Monitorizarea masivelor de pamant si a structurilor

Un segment important al oricarei lucrari geotehnice este acela care se refera la monitorizarea masivelor de pamant in scopul intelegerii naturii fenomenului de instabilitate si al determinarii evolutiei factorului de risc si hazardului la alunecare.

Lucrarea de fata prezinta metodele actiunii de monitorizare, care cuprinde masuratori topografice, inclinometrice si piezometrice. Aceste date sunt utilizate la verificarea ipotezelor de proiectare a lucrarilor de consolidare, pentru a preveni declansarea unui fenomen de instabilitate, care sa afecteze vecinatatile construite si comunitatile. Lucrarea prezinta, de asemenea, un studiu de caz privind alunecari de teren in zona de nord a Romaniei – la amenajarea hidroenergetica Catamarasti, judetul Botosani.

Stabilitatea taluzurilor si versan­tilor este o problema inginereasca importanta, fiind legata de:

• dezvoltarea infrastructurii in transporturi (autostrazi, reabilitari de drumuri si cai ferate, linii de metrou, tuneluri, aeroporturi si canale navigabile);
• exploatari miniere la zi;
• constructia complexelor hidro­ener­getice (diguri, baraje de materiale locale);
• amenajarea depozitelor cu deseuri industriale si menajere;
• realizarea constructiilor civile si industriale;
• actiuni antropice, care induc pierderea stabilitatii versantilor naturali.

De regula, cauza principala a producerii instabilitatii masivelor de roca sau pamant consta in depasirea rezistentei la forfecare, pe conturul volumului de material aflat in miscare, in contact cu terenul stabil.

Din cauza conditiilor specifice geo­logico-geografice, Romania face parte din categoria tarilor cu potential ridicat de producere a alunecarilor de teren. In figura 1 se prezinta o zonare a teritoriului tarii noastre din punct de vedere al riscului producerii alunecarilor de teren [1].

Zonele potential favorabile alu­necarilor de teren sunt cele din unitatea geomorfologica a Subcarpatilor (dealurilor). In aceste zone, in care structura de formare (incretire), corelata cu petrografia (elemente de flis) in climat temperat umed, cu precipitatii peste medie, sunt factorii favorizanti ai unor modificari morfo-mecanice, care pot schimba echilibrul fizico-static al depozitelor componen­te, in structuri cu inclinari ce depa­sesc 300 – 400.

Fenomenele de alunecare din zonele subcarpatice nu au suprafete extinse. Sunt, insa, situatii in care ele afecteaza constructii, cai de comunicatie, retele de distributie (apa, electricitate, gaze, telefonie), cu efecte asupra situatiei socio-economice a zonelor in incidenta.

Pentru determinarea elementelor principale ale unei alunecari de teren, ca si pentru monitorizarea comportarii in timp a zonelor cu potential ridicat al producerii alunecarilor de teren, se utilizeaza, de regula, masuratorile topo-foto­grammetrice, piezometrice, inclinometrice si de penetrare statica. Pentru analiza litologiei sunt necesare foraje geotehnice, dublate, atunci cand este posibil, de incercari de penetrare statica (fig. 2 si 3).

Masuratorile inclinometrice sunt foarte utile, atat in procesul de monitorizare a zonelor instabile cat si pentru stabilirea, respectiv dimensionarea, lucrarilor de consolidare in cazul alunecarilor active.

In figura 3 este prezentata schematic modalitatea de efectuare a masuratorilor. Acestea se fac cu un pendul electronic introdus intr-un tub cu sectiune canelata (a), care se deformeaza odata cu deplasarea pamantului pana la sectiunea cores­punzatoare planului de alunecare. Se masoara, astfel, unghiuri si se calculeaza deplasari pe orizontala (b). Vectorul rezultant al deplasarilor pe cele doua directii, la suprafata terenului, indica directia dupa care are loc deplasarea volumului de pamant instabil (c).

INSTRUMENTE DE MONITORIZARE – INCLINOMETRUL

Acest instrument se foloseste in intreaga lume de mai bine de 50 ani. Evaluarea datelor, insa, si procedurile de corectura s-au imbunatatit prin noi cunostinte si prin introduce­rea programelor de grafica si analiza. Corectarea rezultatelor inclinome­trice, pentru erorile sistematice, nu este pe deplin inteleasa pana in prezent si nu este o practica comuna.

Inclinometrele sunt folosite la monitorizarea miscarilor laterale ale pamantului, in zonele cu alunecari de teren si ramblee. Sunt folosite, de asemenea, la monitorizarea deplasa­rilor structurilor: ziduri de sprijin, culee, conducte supuse anumitor incarcari etc.

Instalarea inclinometrelor se poate face in urmatoarele scopuri:

• Investigatii de teren – investigatiile geotehnice de teren implica evaluari ale rezistentei si stabilitatii pamantului. Inclinometrele monito­rizeaza miscarea, o masura directa a stabilitatii, deci sunt folosite des in investigatiile de teren. Instalat pe locul propus al unui dig, un inclinometru poate detecta miscarile unui plan de alunecare. Planul de alunecare poate cauza probleme mai tarziu, atunci cand rezervorul din spatele digului este umplut iar presiunea apei din pori, de-a lungul planului de forfecare, creste.
• Verificarea presupunerilor din faza de proiectare – inclinometrul poate fi instalat pentru a verifica daca miscarile actuale ale structurii corespund cu acelea prezise in faza de proiectare. De exemplu, un inclinometru poate fi instalat in spatele unui zid de sprijin pentru a se verifica daca acesta se deplaseaza, atunci cand este complet incarcat, peste o valoare limita propusa. Daca inclinometrul inregistreaza valori mai mari, proiectantul poate modifica sectiunile viitoare ale zidului si poate impune noi masuri pentru cea realizata.
• Determinarea necesitatii pentru masuratori corective – inclinometrele sunt instalate pentru a urmari amplitudinea, directiile, si viteza miscarii. Aceasta informatie ajuta inginerii sa determine necesarul de masuratori corective. De exemplu, un departament de proiectare autostrazi poate avea in vedere alunecarile de teren care pun autostrada in pericol. S-ar putea sa nu existe, insa, fonduri sau forta de munca pentru a le stabiliza pe toate. Prin monito­rizarea alunecarilor de teren cu inclinometrele, inginerii pot identifica ame­nintarile cele mai grave si pot stabili prioritatile masurilor de stabilizare.
• Monitorizarea performantelor pe termen lung – inclinometrele sunt instalate pentru monitorizarea si detectarea, pe termen lung, a schimbarilor conditiilor de teren sau din structura. De exemplu, un constructor care repara zidul de sprijin al unei autostrazi poate bloca accidental sistemul de drenaj, cauzand cresterea presiunii apei din pori in spatele zidului. O monitorizare de rutina a inclinometrului poate detecta deplasarea pamantului din spatele zidului, inainte ca acesta sa devina vizibil.
• Monitorizare de siguranta – in mod special, inclinometrele care sunt monitorizate continuu pot avertiza, in timp util, asupra cedarii catas­trofice. Asemenea sisteme pot fi instalate langa autostrazi, cai ferate si conducte sau alte obiective de interes ridicat care traverseaza zone cu alunecari de teren.

Studiu de Caz

Monitorizarea versantului drept al acumularii Catamarasti, judetul Botosani

Reperii de monitorizare au fost monitorizati inclinometric si piezometric in perioada iulie 2010 –  octombrie 2011. Pozitia reperelor de monitorizare este indicata in figura 4, prin raport cu elementele acumularii Catamarasti si versantul drept al acesteia. Reperii de monitorizare sunt amplasati pe versantul drept al acumularii, cu exceptia celui identificat ca S2.4 care este instalat in corpul barajului.

Datele masuratorilor sunt exprimate prin:

• identificare tubulatura (tub inclinometric) de monitorizare si tip de monitorizare efectuata;
• valori masurate pe doua directii ortogonale, pe intreaga adancime a tubulaturii inclinometrice;
• valorile vectorilor deplasare, rezultanti pe directia amonte – aval in general, conform cu panta versantului;
• plan de situatie cu identificarea valorii, directiei si sensului vectorului deplasare, la diferite cote absolute;
• sectiuni transversale, cu indicarea valorii vectorului deplasare in valoarea absoluta, in functie de adancimea monitorizata a sectiunii, avand, ca referinta, cota absoluta;
• observatii cu privire la starea tubulaturii si modul de efectuare a masuratorilor.

Adancimile de la care au fost preluate datele monitorizarii sunt exprimate in valori absolute. Fata de datele masuratorilor topografice din 2009 se identifica o coborare gene­rala a suprafetei zonei monitorizate. Acest lucru se poate identifica si din faptul ca aproape toate tuburile „au ramas suspendate“ la partea superioara (terenul s-a deplasat spatial iar tuburile au ramas „blocate / incastrate la partea inferioara“) (fig. 5).

Masuratorile inclinometrice si piezometrice au avut ca reper de inregistrare cota superioara a tubulaturii, care, fata de terenul natural (terasament baraj sau suprafata versant), este cu 30 – 70 cm mai ridicata. Prelucrarea datelor masuratorilor, sub forma valorilor maxime de deplasari (pe cele doua directii ortogonale A0 – A180 si B0 – B180 respectiv vector deplasare), s-a rea­lizat de la adancimea de 1,0 m fata de reperul de inregistrare date.

Rezultatele masuratorilor piezometrice

Rezultatele masuratorilor nivele­lor de apa, in tuburile inclinometrice instrumentate ca piezometre, sunt prezentate valoric in Tabelul 1.

Datele inregistrate indica o cobo­rare a nivelelor de apa subterana comparativ cu masuratoarea din decembrie 2011, cu pana la 2,0 m, in general. Sunt, insa, si cazuri particulare, cum ar fi S2.1, S2.3 si S3.3, unde nivelul a ramas aproximativ acelasi sau a urcat cu pana la 30 – 40 cm. Aceasta situatie trebuie interpretata in raport cu sistemele de drenaj instalate in versant.

Observatii si concluzii desprinse din prelucrarea datelor actiunii de monitorizare

Rezultatele masuratorilor indica deplasari in masivul de pamant monitorizat (versant). La nivelul terenului natural, pentru vectorul deplasare in valoare absoluta, rezultatele sunt cele din tabelul 2.

Rezultatele cu privire la vectorii deplasare (deformatiile in masivul de pamant – versant), deplasarile inregistrate (valoarea maxima absoluta), evolutia directiei si sensului vectorului deplasare, ca ordin de marime, sunt conforme cu pozitia acestora pe versant, in raport cu panta generala a acestuia.

Prelucrarea datelor masuratorilor inclinometrice cu privire la vectorul deplasare maxim la nivelul terenului natural este prezentata in Figura 6.

Rezultatele indica o directie ge­nerala de deplasare a versantului, in partea sa superioara, conform cu panta lui generala.

Ordinul de marime, pentru vectorul deplasare la nivelul terenului, creste dinspre amonte catre aval. Cele mai mari valori ale deplasarilor se inregistreaza pentru linia de moni­torizare din vecinatatea acumularii (sistemele S1.3, S2.3 si S3.3).

Prelucrarea grafica a datelor privind deplasarile in versant a condus la curbele (linii) de egala deplasare reprezentate in figura 7. Harta de deplasari prezentata poate fi imbunatatita, in masura in care exista pe versant si alti reperi monitorizati, cel putin topografic.

Curbele de egala deplasare prezentate se pot modifica la fiecare etapa de masuratoare.

Prelucrarea lor, de la etapa la etapa, este utila pentru identificarea evolutiei deformatiilor in suprafata pentru versant.

Curbele de deplasare prezentate trebuie verificate cu situatia din teren cu referire la posibile fisuri in versant, in special in partea aval a acestuia. Asemenea fisuri necesita inchidere, pentru a se evita infiltrarea apelor meteorice si activarea de noi miscari ale masivului.

Prelucrarea datelor masuratorilor inclinometrice pe verticala sistemului de monitorizare a permis identificarea adancimilor de la care tuburile inclinometrice pot fi considerate (la nivelul acestei etape de masuratori) ca fiind incastrate. Curbe de egala adancime plan de incastrare sunt prezentate in figura 8.

Criteriul de stabilire a cotei de incastrare este cel corespunzator unei deplasari (la respectiva cota) sub valoarea de 2,0 mm, pe ambele directii de monitorizare.

La nivelul acestei etape de monitorizare, dupa valoarea adancimii la care terenul poate fi considerat stabil, fenomenele de instabilitate pentru versantul drept al amenajarii Catamarasti pot fi incadrate la „alunecari de mica adancime la alunecari adanci“.

In Tabelul 3 este prezentata va­loarea vitezei de deplasare a versantului in suprafata, viteza exprimata in mm/an pentru intervalul de timp  cuprins intre masuratorile 1 si 2, perioada decembrie 2010 – octom­brie 2011. Rezultatele obtinute pentru toate sistemele de monitorizare inclinometrica indica incadrarea fenomenelor de instabilitate din versantul drept al Amenajarii Catamarasti in categoria alunecarilor de teren extrem de lente (curgere lenta).

Cu privire la rezultatele masuratorilor topografice, in raport cu rezultatele actiunii de monitorizare incli­nometrica si cu datele preluate de pe teren (cartare geologica – inginereasca), se impun urmatoarele observatii:

• la data efectuarii ultimei masu­ratori de monitorizare pe versant se puteau observa fisuri cu deschidere centimetrica (fig. 9), paralele cu linii­le de pozitionare a sistemelor de monitorizare;
• toate sistemele de monitorizare prezentau tubul inclinometric in supra­fata ca fiind „suspendat“ impreuna cu placa de beton;
• urmare a valorilor obtinute pentru vectorul deplasare, din actiunea de monitorizare inclinometrica si cu situatia raportata in teren (cu privire la morfologie) in raport cu cel din actiunea de monitorizare topografica, se impune efectuarea unei etape suplimentare de masuratori topo­grafice care sa includa si sistemul fisural din versant.

Concluziile obtinute ca urmare a efectuarii actiunii de monitorizare a starii de deformatii a versantului Acumularii Catamarasti si a nivelelor de apa subterana pot fi sintetizate dupa cum urmeaza:

• in versant se inregistreaza deplasari a caror valoare maxima este de 4,0 cm la nivelul terenului natural;
• deplasari in versant se inre­gistreaza si pe directie orizontala (in plan) pana la adancimi cuprinse intre 8,0 m si 11,0 m;
• pe suprafata versantului se inre­gistreaza dezvoltarea fisurilor cu deplanare si deschideri centime­trice (deplasare spatiala a supra­fetei versantului);
• ordinul de marime al vitezelor de deplasare inregistrate incadreaza deplasarile masivului de pamant in categoria „alunecarilor extrem de lente“;
• ordinul de marime al adancimii de la care sistemele de monitorizare pot fi considerate ca fiind incastrate incadreaza miscarea masivului de pamant la categoria „alunecari de mica adancime la alunecari adanci“;
• directia de deplasare este transversala Acumularii Catamarasti iar sensul de deplasare al masivului de pamant este amonte – aval, conform cu panta versantului;
• nivelul apei subterane a scazut, in general, cu pana la 2,0 m dar sunt si cazuri particulare, cum ar fi zonele unde nivelul a ramas aproximativ acelasi sau a urcat cu pana la 30 – 40 cm.

CONCLUZII

Urmare a prezentarii rezultatelor studiului de caz se subliniaza necesitatea investigatiilor de teren de tipul instrumentarii cu sisteme de monitorizare deformatii / eforturi / nivele de apa, ca elemente principale ale activitatii de urmarire a amplasamentelor cu risc din punct de vedere al alunecarilor de teren. Rezultatele acestor investigatii sunt foarte utile pentru:

• prognozarea comportarii unor versanti stabili sau in echilibru limita, ca urmare a modificarilor geomorfologice induse de realizarea unor platforme de cai de comunicatie, inundare pentru crearea unor lacuri de acumulare etc.;
• cuantificarea efectului unor lucrari de consolidare (drenaje, deca­pari, umpluturi, sprijiniri) in cazul unor tronsoane reprezentative ale alunecarilor de teren active de anvergura; pe baza rezultatelor obti­nute se pot schimba solutiile adoptate initial si se pot proiecta lucrari eficiente, atat din punct de vedere al stabilitatii versantului cat si din punct de vedere economic;
• instituirea unui sistem de informare si alerta in cazul in care evolutia deformatiilor sau nivelelor de apa indica posibilitatea aparitiei unei astfel de situatii;
• confirmarea prezumtiilor de proiectare cu privire la lucrarile de sprijin, lucrarile de terasamente sau de epuizmente efectuate;
• calibrarea modelelor de calcul utilizate la proiectarea si dimensio­narea lucrarilor efectuate in scopul asigurarii conditiilor de stabilitate ale amplasamentului / lucrarii de monitorizat.

BIBLIOGRAFIE

1. Marchidanu, E., „Geologie inginereasca cu elemente de protectia mediului geologic si geologie turistica“, Ed. Tehnica, 2005;
2. Olteanu, A. C. “Note de curs“;
3. Dunnicliff, J. „Geotechnical lnstrumentation for monitoring field performance“, John Wiley & Sons, Inc., 1988;
4. Documentatii Durham Geo Slope Indicator etc.;
5. Olteanu, A. C., TomSa C., „Monitorizare Inclinometrica si Piezo­metrica pentru obiectivul Acumulare Catamarasti“, Contract 275 / 2010 UTCB.

Autori:
dr. ing. Andrei Constantin Olteanu – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, Facultatea de Cai Ferate, Drumuri si Poduri, Departamentul de Geotehnica si Fundatii
MSc. ing. Cristina Tomsa – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, Departamentul de Geotehnica si Fundatii 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 109 – noiembrie 2014, pag. 76