Jakie znaczenie ma geotechnika w hydrotechnice? Jakie technologie wykorzystuje się podczas budowy portów, nabrzeży, terminali portowych?

Posadowienie obiektów hydrotechnicznych stanowi nie lada wyzwanie zarówno dla projektantów, jak i ekipy budowlanej. Wynika to z charakterystyki gruntów, które znajdują się na pograniczu lądu i wody – są zazwyczaj słabonośne i mało wytrzymałe. Jakie technologie geotechniczne można wykorzystać podczas budowy tego typu obiektów?

• Charakterystyka geotechniki i hydrotechniki
• Technologie budowy obiektów wodnych
• Utrudnienia podczas posadawiania konstrukcji nad wodą

Charakterystyka geotechniki i hydrotechniki

Aby móc w pełni zrozumieć to, jakie rozwiązania geotechniczne wykorzystywane są podczas posadawiania budowli hydrotechnicznych, konieczne jest wyjaśnienie specyfiki obu dziedzin. Geotechnika koncentruje się na analizie właściwości gruntów pod kątem lokowania na nich obiektów budowlanych różnego typu. Czerpie ona z wielu zróżnicowanych dziedzin wiedzy, by pozwolić na jak najlepsze sprawdzenie gruntu oraz rzetelne przygotowanie go pod planowaną inwestycję.

Geotechnika jest specjalnością firmy Keller, która od lat prowadzi badania oraz wykonuje prace związane z kolumnami żwirowymi i innymi rozwiązaniami w tym zakresie, także podczas posadawiania obiektów hydrotechnicznych. Budownictwo wodne obejmuje wszelkiego rodzaju obiekty, które pozwalają na wykorzystanie wody do określonych celów – elektrownie wodne, zapory, śluzy czy też konstrukcje regulacyjne rzek. Dodatkowo mogą być to nabrzeża, czyli linia brzegowa pozwalająca na obsługę oraz postój pływających jednostek, terminale czy porty morskie.

Specyfika pracy nad obiektami hydrotechnicznymi wymaga połączenia wiedzy z mechaniki gruntów, hydrauliki oraz oceanologii, co stanowi wyjątkowe wyzwanie inżynieryjne. Projekty te muszą uwzględniać nie tylko statyczne obciążenia konstrukcji, ale również dynamiczne oddziaływanie fal, prądów morskich oraz zmiennych stanów wody.

Technologie budowy obiektów wodnych

Obiekty hydrotechniczne mają specjalistyczne wymagania, które znacząco różnią się od obiektów posadawianych na lądzie. W związku z tym bardzo często istnieje konieczność wykorzystania bardziej zaawansowanych technologii, pozwalających na bezpieczne zbudowanie obiektu. Często wykorzystywanymi geotechnologiami w hydrotechnice są:

• kolumny żwirowe oraz żwirowo-betonowe o wszechstronnym zastosowaniu, wykorzystywane do zwiększenia nośności słabych gruntów organicznych
• kotwy służące do przenoszenia obciążenia rozciągającego, szczególnie w konstrukcjach oporowych
• mikropale pozwalające na wzrost nośności gruntu w warunkach ograniczonej przestrzeni roboczej
• pale CFA, które pozwalają na przeniesienie obciążenia z fundamentów na warstwy nośne oraz zabezpieczenie przed osuwiskami
• pale prefabrykowane pozwalające na wzmocnienie podłoża w krótkim czasie montażu
• pale rurowe wbijane lub wwibrowywane w grunt, bardzo popularna metoda podczas posadawiania budowli hydrotechnicznych ze względu na odporność korozyjną
• pale SDP o technologii podobnej do CFA, jednak z wykluczeniem wynoszenia gruntu na powierzchnię, co minimalizuje negatywny wpływ na środowisko wodne
• pale stalowe stanowiące podporę posadawianych konstrukcji o dużych obciążeniach pionowych
• ścianki szczelne służące do zabezpieczenia i regulowania wykopów, a także pozwalające na zbudowanie przesłony przeciwfiltracyjnej chroniącej przed niekontrolowanym przepływem wody
• ściany typu combi wall, czyli ściana oporowa (powstrzymująca parcie gruntu) wykonana z kombinacji profili nośnych lub rur z elementami wypełniającymi

Kryteria doboru technologii palowania

Wybór konkretnej technologii palowania zależy przede wszystkim od warunków gruntowo-wodnych panujących w miejscu inwestycji. W gruntach spoistych, takich jak iły i glinki, preferowane są pale CFA lub SDP, które minimalizują wibracje i odkształcenia sąsiednich warstw. W piaskach zwartych skuteczniejsze okazują się pale wbijane lub wwibrowywane, które wykorzystują zjawisko zagęszczania gruntu wokół trzonu pala.

Głębokość posadowienia nabrzeży w nowoczesnych portach kontenerowych osiąga często 20–30 metrów poniżej dna, co wynika z konieczności przyjmowania coraz większych jednostek pływających o zanurzeniu przekraczającym 15 metrów. W takich warunkach pale stalowe rurowe o średnicach 1000–1500 mm stanowią optymalne rozwiązanie ze względu na łatwość transportu i montażu na akwenie.

Rola kolumn żwirowych w stabilizacji gruntów organicznych

Kolumny żwirowe znajdują szczególne zastosowanie w deltach rzek oraz strefach nadbrzeżnych, gdzie występują miękkie grunty organiczne – torfy, namuły i mułki. Technologia ta polega na wykonaniu w gruncie otworów wypełnianych zagęszczonym kruszywem, które tworzą sztywny szkielet przenoszący obciążenia z konstrukcji.

W porównaniu z tradycyjnym wymianą gruntu, kolumny żwirowe pozwalają zaoszczędzić nawet 40–50% kosztów przy jednoczesnym skróceniu czasu realizacji. Dodatkową zaletą jest redukcja osiadań wtórnych, które w gruntach organicznych mogą trwać latami po zakończeniu budowy.

Utrudnienia podczas posadawiania konstrukcji nad wodą

Posadawianie budowli hydrotechnicznych to trudne zadanie, związane nie tylko z uwarunkowaniami gruntowymi. Podczas badań i prac geotechnicznych wymagane są ogromna wiedza i doświadczenie pozwalające na pokonanie takich trudności, jak np. wybór właściwej metody oraz modelu obliczeniowego dla zaprojektowania obiektu i zaplanowania prac. Nie istnieją narzędzia uniwersalne, dlatego ich dobór jest newralgiczny. Niewłaściwie dokonane obliczenia mogą spowodować wiele poważnych usterek – od nadmiernych osiadań różnicowych po całkowitą utratę stateczności konstrukcji.

Nie jest to jednak jedyny kłopot, z jakim muszą borykać się projektanci oraz wykonawcy. Do częstych zaliczane są także:

• konieczność posadawiania budowli na coraz większych głębokościach w związku ze zwiększającymi się wymiarami i wagą statków – nowoczesne kontenerowce osiągają nośność ponad 24 000 TEU
• konieczność dopasowania właściwych rozwiązań geotechnicznych do lokalnych warunków hydrologicznych i falowych
• czas życia technicznego oraz ekonomicznego nabrzeża – często zakładany na 50–100 lat eksploatacji
• możliwości techniczne sprzętu oraz jego wymiary dla możliwości wykonania określonych prac na akwenie ograniczonym
• koordynacja prac z ruchem portowym – inwestycje często realizowane są etapowo bez zamykania całego terminalu

Problemy związane z warunkami gruntowymi

Posadawianie budowli hydrotechnicznych może być znacznie utrudnione przez działanie na bardzo zagęszczonych piaskach, elementy wessane w podłoże np. barki oraz brak znajomości ograniczeń związanych z zastosowaniem danej technologii geotechnicznej. W przypadku piasków średnio i drobnoziarnistych występuje zjawisko upłynnienia pod wpływem obciążeń dynamicznych – sejsmicznych lub falowych – co stanowi śmiertelne zagrożenie dla stateczności konstrukcji.

Wessane w dno elementy dawnych konstrukcji, zatopione wraki czy niewybuchy z czasów wojennych mogą skutecznie uniemożliwić realizację palowania według pierwotnego projektu. Konieczne stają się wtedy kosztowne modyfikacje projektu lub oczyszczenie dna z przeszkód.

Aspekty środowiskowe i regulacyjne

Współczesne projekty hydrotechniczne muszą uwzględniać rygorystyczne normy ochrony środowiska wodnego. Prace palownicze generują hałas podwodny mogący szkodzić faunie morskiej, szczególnie ssakom morskim wykorzystującym echolokację. W strefach chronionych konieczne jest stosowanie systemów tłumienia dźwięku lub wybór cichszych technologii, takich jak pale wkręcane.

Wspomniana wcześniej firma Keller jest zarówno projektantem, jak i wykonawcą budowli hydrotechnicznych, przez co posadawianie przez nich obiektów jest sprawniejsze i obciążone mniejszym ryzykiem. Zintegrowany model projektowania i wykonawstwa pozwala na bieżącą weryfikację założeń projektowych oraz elastyczne reagowanie na nieprzewidziane warunki gruntowe wykrywane podczas realizacji. Taka formuła współpracy eliminuje typowy problem rozbieżności między projektem a rzeczywistością budowlaną, który często prowadzi do konfliktów i opóźnień w tradycyjnym modelu przetargowym.