Przedstawiamy artykuł Pana Krzysztof Czmiela dotyczący zastosowania mat antyerozyjnych. Przypominamy, że kopiowanie i dalsze wykorzystywanie fragmentów tego tekstu wymaga zgody autora.

mgr inż. Krzysztof Czmiel
GTT Krzysztof Czmiel

Application of three dimensional erosion prevention mats in road engineering – design method and instructions for building green steep slopes using reinforced soil.

Erozja wywoływana przez wiatr i wodę często jest przyczyną wielu problemów i znacznych kosztów związanych z usuwaniem jej skutków. Negatywne działanie erozji może mieć miejsce w trakcie formowania skarp, w okresie tuż po oddaniu obiektu do eksploatacji czy też w późniejszym czasie – w wyniku pojawienia się bardzo niekorzystnych warunków atmosferycznych.

Wiele problemów i zagrożeń związanych z erozją (zwłaszcza stromych i wysokich skarp) jest na tyle poważnych, że nie mogą być one eliminowane poprzez zastosowanie wyłącznie prostych, “naturalnych” metod takich jak na przykład: wprowadzenie roślinności, czy też stosowanie ulegających biologicznej degradacji materiałów.

Wymienione sposoby przeciwdziałania erozji nie zapewniają natychmiastowej, skutecznej i jednocześnie niezmiennej w długim okresie czasu ochrony. Są one efektywne w przypadku zboczy nachylonych pod niewielkim kątem lub wymagają długotrwałej pielęgnacji i zarazem korzystnych warunków atmosferycznych – niezbędnych do rozwinięcia się odpowiednio silnego systemu korzeniowego. Spełnienie wymienionych warunków zwłaszcza zapewnienie “korzystnych warunków atmosferycznych” w długim okresie czasu jest niemożliwe. Stąd też wypływa konieczność stosowania dla stromych i wysokich zboczy, dodatkowych, trwałych zabezpieczeń dających natychmiastową ochronę przed erozją wywoływaną przez opady deszczu.

Powyższą tezę w sposób bardzo obrazowy potwierdzają wyniki zawarte w tabeli 1 [1] uzyskane dla skarp wykonanych z tego samego gruntu.

Tabela 1. Erozja skarpy wywołana działaniem wody opadowej w zależności od jej nachylenia i pokrycia roślinnością

Zastosowanie biodegradalnych materiałów, np. biowłóknin często wspomaga kiełkowanie nasion, a nawet w początkowej fazie przyśpiesza rozwój roślinności. Jednakże już od chwili gdy materiał ten ulega degradacji przestaje on być mechanicznym zabezpieczeniem przed erozją. Wykorzystanie biowłóknin powinno być zatem traktowane jako jedna z form obsiewu i zazieleniania skarp nie narażonych na silną erozję.

Dla obiektów szczególnie podatnych na oddziaływanie czynników atmosferycznych, czy też powstania osuwu powierzchniowego po gładkiej powierzchni zbocza (np. warstwa gruntu chroniąca uszczelnienia z membran syntetycznych przed działaniem UV) ochrona jaką zapewnia sama roślinność często jest niewystarczająca. W takich sytuacjach wymagane jest wprowadzenie dodatkowego, syntetycznego wzmocnienia systemu korzeniowego roślin, które będzie skutecznie przeciwdziałało erozji już od momentu wbudowania materiału, nie będzie zakłócać warunków wodnych a także nie będzie stanowiło żadnego zagrożenia dla człowieka i środowiska naturalnego.

Innymi warunkami koniecznymi jakie musi spełnić taki produkt są: odporność na uszkodzenia jakie mogą mieć miejsce podczas celowego lub przypadkowego zapalenia się roślinności, mrozoodporność oraz zdolność utrzymywania w swej objętości gruntu.

Odporność na działanie wysokich temperatur i otwartego ognia jest szczególnie istotna dla tego typu materiałów. Płaskie wyroby syntetyczne (np. włókniny, siatki o drobnych oczkach) znajdujące się na powierzchni zbocza są szczególnie narażone na tego rodzaju zniszczenia, co więcej, przykryte warstwą “ochronną” gruntu często stanowią warstwę poślizgową. Pozostawienie na powierzchni zbocza włóknin syntetycznych lub płaskich siatek o małym oczku (siatki o zbyt dużych nie stanowią żadnej ochrony antyerozyjnej) często utrudnia to lub wręcz tłumi rozwój roślinności.

Wszystkie przedstawione powyżej wymagania spełniają przestrzenne, poliamidowe maty antyerozyjne. Posiadają one zwartą, gęstą trójwymiarową strukturę uzyskaną z grubych, splątanych włókien połączonych ze sobą poprzez stopienie w punktach przecinania się. Ponad 90% objętości maty jest dostępne dla gruntu wypełniającego, dzięki czemu uzyskuje się dobre połączenie grunt – mata oraz natychmiastową stabilizację powierzchni zbocza. Trójwymiarowa konstrukcja wykonana z polimeru o stosunkowo niskiej palności – wypełniona gruntem jest odporna na działanie otwartego ognia i wysokich temperatur.

Maty EnkamatÒ są wytwarzane w odmianach o grubości 10¸ 20 mm i o wytrzymałości do 110 kN/m. Ponadto rozróżnia się odmiany o “otwartej” strukturze z obu stron (odmiany 70XX) oraz o płaskim spodzie (odmiany 72XX), które posiadają płaską, zamkniętą budowę na spodzie – umożliwiającą trwałe przyjęcie żwiru 2-6 mm. Taka konstrukcja zapewnia skuteczną ochronę strefy poniżej linii wody, jak i rozbiegu fali dla cieków gdzie prędkość przepływu wody nie przekraczającej 1.5 m/s. W przypadku prędkości wody sięgających 2.5 m/s stosowana jest odmiana EnkamatÒ A20. Mata ta ma grubość 20 mm i jest fabrycznie wypełniona mineralnym filtrem składającym się ze żwiru 2¸ 6 mm połączonego bitumicznym spoiwem.

Przedstawiona w artykule metodyka projektowa została opracowana na podstawie badań laboratoryjnych, testów zrealizowanych na odcinkach badawczych, a także obserwacji obiektów gdzie wbudowano różne odmiany maty EnkamatÒ . Przykładem tego typu badania, a także praktycznym sprawdzianem skuteczności działania EnkamatÒ są rezultaty uzyskane w Silsoe College [2]. Do przeprowadzonych testów wykorzystano maty:

	o otwartej “strukturze” o grubości 10 mm EnkamatÒ 7010
	o płaskim spodzie o grubości 10 mm oraz 18 mm EnkamatÒ 7210, EnkamatÒ 7220
	maty wypełnione gruntem wraz z rozwiniętą trawą.

Skarpy badawcze o długości 1.9 m i nachyleniu 1:1.5 zostały wykonane z gliny piaszczystej (66.1% frakcji piaskowej, 24.2% frakcji pyłowej, 9.7% frakcji iłowej), która jest uważana za grunt wysoko podatny na erozję.

Na tak uformowanych odcinkach doświadczalnych ułożono maty, które następnie wypełniono gliną piaszczystą. Celem testu było zasymulowanie opadu deszczu o intensywności 35 mm/godz. trwającego przez okres 1 godziny, następnie dwugodzinnego okresu bez opadu poprzedzającego falę deszczu o tej samej intensywności. Taka procedura umożliwiła symulację warunków jakie występują w chwili gdy na suchy grunt zaczyna padać deszcz oraz sytuację, kiedy grunt jest bliski nawodnieniu i zostaje poddany działaniu opadów atmosferycznych. Następnie zbocze badawcze było pozostawiane na okres 48 godzin celem osuszenia. Przedstawiony cykl powtórzono trzykrotnie.

Jako odcinki porównawcze w podobny sposób testowano niezabezpieczone skarpy wykonane z gliny piaszczystej oraz iłu (4.4% frakcji piaskowej, 31.7% frakcji pyłowej 63.9% frakcji iłowej). Podczas badań dokonywano pomiarów ilości wypłukiwanego gruntu ze zbocza. Uzyskane rezultaty przedstawione na rysunku 1 pokazują, że EnkamatÒ jest skuteczną ochroną przed erozją. Szczególnie w przypadku gdy EnkamatÒ jest związany z korzeniami trawy (około 0.5% utraty gruntu w porównaniu ze zboczem niezabezpieczonym). Zaobserwowano, że wraz upływem czasu podczas kolejnych cykli opadów zwiększała się szybkość wypłukiwania gruntu dla zboczy niezabezpieczonych. W przypadku zboczy chronionych przez EnkamatÒ takiego zjawiska nie zaobserwowano. Widoczny jest również fakt, że “otwarty” typ maty jest bardziej skuteczny niż maty o płaskim spodzie.

3. Zasady doboru typu maty do ochrony zbocza

Dla warunków suchych najczęściej wykorzystuje się maty o “otwartej” strukturze typy 70XX. Za wyjątkiem specjalnych sytuacji (wprowadzanie roślinności na zbocza przykryte geomembranami) maty antyerozyjne nie stanowią elementu nośnego – zbrojenia. Zadaniem mat jest wyłącznie ochrona przed erozją oraz utrzymywanie wierzchniej warstwy gruntu urodzajnego. Jednym z parametrów określającym skuteczność działania materiałów przeznaczonych do ochrony przed erozją jest AHC (ang. Area Holding Capacity), który można przetłumaczyć jako Pojemność (wydajność) Powierzchni Utrzymującej. AHC określa udział objętości utrzymywanego w macie gruntu w stosunku do objętości maty. EnkamatÒ posiada AHC wyższe niż 90%.

Parametrem związanym z AHC jest efektywna grubość maty i może być ona uważana również jako wskaźnik określający skuteczność działania maty. Dla Enkamat efektywna grubość jest równa grubości nominalnej. Procedura wyboru grubości maty przebiega zgodnie z poniższymi punktami:

3.1. Sprawdzenie czy potrzebne jest zastosowanie EnkamatÒ do ochrony przed erozją

Na postawie poniższego nomogramu i znajomości procentowego udziału poszczególnych frakcji można określić podatność gruntu na erozję.

Rys. 2. Podatność na erozję różnych frakcji gruntu w zależności od intensywności opadu

3.2. Określenie wymaganej grubości maty

Na podstawie porównania ilości spodziewanych opadów atmosferycznych i temperatury powietrza występujących w okresie miesiąca po ukończeniu prac z zamieszczonymi w tabeli 2 wyznacza się wielkość “współczynnika kiełkowania”.

Tabela 2. Wymagana, średnia wielkość opadu (mm/miesiąc) koniecznego dla wegetacji w klimacie umiarkowanym

gdzie:

Tabela 3. “Współczynnik wpływu zbocza” w zależności od nachylenia skarpy

Sumując współczynniki wpływu zbocza i kiełkowania ustala się grubość maty. Im warunki dla wegetacji są bardziej niesprzyjające tym grubsza i gęstsza musi być zastosowana mata.

“wsp. kiełkowania” + “wsp. wpływu zbocza”' £ 5 ® EnkamatÒ o grubości 8 mm

“wsp. kiełkowania” + “wsp. wpływu zbocza” > 5 ® EnkamatÒ o grubości 18 lub 20 mm

4. Zasady wbudowywania mat antyerozyjnych

4.1. Przygotowanie skarpy

W przypadku gdy EnkamatÒ ma być wykorzystywany do naprawy zerodowanych skarp, wówczas powierzchnia zbocza powinna być w miarę możliwości wyrównana. Wszystkie duże żleby, zagłębienia i inne nierówności muszą być wypełniane i dobrze zgęszczane. Preferowane jest ścinanie nierówności skarpy celem wypełnienia zagłębień. Wszelkie potencjalne drogi spływu wody powierzchniowej powinny być likwidowane (należy zmienić ich kierunek, tak aby zbierająca się woda powierzchniowa nie miała możliwości spływania bezpośrednio po zboczu).

W przypadku formowania nowej skarpy powierzchnia powinna być wyprofilowana.

Dla obydwu przypadków wymagane jest aby skarpa była stateczna.

4.2. Wbudowanie maty

Matę należy umieścić w jednym z rowów kotwiących (u podnóża lub na szczycie skarpy) przytwierdzić do podłoża szpilkami stalowymi w rozstawie 1m. Rodzaj szpilek (typ “L” lub “U”) i ich wymiary powinny być dobrane w zależności od konkretnych warunków. Przyjmuje, się że minimalna średnica i długość powinny wynosić odpowiednio 6 mm i 300 mm. Rowy kotwiące powinny mieć głębokość i szerokość około 30 cm. Po przytwierdzeniu EnkamatÒ należy lekko naprężyć i rozwijać wzdłuż zbocza. Po rozwinięciu i lekkim naprężeniu wymaganej ilości materiału matę przytwierdza się w drugim rowie kotwiącym w przedstawiony powyżej sposób. Rowy kotwiące wypełnia się gruntem i zagęszcza.

4.3. Wypełnienie maty gruntem i obsiew

Należy unikać prowadzenia po powierzchni zbocza korytek kanalizacji burzowej. Gdy na skarpie musi jednak być prowadzone korytko konieczne jest dobranie odpowiednio głębokiego i szerokiego przekroju, który zapewni odpływ wody bez ryzyka wylewania się jej na skarpę podczas deszczu nawalnego. Korytka powinny być wbudowywane po rozłożeniu maty antyerozyjnej tak aby mata “wchodziła” pod spód elementu betonowego. Nie właściwym jest łączenie maty “na styk” z innymi elementami. Należy zawsze dążyć do tego aby mata stykała się swą powierzchnią (a nie tylko krawędzią) z wymienionymi elementami.

Jeżeli w wyniku gwałtownego deszczu przed rozwinięciem się roślinności nastąpiło wymycie nasion lub części gruntu z maty, należy je ponownie wypełnić.

5. Zastosowanie mat antyerozyjnych w konstrukcjach z gruntu zbrojonego

Wykorzystywane w drogownictwie konstrukcje zazielenionych, stromych zboczy z gruntu zbrojonego mają wiele zalet w porównaniu z rozwiązaniami tradycyjnymi, takimi jak żelbetowe czy też masywne betonowe ściany oporowe. Charakteryzują się one niskimi kosztami oraz krótkim czasem realizacji budowy, estetycznym naturalnym wyglądem, nie są sztywne i posiadają dużą tolerancję na przemieszczenia poziome i pionowe. Ostatnia cecha jest szczególnie atrakcyjna dla terenów sejsmicznych czy poddanych eksploatacji górniczej. Roślinność ścian z gruntu zbrojonego oprócz walorów estetycznych pełni rolę ekranu dźwiękochłonnego.

Budując skarpy z gruntu zbrojonego należy spełnić następujące warunki:

1. konstrukcyjne: dobór właściwego zbrojenia (odpowiednio wytrzymałego, sztywnego, charakteryzującego się niewielkim pełzaniem w czasie, jak najniższym odkształceniem przy zerwaniu, odpornością na agresję chemiczną i biologiczną) oraz gruntu nasypowego;
2. technologiczne: efektywne wykorzystanie sprzętu mechanicznego, obniżenie kosztów i czasu budowy;
3. trwałości, bezpieczeństwa i łatwości użytkowania obiektu, odporności na działanie czynników atmosferycznych (UV, erozja) wandalizm i inne mogące wystąpić incydentalnie zagrożenia – uszkodzenia mechaniczne (otwartego ognia, kolizji pojazdów z konstrukcją) łatwości ewentualnych napraw.

Dla omawianych konstrukcji kluczowym elementem jest uzyskanie na zboczu stabilnej warstwy gruntu z trwałą i silną roślinnością pełniącej wymienione w punkcie “c” funkcje. Aby zapewnić dogodne warunki dla rozwoju roślinności wymagana jest warstwa gruntu urodzajnego o grubości ok. 30-50 cm. W przypadku zboczy z gruntu zbrojonego, a więc z natury nachylonych pod kątami wyższymi niż kąt stoku naturalnego, konieczne jest stosowanie dodatkowych zabiegów mających na celu “utrzymanie” ziemi urodzajnej na stromej powierzchni co najmniej do momentu wykształcenia się silnego systemu korzeniowego zdolnego utrzymać warstwę wegetacyjną. Przedstawione zadanie można wykonać na dwa sposoby. Pierwszym z nich jest dobudowanie do zbocza nasypu z gruntu zbrojonego warstwy umożliwiającej wegetację roślin. Drugim rozwiązaniem znacznie prostszym technologicznie, tańszym i szybszym w wykonawstwie (dla stromych skarp) – dającym się w bardzo dużym stopniu zmechanizować jest wbudowanie w zazbrojoną skarpę warstwy wegetacyjnej już podczas formowania nasypu. W takim przypadku zbocze jest przykrywane tylko cienką warstwą humusu, matą antyerozyjną i jeżeli jest to konieczne – ochronną siatką stalową. Rozwiązanie to w przypadku bardzo stromych skarp jest szczególnie korzystne ze względu na fakt, iż warstwa gruntu żyznego o grubości kilkudziesięciu centymetrów jest trwale związana z konstrukcją nasypu i ze zbrojeniem. W przypadku skarp przykrytych przestrzennymi matami antyerozyjnymi zastosowanie hydroobsiewu jest bardzo efektywne. Dla omawianego rozwiązania jest koniecznym zapewnienie możliwości penetracji korzeni w głąb nasypu do uprzednio wbudowanej warstwy gruntu. Wszystkie postawione wymagania spełniają geosiatki, które posiadają otwartą strukturę. Do budowy bardzo stromych zboczy należy w części czołowej zbrojenia umieścić biowłókninę lub cienką włókninę syntetyczną, (rys. 7) które w trakcie budowy chronią przed utratą gruntu poprzez oczka siatki (funkcja separacyjna), a po humusowaniu i obsianiu roślinnością nie stanowią przeszkody dla rozwoju korzeni. Innym ważkim czynnikiem przemawiającym za tym rozwiązaniem jest fakt, że geosiatki znacznie lepiej kotwią się w gruncie niż geotkaniny, czy geowłókniny (zbrojone) – dzięki czemu można stosować krótsze odcinki zbrojenia.

Wykorzystując geotkaniny lub geowłókniny zbrojone uzyskuje się gładką i często trudną do sforsowania przez korzenie roślin powierzchnię skarpy do której należy “dolepić” warstwę urodzajną (rys. 5). Zrealizowanie tego zadania jest niezwykle żmudne, pracochłonne i kosztowne.

Rys. 3. Wbudowanie gruntu nasypowego. Z lewej strony widoczny szalunek wraz z wywiniętym zbrojeniem.

Rys. 4. Wbudowanie gruntu nasypowego. Z lewej strony widoczny szalunek wraz z wywiniętym zbrojeniem

Prace wykonywano w powtarzających się cyklach (1 cykl – warstwa), które składały się z następujących czynności:

• zmontowanie szalunków na uprzednio wyznaczonych miejscach,
• rozłożenie i zastabilizowanie zbrojenia syntetycznego o odpowiednio dobranej długości,
• wbudowanie warstwy gruntu nasypowego, zagęszczenie wykonanie zakotwienia zwrotnego.

Obsypanie skarp warstwą gruntu pozwalającą na rozwój roślinności zabrało wykonawcy prawie tyle samo czasu co uformowanie nasypu! Tak długi czas ostatniego etapu budowy nasypów był spowodowany koniecznością wykonywania prac – w dużym stopniu ręcznie – gdzie udział mechanizacji robót był nieznaczny. Obsypywane odcinki skarp, niezwłocznie po ich wykonaniu, były zabezpieczone matą antyerozyjną EnkamatÒ 7020 i obsiewane. Z uwagi na długi okres czasu potrzebny do humusowania – maty nie były wypełniane gruntem (czynność ta została wykonana dopiero po zabezpieczeniu wszystkich skarp). Zaobserwowano, że na południowych zboczach, które były szczególnie narażone na silne oddziaływanie promieni słonecznych EnkamatÒ dając cień, skutecznie wspomagał kiełkowanie i rozwój roślinności (rys. 6).

Jako najlepsze rozwiązanie – dla konstruowania skarp z gruntu zbrojonego – na podstawie własnych doświadczeń oraz literatury zagranicznej autor proponuje konstrukcje pokazane na rysunku 7.

Rys. 5. Ręczne obsypywanie skarp. Od lewej – skarpa osłonięta matą antyerozyjną, wbudowywanie warstwy umożliwiającej wegetację, skarpa zbrojona geotkaninami

Rys. 6. Wyraźny wpływ maty antyerozyjnej na rozwój roślinności. Od lewej – odsłonięty grunt, dalej bujna roślinność na powierzchni zabezpieczonej przez EnkamatÒ

Na uwagę zasługuje schemat przedstawiający zbocze o nachyleniu pomiędzy 45^o a 60^o (rys. 7). Wprowadzono do niego nowy element jakim jest siatka stalowa. W omawianym przypadku pełni ona rolę ochronną dla zbocza, a także przy odpowiednim ukształtowaniu i zwymiarowaniu w przypadku stromych i bardzo wysokich skarp gdzie stosowanie form przestawnych jest utrudnione bądź często niemożliwe stanowi ona szalunek tracony formujący warstwę zbrojoną geosyntetykami.

Rys. 7 Schemat konstrukcji zazielenionego zbocza z gruntu zbrojonego

Literatura:

1. Design & Construction Guide & Help File for EnkaSlope v 1.0. Colbond Geosynthetics 1999
2. Effectiveness of Enkamat in controlling soil erosion by water on steeply-sloping embankments. Morgan R.P.C., Finney, H.J. and E. Merrit, Silsoe College, 1984
3. PN–86/B–02480 Grunty Budowlane. Określenia, symbole, podział i opis gruntów.
4. BS 8006:1995 Code of practice for Strengthened/reinforced soils and other fills. British Standards Institution, London 1995
5. Enkamat Design Manual. Arnhem, Akzo Nobel Geosynthetics 1997
6. Empfelungen fü r Bewehrungen aus Geokunstoffen EBGEO, Deustsche Gesellschaft fü r Geotechnik DGGT, Berlin, Ernst & Sohn. 1997
7. Merkblatt für die Anwendung von Geotextilien und Geogittern im Erdbau des Straßenbaus. FGSV, Köln, 1994