Podstawowy wskaźnik charakteryzujący zasoby wodne danego kraju, jakim jest średni odpływ wody na 1 mieszkańca, wynosi dla Polski ok. 1600 m3/r, przy średnich wielkościach tego odpływu dla świata – 6750 m3/r. i Europy – 4560 m3/r.
Mamy w kraju 99 dużych zbiorników wodnych o pojemnościach całkowitych większych od 2 milionów m3. Zbiorniki te istnieją dzięki stopniom wodnym, będącym zespołami budowli piętrzących, przepuszczających i wykorzystujących wodę. Przykładowo – stopień wodny Włocławek, tworzący zbiornik wodny o nazwie Jezioro Włocławskie, składa się z: 1) zapory ziemnej (19,0 m wysokości i 650 m długości), 2) budowli upustowej w postaci 10-przęsłowego jazu (23,0 m wysokości, 254 m długości), 3) filara działowego z przepławką dla ryb, 4) elektrowni wodnej (33,7 m wysokości, 100,0 m długości) i 5) śluzy żeglu gowej.
W Polsce, w zależności od wymagań dotyczących głównie bezpieczeństwa, budowle piętrzące (zapory, jazy oraz wchodzące w skład stopni wodnych: elektrownie wodne, śluzy, filary działowe oraz ujęcia wody) zaliczane są do czterech klas ważności (I, II, III, IV). Klasa I – to budowle najniższe o piętrzeniu większym od 30 lub 20 m, w zależności od podłoża. Klasa IV to budowle o piętrzeniu 2 do 5 mInne elementy klasyfikacji podane są w tabeli 1 rozporządzenia Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa [4]. Według danych Głównego Urzędu Nadzoru Budowlanego, w Polsce istnieje ok. 2500 budowli piętrzących wodę wysokości powyżej 1 m.
Budowle klasy I i II, będące własnością Skarbu Państwa, a zarządzane przez Ministra Środowiska, są z mocy ustawy Prawo wodne (art. 64 ust. 4) kontrolowane i oceniane ze względu na stan techniczny i stan bezpieczeństwa przez ośrodek technicznej kontroli zapór Instytutu Meteorologii i Gospo-darki Wodnej (OTKZ-IMGW). Opracowuje on każdego roku oceny dla ok. 60 obiektów budowlanych gospodarki wodnej, podległych Ministrowi Środowiska, i dla ok. 30 obiektów (na zlecenie) spoza resortu (głównie energetyki). Oceny te obejmują około 250 budowli piętrzących.

Jest to tylko 10% polskich budowli piętrzących. Pozostałe budowle, zgodnie z ustawą Prawo budowlane, powinny być kontrolowane i oceniane przez rzeczoznawców budowlanych i inżynierów z uprawnieniami budowlanymi w odpowiedniej specjalności. Praktyka wykazuje, że warunki te nie są dotrzymywane i wiele ocen jest wykonywanych przez osoby niekompetentne bądź też wykonywane oceny nie spełniają wymaganych kryteriów.
OTKZ-IMGW opracowuje każdego roku dla Ministra Środowiska

„Raport o stanie budowli” (jemu podległych), stosując skalę ocen:
 

• przy ocenach stanu technicznego: bardzo dobry (10-9), dobry (8-7), zadowalający (6-5), niedostateczny (4-2);
• przy ocenach stanu zagrożenia: nie zagraża (10-8), może zagrażać (7-5), zagrożony (4-2).

Ocenie podlegają: podłoże budowli, korpus budowli, urządzenia prze-ciwfiltracyjne, urządzenia drenażowe, urządzenia do przepuszczania wody, skarpy i otoczenie, urządzenia pomiarowe.
Nadzór nad stanem technicznym wszystkich budowli piętrzących w Polsce i wynikającymi z ich aktualnego stanu zagrożeniami sprawuje Główny Urząd Nadzoru Budowla nego.
W Polsce, z uwagi na możliwości lokalizacyjne i warunki geotechniczne, realizowane sdzaje budowli piętrzących: betonowe i ziemne. Realizacja budowli piętrzącej, bardziej niż inne budowle, stwarza potencjalne zagrożenie dla ludności zamieszkującej poniżej istniejącej tam infrastruktury oraz środowiska. W przypadku katastrofy budowli piętrzącej zagrożeniem jest powstająca sztuczna fala powodziowa, o zmiennej wysokości, mogąca się przemieszczać z prędkością do 50 km/godz., co ogranicza możliwość akcji ratunkowej.
Na podstawie danych zgromadzonych z różnych źródeł oraz ocen własnych OTKZ można stwierdzić, że na ok. 850 sklasyfikowanych budowli klas I–III stale piętrzących wodę ponad 30% zagraża lub może stwarzać zagrożenie bezpieczeństwa.
Większość budowli piętrzących w Polsce przekroczyło wiek 50 lat. Tak długi okres eksploatacji, według oceny Międzynarodowej Komisji Wielkich Zapór (ICOLD), światowego autorytetu w zakresie budowli i bezpieczeństwa zapór, skutkuje zwiększoną ilością uszkodzeń i możliwości awarii, co jest szczególnie istotne przy niedostatecznym finansowaniu niezbędnych w tym zakresie działań w Polsce. Stąd też konieczna jest wiedza o aktualnym stanie technicznym i bezpieczeństwie budowli piętrzących, tworzących zbiorniki, pozwalająca na podejmowanie prac remontowych i zabezpieczających.
Dodatkowym argumentem na rzecz podanych wcześniej działań jest zatwierdzona przez Radę Ministrów 13 września 2005 r. Strategia Gospodarki Wodnej, gdzie w rozdziale pt. „Osie problemowe” zapisano min.: „szczególnym problemem jest zapewnienie bezpieczeństwa istniejących budowli piętrzących, w szczególności tych, na których występują uszkodzenia, które zagrażają lub mogą zagrażać wystąpieniu awarii”.
Przyczyny awarii i katastrof budowli tworzących zbiorniki wodne
Wyłączając działania wojenne oraz
zjawiska sejsmiczne, ogólnie jako podstawowe przyczyny awarii i katastrof budowli piętrzących możemy określić:
 

• błędy posadowienia przy niekorzystnych lub źle rozpoznanych warunkach geologicznych lub geotechnicznych,
• przelanie się wody przez koronę budowli piętrzącej,
• niewłaściwa konstrukcja korpusu budowli,
• nieodpowiednie urządzenia upustowe.

 

Dla betonowych budowli piętrzących główną przyczyną katastrof są problemy posadowienia. Do najczęściej spotykanych przyczyn należą: sufozja podłoża oraz jego zbyt mała wytrzymałość na ścinanie.
Wśród ziemnych (nasypowych i narzutowych) budowli piętrzących najczęstszą przyczyną katastrof jest przelanie się wody przez koronę budowli,
następnie rozmycie korpusu i w mniejszym stopniu rozmycie podłoża.
Na podstawie sporządzonej analizy katastrof budowli piętrzących, jakie dotychczas miały miejsce na świecie, w tym w Polsce, można określić, że z błędami posadowienia związane były:
 

• błędy projektowe wynikające z braków wiedzy inżynierskiej,
• zbagatelizowanie oznak zagrożenia,
• niedostateczne rozpoznanie geologii podłoża,
• błędy wykonawstwa oraz niedostateczny nadzór.

Przy przelaniu się wody przez koronę budowli piętrzącej czynnikami sprzyjającymi katastrofom były:
 

• zbyt mała zdolność przepustowa budowli,
• błędy lub zaniedbania eksploatacji obiektu.

Przy katastrofach wynikających z niewłaściwej konstrukcji korpusu budowli, mimo różnorakiego przebiegu katastrof, łączy je jedna cecha, a mianowicie brak odporności na oddziaływanie spiętrzonej wody.
W budowlach kamiennych i betonowych były to zarówno błędy projektu, jak i wykonawstwa, skutkujące naruszeniem stateczności tych budowli, przy czym dużą rolę odegrała siła wyporu. W budowlach ziemnych przyczyną były przecieki wzdłuż uprzywilejowanych dróg filtracji, które doprowadzały do przebicia hydraulicznego korpusu zapory. W tej kategorii przyczyn wymienić należy także braki uszczelnień budowli przy jednoczesnym ograniczeniu sprawności drenaży.
W odniesieniu do katastrof wynikających z nieodpowiednich urządzeń upustowych stwierdza się:
 

• przelewy bez zamknięć są najbezpieczniejszym rozwiązaniem, nie gwarantują jednak bezpieczeństwa w przypadku zaniżenia obliczeniowego przepływu wezbraniowego,
• konieczne jest przeprowadzanie okresowych przeglądów budowli upustowych, ich zamknięć oraz mechanizmów,
• konieczne jest posiadanie instrukcji obsługi i utrzymania upustów wrazz ich zamknięciami i mechanizmami oraz terminami zabiegów konserwacyjnych.

Kontrola techniczna i ocena stanu budowli piętrzących
Obserwacje i pomiary stosowane przy technicznej kontroli pracy budowli piętrzących powinny obejmować zjawiska opisujące zachowanie się budowli i jej podłoża oraz zewnętrzne czynniki oddziałujące na obiekt. Te główne czynniki zewnętrzne to: poziomy wód górnej i dolnej, ciśnienia (wypór) wody oraz temperatura. Elementy opisujące zachowanie się budowli pod wpływem czynników zewnętrznych to odkształcenia i przemieszczenia oraz przebieg filtracji wody (poziomy lub ciśnienia oraz gradienty, prędkości i wydatki filtracyjne). W szczególnych przypadkach może zaistnieć wiele dodatkowych czynników zewnętrznych, których wpływ może mieć istotne znaczenie dla bezpieczeństwa budowli, np. wpływ robót strzałowych, osuwiska w rejonie budowli lub zbiornika itp.
Do podstawowych działań diagnostycznych prowadzonych w celu oceny stanu technicznego budowli piętrzących zaliczyć należy:
 

• pomiary przemieszczeń kontrolnych punktów reprezentujących badany obiekt w stosunku do przyjętego układu odniesienia ,
• pomiary i obserwacje filtracji,
• obserwacje i kontrola urządzeń upustowych.

Często poza tymi działaniami konieczne jest dokonywanie obserwacji, pomiarów oraz badań specjalnych, m.in.: pomiarów temperatury w korpusie budowli betonowych, pomiarów prędkości i kierunków filtracji metodami geofizycznymi i znacznikowymi, pomiarów stanu zagęszczeń korpusu i podłoża budowli ziemnych, badań stopnia starzenia się betonu, badań chemicznych (karbonizacja, reakcje alkaliczne) betonu.
Do wykonania pomiarów używana jest nowoczesna, w większości automatyczna, aparatura pomiarowa, a w pomiarach kontrolnych przemieszczeń wykorzystywana jest technologia GPS. Dla określenia wartości dopuszczalnych i granicznych przemieszczeń oraz poziomów wód i filtracji, które stanowią o bezpieczeństwie budowli, stosowane są modele numeryczne oparte na zbiorach danych z zachowań budowli z wielolecia.
Metody numeryczne pozwalają na bardziej bliskie rzeczywistości modelowanie pracy konstrukcji, w tym zarówno obciążeń, jak i cech materiałowych, w dowolnym obszarze budowli i jej podłoża. Do najczęściej stosowanych metod numerycznych należą metody: elementów skończonych (MES) oraz różnic skończonych (MRS) dla ośrodków ciągłych. Rzadziej stosowana jest metoda elementów odrębnych (oddzielnych) dla ośrodków nieciągłych (np. spękana skała).
Obok metod numerycznych w celu diagnozowania zachowań budowli piętrzących stosowana jest „analiza wstecz” lub „analiza odwrotna” (back analysis). Analiza wstecz polega na stworzeniu obliczeniowego modelu pracy budowli, przy wprowadzeniu – projektowych lub ustalonych na podstawie badań – właściwości materiałów budowli i podłoża. Model powinien odzwierciedlać kolejne fazy wznoszenia budowli i związane z nimi zmiany obciążeń. Rzeczywiste, zaobserwowane zachowanie się budowli (np. przemieszczenia, odkształcenia, przebieg filtracji) porównywane są z danymi uzyskanymi z modelu. Istotna niezgodność wyników obserwacji (monitoringu) z wynikami obliczeń na modelu świadczy o tym, że model jest nieadekwatny do rzeczywistości. W kolejnych przybliżeniach, zmieniając właściwości materiałowe, dochodzi się do zgodności modelu z realiami, co pozwala w sposób bardziej wiarogodny niż w projekcie prognozować przyszłe zachowanie się budowli. Analiza wstecz pomocna jest również przy ustalaniu przyczyn nietypowego (awaria, katastrofa) zachowania się budowli, a w szczególnych przypadkach przy określaniu przebiegu awarii oraz wartości wyjątkowych obciążeń powodujących nietypowe zachowanie się budowli.
Na rys. 2 i 3 podano przykłady modelowania numerycznego dla zjawisk filtracyjnych w rejonie zbiornika i elektrowni Dychów.
Na kolejnym rys. 4 podano przykład modelowania stateczności.
Jednostki zajmujące się techniczną kontrolą zapór powinny opracowywać, w terminach zależnych od klasy ważności budowli, oceny jej stanu technicznego i bezpieczeństwa. Oceny te powinny być opracowywane na podstawie wszechstronnej znajomości budowli i jej zachowania się, a więc na podstawie oględzin, przeglądów, analizy i interpretacji wykonanych pomiarów i obserwacji.
Analiza powinna obejmować cały „okres życia” budowli (wraz z okresem „prenatalnym” – okresem badań przedprojektowych i budowy) i nie może ograniczać się wyłącznie do ostatnich kilku lat.
Ocena obok analizy powinna zawierać wnioski do stanu technicznego poszczególnych elementów budowli oraz zalecenia zmierzające do poprawy ewentualnego stanu zagrożenia bezpieczeństwa. Ocenę stanu technicznego i bezpieczeństwa budowli piętrzących dokonuje się na podstawie mających deterministyczny charakter współczynników bezpieczeństwa. Od 1992 r. widoczny jest w skali światowej rozwój działań związanych z analizą i oceną ryzyka, jako istotnymi elementami szacunku ewentualnych strat oraz kosztów działań, zabezpieczających w przypadku powstania katastrofy. Pozwala to na zastosowanie rachunku ekonomicznego przy podejmowaniu decyzji.

                                                     doc. dr inż. WIESŁAW DEPCZYŃSKI
                                                     mgr inż. WŁADYSŁAW JANKOWSKI
                         Ośrodek Technicznej Kontroli Zapór IMGW w Warszawie

                                                      więcej na www.inzynierbudowanictwa.pl

 

powrót

Liczba wyświetleń: 1680