Hidrológiai Közlöny 2010 (90. évfolyam)

4. szám - Zákányi Balázs–Szűcs Péter: Völgyzáró gát és árvízvédelmi töltések hidraulikai vizsgálata SEEP2D modullal

ZÁKÁNJ^^-^ZŰC^P^ölg^zár^á^í^ 55 nek köszönhető a mai igen változatos belső szerkezet a gátrendszerekben. Részben a fent említettek, másrészt a következőkben tárgyalt tények miatt homogén töltésről - csekély kivételtől eltekintve - nem beszélhetünk. Ezeket a nem homogén gáttesteket szerkezetes töltéseknek hívjuk. Ez a szerkezetesség a következő dolgok miatt alakulhat ki: 1. Építési tevékenység eredményeképpen: - a keresztszelvény különböző időpontokban történő fejlesztése során, különböző földanyag beépítése révén, - a keresztszelvény védőképességének javítása érdekében beépített szerkezeti elemek révén. 2. Természeti hatások következtében: - a fagyhatás hozzájárulhat a morzsalékos felületi réteg kialakulásához, - a kötött talajoknál vízfelvétellel bekövetkező duzzadás, illetve a kiszáradással kialakuló repedezettség miatt, - illetve, a gyeptakaró gyökérzetének kémiai hatásaiból származó megváltozott fizikai tulajdonságok következtében szerkezetesség jöhet létre. A következőkben a szerkezetesség megjelenési formáinak néhány jellegzetességét mutatjuk be. Az épített szerkezeteknél az alábbi formák fordulnak elő: - a „hagymaszerkezet", amely úgy alakul ki, hogy a különböző időpontokban a töltésbe épített rétegek szükségképpen egymástól eltérő tulajdonságúak, határfelületeik szinte kijelölik a töltésben az árvizek alatt lejátszódó jelenségek helyét, - különböző rendeltetésű és anyagú szerkezeti elemek, amelyek a töltésben árvíz alatt végbemenő szivárgási folyamatok befolyásolására hivatottak. Természeti hatásokra kialakuló szerkezetesség formái: - a fagy okozta morzsalékos réteg, amely 0.7-1.0 m vastagságú, és a teljes töltésfelszín mentén létrejöhet, a védőképességet tekintve magassági hiányos töltések esetén feltétlen figyelmet érdemel. Szelvénybővítéssel járó fejlesztés alkalmával a fedő humuszréteg eltávolítása után tömörítése feltétlenül indokolt. - a kötött talajú töltések repedéses szerkezete kiszámíthatatlan módon és mértékben vezeti be a vizet a töltéstestbe. - a növényzet gyökértevékenysége miatt megváltozott vízvezető képességű szerkezet kötött talajokban alakul ki és a kötöttség mértékétől függően: - gyengén kötött talajokban 3 méterig, - közepesen kötött talajokban 4.5 méterig, - erősen kötött talajokban 6 méterig a szivárgási tényező növekedésével kell számolni [6]. A töltés folyó felöli oldalát borító árvíz a víznyomás hatására igyekszik a töltéstestbe, illetve az altalajba behatolni. Mivel abszolút vízzáró talaj nincs, a víz, a gát anyagának pórusait bizonyos idő alatt kisebb-nagyobb magasságig kitölti, azokban a mentett oldal felé mozog. A szivárgó víz felső határvonalának analitikus számítására számos módszer ismert homogén gáttest esetében, de mint azt fentebb említettük, homogén gáttestek nagyon ritkán fordulnak elő a gyakorlatban. Ismertek inhomogén gátak analitikus szivárgási számításai is. Ezek a számítási eljárások a gyakorlati szakemberek számára azonban nehezen alkalmazhatók, és gyakran jelentős hibával terheltek. A már említett szerkezetes gátak inhomogenitásának következménye, a réteg- és talpszivárgás kialakulása. Ez nagymértékben hozzájáulhat a töltések gyors és veszélyes átázásához. A szivárgás természetes folyamat, tehát előbb-utóbb minden esetben megindul, de rövid időtartamú árvíz és/ vagy jó vízzáró tulajdonságú töltésanyag, valamint megfelelő méretű szemcsés háttöltés esetén a töltés állékonysága szempontjából a szivárgásnak nincs jelentősége. Veszélyessé akkor válik, amikor a gáttest teljes keresztmetszetében átnedvesedik, és a szivárgó víz a mentett oldalon megjelenik, azaz a töltés átázik [6]. 3. Számítási módszerek és eredmények 3.1. Analitikus számítási módszerek A síkszivárgás vizsgálata a műtárgyak, töltések, gátak alatt, a töltéstesten keresztül nagyon fontos. Ez állékonysági kérdéseknél, valamint természeti, kockázati szempontokból is központi kérdés. A szivárgás meghatározására számos módszer ismert, de nincs tökéletes analitikus megoldása a vizsgált hidraulikai kérdéseknek [7]. Kutatásunk során a töltés és az altalaj szivárgását elkülönítetten vizsgáltuk, úgy, mintha a töltés talpát egy vízzáró közeg alkotná. A töltés testét homogénnek feltételeztük, és a következő módszereket alkalmaztuk a szivárgás analitikus számítására: - a Casagrande; - a módosított Casagrande-Kozeny; - és a Pavlovszkij módszert. Az analitikus módszerekkel kapott eredményeket összehasonlítottuk a GMS SEEP2D modullal kapott értékekkel. 3.2. Numerikus módszer: A Groundwater Modeling System 6-os program A Groundwater Modelling System 6-os program SEEP2D modulja mind nyíltükrű, mind zártükrű 2 dimenziós szivárgási (hidraulikai) problémák megoldására használható. A GMS program SEEP2D modulja kétdimenziós háromszög alakú véges elemeket használ. Az egyes elemek alakja, nagysága még azonos rendszeren belül is tetszőleges lehet. Természetesen az elemek számának a növelése a numerikus egyenletrendszert alkotó egyenletek, és ennek megfelelően az ismeretlenek számának növekedésével jár együtt, ami könnyen meghaladhatja a számítógép erőforrásai által alkotott határt. ® í • fflQ '••A A na a ttS » n u i 2. ábra. A rácsháló a gáttesten belül anyagtípusoknak megfelelően A SEEP2D modulban két megoldási lehetőség kínálkozik a nyíltükrű szivárgási problémák megoldására. Az egyik lehetőség, amikor a megoldást mindössze a telített zónára számítjuk, és az elemes rácsháló torzítva van a legfelső szivárgási felületig [8], A kiszámított megoldás ezután egy hálógeometriai és egy megoldás fájlból tevődik össze. A máso-dik esetben a háló nem deformált, és az áramlás alakja mellett a telített és a telítetlen zóna rácshálója is modellez-