Projektowanie umocnień brzegowych Pilarczyk.pdf

Krystian W. Pilarczyk

Public Works Dpt.(RWS), Road and Hydraulic Engineering Institute, Delft

P.O.Box 5044, 2600 GA Delft, Netherlands

k.w.pilarczyk@dww.rws.minvenw.nl ; k.pilarczyk@planet.nl

Wykorzystanie umocnie3 brzegowych, takich, jak narzut kamienny, bloki i maty blokowe,

ró6ne materace i asfalt, w in6ynierii l7dowej i wodnej jest bardzo powszechne. Filtry

ziarniste, a ostatnio geotekstylia, stanowi7 mniej lub bardziej standardowe składniki

konstrukcji umocnienia brzegowego (PIANC, 1987,1992).

W ramach badania stateczno?ci otwartych umocnie3 zbocza, znacznie poszerzona została

wiedza na temat stateczno?ci układanych (okładzinowych) umocnie3 kamiennych i blokowych

pod obci76eniem fal (CUR/TAW, 1995) oraz stateczno?ci narzutu kamiennego pod obci76eniem

fal i pr7dów (CUR/CIRIA, 1991, CUR/RWS, 1995).

A6 do niedawna brak było dostCpnych narzCdzi projektowania dla kilku innych (otwartych)

typów umocnienia oraz dla innych aspektów stateczno?ci lub były one niezadowalaj7ce.

Sytuacja ta uległa czC?ciowej poprawie, poniewa6 metodologia projektowania układanych

umocnie3 blokowych rozszerzona została ostatnio co do zastosowalno?ci za pomoc7 kilkorga

bada3 studyjnych dotycz7cych innych (otwartych) umocnie3:

systemy zazCbiaj7ce/kleszczowe (interlock) i maty blokowe;

kosze sza3cowe (gabiony);

materace geotekstylne wypelnione betonem (geomaterace);

geosystemy, takie, jak worki lub zasobniki w kształcie kiszki, wypełnione piaskiem;

i innych aspektów stateczno?ci takich, jak: stateczno?E pod obci76eniem fal i pr7dów,

stateczno?E mechaniczna gruntu i wytrzymało?E szcz7tkowa.

Celem niniejszego rozdziału, opartego czC?ciowo na opracowaniu Kleina Bretelera i wsp.,

1998, jest przedstawienie podsumowania coraz wiCkszej wiedzy, zwłaszcza dotycz7cej

dostCpnych ju6 narzCdzi projektowania. Dalsze szczegóły znaleFE mo6na w opracowaniu

(Pilarczyk i wsp., 1998).

Rysunek 1. Kształtowanie siC naporu (parcia hydrodynamicznego) w konstrukcji umocnienia

brzegowego

Atak fali na umocnienie brzegowe prowadził bCdzie do kompleksowego przepływu ponad

i poprzez konstrukcjC umocnienia brzegowego (warstwa filtracyjna i przykrywaj7ca). W czasie

wpływania fali pod górC siły, powstaj7ce w wyniku oddziaływania fali skierowane bCd7

przeciwnie do sił ciC6ko?ci. Dlatego te6, przypływanie fali jest mniej niebezpieczne, ni6 jej

odpływanie. Odpływanie fali prowadziE bCdzie do powstawania dwóch, istotnych

mechanizmów:

Spływaj7ca w dół woda oddziałuje sił7 cisnienia na warstwC przykrywaj7c7, a malej7cy

poziom nasycenia zbiegaE siC bCdzie z gradientem odpływania w filtrze (lub koszu

sza3cowym). Pierwszy mechanizm mo6na przedstawiE schematycznie, jako swobodny

przepływ w filtrze lub koszu sza3cowym o typowym gradiencie, równym k7towi

nachylenia (skarpy). Mo6e to skutkowaE po?lizgiem.

W czasie trwania maksymalnego odpływu fali pojawia siC fala napływaj7ca, która

chwilC póFniej powoduje powstanie uderzenie fali. Ju6 przed uderzeniem powstaje

„?ciana” wody, powoduj7ca du6e parcie poni6ej punktu odpływu maksymalnego.

Powy6ej punktu odpływu powierzchnia umocnienia brzegowego jest prawie sucha,

a zatem, w tym miejscu na konstrukcjC oddziałuje małe parcie. Czoło naporu

prowadziE bCdzie do przepływu ku górze w filtrze lub koszu sza3cowym. Przepływ ten

napotykał bCdzie przepływ ku dołowi na obszarze odpływu. Wynikiem tego jest

przepływ na zewn7trz oraz parcie od dołu (wypór) w pobli6u punktu odpływu

maksymalnego (rysunek 1).

Przedstawiona schematycznie sytuacja mo6e byE okre?lona ilo?ciowo na podstawie równania

Laplace’a dla przepływu liniowego:

(1)

gdzie:

O = O b potencjalna wysoko?E hydrauliczna, wywołana w filtrze lub koszu sza3cowym (m);

y współrzCdna równoległa do zbocza (m);

z współrzCdna prostopadła do zbocza (m).

Rysunek 2. Schematyczny obraz wysoko?ci hydraulicznej, oddziałuj7cej na umocnienie

Po wykonaniu skomplikowanych oblicze3 mo6liwe jest wyprowadzenie parcia od dołu (wyporu)

w filtrze lub koszach sza3cowych. Parcie od dołu (wypór) zale6ne jest od stromo?ci i wysoko?ci

czoła naporu, oddziałuj7cego na warstwC przykrywaj7c7 ( , która zale6na jest od wysoko?ci fali,

okresu oraz k7ta nachylenia, patrz rysunek 2), grubo?ci warstwy przykrywaj7cej oraz poziomu

linii nasycenia w filtrze lub koszu sza3cowym. W przypadku narzutu kamiennego lub koszy

sza3cowych, nie jest ono zale6ne od przepuszczalno?ci warstwy przykrywaj7cej, o ile

przepuszczalno?E jest o wiele wiCksza, ni6 podło6e. W przypadku półprzepuszczalnych warstw

przykrywaj7cych równowaga sił wyporu i sił ciC6ko?ci (okre?lona przez komponenty

umocnienia brzegowego) prowadzi do nastCpuj7cego (przybli6onego) wzoru konstrukcyjnego

(Pilarczyk i wsp. 1998):

bDk

scr

,gdzie

(2a)

lub

scr

(2b)

lub

scr

(2c)

gdzie:

H scr znacz7ca wysoko?E fali, przy której bloki bCd7 wypierane [m];

U op tanV/W(H s /(1,56T p 2 )) = parametr fali przybojowej;

T p okres fali w szczycie spektrum [s];

X długo?E przecieku [m];

Y = (Z s - Z)/Z[ wzglCdna masa objCto?ciowa warstwy przykrywaj7cej;

b grubo?E warstwy dolnej [m];

D grubo?E warstwy górnej (przykrywaj7cej) [m];

k przepuszczalno?E warstwy dolnej [m/s];

k' przepuszczalno?E warstwy górnej [m/s];

f współczynnik stateczno?ci, zale6ny głównie od typu konstrukcji, tanV oraz tarcia;

F całkowity (czarna skrzynka) współczynnik stateczno?ci.

Długo?E przecieku (X) oraz współczynnik stateczno?ci (F) omówione s7 dokładniej

w nastCpnych rozdziałach.

3.1. Obciazenie falowe

DostCpne s7 dwie praktyczne metody projektowania: model czarnej skrzynki i model

analityczny. W obu przypadkach, ostateczna forma metody projektowania przedstawiona mo6e

byE, jako zale6no?E krytyczna obci76enia w porównaniu do wytrzymało?ci, w zale6no?ci od typu

ataku fali:

funkcja

(3a)

W przypadku półprzepuszczalnych warstw przykrywaj7cych, podstawowa forma tej zale6no?ci

jest nastCpuj7ca:

przy maksimum

H s

8,0

i ctga 2

(3b)

lub, w bardziej ogólnej postaci (daj7cej siC zastosowaE tak6e dla narzutu kamiennego

i ctga 1,5), zgodnie z okre?leniem Pilarczyka (1990, 1998):

cos

(3c)

gdzie:

F współczynnik (stateczno?ci) umocnienia brzegowego;

H s (miejscowa) znacz7ca wysoko?E fali (m);

Y gCsto?E wzglCdna;

D grubo?E warstwy górnej (m),

U op parametr fali przybojowej (-);

Przybli6one warto?ci współczynnika stateczno?ci F s7 nastCpuj7ce: F = 2,25 dla narzutu

kamiennego, F = 2,5 dla kamienia okładzinowego o kształcie nieregularnym, F = 3,0 do 3,5 dla

bazaltu okładzinowego, F = 4,0 dla geomateracy, 3,5 F 5,5 dla blokowych umocnie3

brzegowych (4,5 jako warto?E przeciCtna/zwyczajna), 4,0 F 6,0 dla mat blokowych (wy6sza

warto?E dla układów olinowanych/poł7czonych kablami, 6,0 F 8,0 dla koszy sza3cowych

oraz 6,0 F 10 dla płyt (asfaltowych lub betonowych).

Wykładnik b odnosi siC do typu oddziaływania wzajemnego fala-skarpa, a na jej warto?E

wpływa szorstko?E i porowato?E umocnienia brzegowego. Zalecane s7 nastCpuj7ce warto?ci

wykładnika b: b = 0,5 dla przepuszczalnych warstw przykrywaj7cych (tj., narzut kamienny,

kosze sza3cowe, narzut kamienny torkretowany we wzorniku, bardzo otwarte maty blokowe), b

= 2/3 półprzepuszczalnych warstw przykrywaj7cych (tj., kamie3 okładzinowy i bloki układane,

maty blokowe, geomaterace wypełniane betonem lub piaskiem oraz b = 1,0 dla płyt.

GCsto?E wzglCdna okre?lana jest, jak nastCpuje:

b wykładnik; 0,5 b 1,0.

(4a)

gdzie:

r gCsto?E materiału ochronnego;

r gCsto?E wody (kg/m 3 ).

W przypadku porowatych warstw górnych, takich, jak materace piaskowe i kosze sza3cowe,

gCsto?E wzglCdna warstwy górnej musi byE wyznaczona, ł7cznie z porami, wypełnionymi wod7:

(4b)

gdzie:

D gCsto?E wzglCdna ł7cznie z porami;

n porowato?E materiału warstwy górnej.

D oraz Y okre?lane s7 dla poszczególnych układów takich, jak:

- dla kamienia: D = D n = (M 50 /Z s ) 1/3 (= ?rednica znamionowa), a Y t = Y = (Z s -Z w )/Z w ;

- dla bloków: D = grubo?E bloku, a Y t = Y;

- dla materacy: D = d = srednia grubo?E materaca, a Y t = (1-n)Y.

gdzie:

porowato?E nasypowa materiału wypełniaj7cego;

gCsto?E wzglCdna materiału wypełniaj7cego.

W przypadku zwykłego kamienia narzutowego (1-n) Y ~1.

Parametr fali przybojowej okre?lany jest, jak nastCpuje:

tan

(5)

Stromo?E fali S op okre?lana jest, jako:

(6a)

gdzie:

L op = T

(6b)

przy czym:

a k7t nachylenia skarpy ( o );

L op długo?E fali głCbokowodnej na szczycie okresu (m);

T p okres fali na szczycie spektrum (s).

Zalet7 przedstawionego wzoru projektowania (czarnej skrzynki) jest jego prostota. Wad7,

jednak6e, jest to, 6e warto?E F dla r^6nych typów konstrukcji jest znana tylko w du6ym

przybli6eniu .

Model analityczny oparty jest o teoriC układanych umocnie3 kamiennych na filtrze

ziarnistym (bloki okładzinowe). W tym modelu obliczeniowym pod uwagC brana jest znaczna

ilo?E aspektów fizycznych. Kr^tko m^wiac, w modelu analitycznym prawie wszystkie parametry

fizyczne, które s7 istotne dla stateczno?ci, zawarte zostały w „długo?ci przecieku”: L =

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: