SZEGEDI TUDOMÁNYEGYETEM TERMÉSZETTUDOMÁNYI ÉS INFORMATIKAI KAR TERMÉSZETFÖLDRAJZI ÉS GEOINFORMATIKAI TANSZÉK Földrajz BSc
Szemcseösszetételi és geoelektromos vizsgálatok a Dong-ér bal parti töltésének torkolati szakaszán (3,9 – 3,5 tkm)
SZAKDOLGOZAT
Készítette
Témavezetı
Takács Attila
Dr. Sipos György
Földrajz BSc szakos hallgató
Egyetemi adjunktus
Szeged 2014
Tartalomjegyzék 1. Bevezetés .................................................................................................................................. 3 2. Elızmények ............................................................................................................................... 5 2.1 A tiszai folyószabályozás rövid története............................................................................ 5 2.2 Az árvízvédelmi töltések szerepe és felépítése .................................................................. 7 2.3 A tiszai árvízvédelmi töltések állapota, fontosabb problémák ............................................ 8 2.4 Az árvízvédelmi töltések vizsgálatára használatos módszerek ......................................... 10 3. Vizsgálati terület ..................................................................................................................... 13 3.1 A Dél Tisza-völgy ............................................................................................................. 13 3.2 A Tisza hidrológiai sajátosságai........................................................................................ 15 3.3 A Dongér-fıcsatorna és Baks........................................................................................... 17 4. A vizsgálati módszerek leírása ................................................................................................ 19 4.1 Szemcseösszetételi vizsgálat ............................................................................................. 20 4.2 További talajmechanikai vizsgálatok ................................................................................ 22 4.3 Geoelektromos szelvényezés ............................................................................................ 25 5. Eredmények ............................................................................................................................ 27 5.1 Szemcseösszetételi vizsgálat ............................................................................................. 27 5.2 További talajmechanikai vizsgálatok ................................................................................ 30 5.3 Geoelektromos szelvényezés ............................................................................................ 33 Összegzés .................................................................................................................................... 35 Nyilatkozat .................................................................................................................................. 39
2
1. Bevezetés A Kárpát-medence természeti viszonyainak egy szembetőnı sajátossága, hogy a területet idınként roppant vízbıség, míg máskor hosszan tartó szárazság jellemzi. Ez összefüggésben van a térség elhelyezkedésével, hogy a szélsıséges szárazföldi, nyugateurópai óceáni s a földközi-tengeri mediterrán éghajlati zónák határán fekszik. A Tisza a maihoz leginkább hasonlító formáját mintegy 15-20 ezer évvel ezelıtt nyerte el. A folyószabályozások elıtt az egész Alföld valódi „vadvízország” volt, felszínét mocsarak, posványok, lápok, sárrétek, laposok, nádasok és tavak tarkították, valamint vízfolyások sokasága hálózta be. (Dunka et al. 1996) A területhasználat kiterjedése és a népességnövekedés miatt egyre nagyobb földterületeket építettek be, mőveltek meg. Az új területek biztonságos használatba vételéhez elengedhetetlen követelmény volt az árvizek által elöntött területek, árterek bevédése, árvízvédelmi töltések építése. Az árvízvédelmi töltések kiépítése a 19. században több mint 4700 km, a Tisza mentén közel 1400 km hosszú rendszert eredményezett. (Dunka et al. 1996) Azonban a tapasztalatok alapján a töltések állapota és biztonsági foka lényegesen elmarad a szükséges mértéktıl több száz kilométer hosszúságú szakaszon. A közepesnél nagyobb árvizek esetén a töltések igénybevétele sok esetben meghaladja a mőszaki teherbíró képességüket. (Bogárdi 1969) Az árvízvédelmi töltések és a töltéserısítések méretezését kezdetben nem kötelezı elıírások, hanem az irodalomban található számos eljárás valamelyikével végezték. (Bogárdi 1969) A meglévı árvízvédelmi földgátak minden egyes szakaszának más és más a védıképessége. Minden árvédelmi gátrészhez, tartozik egy olyan kritikus árvízszint és árvíztartósság, amely mellett a védelmi vonal állékonysága még éppen biztosított, ez függ a gát anyagától, alakjától és szerkezeti állapotától is. (Bogárdi 1969) A védelem fenntartása érdekében fontos a gátak állékonyságának, állapotának folyamatos vizsgálata. Az ellenırzési és karbantartási munkálatok többféle módszer segítségével is végrehajthatók, illetve ezek összehangolásával pontosabb képet kaphatunk a töltések felépítésérıl és állapotáról.
3
Dolgozatom kapcsán a Dongér-fıcsatorna bal parti töltés torkolat szakaszának, egy 400 méteres veszélyeztetett részén, kijelölt helyeken, hat furatból (3,858; 3,820; 3,777; 3,685; 3,620; 3,565 tkm), 7-9 méteres mélységig, húsz centiméterenként töltésanyag mintát vételeztünk. A szemcseösszetételt lézeres diffrakciós elven mőködı Particle sizer Analysette 22 MicroTec plus típusú, Fritsch mőszerrel határoztam meg az elıkészített anyagmintákból. A töltésanyagot laboratóriumi munkával is feldolgoztam, amely Arany-féle kötöttségi szám meghatározásból, nedvességtartalom vizsgálatból és vízben oldható összsó-tartalom mérésbıl állt. A mintavétel elıtt a töltésszakaszon geoelektromos mérést is végeztünk. Dolgozatom célja: -
A szemcseösszetétel vizsgálatok és a geoelektromos módszer bemutatása, azok eredményeinek feldolgozása.
-
A vizsgálati módszerek összehasonlítása, töltésállapot vizsgálatra történı felhasználásuk alkalmasságának meghatározása.
- Az árvízvédelmi töltés kijelölt szakasz szerkezetének bemutatása, állapotának felmérése.
4
2. Elızmények 2.1 A tiszai folyószabályozás rövid története A XVIII. század második felében a Tisza alföldi szakaszán már elkezdıdtek az ármentesítı munkálatok, az érintett nagykunsági városok és falvak lakóinak összefogásával, melyek a század közepén egymást követı nagyárvizek tapasztalataira épültek. (Dunka et. al 1996) A árvízvédelmi munkálatok nem egyformán szolgálták az érintett területen élık érdekeit, hiszen voltak, akik a korábban megszokott árvízi elöntésekhez szorosan alkalmazkodó életmódot és gazdálkodást folytattak. A királyi kamara erısen érdekelt volt a közlekedési célú folyószabályozásban, hiszen a búza magas árát az osztrák piacokon, a közlekedési viszonyok elmaradottságával, magas szállítási költségekkel hozták szoros párhuzamba, amikor 1770-ben Mária Terézia vizsgálatot indított az ügyben. A Tisza, a Szamos és a Maros a faúsztatás és a sószállítás legfontosabb útvonalai voltak, így ezen folyók rendbe tétele is fontos célkitőzés volt a kamara részérıl. (Dunka et. al 1996) A megindult munkálatok sikere, nem bizonyult tartósnak. Nem várt mőszaki akadályokba ütköztek, a költségek is felülmúlták a kincstár, erre célra elkülönített készletét. Valamint a nem egységes tervek alapján történı építkezések után kevés figyelmet fordítottak a karbantartási munkálatokra. (Dunka et. al 1996) Az átfogó vízszabályozási tervek elkészítéséhez elıször egy nagyszabású vízrajzi felmérésre volt szükség, ugyanis a Tisza vidékérıl nem állt rendelkezésre egységes szempontok szerint elvégzett vízrajzi felvétel. (Dunka et. al 1996) Vásárhelyi Pál tervei alapján a Tisza szabályozásának munkálatai 1846-ban kezdıdtek meg. Vásárhelyi úgy gondolta, a folyó esését kell növelni, így nı majd a sík vidéken lelassuló folyó sebessége. (Dunka et. al 1996) A kanyarulatok átvágásában látta a megoldást, ezzel rövidül a folyó hossza és egyben javulnak a hajózási körülmények. Összesen 102 átvágást tervezett, ezzel a folyó hosszát Tiszaújlaktól a torkolatig 452 kmrel csökkentette volna. Az átvágásokat 7,5 m széles és 11,5 m mély vezérárkokkal tervezte megoldani, amik tervei szerint a megnövekedett vízsebesség hatására „anyamederré” válnak. Általános elv, hogy a folyószakasz alsó szakaszától kell folyamatosan felfelé haladni az átvágások kiépítésével. Ám a helyzet ismeretében, nem ragaszkodtak ehhez a szabályhoz, ha egy felsıbb átvágás jó hatással van az alsóbb szakaszon történı átvágásokra, illetve ha egy települést vagy egy értékesebb birtokot sikerült ezzel megmenteni, célszerőbb a felsıbb szakaszon elvégezni elıbb az átvágást. 5
Vásárhelyi-féle koncepció egy másik lényeges kérdésköre az árvízvédelmi töltések kiépítésével kapcsolatos teendık. (Dunka et. al 1996) A védgátaknak kettıs szerepet szánt, egyrészt meg kell akadályozniuk a nagyvizek kiöntését, másrészt megfelelı vonalvezetésükkel segíteniük kell az átvágások anyamederré történı fejlıdését. Míg az átvágásokat alsóbb szakaszoktól kezdve felfelé érdemes elvégezni, addig a töltés építéseket célszerőbb felsıbb szakaszoktól kezdve lefelé építeni, hogy a felgyorsuló folyó ne mossa el az addigi munka eredményét. Azonban ennek megvalósítása a gyakorlatban nem kivitelezhetı. (Dunka et. al 1996) Vásárhelyi halála után (1846) meghívták Pietro Paleocapa-t, hogy az olasz nemzetiségő szakember, szakértelmével és véleményének kifejtésével segítse a Tiszavölgyi Társulat munkáját. Paleocapa neve korábban is felmerült már, hiszen a Tisza-szabályozás olyan mérető vállalkozás volt, amilyet a Kárpát-medencében még sehol nem hajtottak végre. Nyugat-Európában is csak néhány példa volt hasonlóra, egyik ilyen a lombardiai Pó folyó völgyének szabályozása, melynek irányítója a velencei szakember volt. (Dunka et. al 1996) Vásárhelyivel ellentétben Paleocapa úgy gondolta, hogy az árhullámok összetorlódásának megakadályozására a folyó esésviszonyainak megváltoztatása nem jelent megoldást. Így a hangsúlyt az átvágások nagyszámú létesítése helyett a völgy rendezésére, töltések kiépítésére helyezné. Inkább javasolta a kevesebb, de nagyobb átvágást. Paleocapa mindössze 15 átvágást javasolt a Vásárhelyi által tervezett 102 helyett, így a folyó rövidülése 205 km lenne, közel fele akkora, mint az eredeti, Vásárhelyi-terv szerint. A töltéseket egymástól 900-1500 méter távolságra tervezte építeni, ezzel szélesebb hullámteret hagyva, ezek a nagyvizet sokáig képesek tárolni, ezáltal az alsóbb szakaszokon kevésbé torlódna össze a víz, kisebb áradást eredményezve. (Dunka et. al 1996) A munkálatok megkezdése után már 1853-ban árvíz sújtotta a területet, megrongálva a még alig elkészült töltéseket, 1855-ben pedig olyan árhullám vonult le, melynek magassága meghaladta az 1830-ban mért vízszinteket. Problémát jelentett még az is, hogy a Tiszafüred feletti folyószakaszon a kedvezıbb talajadottságok miatt az átmetszések gyorsabban fejlıdtek, mint a kötöttebb talajadottságokkal rendelkezı középsı és alsó szakaszokon. (Dunka et. al 1996) További nehézséget okozott a Csongrád és a Szeged környéki szakaszokon, hogy 1865-re befejezték a Berettyó szabályozását és rendkívüli ütemben haladtak az átmetszésekkel és töltés építéssel a Körösökön is, így a gyorsabban levonuló árhullám jelentısen növelte a Tisza vízhozamát a Körös torkolattól délre. (Dunka et. al 1996) 6
Minden nehézség ellenére, ami a szabályozási munkálatok alatt történt, a kormány 1905-ben kiadott jelentése szerint az átvágások többségének sikerült az anyamederré válását biztosítani, valamint a megbolygatott folyót és annak hullámterében tapasztalt rendellenességeket sikerült egyensúlyi állapotba hozni. 1908ban elfogadta az országgyőlés a következı 20 évre szóló fejlesztési terveket. A Tisza szabályozása lényegében befejezettnek tekinthetı. (Dunka et. al. 1996)
2.2 Az árvízvédelmi töltések szerepe és felépítése Az árvízvédelmi töltésekre az Országos Vízügyi Fıigazgatóság a következı definíciót használja: „Olyan víztartásra méretezett földmő, mely a terep fölé emelkedı árvíz szétterülését meghatározott területsávra, a hullámtérre korlátozza. Az árvédelmi töltés méreteit, egyéb fizikai paramétereit (magasság, keresztmetszet, tömörség stb.) szigorú mőszaki elıírások határozzák meg.” (Országos Vízügyi Fıigazgatóság)
Stelczer és Csoma (1979) meghatározása szerint az árvízvédelmi gát egyik része a meghatározott alakú, mérető és anyagú töltés vagy gáttest, másik része az ehhez tartozó töltésalatti talajtömb. A töltés alatti talajrésznek nincs meghatározva a mérete, a földtöltéssel együtt dolgozó szélességét és mélységét a töltés alatti talaj geológiai felépítése, rétegzettsége, szerkezeti állapota, talajmechanikai és hidrodinamikai adottságai szabják meg. (Stelczer és Csoma 1979) Az árvédelmi gátak fontosságuk és rendeltetésük szerint Stelczer és Csoma (1979) alapján két nagy csoportra: fıvédvonalakra és másodlagos védvonalakra bonthatjuk. Azokat az árvízvédelmi gátrendszereket nevezzük fıvédvonalnak, melyek lakott területeket vagy nagyobb gazdasági értékekkel rendelkezı területeket védenek. A fıvédvonal az árvízvédelem alapja, közvetlen védelmi célt szolgál, feladatuk, hogy a mederben levonuló teljes árhullám ellen biztonsággal védjenek. Tervezésük, megépítésük, állandó ellenırzésük és karbantartásuk különös körültekintést és alapos munkát igényel. Építésüknél és a folyamatosan emelkedı árvízszintek miatti emelési és erısítési munkálatoknál általában a gátépítés közelében található földanyagot használták fel, ezért a gát a változó és különbözı tulajdonságú anyagai miatt nem minden esetben és nem egyenletesen elégíti ki az igénybevétel által megkívánt 7
stabilitást. A töltés és a talajtömb anyaga idıvel változáson megy keresztül, csökken az állékonyságuk, ezért az árvédelmi biztonságuk érdekében folyamatosan bıvíteni kell, megfelelı magassági és keresztmetszeti méretekkel kell ellátni. Meglévı árvízvédelmi fıvédvonalak fenntartásánál, újjáépítésénél, illetve új védvonalak építésénél vizsgálni kell az árvíz-hidraulikai és állékonysági követelményeket. (Stelczer és Csoma 1979) A másodlagos védvonalak egyik része a hullámtéren helyezkedik el. A hullámtéren épült alacsonyabb gátakat, más néven nyárigátakat a gyakran elıforduló kis árhullámok ellen védenek, lehetnek a fıvédvonal szerves részei vagy épülhetnek a fıvédvonaltól függetlenül is. Ha a fıvédvonal szerves részét képezik, vonalvezetésük megegyezik azokéval. Létesítésük akkor indokolt, ha a hullámtér mezıgazdaságilag értékes terület. Ha a fıvédvonaltól függetlenül épültek, egy-egy nagyobb öblözet bevédését szolgálják. A másodlagos védvonalak másik fajtáját mentesített területeken hozzák létre, ezek a védvonalak a fıvédvonal esetleges átszakadásánál juthatnak jelentıs szerephez. Az ártéren épült lakott területeket, ipari területeket elıre megépített körgátakkal védhetik. Sok esetben biztonságosabb és gazdaságosabb megoldás lehet a körgátak építése a fıvédvonal erısítésével szemben. Mentett oldalon létrehozott töltések lehetnek, úgynevezett lokalizáló gátak, melyek feladata a fıvédvonalon átömlött víz terjeszkedésének és levonulásának irányítása. (Stelczer és Csoma 1979)
2.3 A tiszai árvízvédelmi töltések állapota, fontosabb problémák Az Alsó-Tisza-vidéki Vízügyi Igazgatósághoz tartozó, tiszai, marosi és körösi védvonalak töltésanyaga, néhány rövidebb szakaszt leszámítva, általában gyenge vízáteresztı tulajdonsággal rendelkezı agyagból épült fel. (Galli 1971) A magas Tiszavölgyi árvizek megfelelı alkalmat biztosítottak a védvonalak, árvízhelyzetben történı megfigyelésére. A tapasztalt jelenségek szivárgási és talajmechanikai szempontból Galli (1971) szerint két csoportra oszthatók. Megfigyelt jelenségek közül, vannak típusos megjelenésőek, melyek a több helyen, hosszabb szakaszokon nagyjából azonos mértékben fordultak elı. Másik részük, olyan egyedi megjelenéső jelenségek, melyek csak elvétve, ott is csak rövid szakaszokon, szabálytalan elıfordulással jelentek meg. Ezeknek a szakaszok vizsgálatával, megerısítésük módjaival csak egyedileg, a hibás szakasz feltárása után lehet foglalkozni. (Galli 1971) A vizsgálat során, a töltések koronáján, több helyen 5 – 30 m hosszú, 2 – 5 cm széles hosszirányú repedés keletkezését jegyezték fel. (Galli 1971) Keletkezésük oka a 8
tapasztalatok szerint, illetve régebbi feltárásokból ismerve, a viszonylag gyors térfogatváltozásra vezethetı vissza. A térfogat-változási különbség származhat egyrészt, abból a jelenségbıl, hogy a vízzel telítıdött alsó rész megduzzad, míg a felsı szárazabb rész térfogata lényegében változatlan marad. A duzzadáskülönbség adódhat a töltésben felhasznált különbözı térfogatváltozó tulajdonságú talajok felhasználásából is, ha például durvább szemcse-összetételő homokos vályog és finomabb szemcsemérető agyag vegyesen került beépítésre. A tapasztalatok szerint a repedések a töltések állékonyságát nem veszélyeztetik komolyabban, ám veszélyt jelenhetnek, ha a repedések között magassági lépcsı, vagy eltolódás mutatkozik. Árvíz idején folyamatos megfigyelések alatt kell tartani a repedéseket, amennyiben 1 cm körüli elmozdulás mutatkozik, gondoskodni kell a töltés megtámasztásáról. (Galli 1971) Kutatófúrások kimutatták, hogy árvíz ideje alatt a töltések anyaga általában szilárd állapotban van, de a fúrások során olyan sáv is jelentkezik, ahol a töltés anyaga felpuhul, nyomás alatt vízszivárgás tapasztalható. (Galli 1971) A szivárgások egy része a többször átépített töltések, régebbi és újabb részek közötti határvonalon keletkeztek, ezek az úgynevezett kontúrszivárgások, másik részük a töltés és az altalaj találkozásánál kialakuló talpszivárgások. Ezek a szivárgások, még ha önmagukban nem is veszélyesek, lényegesen rontják a töltés állékonyságát, illetve nagymértékben rontják a biztonsági növekedést, amit egy esetleges töltés bıvítés, magasítás eredményezett volna. Talpszivárgás esetén a töltés vízoldali lábánál készített vízzáró ır- vagy résfallal, kontúrszivárgások esetén a töltés koronájáról a talp alá lehajtott szigetelı résfallal lehet védekezni. (Galli 1971) A védvonalak egyes szakaszain a szikes jellegő altalajok szétfolyása okoz különleges jelenséget. Ilyen szétfolyó szikes altalaj által okozott jelenség fordult elı a Dongér két partján pár száz méteres szakaszon, több száz méteres hosszúságban a Körös bal partján, illetve km-es hosszban a Tisza, valamint a Maros bal partján is. Morfológiai megfigyelések alapján Galli (1971) szerint a Tiszavölgy tektonikus vagy eróziós teraszain, elsısorban elhagyott medrek szegélyein fordultak elı ezek a jelenségek. Fúrások általi megfigyelés szerint az altalaj legfelsı rétegét, mintegy 0,2 – 1,4 m vastag, fekete, sötétszürke réti agyag alkotja, alatta 0,2 – 2,6 m változó vastagságú, talajmechanikai vizsgálatok szerint, homokos vályognak minısülı réteg van, ami a víz hatására fokozatos elfolyósodásra hajlamos, ez egy elszikesedett löszréteg. A szikes löszréteg alatt, geoelektromos vizsgálatok alapján, kb. 30 méterig vizet vezetı homokos, iszapos réteg található. Ez a jelenség a szikes löszréteg 9
vastagságától függıen a töltéslábától hol távolabb, hol közelebb jelentkezı kisebb buzgárok formájában elıtörı vízszivárgást eredményezhet, vagy a fedıréteg és a szikes löszréteg között vízpúp jöhet létre. Általában a fedıréteg megterhelésével lehet védekezni a jelenség ellen, hiszen a szikes löszréteg elfolyósodásának oka a talaj fellazulásával hozható kapcsolatba. Azonban, ha az elfolyósodás már elırehaladott, csak talajcserével lehet a jelenség következményei ellen védekezni. (Galli 1971)
2.4 Az árvízvédelmi töltések vizsgálatára használatos módszerek Talajmintavételes töltésállapot vizsgálatra már 1965-ben a nagy dunai árvízvédekezés
során
sor
került
a
Középdunántúli
Vízügyi
Igazgatóság
kedvezményezésére, elsısorban adatgyőjtési és tapasztalatszerzési céllal. Zsuffa et. al (1971) alapján a nagy tiszai árvízvédekezés során, 1970-ben már a védekezés közvetlen és folyamatos eszközévé vált a töltés állapot vizsgálata. Töltésállapot vizsgáló csoport jött létre, egyszerre általában 6 fúróberendezéssel dolgoztak. A talajminták minıségi és nedvességi értékelésén túl, vízhımérsékletet mértek, valamint festési vizsgálatot is végeztek a töltéseken áthaladó vizek eredetének meghatározásának, illetve a szivárgás által okozott kár mértékének és formájának megállapításának érdekében. A csoport közel 800 fúrást végzett, 3000 fm-en 75 töltéskeresztszelvényt és 25 hossz-szelvényt tárt fel. Zsuffa et. al (1971) az árvízvédekezés során még izotópos, geofizikai és geotechnikai fúrócsoportok is dolgoztak. A töltésvizsgáló csoportnak munkája során sikerült néhány helyen közvetlen veszélyre felhívnia a figyelmet, más helyen a töltés anyagban végbenı folyamatokat kimutatva, meghatározták a védekezéshez szükséges elvégzendı munkák mértékét, néhol megkímélve a túlbiztosítástól a védekezési munkákban résztvevıket. A csoport munkája ott érvényesült a leghatékonyabban, ahol még a mőveletek megkezdése elıtt sikerült befejezniük az állapotfelmérést, így sikerült meghatározni többek között a Dongér menti, szádfalazással elzárt buzgáros területre vonatkozóan, a leverési mélységet. Az eredmények fényében, rámutattak, hogy a töltésvizsgáló
csoportokat,
szabványos
felszereléssel,
minden
nagyobb
árvízvédekezés során állandó szakszolgálatként kell alkalmazni. (Zsuffa et. al. 1971) A talajmechanikai vizsgálatok Magyarországon szabvány szerint történnek. Az MSZ 14043/2-79 (1979) szabvány szerint talajnak a földkéreg azon része minısül, mely az összeálló kızetekbıl aprózódással, mállással keletkezik, talajnak minısül a növényi és állati maradványokból keletkezı réteg is, valamint a geológiai értelemben vett kızet 10
is, amennyiben nem elégíti ki az összeálló kızetre használatos fogalmat, vagyis alkotói nem kötıdnek egymáshoz tartósan. E szabvány szerint a talajokat osztályozni kell szemcsenagyság és a szemcsék kapcsolata szerint, szervesanyag tartalom alapján, roskadásra való hajlam, valamint térfogatváltozásra való hajlam megállapítása szerint. (MSZ 14043/2-79) Üledéknek azok a talajok tekinthetıek, melyek szemcséi száraz állapotban, olyan ömleszthetı halmazt alkotnak, melybıl nem lehet plasztikus indexet (MSZ 14043/4 1980) számolni. Az üledék annak a szemcsecsoportnak a nevét kapja, amely a legnagyobb tömegszázalékban szerepel benne. Szervesnek azt a szemcsés talajt kell tekinteni, melynek a szervesanyag tartalma MSZ 14043/9 (1982) szerint, meghaladja a 3 tömegszázalékot, illetve azt a kötött talajt melynek szervesanyag tartalma meghaladja az 5 tömegszázalékot. Ebben az esetben meg kell adni a szerves, illetve szervetlen alkotórészek jellegét is. Roskadásra hajlamos a talaj, ha a fajlagos roskadása (MSZ 14043/8 1981) 0,02-nél nagyobb. Ha a roskadásra hajlamosságot a talaj jellegzetes szerkezete idézi elı, „makroporózus” kiegészítı jelzı is használható. A szabvány szerint térfogatváltozónak akkor kell tekinteni a talajt, ha a duzzadásából, zsugorodásából adódó mozgás káros hatással lehet az építményre vagy annak szerkezetére, illetve kémiai és ásványtani tulajdonságai erre utalnak. (MSZ 14043/2-79) Az ISO 14688 szabványsorozat részét képezı MSZ EN ISO 14688-2 (2005) tartalmazza a talajok osztályozásának alapelveit, melyek a mérnöki gyakorlatban legelterjedtebb anyagminıségi és mennyiségi jellemzıkön alapulnak. A rögzített osztályozási elvek segítségével könnyen közös osztályba sorolhatók a hasonló összetételő
és
geotechnikai
tulajdonságaik
alapján
azonos
mérnöki
célokra
felhasználható (pl. töltésépítés) talajokat. A MSZ EN ISO 14688-2 (2005) szabvány szerint a talajokat kizárólag anyagi összetételük alapján kell osztályba sorolni (szemeloszlás, plaszticitás, szervesanyag-tartalom, eredet), víztartalmukat vagy tömörségüket nem kell figyelembe venni. (MSZ EN ISO 14688-2 2005) A földtudományi kutatómódszerekre Pethı és Vass (2011) szerint nagy hatással voltak a fizika elektromossághoz kapcsolódó felfedezései. Conrad Schlumberger 1912ben elıször végzett egyenáramú geoelektromos mérést, gyakorlati bevezetése 1920-as publikációja során került sor. Egyenáramú módszerek elméletével foglalkozott még Keller és Frischknecht (1966), Koefoed (1979), valamint Patra és Mallick (1980) is. Az egyenáramú geoelektromos méréseket alacsony frekvenciás mérıárammal végzik, melyek hatásukban még egyenáramúnak tekinthetık. A módszer széles körben 11
felhasználható,
például
jó
vezetık
térbeli
helyzetét
lehet
meghatározni
ekvipotencionális vonalak kimérésével. Választ kaphatunk arra is, hogy egy bizonyos mélységszintben megjelenik-e egy éles fajlagos ellenállás változást mutató szerkezet. Ekkor az úgynevezett horizontális elektromos szelvényezést (HESZ) végzünk, ez a mérési geometria változásával járó egyenáramú szondázással valósul meg. Míg a Vertikális egyenáramú szondázás (VESZ) a mérési pont alatti fajlagos ellenállás eloszlást tükrözi horizontális rétegzıdés esetén. (Pethı és Vass 2011) Részecskeméret vizsgálat végrehajtható lézerdiffrakciós módszerrel, mely a diffrakciós kép vizsgálatán alapul. Diffrakciós kép a részecskék monokromatikus fény hatására keletkezik. A monokromatikus fény olyan fénysugárzás, amely egyetlen hullámhosszal jellemezhetı. (Lapoda Multimedia 2014) A lézerdiffrakciós módszer leírása az ISO 13320-1 (1999) és az ISO 9276-1 (1998) standardra épül. A korai módszerek csak kisszögő szórást alkalmaztak, a módszer azóta kibıvült, széles szórásszögő lézerdiffrakciót alkalmaz. A mérés célja az elsıdleges szemcsék méreteloszlásának vizsgálata, így mérés elıtt a talajmintát elsıdleges szemcsékre kell porítani, mivel a technika nem képes különbséget tenni a szemcse és a szemcsék klaszterei között. A lézeres diffrakciós módszerrel kapott részecskeméret eloszlás vizsgálattal kapott eredmény eltérhet más fizikai elven alapuló módszerekkel kapott eredményektıl, mivel a technika optikai modellje gömbszerő szemcséket feltételez, a nem gömbszerő szemcsék esetén is gömbszerő szemcsékre vonatkozó részecskeméret eloszlást kapunk. (Katona et al. 2012)
12
3. Vizsgálati terület 3.1 A Dél Tisza-völgy Az Alföld domborzatilag homogénnek nevezhetı, 200 méternél alacsonyabb síkság. A területet hasonló genetika (tektonikus okok miatti süllyedés, folyóvízi üledékek és löszök akkumulációja), medence helyzet és ezekhez kapcsolódó éghajlati, vízrajzi, vegetációs és talajadottságok jellemzik.
A jelenlegi formakincset, ami a
nagytájegységet jellemzi, medencesüllyedés és az ezeket kitöltı fiatal harmad- és negyedidıszaki üledékek alkotják. Ezek az üledékek kezdetben tengeri, majd tavi és a pliocén eleje óta folyóvízi eredetőek, a negyedidıszakban hordalékkúpok és közöttük folyóvízi árterek formálódtak. (Mezısi 2011) A vizsgált terület az ártereken és ártéri szintben kifejlıdött középtájak közé tartozik. Ezek a tájegységek a negyedidıszak óta süllyedı területeken, a folyók által kialakított tökéletes síksági felszíneken jöttek létre. (Mezısi 2011) A Kárpátmedencében több 10 ezer km2-es területet tesz ki ezeknek a térségeknek a nagysága, amelyek a magas ártereken, melyeket csak rekordmagasságú árvizek öntenek el, illetve alacsony ártereken jöttek létre, melyek évi rendszerességgel elönt a víz. Az árterekhez kapcsolódó tájak területe nagyobb részben a Tiszához köthetıek. Folyásirány mentén az ártéri tájak Mezısi (2011) alapján három középtájba sorolhatóak: FelsıTisza-vidék, Közép-Tisza-vidék, Alsó-Tisza-vidék, bár az egységek nem különülnek el környezetüktıl élesen. A szabályozások elıtt a Tisza nagy területeket öntött el árvíz idején, kilépve sekély medrébıl. Sok iszapot, agyagot és homokot halmozott fel, folyamatosan töltögette árterét. A folyószabályozások elıtt levonulás után pangó vizek maradtak. (Mezısi 2011) Az Alsó-Tisza-vidék is, melyhez a vizsgált terület tartozik süllyedı térség. terület Marosi és Somogyi (1990) alapján két kistáji egységre bontható: 1.
az 500 km2 területő Marosszögre
2.
az 1000 km2 területő Dél-Tisza-völgyre. (1. ábra)
13
1. ábra: Alsó-Tisza-vidék kistáji egységei (Forrás: wikimedia.org) A Dél-Tisza-völgy kistájegység Bács-Kiskun, Csongrád és Jász-NagykunSzolnok megye területén helyezkedik el. Itt található Magyarország legmélyebben, 75,8 m-en fekvı pontja, míg a kistáj legmagasabb pontja 91 m tengerszint feletti magasságú. A relatív relief 0-2 m/km2, tagoltabb felszín csak az infúziós löszbıl képzıdött ármentes kiemelkedések és az övzátonyok, parti zátonyok környezetében található. (Marosi és Somogyi 1990) A felszíni formák döntı többsége folyóvízi eredető, fıleg az északi rész morotvákkal, egykori folyómedrekkel gazdagon behálózott. A területre eolikus akkumulációs formák is jellemzıek, ez lehet például homokdőne vagy homoklepel. A terület felszínén többnyire öntésiszap található, amely lefelé réti agyagba, agyagos iszapba, majd egyre durvuló folyóvízi üledékbe megy át. A felszíni 10 - 20 m vastagságú képzıdmény a holocén óta rakódott le, alatta néhol több száz méter vastagságot is meghaladó pleisztocén korú folyóvízi üledék húzódik, ami a helyenként 3 km vastagságú, jelentıs szénhidrogénkészletet tartalmazó, pliocén rétegsorra települt. (Marosi és Somogyi 1990) A kistáj a meleg-száraz éghajlatú területtípusok közé tartozik. A napsütéses órák száma évi 2050-2090 óra, az évi középhımérséklet 10,5-0,6
o
C. Az évi
csapadékmennyiség 520 mm - 580 mm között változik. (Marosi és Somogyi 1990) A kistáj a Tisza völgye, Tiszajenıtıl a határig tart, 140 km hosszú folyószakasz és 21 342 km2 vízgyőjtı terület tartozik hozzá. A nagy árvizek általában nyár elején jelentkeznek, míg a kisvizek nyár végén és ısszel gyakoriak. A folyókat végig
14
árvízvédelmi gátak kísérik, belvíz elvezetı csatornahálózat pedig meghaladja a 900 kmt. (Marosi és Somogyi 1990) A hosszan elnyúló folyóvölgyi kistájban a legnagyobb arányban öntés réti és réti talajok alakultak ki, de megtalálhatóak a löszös üledékeken képzıdött csernozjomok, az alluviális vagy löszös üledékeken kialakult szikes talajok valamint a Duna-Tisza közérıl a tájba nyúló homoknyelveken (2. ábra) humuszos homoktalajok is. (Marosi és Somogyi 1990)
2. ábra: Tájba nyúló homoknyelvek a vizsgált terület környezetében (Forrás: Magyarország geomorfológiai térképe, Pécsi 2000)
3.2 A Tisza hidrológiai sajátosságai Az árvízvédelmi töltések folyamatos vizsgálata és karbantartása nagyon fontos, hiszen az Alföldön a Tisza és mellékfolyói kiszámíthatatlan vízjárása gyakran okoz extrém hidrológiai eseményeket. Nyáron és ısszel a szeszélyes vízjárás gyakran aszályok formájában jelentkezik, ilyenkor elıfordul, hogy csak a természetes alap vízkészlet található a folyómederben. (Andó 1971) Az árvízhelyzetet kiváltó okok közül, melyeket ma már pontosan ismerünk, Andó (1971) alapján elsıdleges tényezıként a domborzati adottságokat, valamint a hidrometeorológiai helyzetet emelhetjük ki. Míg a domborzat orográfiai adottságai földrajzilag megismerhetık, a lehulló csapadék idıbeli eloszlásáról, minıségi és mennyiségi megjelenésérıl nehezebb pontos elırejelzéseket készíteni, elıfordulásukról tapasztalati alapon gyakorisági számításokat lehet végezni. Bár a számítások az elıfordulások pontos helyének és idejének meghatározására nem alkalmasok, mégis elengedhetetlen ismerni ezeket a hatékonyabb árvízvédelem megvalósításához. (Andó 1971) 15
A Tisza vízrendszerére jellemzı hidrográfiai adottságok alapján Andó (1971) szerint három árhullám megjelenése a jellemzı, de ez nem szabályszerő, rendkívüli esetekben jelentısen módosulhat. A vízrendszerben a csapadék maximumok és minimumok általában ugyanarra a hónapra esnek, ez okozza a rendszeresen elıforduló, ismert áradásokat. Évi átlagos csapadékmennyiség az alacsonyabb területeken 500-700 mm, míg a magasabb hegységi területeken 900-1200 mm között változik, de a szélsıséges idıjárás gyakran okoz regionálisan megjelenı, nagymértékő különbségeket, ezek kiszámíthatatlan mértékő áradást idézhetnek elı. (Andó 1971) Annak oka, hogy a nagy hozamú és erıteljes csapadéktevékenység csak kisebb területekre korlátozódik, a felszíndomborzatban kereshetı. A hegyek fekvése, alakja, magassága, lejtıinek meredeksége, valamint a felszínt borító növényzet csapadékképzıdés legfontosabb tényezıi közé tartoznak. (Andó 1971) A csapadék mennyiségen kívül a domborzat jellege, illetve a vízfolyássőrőség is befolyásolja az árhullám mértékét. A Tisza vízgyőjtıje aszimmetrikus jellemvonású, a bal oldali mellékfolyók vannak nagyobb hatással a rendszer vízháztartására. A bal oldali vízrendszer domborzati tulajdonságai, vízhálózat sőrősége, valamint a terület csapadékmennyiség eloszlása nagy hatással van a Tisza vízjárásának alakulására. (Andó 1971)
16
3.3 A Dongér-fıcsatorna és Baks A Tisza a Dél-Tisza-völgyet érintı szakaszán veszi fel többek között a Dongérfıcsatornát, (3. ábra) amely 84 km hosszú és 1672 km2 vízgyőjtı területet foglal magába. A Dongér vize csak idıszakos jelentıséggel bír, árvíz idején elérheti a 30 m3/s-os vízhozamot. (Marosi és Somogyi 1990) Összehasonlításképpen Szegednél a Tisza kisvízhozama (KQ) sokévi átlag alapján 57,8 m3/s, míg a középvízhozam (KÖQ) 865 m3/s. (Mezısi 2011) A csatorna a Kiskunság területérıl indul és Baks területi határán mintegy 7 km hosszan vezet a Tiszába. (kistelek.hu)
3. ábra: Dongér-fıcsatora és a kijelölt töltésszakasz (Szerkesztette: Takács Attila) Baks a Kiskunsági Nemzeti Park, Pusztaszeri Tájvédelmi Körzetéhez tartozik. A vizsgált szakasz a Kisteleki kistérség északi részén elterülı Baks községet (4. ábra) északról határoló Dongér-fıcsatorna bal parti töltésének egy 400 méteres kijelölt szakasza. (3. ábra) A 2. ábrán, a geomorfológiai térképen az is jól látszódik, hogy a terület a Tisza magas- és alacsony árterének határánál helyezkedik el. A vizsgált töltésszakasz magassága változó mérető, mivel a terület deflációs laposon és homokdőnén helyezkedik el. 17
4. ábra: Baks a Kisteleki kistérség térképén (Forrás: kistelek.hu) Baks a 2.54 számú 342 km2 kiterjedéső, a Tisza jobb partján elhelyezkedı Szegedi ártéri öblözet határában helyezkedik el, mely a Dongér torkolatától az országhatárig húzódik. Baks ennek az ártéri öblözet egyik érintett települése. (Csongrád Megyei Katasztrófavédelmi Igazgatóság) A folyó árterének természetes vagy mesterséges elhatárolásokkal elkülönülı részgyőjtıjét nevezzük ártéri öblözetnek, amelyet az öblözeti szakaszon a mederbıl kilépı árvizek (védmővek nélkül vagy azok tönkremenetele esetén) elönthetnek. A magyarországi folyók árterülete 148 ártéri öblözetre tagozódik, ebbıl 96 a Tisza völgyében fekszik, összterületük 15 641 km2. (fetivizig.hu)
18
4. A vizsgálati módszerek leírása A laborvizsgálatok elvégzéséhez töltésanyag mintavételezésre volt szükség. A mintavétel a töltés egy kijelölt szakaszán, hat kijelölt pontban (3,858; 3,820; 3,777; 3,685; 3,620; 3,565 tkm), hét és kilenc méterig húsz centiméterenként történt, összesen kétszázhat töltésanyag mintát győjtöttünk be. A talajmintákat egy és két méter hosszúságú üreges fúrófejekkel, bolygatatlan fúrómagokból (5. ábra) győjtöttük be. Motoros fúrókalapács segítségével a talpszint alá mélyítettünk, hogy meg tudjuk vizsgálni a töltéstest alatti anyagot (6. ábra). A 3,685 tkm-nél lévı furatot, a töltés azon szakaszának mérete miatt, kilenc méterig fúrtuk meg. Az árvízvédelmi töltés e szakasza egy deflációs mélyedésre épült, ezért több földanyagot kellett használni itt.
5. ábra: Mintavétel helye a fúrómagban (Forrás: saját felvétel)
6. ábra: Fúrószár behelyezése (Forrás: saját felvétel)
19
A terepen begyőjtött mintákat tároló tasakokba helyeztük, a késıbbi azonosítás miatt megjelöltük rajta a furat számát, illetve a mintavétel mélységét is. Ezután egyesével tároló edénybe helyeztem a mintákat lemérve a tömegüket még eredeti nedves állapotban. A mintákat szárítóba helyezve, 90 oC-on egy napig szárítottuk, míg aztok teljesen kiszáradtak, így miután megmértem a száraz tömegüket is, ki tudtam számolni a minták nedvességtartalmát (W).
4.1 Szemcseösszetételi vizsgálat Az elıkészített (kiszárított és porított) talajmintákat lézeres diffrakciós elven mőködı mőszerrel is megvizsgáltam. A méréseket Fritsch gyártmányú, Particle sizer Analysette 22 MicroTec plus típusú mőszerrel (7. ábra) végeztem, Katona et. al (2012) munkája alapján. Mőszer úgynevezett lézer diffrakciós elven mőködik, lézersugarat irányít a szemcsékre többféle szögbıl, melynek szóródása diffrakciós győrőket alkot a többelemő érzékelın. A szemcseméret meghatározás a győrők mérete, elhelyezkedése és egymástól való távolságuk alapján történik, a mérési tartománya 0,08 és 2000 mikrométer (µm) között mozog. (Katona et. al 2012)
7. ábra: Particle sizer Analysette 22 MicroTec plus (Forrás: nanowerk.com) A mőszer (7. ábra), mely lézerfény-forrásból, fényfeldolgozó optikából, Fourier-lencsébıl és egy többelemes érzékelıbıl épül fel, központi számítógépes egységhez kapcsolódik, mely segítségével történik az adatfeldolgozás és a jelentéskészítés. (Fritsch 2014) A mérés idıtartamot a kívánt pontosságnak megfelelıen határozzuk meg, esetünkben a mintákat három percig homogenizáltuk ultrahang segítségével, majd a harmadik mérés eredményét használtuk fel az elemzések során. A szórási mátrixok kiszámításához többféle elméleten alapuló optikai modell is használható (Katona et al. 2012), a legtöbb készülék a Fraunhofer vagy a Mie elméletet
20
alkalmazza. A két elmélet közül a fényelhajláson alapuló Fraunhofer elméletet használtuk, mely valamivel egyszerőbb, mert ez esetben nincs szükség törésmutató érték számítására. (Katona et al. 2012) Mérés elvégzése és az adatok kinyerése után a feldolgozó egység segítségével medián (D50) értéket számítottam, melyet furatonként diagram segítségével ábrázoltam. (12. ábra) Az ábra a medián értékek mellett a töltésanyag minta nedvességtartalmának százalékos értékeit (W) is tartalmazza. A minták értékelésénél a nemzetközi szabványoknak megfelelı Wentworth-skála beosztását alkalmaztam (1. táblázat), ennek megfelelıen meghúztam a feltételezhetı réteghatárokat. Ezeket az eredményeket végül összevetettem az ellenállás értékekkel. 1. táblázat: Wentworth-skála (Forrás: Simon és Kenneth 2011) Wentworth-skála beosztása Tartomány (µm)
Megnevezés
2000
>
1000
Nagyon durva homok
1000
>
500
Durva homok
500
>
250
Középszemő homok
250
>
125
Finom homok
125
>
62,5
Igen finom homok
62,5
>
3,9
Iszap
3,9
>
Agyag
21
4.2 További talajmechanikai vizsgálatok A szemeloszlás vizsgálatot el lehet végezni az MSZ 140433/3 (1979) szabvány alapján különbözı nyílásmérető sziták, illetve rosták (0,063; 0125; 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 4,0; 8,0; 16, 32, 63, 125 mm) sorozatával. A módszer akkor alkalmas a talaj szemnagyság szerinti összetétel vizsgálatára, ha a talaj elég durva szemcséjő, hogy kiszáradva ne tapadjanak össze. A vizsgálat eredményeként az 2. táblázat alapján szemcseátmérı szerinti szemcsecsoportokat hozhatunk létre. (MSZ 140433/3 1979) 2. táblázat: Szemcseátmérı szerint, szemcsecsoportok neve (Forrás: MSZ 14043/2-79) Szemcseátmérı (mm) 200 20 2 0,5 0,25 0,1 0,02
< < < < < < <
200 20 2 0,5 0,25 0,1
A szemcsecsoport neve, ha szemcse élesszemő, szögletes, koptatott, sarkos gömbölyő kıtömbök, kıomladék görgeteg durva kıtörmelék durva kavics apró kıtörmelék (murva) Apró kavics durva homok közepes homok finom homok homokliszt
Kötöttnek az a talaj tekinthetı, melynek az MSZ 14043/4 (1980) szabvány szerint meghatározható plasztikus index értéke (Ip). A plasztikus index utal a vízfelvevı-képességre,
valamint
a talajok
kohézióképességének
mértékére is,
meghatározásához ki kell számolni a folyási határ (WL) értékét, melybıl ki kell vonni a sodrási (plasztikus) határ (Wp) értéket. A szabvány szerint a folyási határ (WL) az a víztartalom, amely mellett a Casagrande-féle folyási határ készülék (8. ábra) kent mintába meghúzott barázda 25 ütés hatására 10 mm hosszban folyik össze. A sodrási határ (Wp) pedig az a víztartalom, amely szükséges, hogy a talajból kisodort 3 mm vastag szálak éppen töredezni kezdjenek. Plasztikus indextıl függıen a 3. táblázat szerint kell osztályozni a talajokat ebben az esetben. (14043/4 1980)
22
8. ábra: Casagrande-féle folyási határ készülék (Forrás: MSZ 14043/4 1980) 3. táblázat: Kötött talajok osztályozása, plasztikus index szerint (Forrás: MSZ 14043/2-79) A kötött talajok plasztikus indexe (%) < 5 5 < 10 10 < 15 15 < 20 10 < 30 30 <
győjtıneve gyengén kötött talaj közepesen kötött talaj erısen kötött talaj
neve homokliszt iszapos homokliszt iszap sovány agyag közepes agyag kövér agyag
A talaj kötöttségének meghatározására használatos módszerek közül, az Aranyféle kötöttségi szám meghatározását használtam. (MSZ-08 0205 1978). A kötöttségi szám (KA) a képlékenység felsı határát jellemzı érték, ml-ben kifejezett mennyiség, amelyet 100 g légszáraz talajhoz kell adagolni az úgynevezett „fonalpróba” eléréséig. A légszáraz talajminta elıkészítése az MSZ-08 0206/1-78 szabvány szerint 90 oC-on történt, ebbıl az elıírás szerint 100 g-ot porcelánmozsárba vagy mőanyagtálba kell mérni. A rendelkezésre álló minta korlátozott mennyisége miatt 100 g helyett, 25 g-ot mértem, ennek köszönhetıen a vizsgálat végén kapott összeget meg kellett szoroznom néggyel. 100 ml-es feltölthetı bürettából desztillált vizet adtam a száraz mintához, állandóan keverve, míg egyenletesen átnedvesedett, egynemő, csomómentes, képlékeny pépet kaptam. A péphez ezután ml-ként, állandó keverés közben további desztillált vizet adagoltam, míg az fonalpróbát nem adott. A fonalpróba eléréséhez a spatulát belenyomtam a pépbe, majd hirtelen mozdulattal kivettem, így hegyes kúp keletkezett 23
az edénybe helyezett mintán és a keverın egyaránt. A fonalpróba eléréséig fogyott desztillált víz ml-ben kifejezett mennyisége adta közvetlenül az Arany-féle kötöttségi szám értékét (4. táblázat). (MSZ-08 0205 1978) 4. táblázat: Fizikai talajféleség meghatározása, Arany-féle kötöttségi szám alapján (Forrás: MSZ-08 0205 1978) Arany-féle kötöttségi szám (KA) 25 30 37 42 50 60
<
25
< < < < < <
30 37 42 50 60
Fizikai talajféleség Durva homok, futóhomok Homok Homokos vályog Vályog Agyagos vályog Agyag Nehéz agyag
A vízben oldható összes sótartalom mérésének leírását az MSZ-08-0206-2 (1978) szabvány tartalmazza. A szabvány alapján az Arany-féle kötöttségi számot elért, képlékenység felsı határán lévı, vízzel telített talajmintába elektródát helyeztem, mellyel megmértem az elektromos vezetıképességet. A pontosság érdekében, fontos volt minden mérés után az elektróda desztillált vízzel történı megtisztítása. A vizsgálati eredmény alsó százalékos határértéke 0,02 %. (MSZ-08-0206-2 1978)
24
4.3 Geoelektromos szelvényezés A geoelektromos módszer a kızetek és talajszerkezetek eltérı fajlagos ellenállásának mérésén alapul, segítségével feltérképezhetık a különbözı ellenállású kıztetek, illetve következtetni tudunk a szerkezeti határokra és az anyagi minıségre is. (Pethı és Vass 2011) Az elektromos vezetést elsısorban a kis pórustérfogatú kızetek és üledékek felületén koncentrálódott ion-dús víz, illetve a pórusokat kitöltı kisebb ionkoncentrációjú szabad víz befolyásolja. Pethı és Vass (2011) munkája alapján a módszer elve a négypontos ellenállásmérés. A mérés a 9. ábra szerinti adó- és vevıkörbıl áll.
9. ábra: Négy elektródás egyenáramő fajlagos ellenállásmérés tápáram és mérıköre (Forrás: Pethı és Vass 2011) A négy pontos ellenállásmérés során két elektródán keresztül áramot vezetünk a földbe, és másik két elektródával mérjük az áramtér különbözı pontjaiban keletkezı potenciálkülönbséget. (Pethı és Vass 2011) A mért ellenállásértékek függetlenek az elektródák és a talaj között átmeneti ellenállástól. Több féle négy elektródás elrendezést alkalmaznak, az egyik leggyakrabban használt a Wenner-féle szimmetrikus elrendezés (10. ábra), ha terepi viszonyok nem kedveznek ennek módszernek vagy nagyobb mélység vizsgálatára van szükség, dipól elrendezéseket használnak. Ebben az elrendezésben a mérıdipól úgy helyezkedik el a tápdipólon kívül, hogy a két dipólus közötti távolság nagyobb, mint az adó vagy a vevı dipól hossza. Pl. Dipól-dipól elrendezés (11. ábra). (Pethı és Vass 2011)
25
10. ábra: Wenner mérés elrendezés (Forrás: Pethı és Vass 2011)
11. ábra: Táp- és mérı dipólus, dipól-dipól elrendezés esetén (Forrás: Pethı és Vass 2011) A mérések során úgynevezett kétdimenziós elektromos szelvényezést, vagy más néven tomográfiát használtunk. Ennek a módszernek a lényege, hogy egyszerre több tucat elektródát helyezünk ki, melyek intelligens vezérelhetı kábellel kapcsolódnak egymáshoz. Egy központi számítógép választja ki, mely elektródákat vonja be az aktuális mérésbe, ezzel lehetıség nyílik az összes lehetséges kombinációban történı mérés felhasználására. Ezzel a módszerrel, egy elektromos síkmetszetet kaphatunk a vizsgált területrıl, de az elektródák száma megszabja a maximális behatolás mélyégét. Méréseink esetében ötven elektródát használtunk, egymástól két méteres távolságban elhelyezve, ezzel közel tizenhat méter mély behatolást sikerült elérni. Az így kapott négy szelvény modellje blokkokból épül fel, melyekben a fajlagos ellenállást állandónak tekintjük. A blokkok számát és méretét tetszılegesen megválaszthatjuk. (Pethı és Vass 2011)
26
5. Eredmények 5.1 Szemcseösszetételi vizsgálat Lézeres diffrakciós mérés medián (D50) értékeibıl létrehozott diagramokat, töltéskilométer szerint elhelyezve (12. ábra) megrajzolható a töltés felépítése. Mivel mesterséges építményrıl van szó, így nem következtethetünk az üledék ülepedési körülményeire, de feltételezhetjük, hogy a felhasznált földanyag azonos helyrıl származik, valamint azonos munkafolyamat során kerültek az árvédelmi töltésbe. A mérések néhol eltérést mutatnak az Arany-féle kötöttségi vizsgálat eredményeihez képest, illetve a skála beosztás is más megnevezéseket használ, de alapjába véve párhuzam vonható a vizsgálatok között, a lézeres diffrakciós mérés eredménye is hasonló képet nyújt a töltésrıl. A Wentworth-skála tartományai közül a vizsgált töltés szakaszon az agyag frakciótól kezdve, iszap, igen finom homok és finom homok kategória szerepel az eredményül kapott értékek között. A vizsgálat során a 3,685 tkm-nél lévı negyedik furatnál, 420 cm mélyen 3,77 µm volt a legkisebb kapott érték, mely az agyag kategóriába tartozik. A legmagasabb mért érté a 3,820 tkm-nél lévı második furat esetében fordult elı, 170,43 µm, ami a finom homok kategóriába tartozik. Az elsı 40 cm ezen vizsgálat eredménye szerint is egy finomabb szemcseösszetételő, iszap frakcióba tartozó réteg. A 3,858 tkm-nél lévı elsı furat esetében, ezt a réteget egy nagyjából 80 cm vastagságú, igen finom homok tartományba tartozó, nagyobb átlagos szemcsemérető rész követi. Ezután ismét finom szemcsékbıl álló iszap réteg következik, mely egészen 340 cm mélyéségig megtalálható. 600 cm mélységig egy vegyesebb szemcseösszetételő szint van jelen, többnyire igen finom homoktartomány jellemzı, de 460 és 580 cm között finom homok és iszaptartományba tartozó érték is elıfordul, 600 cm mélység alatt folyamatosan finomodni kezd a szemcseméret, 700 cm mélységben 5,15 µm kaptam eredményül, ami már közel van az agyag frakció értékhatárához. (1. táblázat) A 3,820 tkm-nél lévı második furat esetében hasonlóan alakulnak mélység szerint a kategóriák, összességében durvább szemcseméret jellemzı ennél a furatnál, az iszap réteg vékonyabb, mindössze 280 cm mélyégig tart. 560 – 600 cm-tıl jellemzı a szemcseméret finomodás. (12. ábra) A 3,777 tkm-nél lévı harmadik furatnál, a felsı negyven cm-t az elızıekhez képest durvább, finom homok szemcsetartományba tartozó réteg követ, mely egészen 27
240 cm-ig tart. Ezt 440 cm-ig egy finomabb iszap és igen finom homok tartományba tartozó réteg követ, majd az alsó iszap réteg elıtt, még több mint egy méter vastagságú finom homok és igen finom homok (73,63 – 136,45 µm) réteg található. A negyedik furat összetétele érdekesen alakul, 340 cm-ig iszap és igen finom homok rétegek (15,54 – 109,41 µm), szinte szabályos rendszerrel követik egymást, ennek oka lehet a korábban említett, általam feltételezett utólagos töltésmagasítás. A 460 és 580 cm közötti szakasz igen finom homok szemcseösszetételő, majd 580 cm-tıl iszap réteg figyelhetı meg 900 cm-ig. A legkisebb értékek 620 és 720 cm között figyelhetık meg (4,59 – 7,52 µm). (12. ábra) A 3,620 tkm-nél lévı ötödik furat anyaga legnagyobb arányban iszap tartományba tartozó szemcsemérető földanyagból áll, durvább szemcseméret (66,63 – 149,88 µm) 180 és 240 cm közötti, valamint 440 és 560 cm közötti mélységben fordul elı. (12. ábra) A 3,565 tkm-nél lévı hatodik furatnál lévı töltésszakasz áll a vizsgált helyek közül a legnagyobb arányban durvább szemcseösszetételő töltésanyagból. A felsı iszap réteg 220 cm mélységig tart (9,10 – 23,62 µm), 420 cm-ig finom homok (128,09 – 155,76 µm), majd az alsó iszap rétegig (580 cm) igen finom homok (91,23 – 118,21 µm) szemcseösszetétel jellemzi a töltés anyagát. (12. ábra) A
12.
ábrán
a
szemcseméretek
(D50)
mellett
feltüntettem
a
talaj
nedvességtartalmának százalékos értékét (W) is, mely jól mutatja az összefüggést a két adat között. Általánosságban elmondható, hogy a finomabb szemcseösszetételő talajnak jobb a nedvességtartó tulajdonsága, míg a durvább szemcseösszetételő talaj esetén a vízáteresztı képesség emelhetı ki, ezeken a részeken könnyebben elıfordulhat vízszivárgás is árvíz esetén.
28
29
5.2 További talajmechanikai vizsgálatok Az Arany-féle kötöttségi vizsgálat eredményei alapján, általánosságban elmondható, hogy többnyire homokos szemcseösszetétel jellemzi a kijelölt szakaszon a töltést. Mivel egy mesterséges földépítményrıl van szó, ezért az összetétel okaként a környezı területeken rendelkezésre álló földanyag, homokos mivolta jelölhetı meg. A tapasztalatok alapján elmondható, hogy felszín alatti, nagyjából 40 cm a 3. táblázat alapján homokos vályog kategóriába tartozik. Bár a legtöbb esetben az érték nagyon közel van a homokos vályog és a homok közötti határértékhez (30 KA), a 3,685 tkm-nél lévı negyedik furatnál át is lépi azt, ennek oka az lehet, hogy ezen a szakaszon a magasabb a töltés, mivel negatív felszíni formára épült, feltételezésem szerint késıbb került sor a töltés ezen szakaszának méretének növelésére. Ezt a homokos vályog réteget, egy vastag homok réteg követ, melyet a számításaim alapján csak felszín alatt 600-640 cm-re kezdıdıen vált fel egy újabb homokos vályog réteg. Ezt a vastag homok réteget nem lehet teljesen homogénnek tekinteni, az értékek 25 és 30 KA, tehát a durva homok és a homokos vályog határértékei között változik, néhány esetben eléri a homokos vályog határértékét. (13. ábra) A negyedik furatot ismét kivételként tudom kiemelni, hisz 400 cm mélységben 32 KA értékkel, határozottan homokos vályog kategóriát tapasztaltam. A homokos réteget követı, homokos vályog réteg, mintegy 40 cm a mérések alapján, majd 660-680 cm mélyen agyagos vályog réteg jelentkezett. A negyedik furatnál, a töltés magassága miatt 900 cm-ig fúrtunk le, ahol 700 és 800 cm között agyag (55 KA) réteget, majd 900 cm-ig vályog, agyagos vályog (40-42 KA) talajféleség volt tapasztalható. (13. ábra) Az Arany-féle kötöttségi szám meghatározásával egy idıben a vezetıképességét is megmértem a képlékenység határán álló, vízzel telített mintáknak, ám a mért érték csak az agyagos vályog, illetve az annál finomabb szemcseösszetételő minták esetében érte el a 0,02%-os minimális határértéket. A legnagyobb mért érték (0,03%), az agyagként
meghatározott
minták
esetében
volt
tapasztalható.
Komolyabb
következtetések levonására nem volt alkalmas a vizsgálat, ám megerısítette megállapítást, miszerint a töltés döntıen homokos szerkezető.
30
31
A nedvességtartalom (W) vizsgálata megerısítette, hogy a korábbi eljárásokkal megállapított töltésszerkezet helytállóságát. A homokos szerkezető töltésanyag jó vízáteresztı képessége miatt általában alacsonyabb nedvességtartalom érték jellemzı, mint a finomabb szemcseösszetételő vályogos, agyagos szerkezető talajok esetében, ez érték lefelé haladva általánosságban növekedést mutat. (13. ábra) A felszín alatti kb. 20 cm-es homokos vályog szerkezető réteg százalékos nedvességtartalma jelentıs értéket mutatott, meghaladta a 20 %-os értéket is (15,50 – 23,68 %), ennek oka a terepi munkát megelızı, illetve annak folyamán lehullott csapadék. Az alatta lévı további 20 cm-es homokos vályog réteg nedvességtartalom értékére már inkább csak a finomabb talajszerkezet hatott, ennek következtében a mért értékek 8,22 és 12,67 % között változtak. (13. ábra) Ezt követıen mintegy 300 – 400 cm es részen viszonylag széles skálán mozgott a mért érték (1,71 – 14,18 %), annak függvényében, hogy a vizsgált mintát mennyire finom szemcséjő szerkezet jellemezte. A talajvízszint hatása véleményem szerint 340 – 420 cm-el a töltés felszíne alatt jelentkezett. A következtetést abból vontam le, hogy ebben a mélységben nıtt meg tartósan a talaj nedvességtartalma (11,81 – 18,45 %), durvább szemcseösszetétel mellett is. A legmagasabb értékeket (20,08 – 22,37 %) a 3,685 tkm-nél lévı negyedik furatnál tapasztaltam, a 700 cm mélyen fekvı agyag réteg alatti vályog, agyagos vályog szerkezető talajminták esetében. (13. ábra)
32
5.3 Geoelektromos szelvényezés A
14.
ábrán
szereplı,
geoelektromos
módszer
eredményéül
kapott
hosszmetszet felbontása kevésbé jó, mint a szemcseelemzés értékeibıl létrehozott részletes diagramoké. A módszer fıleg a horizontális elemzést segíti elı, az ellenállás értékekbıl átlagot számít, így viszonylagos pontossággal meghúzhatóak a réteg határok. Az ellenállás értékek összefüggést mutatnak a szemcseméret összetételével, így lehetıséget ad, hogy különbséget tegyünk különbözı összetételő töltésanyagok között. (14. ábra) Az ellenállás értékeket még a talajnedvesség értéke is befolyásolja, errıl általánosságban megállapítható, hogy kapcsolatban van a szemcsemérettel, de a talajvíz megjelenésével durvább szemcseösszetétel esetén is alacsonyabb ellenállási értékeket kapunk. (14. ábra) A legmagasabb értékeket a negyedik furat (3,685 tkm) környékén kaptuk, ahol a vegyes szemcseösszetételő szerkezet jellemezte a töltést egészen 340 cm mélységig, ennek oka a durvább szemcsemérető homok nagymértékő jelenléte. A hatodik furat (3,565 tkm) környezetében is magas ellenállási értékeket kaptunk, e területre is jellemzı a durva szemcseösszetételő töltésanyag, emellett nagyon alacsony nedvességtartalom értékek (1,71 – 9,77 %) fordultak elı. (14. ábra) Az elsı két furat (3,848, 3,820, tkm) környezetében alacsonyabb ellenállás értékek
jellemzıek,
szemcseméretet
a
jellemzı.
szakaszra A
magasabb
harmadik
furat
nedvességtartalom (3,777
tkm)
és
finomabb
szemcseméret
és
nedvességtartalom jellemzıi bár kedvezıtlenebbek, a környezet miatt alacsonyabb ellenállás értéket mutat a 13. ábrán szereplı szelvény, de kimutatható, hogy ott magasabb a mért ellenállás. Az ábráról az is leolvasható, amit a korábban leírt vizsgálatok is kimutattak, hogy a töltéstestben egyre mélyebbre hatolva, 600 cm mélység alatt, finomabb szemcsemérettel, a talajvíz megjelenésével, nagyobb nedvességtartalommal, így alacsonyabb ellenállásértékekkel találkozhatunk. (13. ábra)
33
34
Összegzés Az árvízvédelmi töltéseknek jelentıs szerepük van az árvíz elleni védekezésben, emberi életek és fontos gazdasági érték múlhatnak azon, hogy a töltések megfelelı állapotban vannak-e. Fontos a töltések állapotának folyamatos vizsgálata, a megfelelı állékonyság fenntartása érdekében. A dolgozatom keretein belül bemutattam a lézeres diffrakciós elven mőködı szemcsevizsgálatot, melynek segítségével pontos képet kaphatunk a töltésanyag szemcseösszetételérıl. A talajmechanikai vizsgálatok közül az Arany-féle kötöttségi vizsgálattal foglalkoztam, ez is egy módja a szemcseméret vizsgálatnak. Megmértem a töltésanyag nedvességtartalmát. Az állékonyság mértékét jelentısen befolyásolja mennyire vízáteresztı az töltést felépítı anyag. Geoelektromos szelvényezést végeztem, amely bár rosszabb felbontású képet ad eredményül, de segíti a töltéstest horizontális vizsgálatát. A különbözı vizsgálatok eredményeit összehasonlításával megállapítható, hogy azokat
közösen
használva
pontosabb
képet
kaphatunk
a
töltésanyag
szemcseösszetételérıl, a töltés állapotáról. A kapott eredmények feldolgozása után, általánosságban elmondható, hogy a vizsgált töltésszakasz túlnyomó részben, jó vízáteresztı tulajdonsággal és rossz vezetıképességgel
rendelkezı
homokos
35
szerkezető
töltésanyagból
áll.
Köszönetnyilvánítás
Köszönetet szeretnék mondani témavezetımnek, Dr. Sipos Györgynek a vizsgálatok és a terepi mérések folyamán nyújtott segítségéért. Ezen kívül köszönettel tartozom még Prof. Dr. Petru Urdea-nak, valamint Katona Orsolyának és Dr. Páll Dávid Gergelynek a terepi mérések és a laboratóriumi munkák során nyújtott segítségért. A kutatást és a méréseket a HURO/1101/126/2.2.1 számú pályázata támogatta
36
Felhasznált Irodalom Andó M. 1971. A tiszai vízrendszer árvízhelyzetének fıbb természetföldrajzi összetevıi. In Az Alsó-Tisza vidéki nagy árvízvédekezés, Vágás I. (szerk). Vízügyi Dokumentációs és Tájékoztatási Iroda, Budapest; 130 – 138. Bogárdi I. 1969. Árvízvédelmi töltések alatti szivárgás vizsgálata. Vízügyi Mőszaki Gazdasági Tájékoztató 5: 14 – 18. Dunka S. – Fejér L. – Vágás I. 1996. A verítékes honfoglalás. Vízügyi Múzeum, Levéltár és Könyvgyőjtemény, Budapest. Galli L. 1971. Szivárgási és talajmechanikai megfigyelések a védvonalon. In Az AlsóTisza vidéki nagy árvízvédekezés, Vágás I. (szerk). Vízügyi Dokumentációs és Tájékoztatási Iroda, Budapest; 143 – 149. Katona O. – Sipos Gy. – Nagy Z. 2012. A Maros hordalékkúp elhagyott medreinek hidromorfológiai és hidrodinamikai vizsgálata VI. Magyar Földrajzi Konferencia, Szeged Marosi S. – Somogyi S. 1990. Magyarország kistájainak katasztere I. MTA Földrajztudomány Kutató Intézet, Budapest. Mezısi G. 2011. Magyarország természetföldrajza. Akadémiai Kiadó, Budapest. Simon J. Blott and Kenneth Pye 2011. Particle size scales and classification of sediment types based on particle size distributions: Review and recommended procedures. Berkshire. Stelczer K. – Csoma J. 1979. Árvédelmi gátak. In Ármentesítés, árvízvédelem, folyószabályozás. Tankönyvkiadó, Budapest; 30 – 33. Zsuffa I. – Kontúr I. – Szvetnik A. 1971. A töltésállapot vizsgálata. In Az Alsó-Tisza vidéki nagy árvízvédekezés, Vágás I. (szerk). Vízügyi Dokumentációs és Tájékoztatási Iroda, Budapest; 150 – 152.
37
Internetes hivatkozások http://commons.wikimedia.org/wiki/File:HU_mesoregion_1.8._Als%C3%B3-Tiszavid%C3%A9k.png http://csongrad.katasztrofavedelem.hu/csongrad-megye-veszelyeztetettsege http://www.fetivizig.hu/hun/fogalomtar http://www.fritsch-sizing.com/products/static-light-scattering/laser-particle-sizeranalysette-22-microtec-plus/ http://www.kislexikon.hu/monokromatikus_feny.html http://www.kistelek.hu/kisterseg/telepulesek.php?action=baks&id=foldrajz&PHPSESSI D=946f75ce92302cd92b3e5d0fa510c0b0 http://www.nanowerk.com/news/newsid=9776.php http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop425/0033_SCORM_MFGFT6001T/sco_0 6_02.htmhttp://www.fetivizig.hu/hun/fogalomtar
Felhasznált szabványok MSZ-08 0205 1978 MSZ-08 0206/1 1978 MSZ-08-0206/2 1978 MSZ 14043/2 1979 MSZ 140433/3 1979 MSZ 14043/4 1980 MSZ EN ISO 14688-2 2005
38
Nyilatkozat Alulírott Takács Attila Földrajz Bsc szakos hallgató, kijelentem, hogy szakdolgozatomat a Szegedi Tudományegyetem Természettudományi és Informatikai Karának, a Természeti Földrajzi és Geoinformatikai Tanszéken készítettem, Földrjaz Bsc diploma megszerzése érdekében. Kijelentem, hogy a dolgozatot más szakon korábban nem védtem meg, saját munkám eredménye, és csak a hivatkozott forrásokat (szakirodalom, eszközök, stb.) használtam fel. Tudomásul veszem, hogy szakdolgozatomat a Szegedi Tudományegyetem könyvtárában, a kölcsönözhetı könyvek között helyezik el.
Szeged, 2014.05.16. …………………………
39
