W momencie przepełnienia zbiornika nastąpi przelanie się wody poprzez obniżenie terenu w rejonie wschodniego krańca Jeziora Białego.. Ryc. 5. Widok zapory w Pieczyskach od strony wody dolnej [fotografia własna]. Podłoże gruntowe zapory cechuje się uwarstwieniem. Zbudowane jest ono z piasków średnich (MSa), drobnych (FSa) i pospółek (grSa) oraz lokalnie ze słabo przepuszczalnych piasków pylastych (grsiSa, grclSa). Korpus zapory w Pieczyskach został wykonany z piasków drobnoi średnioziarnistych przy wykorzystaniu metody namywania. Zapora wyposażona jest w dwuprzewodowy, żelbetowy upust denny służący do transportu wody z górnego na dolne. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 35 -.

(36) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". stanowisko, jak również do okresowego płukania starego koryta rzeki Brdy w Koronowie. Zamknięcia upustu w postaci podwójnych zasuw stalowych płaskich z napędem elektrycznym zlokalizowane są w wieży zasuw. Na obszarze niecki wypadowej za wylotami z przewodów upustu dennego zastosowano ubezpieczenie w postaci szykan. Na długości 130 m poniżej niecki dno oraz skarpy koryta rzeki Brdy umocnione zostały płytami betonowymi, w których znajdują się otwory drenażowe wypełnione kruszywem [Materiały Elektrowni Wodnej Koronowo]. W latach 1976—1981 zapora uległa modernizacji:  przedłużono przewody upustu dennego,  rozbudowano system drenażowy,  poszerzono nasyp korpusu po stronie odpowietrznej. Zadaniem systemu drenażowego jest ujmowanie wód filtrujących przez zaporę w taki sposób, aby zapobiegać szkodliwym i niebezpiecznym zmianom strukturalnym gruntu, jak również utrzymywać krzywą depresji poniżej głębokości przemarzania gruntu. Konieczność wykonania modernizacji zapory była spowodowana wzrostem ciśnień piezometrycznych zagrażających stateczności zapory. Zapora ziemna z upustem dennym kontrolowana jest przez 179 reperów, w tym:  na koronie zapory – 13 szt.,  na skarpie odpowietrznej – 50 szt.,  na skarpie lewego przyczółku zapory – 15 szt.,  na skarpie prawego przyczółku zapory – 6 szt.,  na upuście dennym – 95 szt. Zapora posiada także 91 piezometrów służących pomiarom kontrolnym (w tym 82 czynne). Szkic rozmieszczenia piezometrów na przekrojach pomiarowych zapory w Pieczyskach ukazano na Ryc. 6.. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 36 -.

(37) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". Ryc. 6. Rozmieszczenie piezometrów na przekrojach pomiarowych zapory w Pieczyskach [Materiały Elektrowni Wodnej Koronowo] Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 37 -.

(38) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". 5.1.1 Charakterystyka danych pomiarowych uzyskanych dla zapory w Pieczyskach W przypadku zapory ziemnej zlokalizowanej w Pieczyskach (woj. kujawsko-pomorskie) analizie poddane zostały pomiary zmian zwierciadła wody w 82 piezometrach otwartych obejmujące okres 13 lat (od 2000 do 2012 roku), które zostały udostępnione przez Elektrownię Wodną Koronowo. Dla każdego piezometru analizie poddano 677 punktów pomiarowych uzyskanych w odstępach tygodniowych. Wyjątek stanowią piezometry:  P1, P15A, P113 – dla których obserwacje stanów wody prowadzone były od 14.07.2004 roku (łącznie 442 punkty pomiarowe),  A4D – dla którego obserwacje stanów wody prowadzone były od 4.08.2004 roku (łącznie 439 punkty pomiarowe),  P145, P150 – dla których obserwacje stanów wody prowadzone były od 29.03.2006 roku (łącznie 353 punkty pomiarowe),  P60, P61, P62, P63, P64 – dla których obserwacje stanów wody prowadzone były od 16.07.2008 roku (łącznie 233 punkty pomiarowe).. 5.2 Zapora Klimkówka Zbiornik Klimkówka zlokalizowany jest na terenie województwa małopolskiego (Ryc. 7). Powstał on w wyniku przegrodzenia zaporą ziemną rzeki Ropa w 54+400 km na pograniczu miejscowości Łosie i Klimkówka. Powierzchnia zbiornika przy maksymalnym poziomie piętrzenia wynosi 3,06 km2, natomiast jego całkowita pojemność osiąga wartość 42,53.106 m3 [Zbiornik wodny Klimkówka 2000].. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 38 -.

(39) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". Ryc. 7. Lokalizacja zbiornika Klimkówka [http://mapy.geoportal.gov.pl]. W Tabeli 3 ukazano podstawowe parametry zbiornika Klimkówka. Do jego zasadniczych zadań należy m.in. wyrównywanie niżówkowych przepływów na rzece Ropie oraz obniżanie kulminacji fali powodziowej wzdłuż jej biegu [Florkowski 2006]. Spiętrzenie wody w zbiorniku wykorzystywane jest także w elektrowni wodnej zlokalizowanej obok wypadu upustu dennego (Ryc. 8). Elektrownia ta posiada moc równą 1,1 MW i produkuje średnio 5,40 GWh energii elektrycznej rocznie. Zbiornik retencyjny Klimkówka podniósł również walory turystyczno-wypoczynkowe regionu Beskidu Niskiego, gdyż umożliwił m.in. uprawianie różnych sportów wodnych [Szpila 1998].. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 39 -.

(40) " Zmodyfikowana metoda iloczynu skalarnego służąca do badania kierunku filtracji w zaporach ziemnych". Tabela 3. Podstawowe parametry zbiornika Klimkówka [Zbiornik wodny Klimkówka 2000, Wiejaczka 2011] Parametr. Wartość. Minimalny poziom piętrzenia. 375,10 m n.p.m.. Normalny poziom piętrzenia. 395,80 m n.p.m.. Maksymalny poziom piętrzenia. 398,60 m n.p.m.. Pojemność całkowita. 42,53.106 m3. Pojemność powodziowa. 10,00.106 m3. Pojemność wyrównawcza. 30,35.106 m3. Pojemność martwa. 2,18.106 m3. Długość zbiornika. 12,2 km. Powierzchnia zbiornika. 3,06 km2. Ryc. 8. Widok zapory oraz elektrowni Klimkówka od strony wody dolnej [http://www.ropa.iap.pl]. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica. Kraków 2014. - 40 -.