ZAMULANIE ZBIORNIKÓW ZAPOROWYCH
W każdym zbiorniku wodnym, w którym woda piętrzona jest dzięki zaporze wybudowanej w przekroju cieku, występuje zamulanie. Proces ten spowodowany jest głównie osadzaniem się rumowiska niesionego przez dopływy oraz materiału pocho-dzącego z abrazji brzegów. W zależności od wielu czynników, takich jak powierzchnia, sposób użytkowania czy budowa geo-logiczna zlewni, proces zamulania przebiega w każdym zbior-niku z różną intensywnością. Zamulenie wpływa w negatywny sposób na funkcjonowanie danego obiektu, może prowadzić m. in. do zmniejszenia rezerwy pojemności powodziowej [1]. Nagromadzone osady powodują zmętnienie wód, mogą być sie-dliskiem zanieczyszczeń, mają również negatywny wpływ na jakość wód pitnych [6]. Problem zamulania dotyczy głównie części cofkowych zbiorników – ujść rzek i potoków do zbiorni-ka, czyli miejsc, gdzie zaczynają odkładać się najgrubsze frakcje i najwcześniej mogą wystąpić problemy eksploatacyjne. Odkła-danie się osadów w tym rejonie powoduje zmniejszenie spadku zwierciadła wody w górnej części zbiornika, przez co przekrój końcowy cofki przemieszcza się w górę rzeki. Osadzające się osady zmieniają linię brzegową i powodują spłycenie, tworząc obszar delty.
Przy projektowaniu oraz w trakcie eksploatacji zaporowych zbiorników wodnych istotne jest prawidłowe rozpoznanie pro-cesu ich zamulania oraz uwzględnienie jego skutków, takich jak zmniejszanie pojemności użytkowej oraz zmiany w części cof-kowej. Rozwiązaniem problemu może być przeprowadzenie od-mulania i wydobycie zalegających na dnie osadów. Bagrowane osady mogą być złożone na hałdę lub wykorzystane – również do celów budownictwa ziemnego. Rozpoznanie właściwości tego materiału, zarówno pod kątem właściwości geotechnicz-nych, jak i chemiczgeotechnicz-nych, pozwoli na podjęcie decyzji co do ich zagospodarowania.
Osady bagrowane ze zbiorników wodnych mogą być wy-korzystane w różny sposób – do niwelacji terenu, rekultywacji gruntów bezglebowych lub jako dodatek do gleb lekkich do po-prawienia ich wartości produkcyjnych, nawożenia i użyźniania gleb (w tym przypadku osady wymagają odpowiedniego przy-gotowania: stabilizacji, higienizacji oraz odwodnienia i susze-nia) [11]. Materiał wydobyty w czasie odmulania zbiorników wodnych może być również wykorzystany do celów budownic-twa ziemnego:
do nadbudowy i modernizacji grobli lub skarp zbiorni-–
ków [4, 12],
do budowy nasypów drogowych, –
w budowlach hydrotechnicznych, –
do formowania warstw izolacyjnych w składowiskach –
odpadów.
W praktyce, w budownictwie ziemnym wykorzystanie wy-dobytych z dna osadów sprowadza się do ich rozplantowania na miejscu, uzupełnienia lub nadbudowy skarp zbiornika. Tym-czasem z dotychczasowych badań właściwości osadów dennych różnych zbiorników wodnych [6, 8, 11, 12, 14] wynika, że mogą one stanowić wartościowy materiał, również do celów budow-nictwa ziemnego, zwłaszcza gdy brak jest gruntów mineralnych w pobliżu lokalizacji danej budowy.
PROCES ZAMULANIA W ZBIORNIKU CZORSZTYŃSKIM
Zbiornik Czorsztyński powstał w roku 1997 przez spię-trzenie wód Dunajca zaporą ziemną w Nidzicy, zlokalizowaną w 173,3 km biegu rzeki. Powierzchnia zalewu przy normalnym poziomie piętrzenia to 1340 ha, pojemność całkowita wynosi 234 mln m3, z czego pojemność użytkowa stanowi 198 mln m3.
Do funkcji zbiornika należy ochrona przeciwpowodziowa doli-ny Dunajca, wyrównanie przepływów poniżej zapory oraz pro-dukcja energii elektrycznej, dzięki elektrowni szczytowo – pom-powej o mocy 92 MW. Zbiornik Czorsztyński spełnia również funkcję krajobrazową i rekreacyjną [25].
Zlewnia zbiornika Czorsztyn położona jest w górskim regio-nie południowej Polski. Od północy graniczy z łańcuchem Gor-ców, na południu zaś z Tatrami Zachodnimi i Tatrami Wysokimi. Zachodnią część doliny wyznacza Czarny Dunajec i jego dopły-wy. Na wschodzie granicę stanowią Pieniny i Kotlina Orawsko-Nowotarska, której środkową część przedziela Dunajec. Kotlina Orawsko-Nowotarska o stosunkowo wyrównanej powierzchni, wypełniona jest kompleksem utworów neogenu reprezentowa-nych przez iły, muły, kredę jeziorną, wkładki węgla brunatne-go, żwiry, piaski, zlepieńce. Utwory te są przykryte osadami czwartorzędowymi – zwietrzelinowymi, aluwialnymi, lodow-cowo-rzecznymi (w formie stożków napływowych) i organo-genicznymi [24]. W strukturze użytkowania gruntów powiatu nowotarskiego, na terenie którego znajduje się zbiornik, grunty rolne stanowią 55%, leśne – 37%, a pozostałe grunty i nieużyt-ki – 8% [15]. Powierzchnia zlewni zbiornika to 1147 km2, co
stanowi 16,4% powierzchni dorzecza Dunajca.
Po połączeniu potoków źródłowych, Czarnego i Białego Du-najca, rzeka Dunajec płynie szeroką doliną przez Kotlinę Nowo-tarską, aż do zapory w Niedzicy. Najważniejszymi bezpośredni-mi dopływabezpośredni-mi Zbiornika są m.in. Białka, Piekiełko, Przykopa i Niedziczanka. W regionie występują najwyższe opady w Pol-sce, w granicach 700 ÷ 1800 mm, których skutkiem są częste i nagłe wezbrania rzek [16]. Największy udział w procesie za-mulania Zbiornika Czorsztyńskiego ma Dunajec i Białka, które powodują sedymentację materiału w części cofkowej. W ciągu 14 lat eksploatacji zbiornika przy ujściu Dunajca utworzył się
Mgr inż. Karolina Koś
Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, Wydział Inżynierii Środowiska i Geodezji
Charakterystyka geotechniczna osadów dennych cofki Zbiornika Czorsztyńskiego
i możliwości ich wykorzystania do celów budownictwa ziemnego
już cypel o długości ponad 200 m przy normalnym poziomie piętrzenia i szerokości około 20 ÷ 30 m [9].
MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ
Próbki osadów dennych pobrano w rejonie cofki Zbiornika Czorsztyńskiego, w pobliżu miejscowości Dębno, przy ujściu rzeki Dunajec do zbiornika (rys. 1). Głębokość odkrywek była zależna od występującego w danym okresie poziomu wody.
Próbki pobierano w czasie kolejnych wyjazdów tereno-wych:
luty 2008 roku – wykonano jedną odkrywkę O-I (rys. 2) –
zlokalizowaną na prawym brzegu, w części cofkowej zbiornika, w której pobrano próbki osadów z głębokości 0,0 ÷ 1,1 m.
grudzień 2009 – wykonano cztery odkrywki (O-II – V) –
zlokalizowane na lewym brzegu, w części cofkowej zbiornika, w których pobrano próbki osadów z głęboko-ści 0,0 ÷ 0,4 m.
luty 2010 – wykonano sześć odkrywek (O-VI – XI) –
zlokalizowanych około 200 m od ujścia Dunajca w głąb zbiornika, w części cofkowej zbiornika, w których po-brano próbki osadów z głębokości 0,0 ÷ 0,6 m.
wrzesień 2011 – wykonano pięć odkrywek (O-XII – –
XVI) zlokalizowanych ponad 200 m od brzegu zbior-nika, w części cofkowej zbiornika (rys. 3), w których
pobrano próbki osadów z głębokości 0,0 ÷ 0,5 m. Od-krywkę O-XII wykonano do głębokości 1,7 m w celu rozpoznania gruntów (pierwotnych osadów Dunajca) zalegających pod osadami naniesionymi do zbiornika. Dokonano również obmiaru cypla.
Oznaczenie właściwości geotechnicznych osadów dennych przeprowadzono zgodnie z normą [19]. Wykonano następują-ce oznaczenia: uziarnienie – metodą mieszaną sitowo-areome-tryczną, gęstość właściwa – metodą piknometru, granica pla-styczności – metodą wałeczkowania oraz płynności – metodą penetrometru stożkowego. Oznaczono również zawartość czę-ści organicznych metodą utleniania oraz straty prażenia według [20] i wartość wskaźnika piaskowego według [17]. Współczyn-nik filtracji oznaczono w edometrach dla osadów odpowiadają-cych gruntom spoistym oraz w aparacie ITB-ZW-k2 dla osadów odpowiadających gruntom niespoistym. Wilgotność optymalną i maksymalną gęstość objętościową szkieletu osadów spoistych oznaczono w aparacie Proctora, przy standardowej energii za-gęszczania 0,59 J/cm3. Maksymalną i minimalną gęstość
obję-tościową szkieletu osadów niespoistych oznaczono metodą wi-bracyjną.
Wytrzymałość na ścinanie oznaczono w aparacie bezpo-średniego ścinania [19] w skrzynce o wymiarach w rzucie
Rys. 1. Fragment mapy terenu cofkowej części Zbiornika Czorsztyńskiego z lokalizacją poboru próbek [23]
Rys. 2. Lokalizacja odkrywek badawczych w cofkowej części Zbiornika
100 × 100 mm, z ramkami pośrednimi tworzącymi strefę ści-nania o grubości 4 mm. Próbki formowane były bezpośrednio w skrzynce aparatu przy wilgotności optymalnej i trzech war-tościach wskaźnika zagęszczenia: Is = 0,90, 0,95 i 1,00. Próbki
poddawano obciążeniu o wartości 100, 200 i 400 kPa, a następ-nie ścinano przy prędkości 0,5 mm/min do uzyskania 10% od-kształcenia poziomego próbki. Obliczenia parametrów wytrzy-małościowych wykonano dla wartości maksymalnych naprężeń ścinających (max τf).
Wskaźnik nośności określono na próbkach bezpośrednio po zagęszczeniu oraz po 4 dobach nasycania wodą zgodnie z [22], przy obciążeniu 22,0 N i penetracji trzpienia o powierzchni 20 cm2 do głębokości 2,5 i 5,0 mm zagłębianego ze stałą
pręd-kością 1,25 mm/min. Jako wartość miarodajną przyjęto wyższą wartość wskaźnika nośności. W trakcie procesu nasycenia do-konywano pomiaru zmian wysokości próbki w celu oznaczenia pęcznienia. Badania wykonano w dwóch powtórzeniach, jako wynik końcowy przyjęto wartości średnie, odnosząc je do wil-gotności uzyskanej w strefie penetracji trzpienia.
CHARAKTERYSTYKA WŁAŚCIWOŚCI GEOTECHNICZNYCH OSADÓW
Profile wykonanych odkrywek (rys. 4) oraz uziarnienie osa-dów dennych wskazują na ich duże zróżnicowanie zarówno przestrzenne, jak i w profilu pionowym. Na podstawie składu
uziarnienia badanych osadów wydzielono dwie grupy – pierw-szą, której uziarnienie odpowiada gruntom spoistym oraz drugą, której uziarnienie odpowiada gruntom niespoistym. W dalszej części pracy przedstawiono wyniki badań właściwości geotech-nicznych obydwu grup osadów, a następnie próby średniej uzy-skanej przez zmieszanie wszystkich próbek osadów.
Stropowe warstwy pierwotnych osadów Dunajca budują żwiry pylaste (0,5 ÷ 0,7 m), piaski pylaste (0,7 ÷ 1,4 m), piaski ilaste (1,4 ÷ 1,5 m) oraz iły pylasto-piaszczyste (nieprzewierco-ne do głębokości 1,7 m – por. rys. 4, O-XII).
OSADY SKLASYFIKOWANE JAKO GRUNTY SPOISTE
Charakterystykę uziarnienia oraz wartości parametrów geo-technicznych osadów spoistych zestawiono w tabl. 1. Osady te sklasyfikowano jako pyły lub pyły piaszczyste. Pyły charaktery-zowały się zawartością frakcji piaskowej od 10 do 13%, pyłowej od 81 do 85%, a iłowej około 5%. Wskaźnik uziarnienia wyniósł około 11, zatem można określić je jako kilkufrakcyjne. Pyły piaszczyste charakteryzowały się zawartością frakcji piaskowej od 22 do 60%, pyłowej od 38 do ponad 70% oraz iłowej 2%, incydentalnie 7%. Wskaźnik uziarnienia dla tej grupy wydzie-lonych osadów wahał się od około 8 do ponad 23, lokalnie około 4, można zatem określić je jako kilku- lub wielofrakcyjne.
Zawartość części organicznych oznaczona metodą utleniania wahała się od 2,1 do 3,1% nie wykazując istotnego
wania między obydwoma rodzajami osadów spoistych. Większe wartości uzyskano z oznaczenia strat prażenia, od około 4 do ponad 7%.
Wilgotność naturalna była wysoka i w przypadku pyłów wynosiła od około 56 do ponad 62%, natomiast w przypadku pyłów piaszczystych wynosiła od około 30 do 65%.
Wilgotność optymalna pyłów wynosiła od 25 do około 28%, a pyłów piaszczystych była wyraźnie mniejsza i wynosiła około 20%. Maksymalna gęstość objętościowa szkieletu pyłów wyno-siła 1,42 g/cm3, a pyłów piaszczystych była wyraźnie większa
i wynosiła około 1,6 g/cm3.
Granica płynności wyniosła od około 40 do 52%, natomiast wartość granicy plastyczności od około 28 do 32% i nie wyka-zywała istotnego zróżnicowania między obydwoma rodzajami osadów spoistych. Wskaźnik plastyczności pyłów wynosił od około 15 do 18%, a pyłów piaszczystych był niższy i wynosił od około 8 do 12%. Wszystkie osady spoiste były w stanie płynnym (wskaźnik konsystencji poniżej 0,25).
Współczynnik filtracji dla wszystkich wydzielonych osadów spoistych był stosunkowo mały i wynosił od około 3·10-9 do
6,3·10-9 m/s.
Ostatecznie osady denne spoiste sklasyfikowano jako grun-ty pylaste, przeważnie kilkufrakcyjne, słabo przepuszczalne,
w stanie płynnym. Charakteryzują się zawartością części orga-nicznych znacznie przekraczającą 2%, przez co zaliczają się do gruntów organicznych.
OSADY SKLASYFIKOWANE JAKO GRUNTY NIESPOISTE
Charakterystykę uziarnienia oraz wartości parametrów geotechnicznych osadów niespoistych zestawiono w tabl. 2. Sklasyfikowano je jako piaski, piaski drobne lub piaski pyla-ste. W piaskach udział frakcji piaskowej wynosił powyżej 98%, a w piaskach drobnych od 95 do 98%. Piaski pylaste charak-teryzowały się zawartością frakcji piaskowej od 61 do 83%, a pyłowej od około 17 do 37%. Zawartość frakcji iłowej w wy-dzielonych gruntach była nieznaczna, co wynika z procesu sedy-mentacji w zbiornikach zaporowych, gdzie najdrobniejsze frak-cje są deponowane bliżej zapory, w podwodnej części zbiornika. Na podstawie wskaźnika uziarnienia piasków i piasków drob-nych, który wyniósł od 1,6 do 2,4, można określić je jako jedno-frakcyjne. Natomiast dla piasków pylastych wartość wskaźnika uziarnienia była wyższa i wahała się od prawie 3 do 16, zatem można je określić jako jedno- lub kilkufkracyjne. Wskaźnik pia-skowy wynosił od 19 do 88%.
Tabl. 1. Skład granulometryczny oraz parametry geotechniczne osadów spoistych
Parametr
Symbol Jednostka O-I
0,0 ÷ 0,3 m*
O-I
0,5 ÷ 0,7 m* O-III** 0,0 ÷ 0,4 m
O-VI
0,0 ÷ 0,15m O-VI** 0,15 ÷ 0,25m O-XII 0,0 ÷ 0,5 m O-XIII 0,0 ÷ 0,2 m
Zawartość frakcji: % – piaskowej 2 ÷ 0,063 mm Sa 9,8 13,4 56,0 22,0 35,0 60,0 58,0 – pyłowej 0,063 ÷ 0,002 mm Si 85,0 81,2 42,0 71,0 63,0 38,0 40,0 – iłowej < 0,002 mm Cl 5,2 5,4 2,0 7,0 2,0 2,0 2,0 Zawartość cząstek – < 0,075 mm – < 0,02 mm % 94,048,0 90,053,0 52,09,0 83,038,0 84,030,0 45,017,5 47,020,0 Wskaźnik różnoziarnistości CU – 11,7 10,9 3,8 16,8 7,9 18,0 23,2
Nazwa gruntu według [18] – – Si saSi
Wilgotność naturalna wn % 55,53 62,32 39,9 65,95 32,41 29,78 36,45
Gęstość właściwa szkieletu ρs g/cm
3 2,68 2,67 2,68 2,66 2,72 2,62 2,67
Straty prażenia Iż % 6,37 7,30 4,15 7,15 4,96 3,87 3,88
Zawartość części organicznych Iom % 2,09 3,13 2,12 – – 2,55 2,98
Wilgotność optymalna wopt % 25,2 27,9 – 22,4 19,8 – –
Maksymalna gęstość
objętościo-wa szkieletu gruntowego ρds g/cm 3 1,438 1,418 – 1,506 1,593 – – Granica płynności wL % 42,9 50,2 36,6 52,50 39,8 – – Granica plastyczności WP 27,7 32,0 28,5 32,66 27,9 – – Wskaźnik plastyczności IP 15,2 18,2 8,1 19,8 11,9 – – Wskaźnik konsystencji IC – -0,83 -0,66 -0,41 -0,68 – – – Współczynnik filtracji k10 m/s 6,32·10-9 3,27·10-9 – 4,69·10-9 2,91·10-9 – – * według [16] ** według [7]
Tabl. 2. Skład granulometryczny oraz parametry geotechniczne osadów niespoistych Parametr Symbol Jednostka O-I 0,7 ÷ 0,8 m* O-I < 0,9 m* O-II** 0,0 ÷ 0,4 m O-IV** 0,0 ÷ 0,4 m O-V** 0,0 ÷ 0,4 m O-VI** 0,25 ÷ 0,45 m O-VII ** 0,0 ÷ 0,1 m O-VII** 0,1 ÷ 0,6 m O-VIII** 0,0 ÷ 0,3 m O-VIII** 0,3 ÷ 0,5 m O-IX 0,0 ÷ 0,3 O-IX 0,3 ÷ 0,5 m O-X 0,0 ÷ 0,4 m O-XI 0,0 ÷ 0,4 m O-XIV 0,0 ÷ 0,4 m O-XV 0,0 ÷ 0,1 m O-XV 0,1 ÷ 0,5 m O-XVI 0,0 ÷ 0,15 m O-XVI 0,15 ÷ 0,3 m Zawartość frakcji: % – piaskowej 2 ÷ 0,063 mm Sa 83,2 97,9 61,0 82,0 80,0 98,0 67,0 99,5 95,0 68,0 95,0 95,5 72,0 73,0 82,0 83,0 69,0 76,0 75,0 – pyłowej 0,063 ÷ 0,002 mm Si 16,6 2,1 37,0 17,0 19,5 2,0 32,5 0,5 5,0 32,0 5,0 4,5 27,0 27,0 17,0 17,0 29,0 24,0 24,0 – iłowej < 0,002 mm Cl 0,2 2,0 1,0 0,5 0,5 0,0 1,0 0,0 1,0 0,0 2,0 0,0 1,0 Zawartość cząstek: – < 0,075 mm – < 0,02 mm – % 23,5 2,0 4,0 1,0 50,0 10,0 20,0 2,0 24,0 3,0 8,0 1,0 37,0 7,0 1,0 0,0 15,0 0,0 38,0 5,0 10,0 – 8,0 – 33,0 12,0 30,0 14,0 20,0 10,0 22,0 8,0 37,0 17,0 26,0 9,0 26,0 12,0 Wskaźnik różnoziarnistości CU – 2,6 2,4 4,1 3,6 – 2,0 5,4 1,6 2,2 2,7 1,9 2,0 11,4 11,3 8,5 5,8 16,0 7,5 10,6
Nazwa gruntu według [18]
– – siSa Sa siSa FSa siSa Sa FSa siSa FSa siSa W ilgotność naturalna wn % 21,6 10,0 32,0 41,9 43,0 19,9 37,2 7,5 13,5 33,7 – – – – 31,2 36,8 39,1 38,4 33,2 Gęstość właściwa ρs g/cm 3 2,66 2,67 – – – 2,705 2,68 2,66 2,65 2,59 2,69 2,65 2,68 2,71 2,66 2,67 2,64 2,68 2,66 Wskaźnik piaskowy wp % – – – – – 65 21 88 38 22 70 76 25 19 – – – – – Straty prażenia Iż 2,49 1,74 2,13 1,56 1,76 0,88 5,10 0,77 1,55 2,60 0,93 1,17 3,05 2,24 2,92 2,37 4,07 2,41 3,50 Zawartość części or ganicznych Iom 1,00 0,75 1,45 0,98 1,05 0,81 1,88 0,50 0,97 2,49 0,81 0,97 1,88 1,58 1,92 1,72 – 2,07 2,1 1 W ilgotność optymalna wopt – – 19,3 19,2 16,8 – 17,3 – – 19,7 – – 20,4 17,0 – – – – –
Maksymalna gęstość objętościo
-wa szkieletu według metody: – Proctora – wibracyjnej ρds ρdmax g/cm 3 – 1,47 – 1,52 1,58 – 1,56 – 1,62 – – 1,48 1,72 – – 1,49 – 1,54 1,55 – – 1,50 – 1,49 1,56 – 1,66 – – – – – –
Minimalna gęstość objętościowa szkieletu ρdmin g/cm 3 – – – – – 1,25 – 1,31 1,34 – 1,30 1,30 – – – – – – – Współczynnik filtracji k10 m/s 2,15 ·10 -5 6,17 ·10 -5 – – – 5,37 ·10 -5 3,70 ·10 -7 1,72 ·10 -4 1,38 ·10 -6 4,80 ·10 -6 3,62 ·10 -5 5,86 ·10 -5 3,52 ·10 -6 5,42 ·10 -7 – – – – – * według [16] ** według [7]
Straty prażenia nie wykazały istotnych różnic w poszcze-gólnych rodzajach osadów niespoistych i wahały się od 0,9 do ponad 5,0%. Zawartość części organicznych oznaczona metodą utleniania wynosiła przeważnie od 0,5 do 1,9%, incydentalnie 2,5%. Osady niespoiste zaliczyć można zatem do grupy gruntów mineralnych, ewentualnie na pograniczu gruntów mineralnych i organicznych.
Wilgotność naturalna piasków pylastych wynosiła od około 22 do 43% i była wyraźnie wyższa niż piasków – 7,5 do 10% i piasków drobnych – 14 do 20%.
Wilgotność optymalna piasków pylastych wynosiła od około 17 do 20%, natomiast maksymalna gęstość objętościowa szkie-letu oznaczona w aparacie Proctora ρds przeważnie od 1,55 do
1,72 g/cm3.
Maksymalna i minimalna gęstość objętościowa szkiele-tu gruntowego piasków i piasków drobnych oznaczone meto-dą wibracyjną ρdmax i ρdmin wynosiły odpowiednio około 1,50
i 1,30 g/ cm3, nie wykazując istotnych różnic między
wspomnia-nymi rodzajami osadów sypkich.
Współczynnik filtracji wyniósł dla piasków od 1,7·10-4 do
6,2·10-5 m/s, dla piasków drobnych od 3,6·10-5 do 1,3·10-6 m/s,
natomiast dla piasków pylastych od 3,5·10-6 do 3,7·10-7 m/s,
in-cydentalnie 2,1·10-5 m/s.
Wydzielone osady niespoiste sklasyfikowano jako grunty piaszczyste, z przewagą piasków pylastych. Są to grunty mi-neralne, jednofrakcyjne lub kilkufrakcyjne, słabo zagęszczone o średniej przepuszczalności.
MATERIAŁ UŚREDNIONY
Uziarnienie materiału uśrednionego odpowiadało piaskom pylastym o zawartości frakcji piaskowej prawie 75%, pyłowej ponad 24% oraz iłowej poniżej 1% (tabl. 3). Wartość wskaźnika różnoziarnistości wynosiła około 12, można więc określić ma-teriał jako kilkufrakcyjny. Zawartość części organicznych wy-nosiła 1,44%, materiał można zaliczyć do gruntów mineralnych. Wskaźnik piaskowy wyniósł 30%, a wartość gęstości właściwej 2,66 g/cm3. Wilgotność optymalna wyniosła około 15%,
nato-miast maksymalna gęstość objętościowa szkieletu 1,65 g/ cm3.
Współczynnik filtracji wykazał zależność od zagęszczenia i zmniejszał się od 6,6·10-6 do około 2,0·10-6 m/s, odpowiednio
do zwiększania wskaźnika zagęszczenia od 0,90 do 1,00. Wartości parametrów charakteryzujących wytrzymałość na ścinanie były stosunkowo duże i mało zależne od zagęszcze-nia. Kąt tarcia wewnętrznego zwiększał się od 30° do około 32°, a spójność od 24 do 28 kPa, odpowiednio do zwiększania wskaźnika zagęszczenia od 0,90 do 1,00.
Wartości wskaźnika nośności były stosunkowo duże, zależ-ne od wilgotności próbek. Wskaźnik nośności oznaczony bez-pośrednio po zagęszczeniu próbki (w = 13%) wynosił od 15 do około 17% (tabl. 4). Po czterodobowej nasiąkliwości wartość wskaźnika nośności zmniejszyła się do około 11%, przy wzro-ście wilgotności o około 5% (rys. 5). Pęcznienie linowe było znikome i wyniosło około 0,08%.
Ostatecznie materiał uśredniony sklasyfikowano jako piasek pylasty kilkufrakcyjny, o zawartości części organicznych
po-Tabl. 3. Skład granulometryczny
oraz parametry geotechniczne materiału uśrednionego
Parametr Wartość Zawartość frakcji: – piaskowej 2 – 0,063 mm – pyłowej 0,063 – 0,002 mm – iłowej < 0,002 mm 74,87% 24,37% 0,76% Nazwa gruntu według [18] siSa Wskaźnik różnoziarnistości 11,8 Gęstość właściwa 2,663 g/cm3
Wskaźnik piaskowy 30% Zawartość części organicznych 1,44% Wilgotność optymalna 14,8% Maksymalna gęstość objętościowa szkieletu
oznaczo-na w aparacie Proctora 1,653 g/cm3 Współczynnik filtracji przy:
– Is = 0,90
– Is = 1,00
6,63·10-6 m/s
1,98·10-6 m/s
Kąt tarcia wewnętrznego przy: – Is = 0,90 – Is = 0,95 – Is = 1,00 30,4° 31,1° 31,7° Spójność przy: – Is = 0,90 – Is = 0,95 – Is = 1,00 24,3 kPa 25,8 kPa 28,4 kPa
Tabl. 4. Wartości wskaźnika nośności i pęcznienia liniowego materiału uśrednionego
Próbka nasiąkliwościCzas [doby] Wilgotność w strefie penetracji trzpienia [%] Wskaźnik nośności [%] Pęcznienie liniowe [%] 1 0 13,14 15,12 – 4 18,77 11,16 0,076 2 0 13,41 16,81 – 4 18,16 10,81 0,080
zwalającej zaliczyć go do gruntów mineralnych. Jest to materiał słabo przepuszczalny o stosunkowo dużych wartościach wskaź-nika nośności i parametrów charakteryzujących wytrzymałość na ścinanie.
KRYTERIA OCENY PRZYDATNOŚCI DO CELÓW BUDOWNICTWA ZIEMNEGO
Przydatność gruntów do celów budownictwa ziemnego ure-gulowano m.in. w normie [21], gdzie zawarte są wymagania, jakie powinny być spełnione przy wykonywaniu i odbiorze technicznych robót ziemnych. We wspomnianej normie podaje się, że przy ocenie przydatności gruntów należy uwzględnić sze-reg właściwości, takich jak: uziarnienie, przepuszczalność, pla-styczność, zagęszczalność czy zawartość części organicznych. W zależności od rodzaju budowli, bardziej szczegółowe kryteria doboru gruntów znaleźć można w odnośnych normach lub w li-teraturze specjalistycznej. Wymagania określające przydatność gruntów do budowy nasypów drogowych określono w normie [22]. Na podstawie zaleceń obu wspomnianych norm najlepszy-mi gruntanajlepszy-mi do stosowania są grunty ziarniste o możliwie naj-bardziej zróżnicowanym uziarnieniu, takie jak: żwiry, pospółki oraz piaski grubo- i średnioziarniste. Obie normy nie dopusz-czają stosowania gruntów wysadzinowych, pęczniejących, or-ganicznych, spoistych o granicy płynności powyżej 60% oraz trudno zagęszczanych, których maksymalna gęstość objętościo-wa szkieletu nie przekracza objętościo-wartości 1,6 g/cm3.
W przypadku budownictwa hydrotechnicznego należy kie-rować się głównie zaleceniami odnośnej literatury [2, 13, 15]. Do ziemnych budowli hydrotechnicznych zalicza się zapory ziemne oraz nasypy do celów budownictwa wodno-melioracyj-nego, tj.: wały przeciwpowodziowe, groble, obwałowania. Do
budowy zewnętrznej części zapory ziemnej można użyć grunty kamieniste (rumosze, zwietrzeliny i otoczaki) lub gruboziarniste (piaski). Grunty drobnoziarniste są wbudowywane w uszczel-nienie zapory i mają za zadanie ograniczyć filtrację przez korpus zapory [6]. Różnorodność stosowanych gruntów pokazano na rys. 6, na którym przedstawione są przykładowe krzywe uziar-nienia gruntów wykorzystanych do budowy zapór. W przypad-ku nasypów hydrotechnicznych, jak obwałowania lub groble, ze względu na wysokie koszty transportu najczęściej stosuje się materiał miejscowy, mimo że nie zawsze spełnia on wszystkie kryteria [2]. Są to zazwyczaj grunty organiczne, które według normy [21] nie powinny być stosowane. W Polsce wybudowano jednak wiele kilometrów niskich nasypów z miejscowych grun-tów organicznych, które spełniają swoje funkcje [2, 6]. Dowodzi to, że osady rzeczne lub zbiornikowe, mimo obaw związanych z ich stosowaniem, mogą być z powodzeniem używane do bu-dowy obiektów budownictwa ziemnego, zwłaszcza w przypad-ku niższych klas technicznych.
OCENA PRZYDATNOŚCI BADANYCH OSADÓW DENNYCH DO CELÓW BUDOWNICTWA ZIEMNEGO
Ocenę przydatności osadów dennych z cofki Zbiornika Czorsztyńskiego do celów budownictwa ziemnego przeprowa-dzono zgodnie z wymaganiami norm [21, 22] oraz zaleceń i wy-tycznych dostępnych w literaturze przedmiotowej.
Na podstawie uzyskanych wartości parametrów geotech-nicznych wyróżnionych grup osadów można stwierdzić, że:
osady spoiste w każdym przypadku sklasyfikowano jako –
grunty wysadzinowe, o zawartości części organicznych powyżej 2% oraz niskiej wartości gęstości objętościowej szkieletu. Pyły i pyły piaszczyste można wstępnie
dopu-Rys. 6. Wykresy uziarnienia gruntów stosowanych na zapory [3] 1 – nasyp statyczny zapory w Tresnej; 2 – nasyp statyczny zapory w Schwammenauel w Niem-czech; 3 – nasyp statyczny zapory w Myczkowcach; 4 – rdzeń zapory Kingslay w USA; 5 – rdzeń zapory Avro we Włoszech; 6 – rdzeń zapory w Tustervatan
ścić do stosowania na przesłony w składowiskach odpa-dów komunalnych [5], ale pod warunkiem polepszenia ich właściwości.
osady niespoiste spełniały większą liczbę wymaganych –
kryteriów, m. in. dotyczących zawartości części orga-nicznych lub właściwości mechaorga-nicznych, ale zazwyczaj klasyfikowane były jako wątpliwe pod względem wysa-dzinowości i były materiałem przesortowanym o niskim wskaźniku uziarnienia. Materiał ten można dopuścić do stosowania na nasypy ziemne pod warunkiem polepsze-nia ich właściwości przez stabilizację, np. cementem. Ze względu na specyfikę badanych materiałów bardziej wła-ściwa ocena jego przydatności powinna odnosić się do materiału uśrednionego. Wynika to stąd, że w trakcie wydobywania, trans-portu i składowania następuje przemieszanie różnych warstw osadów. W przypadku decyzji o wykorzystaniu tych osadów jako gruntu konstrukcyjnego należy brać pod uwagę charakte-rystykę geotechniczną materiału uśrednionego.
OCENA PRZYDATNOŚCI
DO BUDOWY NASYPÓW DROGOWYCH
W normie PN-S-02205:1998 określono piaski pylaste jako przydatne do stosowania na dolne warstwy nasypu pod warun-kiem wbudowania w miejsca suche lub zabezpieczone od wód gruntowych i powierzchniowych. W normie dopuszcza się ten
rodzaj gruntu również na górne warstwy nasypów w strefie przemarzania pod warunkiem ulepszenia spoiwami. Pozostałe kryteria zawarte w omawianej normie przedstawiono w tabl. 5.
Materiał uśredniony osadów dennych cofki Zbiornika Czorsztyńskiego spełnia zdecydowaną większość podanych kryteriów. Wartości wskaźnika uziarnienia i wartość maksy-malnej gęstości objętościowej szkieletu gruntowego pozwalają prognozować dobrą zagęszczalność materiału. Spełnione są wa-runki dotyczące dopuszczalnej zawartości części organicznych oraz plastyczności. Ze względu na zbyt wysoką zawartość czą-stek drobnych materiał ten został sklasyfikowany jako wątpliwy pod względem wysadzinowości. Wartości wskaźnika nośności po 4 dobach nasiąkliwości wodą wynoszą powyżej 10%, dlate-go materiał uśredniony można zakwalifikować do grupy nośno-ści G1. Ze względu jednak na jego kategorię wysadzinowonośno-ści należy grupę nośności obniżyć do G2 [10]. Mimo to przydat-ność osadów do celów budownictwa drogowego można ocenić wysoko. Uzyskane wartości parametrów wytrzymałościowych pozwalają prognozować odpowiednią nośność i stateczność na-sypów formowanych z omawianych osadów.
OCENA PRZYDATNOŚCI
DO BUDOWNICTWA HYDROTECHNICZNEGO
Ze względu na charakterystykę uziarnienia w przypadku oceny przydatności do celów budownictwa
hydrotechniczne-Tabl. 5. Ocena przydatności osadów dennych z cofki Zbiornika Czorsztyńskiego do budowy nasypów drogowych i hydrotechnicznych
Parametr Jednostka Nasypy drogoweNormy [21,22] hydrotechniczneNasypy [15]
Wartości uzyskane dla materiału uśrednionego
(siSa)
Maksymalny wymiar ziarn mm 200 – brak ziarn powyżej 200 mm
Wskaźnik uziarnienia CU – ≥ 3 > 60 11,8
Zawartość frakcji iłowej uszczelnienie
% – > 20 0,76
Zawartość części organicznych, Iom < 2 < 3 1,44
Maksymalna gęstość objętościowa szkieletu, ρds g/cm
3 ≥ 1,6 – 1,653
Granica płynności wL
(w zależności od warstwy nasypu)
górne % < 35 – nie oznaczano dolne < 65 – Zawartość cząstek: ≤ 0,075 mm ≤ 0,02 mm < 15 < 3 – 30,0 12,2 Wskaźnik piaskowy wp >35 – 30
Grupa wysadzinowości zależnie od grupy gruntów – wątpliwe Współczynnik filtracji korpus m/s – < 10
-6 Is = 0,90 – 6,63·10 -6 Is = 1,00 – 1,98·10 -6 uszczelnienie – < 10-7
Zawartość cząstek: ≤ 0,01 mm korpus % – 6 ÷ 20 7,0
uszczelnienie – > 25
Kąt tarcia wewnętrznego f ° – > 25* 31,7
Wskaźnik nośności po 4 dobach nasiąkliwości wnoś % ≥ 10 – 10,8
go wzięto pod uwagę możliwość wykorzystania omawianych osadów na budowę korpusu nasypów. Badany materiał spełnia wszystkie istotne kryteria, jak wartość współczynnika filtracji i zawartość części organicznych. Dodatkowo, wysokie wartości kąta tarcia wewnętrznego pozwalają prognozować dobrą sta-teczność nasypów wykonanych z omawianych osadów. Zastrze-żenia mogą dotyczyć jedynie wartości wskaźnika uziarnienia, która jest mniejsza od podanej w pracy Sobczaka [15]. Jednak biorąc pod uwagę doświadczenia związane z wykorzystaniem mad rzecznych do formowania obwałowań [6], można wnosić, że osady z cofki Zbiornika Czorsztyńskiego można wykorzystać do budowy nasypów hydrotechnicznych.
PODSUMOWANIE
Proces zamulania Zbiornika Czorsztyńskiego spowodował wypłycenie obszaru cofki tego zbiornika, przez co należy roz-ważyć możliwość przeprowadzenia pogłębiania i wydobycia zalegających osadów. Przedstawione wyniki badań i ich analiza może pozwolić na podjęcie decyzji dotyczącej zagospodarowa-nia tego materiału.
W cofce Zbiornika Czorsztyńskiego zalegają naprzemianle-gle osady piaszczysto – pylaste. Materiał uśredniony sklasyfi-kowano jako piasek pylasty, kilkufrakcyjny, o niedużej zawar-tości części organicznych pozwalającej zaliczyć ten materiał do gruntów mineralnych. Uzyskane wartości parametrów wytrzy-małościowych i wskaźnika nośności były wysokie, co pozwala prognozować dobrą stateczność i nośność budowli ziemnych formowanych z osadów. Jedyne zastrzeżenia dotyczą uziarnie-nia, które klasyfikuje badany materiał jako wątpliwy pod wzglę-dem wysadzinowości.
Na podstawie przeprowadzonej oceny przydatności osadów do celów budownictwa ziemnego stwierdzono, że można je stosować do formowania nasypów drogowych i hydrotechnicz-nych, pod warunkiem polepszenia ich właściwości.
Badane osady nie spełniają wszystkich wymaganych kry-teriów, jednak na podstawie dotychczasowych doświadczeń związanych ze stosowaniem podobnych materiałów [2, 6] moż-na uzmoż-nać, że mogą one być zastosowane do budowy moż-nasypów o niższych klasach technicznych bez stosowania zabiegów, któ-re dodatkowo podniosłyby koszty inwestycji.
Planuje się kontynuację badań mających na celu oznaczenia zawartości metali ciężkich w omawianych osadach, aby ocenić oddziaływanie badanego materiału na środowisko przyrodnicze oraz stabilizację osadów, na przykład spoiwami hydrauliczny-mi, w celu polepszenia ich właściwości geotechnicznych.
LITERATURA
Babiński Z.: Wpływ zapór na procesy korytowe rzek aluwialnych. Byd-1.
goszcz, Wydawnictwo Akademii Bydgoskiej 2002 .
Borys M.: Niskie nasypy z miejscowych gruntów organicznych dla 2.
potrzeb budownictwa wodno-melioracyjnego. Falenty, Wydawnictwo IMUZ 1993.
Czyżewski K., Wolski W., Wójcicki S., Zbikowski A.: Zapory ziemne. 3.
Warszawa, Arkady 1973.
Dymkowski A., Lewandowski R.: Rekultywacja wybranych stref brze-4.
gowych i częściowe odmulenie zbiorników Rożnów i Czchów. Gospodarka Wodna. Warszawa. Wydawnictwo Sigma-Not, 2001. 10, 420-423.
Gruchot A., Sudyka K.: Usability evaluation of bottom sediments from 5.
backwater of Czorsztyn – Niedzica reservoir in geotechnical engineering. Geo- Geo-logija. Versita Publisher 2011. 53, No.2 (74), 20-27.
Gwóźdź R.: Właściwości osadów spoistych Jeziora Rożnowskiego 6.
w aspekcie ich geotechnicznego wykorzystania. Rozprawa doktorska. Maszy-nopis. PK Kraków 2007.
Koś K.: Charakterystyka geotechniczna osadów dennych w cofce 7.
Zbiornika Czorsztyńskiego. Acta Sci. Pol., Formatio Circumiectus. Wydawnic-two Uniwersytetu Rolniczego 2011. 10 (2), 29-40.
Kozielska-Sroka E., Chęć M.: Właściwości osadów dennych Jeziora 8.
Czorsztyńskiego w aspekcie ich wykorzystania w budownictwie ziemnym. Gór-nictwo i Inżynieria. 2009. 1, 369-375.
Kozielska-Sroka E., Michalski P., Zydroń T.: Uwarunkowania geotech-9.
niczne i hydrodynamiczne transformacji północnej strefy brzegowej zbiornika Czorsztyn – Niedzica w trakcie jego eksploatacji. Pieniny – Zapora – Zmiany – Monografie Pienińskie 2010. 2, 63-82.
Katalog typowych konstrukcji nawierzchni podatnych i półsztywnych. 10.
Generalna Dyrekcja Dróg Publicznych i Autostrad, Warszawa 1997.
Loska K., Cebula J., Wiechuła D.: Analiza właściwości fizykochemicz-11.
nych osadów dennych zbiornika rybnickiego w aspekcie ich wykorzystania do celów nieprzemysłowych. Gospodarka Wodna. Warszawa. Wydawnictwo Sig-ma-Not, 2002. 7, 292-294.
Madeyski M., Bednarz J.: Wykorzystanie osadów dennych wybranego 12.
zbiornika wodnego. Zesz. Nauk. AR w Krakowie, 2004. Inżynieria Środowiska, 25, 283-292.
Patrzałek A., Pozzi M. (red.): Obwałowania cieków wodnych i pobo-13.
cza szlaków komunikacyjnych. Zabrze. Wyd. IPIŚ PAN O/Zabrze i IGS Pol. Śl. 2003.
Rzętała M. A.: Procesy brzegowe i osady denne wybranych zbiorników 14.
wodnych w warunkach zróżnicowanej antropopresji. Katowice. Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego 2003.
Sobczak J.: Zapory z materiałów miejscowych. Warszawa. PWN 15.
1975.
Sudyka K.: Analiza geotechniczna i chemiczna osadów dennych Zbior-16.
nika Czorsztyn – Niedzica i ich wykorzystanie w budownictwie ziemnym. Praca magisterska. Maszynopis. Kraków. Uniwersytet Rolniczy 2009.
BN-64/8931-01. Drogi samochodowe. Oznaczenie wskaźnika piasko-17.
wego.
PN-EN ISO 14688-2:2006. Badania geotechniczne. Oznaczanie i kla-18.
syfikowanie gruntów. Część 2: Zasady klasyfikowania.
PN-EN-ISO TS 17892. Badania geotechniczne. Badania laboratoryjne 19.
gruntów.
PN-88/B 04481. Grunty budowlane. Badania próbek gruntu. 20.
PN-B-06050:1999. Geotechnika. Roboty Ziemne. Wymagania ogólne. 21.
PN-S-02205:1998. Drogi samochodowe. Roboty zimne. Wymagania 22.
i badania.
Gorce 1:50 000. Wydawnictwo Compass. 2010. 23.
www.czarny-dunajec.pl 24.
www.zzw-niedzica.com.pl 25.
