ÁRVÍZI TÖLTÉSEK GEOTECHNIKAI GYENGEPONTJAINAK VIZSGÁLATA ÉS NUMERIKUS MODELLEZÉSE AZ ÁRVÍZI VESZÉLY- ÉS KOCKÁZATI TÉRKÉPEZÉSI PROJEKT KERETÉBEN Bálintné Hegedűs Katalin Németh Gyula Viziterv Environ Kft. 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. Kulcsszavak: VESZÉLYTÉRKÉPEK, KOCKÁZATI TÉRKÉPEK és TÖLTÉSÁLLÉKONYSÁG Keywords: Hazard map, risk map and dike stability 1. PROJEKT BEMUTATÁS A KEOP 2.5.0-B ÁRVÍZI KOCKÁZATI TÉRKÉPEZÉS ÉS STRATÉGIAI KOCKÁZATI TERV KÉSZÍTÉSE A pályázati konstrukció kettős célkitűzése: Az Európai Parlament és Tanács által az EU Árvízi Irányelvében meghatározott elvárások végrehajtása Magyarország vízkár-elhárítási stratégiájának a társadalmigazdasági elvárásoknak megfelelő átdolgozása.
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. A veszélytérképek kiterjednek a területet érintő töltésezett vízfolyások, valamint öblözetek hatásaira. 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. A veszélytérképeket a tervezéshez kapcsolódóan három szinten értékeltük: országos, részvízgyűjtő, valamint lokális szinten. Központi kérdés volt a védvonalak védképességének meghatározása a különböző szinteken. A védőképesség az öblözeti védvonalak geometriai és geotechnikai jellemzői alapján volt számítható objektív értékek (töltés állékonyság, altalaj ellenállás és töltésmeghágás, és az egyéb befolyásoló tényezők szakértői értékelés) alapján, és jellemeztük mint a védvonal ellenállását. Az előzetesen kijelölt szelvényekben meghatároztuk a tönkremenetelt előidézhető terhelési eseteket és a lehetséges tönkremeneteli módokat, melyeket a Geo5 geotechnikai szoftvercsomaggal vizsgáltunk. 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 (geometriai biztonság és geotechnikai ellenállás adatok) és a hatásfüggvények felhasználásával az ÁKIR saját alkalmazása hozza létre.
Előadásunk témáját képző geotechnikai gyengepontok vizsgálata és a védvonal töltések ellenállás számítása központi alapadatot jelent a veszély- és kockázat térképek készítésénél. A második ütemben mintaterület szinten került kidolgozásra a veszélytérképezés és kockázatkezelés során meghatározott töltésezett vízfolyások és öblözetek gyengepontjainak geotechnikai megerősítésének rendszere és metodikája. Az ÁKK projekt célja volt a töltésszakadásra hajlamos helyek részletes és egységesített rendszerű geotechnikai feltárása, vizsgálata és központi adatbázisrendszer kiépítése. Eddig nem állt rendelkezésre egységes geotechnikai adatbázis. Korábban ugyan születtek a védvonalak állékonyságát minősítő anyagok, ám ezek csak részben alkalmasak alapadatként való felhasználásra. 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. Árvízvédekezési tapasztalatok alapján az elsőfokú védvonalon további fejlesztések és javítások szükségesek. Első lépésként részletes geotechnikai feltárás és geodézia felmérés készült, majd a goetechnikai ellenállás és a tönkremenetel lehetséges módja lett meghatározva. Továbbiakba, az ÁKK projekt III. azaz a következő ütemében a kritikus szelvények javítási és fejlesztési módja kerül majd kidolgozásra. A projekt egyik célja egy országos szintű, uniformizált adatbázisrendszer létrehozása, mellyel nem csak a jelen projekt alapadatait biztosítjuk, hanem a jövőbeni beruházások és intézkedések adatigényét is ki tudjuk szolgálni. A kijelölt töltésszelvények összehangolt vizsgálati rendszerének és a kiértékelt adatok egységesített tárolási rendszerének köszönhetően ez az adatbázis a jövőben tovább bővíthető. 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 Minta típusa 1 mentett oldali rézsű zavart 2 védett oldali rézsű zavart 3 töltéskorona zavartalan 4 mentett oldali rézsű zavartalan 5 védett oldali töltésláb zavart 6 mentett oldali töltésláb zavart 1. táblázat: Feltáró fúrások rendszere 2. A talajfeltárást Ф75 mm-es spirálfúróval készült rétegenként, de legalább 1,0 m-enként zavart talajminta vétellel. A mintákat helyszíni azonosítás után vizsgálat céljából beszállítottuk a laboratóriumba. Magminta vétel Ф40mm hengerrel készült, és a feltáró fúrás alapján a talajrétegződés figyelembevételével készült. A magminta vétel Ф40mm hengerrel készült. Minden szelvényben szabvány szerinti mintavételezés, geodéziai bemérés, majd laboratóriumi vizsgálat történt. 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. 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, mely a geotechnikai számítások és modellező szoftverek adatigényét is kiszolgálja.
Eredményként fúrás és rétegszelvény táblázatot valamint rétegszelvényrajzot készítettünk. A fúrásszelvény táblázata valamennyi mintának az egyedi laboratóriumi vizsgálati eredményeit tartalmazza, továbbá a szükséges származtatott talajfizikai paramétereket is tartalmazza (2.táblázat). Ezek alapján elkészültek a geotechnikai tervezőprogramhoz szükséges rétegszelvény táblázatok, melyek a szükséges és elégséges kiindulási adatokat tartalmazzák (3.táblázat). 3. táblázat: Fúrásszelvény táblázat a töltéstengelyi feltárásról 4. 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 töltéstest szilárdsági és állékonysági vizsgálatát a Geo5 Rézsűállékonyság és a VEM- végeselem modullal vizsgáltuk. 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. Numerikus modellezésénél kiemelt figyelemmel kezelt paraméterek: a talaj áteresztőképességének időbeli és térbeli változása, a vízszintek és pórusvíznyomások időbeli változásai, a peremfeltételek bármely módosulása. Rézsűállékonyság modul: A számítás adatai: hatályos EN 1997 szabvány szerinti, biztonsági tényezős számítás. A terhek és hatások - EC2, földrengésszámítás - EC8 szabványoknak megfelelően lettek figyelembe véve. Biztonsági tényező = 1,25 < 1,50 Rézsűállékonyság NEM MEGFELELŐ 3. ábra: Rézsűállékonyság ellenőrzés (Bishop módszer), jelenlegi keresztszelvény Megerősített keresztszelvény: mentett oldali terhelőpadkával történő lesúlyozásával oldottunk meg, így nőtt az ellenállás oldali passzív teher és megnövekedett a szivárgási úthossz. 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: A jelenlegi keresztszelvényt modellezve a képlékeny felületek alakulása alapján látható, hogy nem csak állékonysági, hanem szivárgási probléma is jelentkezik a szelvényben. 6. ábra: Jelenlegi keresztszelvény, epszilon ( eq,pl) képlékeny feszültség ábra, <0,00-2,25>[%] Biztonsági tényező =1,23 < 1,50 Rézsűállékonyság NEM MEGFELELŐ Modellezési tapasztalatok: A végeselemes számítási módszer nagy előnye, hogy diverz az alkalmazási köre, pl.:feszültségszámítás, állandó és változó vízáramlás vagy rézsűállékonyság vizsgálata. Azonban könnyen számítási konvergencia hiány problémája léphet fel, vagy a feladat szempontjából nem lényeges kis, lokális tönkremenetel számított értékeit kapjuk eredményül. Különböző modellezési technikákkal a globális megoldás eredménye megkereshető és a modell futtatás stabilizálható, vagy a Geo5-modulok közül egy másik feladatspecifikus modullal számolhatunk tovább.
Figyelemmel kell lenni az állékonyság számításnál a belső súrlódási szög ( ) és kohézió (c) talajparaméterek megadására, mert a modell eredményeit számottevően befolyásolják, mivel az állékonyságszámításokat /c redukciós vizsgálattal végeztük. Viszont kevésbé érzékeny a telített és nedves térfogatsúly, valamint nem érzékeny az összenyomódási modulus (Es) értékváltozására. 3.1. TÖLTÉS- ÉS ALTALAJSZIVÁRGÁS VIZSGÁLAT A töltésben és az altalajban történő szivárgásokat a geometriai-, földtaniés hidraulikai adottságok és ezek időbeni változása határozza meg. Két alapesetet vizsgálunk: mentett oldali és töltés alatti szivárgást. Numerikus modell, példa: MÁSZ terhelő vízoszlop hatására kevesebb mint 2nap után a mentett oldalon a töltés felületéből kilépő minimális vízáram jelenik meg, tehát buzgárosodás veszélye áll fenn. 7. ábra: Jelenlegi keresztszelvény, Sebesség x; <0,00;5,57> m/nap, valamint Q-be/ki áramaló vízmennyiség [m 3 /nap/m] és a számított TVSZ vonal
A vízterhet növelve: töltéskorona szinttel egyező terhelő vízoszlop hatására kevesebb mint 2 nap után átfolyó vízmennyiség 1,454 m 3 /nap/m, fakadó víz vagy buzgár kialakulása. 8. ábra: Jelenlegi keresztszelvény növelt vízteherrel, Sebesség x; <-0,36;6,71> m/nap, valamint Q-be/ki áramaló vízmennyiség adott pontban és a felületen [m 3 /nap/m] és a számított TVSZ vonal Megerősített keresztszelvény: vízoldali vízzáró agyagpaplannal. Az ábrán 2 hetes MÁSZ vízoszlopteher és 2 napos maximális vízteher hatására kialakult állapotot láthatjuk. Mentett oldalon felületi nedvesedés jelentkezhet, de a szivárgási vonal biztonságosan a talajfelszín alatt marad, buzgárképződés nem valószínű. 9. ábra: Sebesség x; <-0,37;14,83> m/nap, valamint Q-be/ki áramaló vízmennyiség a felületen [m 3 /nap/m] és a számított TVSZ vonal
4. ÁKK II. PROJEKT TAPASZTALATAI ÉS A III. ÜTEM ELŐMENETELE Az Országos Árvízkockázat-kezelési Irányelvet 2015 végéig kell megvalósítani. A végrehajtás 3 ütemben zajlik, amiből az első kettő sikeresen lezárult. A projekt második üteme során központi adatbázisrendszer épült ki, ami gyakorlati használatba is bekerült és tovább fog fejlődni és bővülni. 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 a következőkkel: az 1992-93 években készült országos szintű geoelektromos és kiegészítő talajfeltárások adatai alapján és Fehér Árpád metodikája szerint feldologozott töltésállékonysági mutatók adatbázisával, valamint 2014-es felmérés szerinti Árvízvédelmi töltések átfogó talajmechanikai vizsgálata tanulmányban megnevezett kritikus helyek adatbázisával. A töltésrendszer geotechnikai gyengepontjai, tehát a modellezett töltésszakadásra hajlamos helyek ezen együttes állámony alapján lesznek vizsgálva.