ANALIZA PRZEPàYWU WODY PRZEZ GABIONY Ewa J Ċdryka

ANALIZA PRZEPàYWU WODY PRZEZ GABIONY Ewa J Ċdryka

Instytut Melioracji i UĪytków Zielonych w Falentach

Streszczenie. W artykule przedstawiono wyniki badaĔ terenowych budowli gabionowych wykonane w latach 2003–2005, mające na celu: ustalenie parametrów granulometrycznych materiaáu wypeániającego elementy gabionowe (przebadano dwa rodzaje kamieni – áama- ny i otoczaki), ustalenie parametrów charakteryzujących porowatoĞü oĞrodka, okreĞlenie hydraulicznych parametrów przepáywu na dwóch stopniach wykonanych z elementów ga- bionowych, ustalenie zmian zachodzących w konstrukcji tych stopni po kilkuletnim okresie eksploatacji. Badania wykazaáy, Īe: 1) materiaá kamienny moĪna charakteryzowaü wedáug tych samych zasad co grunt naturalny, 2) porowatoĞü gabionów wypeánionych otoczakami jest wiĊksza niĪ wypeánionych kamieniem áamanym tej samej wielkoĞci, 3) wspóáczynnik fi ltracji turbulentnej gabionów wypeánionych otoczakami jest wiĊkszy niĪ wypeánionych kamieniemáamanym, 4) udziaá przepáywu powierzchniowego w stosunku do fi ltracyjnego na przelewie wykonanym z gabionów wzrasta wraz ze zwiĊkszeniem siĊ objĊtoĞci prze- páywu wody dopáywającej do budowli. Po trzyletnim okresie eksploatacji nie stwierdzono istotnych deformacji konstrukcji budowli gabionowych.

Sáowa kluczowe: parametry kamieni, hydrauliczne parametry przepáywu, odksztaácenia konstrukcji budowli

WSTĉP

W budownictwie wodnym konstrukcje z gabionów stanowią doĞü waĪną grupĊ bu- dowli. W chwili obecnej są one coraz czĊĞciej stosowane, gdyĪ uwaĪa siĊ, Īe są przyjazne Ğrodowisku wodnemu i stanowią jedno z rozwiązaĔ technicznych zgodnych z proekolo- giczną zabudową koryt cieków. Pod wodą w wolnych przestrzeniach miĊdzy kamieniami mogą znaleĨü kryjówkĊ zarówno skorupiaki, jak i ryby, a górne powierzchnie, czĊsto zamulone, stanowią bardzo dobre podáoĪe dla roĞlinnoĞci wodnej.

Oprócz funkcji proekologicznych budowle gabionowe posiadają zalety konstrukcyj- no-hydrauliczne, gdyĪ tworzą konstrukcje elastyczne áatwo dopasowujące siĊ do podáo-

Adres do korespondencji – Corresponding author: Ewa JĊdryka, Instytut Melioracji i UĪytków Zielonych w Falentach, Zakáad InĪynierii Wodno Melioracyjnej, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn, e-mail: e.jedryka@imuz.edu.pl

Īa, odporne na duĪe prĊdkoĞci i falowanie wody. Takie budowle moĪna áatwo przebudo- wywaü (np. podwyĪszaü i wydáuĪaü) lub rozbieraü.

W konstrukcjach wykonanych z gabionów na szczególną uwagĊ zasáugują zjawiska hydrauliczne w ich obrĊbie. Związane są one gáównie ze sposobem i drogami przepáywu wody. Oprócz przepáywu „powierzchniowego”, odbywającego siĊ nad korpusem budow- li (tak jak to ma miejsce na budowlach nieprzepuszczalnych), wystĊpuje tu przepáyw przez ich korpus. Jest to szczególnie widoczne na budowlach nowych (bezpoĞrednio po ich wykonaniu) podczas niewielkich przepáywów, gdy zdarza siĊ, Īe páynąca woda po prostu „wsiąka”.

O ile hydrauliczne parametry przepáywu na budowlach o korpusach nieprzepusz- czalnych są stosunkowo dobrze poznane, o tyle wiadomoĞci o przepáywie w oĞrodkach o duĪej porowatoĞci, jakimi bez wątpienia są gabiony, to ciągle jeszcze obszar doĞü sáabo rozpoznany.

Do tej pory badania konstrukcji gabionowych wykonywane byáy gáównie w warun- kach laboratoryjnych – na modelach, i dotyczyáy: okreĞlenia dopuszczalnych obciąĪeĔ elementów gabionowych, giĊtkoĞci materacy siatkowo-kamiennych, deformacji prze- lewów tzw. schodkowych wykonanych z gabionów, szorstkoĞci powierzchni pokrytych gabionami, statecznoĞci umocnieĔ gabionowych [Pilarczyk i in. 1990, van dem Berg i in.

1992, Chanson 1994, Šewþenka 1996].

W 2003 roku w Zakáadzie InĪynierii Wodno Melioracyjnej IMUZ podjĊto badania terenowe dwóch stopni gabionowych wykonanych w korytach maáych rzek nizinnych – Wilga i Radomka. Badania rozpoczĊto jeszcze na etapie budowy obiektów i miaáy one na celu:

ustalenie charakterystyk materiaáu kamiennego uĪywanego do wypeánienia ele- mentów gabionowych,

ustalenie hydraulicznych parametrów przepáywu na badanych budowlach, ustalenie zmian zachodzących w konstrukcji tych budowli po kilkuletnim okresie eksploatacji.

Wyniki pomiarów mających na celu ustalenie charakterystyk kamienia áamanego, uĪytego do wypeánienia gabionów, z których nastĊpnie wykonano badane budowle oraz wyniki obliczeĔ wspóáczynników fi ltracji turbulentnej i szorstkoĞci powierzchni pokrytej gabionami, zaprezentowane zostaáy w artykule JĊdryki i KamieĔskiej [2004]. W niniej- szym artykule przedstawiono wyniki:

uzupeániających pomiarów granulometrycznych wykonanych dla kamienia polnego, obliczeĔ wspóáczynników fi ltracji turbulentnej dla kamienia polnego,

obliczeĔ podziaáu przepáywu (na powierzchniowy i wgáĊbny) przez przelew ba- danych stopni,

pomiarów zmian zachodzących w konstrukcji tych stopni.

CHARAKTERYSTYKA OBIEKTÓW BADAWCZYCH

StopieĔ gabionowy na rzece Wildze w km 39+700 (rys. 1) wybudowano w celu zmniejszenia spadku podáuĪnego dna rzeki i powstrzymania skutków erozji, które wy- stąpiáy po likwidacji zlokalizowanego w tym miejscu piĊtrzenia máyĔskiego. WysokoĞü

– – –

– – – –

stopnia wynosi 1,34 m, posiada on przelew dwudzielny o przekroju prostokątnym. ĝwiat- áo dolnej czĊĞci przelewu 10,4 m, a górnej 17,4 m. Przelew skáada siĊ z betonowego oczepuĞcianki szczelnej szerokoĞci 0,5 m i czĊĞci wykonanej z gabionów (uáoĪonych od strony wody dolnej) szerokoĞci 2 m. PoniĪej przelewu znajduje siĊ niecka wypadowa dáu- goĞci 10 m i gáĊbokoĞci 0,47 m, której dno i Ğciany boczne wykonane zostaáy z gabionów.

Dno i skarpy koryta na dáugoĞci 15 m poniĪej niecki oraz 6 m powyĪej przelewu zostaáy umocnione materacami gabionowymi uáoĪonymi na geowáókninie. Zabezpieczenie bu- dowli przed skutkami fi ltracji stanowi Ğcianka szczelna wykonana z grodzic stalowych dáugoĞci 6 i 4 m [Projekt budowlany..., 2002].

StopieĔ na rzece Radomce w km 37+965 (rys. 2) ma na celu zabezpieczenie przed utratą statecznoĞci jazu zlokalizowanego powyĪej oraz zmniejszenie spadku dna kory- ta rzeki na odcinku stopieĔ-jaz. StopieĔ posiada przelew prostokątny o przekroju dwu- dzielnym. SzerokoĞü czĊĞci dolnej jest równa 7,75 m, a górnej 15,75 m. Skáada siĊ on z betonowego oczepu Ğcianki szczelnej szerokoĞci 0,6 m i czĊĞci wykonanej z gabionów (od strony wody dolnej) szerokoĞci 1 m. Budowla nie posiada niecki wypadowej. Koryto rzeki na dáugoĞci 25 m poniĪej przelewu i 6 m powyĪej zostaáo umocnione materacami gabionowymi uáoĪonymi na geowáókninie. Zabezpieczenie budowli przed fi ltracją sta- nowi, podobnie jak na Wildze, Ğcianka szczelna wykonana z grodzic stalowych dáugoĞci 7 i 6, 4 m [Modernizacja rzeki..., 2002].

Rys. 1. StopieĔ z gabionów wykonany w korycie rzeki Wilgi (km 39+700): 1 – oczep betonowy, 2 – kosze i materace siatkowo-kamienne, 3 – Ğcianka szczelna, 4 – palisada, 5 – geowáók- nina [projekt BIPROMEL]

Fig. 1. Gabion barrage in Wilga River bed (km 39+700): 1 – concrete girt, 2 – gabions baskets and mattresses, 3 – sheet pile wall, 4 – palisade, 5 – geosynthetics [BIPROMEL project]

W toku badaĔ na obu obiektach wykonano pomiary:

ciĊĪaru i wymiarów kamieni wypeániających elementy siatkowe,

niwelacji poziomu zwierciadáa wody na budowli (przelew, stanowisko górne i dol- ne) i w korycie w bezpoĞrednim sąsiedztwie,

niwelacji budowli (przelew, niecka wypadowa, umocnienie górne i dolne), prĊdkoĞci przepáywu na przelewie i w korycie.

METODYKA BADAē

Charakterystyka materiaáu wypeániającego gabiony

Pomiary wykonano dla dwóch rodzajów kamieni – áamanego i polnego. KamieĔ áa- many byá to kwarcyt o ciĊĪarze objĊtoĞciowym 2700 kgǜm^–3. Napeániono nim cztery gabiony (oznaczone dalej jako nr 1–4) o objĊtoĞci 0,6 m³. LiczebnoĞü prób objĊtych po- miarami w poszczególnych gabionach wahaáa siĊ od 324 do 386 sztuk. Materiaá kamien- ny, z którego pobierane byáy próby do pomiarów, byá nastĊpnie wykorzystany do budowy dwóch stopni zlokalizowanych w korytach rzek Wilga i Radomka.

W przypadku kamienia polnego badania wykonano dla dwóch prób. Próba pierwsza skáadaáa siĊ z riolitu i granitu o ciĊĪarze objĊtoĞciowym 2810 kgǜm^–3. Kamieniami napeá-

– – – –

Rys. 2. StopieĔ z gabionów wykonany w korycie rzeki Radomki (km 37+965): 1 – oczep be- tonowy, 2 – kosze i materace siatkowo-kamienne, 3 – Ğcianka szczelna, 4 – palisada, 5 – geowáóknina [projekt BIPROMEL]

Figt. 2. Gabion barrage in Radomka River bed (km 37+965): 1 – concrete girt, 2 – gabions ba- skets and mattresses, 3 – sheet pile wall, 4 – palisade, 5 – geosynthetics [BIPROMEL project]

niono dwa gabiony (nr 5 i 6) o objĊtoĞci 0,14 i 0,48 m³, uĪywając do tego 114 i 425 sztuk kamieni. Druga próba skáadaáa siĊ z granitu, kwarcytu i trachitu o ciĊĪarze objĊtoĞcio- wym 2470 kgǜm^–3, napeániono nimi trzy elementy siatkowe (nr 7–9) o objĊtoĞci 2 × 0,51 m³ i 0,53 m³ (770, 132, 320 szt. kamieni).

Uziarnienie. KaĪdy kamieĔ byá waĪony, a nastĊpnie mierzony w trzech páaszczy- znach, tak aby uchwyciü jego wymiar minimalny (D1),Ğredni (D2) i maksymalny (D3).

Na podstawie pomiarów wykonano obliczenia Ğrednic: zastĊpczej (DZ) i (DZ*) oraz mia- rodajnej (dm). Zakáadając, Īe Ğrednica zastĊpcza (DZ) jest równa Ğrednicy kuli o objĊtoĞci równej objĊtoĞci kamienia, ĞrednicĊ zastĊpczą (DZ) kaĪdego kamienia okreĞlono, korzy- stając z zaleĪnoĞci:

D M

Z = 6

3

πγ ⁽¹⁾

gdzie: M – ciĊĪar kamienia [kg],

Ȗ – ciĊĪar objĊtoĞciowy skaáy [kg˜m^–3].

Znając liczbĊ kamieni (n) w kaĪdej próbie (gabionie) oraz ich sumaryczną masĊ (M*) obliczonoĞrednicĊ zastĊpczą (DZ*) dla caáego gabionu. Wyniki obliczeĔ posáuĪyáy do opracowania krzywych uziarnienia kamieni w kaĪdej próbie, wykonanych oddzielnie dla wymiarów D1, D2, D3, D_Z, a nastĊpnie do okreĞlenia Ğrednic charakterystycznych i Ğred- nicy miarodajnej (d_m).ĝrednicĊ miarodajną dla kaĪdego gabionu okreĞlano, korzystając z zaleĪnoĞci:

d

p d

m

i i n

=

∑

1

100 (2)

gdzie: d_i – Ğrednia Ğrednica ziaren dla i-tego zakresu krzywej uziarnienia,

p_i – zawartoĞü procentowa ziaren dla i-tego zakresu krzywej uziarnienia o Ğredniej Ğrednicy diw stosunku do caáej próbki (Ȉ pi =100).

Oprócz tego dla peániejszego scharakteryzowania kamieni ustalono wspóáczynnik niejednorodnoĞci (u) obliczony jako stosunek d60 do d10 (Ğrednice kamieni, których za- wartoĞü wagowa wynosi wraz z mniejszymi odpowiednio 60 i 10%).

PorowatoĞü. W celu scharakteryzowania oĞrodka porowatego, jakim niewątpliwie są elementy gabionowe, wykorzystano wspóáczynnik porowatoĞci (p) i wskaĨnik porowa- toĞci (e). PorowatoĞü defi niowana w wymiarze objĊtoĞciowym jest to stosunek objĊtoĞci wolnych przestrzeni (Vp) do caákowitej objĊtoĞci próby (V – objĊtoĞü elementu gabiono- wego). WskaĨnikiem porowatoĞci okreĞla siĊ stosunek objĊtoĞci porów (Vp) do objĊtoĞci cząstek fazy staáej (Vs – objĊtoĞü kamieni w gabionie). PomiĊdzy wielkoĞciami p i e zachodzi związek [za Bajkowskim 2001]:

e p

p p e

e

= − =

+

1 1 (3) (4)

Jak podaje Dąbkowski [2001], przy charakteryzowaniu gabionów uĪywany jest rów- nieĪ stopieĔ wypeánienia (a) nazywany teĪ wspóáczynnikiem zwartoĞci, defi niowany jako stosunek objĊtoĞci kamieni wypeániających (Vs) do objĊtoĞci gabionu (V).

Przepáyw przez budowle

Przepáyw wgáĊbny – fi ltracyjny. DuĪą czĊĞü objĊtoĞci gabionu stanowią wolne prze- strzenie, które tworzą sieü kanalików umoĪliwiających ruch wody, nazywany przepáywem fi ltracyjnym. Ruch wody w oĞrodku porowatym moĪe nastĊpowaü pod wpáywem dzia- áania siá: bezwáadnoĞci, tarcia i lepkoĞci. W przypadku przepáywu przez korpus budowli piĊtrzącej wykonanej z gabionów spotykamy siĊ ze zjawiskiem turbulentnego przepáywu fi ltracyjnego, a wiĊc ruchu, w którym dominującą siáą jest siáa bezwáadnoĞci.

WielkoĞü oporów przepáywu w oĞrodku o duĪej porowatoĞci charakteryzowana jest za pomocą wspóáczynnika fi ltracji turbulentnej. WielkoĞü tego wspóáczynnika dla oĞrod- ków porowatych ustaliü moĪna np. ze wzorów:

Isbasha i Khaldrea [za Bajkowskim 2001]

T 20 Z

Z

k p a D

D

§ ·

¨  ¸

© ¹ (5)

gdzie: DZ – Ğrednica zastĊpcza cząstek [cm], p – porowatoĞü [–],

a – wspóáczynnik ksztaátu materiaáu uĪytego do budowy korpusu budowli (dla otoczaków a = 14, dla kamienia áamanego a = 5),

Martinsa [za Bajkowskim 2001]

k pK

u ge D

T = 2 Z (6)

gdzie: u – wspóáczynnik niejednorodnoĞci cząstek [–],

K – bezwymiarowy wspóáczynnik zaleĪny od ksztaátu cząstek (dla otoczaków K = 0,75, dla kamienia áamanego K = 0,56),

g = 9,81 m·s^–2,

e – wskaĨnik porowatoĞci okreĞlony wedáug wzoru (3).

Przepáyw powierzchniowy odbywa siĊ nad korpusem przelewu budowli gabiono- wej. Zmiany wielkoĞci przepáywu powierzchniowego na szerokoĞci przelewu badanych stopni okreĞlono na podstawie pomiarów hydrometrycznych. Pomiary wykonano:

na obiekcie Wilga w przekroju wlotowym budowli, to znaczy na oczepie od stro- ny wody dopáywającej oraz w odlegáoĞci 1,5 m (na poáączeniu dwóch rzĊdów gabionów tworzących przelew) i 2,3 m od przekroju wlotowego (0,2 m od koĔca przelewu),

na obiekcie Radomka na krawĊdzi wlotowej oczepu oraz w przekroju poáoĪonym w odlegáoĞci 1,4 m od niej (0,2 m od koĔca przelewu).

–

–

– –

Zmiany zachodzące w konstrukcji budowli gabionowych

Zmiany te okreĞlono na podstawie wykonywanych co roku pomiarów niwelacyj- nych. Przekroje pomiarowe zlokalizowano na wykonanej z gabionów czĊĞci przelewu, w niecce wypadowej oraz na umocnieniu górnym i dolnym obydwu badanych stopni.

Rozmieszczenie przekrojów pomiarowych pokazano na schemacie zamieszczonym w tabeli 6. Oprócz tego dokonano przeglądu stanu siatek widocznych czĊĞci konstrukcji, ze zwróceniem szczególnej uwagi na przelew i nieckĊ wypadową, to znaczy na miejsca, w których budowla jest szczególnie naraĪona na uszkodzenia przez páynącą krĊ.

WYNIKI BADAē I ICH DYSKUSJA Charakterystyka materiaáu kamiennego

Zbiorcze zestawienie wartoĞci Ğrednic charakterystycznych oraz wspóáczynników niejednorodnoĞci ustalone dla czterech prób kamienia áamanego i piĊciu prób kamienia polnego zamieszczono w tabeli 1.

Tabela 1. Charakterystyka kamieni w badanych gabionach Table 1. Characteristics of stone in gabions

Numer gabionu Gabion number

Wymiar Dimension

ĝrednica charakterystyczna [mm]

Characteristics diameter

d₁₀ d₅₀ d₆₀ d₉₀ u = d₆₀/d₁₀ dm DZ*

1 2 3 4 5 6 7 8 9

kamieĔ áamany – crushed stones 1

D₁ D₂ D₃ DZ.

56 90 130 120

89 130 175 140

94 140 180 145

125 160 220 165

1,7 1,55 1,38

1,21 136

127

2

D₁ D₂ D₃ DZ.

60 94 145 125

85 125 175 145

90 130 180 150

120 160 225 175

1,50 1,38 1,24

1,20 146

134

3

D₁ D2

D₃ D_Z.

55 75 130 120

83 105 160 140

90 110 165 150

120 145 220 160

1,64 1,46 1,27

1,25 138

127

4

D₁ D₂ D₃ DZ.

52 80 110 110

85 130 170 130

90 145 180 160

135 175 225 190

1,73 1,80 1,63

1,45 148

129

kamieĔ polny (otoczaki) – cobble 5

D₁ D₂ D₃ DZ.

80 130 162 125

140 160 185 150

150 170 200 155

175 175 225 180

1,88 1,31 1,23

1,24 129

118

Wykorzystując wyniki pomiarów granulometrycznych zamieszczone w tabeli 1, ob- liczono porowatoĞü (p), wskaĨnik porowatoĞci (e) oraz wspóáczynnik zwartoĞci (a) dla gabionów objĊtych pomiarami (tab. 2).

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów i obliczeĔ ustalono, Īe:

Dla gabionów wypeánionych rĊcznie kamieniem áamanym o Ğrednicy zastĊpczej (ustalonej dla caáego gabionu) 127 d DZ*d 134 mm i wspóáczynniku nierównomiernoĞci uziarnienia 1,20 d u d 1,45 porowatoĞü (p) waha siĊ od 0,297 do 0,320, a wskaĨnik poro- watoĞci (e) od 0,422 do 0,471.

1.

Tabela 1 cd.

Table 1 cont.

1 2 3 4 5 6 7 8 9

6

D₁ D₂ D3

DZ.

70 95 150 100

100 120 180 130

110 125 185 135

135 130 200 170

1,57 1,32 1,23

1,35 118

108

7

D1

D₂ D₃ D_Z.

68 85 105

94

84 105 130 110

89 110 135 115

110 130 160 130

1,31 1,29 1,29

1,22 100

96

8

D₁ D2

D₃ D_Z.

145 150 180 165

170 200 240 200

180 210 250 210

200 250 300 240

1,24 1,40 1,39

1,27 180

169

9

D₁ D₂ D₃ DZ.

80 115 135 120

130 160 185 165

145 175 200 175

185 220 280 203

1,81 1,52 1,48

1,46 147

124

Tabela 2. Parametry charakteryzujące porowatoĞü Table 2. Parameters characteristic of gabions porosity

Numer gabionu Gabion number

DZ * [m]

V [m³]

VS

[m³]

p [–]

e [–]

a [–]

kamieĔ áamany – crushes stones

1 0,127 0,6 0,415 0,308 0,446 0,692

2 0,134 0,6 0,411 0,315 0,460 0,685

3 0,127 0,6 0,422 0,297 0,422 0,703

4 0,129 0,6 0,408 0,320 0,471 0,680

otoczaki próba 1 – cobble test 1

5 0,118 0,144 0,096 0,333 0,500 0,666

6 0,108 0,434 0,284 0,346 0,528 0,654

otoczaki próba 2 – cobble test 2

7 0,096 0,514 0,360 0,300 0,428 0,700

8 0,169 0,507 0,312 0,385 0,625 0,615

9 0,124 0,527 0,327 0,380 0,612 0,620

Dla gabionów wypeánionych okrąglakami o Ğrednicy zastĊpczej 96 d DZ*d 169 mm i wspóáczynniku nierównomiernoĞci uziarnienia 1,22 d u d 1,46 porowatoĞü (p) waha siĊ od 0,300 do 0,385, a wskaĨnik porowatoĞci (e) od 0,500 do 0,612.

PorowatoĞü gabionu (nr 4) wypeánionego kamieniem áamanym o Ğrednicy zastĊp- czej DZ* = 129 mm i wspóáczynniku nierównomiernoĞci uziarniona u = 1,45 i gabionu (nr 9) wypeánionego otoczakami o zbliĪonych parametrach granulometrycznych, tzn.

D_Z^* = 124 mm i wspóáczynniku nierównomiernoĞci uziarniona u = 1,46 jest równa odpo- wiednio 0,320 i 0,380.

Jak wiĊc widaü, elementy siatkowe wypeánione kamieniem polnym charakteryzują siĊ wiĊkszą porowatoĞcią niĪ wypeánione kamieniem áamanym.

Przepáyw fi ltracyjny

WartoĞci wspóáczynnika fi ltracji turbulentnej obliczone ze wzorów (5) i (6) zamiesz- czono w tabeli 3. Obliczenia wykazaáy, Īe wartoĞci liczbowe tego wspóáczynnika dla ka- mieniaáamanego zmieniają siĊ odpowiednio od 0,208 do 0,226 m·s^–1 i od 0,135 do 0,162 m·s^–1, a dla kamienia polnego od 0,172 do 0,303 m·s^–1 i od 0,165 do 0,327 m·s^–1. Widaü wiĊc, Īe dla obydwu rodzajów kamieni wspóáczynnik fi ltracji turbulentnej zwiĊksza siĊ wraz ze zwiĊkszeniem porowatoĞci (p) i Ğrednicą (DZ*).

Przepáyw powierzchniowy

Wyniki pomiarów hydrometrycznych wykonane w przekrojach pomiarowych zlokali- zowanych na przelewach badanych budowli zamieszczono w tabelach 4 i 5.

2.

3.

Tabela 3. Wspóáczynnik fi ltracji turbulentnej Table 3. Coeffi cient of turbulent fi ltration

Numer gabionu Gabion number DZ*

[m]

p [–]

U [–]

kTwg wzoru (5) [mǜs^–1] dla a = 5

k_Tby formula (5) for a = 5

kT wg wzoru (6) [mǜs^–1] dla K = 0,56

k_Tby formula (6) for K = 0.56 kamieĔ áamany – crushed stones

1 0,127 0,308 1,21 0,215 0,140

2 0,134 0,315 1,20 0,226 0,162

3 0,127 0,297 1,25 0,208 0,136

4 0,129 0,320 1,45 0,225 0,135

Numer gabionu Gabion number

DZ*

[m] p

[–]

U [–]

kTwg wzoru (5) [mǜs^–1] dla a = 14

k_Tby formula (5) for a = 14

kT wg wzoru (6) [mǜs^–1] dla K = 0,75

k_Tby formula (6) for K = 0.75 kamieĔ polny (otoczaki) – cobble

5 0,118 0,333 1,24 0,215 0,216

6 0,108 0,346 1,35 0,213 0,203

7 0,096 0,300 1,22 0,172 0,165

8 0,169 0,385 1,27 0,303 0,327

9 0,124 0,390 1,46 0,259 0,244

Na podstawie tych wyników ustalono, Īe procentowy udziaá przepáywu powierzch- niowego i wgáĊbnego na przelewach badanych stopni zmienia siĊ wraz ze zmianami ilo- Ğci wody dopáywającej do budowli.

Na obiekcie Wilga, przy przepáywie jednostkowym (na 1 m szerokoĞci przelewu):

q < 0,02 m²·s^–1, woda páynie tylko na betonowej czĊĞci oczepu, a nastĊpnie wsiąka w czĊĞü wykonaną z gabionów, nie osiągając krawĊdzi przelewu od strony wody dolnej, 0,03 < q < 0,04 m²·s^–1, przepáyw powierzchniowy stanowi 8–24% iloĞci wody dopáywającej,

q§ 0,10 m²·s^–1, po powierzchni przelewowej páynie okoáo 60% wody dopáywa- jącej,

q§ 0,25 m²·s^–1, przepáyw powierzchniowy stanowi okoáo 98%.

Na obiekcie Radomka, przy przepáywie jednostkowym:

q” 0 ,04 m²·s^–1, caáy przepáyw odbywa siĊ przez gabiony, q§ 0,21 m²·s^–1, przepáyw powierzchniowy stanowi okoáo 16%, q§ 2 ,24 m²·s^–1, przepáyw powierzchniowy stanowi okoáo 92%.

Ze wzglĊdu na to, Īe badane stopnie róĪnią siĊ wysokoĞcią, a ich przelewy mają róĪ- ną szerokoĞü czĊĞci wykonanej z gabionów (Wilga – 2 m, Radomka – 1 m), trudno jest

– – – – – – –

Tabela 4. WielkoĞci przepáywów na przelewie stopnia na rzece Wildze Table 4. Overfl ow on barrages discharge in the Wilga River

Lp.

No

Data Data

Przepáyw – Flow oczep [m³·s^–1] / [m²·s^–1]

girt

poáączenie gabionów joint gabions

koniec gabionów end gabions

1 30.06.2003 0,24/0,02 0 0 (0%)

2 25.09.2003 0,24/0,02 0 0 (0%)

3 23.03.2004 2,58/0,25 brak pomiaru 2,53 (98%)

4 23.06.2004 0,47/0,04 brak pomiaru 0,04 (8%)

5 10.08.2004 0,39/0,04 0,36 0,03 (8%)

6 21.04.2005 1,00/0,10 0,93 0,59 (59%)

7 23.08.2005 0,33/0,03 0,32 0,08 (24%)

Tabela 5. WielkoĞci przepáywów na przelewie stopnia na rzece Radomce Table 5. Overfl ow on barrages discharge in the Radomka river

Lp.

No

Data Data

Przepáyw – Flow oczep [m³·s^–1] / [m²·s^–1]

girt

koniec gabionów end gabions

1 8.08.2003 0,27/0,04 0

2 26.09.2003 0,34/0,04 0

3 24.03.2004 17,35/2,24 16 (92%)

4 22.06.2004 0,07/0,01 0

5 11.08.2004 0,21/0,03 0

6 20.04.2005 1,63/0,21 0,26 (16%)

7 24.08.2005 0,14/0,02 0

na podstawie zebranego materiaáu pomiarowego wyciągnąü wnioski ogólne, dotyczące podziaáu przepáywu na powierzchniowy i fi ltracyjny.

Zmiany zachodzące w konstrukcji budowli gabionowych

Wyniki obliczeĔ wielkoĞci zmian wysokoĞciowego poáoĪenia dna w przekrojach po- miarowych przedstawiono w tabeli 6. Jak wynika z tych danych, konstrukcje badanych budowli w ciągu trzyletniego okresu eksploatacji ulegáy tylko niewielkim deformacjom, z wyjątkiem przekroju zaáoĪonego na umocnieniu dolnym stopnia na rzece Radomce.

Przyczyną tych deformacji byáo najprawdopodobniej záe wypoziomowanie betonowej czĊĞci przelewu (oczepu), powodujące odchylenie przelewającego siĊ strumienia wody w kierunku jednego brzegu, oraz brak (przewidzianej w projekcie) niecki wypadowej.

Przekroje zlokalizowane na przelewie na obydwu obiektach ulegáy jedynie niewiel- kim odksztaáceniom (5–0 cm), prawdopodobnie na skutek przemieszczenia siĊ kamieni (wypáukania mniejszych niĪ wymiary oczek siatki lub na skutek „zagĊszczenia” i likwi- dacji wolnych przestrzeni pomiĊdzy kamieniami).

Tabela 6. Zakres zmian wysokoĞciowego poáoĪenia dna w przekrojach pomiarowych na obiektach Wilga i Radomka

Table 6. Range of bed river height changes in cross sections on Wilga and Radomka objects

Lokalizacja przekroju Location cross

Wilga Radomka

RóĪnica rzĊdnych dna w latach Difference ordinate bottom made

in

RóĪnica rzĊdnych dna w latach Difference ordinate bottom made

in

2003–2004 2003–2005 2003–2004 2003–2005 Koniec umocnienia górnego I–I

End higher strengthen Przelew czĊĞü wlotowa II–II Front overfl ow II–II

Przelew czĊĞü wylotowa III–III Outlet overfl ow III–III Niecka IV–IV Basin IV–IV Niecka V–V Basin V–V

Umocnienie dolne VI–VI Lower strengthen IV–IV Umocnienie dolne VII–VII Lower part strengthen VII–VII

–0,08 – +0,40 –0,05 – –0,08 –0,05 – –0,08 –0,21 – +0,08 –0,10 – +0,10 –0,09 – +0,18 –0,13 – +0,03

brak pomiaru –0,06 – +0,01 +0,01 – +0,05 –0,14 – +0,19 –0,14 – +0,31 –0,11 – +0,05 –0,13 – +0,04

–0,01 – +0,31 –0,06 – +0,08 –0,10 – +0,06 –0,23 – +0,07 –0,09 – +0,13 –0,21 – +0,08 –0,56 – +0,17

+0,01 – +0,50 brak pomiaru –0,10 – +0,02 –0,10 – +0,02 –0,14 – +0,15 –0,18 – +0,10 –0,03 – +0,67 Liczby ze znakiem „+” oznaczają wypiĊtrzenie elementu (lub jego zamulenie) wzglĊdem poziomu istnieją- cego bezpoĞrednio po wykonaniu, a „–” obniĪenie.

Schemat lokalizacji przekrojów pomiarowych

Dno koryta w przekrojach zlokalizowanych na koĔcu umocnienia górnego ulegáo zamuleniu, lecz jest to zjawisko typowe dla budowli posiadających zwĊĪony przekrój przelewu i próg.

Przekroje zlokalizowane w niecce wypadowej i na umocnieniu dolnym stopnia na rzece Wildze oraz w niecce na rzece Radomce ulegáy nieznacznym odksztaáceniom (2–31 cm).

W okresie badawczym nie stwierdzono uszkodzeĔ siatek wywoáanych przepáywem zanieczyszczeĔ i kry przez budowle.

WNIOSKI

Przepáyw wody przez gabiony zaleĪy nie tylko od ich wymiarów i ksztaátów, ale rów- nieĪ od materiaáu, jaki zostaá uĪyty do wypeánienia elementów siatkowych. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów materiaáu wypeániającego oraz badaĔ dwu stopni gabiono- wych ustalono, Īe:

Materiaá kamienny moĪna charakteryzowaü wedáug tych samych zasad co grunty naturalne, natomiast wielkoĞü jest okreĞlana przez pomiar poszczególnych pojedynczych kamieni.

PorowatoĞü gabionów wypeánionych kamieniem polnym jest wiĊksza niĪ wypeá- nionych kamieniem áamanym o podobnej granulacji.

Wspóáczynniki fi ltracji turbulentnej obliczone z zaleĪnoĞci podanych przez Is- basha i Khaldrea oraz Martinsa są wiĊksze dla gabionów wypeánionych otoczakami niĪ dla wypeánionych kamieniem áamanym.

Na przelewie wykonanym z gabionów udziaá przepáywu powierzchniowego w stosunku do fi ltracyjnego wzrasta wraz ze zwiĊkszeniem siĊ objĊtoĞci wody dopáywa- jącej do budowli.

Po trzyletnim okresie eksploatacji budowli wykonanych z elementów siatkowo- -kamiennych nie stwierdzono istotnych deformacji ich konstrukcji jak równieĪ wyraĨ- nych uszkodzeĔ siatek gabionowych na czĊĞci przelewowej (szczególnie naraĪonej na uderzenia kry) i w niecce wypadowej.

PIĝMIENNICTWO

Bajkowski S., 2001. Wspóáczynnik fi ltracji turbulentnej jazów przepuszczalnych. Mat. konf. „Ga- biony w ksztaátowaniu i ochronie Ğrodowiska naturalnego”. Wydz. InĪ. ĝrod., 39–57.

Chanson H., 1994. Hydraulic design of stepped cascades, channels weirs and spillways. Perga- Dąbkowski L.Sz., 2001. KorzyĞci i warunki stosowania gabionów w budownictwie wodnym. Wiad. mon.

Mel. i àąkarskie 3, 113–120.

JĊdryka E., KamieĔska A., 2004. Badania wybranych parametrów gabionów (obiekty Wilga i Ra- domka). Acta Scientiarum Polonorum, Architectura 3 (1), 67–75.

Martins R., 1990. Turbulent Seepagr Flow Through Rockfi ll Stractures. Water Power and Dam Constructions. March. S, 41–45.

Modernizacja rzeki Radomki w km 37+630 – 38+230 gm. JedliĔsk, 2002. Biuro Studiów i Projek- tów Gospodarki Wodnej Rolnictwa BIPROMEL.

1.

2.

3.

4.

5.

Pilarczyk K.W., Havinga H., Klaasen G.J., Verhey H.J., Masselman E., Leemans J. A., 1990. Con- trol of bank erosion in the Netherlands. State of the art. 442. Delft Hydraulies, 29.

Projekt budowlany, stopieĔ na rz. Wildze km 39+700 w miejscowoĞci àĊtów, 2002. Biuro Studiów i Projektów Gospodarki Wodnej Rolnictwa BIPROMEL.

Ševþenko K.I., 1996. Gabiony – nadeiĪnaja zašþita gruntov ot erozji. Gidrot. Stroit. 6.

van dem Berg E.J.F. i in., 1992. Schanskorven aan zee. Final thesis. Delft Univ. of Technology.

Mat. techn.

ANALYSIS OF WATER FLOW BY GABIONS

Abstract. The article presents the results of site surveys made in 2003–2005. The main purpose of the investigation was to determine: grain size distribution of the material that fi tls the grid elements (it was investigated two type of stones: crushed stones and cobble), porosity of the medium, parameters of hydraulic fl ow on two stages made from the gabion elements, changes in the construction of gabions structure after several years of its opera- ting. The results show: 1) stones can be characterized by the same rules such as mineral gro- und, 2) porosity of gabions fi lled witch cobble is larger in comparison witch gabions of the same size but fi lled witch crushed stones, 3) coeffi cient of turbulence fi ltration of gabions fi lled witch cobble is larger in comparison witch the gabions fi lled witch crushed stones, 4) the surface fl ow in comparison witch fi ltration on wire built with gabions is increasing follow increasing volume of infl ow water to the construction. There was not any essential deformation of the gabions construction after three years of their using

Key words: stones parameters, hydraulic fl ow parameters, structures deformation

Zaakceptowano do druku – Accepted for print: 22.02.2007