Hidrológiai Közlöny 2008 (88. évfolyam)

1. szám - Völgyesi István: Árvédelmi töltések szivárgáshidraulikai modellezése

VÖLGYESII.: Árvédelmi töltések szivárgáshidraulikai modellezése 33 A fenti nehézségek miatt azt lehet mondani, hogy árvédelmi vonalaink talajainak szivárgási paramétereit lényegében nem ismerjük, sőt: nincs is lehetőség arra, hogy közvetlenül megmérjük őket. Ezért napjainkban egyre inkább az ún. indirekt, vagy inverz módszerek terjednek. Ilyenkor nem az ismert szivárgási tényezők alapján számoljuk a talajvízszintet, leszívásokat, nyomásokat, hozamokat, hanem ez utóbbiakat megmérve következtetünk a szivárgási tényezőkre. A magyarországi védvonalakon viszont ez is csak elvi lehetőség, mert szinte sehol nem mérjük ezeket a paramétereket sem. Még a töltéstestben árvízkor kialakult talajvíz felszínvonalát sem ismerjük. 3. Szivárgó vízmozgások a védvonalakon A védvonal különböző zónáiban tehát különböző intenzitású szivárgási folyamatok indulnak be, és az intenzitás időben is változik. Ennek értékeléséhez - az adatok mellett olyan számítási rendszerre van szükség, amelyik a védvonal minden lehetséges elemének hatását figyelembe tudja venni. Maga az árvíz időben változó hatóok. ennek ellenére a szivárgásból származó töltésszakadások vizsgálatánál ma is csak az árvíz magasságát (a mértékadó árvízszintet) vehetjük figyelembe a veszélyeztetettség vizsgálatánál, pedig szükség volna az árvíz tartósságának, az áradások és apadások sebességnek ismeretére is (mértékadó árhullám-alak kellene). Hisz egy rövid árhullám időtartama alatt esetleg nem is tudnak kifejlődni veszélyes szivárgási folyamatok. A vízmozgás helytől függő intenzitását pedig - a töltéstest és az altalaj rétegeinek felépítésén és minőségén kívül a szivárgást befolyásoló elemek elrendezése is meghatározza. A víz bejutását akadályozó elemek (vízzáró magok és burkolatok) szerepe egyértelmű, a megcsapoló elemek (drének, szivárgó-csatornák, amelyek a mégis bejutott víz kivezetését teszik könnyebbé) viszont intenzívebbé teszik a mozgást, ennek ellenére hozzájárulnak a biztonság növeléséhez azáltal, hogy a mentett oldali nyomásokat csökkentik. Bonyolult kölcsönhatások következtében végül kialakul egy szivárgás szempontjából aktív tér, és ennek különböző pontjain különböző mértékű gradiensek, kisebb-nagyobb sebességek. A vizet vezető közeg számára ezek a gradiensek terhelést jelentenek. Ha a terhelés nagyobb az illető közeg által elviselhető gradiensnél (teherbírás), akkor talajtörés következik be. A teherbírás és a terhelés hányadosa a biztonsági tényező. A védvonalakat úgy tervezzük, hogy a biztonsági tényező 1-nél nagyobb legyen, tehát nem engedjük meg, hogy a terhelés elérje a teherbírás értékét. Rendkívül fontos, hogy ki tudjuk választani azokat a mértékadó pontokat, területeket, ahol a terheléseket és a teherbírásokat vizsgálni érdemes. Nyilvánvaló, hogy a leggyengébb helyeket kell megkeresni, hiszen az egész rendszer biztonsága a leggyengébb elem biztonságától függ. A tapasztalatok szerint a szivárgásból származó tönkremenetelnek négy jellemzője, négy kritikus helye van: - Állékonyság a fedőréteg felszakadása szempontjából: A mentett oldali töltéslábnál a rosszul vezető fedőréteg alsó síkjára ható felhajtóerő megemelheti, összetörheti a fedőt. - Állékonyság buzgárképződés szempontjából: Szintén a mentett oldali töltéslábnál okozhat veszélyt, ha a fedő alatt ún. átmeneti (megfolyósodásra hajlamos) réteg van. A fedő esetleges járatain keresztül ilyenkor a vízzel együtt ennek a rétegnek a szemcséi is a felszínre jutnak, a helyükön üreg keletkezik, majd a fedő beszakad az üregbe. - Állékonyság a vízvezető rétegben: Itt is kialakulhat talajtörés, ha túl nagy szivárgási sebességek fejlődnek ki. Ez általában akkor következik be, ha a fedőréteg már felszakadt, védőképessége megszűnt. - Rézsű-állékonyság a mentett oldalon: A mentett oldali rézsű a felületén kilépő víz áramlási nyomása (és szemcséket kisodró, felületet megbontó hatása) miatt mehet tönkre. (Meg kell említeni, hogy vannak olyan tönkremeneteli formák, amelyek nem kötődnek szivárgási jelenségekhez, de kapcsolatban vannak a töltéstestben levő vízzel. Elsősorban a diszperzív anyagú töltések megfolyósodása tartozik ide, ami az árvíz végén, például hirtelen apadáskor is kialakulhat, amikor a „klasszikus" szivárgási jelenségek már mérséklődtek. Szintén ide sorolhatók az olyan jelenségek, amelyek a csapadékból vagy hóolvadásből a töltésbe jutott víz hatására keletkeztek. így rongálódott meg például a Szamos-jobb parti lokalizációs töltés 1999 tavaszán. Ez az országhatárral párhuzamosan haladó védvonal nem is tartott vizet ebben az időszakban. Ismeretesek továbbá hirtelen vízszint-emelkedéseket követő - légpárna közvetítésével kialakult - meghibásodások is.) Az előzőkben felsorolt négy kritikus hely elvileg vizsgálható volna a szivárgó vízmozgás differenciálegyenleteinek (Boussinesq egyenlet, Laplace egyenlet) célszerű megoldásával. A valóságban ez nem járható út; a kerületi feltételek, amelyek a töltések környezetében folyó szivárgást jellemzik, megoldhatatlan akadályt jelentenek a matematikai analízis számára. Valamilyen megoldásra mégis szükség volt, ezért félanalitikus, sok elhanyagolást tartalmazó, nem teljesen egzakt levezetésekkel létrehozták a szükséges összefüggéseket. Ilyen a GNV képletgyűjtemény (Kovács-Hálek, 1978), vagy a Galli-féle rendszer (Galli, 1976), amelyik néhány tapasztalati alapon nyugvó ökölszabályt is alkalmaz. Továbbfejlesztett változatával már a fakadóvizes sáv szélessége is meghatározható. Napjainkban - a számítástechnika elterjedésével - terjedőben van a matematikai modellezés, ami nem más, mint a már említett differenciálegyenletek megoldásának ún. numerikus módszere. A „numerikus" szó ebben az esetben az alkalmazott közelítő eljárás jelzője. Mindegyik módszernél az történik, hogy a vizsgált teret egy ritkább-sűrűbb rácshálóval helyettesítjük (1. ábra), és az eredeti egyenletek helyett más, de azokból levezethető, viszont azoknál egyszerűbb egyenleteket oldunk meg. 1. ábra. Szivárgási modell rácsliálója Az új egyenletek megoldása ugyanakkor csak a teret lefedő rácsháló csomópontjaira vagy celláira vonatkozik (diszkrét), és nem az egész vizsgált térre (nem folytonos). Tehát a numerikus matematikai modellek is csak egyfajta közelítését jelentik a valóságnak. Itt is elhanyagolásokra kényszerülünk, ám ezek olyanok, amelyek kevésbé zavarják a gyakorlati igények kielégítését, mert - ha pontatlanul is de lehetővé teszik a vizsgált jelenségre ható összes tényező