Erozija rečnog korita izazvana rušenjem mostova

MIODRAG JOVANOVIĆ, Građevinski fakultet, Beograd, mjovanov@grf.bg.ac.yu RADIVOJE JONIĆ, SINIŠA ŠPEGAR, LJUBIŠA MIHAJLOVIĆ, Savezna javna ustanova za održavanje i razvoj unutrašnjih plovnih puteva, Beograd, plovput@co.yu

Rezime

Ovaj članak se bavi erozijom rečnog korita i prikazuje rezultate terenskih merenja erozionog procesa izazvanog naglim formiranjem podvodnih prepreka. Reč je o Dunavu i tri mosta u Novom Sadu koji su srušeni u napadu NATO na Jugoslaviju, aprila 1999. godine, a koji su, delujući kao pragovi na dnu reke, izazvali velike poremećaje strujne slike i doveli do značajne erozije korita. Osamnaest meseci nakon rušenja, izvršen je pokušaj da se sagledaju razmere morfoloških promena koje se odvijaju u pravcu uspostavljanja novog ravnotežnog stanja korita.

Ključne reči: morfologija rečnog korita, lokalna erozija korita, eroziona dubina

Abstract

This technical note is a contribution to river bed scour analysis, presenting results of field investigations of scouring processes induced by sudden formation of underwater barriers. It describes a case study of the Danube river and three bridges at city of Novi Sad which were destroyed during NATO raid on Yugoslavia in April 1999, and which, acting as submerged sills, strongly affected the river flow pattern, and caused large scale erosion of the river bed. Eighteen months after the event, an attempt is made to assess the morphological river response to new conditions, and the evolution of the river bed toward its new dynamic equilibrium.

Key words: river bed morphology, local scour, scouring depth

UVOD

Erozija rečnog korita je godinama predmet teorijskih i eksperimentalnih izučavanja. Ovaj članak pristupa navedenoj temi iz specifičnog ugla, jer opisuje velike morfološke promene u koritu Dunava, koje su nastale naglim formiranjem podvodnih barijera (“pragova”) od porušenih mostova u Novom Sadu, u vreme napada NATO snaga na našu zemlju, aprila 1999. godine. Takav događaj nigde nije do sada zabeležen, niti su naši hidrotehnički inženjeri bili ikada suočeni sa tako drastičnim i neplaniranim morfološkim posledicama poremećaja rečnog oticaja. Osamnaest meseci nakon rušenja mostova, izvršen je pokušaj da se bar donekle sagledaju razmere morfoloških promena kako bi se moglo pristupiti čišćenju rečnog korita i uspostavljanju plovidbe.

UZROCI EROZIONIH PROCESA

Na Slikama 1–6 su prikazana tri mosta na Dunavu u Novom Sadu (km 1252+900 – 1258+700), pre i posle njihovog rušenja, aprila 1999. godine. Ova tri mosta različitog tipa (viseći most od prednapregnutog betona, čelični rešetkasti most i masivni lučni most od prednapregnutog betona), dali su mogućnost stranoj avijaciji da na jednom mestu ispita dejstvo svojih projektila, a našim inženjerima hidrotehnike, nažalost, da izučavaju erozione procese rečnog korita na eksprimentu u razmeri 1:1.

Slika 1. Mostovi u Novom Sadu pre aprila 1999. godine; most Slobode, viseće konstrukcije od prednapregnutog betona, dužine 591 m, prikazan je u prvom planu (km 1257+600). Fig. 1. Layout of bridges in city Novi Sad prior to April 1999; the 591 m long Sloboda suspension prestressed concrete bridge (km 1257.60) is in the front plan.

Slika 2. Most Slobode srušen 4. aprila 1999. godine; polomljeni centralni deo konstrukcije formirao je prepreku u obliku slova "V", čiji je najniži deo u potpunosti zatrpan peskom. Fig. 2. The Sloboda bridge after bombardment on April 4th 1999; the central span collapsed over the navigable waterway forming a V–shaped barrier, the lowest part of which is now completely covered with sand.

Slika 3. Petrovaradinski most (km 1255) pre rušenja; čelična rešetkasta konstrukcija sa centralnim rasponom od 130 m i dva raspona od po 51 m. Fig. 3. The Petrovaradin bridge (km 1255) before destruction; its structure was K–type girder truss, with 130 m central span, and two minor 51 m spans.

Slika 4. Petrovaradinski most nakon rušenja 1. aprila 1999. godine; potopljena konstrukcija ovog mosta je izvađena iz rečnog korita i nova čelična konstrukcija je postavljena na stare stubove Fig. 4. The Petrovaradin bridge after being hit on April 1st 1999; the structure has been removed from the river bed, and a new steel bridge was recently launched on the original piers

Slika 5. Žeželjev most (km 1254+170) pre rušenja 26. aprila 1999. godine; njegova lučna konstrukcija od prednapregnutog betona, imala je raspone od 231 i 180 m. Fig. 5. The Zezelj bridge (km 1254+170) prior to destruction on April 26th 1999; its prestressed concrete arch structure had 231 m and 180 m spans.

Slika 6. Masivni Žeželjev most je četiri puta raketiran dok nije u potpunosti srušen; i pored toga što je korito u zoni mosta snimano u više navrata, tačan položaj lukova mosta na rečnom dnu do sada nije u potpunosti utvrđen, ali se smatra da potopljena konstrukcija formirala prag prosečne visine 7 m po celoj dužini profila, radikalno remeteći strujnu sliku na datoj lokaciji. Fig. 6. The massive Zezelj bridge was bombed four times until it was completely pulled down; in spite of several soundings, the exact position of the arches lying on the river bed is still unknown, but it is estimated that a 7 m high underwater sill has been formed along the entire cross section, radically affecting the flow pattern.

KVALITATIVNA ANALIZA EROZIONIH PROCESA

Deonica Dunava u zoni Novog Sada (km 1252+900–1258+700) godinama se sistematski snima za potrebe plovidbe. Utvrđeno je da je u poslednjih 25 godina rečno korito na ovom sektoru u stanju relativne dinamičke ravnoteže, što znači da u ovom periodu nije bilo značajnijih morfoloških promena rečnog korita.

Aprila 1999. godine, srušeni mostovi su formirali podvodne barijere na rečnom dnu, izazivajući ozbiljnu lokalnu deformaciju korita nizvodno od svakog mosta. Razvoj korita je registrovan ehosonderom u šest navrata, počev od aprila 1999. godine (neposredno nakon bombardovanja), do oktobra 2000. godine, što znači da je snimanjem obuhvaćen period od 18 meseci. U tom periodu su zabeležena dva ciklusa visokih i niskih vodostaja, kao što je prikazano na Slici 7.

72

73

74

75

76

77

78

1-Ja

n-19

99

1-Fe

b-19

99

1-M

ar-1

999

1-Ap

r-19

99

1-M

ay-1

999

1-Ju

n-19

99

1-Ju

l-199

9

1-Au

g-19

99

1-Se

p-19

99

1-O

ct-1

999

1-N

ov-1

999

1-D

ec-1

999

1-Ja

n-20

00

1-Fe

b-20

00

1-M

ar-2

000

1-Ap

r-20

00

1-M

ay-2

000

1-Ju

n-20

00

1-Ju

l-200

0

1-Au

g-20

00

1-Se

p-20

00

1-O

ct-2

000

Apso

lutn

a ko

ta n

ivoa

[m

.n.m

.]

Q=5700 m3/s

Q=2800 m3/s

Srednja kota nivoa

Q=1000 m3/s

Niski plovidbeni nivo (EN) = 72.53

April

21-

24. 1

999.

Jun

9-10

. 199

9.

April

28

- M

aj 2

. 200

0.

Avgu

st 1

8. 2

000.

Okt

obae

r 4.

200

0.

Slika 7. Hidrološki režim u periodu morfoloških promena dunavskog korita, sa datumima snimanja korita. Fig. 7. Water stage hydrograph showing hydrologic regime during the period of morphological river bed changes, and dates of echo sounding measurements.

Slika 8. Morfologija dunavskog korita u Novom Sadu (km 1252+900–km 1258+700) pre rušenja mostova (april 1999. godine) i godinu dana nakon njihovog rušenja (maj 2000. godine) Fig. 8. The morphology of the Danube river bed at city Novi Sad (km 1252.90–1258.70) prior to bombing of bridges (April 1999) and one year later (May 2000).

Na Slici 8 je prikazano poređenje morfologije korita u stabilnim uslovima pre aprila 1999. godine i u maju 2000. – godinu dana nakon početka erozije korita. Može se primetiti da je na lokaciji najuzvodnijeg mosta, prepreka u obliku slova "V", formirana izlomljenom konstrukcijom mosta Slobode, dovela do pojave usamljenog spruda u centralnom delu korita, neposredno nizvodno od mosta (Slika 8–(1)). Matica se premestila ka desnoj obali, produbljujući ovaj deo korita u proseku za oko 2 m, pri čemu je ugrožena stabilnost mostovskog stuba. Sličan fenomen je zabeležen i nizvodno od Petrovaradinskog mosta, gde se u centralnom delu korita pojavio usamljeni sprud visine od oko 5 m u odnosu na prvobitnu kotu dna, a matica pomerila uz levu obalu (Slika 8–(2)). Na tom sektoru je korito produbljeno za 4–5 m, čime je ugrožena stabilnost obale.

Međutim, najveće morfološke promene su se desile nizvodno od Žeželjevog mosta, što je razumljivo imajući u vidu veličinu i masu konstrukcije koja je formirala podvodni prag. Tačan položaj potopljenih lukova mosta tek treba da se utvrdi. (Snimanja kamerom nisu moguća usled velike turbulencije i zamućenosti toka, a aktivnost gnjuraca je ograničena velikim brzinama vode (Slika 9)). Primetne su tri velike erozione jame neposredno nizvodno od ovog mosta (Slika 8–(3)). Njihova veličina je uslovljena kombinacijom niza faktora, kao što je hidrološki režim, geometrija podvodnog praga, glavni pravac toka, sekundarni efekti krivine, itd. Primarni uticaj je međutim složen, prostorni, turbulentni karakter strujanja preko potopljene konstrukcije i kroz nju. Razmera hidrauličkog poremećaja koji se formirao u profilu Žeželjevog mosta postaje jasna ako se ima u vidu da su u pojedinim periodima u ovom profilu registrovane denivelacije do oko 0.20 m, a proračuni koji obuhvataju velike vode pokazuju mogućnost formiranja denivelacije do 0.45 m [2]. Matica je prisustvom podvodne prepreke usmerena ka levoj obali, ugrožavajući stabilnost kejske konstrukcije na dužini od oko 250–300 m.

Promenom hidrauličkog režima, na deonici dužine 1.4 km u zoni uticaja Petrovaradinskog i Žeželjevog mosta, javio se ukupni pad nivoa 0.27–0.62 m, koji u prirodnim uslovima odgovara deonici dužine 10 km. Istovremeno je poremećen prirodni raspored brzine duž vodotoka, tako što su se na sektoru kroz Novi Sad u zoni potopljenih mostova javile deonice sa ubrzanim strujanjem (slika 9).

Ehogrami pokazuju da se erodirani materijal taloži na oko 1 km nizvodno od Žeželjevog mosta (na ušću kanala Savino Selo–Novi Sad), gde je formiran poprečni sprud (Slika 8–(4)), bez čijeg bar delimičnog bagerovanja neće biti moguće uspostavljanje plovdibe. Uočeno je takođe da se hidraulički i morfološki poremećaji izazvani kod Novog Sada prenose nizvodno sve do ušća Tise (km 1215), gde je, usled prevelikog povećanja ulaznih tovara nanosa u odnosu na transportni kapacitet vodotoka, na sektoru dužine oko 40 km došlo do formiranja sprudova, pomeranja matice i nestabilnosi obale.

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Povr

šins

ka b

rzin

a [m

/s]

Žeželjev most

Odstojanje [m]0 4020 60

Slika 9. Površinske brzine izmerene oktobra 1999. godine po osovini najveće erozione jame nizvodno od Žeželjevog mosta (Slika 8–(3)) [1]. Fig. 9. Surface velocities measured in Oct. 1999 along the longitudinal axis of the principal scour hole downstream from the fallen Zezelj bridge (Fig. 8–(3)) [1].

KVANTITATIVNA ANALIZA EROZIONIH PROCESA

Za pokušaj kvantitativne procene morfoloških promena u rečnom koritu razmatrana je deonica dužine 1.4 km, nizvodno od Petrovaradinskog mosta (km 1255), jer su na ovoj deonici te promene najviše izražene.

Slika 10 prikazuje evoluciju poprečnog profila lociranog 80 m nizvodno od Žeželjevog mosta (Slika 8–(3)). Jasno se uočavaju 3 zone produbljenja korita.

Slika 10. Promene poprečnog preseka neposredno nizvodno od Žeželjevog mosta (km 1254+090) Fig. 10. The evolution of a cross section immediately downstream from the Zezelj bridge (km 1254.090).

Slika 11. Ehogram koji prikazuje podužni profil najveće erozione jame nizvodno od Žeželjevog mosta, oktobra 1999, šest meseci nakon početka odvijanja erozionog procesa [1] (protok Q = 2400 m3/s, kota nivoa Z = 73.83 mnm). Fig. 11. Echogram showing the longitudinal profile of the largest scour hole downstream from the fallen Zezelj bridge, in October 1999, six months after the onset of the scouring process (discharge Q = 2400 m3/s, abs. water stage Z = 73.83m)

Na Slici 11 je prikazan tipični ehogram podužnog profila najveće erozione jame nizvodno od Žeželjevog mosta (Slika 8–(3)). Promena erozione dubine se može u datom slučaju definisati izrazom (Slika 12):

hs / hse = 1 – exp[ -3.5 ( t / T )0.6 ] (1)

gde je hs – trenutna eroziona dubina, hse – konačna (terminalna) eroziona dubina, t – vreme, a T – karakteristično vreme potrebno za dostizanje novog stanja dinamičke ravnoteže rečnog korita. Navedni izraz je u saglasnosti sa teorijskim navodima iz literature [3].

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.20.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

hs / hse

t / T Slika 12 Vremenska zavisnost erozione dubine (hse =14.7 m, T = 500 dana)

Fig. 12. Temporal variation of the scour depth (hse =14.7 m, T = 500 days)

Dijagram na Slici 12 pokazuje da je brzina erozionog procesa jako promenljiva i da se nakon kratkog perioda naglih promena, koji u datom slučaju iznosi oko 2 meseca, proces usporava. U konkretnom primeru je prosečna brzina dubinske erozije u početnom periodu iznosila 0.15 m/dan. Procenjeno je da je sa lokacije Žeželjevog mosta za godinu dana erozijom odneto oko 200000 m3 materijala, pri čemu je prosečna brzina erozije u prva dva meseca iznosila oko 3800 m3/dan.

Na osnovu terenskih snimanja sektora između Petrovaradinskog i Žeželjevog mosta, utvrđeno je da je za godinu dana iz dunavskog korita odneto oko 600000 m3 materijala, što daje prosečnu brzinu deformacije od 1640 m3/dan, dok se maksimalna brzina u prvih 2 meseca na ovoj deonici procenjuje na 7000 m3/dan

ZAKLJUČCI

Veliki aluvijalni vodotoci intenzivno reaguju na veštačku opstrukciju tečenja, prilagođavajući morfologiju korita novonastalim uslovima. Na osnovu iskustva sa srušenim mostovima u Novom Sadu, može se pretpostaviti da je kod velikih reka kao što je Dunav (srednji mesečni protok Q=2940 m3/s), period stabilizacije rečnog korita u prosečnim hidrološkim uslovima oko 1–1.5 godine. Rezultati terenskih merenja potvrđuju da se dubina erozione jame može definisati eksponencijalnom funkcijom, kao što je ona predstavljena izrazom (1). Ova zavisnost istovremeno opisuje i brzinu erozionog procesa, pri čemu vrednosti konstanti zavise od konkretnih uslova.

LITERATURA

[1] Grupa autora "Hidrotehnički aspekti saniranja posledica rušenja mostova u Novom Sadu", Savezna javna ustanova za održavanje i razvoj unutrašnjih plovnih puteva, Beograd, 1999.

[2] Grupa autora "Studija uticaja srušenih mostova na Dunavu u Novom Sadu na uslove odbrane od poplava i leda", Institut za vodoprivredu "Jaroslav Černi", Beograd, 1999.

[3] Mosselman, E., Verheij, H.J. Discussion on the article "Experimental study on scour rate and river bed inertia" by Z.Y.Wang, Journal of Hydraulic Research, Vol.38, 2000, No.4.