Hidrológiai Közlöny 2008 (88. évfolyam)

1. szám - Völgyesi István: Árvédelmi töltések szivárgáshidraulikai modellezése

32 Árvédelmi töltések szivárgáshidraulikai modellezése Völgyesi István VÖLGYESI Mérnökiroda Kft., www.voIgyesi@uw.hu Kivonat: Árvédelmi töltések terhelésével kapcsolatban (az árvízszintek alakulásával, illetve annak csökkentésével) komoly kutatómunka folyik, a teherbírást viszont gyakran elintézik azzal, hogy legyen meg a töltés előírt magassága. A teherbírást azonban nem csak a magasság, hanem a töltéstest szerkezete, és a szerkezettől függő szivárgási folyamatok is meghatározzák. A tanulmány ezeket a folyamatokat vizsgálja szivárgáshidraulikai modellezéssel, annak érdekében, hogy biztonságosak legyenek a töltések akkor is, amikor az árvíz még nem érte el a koronaszintet. Felhívja a figyelmet arra, hogy ezekhez a számításokhoz olyan paraméterekre volna szükség, amelyeket a töltéstestbe épített észlelőkutak adatai alapján szerezhetnénk meg - ha volnának alkalmas észlelőkutak. Kimutatja, hogy a manapság gyakran alkalmazott költséges töltésszivárgók csak nagyon minimális mértékben járulnak hozzá a védvonalak biztonságához. Kulcsszavak: árvédelmi töltés, szivárgás, kritikus gradiensek, teherbírás, biztonság, modellezés. 1. Bevezető gondolatok A tanulmány a védvonalakon kialakuló szivárgási folyamatokat elemzi annak érdekében, hogy a meglévő árvédelmi rendszerek védőképességét jobban megismerjük, illetve a szükséges fejlesztéseket hatékonyabban tervezhessük meg. Másképpen szólva, azt vizsgálja, hogy adott koronaszint mellett mi, hogyan befolyásolja a védvonalak teherbíró-képességét. A védelem hatékonysága a terheléstől és a teherbírástól függ. A terhelést maga az árvíz jelenti. Komoly kutatási tevékenység zajlik a várható árvízi szintek magasságának, tartósságának megismerése érdekében, figyelembe véve minden olyan beavatkozási lehetőséget, amellyel ez a terhelés csökkenthető (Vásárhelyi terv továbbfejlesztése). A teherbírással kevesebbet foglalkoznak. Ezt első közelítésben az árvédelmi töltések magassága határozza meg, de gyakran elfelejtődik, hogy ezen kívül sok más tényezőnek is jelentősége van: a töltések szélessége, anyaga, rézsűinek hajlása, a töltés belső szerkezete és az altalaj tulajdonságai szintén szerepet kapnak a teherbírás alakulásában. Mindez akkor válik nyilvánvalóvá, amikor olyan töltés szakad át, amelyet a koronaszintjénél alacsonyabb árvíz terhelt. Ugyancsak a teherbírás nem megfelelő mértékét jelzi, ha a mentett oldalt nagymennyiségű víz borítja el, annak ellenére, hogy az adott szakaszon semmiféle meghibásodás nem látható. A töltéstestben vagy az altalajban árvíz alatt zajló szivárgási folyamatok tehát a védvonal tönkremeneteléhez is vezetnek, ha a vízmozgás - az árvíz magasságának és időtartamának függvényében - olyan intenzívvé válik, hogy az érintett rétegek valamelyik pontján hidraulikus talajtörés alakul ki. Jelen tanulmányban a teherbírással foglalkozom, áttekintve azokat a matematikai modellezési módszereket, melyek segítségével a védvonalak szerkezeti felépítésének hatását jelentőségét megítélhetjük. Meg kell jegyezni, hogy az árvédelmi vonalhoz a töltéstesten kívül az altalaj egy része is hozzátartozik. 2. A vízmozgásokat befolyásoló tényezők Három lényeges körülményt kell vizsgálni: - Kialakul egy erőtér, ami a mozgást megindítja, majd fenntartja. Ez az árvíz. Szivárgáshidraulikai szempontból az árvíz akkor kezdődik, amikor a folyó szintje meghaladja a mentett oldali töltéslábat. Árvíz idején a talajvízszint a mentett oldal hátterében is megemelkedik, kisebb -nagyobb távolságig. - A talaj ellenállást képvisel az árvíz erőterével szemben. Minél nagyobb ez az ellenállás, annál jobban mérsékli a talajvíz mozgását, illetve járul hozzá ahhoz, hogy a folyó hatása csak egy kisebb távolságig jusson el. - Árvíz alatt a folyóból és a hullámtérből a talajba jutó és a háttér felé induló víz folyamatosan megcsapolódik, majd elfogy. Ahol elfogy, ott van az árvíz hidrogeológiai hatásterületének határa, ettől a vonaltól távolabb már talajvízszint-emelkedések sem észlelhetők. A megcsapolódás részben természetes úton megy végbe, mert a mentett oldal megemelkedett talajvízének felszínéről nagyobb lehetőség nyílik a párolgásra, részben pedig mesterségesen is elősegíthetjük a szivárgó-rendszerek vizének eltávolításával vagy a fakadóvizek elvezetésével. A mesterséges megcsapolás csökkenti a hatásterület szélességét. Ha a talaj ellenállása elegendően nagy lenne a vízmozgást indukáló erőtérrel szemben, akkor nem volna árvízveszély (pl. betonból épített töltések, alattuk széles, mély résfalak, kibetonozva). Nincsenek - és nem is nagyon lesznek - beton védvonalak. Csak a közelben rendelkezésre álló talajokat használhatjuk. Ezek ellenállását pedig a szivárgási tényezőjük határozza meg. A szivárgási tényező mérése meglehetősen bizonytalan és költséges. A mérések során - minden bizonytalanság ellenére - kiderült, hogy jelentős különbségek vannak a vízszintes és függőleges irányú vezetőképesség között, a talajok tehát anizotropok. Ennek oka a mikro-rétegzettség, ami természetes módon és a töltéstestbe való beépítés során is kialakulhat. A víz pedig „szívesebben" mozog a jobban vezető mikrorétegben, és nehezen töri át az alatta (vagy felette) települő vízzáróbb csíkot, tehát a vízszintes szivárgási tényező nagyobb. Agyagtalaj oknál viszont többnyire a függőleges szivárgási tényező a nagyobb, mert a repedések zöme függőleges irányultságú. Agyagtalajok a felszín közelében (néhány méter mélységig) nem csak repedezettek, hanem morzsalékos szerkezetűvé is válnak. Ez az ún. zsugorodó agyagtalajokra jellemző, ismételt átnedvesedés és kiszáradás, kifagyás, illetve különböző kémiai folyamatok hatására a finom szemcsék koagulálnak, előbb csak laza pelyhekké állnak össze, majd fokozatosan egyre szilárdabb rögökké alakulnak. A felszín-közeli agyagtalaj vízvezető-képességét tehát többszörösen is nem az anyagi minőség, hanem a szerkezet fogja meghatározni. A szerkezetes agyagtalajok laza homokként viselkednek, eredeti tömörségük is lecsökken.