ÁRVÍZI TÖLTÉSEK GEOTECHNIKAI GYENGEPONTJAINAK VIZSGÁLATA ÉS NUMERIKUS MODELLEZÉSE AZ ÁRVÍZI VESZÉLY- ÉS KOCKÁZATI TÉRKÉPEZÉSI PROJEKT KERETÉBEN Bálintné Hegedűs Katalin Németh Gyula Viziterv Environ Kft. ORSZÁGOS ÁRVÍZKOCKÁZAT-KEZELÉSI IRÁNYELV VESZÉLYTÉRKÉPEK ÉS KOCKÁZATI TÉRKÉPEK TÖLTÉSÁLLÉKONYSÁG ÉS GEOTECHNIKAI GYENGEPONTOK Az Árvízi veszély- és kockázati térképezési projekt (ÁKK projekt) célja az EU Irányelv teljesítése, tehát az Országos Árvízkockázat-kezelési Irányelv megvalósítása. A projekt keretében vízépítési és vízgazdálkodási feladatok megállapítását és intézkedésekkel kapcsolatos döntéshozatalát támogató információs bázis lett létrehozva, mely során árvízi veszélytérképek, emberi és anyagi kockázati térképek és stratégiai kockázatelemzési tervek készültek. A projekt keretein belül számos adatbázis rendszer épült ki, köztük az árvízvédelmi töltések talajmechanikai jellemzőit és állapotát leíró geotechnikai adatbázis is, mely a töltések országos szintű, egységes rendszerű feltárásán alapszik. Ez a megvalósult projekt azon túl, hogy az ország EU-s kötelezettsége volt, jelentős előrelépést és stabil alapot jelenthet az árvízvédelem további fejlesztése terén valamint a vízépítő és a geotechnikai szakterületek szorosabb együttműködése terén is.
1. PROJEKT RÖVID BEMUTATÁSA A KEOP 2.5.0-B ÁRVÍZI KOCKÁZATI TÉRKÉPEZÉS ÉS STRATÉGIAI KOCKÁZATI TERV KÉSZÍTÉSE A projekt eredményei: előzetes árvízi kockázatértékelés, veszélytérképek és kockázati térképek, valamint stratégiai szintű árvízkockázat kezelési tervek készítése. A végrehajtás során létrejövő további eredmények a geotechnika témakörével kapcsolatban: a vízkár-elhárítási tervezések jelentős részét leíró adatok egységes szerkezetben történő összegyűjtése, felmérése (pl: geotechnikai feltárások rendszere), a fő termékek előállítását támogató információs rendszer, az ÁKIR (Árvízi Kockázati Információs Rendszer) adatbázisrendszer létrehozása, valamint a geotechnika tervezőprogram kiválasztása és tesztelése. A beszerzésre került Geo5 geotechnikai szoftvermodulok oktatása a Vízügyi Igazgatóságok részére. A veszélytérkép elöntési események várható valószínűségi értékeinek területi eloszlását tartalmazza, és ábrázolja térképesen. Geotechnikai vizsgálatunk központi kérdése a töltésszakadásra hajlamos helyek meghatározása az adott töltésszakadás mértéke és okozható károk kiszámítása volt. Ezen adatok kezeléséhez és tárolásához szükség volt egy részletes és naprakész geotechnikai adatbázisra is, ami az ÁKIR rendszerben valósult meg. Az előzetesen kijelölt szelvényekben meghatároztuk a tönkremenetelt előidézhető terhelési eseteket és a lehetséges tönkremeneteli módokat, melyeket numerikus modellezéssel vizsgáltunk (töltés állékonyság, altalaj ellenállás és szivárgás vagy buzgárképződés). Végül a szakadási szelvényben előállított módosított árhullámképek felhasználva numerikus modellezéssel elöntési eseteket vizsgálatával és kiértékelésével készülnek a veszélytérképek.
A kockázati térképi állományokat a veszélytérképi állományok és a hatásfüggvények felhasználásával az ÁKIR saját alkalmazása hozza létre. Árvízi jelenségek és védekezési tapasztalatok, valamint korábbi feltárások és geotechnikai adatok alapján a Vízügyi Igazgatóságokkal egyeztetve kiválasztásra kerültek a kritikusnak vélt szelvények. Összesen 150 szelvény, ami 888 fúrást jelentett. Első lépésként részletes geotechnikai feltárás és geodézia felmérés készült, majd a goetechnikai ellenállás és a tönkremenetel lehetséges módja lett meghatározva. Az ÁKK projekt III. azaz a következő ütemében a kritikus szelvények javítási és fejlesztési módja kerül majd kidolgozásra. 2. ÁRVÍZVÉDELMI FŐVÉDVONALAK GEOTECHNIKAI FELTÁRÁSA A kiválasztott szelvényekben minden esetben egységesített rendszerű geodéziai felmérés és geotechnikai feltárás történt, ami a feltárások számát és módját is pontosan meghatározta. A feltáró fúrások rendszerét az ábrán, valamint a fúrási helyek azonosítóját a táblázatban láthatjuk. 1.ábra: Feltáró fúrások rendszere
A fúrások számozása meghatározza a fúrás pontos helyét a töltésen és a mintavétel típusát is. Fúrás száma Fúrás helye 1 mentett oldali rézsű zavart 2 védett oldali rézsű zavart Minta típusa 3 töltéskorona zavartalan 4 mentett oldali rézsű zavartalan 5 védett oldali töltésláb zavart 6 mentett oldali töltésláb zavart 1.táblázat: Feltáró fúrások rendszere A feltárások a töltéslábnál minimum 3 méter mélyek és a vízzáró réteg eléréséig, de maximum 15 méter mélységig tartottak, a töltésen a töltés méretének megfelelőek. Minden szelvényben szabvány szerinti mintavételezés, geodéziai bemérés, majd laboratóriumi vizsgálat történt. A laboratóriumban közvetlen vizsgálattal meghatároztuk az egyes minták víztartalmát, a durvaszemcsés rétegek szemeloszlását és a finomszemcsés rétegek konzisztencia határait. A zavartalan mintából ezen túl meghatároztuk a nedves és száraz térfogatsúlyt, továbbá a hézagtényezőt. A vizsgálati eredményekből közvetett úton további talajfizikai jellemzőket határoztunk meg. Eredményként fúrás és rétegszelvény táblázatot valamint rétegszelvényrajzot készítettünk. A fúrásszelvény táblázata laboratóriumi vizsgálati eredményeit és származtatott talajfizikai paramétereket tartalmazza (2.táblázat). A rétegszelvény táblázatok a szelvényrajzzal (2.ábra) összhangban a tervezőprogramhoz szükséges és elégséges kiindulási adatokat tartalmazzák (3.táblázat).
2.táblázat: Fúrásszelvény táblázat a töltéstengelyi feltárásról 3.táblázat: Összefoglaló rétegszelvény táblázat
2.ábra: Rétegszelvény rajz 3. ÁRVÍZVÉDELMI FŐVÉDVONALAK ÁLLÉKONYSÁGVIZSGÁLATA NUMERIKUS MODELLEZÉSSEL Védvonal geotechnikai problémái: - Kedvezőtlen altalaj adottságok ( durva szemcséjű altalajrétegek, holtmeder keresztezések, szerves illetve tőzeges rétegek, felszín közeli finomhomok és emberi beavatkozások stb. ), - építési hibák, - nem megfelelő szerkezetű őstöltés, töltéskeresztmetszet, diszperzív talaj. 3.1. TÖLTÉS- ÉS ALTALAJ SZILÁRDSÁG- ÉS ÁLLÉKONYSÁG VIZSGÁLAT A feltárt szelvények mindegyike feltételezett kritikus szelvény, ezért az alábbi tönkremeneteli módokat vártuk és numerikus modellezéssel igazoltuk.
Tönkremeneteli módok: Elcsúszás elleni biztonság (rézsűállékonyság) A töltéstest és töltéstalp nyíróellenállása, a töltésre ható eltoló és felhajtóerő hatására kialakuló nyírófeszültség alapján ( /c-redukciós vizsgálattal) került kiszámításra. Hidraulikus talajtörés A gátban történő vízmozgások okozta tönkremenetel feltételei leírhatók a teljes feszültség és a pórusvíznyomás, vagy a hatékony feszültség és a hidraulikus gradiens fogalompárjaival. Fakadó víz vagy buzgár képződés A gát gyengén vízzáró rétegeiben történő káros vízmozgások, mely a réteg víznyomással szembeni ellenállásával jellemezhető. Numerikus modellalkotás bemutatása egy példán keresztül: É-VIZIG területén, Tisza jobbparti töltés 49+300 tkm. szelvénye. Rézsűállékonyság modul: Biztonsági tényező = 1,25 < 1,50 Rézsűállékonyság NEM MEGFELELŐ 3.ábra: Rézsűállékonyság ellenőrzés (Bishop módszer), jelenlegi keresztszelvény
Mentett oldali terhelőpadkával megerősített keresztszelvény. Biztonsági tényező = 1,65 > 1,50 Rézsűállékonyság MEGFELELŐ 4.ábra: Rézsűállékonyság ellenőrzés (Bishop módszer), megerősített keresztszelvény, un. lokális csúszólap Biztonsági tényező=1,61>1,50 Rézsűállékonyság MEGFELELŐ 5.ábra: Rézsűállékonyság ellenőrzés (Bishop módszer), megerősített keresztszelvény, globális csúszólap VEM-modul: Képlékeny felületek alakulása alapján látható, hogy nem csak állékonysági, hanem szivárgási probléma is jelentkezik a szelvényben. Biztonsági tényező FS=1,23 < 1,50 NEM MEGFELELŐ 6. ábra: Jelenlegi keresztszelvény, epszilon ( eq,pl) képlékeny feszültség ábra,<0,00-2,25>[%]
3.2. TÖLTÉS- ÉS ALTALAJSZIVÁRGÁS VIZSGÁLAT MÁSZ terhelő vízoszlop 2napig: mentett oldali kilépő vízáram buzgárosodás veszélyét jelzi. 7.ábra: Sebesség_x;<0,00;5,57>m/nap, Q-be/ki áramaló vízmennyiség [m 3 /nap/m] és a számított TVSZ vonal A vízter töltéskoronáig megnövelve 2 nap után átfolyó vízmennyiség 1,454 m 3 /nap/m, fakadó víz vagy buzgár kialakulása. 8.ábra: Sebesség_x;<-0,36;6,71>m/nap, Q-be/ki pontbeli és felületi áramaló vízmennyiség[m 3 /nap/m] és a számított TVSZ vonal
Megerősített keresztszelvény: vízoldali vízzáró agyagpaplannal. 2 hétig tartó MÁSZ vízoszlopteherre a szivárgási vonal talajfelszín alatt marad, buzgárképződés nem valószínű.. 9.ábra: Sebesség_x;<-0,37;14,83>m/nap, Q-be/ki áramaló felületi vízmennyiség[m 3 /nap/m] és a számított TVSZ vonal 4. ÁKK II. PROJEKT TAPASZTALATAI ÉS A III. ÜTEM ELŐMENETELE A feladat szoros együttműködést igényelt a vízépítő mérnökök és a geotechnikus szakértők között. Ezentúl is számítunk a feladat elvégzése során kialakult két szakágazat közötti mindennapos együttműködésben és az ÁKIR, valamint a kialakított metodika további aktív használatában. Az adatbázis alapján a további feladatok kidolgozására a projekt III.ütemében kerül sor. Az országos elöntési veszély- és kockázati térképek, valamint a kockázatkezelési tervek készítéshez a geotechnikai adatbázis tovább fog bővülni.