Hidrológiai tájékoztató, 1995
2. szám, október - ÁLTALÁNOS VONATKOZÁSÚ CIKKEK - Balassa Géza: Síkszivárgás számítása árvízvédelmi vonalon, talajvízdúsításnál és munkagödör esetén
Síkszivárgás számítása árvízvédelmi vonalon, talaj vízdúsításnál és munkagödör esetén BALASSA GÉZA A gát alatt meginduló áramlás kialakulása és következményei Árvíz esetén a vízoldalról a töltés alá szivárgás indul meg a talajban, ami megemeli, vagy nyomás alá helyezi az eredeti talajvíztükör szabad felszínét. A töltés alatti talaj egyes pontjaiban az áramlási nyomások hely és idő szerint változnak. Ha a töltésre merőleges szelvényben a fedőréteg alsó síkjának különböző pontjaira ható áramlási nyomások értékét ábrán szemléltetjük, és az egyes pontokat folytonos vonallal összekötjük, akkor a fedőrétegre ható nyomások vonalát kapjuk meg. Ezt a nyomásvonalat két pontja jellemzi: az egyik beszivárgás helye feletti árvízszint, a másik a talajvízhez csatlakozópont. E kettő változásától függően a nyomásvonal időben változó görbe. Az árvízszint és a mentett oldal vízszintje közötti nyomáskülönbség (LH) indítja el a víz áramlását a töltés alatt. Ha a töltés szemcsés, jó vízvezető rétegre épült, akkor a szivárgás mindig egy elméleti elliptikus áramvonal szerint alakul ki. Ha a gát kötött, kis áteresztőképességű rétegre épült, akkor az elliptikus áramvonalkép eltorzul, a vízvezető rétegben elsősorban a vízszintes összetevők, míg a kis áteresztőképességű fedőrétegben csak a függőleges összetevők fognak érvényesülni. A védvonalak adottsága, a terep magassága, a hullámtér szélessége, az anyagárok méretei, a fedőrétegsor vastagsága és áteresztőképessége, a vízvezető réteg települése és vízvezető képessége a védvonalnak még egymáshoz közel eső keresztszelvényeiben is erősen változhat. Ezek a változások azonban a vízvezető rétegben bizonyos hosszon belül mindig kiegyenlítődnek olyan mértékben, hogy az áramvonalaknak a víz- és a mentett oldal közötti azonos nyomásértékű vonalai egy bizonyos védvonal-hosszon belül, egymással közel párhuzamosan, a szivárgások elméleti nyomásveszteségei szerint fognak alakulni. A szivárgások vizsgálatánál tehát mindig az átlagos hullámtér, anyagárok és töltés szélességet, az átlagos víz- és mentett oldali fedőréteg vastagságot és minőséget, valamint a vízvezető réteg szivárgási tényezőjének területi átlagértékét kell figyelembe venni. A meginduló áramlás önmagában még nem feltétlenül káros jelenség. A szivárgásnak három következménye befolyásolhatja a védvonalak állékonyságát: a talaj szilárdságának csökkenése a telítődés miatt; a szivárgási nyomás; és a felhajtóerő. A szivárgások következtében előállhat hidraulikus talajtörés is. Ez nem minden esetben okoz gátszakadást, és csak akkor veszélyes, ha a töltés alatt alakul ki, vagy ha a mentett oldalon létrejövő talajtörés behátrál a töltés alá. Hidraulikus talajtörést előidéző legfontosabb jelenségek: szuffózió; felszín fellazulás; talajforrás; felszín felpuhulás; felpúposodás és felszakadás; buzgár. A védvonal tönkremenetelének elkerülése érdekében nagyon fontos minél jobban megismerni a gát alatt létrejövő szivárgás tulajdonságait, a szállított vízmennyiség nagyságát, valamint a rétegbe történő be- és kiszivárgás távolságát. A Juhász-féle szögletes áramvonalakat alkalmazó síkszivárgási eljárás Számos kutató (Dachler, Kamenszkij stb.) foglalkozott a töltés alatt meginduló áramlások szögletes áramvonalakkal való közelítésével. A felállított modellek egyik legnagyobb hibája, hogy a szivárgási tartományt egy lépésben osztják fel függőleges-vízszintes-függőleges szakaszokra. Emiatt ezek a módszerek csak nagyon egyszerű földtani felépítések esetén használhatóak. Annak érdekében, hogy a természetben inkább előforduló földtani körülményeket is figyelembe lehessen venni, más elvekre épülő eljárást kell keresni. Dr. Juhász József által kidolgozott módszerrel pótolhatjuk az előbb említett eljárások hiányosságait. A módszer lényege, hogy a függőleges-vízszintes-függőleges áramlási szakaszokra való felbontást nem egy lépésben végezzük el a teljes szivárgási térre, hanem először a vízvezető réteg z mélységében felveszünk egy dm vastagságú elemi sávot. Az ehhez csatlakozó függőleges áramlási szakasz nagysága a dm vastagságának egy a-val szorzott értéke (1. ábra). 1. ábra. A töltés alatti szivárgás Juhász-féle modelljének vázlata Az így kapott dq vízmennyiséget szállító áramcső öt szakaszra osztható. Az öt szakaszra külön-külön felírhatók a nyomásveszteségek, melyek összevonása majd integrálása után a következő vízhozamképletet kapjuk: ahol k aA H , L C (1) (2) (3) *A dolgozat 1994-ben a Miskolci Egyetem Bányamérnöki Karinak HidrogeológiaiMérnökgeológiai Tanszékén készült és elnyerte a Magyar Hidrológiai Társaság Lászlóffy Woldemár diplomaterv pályázatának elsó diját. Az egyenletekben szereplő jelölések: m f l, m p: az alvízi és felvízi oldal fedőrétegének vastagsága [m] kp, kß. az al- és felvízi oldal fedőrétegének függőleges k tényezője [m/nap] m a: a vízvezető réteg vastagsága [m] k a: a vízvezető réteg vízszintes szivárgási tényezője [m/nap] X a: a vízvezető réteg anizotrópia tényezője L 0: a gáttalp szélessége [m] AH: az átszivárgást fenntartó nyomáskülönbség [m] A vízvezető rétegen átáramló maximális vízhozamot a, és a 2 változtatásával (iterációval) határozhatjuk meg. A kapott a optimum értékeket a hozzájuk tartozó m a értékkel megszorozva kapjuk a legnagyobb ki- és beszivárgási távolságot (1. ábra). Tehát: T l = AJ XOT„; T 2 = a 2 xm a. Az eddig bemutatott eljárás analógiája korlátlan számú különböző vastagságú és hidraulikai paraméterrel jellemezhető - vízvezető rétegen átáramló vízhozam meghatározható. A 9
