Podręcznik, noszący tytuł „Stateczność oraz bezpieczeństwo jazów i zapór”, jest przeznaczony dla studentów i inżynierów o specjalności budownictwo wodne. Został on opracowany i wydany przede wszystkim z potrzeby kształcenia i samokształcenia wysoko wyspecjalizowanych kadr inżynierów hydrotechników oraz z potrzeby weryfikacji stanu technicznego i bezpieczeństwa budowli wodnych.

Chociaż główny nacisk położono na stateczność i bezpieczeństwo budowli piętrzących, takich jak zapory i jazy, co zostało odzwierciedlone w tytule podręcznika, to przedstawione metody badawcze, mogą być stosowane do innych rodzajów budowli wodnych, takich jak budynki elektrowni wodnych, wszelkiego rodzaju wały i obwałowania oraz mury oporowe, piętrzące stale lub okresowo wody powierzchniowe, względnie gruntowe.

Podręcznik może stanowić skuteczną pomoc w procesie projektowania jak, też weryfikacji stateczności istniejących budowli piętrzących, zbudowanych niekiedy przed wielu laty z materiałów ulegających stopniowej degradacji, albo też obciążonych nieprzewidzianymi wcześniej siłami.

Istnieje bowiem w naszym kraju wiele starych budowli piętrzących, których stateczność jest wątpliwa w świetle aktualnych, dość rygorystycznych przepisów i norm państwowych. Z zasady takie budowle muszą być poddane rewitalizacji, gdyż nie mogą być rozebrane i zlikwidowane, z uwagi na szkody społeczne i trwałe nowe ukształtowanie reżimu rzecznego i środowiska naturalnego, będącego pod wpływem spiętrzonych wód.

Problematyka badania stateczności i bezpieczeństwa budowli wodnych, a w szczególności zapór, musi być traktowane ze szczególną i wyjątkową troską, albowiem każda poważna awaria lub katastrofa takiego obiektu pociąga za sobą prawie zawsze ogromne straty materialne, a co najważniejsze – zagraża życiu bardzo wielu istnień ludzkich. Niszczy też lokalną infrastrukturę oraz przynosi nieobliczalne szkody ekologiczne.

Znamy aż nadto wiele katastrof zapór, niosących niebywale tragiczne skutki. Ich liczba w minionych latach jest zestawiona globalnie w pierwszym rozdziale tego podręcznika. Tu warto przytoczyć skutki tylko niektórych, najbardziej groźnych katastrof. I tak katastrofa zapory ziemnej, napławianej Fort Peck w stanie Montana (USA), rozsadzonej przez wysokie ciśnienie porowe w rdzeniu zapory, spowodowała śmierć 1400 osób wskutek gwałtownego opróżnienia zbiornika retencyjnego o objętości 100 mil m³. Nagła katastrofa zapory betonowej, łukowej Malpasset (Francja) (1959) o wysokości 66 m w wyniku pęknięcia części przyczółkowej zapory pociągnęła za sobą 430 ofiar śmiertelnych i zniszczyła doszczętnie część miasta Freju. Katastrofa w 1963 r., powstała w wyniku nagłego osunięcia się olbrzymich mas lewego zbocza do zbiornika betonowej, łukowej zapory Vojont (Włochy), o wys. 236 m., spowodowała przelania się wody przez koronę zapory ( z maks. wysokością warstwy wody 70 m), w wyniku czego całkowitej zagładzie uległo niżej położone miasteczko Longarone i 2000 jego mieszkańców. Katastrofa zapory ziemnej Teton o wys. 92 m w stanie Idaho (USA) w 1976 r. nastąpiła w wyniku przebicia hydraulicznego rdzenia zapory (z glinki lessowej) i spowodowała całkowite rozmycie zapory i opróżnienie zbiornika w ciągu 8 godzin. Tylko wcześniejsze zaalarmowanie ludności pozwoliło uniknąć większych ofiar śmiertelnych (zginęło 11 osób), a ogólne straty materialne szacowano na 1 do 2 mld dolarów.

W Polsce wydarzyła się w 1975 roku katastrofa zapory ziemnej osadowej w m. Niwiny – pociągnęła za sobą śmierć 7 osób. Natomiast w 1997 roku osunęło się zbocze elektrowni wodnej Dychów. Na szczęście nie było ofiar w ludziach, ale tylko dzięki korzystnemu w tym względzie zbiegowi okoliczności. Jednakże obydwie poważne katastrofy pociągnęły za sobą znaczne starty materialne. Najprawdopodobniej tych katastrof można byłoby uniknąć, gdyby wcześniej zastosowano bardziej dokładne, nowoczesne metody badawcze, po uprzednim dokładnym zbadaniu wytrzymałości podłoża, względnie materiału budowli.

Podręcznik zawiera siedem rozdziałów. W pierwszym rozdziale omawia się ogólną konstrukcję jazów i zapór, jednak bez szczegółowych zasad ich kształtowania i wymiarowania. Podstawową treścią drugiego rozdziału są obciążenia działające na budowlę piętrzącą oraz analiza współczynników bezpieczeństwa , stosowanych w budownictwie wodnym. Rozdział trzeci omawia zasady wymiarowania oraz metodykę weryfikacji stateczności poszczególnych elementów części stałej jazów. Nie przedstawia się tu zasad wymiarowania samych zamknięć jazowych, stanowiących element ruchomy i nieodgrywających znaczącej roli w ogólnym bezpieczeństwie jazu. W rozdziale czwartym przedstawia się wstęp do teorii sprężystości. Opisuje się tu ogólne modele ciał fizycznych, w tym modele stosowane do wyznaczania rozkładu naprężeń w zaporach betonowych. Treść powyższego rozdziału stenowi element wyjściowy do materiały zawartego w rozdziale piątym, gdzie przedstawia się metody badań stanu naprężenia w zaporach betonowych typu ciężkiego. Rozdział szósty omawia zasady badania stateczność zapór ziemnych. Istotę tego badania stanowią dwie metody badawcze, z których jedna omawia stany graniczne skarp, a druga – stany naprężenia w korpusie zapory. Z uwagi na ograniczoną objętość podręcznika , w zakresie stanów granicznych prezentuje się tylko dwie ogólnie stosowane procedury obliczeń współczynników bezpieczeństwa skarp zapory, związanych z ich statecznością – metodę Felleniusa i metodę Bishopa. Treścią rozdziału siódmego jest metoda elementów skończonych. Jest to metoda ogólnie znana, przedstawia się ją jednak w tym podręczniku, ponieważ znajduje ona szerokie zastosowanie w analizie stanu naprężenia w zaporach betonowych i ziemnych oraz konstrukcjach jazowych. Zawarte w podręczniku przykłady dają podstawowy obraz stanu naprężenia w korpusie badanej zapory przy uwzględnieniu odpowiednich modeli obciążeń dostosowanych do typu konstrukcji, stosowanego materiału i warunków posadowienia budowli.

Spis treści

1. Ogólna charakterystyka budowli piętrzących

   1. Budowanie piętrzące jako główny element zabudowy hydraulicznej rzeki

   2. Konstrukcje jazów

   3. Konstrukcje zapór betonowych

      1. Zapory ciężkie

      2. Zapory łukowe

      3. Zapory filarowe

      4. Zapory płytowe

      5. Zapory wielołukowe

   4. Zapory ziemne

      1. Rodzaje zapór ziemnych

      2. Podstawowe elementy zapór i wymogi ich bezpieczeństwa

      3. Konstrukcje typowych zapór ziemnych

2. Ogólne zasady analizy stateczności i bezpieczeństwa budowli piętrzących

   1. Podstawowe czynniki mające wpływ na bezpieczeństwo budowli piętrzących

   2. Podstawowe obciążenia działające na budowlę piętrzącą

      1. Charakterystyka obciążeń działających na budowlę piętrzącą

      2. Ciężar własny budowli i jej elementów

      3. Parcie wód filtracyjnych pod budowlą piętrzącą

      4. Parcie i opór gruntu

      5. Obciążenia wywołane działaniem lodu

      6. Obciążenia środowiskowe

   3. Tradycyjne metody badania bezpieczeństwa i stateczności budowli wodnych

   4. Metody stanów granicznych w budownictwie wodnym

   5. Projektowanie konstrukcji hydrotechnicznych w świetle norm europejskich

      1. Wprowadzenie Eurokodu do polskiej geotechniki i hydrotechniki

      2. Rodzaje konstrukcji geotechnicznych

      3. Zasady określania rodzaju parcia gruntu i wody na konstrukcje

      4. Sytuacje projektowe

      5. Zasady wyznaczania wartości charakterystycznych i obliczeniowych parametrów geotechnicznych i hydrotechnicznych

      6. Stany graniczne

      7. Stany graniczne nośności (USL – Ultimate Limit State)

      8. Stany graniczne użytkowalności (SLS – Serviceability Limit State)

3. Wymiarowanie jazów

   1. Jaz i jego główne elementy

      1. Korpus jazu

      2. Płyta wypadowa

      3. Szykany i zęby Rehocka

      4. Przesłona i ekran

      5. Elementy ochrony dolnego stanowiska jazu

      6. Urządzenie do komunikacji i transportu

      7. Przyczółki jazu

      8. Filary

   2. Ogólna charakterystyka zamknięć jazowych

      1. Podział zamknięć jazowych

      2. Zamknięcia przekazujące parcie wody na filary i przyczółki

      3. Zamknięcia przekazujące parcie wody na próg

      4. Zamknięcia przekazujące jednocześnie parcie wody na próg i filary (przyczółki)

   3. Zasady wymiarowania jazów

      1. Światła jazu

      2. Dobór kształtu części przelewowej jazu (korpusu, progu)

      3. Zdolność przepustowa jazu

      4. Wymiarowanie podłoża do rozpraszania energii (płyty wypadowej jazu)

      5. Wymiarowanie urządzeń przeciwfiltracyjnych

   4. Schematy statyczne części stałej jazów ruchomych

      1. Konstrukcje zdylatowanego jazu

      2. Konstrukcje monolityczne jazu

      3. konstrukcja jazu dwudzielnego

   5. Stateczność jazu

      1. Zasady obliczeń stateczności jazu

      2. Stateczność korpusu (progu)

      3. Stateczność filarów

      4. Stateczność płyty wypadowej

4. Podstawy i elementy teorii sprężystości stosowanej do analizy naprężeń i odkształceń w zaporach betonowych

   1. wprowadzenie do teorii sprężystości

      1. Przykłady zastosowania teorii sprężystości w mechanice budowli wodnych

      2. Podstawowe założenia i hipotezy teorii sprężystości

      3. Metody teorii sprężystości

      4. System stosowanych oznaczeń

   2. Teoretyczne modele ciał fizycznych

      1. Koniecznośc modelowania ciał fizycznych w mechanice

      2. Model ciała idealnie sprężystego

      3. Model ciała sztywno – plastycznego

      4. Model ciała idealnie sprężysto – plastycznego

   3. Wpływ czasu na stan naprężeniowo – odkształceniowy materiału

      1. Pełzanie i relaksacja materiałów konstrukcyjnych

      2. Uproszczone równania pałania i relaksacji

      3. Równania zmian stanu naprężenia i odkształcenia ciała lepko – sprężystego

      4. Wybrane modele ciała lepko – sprężystego

   4. Podstawowe równania płaskiego stanu odkształceń

      1. Płaski stan odkształceń w konstrukcjach hydrotechnicznych

      2. Równania odkształceń (deformacji)

      3. Warunki brzegowe

      4. Zestawienie równań statystyki oraz równań geometrycznych i fizycznych

      5. Równanie nierozdzielności odkształceń

      6. Funkcja naprężeń Airy’ego

5. Naprężenia i odkształcenia w zaporach betonowych ciężkich

   1. Kryteria projektowania profilu zapory ciężkiej ze względu na rozkład naprężeń podstawie

   2. Obliczanie naprężeń w zaporze trójkątnej metodą Pigeaud

      1. Analiza teoretyczna rozkładu naprężeń w dowolnym przekroju pionowym zapory

      2. Przykład liczbowy

   3. Rozkład naprężeń głównych w zaporach

      1. Metoda wyznaczania naprężeń głównych w dowolnym punkcie przekroju poprzecznego zapory

      2. Izostaty naprężeń głównych w zaporze o przekroju trójkątnym

      3. Trajektorie naprężeń głównych w zaporach

      4. Przykład liczbowy wyznaczania izostat i trajektorii w przekroju pionowym zapory ciężkiej

   4. Siły naciągu i naprężeń w zaporze ciężkiej kotwionej w podłożu

      1. Podstawowe założenia obliczeń

      2. Warunki brzegowe

      3. Określanie potrzebnego nachylenia ściany odpowietrznej (1:m) i siły naciągu N

   5. Wpływ podłoża na rozkład naprężeń w zaporze – metoda Tölkego

   6. Analiza stanu naprężeń i przemieszczenia w podstawie zapory – zagadnienie kontaktowe

      1. Ogólne założenia analizy

      2. Zasady określania przemieszczeń podłoża w płaszczyźnie kontaktu

      3. Wyniki obliczeń rozkładu naprężeń w podstawie zapory przy zmiennym stosunku współczynników sprężystości E_z|E_p

   7. Analiza zagadnienia kontaktowego dla schematu zapory trójkątnej jako belki wspornikowej o zmiennym przekroju

      1. Schemat statyczny

      2. Rozkład naprężeń składowych σ_x, σ_y, σ_xy w przekrojach poziomych zapory oraz ugięć poziomych jej osi obojętnej u₀

      3. Rozwiązania zagadnienia kontaktowego dla zapory z pionową ścianą odwodną przy działaniu ciężaru własnego (zbiornik pusty)

      4. Podstawowe równania zagadnienia kontaktowego dla zapory z pionową ścianą odwodną obciążoną parciem hydrostatycznym

      5. Wyznaczenie naprężeń dla łącznego działania ciężaru własnego i parcia wody

      6. Przykład liczbowy wyznaczania naprężeń i przemieszczeń w kontekście zapory z podłożem

6. Stateczność zapór ziemnych

   1. Podstawowe przyczyny utraty stateczności przez zaporę ziemną

   2. Podstawowe charakterystyki fizyczne i mechaniczne gruntów służących do budowy zapór ziemnych

      1. Uziarnienie i charakterystyki uziarnienia

      2. Cechy fizyczne gruntu

      3. Klasyfikacja gruntów

      4. Parametry mechaniczne gruntów

      5. Uwagi odnoszące się do badania cech fizycznych i mechanicznych gruntu

   3. Wpływ wód filtracji na stateczność i konstrukcję zapory ziemnej

      1. Działanie wody na materiał zapory ziemnej

      2. Wpływ krzywej filtracji na konstrukcję zapory

      3. Uproszczona metoda wyznaczania krzywej filtracji

      4. Wpływ poziomu dolnej wody na stateczność skarpy odpowietrznej

   4. Stateczność skarp zapory ziemnej

      1. Zakres potrzebnych analiz stateczności zapory ziemnej

      2. Metody obliczania stateczności skarp oparte na przyjęciu kształtu linii możliwego poślizgu

      3. Analiza porównawcza wybranych metod obliczania stateczności karp

      4. Obliczania stateczności skarp w prostych szczególnych przypadkach

      5. Zakres potrzebnych obliczeń stateczności skarp zapór ziemnych

   5. Naprężenia i odkształcenia w zaporach ziemnych

      1. Wprowadzenie

      2. Formy odkształcalności gruntów realnych

      3. Podstawowe wiadomości o naprężeniach w gruntach

      4. Warunki istnienia plastyczności gruntów

      5. Związki naprężenia z odkształceniem

      6. Wytrzymałość gruntu

   6. Oddziaływanie ciśnienia porowego na stabilność zapory ziemnej

      1. Generacja ciśnienia porowego

      2. Wpływ ciśnienia porowego na wytrzymałość gruntu

      3. Zasady określania ciśnienie porowego przy wykorzystaniu krzywej ściśliwości gruntu – współczynnik ciśnienia porowego

      4. Analiza ciśnienia porowych w rdzeniach glinowych wybudowanych zapór ziemnych

   7. Modele matematyczne stosowane w analizie naprężeń i odkształceń gruntu w zaporach ziemnych

      1. Ścieżki obciążenia

      2. Prawa konstytutywne

      3. Rodzaje modeli obliczeniowych gruntu

      4. Modele liniowo – sprężyste

      5. Modele sprężyste nieliniowe (sprężyste zmienne)

      6. Modele sprężysto – plastyczne

      7. Porównania modeli i wnioski

7. Zastosowanie Metody Elementów Skończonych (MES) do obliczeń stateczności i bezpieczeństwa budowli piętrzących

   1. Próby uzyskania rozwiązań uniwersalnych o charakterze przybliżonym

   2. Ogólne założenia metody elementów skończonych

   3. Podstawowe zasady sporządzania równania macierzowego {F}=[K] {U}

   4. Obliczanie środków niejednorodnych

   5. Problemy szczególne występujące przy zastosowaniu MES w obliczeniach budowli wodnych

      1. Formy elementów w układach płaskich i przestrzennych

      2. Warunki brzegowe na linii ograniczającej zasięg podłoża zapory

      3. Schematy dyskretyzacji i punkty osobliwe w MES

      4. Stopień przybliżenia modeli płaskich do modeli przestrzennych w MES na przykładzie kilku rozwiązywanych problemów