Czym są ścianki szczelne? Budowa, rodzaje, zastosowanie

Ścianki szczelne to inżynierskie przegrody liniowe służące do tymczasowej lub stałej separacji gruntu i wody. Stosuje się je w geotechnice i hydrotechnice do obudowy wykopów, ograniczania filtracji oraz kształtowania brzegów cieków i akwenów. Działają poprzez przeniesienie parcia gruntu i ciśnienia wody na element nośny i podłoże, jednocześnie wydłużając drogę filtracji wód gruntowych. Ich dobór i projektowanie wymagają równoczesnej analizy stateczności konstrukcyjnej i warunków przepływu w ośrodku porowatym.

Czym są ścianki szczelne?

Ścianki szczelne to ciągłe przegrody wykonane z łączonych zamkami elementów liniowych, najczęściej grodzic, których zadaniem jest ograniczenie przepływu wód gruntowych oraz utrzymanie stateczności skarp i ścian wykopów. Konstrukcyjnie pracują jako belki zagłębione w ośrodek gruntowy, przenosząc parcie czynne i bierne gruntu oraz ciśnienie hydrostatyczne na strefę stopy i ewentualne podpory pośrednie.

Z punktu widzenia hydrogeologii redukują strumień filtracji przez wydłużenie ścieżki przepływu i zwiększenie oporu hydraulicznego, zgodnie z prawem Darcy’ego. W projektowaniu kontroluje się ryzyko przebicia hydraulicznego i podniesienia dna wykopu, tak aby gradient hydrauliczny i był mniejszy od wartości krytycznej i_cr ≈ γ′/γ_w, która dla gruntów niespoistych bywa zbliżona do jedności. Ścianka nie jest absolutnie wodoszczelna, a przecieki mogą występować przez zamki i strefę przydenną, dlatego wymagana jest ocena dopuszczalnego dopływu i ewentualne uszczelnienia. W analizie statycznej stosuje się teorie parcia ziemi Rankine’a lub Coulomba oraz metody równowagi granicznej i belek sprężysto-plastycznych (np. metoda Bluma) dla układów kotwionych i rozpartych. Parametrami decydującymi są długość zakotwienia w gruncie o odpowiedniej wytrzymałości, współczynnik filtracji k warstw podłoża, moduł przekroju Wx grodzic oraz granica plastyczności materiału. Projekt prowadzi się według PN-EN 1997-1 i PN-EN 1993-5, uwzględniając kombinacje oddziaływań, wpływ wody, trwałość i warunki wykonania.

Budowa ścianek szczelnych

Budowa ścianek szczelnych polega na odpowiednim doborze profili grodzic, zapewnieniu szczelności połączeń, zaprojektowaniu układu podparcia oraz wyborze technologii montażu dostosowanej do warunków gruntowo-wodnych. Parametry elementów, sposób łączenia i dokładność montażu mają bezpośredni wpływ na nośność, sztywność oraz szczelność całej konstrukcji. Wymagania dotyczące jakości wykonania, dopuszczalnych odchyłek i kontroli pomiarowej są określone w normach wykonawczych, co umożliwia sprawdzenie zgodności z projektem i bezpieczeństwo użytkowania.

Grodzice i zamki konstrukcyjne

Grodzice, stanowiące główny element ścianek szczelnych, wykonywane są zazwyczaj jako profile stalowe walcowane na gorąco o przekrojach typu U lub Z. Zamki grodzic pozwalają na szczelne łączenie kolejnych elementów w długą, ciągłą przegrodę. Wybór kształtu profilu zależy od wymaganej nośności i sztywności - profile Z zapewniają lepsze wykorzystanie przekroju przy zginaniu, natomiast profile U ułatwiają tworzenie par i sekcji podwójnych. Do ich produkcji stosuje się stale konstrukcyjne klasy S355GP zgodne z normą EN 10248, zapewniające odpowiednią wytrzymałość i spawalność. Przy projektowaniu bierze się pod uwagę m.in. moduł przekroju plastycznego, moment bezwładności, grubość ścianki i masę jednostkową, które muszą odpowiadać przewidywanym obciążeniom i stanom granicznym. W długich odcinkach dopuszcza się łączenie grodzic spoinami czołowymi, po wcześniejszym sprawdzeniu prostoliniowości, aby uniknąć nadmiernych oporów podczas pogrążania w gruncie. W miejscach o większych siłach projektuje się zestawy podwójne lub skrzynkowe, które zwiększają sztywność bez zmiany technologii montażu. Dokładność wykonania zamków wpływa na szczelność połączeń i możliwość prawidłowego zazębienia elementów, dlatego preferuje się użycie profili z tej samej serii walcowania. Ochronę przed korozją uzyskuje się przez stosowanie naddatków korozyjnych lub powłok zabezpieczających na powierzchniach narażonych na zmienne oddziaływanie wody i powietrza.

Uszczelnianie i doszczelnienie podstopia

Szczelność hydrauliczna ścianki szczelnej zależy od jakości połączeń w zamkach oraz ograniczenia przepływu wody pod stopą grodzic. Do uszczelniania zamków stosuje się taśmy bitumiczne, elastomerowe lub profile z tworzyw sztucznych, które zapewniają elastyczność i odporność chemiczną w kontakcie z wodami gruntowymi. Materiały te montuje się przed lub w trakcie wbijania grodzic, dbając o ciągłość połączeń i brak przerw. W przypadku zwiększonych wymagań szczelności stosuje się zgrzewanie zamków lub iniekcje uszczelniające, które mogą ograniczyć przepuszczalność nawet do poziomu 10⁻⁶–10⁻⁸ m/s. W celu ograniczenia filtracji pod ścianką, grodzice powinny być pogrążone w warstwie gruntu o niskiej przepuszczalności lub uzupełnione o kurtyny szczelne, takie jak iniekcje cementowo-bentonitowe, kolumny DSM lub jet-grouting. O doborze technologii decydują warunki geotechniczne, ciśnienie wody gruntowej i ryzyko sufozji. Efektywność wykonanych uszczelnień można sprawdzić poprzez badania ciśnieniowe lub pomiary obniżenia zwierciadła wody po stronie odwodnionej. W strefach przemarzania stosuje się elastyczne materiały o niskiej podatności na pękanie, a w rejonach korozyjnych dodatkowo wypełnia się zamki materiałami mineralnymi, które ograniczają dostęp tlenu i wody.

Układ podparcia i rozdział sił

Układ podparcia ścianek szczelnych zapewnia ich stabilność oraz ogranicza przemieszczenia podczas prac ziemnych. Elementami podparcia są oczepy, rygle i rozparcia lub ściągi, które równomiernie rozdzielają siły na grodzice. Oczepy wykonywane są ze stali lub betonu i stanowią podstawę dla mocowania rozparć lub ściągów kotwowych. Rozparcia stalowe w formie rur lub kształtowników montuje się na odpowiednich poziomach, a ich siły wstępne ustawia się za pomocą siłowników hydraulicznych, aby kontrolować ugięcia ścianki podczas kolejnych etapów głębienia. Ściągi kotwowe przekazują obciążenia na bloki lub ściany przeciwległe; wyposażone są w przeguby i płyty rozdzielcze, które eliminują mimośrody i lokalne przeciążenia. Liczba poziomów podparcia zależy od głębokości wykopu, parametrów gruntu i dopuszczalnych przemieszczeń. Połączenia oczepów i rygli projektuje się z uwzględnieniem sił poziomych i osiowych oraz ewentualnych błędów montażowych. W konstrukcjach stałych stosuje się zabezpieczenia antykorozyjne wszystkich elementów metalowych i osłony gwintów regulacyjnych. Ważne jest, by system podparcia umożliwiał bezpieczne odciążenie i demontaż bez nagłych zmian sił w ściance przy przejściu z fazy tymczasowej do docelowej.

Rodzaje ścianek szczelnych

Ścianki szczelne można podzielić według rodzaju materiału, kształtu profilu, sposobu pracy konstrukcyjnej oraz metody zapewnienia szczelności i technologii montażu. Wybór rozwiązania zależy od warunków gruntowo-wodnych, wymaganej szczelności, dopuszczalnych przemieszczeń oraz docelowego przeznaczenia obiektu. Poniżej przedstawiono najczęściej stosowane typy ścianek wraz z ich właściwościami i typowymi zastosowaniami.

Grodzice stalowe walcowane na gorąco
Profile typu U, Z, AZ, PU i GU produkowane są w procesie walcowania na gorąco, co zapewnia im dużą dokładność wymiarową i stabilność geometryczną. Cechują się wysoką sztywnością, dobrą szczelnością zamków i dużą wytrzymałością na zginanie, dzięki czemu stosuje się je w głębokich wykopach i konstrukcjach hydrotechnicznych pod dużymi obciążeniami. Wykonuje się je ze stali konstrukcyjnych o podwyższonej granicy plastyczności i odporności na korozję, co umożliwia ich wielokrotne użycie. Grodzice te są najczęściej wykorzystywane w budownictwie morskim, portowym i w głębokich wykopach miejskich.

Grodzice stalowe formowane na zimno
Powstają z blach stalowych giętych na zimno, co pozwala uzyskać profile o mniejszej masie i niższej cenie w porównaniu z walcowanymi na gorąco. Charakteryzują się mniejszą sztywnością i dokładnością wykonania zamków, dlatego stosuje się je głównie w gruntach jednorodnych i konstrukcjach o umiarkowanej wysokości. Ich zaletą jest łatwość obróbki i dostępność szerokiego zakresu wymiarów. Sprawdzają się w lekkich zabezpieczeniach wykopów, obudowach tymczasowych i w mniejszych inwestycjach hydrotechnicznych.

Układy king pile z wypełnieniem
System składa się z pali głównych – rurowych lub dwuteowych - oraz grodzic pośrednich, które wypełniają przestrzenie między nimi. Takie rozwiązanie łączy wysoką nośność i sztywność pali z ciągłością przegrody zapewnianą przez grodzice. Węzły łączenia realizuje się przy użyciu zamków typu C, Larssen lub spawanych listew. Układy king pile stosowane są w nabrzeżach, estakadach i ścianach oporowych o dużych rozpiętościach między podporami.

Ścianki z PVC
Ścianki z polichlorku winylu (PVC) są lekkie, odporne na korozję i łatwe w montażu, dzięki czemu stosuje się je w warunkach ograniczonego dostępu lub przy niewielkich obciążeniach. Mają jednak niski moduł sprężystości, co ogranicza ich wysokość roboczą i wymaga kontroli przemieszczeń. Zazwyczaj wyposażone są w zamki z uszczelkami, które zwiększają szczelność połączeń. Stosuje się je głównie do zabezpieczenia brzegów rzek, kanałów i małych obiektów hydrotechnicznych.

Ścianki z FRP (kompozytowe)
Ścianki wykonane z tworzyw kompozytowych zbrojonych włóknem szklanym lub węglowym cechują się dużą odpornością na korozję i małą masą. Dzięki wysokiemu stosunkowi wytrzymałości do ciężaru stosuje się je tam, gdzie ważna jest trwałość i brak konserwacji. Detale połączeń realizuje się poprzez klejenie lub łączenia mechaniczne, a przy projektowaniu uwzględnia się rozszerzalność termiczną materiału. Sprawdzają się w środowiskach agresywnych chemicznie, np. w oczyszczalniach i obiektach nadmorskich.

Ścianki drewniane
Wykonywane z drewna iglastego, stanowią rozwiązanie lekkie i ekologiczne, używane głównie w tymczasowych lub małych konstrukcjach hydrotechnicznych. Drewno zabezpiecza się impregnacją ciśnieniową i dobiera pod kątem odporności biologicznej. Choć ich nośność i trwałość są ograniczone, to dobrze sprawdzają się przy niewielkich głębokościach wykopów oraz jako obudowy ochronne. Montaż odbywa się zwykle metodą wibracyjną lub poprzez wciskanie bezudarowe.

Ścianki wolnopodparte konsolowe
To najprostszy układ pracy, w którym ścianka zachowuje się jak wspornik zakotwiony w gruncie. Stabilność uzyskuje się dzięki odpowiedniej głębokości zakotwienia i mobilizacji oporu gruntu w stopie. Rozwiązanie to stosuje się w gruntach średniozagęszczonych i spoistych, przy niezbyt dużych wysokościach wykopów. Ograniczeniem są dopuszczalne przemieszczenia i sztywność zamków, które wpływają na bezpieczeństwo konstrukcji.

Ścianki kotwione ściągami
Ścianki kotwione wykorzystują jeden lub więcej poziomów kotew gruntowych, które redukują momenty zginające i przemieszczenia. Kotwy zakotwione są w gruncie poza klinem odłamu i przenoszą siły rozciągające na stabilny ośrodek. Naciąg wstępny kotew minimalizuje odkształcenia początkowe i poprawia stateczność ściany. Rozwiązanie to jest szczególnie korzystne w miejscach o ograniczonej przestrzeni, gdzie nie można zastosować rozparć wewnętrznych.

Ścianki rozparte wewnętrznie
W tym układzie parcie gruntu jest przenoszone przez system rozparć i rygli, które ograniczają deformacje ścianki. Rozparcia montuje się etapami wraz z pogłębianiem wykopu, a siły w nich kontroluje się przy użyciu pomiarów tensometrycznych. Ciągłość i równomierny rozkład sił zapewniają rygle poziome. Metoda ta jest powszechnie stosowana w gęstej zabudowie miejskiej, gdzie dopuszczalne przemieszczenia muszą być bardzo małe.

Grodze tymczasowe z grodzic
Tymczasowe grodze z grodzic tworzą szczelną przestrzeń roboczą, umożliwiającą prowadzenie robót fundamentowych lub montaż konstrukcji podwodnych w suchych warunkach. Wymagają zachowania ciągłości zamków i, w razie potrzeby, doszczelnienia podstopia. Projektuje się je z uwzględnieniem różnicy poziomów wody, parcia gruntu i naporu fal. Po zakończeniu prac grodzice są wyciągane, co ogranicza wpływ na środowisko wodne.

Konstrukcje komórkowe z grodzic
Ścianki komórkowe tworzą układ pierścieni lub wielokątów wypełnionych gruntem, które przenoszą obciążenia przez tarcie i rozciąganie w zamkach. Dzięki współpracy komórek konstrukcja uzyskuje dużą sztywność przestrzenną i stabilność przy wysokich piętrzeniach wody. Wymagają precyzyjnego wykonania i kontroli jakości połączeń. Są powszechnie stosowane w nabrzeżach portowych i falochronach.

Nabrzeża z lica grodzicowego
Ściany grodzicowe pełniące funkcję lica nabrzeża stanowią element konstrukcji cumowniczych i przeładunkowych. Przenoszą obciążenia od odbojnic, urządzeń cumowniczych i ruchu transportowego. Wymagają zabezpieczeń antykorozyjnych dostosowanych do stref oddziaływania wody i powietrza - atmosferycznej, rozbryzgowej i zanurzeniowej. Zachowanie dopuszczalnych ugięć i osiadań jest kluczowe dla bezpieczeństwa urządzeń nabrzeżnych.

Systemy rurowo-grodzicowe
System łączy pale rurowe o dużej średnicy z grodzicami pośrednimi, co znacząco zwiększa sztywność i nośność ściany. Rury pełnią funkcję głównych elementów nośnych, a grodzice wypełniają przestrzenie między nimi, zapewniając szczelność i ciągłość przegrody. Konstrukcje tego typu są odporne na duże momenty zginające i obciążenia udarowe od fal lub jednostek pływających. Stosowane są głównie w falochronach, pirsach i nabrzeżach głębokowodnych.

Ścianki z uszczelnionymi zamkami
W celu poprawy szczelności zamki grodzic wypełnia się materiałami bitumicznymi, elastomerowymi lub mineralnymi. Ograniczają one przepływ wody przez połączenia, poprawiając warunki odwodnienia i stabilność wykopu. Skuteczność zależy od czystości i jakości montażu oraz temperatury podczas aplikacji. Rozwiązanie stosuje się zarówno w grodzicach stalowych walcowanych, jak i formowanych na zimno.

Doszczelnienie podstopia metodami iniekcyjnymi
Pod stopą ścianki wykonuje się przesłony iniekcyjne lub kolumny jet grouting, które ograniczają filtrację wód gruntowych i ryzyko przebicia hydraulicznego. Skład i siatkę otworów dobiera się w zależności od przepuszczalności gruntu i wymaganego poziomu szczelności. Efektywność prac sprawdza się poprzez pomiary ciśnienia i testy przepuszczalności. Metoda ta pozwala zwiększyć bezpieczeństwo hydrauliczne bez konieczności pogłębiania zakotwienia grodzic.

Porównanie rodzajów ścianek szczelnych

Zastosowanie ścianek szczelnych

Ścianki szczelne ograniczają filtrację wód gruntowych i przenoszą parcie gruntu oraz wody, dzięki czemu umożliwiają bezpieczne prowadzenie robót w złożonych warunkach geotechnicznych i hydrotechnicznych. Stosuje się je jako obudowy tymczasowe i konstrukcje docelowe, często w połączeniu z kotwami, rozporami, oczepami i osłonami przeciwerozyjnymi. Skuteczność zależy od właściwej geometrii, ciągłości zamków i odpowiedniego zagłębienia w warstwy o niskiej przepuszczalności.

Obudowy wykopów głębokich
Wykorzystanie ścianek szczelnych w obudowach wykopów ogranicza napływ wody i przejmuje parcie boczne gruntu, co pozwala etapować roboty z użyciem rozparć lub kotew. Głębokość posadowienia dobiera się tak, aby zapewnić nośność strefy biernej i odciąć filtrację, a także sprawdzić ryzyko przebicia hydraulicznego dna. Obliczenia obejmują parcia czynne/spoczynkowe i wpływ elementów podparcia, z kontrolą momentów zginających oraz przemieszczeń. Dodatkowe uszczelnienie zamków (np. wkładkami bitumicznymi lub PU) poprawia warunki odwodnienia.

Grodze do posadowień mostowych
W korytach rzek grodze z grodzic umożliwiają wykonanie fundamentów filarów w suchym wykopie przy znacznych różnicach poziomów wody. Konstrukcję projektuje się na parcie hydrostatyczne, obciążenia od nurtu, rumowiska i ewentualnego lodu. Dno grodzy często uszczelnia się korkiem z betonu podwodnego, co ogranicza dopływ wody i podnosi bezpieczeństwo na przebicie. Strefę zewnętrzną zabezpiecza się narzutem lub materacami, aby ograniczyć rozmycie.

Przesłony pod zaporami ziemnymi
Pod korpusem zapory ścianki tworzą pionowe przesłony przeciwfiltracyjne wydłużające drogę filtracji i obniżające gradienty. Zapewnia się ich ciągłość przez połączenie z rdzeniem zapory lub istniejącą kurtyną iniekcyjną oraz szczelne zamki. Projekt weryfikuje stan przebicia hydraulicznego oraz stateczność korpusu i podłoża przy wysokich piętrzeniach i szybkich obniżeniach zwierciadła. Dobór stali i zabezpieczeń antykorozyjnych uwzględnia agresywność środowiska i długą eksploatację.

Uszczelnienia wałów przeciwpowodziowych
W wałach ścianki umieszcza się w osi lub przy stopie po stronie odpowietrznej, aby obniżyć linię depresji i ograniczyć przesiąk. Preferuje się metody wciskania, które minimalizują drgania i ryzyko rozluźnienia gruntu. Sprawdza się stateczność globalną nasypu, dopuszczalne gradienty przy długotrwałym piętrzeniu oraz wahaniach poziomu wody. Szczególną uwagę poświęca się połączeniom z przepustami i budowlami towarzyszącymi, by uniknąć nieszczelnych styków.

Bariery przeciwmigracyjne w ochronie środowiska
Ścianki szczelne mogą pełnić rolę barier ograniczających rozprzestrzenianie zanieczyszczeń z wysypisk, lagun czy terenów poprzemysłowych. Dobiera się materiały o wysokiej odporności chemicznej i systemy uszczelnień zamków, tak aby uzyskać wymaganą przepuszczalność i kompatybilność z agresywnymi mediami. Przegrody łączy się z geomembranami, przesłonami iniekcyjnymi i płytami dennymi, eliminując obejścia boczne i denne. Skuteczność ocenia się poprzez monitoring piezometryczny i badania próbek wód.

Nabrzeża portowe i doki
W infrastrukturze portowej ścianki tworzą lico nabrzeży kotwionych, współpracując z oczepami, walersami i ściągami. Projekt uwzględnia energię dobijania jednostek, siły cumownicze, parcie nasypów zapleczowych oraz oddziaływania fal i prądów. Trwałość zapewnia dobór stali, systemów powłokowych i – w razie potrzeby – ochrony katodowej, z korektami grubości na ubytki korozyjne. Ochrona dna (materace, narzuty) ogranicza rozmycie i utratę oparcia przy stopie.

Stabilizacja skarp cieków i kanałów
Ścianki stosuje się do wzmocnienia stopy zbocza i ograniczenia erozji przy zmiennych poziomach wody. Zagłębienie przyjmuje się poniżej przewidywanej głębokości rozmycia, z zapewnieniem odpowiedniej strefy biernego parcia. Rozwiązanie uzupełnia się materacami gabionowymi lub geokompozytami, które rozpraszają energię przepływu. Analiza obejmuje stany przy szybkich obniżeniach zwierciadła i przejściowe parcia niesymetryczne.

Ochrona dna przed erozją i przebiciem hydraulicznym
Pod płytami dennymi i w rejonie ujęć ścianki działają jako cutoffy, wydłużając drogę filtracji i obniżając gradient wyjścia do wartości bezpiecznych. Często łączy się je z poszerzonymi fartuchami dennymi i basenami uspokajającymi, które redukują energię przepływu. Projekt weryfikuje uplifty na płytach i możliwe efekty zmęczeniowe od wahań eksploatacyjnych. Takie układy ograniczają podmycie i ryzyko uszkodzeń dna.

Tymczasowe obiekty hydrotechniczne
Ścianki umożliwiają wznoszenie grodzy na czas remontów śluz, jazów czy przepustów, zapewniając suchy front robót i kontrolę filtracji. Stosuje się modułowe układy wielokrotnego użytku, a szczelność poprawia wkładkami zamkowymi i korkami podwodnymi. Harmonogram montażu dopasowuje się do okien hydrologicznych i logistyki transportu elementów. Projekt przyjmuje zmienne poziomy wody oraz oddziaływania od kry i rumowiska.

Modernizacje i rozbudowy istniejących budowli
Przy pogłębianiu akwenów i zwiększaniu nośności nabrzeży ścianki stosuje się jako ściany przedpolowe lub wzmocnienie czoła istniejących konstrukcji. Wymaga to dopracowanych detali łączenia z oczepami i systemami kotwień oraz kontroli różnic osiadań. Metody bezwibracyjne (wciskanie) ograniczają wpływ na sąsiednie obiekty i infrastrukturę podziemną. Analizy obejmują etapowanie robót, przejściowe schematy pracy i zmianę oddziaływań hydrodynamicznych po modernizacji.

Izolacje wykopów w terenie zurbanizowanym
W gęstej zabudowie ścianki ograniczają dopływ wody i przemieszczenia gruntu, co chroni sąsiednie budynki i instalacje. Stosuje się wciskanie oraz uszczelnienia zamków, a w dnie – korki jet-grouting lub płyty podbetonowe ograniczające wypór. Fazy głębienia synchronizuje się z montażem rozparć lub kotew, aby zminimalizować ugięcia i rotacje korony ściany. Monitoring geodezyjny i piezometryczny wspiera bieżącą ocenę zachowania konstrukcji.

FAQ - Ścianki szczelne