asb-portal.cz - Odborný portál pro profesionály v oblasti stavebnictví
Partneři kategorie

Voda – rizikový faktor v inženýrských stavbách

12.01.2009
Voda je podmínkou života i mnoha jeho příjemných stránek, může se však stát i jeho ničitelem a významně poškozovat materiální hodnoty. Voda je rovněž nezbytnou součástí mnoha technologických procesů vedoucích k tvorbě hodnot. Nejinak je tomu v inženýrském stavitelství. Bez vody by některé stavební práce vůbec nebylo možno provádět. Na druhé straně může voda často výstavbu komplikovat, a někdy dokonce hotové stavby poškozovat.

K působení vody na stavební dílo nebo na horninové prostředí, které se stavebním dílem vytváří jeden funkční celek, může docházet mnoha způsoby. Všimněme si těch, které významným způsobem ovlivňují technologii provádění zemních prací nebo mohou ovlivňovat bezpečnost geotechnických konstrukcí.

Voda jako součást přírodního prostředí
Především je nutno zdůraznit, že voda v zeminách a horninách je součástí přírodního prostředí. Přírodní prostředí je však velmi komplexní a je ovlivňováno někdy nahodilou lidskou činností. Proto je chování takového systému voda – stavba – horninové prostředí obtížně popsatelné deterministickým způsobem. To znamená, že je nesnadné ho předem předvídat na základě výpočtů vycházejících z matematických modelů chování takových systémů. Při řešení inženýrských úloh, ve kterých hraje důležitou roli voda v zeminách a horninách, je tedy třeba se vyrovnat s určitými nejistotami a je účelné pracovat s pravděpodobnostním přístupem. Na místě je tedy i aplikace metody rizikové analýzy.

V hydrotechnickém stavitelství má tento přístup dlouholetou tradici při navrhování hrází a řešení jejich bezpečnosti vůči velkým vodám, u kterých se předpokládá jejich příchod s určitou pravděpodobností za definované časové období. V současné době je řada důvodů, aby byl tento přístup aplikován i v ostatních oblastech inženýrského stavitelství. Proto se často mluví o řízení inženýrských rizik ve stavebnictví.

Působení vody
Voda se v inženýrském stavitelství může především projevovat jako síla, a to například hydrostatickým tlakem, proudovým tlakem, pórovým tlakem, tlakem ledu a usměrněným tlakem působící v diskontinuitách horninového masivu apod. Vlhká zemina má vyšší objemovou hmotnost než zemina suchá, a tak zvětšující se množství vody v zemině může změnit rovnováhu sil. V některých situacích je působení vody vázáno na některé další okolnosti, například pórovitost zeminy, velikost a rychlost změny zatížení zemní konstrukce apod. Od těchto podmínek se odvozuje princip efektivních napětí v zeminách (efektivní a totální smyková pevnost zemin).

Voda však také může měnit přímo vlastnosti hornin i zemin. Se vzrůstající vlhkostí či stupněm nasycení se mění vlastnosti zemin i hornin důležité pro dimenzování zemních konstrukcí. Horninám se vzrůstajícím stupněm nasycení klesá pevnost, zeminám vzrůstá plasticita a klesá smyková pevnost. Voda urychluje proces zvětrávání a celkové degradace fyzikálních vlastností hornin. Přímo ovlivňuje i některé technologické vlastnosti zemin a hornin důležité pro jejich zpracování do zemních konstrukcí. Například lepivost, zpracovatelnost a zhutnitelnost. Přemíra vody v zemině může způsobit její rozbředlost a nezpracovatelnost.

Za jiných situací může voda sloužit jako transportní médium pro nepřijatelný roznos kontaminantů nebo může obsahovat agresivní látky pro beton podzemních a základových konstrukcí, které jej časem mohou rozložit. Neočekávané přítoky vod do stavebních jam či podzemních staveb komplikují a zdražují výstavbu. Její čerpání a následné vypou­štění do vodotečí může být spojeno s ekologickými problémy představující další druh nesnází působených vodou. Náhlé zatížení hrází vodou při povodních může vést k jejich protržení (obr. 1).

Voda se může v zemním tělese a v jeho podloží projevit několika základními způsoby:
  • prosakováním (seepage),
  • vnitřní erozí (vyplavování, piping, sufoze),
  • porušením pórovým tlakem (hydralic fracturing),
  • snížením smykové pevnosti pórovým tlakem,
  • konsolidací v důsledku vyznívání pórového tlaku dodatečným přitížením nebo odlehčením.
K těmto jevům může dojít, jsou-li jednotlivé části zemního tělesa nevhodně navrženy nebo provedeny (špatné zhutnění), případně pokud některá část přímo chybí (např. pískové filtry). Poruchy hrází v důsledku proudění vody mohou způsobit první tři výše uvedené způsoby.

Prosakování vody

Charakter prosakování vody tělesem hráze nebo jejím podložím je dán hydraulickým spádem (rozdílem hladin vody na vstupu a výstupu) a délkou prosakovací dráhy. Dalším důležitým faktorem je koeficient propustnosti, který je funkcí zrnitostního složení a momentální pórovitosti zeminy. Zamezit nepřijatelnému prosakování je základním úkolem návrhu každé hráze.

K omezení průsaku tělesem hráze lze použít kombinaci nepropustných materiálů uložených do hráze a těsnicích prvků situo­vaných do středu nebo na návodní stranu hráze. S pomocí vhodně umístěných filtrů lze průsakovou křivku odvést daleko od povrchu hráze. K omezení průsaků pod hrází je třeba především prodloužit průsakové dráhy (těsnicí koberce před návodní patou hráze a zvětšení šířky hráze). Další možností je provedení injekční clony do dostatečné hloubky anebo až na nepropustné podloží hráze.

Dnes lze v zemním tělese spolehlivě spočítat jak rychlost, tak i množství prosakující vody. Proto není problém navrhnout pro umělé zemní konstrukce (jako jsou ochranné protipovodňové hráze a přehrady) dostatečně dlouhou a tudíž bezpečnou průsakovou dráhu nebo průsaky úplně eliminovat.

Pro výpočty rychlosti a množství prosakující vody je třeba znát koeficienty propustnosti v zemním tělese přítomných zemin, okrajové geometrické podmínky zemního tělesa a rozsah, v jakém se mohou pohybovat hladiny podzemní či prosakující vody. Návrhy hrází je třeba provádět tak, aby:
  • v návodním těsnění nedocházelo k velkým tlakům prosakující vody (pevnost těsnění nesmí být překročena a voda nesmí v žádném případě vnikat do hráze z nádrže),
  • proudové čáry prosakující vody v hrázi byly dostatečně vzdáleny od povrchu hráze,
  • rychlost prosakující vody pod hrází nebo v hrázi byla tak nízká, aby v žádném případě nedocházelo k vyplavování jemnozrnných částic zemního tělesa,
  • zhutnění a použitý materiál byl takový, aby koeficient propustnosti materiálu zemního tělesa byl dostatečně nízký.

Porušení pórovým tlakem
Vzácně může dojít v zemním tělese hráze i k porušení pórovým tlakem vody. Takové nebezpečí nastává tehdy, jestliže v posuzovaném místě hráze součet nejmenšího hlavního napětí a tahové pevnosti zeminy je menší než pórový tlak. Když takový případ nastane, vytvoří se trhliny orientované kolmo na směr nejmenšího hlavního napětí. Tento mechanizmus je také znám jako hydraulic fracturing a využívá se ho ke zjišťování původní napjatosti horninového masivu vodní trhací tlakovou zkouškou. Byl často pozorován v nepropustných částech zemních hrází při jejich prvních napuštění vodou v pozorovacích vrtech.

Vnitřní eroze (sufoze)

Vnitřní erozí se rozumí vyplavování jemných částí zemin od vzdušného líce směrem k návodnímu líci s vyvářením pro průsak predeterminovaných cest.

Existují čtyři podmínky pro vznik tohoto typu porušení, které musejí být splněny současně:
  • proudící voda v zemině – existence určité velikosti proudového tlaku,
  • nesoudržné zeminy,
  • možnost odtoku vyplaveného materiálu,
  • schopnost zeminy vytvořit strop nad vznikajícím kanálem.

Vznik erozních cest v zemním tělese může být navíc podporován řadou přirozených nebo i umělých faktorů, například:
  • nehomogenitou podloží i tělesa vlastní hráze co se týče propustnosti a zrnitosti, která tak přispívá ke koncentraci vnitřní eroze do některých míst,
  • rozvolněním zemin podél výkopů pro podzemní konstrukce,
  • nedokonale zhutněnou zeminou hráze v blízkosti stěn stavebních konstrukcí,
  • místy s nižší napjatostí pod klenbovým účinkem projevujícím se na styku podloží a stěnami podzemních stavebních konstrukcí nebo nad oblastmi mírně zhutněnými či na svislých rozhraních stlačitelných a nestlačitelných zemin.

Vnitřní eroze obecně probíhá následujícím způsobem: Množství vody, která prosakuje v důsledku hydraulického spádu, se koncentruje do predisponovaných míst. Tam se unášecí síla prosakující vody zvětšuje, a je-li dostatečně veliká, začíná vyplavovat nejjemnější součástky zeminy. S postupným vyplavováním se zvětšuje množství proudící vody i její rychlost a celý proces tak akceleruje. Vnitřní eroze postupuje od vzdušného líce hráze a šíří se směrem proti proudění vody. Tím se zkracuje dráha prosakování, respektive v tomto stadiu již proudění. Dochází tak k zvětšování hydraulického spádu a celý proces se dále velmi urychluje.

Vnitřní eroze je usnadněna tam, kde voda prosakuje místy s výrazně nižší napjatostí a kde je menší zhutnění. Tam jsou menší intergranulární síly mezi zrny zeminy, a ta proto snadněji podléhá erozi. Jestliže se velikost tlaku vody přiblíží k velikosti intergranulárních sil, na styku zrn se objeví tahové napětí. S dalším růstem proudového tlaku může toto napětí překročit  tahovou pevnost zeminy. Ta se pak poruší. Tak se urychlí vnitřní eroze. Jestliže totální napětí v zemině na kontaktu s betonovou konstrukcí nebo se zeminou podloží je menší než proudový tlak vody v tomto místě, zemina se může separovat od betonové konstrukce. Tato separace umožňuje přístup vody a vznik další erozní dráhy. V okamžiku, kdy erozní tunel dorazí k návodní straně, stane se proudění vody souvislým a rychlosti i unášecí síly se začnou progresivně zvětšovat. Od tohoto okamžiku je totální protržení hráze otázkou několika hodin (i méně).

Tímto způsobem došlo v roce 1916 k protržení sypané hráze Bílá Desná [6], i když bylo původně zdůvodněno nedokonalým hutněním (obr. 2). V pozdější době došlo ze stejného důvodu k protržení velkých přehrad, napříkad Teton v USA v roce 1976. Podmínky pro tento typ porušení nastávají často při naplnění koryt řek v ochranných hrázích během povodní. Tak došlo k protržení ochranné hráze na řece Moravě u Otrokovic v roce 1997 i ochranných hrází na Žitném ostrově u Dunaje v roce 1965.

Při projektování protipovodňových opatření v Praze podél Vltavy (po roce 2002) byl posuzován na odolnost proti tomuto typu porušování násyp železniční tratě v Praze ve Stromovce [2]. Specifickým rizikem využití násypu, který nebyl původně budován podle zásad ochranné hráze, je nejistota co do materiálů, z kterých byl nasypán, a vlastností tohoto materiálu (zejména vlastností podmiňujících proudění vody v něm). Tyto inženýrské úlohy jsou posuzovány i z hlediska času, protože hladiny povrchových vod během povodní jsou dočasné, a naopak pro to, aby nastala sufoze, je potřebný určitý čas. Násyp budovaný pro dopravní stavbu tak může po určitou dobu, ale jen velmi krátkou, působit jako ochrana proti vzdutým vodám. Tato doba závisí na hydraulickém gradientu, vlastnostech zemin v násypu a v jeho podloží a geometrickém tvaru násypu. Ošidné je však to, že při opakovaných povodních, pokud nedojde k sanaci projevů případně vzniknuvší sufoze, je pak k jejímu projevení se potřebná daleko menší doba než při prvním působení a k havárii pak již může dojít velmi rychle.


Obr. 4: Riziko porušení sypaných ochranných hrází a vnikání vody do různých objektů infrastruktury kanalizací

Konsolidace pod násypy na podloží z měkkých, vodou nasycených soudržných zemin
Klasickým problémem při výstavbě liniových staveb je pomalá konsolidace vysokých násypů při jejich zatlačování do měkkého, vodou nasyceného podloží ze soudržných zemin. Přitížení násypem vyvolává stlačení zeminy v jeho podloží. Následkem toho voda v pórech začne v určitém okamžiku přenášet zvýšený tlak do okamžiku, než je z pórů zeminy vytlačena do té míry, že zrna zeminy opět převezmou přitížení násypem v plném rozsahu. Pokud je přitěžování násypem rychlé, zemina v podloží málo propustná a „odvodňovací“ průsakové dráhy odvádějící vodu v podloží mimo oblast zvýšeného přitížení násypem jsou příliš dlouhé, může dojít k zaboření násypu a úplné ztrátě jeho stability.

Proto je v takových případech třeba sypat násyp pomalu a průsakové cesty pro vodu pod násypem zkracovat různými technickými opatřeními. Například svislými geodrény kombinovanými s vodorovnou vrstvou z velmi propustného štěrkopísku, případně s využitím geotextilií. Sedání a sypání takového násypu se pak děje pod kontrolou monitoringu. Ten pozůstává především z měření sedání pod násypem hydrostatickou nivelací, vyhodnocení, měřením pórového tlaku v podloží a zejména kontrolou sedání povrchu násypu. K pokládání konstrukčních vrstev je pak možné přistoupit, teprve když je sedání prokazatelně ukončeno.

Příklad přechodu silničního násypu o výšce 5 m přes údolní nivu zaplněnou rozmočenými jílovitopísčitými zeminami překrytými rašelinou o mocnosti až 2 m uvádí publikace [3]. Vyztužení podloží násypu bylo provedeno geosyntetiky. První vrstvy násypu byly vyhotoveny ze štěrkopísku, aby se zkrátila délka od drénování a urychlila konsolidace. Byl proveden výpočet konsolidace a celkového zatlačení násypu do podloží (sedání). Sypání násypu bylo sledováno podrobným monitoringem. Celkové zatlačení dosáhlo hodnot 1 020 mm, přesto byl násyp díky pečlivému provedení a respektování všech geotechnických podmínek úspěšně proveden a slouží bez problému provozu.

Voda a podzemní prostory

Voda může za určitých okolností vniknout do podzemních prostor. Podle jejich povahy, způsobu vzniku i geometrického uspořádání hladin vůči podzemním objektům pak může způsobit značné potíže. Extrémním případem takového druhu je zatopení pražského metra, ke kterému došlo během mimořádné povodně v roce 2002 (obr. 3). Hlavní důvodem zatopení metra byla úroveň zátopové hladiny řeky Vltavy, která dosáhla při­bližně 2 m nad úroveň stoleté vody, na níž byla projektovaná ochranná protipovodňová opatření pro metro. To způsobilo vniknutí vody do metra z povrchu. Další příčiny pak ovlivnily způsob zatápění metra, rychlost průběhu zatápění, šíření zátopové vlny v podzemí a rozsah škod. Celkový objem zatopených prostor pražského metra byl okolo 1 104 000 m3.

Před zahájením intenzivního čerpání vody, které mělo zatopené prostory co nejrychleji vyprázdnit, umožnit stavební sanace a co nejrychlejší znovuzahájení provozu, bylo potřeba odpovědět na řadu geotechnických otázek. K nim patřily především tyto:
  • Jak velké byly při povodni průsaky vody do jednotlivých zatopených částí podzemních prostor z vnějšího prostředí?
  • Nedošlo při povodni a při zatápění metra k nepřípustnému vyplavování zeminy z horninového masivu za rubem tunelového ostění?
  • Lze vyloučit, že při povodni nedošlo k výrazným přítokům vody do podzemních prostor v důsledku narušení statické funkce obvodových stěn nebo k významným narušením jejich vodotěsnosti (významné trhliny v ostění v důsledku změny zatížení hydrostatickým tlakem)?
  • Nedošlo v souvislosti s povodní a s mohutným odčerpáváním vody ze zatopeného metra ke vzniku nepřípustných, divokých, krátkých průsakových (či průvalových) cest, kterými může někdy v budoucnosti vtékat větší množství vody do podzemních prostor metra?
  • Pokud ano, tak kde a jakého charakteru bylo porušení ostění a jaké varianty sanace ostění přicházejí v úvahu?
  • Nemůže dojít k porušení statiky, stability a bezpečnosti konstrukčního systému podzemních objektů metra (zejména tunely, traťové a staniční, ražené a hloubené) v souvislosti s intenzivním odčerpáváním vody z prostor metra?
  • Nemůže dojít k porušení statiky, stability a bezpečnosti konstrukčního systému nadzemních objektů metra při rychlém snižování hladiny podzemní vody při propojení vody v metru s podzemní vodou v okolí tunelových trub?
  • Jaké zvýšení průsaků do podzemních prostor lze očekávat při budoucí hypotetické x-leté povodni za předpokladu, že podzemní prostory přitom nebudou zatopeny shora?
  • Pokud budou předpokládané průsaky v takové situaci nepřijatelné, jakým způsobem je bude možno snížit na únosnou míru (konkrétní technologie, rozsahy prací a lokalizace sanačních prací)?
  • Jaká je konečná prognóza průsaků podzemní vody do metra při budoucích povodních?
Aby bylo možno odpovědět na tyto otázky, byl operativně proveden stoupací pokus: na několik hodin bylo zastaveno čerpání vody ze zaplaveného metra a měřeno případné stoupání hladin. Dále byl mimo jiné zpracován komplexní přehled inženýrskogeologických a hydrogeologických poměrů v ohrožených trasách metra na základě archivních materiálů a jejich nová analýza z pohledu studované problematiky (z hlediska průsaků a statiky).

Na základě těchto prací bylo zjištěno, že:
  • nedošlo k významnějšímu porušení vodotěsnosti tunelových ostění (bylo možno souhlasit s co nejrychlejším odčerpáním vody ze zatopených prostor bez rizika vyplavování jemných součástí zemin a sou­visejícího poškození přilehlých objektů nadzemní zástavby);
  • statická funkce ostění ostatních objektů podzemních prostor metra nebyla narušena a nebylo ji potřeba opravovat;
  • průsaky vody do metra po vyčerpání veškeré vody po jeho zatopení jsou obdobné jako průsaky vody do metra před povodní.

Zkušenosti z těchto prací ukázaly, že při navrhování odolnosti objektů podzemní infrastruktury proti zatopení je třeba posuzovat následující změny zatěžovacích stavů:
  • zvýšení vnějšího hydrostatického tlaku na stěny konstrukce,
  • případný vznik vnitřního hydrostatického tlaku na stěny konstrukce,
  • zvýšení vztlaku na dno konstrukce,
  • zvýšení zatížení tlakem vodního sloupce na stropy podzemních konstrukcí.
  • Při projektování podzemních konstrukcí, které mohou být zatopeny, je třeba zajistit, aby byly odolné proti:
  • zvýšenému proudovému tlaku a vyplavování jemných částic, zejména v případě netěsností nebo trhlin ve stěnách podzemní konstrukce,
  • zvýšení průsaku do podzemních prostor netěsnostmi v důsledku většího hydraulického gradientu.

Míra použití těchto opatření bude záviset na vlastnostech horninového prostředí obklopujícího podzemní konstrukci, zejména na jeho propustnosti. V závislosti na propustnosti a parametrech proudění se může měnit hydraulická výška, a tudíž i hydraulický tlak. Může také docházet k vymývání a k postupné sufozi. Tyto projevy jsou časově závislé a při krátkodobém výkyvu hladin vody se nemusí vždy ihned projevit. Při delším době zvýšeného hydraulického gradientu existuje za určitých podmínek značné nebezpečí vyplavování jemných částic. V takovém místě pak může dojít i k dodatečným sedáním povrchu terénu apod. Nej­jednodušším způsobem, jak čelit těmto nepříjemnostem, je řízené zaplavení podzemních prostor vodou.

K vyplavování či k vymílání zemin může docházet i tam, kde voda rychle prosakuje špatně zhutněným zásypem. K tomu dochází velmi často odbytým záhozem výkopů pro různé typy podzemních sítí. Důsledkem může být vznik podzemních kaveren blízko pod povrchem komunikací hrozících překvapivými propady.

Obr. 5: Různé zatěžovací stavy po vniknutí vody do komplexu vzájemně propojených podzemních objektů

Stabilita přirozených a umělých svahů nad komunikacemi

Na liniových inženýrských stavbách často dochází k sesuvům svahů zářezů nebo přirozených svahů, a to i po značné době jejich úspěšného uvedení do provozu a fungování. To se stává tehdy, jestliže jsou sklony umělých svahů navrženy s ohledem na dlou­hodobě ustálené hladiny podzemních vod, které za normální situace neprotínají povrch svahů. Tyto hladiny byly stanoveny geo­technickými průzkumy, při kterých se nepřihlédlo k možným extrémním polohám takových hladin v období mimořádných srážek. Pokud v období mimořádných srážek stoupne hladina podzemní vody tak, že se dostane nad svah, může začít kombinovaný efekt proudového tlaku vody, povrchové eroze a zvýšení aktivních sil. Stabilita svahu pak může být snížena natolik, že dojde k sesuvu.

K inženýrskému řešení takových problémů je třeba přistupovat jako v hydrotechnickém stavitelství, kde se uplatňuje princip x-leté vody, na kterou se hráze navrhují. Není účelem navrhovat sklony svahů tak, aby ve všech případech extrémních srážek, které se mohou objevit jednou za několik desítek let, byly svahy stabilní. Ekonomičtější je v takovém případě sesuvy vzniklé z takových důvodů připustit a sanovat je, než se apriori po celé délce trasy mnoha desítek kilometrů jistit velmi nízkými sklony svahů. Příklad takového porušení svahu je na dálnici D8. Podobným jevem jsou sesuvy přirozených svahů, ke kterým dochází v určitém regionu po delším či kratším období spojeném s mimořádnými srážkami. Důvodem bývá souběh velmi intenzivní srážky na velmi malé ploše s krajně nepříznivými strukturně geologickými podmínkami a geometrické uspořádání svahu vůči liniové konstrukci. Takových sesuvů nad komunikacemi vzniklo mnoho na Vsetínsku v roce 1997.

Závěry
Voda, kromě toho, že je ve stavebnictví významným prvkem vstupujícím do technologických procesů, je v inženýrském stavitelství nepřehlédnutelným rizikovým faktorem. Z tohoto pohledu je třeba, aby se její působení stalo součástí rizikových analýz provádění každé důležité inženýrské stavby. Charakteristickým rysem působení vody v zeminách je, že je časově závislé. To znamená, že účinek jejího působení se podle okolností podstatně mění s probíhajícím časem. Tuto okolnost je třeba při rizikových analýzách a projektování vzít v úvahu.


doc. Ing. Alexandr Rozsypal, CSc.
Foto: archiv SG – Geotechnika, a. s., F. Kresta (SG – Geotechnika, a. s.), TBD Vodní díla

Autor působí ve společnosti Stavební geologie – Geo­technika, a. s., jako předseda dozorní rady a ředitel pro rozvoj.

Literatura
1. Barták, J.: Systematické poruchy stok pražské kanalizační sítě vzniklé v souvislosti s povodní v srpnu 2002. Konference Podzemní stavby 2003, Praha.
2. Novotný, J.: Posouzení tělesa železničního násypu ve Stromovce jako dočasné protipovodňové hráze, Archiv SG Geotechnika 2004.
3. Pupík, V.: Výstavba zemního tělesa pozemní komunikace na rašelině. Seminář Zemní těleso pozemních komunikací a voda. Únor 2008.
4. Aldorf, J. – Chamra, S. – Jíra, J. – Kubát, B. – Pruška, J. – Rozsypal, A.: Zpráva stavební skupiny komise Rady HMP pro prošetření příčin zaplavení prostor pražského metra (30. 4. 2003).
5. Rozsypal, A.: Vodohospodářská konference Hradec Králové. 2004.
6. Rozsypal, A.: Posouzení příčin protržení Bílé Desné z pohledu dnešních znalostí. In: Jizersko – horské přehrady a katastrofa na Bílé Desné. Knihy 555, 2006.

Komentáře

Prepíšte text z obrázku do poľa. Ak nedokážete text rozoznať, kliknite na obrázok.

Další z Jaga Media