TALAJOK VESZÉLYESSÉGE BUZGÁRKÉPZŐDÉS SZEMPONTJÁBÓL
Dr. Nagy László BME Geotechnika és Mérnökgeológia Tanszék
Erodálható talajok A buzgár a belső erózió egy fajtája, belső ugyanis erózió több módon is kialakulhat 1 (1. táblázat). Az eltérő jelenség eltérő talajnál következik be. Meg kell jegyezni, hogy a buzgárnál a semleges feszültség növekedés kvázi statikus állapotot jelent, vagyis nem dinamikus hatást (pl. nem földrengést). Jelen könyvben a belső eróziók közül csak a buzgárokkal foglalkozunk. 1. táblázat A belső erózió típusai Jelenség diszperzív szuffózió buzgár
2
Ok
Talaj
a talaj kémiai összetétele a talaj szerkezete nem stabil
kötött talajok hiányos szemeloszlású talajok
semleges feszültség növekszik
finomszemcsés, kohézió mentes
Buzgárveszélyes talajok a nemzetközi irodalomban Az erózió kialakulásának lehetősége kulcsszempont a tervezésnél minden esetben, ha a gát magja, vagy az altalaj erózióra való hajlamot mutat. Az erózió valószínűsége erodálódó talajoknál sokkal magasabb. Sherard (1953) publikálta az erózióval szembeni ellenállás osztályozását, mely jelenleg már kevésbé használatos (2. táblázat). Ebben a táblázatban a plaszticitás kulcsszerepet játszik. A manapság végzett vizsgálatok alapján buzgárnál nem az alacsony plaszticitású talajok, hanem a finomszemcsés kohézió mentes talajok játszák a főszerepet. Az Aussois Workshop (Fell és Fry, 2007) résztvevői megállapították, hogy olyan gradienseknél, ahol a gátban vagy annak altalajában hátrarágódó erózió fordulhat elő, valószínűleg olyan talajokhoz köthető, melyeknek csekély a plaszticitása.
1
Egyes kutatók a lösz talajok roskadását is belső eróziónak veszik. A szuffózió egy olyan folyamat, amikor egy rétegből a finom szemcsék átmosódnak egy másik réteg durva szemcséi közé. A szuffúzió rendkívül népes irodalmát igyekeztem kihagyni, ugyanis ez egy másik tönkremeneteli mód, mint a buzgár. 2
2. táblázat Talajok erózióval szembeni ellenállása (Sherard, 1953) (1) kategória Plasztikus agyag (IP>15), jól tömörített Hidraulikus talajtöréssel szemben nagy Plasztikus agyag (IP>15), gyengén tömörített ellenállás (2) kategória Hidraulikus talajtöréssel szemben közepes ellenállás
(3) kategória Hidraulikus talajtöréssel szemben kis ellenállás
Jól graduált anyag agyag tartalommal (6
Fell és tsai (2008) a rendelkezésre álló adatok, valamint Wan és Fell (2004, 2007, 2008) belső instabilitásra végzett kísérleteiknél a tapasztalatok alapján azt a következtetést vonták le, hogy azok a talajok, melyek plaszticitási indexe IP > 7 nem tekinthetők hátrarágódó erózióra veszélyeztetettnek a gátakban az azok altalajában tapasztalt gradiensnél.
1. kép A Duna jobb part 11+035 tkm szelvényben található buzgár az ellennyomó medence mentett oldali lábától 2 m-re, elfogása egy patkóívvel történt a töltés melletti feltöltéshez kapcsolódóan. A meredek domborzati viszonyok miatt kb. 2800 zsákot építettek be a teljesen felázott talajra.
Napjainkban az eróziós károkkal kapcsolatos felmérésben 87 %-ra becsülték a belső erózió szerepét a Bureu of Reclamation gátjainál (Engemoen, 2011). A károknak csak a 13 %-a származott olyan gáttól, ahol a plaszticitás nagyobb3 volt, mint Ip > 6 vagy 7. Mattsson és tsai (2008) szerint erózióra a relatíve egyszemcsés durva iszap és a finom homok a legérzékenyebb. Hasonló megállapításra jutottak glaciális iszapok (till) vizsgálatával kapcsolatban Foster és tsai. (2000), Ravaska (1997), Norstedt és Nilsson (1997). A legnagyobb kimosható szemcsemérettel foglalkozott cikkében Wan és Fell (2004). Meghatározták, hogy a talaj melyik frakciója erodálódik. Megállapításuk szerint praktikusan a szemeloszlási görbe inflexiós pontja alatti finom frakció erodálódik, a hiányos szemszerkezetű görbék erózió veszélyesek. Amikor a buzgárokról, a buzgárból kimosott talajról beszélünk, mindig hallgatólagosan feltételezzük, hogy egy réteg mosódik ki, nemcsak egy frakció. Hasonló feltételezéssel élnek a külföldi publikációk is. A következőkben bemutatott vizsgálati eredmények részben alátámasztják, részben cáfolják a bemutatott külföldi tapasztalatokat. A Delfti és Floridai különböző léptékű modellkísérleteknél alkalmazott talajok ugyancsak megerősítést kapnak ezekkel a vizsgálatokkal. Vizsgálati helyek A szemeloszlási vizsgálatok értékelését két ütemben végeztük. Az 1998 óta gyűjtött minták értékelése készült el 2011-ben és 2012-ben (ezek a 2013 előtti minták), akkor még nem lehetett tudni, hogy 2013-ban nagy dunai árvíz lesz. A 2013. évi minták és vizsgálatok számossága kétszerese a korábbinak, és alapvetően a magyarországi Felső-Dunára szorítkozó eredmények halmaza. Kíváncsiak voltunk, hogy milyen kapcsolatban van a korábbi vizsgálati eredményekkel. Ezért jelen közleményben a 2013 előtti és 2013. évi minták szétválasztva szerepelnek. A 2013. év előtti vizsgálati helyek összefoglalása a 3. táblázatban található évek szerinti csoportosításban. 12 db tiszai, 7 db Duna menti és egy Sajó buzgárból kimosott anyag vizsgálatára került sor. A vizsgálati helyeknél a talajminták alapján több tényező hatására is fény derült. 3. táblázat Buzgárok vizsgálatának helye és a buzgárból kimosott anyag néhány talajjellemzője a 2013. év előtti talajmintákon
3
Sorszám
Év
Folyó, szelvény
1 2
1998 1998
Tisza jp. Tisza jp.
3 4
1998 2006
5
2006
Hely
d10
d60
CU
d80
Tivadar belső oldal Tivadar külső oldal
0,080 0,025
0,250 0,210
3,25 8,4
0,36 0,3
Tisza jp. Duna jp. 12+150
Dombrád Abda
0,036 0,007
0,170 0,130
4,6 17,8
0,23 0,26
Duna jp. 41+206
Dombori, kis buzgár
0,007
0,099
14,1
0,17
A diszperzív talajok nem szerepelnek ebben a felmérésben, de sokkal erodálhatóbbak lehetnek. Nagyon fontos, hogy ne keverjük össze a két egymástól minden szempontból független talajt és jelenséget! A diszperzív talajok kifejezetten agyag plaszticitásúak, és a TDS (total dissolved solids) nagyobb, mint 1,0 meq/l, azon belül a Na+ tartalom meghaladja az 50 %-ot. A diszperzív talajok legjobb azonosítása tűszúrás vizsgálattal történik. Egyes talajok átmeneti diszperzitással rendelkeznek. A gyakorlat azt mutatta, hogy a diszperzív agyagokban a tönkremenetel az első tározófeltöltés alatt megy végbe (Sherard, 1979).
6
2006
Duna jp. 41+206
Dombori, kis buzgár kürtő
0,041
0,097
2,4
0,16
7
2006
Duna jp. 41+206
Dombori, nagy buzgár
0,026
0,113
4,3
0,17
8 9
2006 2006
Duna jp. 41+206 Duna jp. 79+420
Dombori nagy buzgár kürtő Bölcske-holtág I.
0,006 0,026
0,091 0,169
15,2 6,5
0,16 0,22
10 11
2006 2006
Duna jp. 79+420 Tisza jp. 61+075
Bölcske-holtág II.
0,016 0,056
0,182 0,116
11,4 2,1
0,29 0,17
12 13
2006 2006
Tisza jp. 71+300 Tisza bp. 13+250
Tiszasas rekettyés
0,049 0,106
0,173 0,237
3,5 2,2
0,21 0,34
14 15
2006 2006
Tisza bp. 13+580 Tisza bp. 13+580
Tiszasas, kürtő széle Tiszasas kürtő közepe
0,051 0,073
0,140 0,166
2,6 2,3
0,17 0,2
16 17
2010 2010
Sajó bp. 6+266 Tisza, Millér
Kis buzgár
0,014 0,007
0,150 0,040
10,9 6,1
0,25 0,1
18 19
2010 2010
Tisza, Millér Tisza, Tiszakürt
Nagy buzgár Külső része
0,008 0,130
0,050 0,290
5,9 2,3
0,11 0,37
20
2010
Tisza, Tiszakürt
Belső rész
0,170
0,400
2,2
0,4
A 2013. évi árvizek lehetővé tették, hogy a rendelkezésre álló adathalmaz háromszorosára növekedjen. További 43 buzgár szemeloszlási vizsgálatára került sor (4. táblázat) melyek megoszlása: 3 db Tisza-völgyi és 40 db Duna menti (ezen belül 29 Szigetközi). Így az időközben bevizsgált további három buzgárral a minták száma 66-ra nőtt. 4. táblázat A 2013. évi buzgárok mintavételi helyei és fontosabb mérési eredményei Folyó Duna jobb part
Hely 11+080
d10 0,135
d60 0,373
CU 2,77
d80 0,41
CC 1,38
Megnevezés közepes homok
Duna jobb part
11+900, 1. buzgár
Duna jobb part Duna jobb part
11+900, 2. buzgár 11+900, 3. buzgár
0,125
0,35
0,11 0,07
0,376 0,346
2,81
0,4
1,13
homok
3,43 4,92
0,41 0,4
1,75 1,79
közepes homok homok
Duna jobb part Duna jobb part
11+900, 4. buzgár
0,12
11+900, 5. buzgár
0,115
0,377
3,14
0,41
1,66
közepes homok
0,369
3,22
0,41
1,6
Duna jobb part
11+900, 6. buzgár
közepes homok
0,072
0,364
5,09
0,4
2,44
Duna jobb part
közepes homok
12+260, 1. nagy buzgár
0,032
0,367
11,55
0,41
4,48
Duna jobb part Duna jobb part
iszapos homok
12+260, 2. oldalsó buzgár 12+260, 3. első középső
0,02 0,078
0,123 0,328
6,09 4,18
0,31 0,39
1,15 1,35
iszapos homok homok
Duna jobb part
12+260 középső
0,015
0,132
8,69
0,18
1,39
iszapos homok
Duna jobb part
15+410, 1. buzgár
0,032
0,188
5,97
0,3
1,35
iszapos homok
Duna jobb part
15+410, 2. buzgár
0,02
0,152
7,57
0,24
1,42
iszapos homok
Duna jobb part
15+410, 3. buzgár
0,029
0,164
5,6
0,27
1,3
iszapos homok
Mosoni-Duna jp. Mosoni-Duna jp.
11+320 kúp belseje 11+320 kúp külseje
0,151 0,103
0,383 0,376
2,54 3,66
0,42 0,42
1,38 1,91
közepes homok közepes homok
Mosoni-Duna jp.
11+980
0,066
0,338
5,13
0,4
1,68
homok
Mosoni-Duna jp.
12+160
0,066
0,225
3,42
0,33
0,91
homok
Mosoni-Duna jp.
12+156 buzgár kráterből
0,105
0,366
3,5
0,42
1,58
közepes homok
Mosoni-Duna jp.
12+150 gát lábánál szántásban
0,153
0,384
2,51
0,42
1,38
közepes homok
Mosoni-Duna jp. Mosoni-Duna jp.
12+156 buzgár 12+156 az elfogáson kívül
0,049 0,048
0,218 0,211
4,48 4,37
0,33 0,33
1,16 0,96
iszapos homok iszapos homok
Mosoni-Duna bp.
19+450
0,052
0,269
5,22
0,38
0,8
iszapos homok
Mosoni-Duna bp.
19+550
0,136
0,383
2,82
0,42
1,51
közepes homok
Mosoni-Duna bp.
19+160
0,051
0,15
2,96
0,23
0,84
iszapos homok
Mosoni-Duna bp.
19+140
0,048
0,129
2,68
0,24
0,84
iszapos homok
Mosoni-Duna bp. Mosoni-Duna bp.
19+100 Püspökerdő13+980 gáthoz közelebb
0,061 0,186
0,211 0,389
3,45 2,09
0,22 0,42
0,91 1,22
iszapos homok közepes homok
Mosoni-Duna bp.
Püspökerdő13+980 gáttól távolabb
0,147
0,385
2,62
0,42
1,45
közepes homok
Szentendrei-sziget
8+210 Tahitótfalu
0,138
0,371
2,69
0,41
1,34
közepes homok
Szentendrei-sziget
8+280 Tahitótfalu
0,158
0,385
2,44
0,42
1,38
közepes homok
Szentendrei-sziget
8+400 Surány buzgár 1
0,112
0,356
3,17
0,4
1,35
közepes homok
Szentendrei-sziget
8+400 Surány buzgár 2
0,12
0,371
3,09
0,41
1,56
közepes homok
Duna bal part
Érsekcsanád Ebtófoki csat. 11+540
0,084
0,155
1,84
0,19
0,85
finom homok
Duna bal part
Ebtófoki csatorna 13+660
0,053
0,108
2,04
0,125
1,34
finom homok
Duna bal part
Ebtófoki csatorna 15+230
0,168
0,4
2,37
0,45
1,18
közepes homok
Duna bal part
Ebtófoki csatorna 26+260
0,039
0,117
3,04
0,18
0,91
iszapos f. homok
1+180 1+242
0,112 0,123
0,206 0,221
1,84 1,80
0,23 0,28
1,05 0,98
finom homok homok
Marcal bp.
3+514
0,131
0,309
2,36
0,39
0,9
homok
Kettős-Körös jp.
16+890
0,061
0,148
2,43
0,18
1,21
finom homok
Kettős-Körös jp.
16+980
0,1
0,23
2,30
0,34
1,03
homok
Kettős-Körös jp.
22+550
0,091
0,265
2,68
0,19
0,86
finom homok
Marcal bp. Marcal bp.
A szemeloszlási görbe lefutása, a talajok osztályozása Megállapítható, hogy a buzgárból kimosott talajok jól definiálhatók, a szemeloszlási görbéik minden esetben folyamatos lefutásúak, természetes talajokban általánosan előforduló jelleget mutattak. Az összes görbét egy szemeloszlási ábrára felrakva, egyértelműen megállapítható, hogy a görbék egy relatíve szűk sávot jelölnek ki, a szemcsék mérete a szemeloszlás szűk tartományát öleli fel (1. és 2. ábra). Ebben a sávban (iszapos homok, finom homok, homok) a talajoknak már nincs számottevő kohéziója, ugyanakkor a talajszemcsék tömege olyan kicsi, hogy az áramló víz el tudja mozdítani a szemcséket (1. és 2. ábra). Meg kell azonban jegyezni, hogy megfelelően magas hidraulikus gradienssel minden talaj (sőt kőzet is) elmosható. Itt inkább az dominál, hogy ezen szemeloszlási tartományoknál van a legkisebb gradiensre szükség.
2. kép Mintavétel a buzgárból, a buzgár kúpjának lehetőleg mindkét oldala képviseltesse magát a mintában
SZEMELOSZLÁSI GÖRBE
finom
iszap
közepes
finom
durva
homok
közepes
apró
durva
kavics
közepes
durva
100
Tisza 61+075 Tisza 71+300 Bölcske holtág II. 79+420 Bölcske holtág I. 79+420 41+206 Dombori kis buzgár 41+206 Dombori buzgár túloldal 41+206 Dombori kis buzgár kürtő 41+206 Dombori buzgár kürtő közepe Tiszasas kürtó széle Tiszasas rekettyés Tiszasas kürtő közepe Millér kis buzgár Millér nagy buzgár Kűrt külső Kűrt belső Sajó bp. 6+266 Tivadar belső oldal Tivadar külső oldal Abda Dombrád Tahitótfalu Bogyiszló Sajó 5+170
0,001
0,010
0,100
1,000
10,000
90 80 70 60 50
Átesett (%)
agyag
40 30 20 10 0 100,000
Szemnagyságok (log d mm)
1. ábra A buzgárból kimosott talajok összesített szemeloszlási görbéi a 2013. év előtti mintáknál
A talaj szemeloszlási görbe szerinti megnevezése az EUROCODE 7 (MSZ EN ISO 146882) alapján egyértelmű, az egyes megnevezések megoszlását az 5. táblázat mutatja. A megnevezés is mutatja, hogy viszonylag keskeny sáv az, amelyik a szemeloszlás széles spektrumából kimosódik, a homokos durva iszaptól a közepes homokig. 5. táblázat A buzgárból kimosott talajok megnevezése az EUROCODE alapján
Talaj megnevezése Homokos durva iszap Iszapos homok finom és közepes Homok finom közepes
Előfordulás db. % 2 3 24 36 13
21
10 17
15 25
Összesen % 3 36 61
A 5. táblázat alapján megállapítható, hogy a vizsgált buzgárból kimosott talajok elsősorban homok és iszapos homok megnevezésűek, az arányuk körülbelül 60-40 %-t képviselt.
SZEMELOSZLÁSI GÖRBE agyag
finom
iszap
közepes
finom
durva
homok
közepes
durva
apró
kavics
közepes
durva
100 90 80
60 50
Átesett (%)
70
40 30 20 10
0,001
0,010
0,100
1,000
10,000
0 100,000
Szemnagyságok (log d mm)
2. ábra Az összes (66 darab) szemeloszlási görbe lefutása kijelöli a buzgárból kimosott talaj szemcséinek tartományát. Legjobban a két milléri görbe esik ki a magas iszaptartalom miatt.
Iszaptartalom Azt ismerjük, hogy az áteresztőképességi együttható hogyan változik finomszemcsés talajoknál növekvő iszaptartalom hatására. Arra azonban kevesebb adat van, hogy a növekvő iszaptartalom hogyan változtatja meg a talaj buzgárképződéssel szembeni ellenállását. Ennek empirikus vizsgálata a buzgárból kimosódott talaj szemeloszlásának értékelése alapján történhet.
3. kép Nagybajcsi buzgár 2002-ben. Az 1899. évi gátszakadás kopolyáját feltöltötték. Ebben a feltöltésben alakul ki a buzgár minden nagyobb árvíznél.
Közismert tény, hogy növekvő iszaptartalom növeli a finom szemcsék közötti összetartó erőt, csökkenti a szemcsék leválásának lehetőségét. Az iszaptartalom megoszlását a szemeloszlási görbék alapján a 6. táblázat mutatja. A buzgárból kimosott talaj szemeloszlását vizsgálva megállapítható, hogy az iszaptartalom ritkán volt 40 % felett4, a sűrűsödés 0 – 10 % iszaptartalom közötti tartományban van, a görbéknek több, mint a fele esik ide (5. táblázat). Tíz százalékonkénti iszaptartalom növekedésénél a gyakoriság változását a 3. ábra szemlélteti. Az iszaptartalom növekedésével a gyakoriság csökken, vagyis összefoglalóan megállapítható, hogy azok a finomszemcsés talajok hajlamosabbak a szemcsekimosódásra, melyek kevesebb iszapot tartalmaznak. 6. táblázat Az iszap frakció részaránya a buzgárból kimosott talajok szemeloszlásában Iszap tartalom
<5%
5 %-10 %
10 %-15 %
15 %-20 %
20%-30 %
30 %-40 %
40 %-50 %
2013 előtti vizsgálat
3
5
1
3
5
4
2
2013. évi vizsgálat
22
6
5
4
4
2
0
Összesen db
25
11
6
7
9
6
2
Összesen %
38
17
9
10
14
9
3
60
Előfordulás gyakorisága ( % )
50
40
30
20
10
0 0 - 10
10 - 20
20 - 30
30 - 40
> 40
Talajminták iszap tartalma ( % )
3. ábra A buzgárból kimosott talajok iszaptartalmának gyakorisága 66 vizsgálat eredménye alapján
A jellemző szemcseátmérők Kétségtelenül a teljes szemeloszlási görbe figyelembevétele a megfelelő megoldás a buzgárosodásra hajlamos talajok megítélésénél, azonban érdemes megvizsgálni a szemeloszlási görbe néhány reprezentatív értékét, a 10, 60, 80 súlyszázalékhoz tartozó szemcseátmérőket. A 10 súlyszázalékhoz tartozó szemcseátmérő
4
Csak a két milléri mintában.
Minden szemeloszlási görbe vizsgálatánál egy sarkalatos pont a 10 súlyszázalékhoz tartozó szemcseátmérő meghatározása (ld. 7. táblázat). Ez a szemcseátmérő meghatározó a szivárgási folyamatok szempontjából, illetve a szemeloszlás elnyújtottságának megítélésénél. A buzgárból kimosott anyagoknál nem került azonosításra d 10> 0,19 és d10< 0,004 mm átmérőjű szemcse. Tehát a d10-hez tartozó szemcséknek mintegy két nagyságrendnyi tartománya érintett a buzgár kimosódásban. Az előfordulási tartomány szélei felé (feltételezve valamilyen véltetlen jelleget), a gyakoriságnak csökkennie kellene, azonban valószínűleg a relatíve kis elemszám és a kategóriák számának szélessége miatt ez a tendencia nem érvényesül (4. ábra). 12
2013. évi 10
Vizsgálati eredmények száma (db)
2013. előtt
8
6
4
2
0 -0,02
0,02-0,05
0,05-0,08
0,08-0,11
0,11-0,14
0,14-0,17
10 súlyszázalékhoz tartozó szemcseátmérő (mm)
4. ábra A d10 megoszlása a buzgár által kimosott anyagban a 2013 előtti és a 2013. évi mintákban 7. táblázat A 10 súlyszázalékhoz tartozó szemcseátmérő néhány jellemzője5 d10
2013 előtt
2013. évi
összes
Darab
23
43
66
Minimum
0,004
0,015
0,004
Maximum
0,17
0,186
0,186
Átlag
0,048
0,09
0,076
Míg a 2013 előtti mintánál a finomabb szemcsék, a 2013. évi mintáknál a 4. ábra középső részének szemcséi domináltak. Ezt fejezi ki a 7. táblázat is, bemutatva, hogy a 2013 előtti minták, melyek nagyrészt tiszai buzgárokból származtak, finomabb szemcséjűek. A 60 súlyszázalékhoz tartozó szemcseátmérő A 60 súlyszázalékhoz tartozó szemcseátmérők sávszélessége, csaknem egy nagyságrendre szűkül, itt is egyértelműen a 2013 előtti minták finomabb szemcsézettséget mutatnak (8. táblázat és 5. ábra). Mint ahogy az 1. és 2 táblázatból is kitűnik, a 2013 előtti mintáknál a Tisza-völgy dominált, a 2013. évi mintáknál a Duna-völgy volt meghatározó. Talán nem túlzó az a megállapítás, hogy a Duna völgyben durvább szemcsék mosódnak ki a talajból. Kereshető ennek az oka is.
5
Óvatosan kell kezelni a statisztikai feldolgozást, mert a vizsgált talajok nem normális eloszlásúak.
12
10
2013. évi 2013. előtt
8
6
4
2
0,38-0,42
0,34-0,38
0,30-0,34
0,26-0,30
0,22-0,26
0,18-0,22
0,14-0,18
0,10-0,14
0,06-0,10
0,02-0,06
0
-0,02
A szemcsetartományhoz tartozó eredmények száma
14
d60 szemcseátmérő tartományok (mm)
5. ábra A 60 súlyszázalékhoz tartozó szemcseátmérő megoszlása a 2013 előtti és a 2013. évi mintákban 8. táblázat A 60 súlyszázalékhoz tartozó szemcseátmérő statisztikai jellemzői d60
2013 előtt
2013. évi
összes
Darab
23
43
66
Minimum
0,05
0,108
0,05
Maximum
0,38
0,37
0,38
Átlag
0,28
0,177
0,245
A 80 súlyszázalékhoz tartozó szemcseátmérő A 80 súlyszázalékhoz tartozó szemcseátmérő vizsgálatát az indokolja, hogy a szemeloszlási görbék seregének (1. és 2. ábra) ott a legszűkebb a keresztmetszete. Ezt a korábbi megállapítást a 2013. évi minták is igazolták. A 80 súlyszázaléknál a legkisebb és a legnagyobb szemcsék különbsége alig több, mint fél nagyságrend. 9. táblázat A 80 súlyszázalékhoz tartozó szemcseátmérő statisztikai jellemzői d80
2013 előtt
2013. évi
összes
Darab
23
43
66
Minimum
0,11
0,125
0,11
Maximum
0,42
0,46
0,46
Átlag
0,246
0,338
0,306
A többnyire tiszai mintákat tartalmazó 2013 előtti mintáknál d 80=0,15-0,25 mm-es szemcseméret érvényesül, a 2013. évi dunai mintánál a d80=0,35-0,45 mm-es szemcseméret.
16
Előfordulások száma (db)
14 12 10
2013. előtt
8
2013. évi
6 4 2 0 0,05-0,1
0,1-0,15
0,15-0,2
0,2-0,25
0,25-0,3
0,3-0,35
0,35-0,4
0,4-0,45
0,45-0,5
0,5-0,55
d80 szemcseátmérő
6. ábra A 80 súlyszázalékhoz tartozó szemcseátmérő megoszlása a 2013 előtti és a 2013. évi mintákban
Az egyenlőtlenségi mutató (CU) értékei Az egyenlőtlenségi mutató indikátor szerepével a hazai és nemzetközi szakmai sajtó is gyakran foglalkozik, nemcsak a buzgárosodás, hanem a földrengés hatására történő megfolyósodás szempontjából is. A buzgárból kimosott talajok egyenlőtlenségi mutató (C U) értékei a 10. táblázatban vannak feltüntetve. A 2013 előtti mintákban legmagasabb érték CU = 17,8, az átlag CU = 6,4-re adódott. CU < 1,8 talajt nem került azonosításra. A 2013. évi mintáknál az egyenlőtlenségi mutató átlagos értéke csak 3,7 volt! Az egyenlőtlenségi mutató megoszlását a 7. ábra mutatja, melyben a CU = 2-5 kategória a legnépesebb, több mint a minták fele esik ide. Az egyenlőtlenségi mutató növekedésével számossága csökken az egyes tartományoknak (7. ábra, 10. táblázat). Az alacsony egyenlőtlenségi mutatójú finom szemcsés talajok a legkönnyebben elmoshatók, vagy elmozdíthatók a helyükről, ugyanis kohéziójuk nincs, a szemcsék tömege pedig kicsi. 10. táblázat A buzgárból kimosott talajok egyenlőtlenségi mutatójának megoszlása CU
2013 előtt
2013. évi
összes
<5
12
34
46
5-8
4
7
11
8 - 11
3
1
4
11 - 14
2
1
3
> 14
2
0
2
Összesen
23
43
66
Várhatóan a nagyon jól graduált talajok kevésbé lesznek érzékenyek a buzgárképződésre, de nem szabad elfelejtkezni arról, hogy minden talaj elmosható megfelelően nagy hidraulikus gradienssel. A 2013 előtti mintáknál a Tisza-völgy dominált, ahol lényegesen magasabb volt az egyenlőtlenségi mutató értéke, tehát jobban graduáltak a talajok (10. és 11. táblázat). A 2013. évi mintáknál a Duna-völgy volt meghatározó, a kimosódott talajok 75 %-ban a hagyományosan folyós homok kategóriába estek (CU < 5).
Előfordulások száma (db)
35 30
2013. előtt
25
2013. évi
20 15 10 5 0 <5
5-8
8-11 11-14 >14
Egyenlőtlenségi mutató CU (-)
7. ábra Az egyenlőtlenségi mutató megoszlása a buzgár által kimosott anyagban a 2013 előtti és a 2013. évi mintákban (Nagy 2014) 11. táblázat Az egyenlőtlenségi mutatóhoz tartozó statisztikai jellemzők CU
2013 előtt
2013. évi
összes
Darab
23
43
66
Minimum
1,8
1,8
1,8
Maximum
17,8
11,5
17,8
Átlag
6,385
3,734
4,658
Szórás
4,722
1,961
3,413
Variációs tényező
0,74
0,53
0,73
Az egyenlőtlenségi mutató és a d80 kapcsolata A talaj vázát a finom és durva szemcsék együttesen határozzák meg. A buzgárból kimosott talajoknál mintha a szemeloszláson belül a durvább szemcsék volnának a meghatározók, ami a talaj jellegét biztosítja. Amíg a 10 súlyszázalékhoz tartozó átmérőkben lényegesen nagyobb az eltérés, ezzel szemben a 80 súlyszázalékhoz tartozó átmérőkben feleakkora. Lehetséges, hogy ezt a viselkedést magasabb súlyszázalékhoz tartozó átmérővel volna célszerű jellemezni, például d80 értékével. A 80 súlyszázalékhoz tartozó átmérő 66 szemeloszlási görbe elemzése alapján nem mutat korrelációt (8. ábra) az egyenlőtlenségi mutatóval (nem függ tőle), így a korábbi indoklások alátámasztásával alkalmas lehet a buzgárokból kimosott talajok szemeloszlásának értékelésére. A 80 súlyszázalékhoz tartozó átmérők viszonylag szűk határok között mozognak, melyekre d80 = 0,1 – 0,6 mm vagy d80 = 0,2 – 0,45 mm határértékek adhatók meg. Ezen értékek kiegészítve az egyenlőtlenségi mutató értékének leggyakoribb előfordulásával buzgárképződés szemeloszlási kritériuma adható meg. Az egyenlőtlenségi mutató CU = 1,8 – 18,7 között változott a vizsgált mintáknál, értéke leggyakrabban CU < 12 volt.
20 18
Egyenlőtlenségi mutató (-)
16 14 12 10 8 6 4 2 0 0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
A 80 súlyszázalékhoz tartozó szemcseátmérő (mm)
8. ábra A 80 súlyszázalékhoz tartozó szemcseátmérő és az egyenlőtlenségi mutató kapcsolata (Nagy 2014)
A veszélyesség értékelése A szemeloszlási görbe alapján értékelhetjük a gát alatti feltárásból kikerült talajt, hogy a buzgárképződésre veszélyes határgörbék közé esik a vizsgált talajminta. Ugyanakkor felállíthatunk különálló veszélyességi fokozatokat a szemeloszlási görbe kiválasztott pontjára, jelen esetben a d80-ra: nem veszélyes d80 < 0,1 és d80 > 0,6 mm veszélyes d80 = 0,1 - 0,15 és d80 = 0,45 – 0,6 mm nagyon veszélyes 0,15 < d80 < 0,45 és/vagy az egyenlőtlenségi mutató értékére: nem veszélyes CU > 12 veszélyes 6< CU < 12 nagyon veszélyes CU < 6. A szemeloszlás veszélyességének kombinált értékelése a 9. ábra szerinti osztályozással lehetséges a szemeloszlási görbe illetve annak kitüntetett pontjai alapján. Más szavakkal buzgárképződésre nagyon veszélyes a következő kettős kritériumnak megfelelő talaj (9. ábra): 0,15 < d80 < 0,45 CU < 6 A határértékek meghúzása nem volt önkényes, a „nagyon veszélyes” tartományba esik a minták csaknem 80 %-a, itt van a sűrűsödése a pontoknak. A „veszélyes” tartományba, melynek területe négyszerese a „nagyon veszélyes” tartománynak, esik a minták mintegy 15 %-a.
CU- d80 kapcsolata 18
16
Egyenlőtlenségi mutató CU (-)
14
Veszélyes 12
2013. évi 2013. előtt
10
8
6
Nagyon veszélyes
4
2
CU < 1 nem értelmezhető
0 0,01
0,1
1
10
d 80 szemcseátmérő (mm)
9. ábra A szemeloszlás veszélyességének kombinált értékelése az összes mintán (Nagy 2014)
Összefoglalás A buzgárból kimosott talajok szemeloszlási görbéi a szemcsetartomány jól definiálható szűk tartományát ölelik fel. Ezen a szemeloszlási görbékből, illetve a görbék jellemző pontjaiból meghatározott veszélyességet értékelő grafikon segít eligazodni adott talaj megítélésében. Egyszerű tehát a tervező feladata a buzgárképződés szemeloszlási kritériumának vizsgálatánál, a talajfeltárási eredményeket össze kell hasonlítani a határgörbékkel, vagy az egyenlőtlenségi mutató és a d80 szemcseátmérőhöz tartozó grafikon alapján értékelni kell a vizsgált talajt. Mindenesetre nem szabad elfelejteni, hogy ezek a vizsgálatok a gátaknál kialakuló un. „normális” hidraulikai viszonyokra vonatkoznak, mert megfelelően nagy hidraulikus gradienssel minden talaj, sőt még a szikla is elmosható. Irodalomjegyzék Engemoen W.O. (2011): Bureau of Reclamation experiences with internal erosion incidents, Proc. of Workshop on Internal Erosion in Embankment Dams and their Foundations, Brno, Czech Republic, April 2011, Institute of Water Structures, FCE, BUT, Brno, pp. 11-18. Fell R., Fry J.J. (2007): Editors Internal Erosion of Dams and their Foundations,Taylor and Francis, London, ISBN: 978-0-415-43724-0. Fell R., Foster M., Davidson R., Cyganiewicz J., Sills G. and Vroman N. (2008): A Unified Method for Estimating Probabilities of Failure of Embankment Dams by Internal Erosion and Piping, UNICIV Report R 446, The School of Civil and Environmental Engineering, University of New South Wales, Sydney, Australia 2052. ISBN: 85841-413-9. Foster M., Fell R. (2000): Use of event trees to estimate the probability of failure of embankment dams by internal erosion and piping, In Proceedings of the 20th ICOLD 49. Congress on Large Dams, Beijing, Vol. 1, Q76, R16, pp. 237-260, International Commission on Large Dams, Paris.
Foster M., Fell R., Spannagle M. (2000): The statistics of embankment dam failures and accidents, Canadian Geotechnical Journal, Vol.37, No.5, National Research Council Canada, Ottawa, 1000-1024, ISSN: 00083674. Mattsson H., Hellström J.G.I., Lundström T.S. (2008): On internal erosion in embankment dams, A literature survey of the phenomenon and the prospect to model it numerically, Research report Luleå University of Technology, Department of Civil, Mining and Environmental Engineering Division of Mining and Geotechnical Engineering, Luleå University of Technology Department of Applied Physics and Mechanical Engineering Division of Fluid Mechanics, 2008:14, ISSN: 1402-1528, ISRN: LTU-FR -08/14 – SE. Nagy L. (1999): A Tivadari buzgár, 17. MHT Vándorgyűlés Miskolc, 1. kötet, pp. 130-146. Nagy L. (1999): Az 1998. novemberi Tivadari buzgár vizsgálata, Hidrológiai Közlöny, 79. évf., 4. szám, pp. 217-222. Nagy L. (2000): Az árvízvédelmi gátak geotechnikai problémái. Vízügyi Közlemények, LXXXII. évf., 1. füzet, pp. 121-146,ISSN 0042-7616. Nagy L. (2000): Talajmechanikai vizsgálatok végzése a Tiszasasi buzgár környékén, Talajmechanikai szakvélemény, Kézirat. Nagy L. (2001): 200 Years Dike Failures in Hungary. 36 DEFRA Congress, Keele, pp. 3.12-3.18, July. Nagy L. (2002): 200 Years Dike Failures in the Carpathian Basin. Proceedings of the 2 nd International Symposium on Flood Defence (ISFD’2002), Beijing, 2002. 09. 10.-13., Balkema Publishers, pp. 786-793, Science Press, Beijing, New York, ISBN 1-880132-54-1. Nagy L. (2002): Geotechnical Aspects of 200 Years Dike Failures in the Carpathian Basin. 12 th DanubeEuropean Soil Mechanic and Geotechnical Conference, Editor: Deutsche Gesellschaft für Geotechnik, Publisher: Verlag Glückauf, Passau, pp. 189-192, ISBN 978-377-395-973-7, 963-472-657-7. Nagy L. (2003): A Dombrádi buzgár vizsgálata, Vízügyi Közlemények külön szám, 1. kötet, pp. 205-215. Nagy L. (2003): Geotechnical Aspects of Dike Failures in the Carpathian Basin. Proceeding of the 13 th European Conference on Soil Mechanic and Geotechnical Engineering, Prague, 2003 August 25-28, pp. 167-172, ISBN 80-867-69-00-3. Nagy L. (2006): Dike Breaches in the Carpathian Basin, Periodica Polytechnica, Vol. 50, No. 2, pp. 115124, ISSN 0553-6626. Nagy L. (2006): Szentendrei buzgár vizsgálata, Talajmechanikai szakvélemény. Nagy L. (2010): Buzgárok, XXVIII. MHT Vándorgyűlés, július 7-9. Sopron, 3. szekció, 24. cikk, ISBN 978963-8172-25-9. Nagy L. (2010): Hogyan is mennek tönkre az árvízvédelmi gátak?, XXVIII. MHT Vándorgyűlés, július 7-9. Sopron, 3. szekció, 22. cikk, ISBN 978-963-8172-25-9. Nagy L. (2010): Lessons from historical dike breaches in the Carpathian-Basin. Riscuri si Catastrofe, IX. évfolyam, 1/2010 szám, pp. 131-152, Editura Casa Cartii de Stiinta, Cluj-Napoca. ISSN 1584-5273. Nagy L. (2011): Árvízvédelmi gátak történelmi tönkremeneteli mechanizmusa, Hidrológiai Közlöny, 91. évfolyam, 1. szám, pp. 21-26. ISSN 0018-1323.Nagy L. (2011): Buzgárból kimosott talajok vizsgálata, XXIX. MHT Vándorgyűlés, Eger, július 6-8, 4. szekció, 19. cikk, ISBN 978-963-8172-28-0. Nagy L. (2011): Buzgárok anyagának szemeloszlása, MMK Geotechnikai Tagozat konferencia CD kiadványa, Ráckeve, okt. 25-26. ISBN 978-963-89016-2-0. Nagy L. (2011): Buzgárokból kimosott homok vizsgálata, Hidrológiai Közlöny, 91. évfolyam, 5. szám, pp. 41-44. ISSN 0018-1323. Nagy L. (2011): Investigation of soils outwashed from piping, Untersuchung den durch piping ausgewaschenen Böden, Österreichischer Ingenieur- und Arcitektenverein, 156. Jahrgang Heft 1-12, pp. 211-216. Nagy L. (2011): Piping phenomenon at the flood control dikes in the Carpathian-Basin I., Riscuri si Catastrofe, X. évfolyam, 2/2011 szám, pp. 217-227, Ed. Sorocovschi V., Editura Casa Cartii de Stiinta, Cluj-Napoca. ISSN 1584-5273. Nagy L. (2011): Történelmi buzgárok, Hidrológiai Közlöny, 90. évfolyam, 3. szám, pp. 55-60. ISSN 00181323. Nagy L. (2012): A Milléri árvízi jelenség vizsgálata és elvi helyreállítási javaslata, geotechnikai szakértői vélemény, Kézirat. Nagy L. (2012): Buzgárból kimosott talaj szemeloszlása, Mérnökgeológia Kőzetmechanika Konferencia 2011, Mérnökgeológia-kőzetmechanika Kiskönyvtár 12. (Szerk: Török Á. és Vásárhelyi B.), pp. 105-112. ISBN 978-615-5086-04-5. Nagy L. (2012): Buzgárból kimosott talaj szemeloszlása, Mérnökgeológia Kőzetmechanika Konferencia 2011, 2012. 01. 26. Budapest, Mérnökgeológia-kőzetmechanika Kiskönyvtár 12. (Szerk: Török Á. & Vásárhelyi B.), pp. 105-112. ISBN 978-615-5086-04-5.
Nagy L. (2012): Geotechnikai szakértői vélemény és elvi helyreállítási javaslat a Tiszakürti buzgárról, Talajmechanikai szakvélemény, Kézirat. Nagy L. (2012): Milléri és Tiszakürti árvízi jelenségek geotechnikai vizsgálata és elvi helyreállítási javaslat készítése, Szakértői vélemény, Nagy L. (2012): Piping phenomenon at the flood control dikes in the Carpathian-Basin II., Riscuri si Catastrofe, XI. évfolyam, 1/2012 szám, pp. 193-204, Ed. Sorocovschi V., Editura Casa Cartii de Stiinta, Cluj-Napoca. ISSN 1584-5273. Nagy L. (2012): Statistical evaluation of historical dike failure mechanism, Riscuri si Catastrofe, X. évfolyam, 2/2012 szám, pp. 7-20, Ed. Sorocovschi V., Editura Casa Cartii de Stiinta, Cluj-Napoca. ISSN 1584-5273. Nagy L. (2013): A buzgárképződés szemeloszlási kritériuma, In: Nagy L, Takács A (szerk.) 3. Kézdi Konferencia kiadványa, BME Geotechnikai Tanszék, pp. 128-141. ISBN: 978-963-313-081-0. Nagy L. (2014): A Duna jp. buzgárok vizsgálata a 2013. évi árvíz után a 01.03. árvízvédelmi szakaszon, Szakértői vélemény, kézirat. Nagy L. (2014): A Marcal bal parti buzgárok vizsgálata a 2013. évi árvíz után, Szakértői vélemény, kézirat. Nagy L. (2014): A Mosoni-Duna menti buzgárok vizsgálata a 2013. évi árvíz után, Szakértői vélemény, kézirat. Nagy L. (2014): Buzgárok az árvízvédelemben. Innovaprint Nyomda, p. 242, ISBN 965 334 5474 7. Nagy L., Huszák T. (2012): Investigation of piping material, Periodica Polytechnica - Civil Engineering, 56. évf., 2. szám, pp. 233-238, ISSN 0553-6626, doi: 10.3311/pp.ci.2011-2.12, web: http://www.pp.bme.hu/ci. Nagy L., Mahler A. (2012): Milyen mély legyen a vízzáró fal az árvízvédelmi töltés alatt? Hidrológiai Közlöny, 92. évf. 4. szám, pp. 73-77, ISSN 0018-1323. Nagy L., Mahler A. (2013): Grain size distribution of sand boil soils, In: M Súľovská (szerk.) Proceedings of the 11th Slovak Geotechnical Conference: Effect of water on geotechnical structures. Pozsony, Szlovákia, 2013.06.03-2013.06.04. Bratislava: Slovak University of Technology, Faculty of Civil Engineering, ISBN: 978-80-227-3950-4. Nagy L., Szlávik L. szerk. (2004): Árvízvédelem a gyakorlatban, KTVM Vízügyi Hivatala, Budapest, ISBN 963 552 381 5. Norstedt U. and Nilsson Å. (1997): Internal erosion and ageing in some of the Swedish earth and rockfill dams, Proc. 19th Int. Congress on Large Dams, Florence, Q73, R20, 307-319. International Commission on Large Dams, Paris. Ravaska O. (1997): Piping susceptibility of glacial till,Proc. 19th Int. Congress on Large Dams, Florence, Q73, R30, 455-471, International Commission on Large Dams, Paris. Sherard J.L. (1979): Sinkholes in dams of coarse, broadly graded soils,13th Int. Congress on Large Dams, New Delhi, Q49, R2, pp. 25-35, International Commission on Large Dams, Paris. Sherard J.L., Woodward R.J., Gizienski S.F., and Clevenger W.A. (1963): Earth and Earth-Rock Dams, Engineering Problems of Design and Construction, John Wiley and Sons, Inc., NY. Wan C.F., Fell R. (2004): Experimental investigation of internal instability of soils in embankment dams and their foundations, UNICIV Report No. 429, School of Civil and Environmental Engineering, The University of New South Wales, Sydney, ISBN 85841 396 5. Wan C.F., Fell R. (2004): Laboratory tests on the rate of piping erosion of soils in embankment dams, Geotechnical Testing Journal, Vol. 27, No.3, pp. 295-303. Wan C.F., Fell R. (2007): Investigation of internal erosion by the process of suffusion in embankment dams and their foundations, In Internal Erosion of Dams and their Foundations, Editors R. Fell and J.-J. Fry, Taylor and Francis, London, pp. 219-234. Wan C.F., Fell R. (2008): Assessing the Potential of Internal erosion and Suffusion in Embankment Dams and Their Foundations, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 134, No. 3, pp. 410-407.
