Reklama

Dotesňovanie podložia v rámci protipovodňovej ochrany – časť 1: analýza skutkového stavu

prof. Ing. Peter Turček, PhD., doc. Ing. Monika Súľovská, PhD.

Recenzovaný

Stále častejšie sa opakujúce vysoké hladiny rieky Dunaj si vynútili chrániť Bratislavu pred povodňami. V západnej časti mesta bolo potrebné zabezpečiť utesnenie navážok nachádzajúcich sa tesne pri brehu Dunaja. Realizované tesniace práce nezohľadnili skutočné vlastnosti podložia. Príspevok sa v prvej časti venuje skutkovému stavu na lokalite a nedostatkom injektovania podložia.

Reklama

1. Úvod

V rámci rozsiahleho projektu ochrany Bratislavy proti povodniam bolo v západnej časti mesta na sútoku Dunaja a Karloveského ramena v úseku dlhom približne 280 m navrhnuté tesniť podložie (obr. 1). Dôvodom bola skutočnosť, že tento úsek brehu bol vytvorený pred niekoľkými desaťročiami heterogénnymi navážkami. Vybudoval sa tu športový areál s lodenicami.

Obr. 1: Situácia tesniacej steny ako ochrany pred povodňami

Kontakt umele navezeného materiálu s Dunajom bol pravidelne intenzívne namáhaný povodňovými stavmi. Frekvencia povodňových situácií sa v posledných desaťročiach výrazne zväčšila. To viedlo k potrebe chrániť urbanizované územie pred povrchovou vodou, ale aj dvihnutím podzemnej vody nad úroveň terénu. Realizované tesniace práce nezohľadnili skutočné vlastnosti podložia. Príspevok sa v dvoch častiach venuje podrobnej analýze preukázania nedostatkov injektovania a ponúkne možnosti ich odstránenia.

2. Geologické pomery

V súvislosti s budovaním mosta Lanfranconi priliehajúcim k zátopovej oblasti a úpravy potoka Vydrice do skrytého kanála boli vykonané značné zemné práce. Pôvodný tvar brehu bol upravený a brehová čiara sa posunula smerom do toku Dunaja. Podzemné vody kvartérnych sedimentov boli v úzkej hydraulickej spojitosti s hladinou vody v Dunaji.

Rozsah inžinierskogeologického prieskumu vychádzal z požiadaviek objednávateľa. V záujmovom priestore sa uskutočnili najprv dva prieskumné vrty, vzdialené medzi sebou približne 240 m [1]. Bolo konštatované, že územie je budované kryštalickými horninami a sedimentmi kvartéru. Do hĺbky 7,3 m pod úrovňou terénu boli zistené kypré navážky, tvorené hlinito-kamenitými až hlinito-piesčitými zeminami. Doplňujúcim prieskumným vrtom [2] približne v strede úseku pripraveného na tesnenie boli overené navážky siahajúce až do hĺbky 9,5 m. Pôvodné podložie tvoria kvartérne hrubozrnné sedimenty Dunaja a rozložený granit. Na overenie degradovaného podložia boli uskutočnené penetračné sondy, ktoré potvrdili veľmi rozvoľnené polohy. Po povodni v júni 2013, kedy v Devíne dosiahla hladina Dunaja 974 cm = 10 640 m³/s, boli z dôvodu prieniku podzemnej vody do priestoru športových lodeníc realizované na lokalite geofyzikálne merania [3], [4], [5].

V línii nedostatočne tesnej injektovanej steny situovanej rovnobežne s Dunajom (vyznačenej na obr. 1) bol metódou 2D elektrickej odporovej tomografie (ERT) meraný a vyhodnotený profil PF-1 (obr. 2). V úseku A, dlhom približne 150 m, bolo meranie uskutočnené za tesniacou stenou v smere od Dunaja, v úseku B pred tesniacou stenou. Vysvetlivky k vyhodnoteniu profilu: 1 – íl, 2 – piesčitý íl, 3 – ílovitý piesok, 4 – hlinito-piesčitý štrk, 5 – piesčitý štrk, 6 – slabo piesčitý štrk 7 – čistý vytriedený štrk. V úseku 40 až 140 m boli zistené polohy dobre vytriedených štrkov. Presunutím meracieho profilu pred tesniacu stenu v úseku B (bližšie k Dunaju) sa zistilo, že pod tesniacou stenou sa nachádzajú slabo piesčité až vytriedené štrky, miestami prerušované polohami hlinito-piesčitých štrkov. Porézne úseky boli hodnotené ako potenciálne miesta priesakov pod tesniacou clonou počas vysokých stavov Dunaja.

Obr. 2 Línia vertikálneho odporového rezu [4]

Napokon boli po oboch stranách tesniacej línie situované dva geofyzikálne profily, kde sa aplikovalo meranie prúdenia podzemnej vody metódou spontánnej polarizácie (SP). Jedná sa o elektrochemickú geoelektrickú metódu na mapovanie prirodzeného elektrického poľa [5].

Obr. 3 Izolínie filtračných potenciálov [5]

Vysvetlenie k obr. 3:
1 – polohy kde prúdi podzemná voda pod tesniacou stenou;
2 – miesta maximálnych filtračných potenciálov.

V miestach anomálií vyhodnotených geofyzikálnych prác bolo rozhodnuté doplniť 4 overovacie vrty, siahajúce do hĺbky 15 m. Z odobratých porušených vzoriek boli stanovené koeficienty filtrácie približnou metódou z kriviek zrnitosti. Ich prehľad je zhrnutý v tab. 1.

Tab. 1: Koeficienty filtrácie v doplňujúcich prieskumných vrtoch
číslo vrtu	hĺbka odberu [m]	typ zeminy	`k` [m/s]
IIIa-4	5,8–6,0 7,0–7,2 8,0–8,2	G 3 G 3 G 2	1,31 . 10⁻⁵ 4,59 . 10⁻⁶ 3,19 . 10⁻³
IIIa-5	6,0–6,3 8,1–8,3	G 3 G 5	5,97 . 10⁻⁴ 1,30 . 10⁻⁶
IIIa-6	5,7–6,0 8,5–8,8	G 3 G 1	3,46 . 10⁻⁴ 2,17 . 10⁻³
IIIa-7	7,0–7,3 8,3–8,4	G 3 G 1	3,19 . 10⁻⁴ 1,56 . 10⁻³

Doplňujúci prieskum v závere konštatoval, že pôvodná tesniaca stena siahala do hĺbky približne 7 m pod terén. Na overenie degradovaného podložia boli uskutočnené penetračné sondy, ktoré preukázali nerovnomerne rozmiestnené rozvoľnené polohy. Potvrdili sa tak predchádzajúce poznatky. Všetky získané informácie slúžili ako podklady k vypracovaniu projektu dotesnenia podložia.

3. Požiadavky projektu

Dôvodom dotesnenia podložia boli povodňové prietoky Dunaja v júni 2013, kedy sa preukázala nedostatočná funkčnosť existujúcej tesniacej línie. Došlo k zatopeniu objektov za ochrannou líniou. Projektu [6] predchádzali ďalšie doplňujúce prieskumné práce, z ktorých vyplynulo, že pre prietok v Dunaji Q₁₀₀ = 11 000 m³/s + 0,5 m (prevýšenie koruny ochrannej línie na kóte 140,90 m n.m.) je nevyhnutné dotesniť vrstvu navážok medzi dolnou hranou existujúcej tesniacej steny a skalným podložím.

Podobne ako v predchádzajúcej etape bola navrhnutá injekčná clona. Požiadavkou max. prípustného priesaku bolo hodnota 0,1 l/s/bežný meter. Zaviazanie injekčnej clony do granitového podložia bolo navrhnuté 0,5 m. Na splnenie vyžadovanej tesnosti bola navrhovaná dvojradová tesniaca línia hrubá 2,25 až 3,0 m. Na injektovanie boli navrhnuté vrty Ø 90–130 mm. Pri predpokladanej pórovitosti 30–40 % očakával projekt dosah injektovania 1,5 m pri spotrebe 22 až 32 l injekčnej zmesi na etáž. Rozmiestnenie injekčných vrtov jedného radu je na obr. 4. Projekt upozornil na potrebu vyhodnocovania výnosu jadra s tým, že ak sa narazí v hĺbke 3,0–3,5 m na preinjektovanú zeminu, v tejto vrstve je možné začať s injektovaním, aby sa dosiahlo min. 0,5 m previazanie s už existujúcou injektážou. Ako kvalitatívny parameter injekčnej clony bola stanovená hodnota koeficienta filtrácie k = 1.10⁻⁷ m/s. Zo zainjektovaného prostredia s dominanciou piesočnatej frakcie boli odobraté vzorky na podrobný rozbor a obsah cementu. V typickej krivke zrnitosti zeminy z hĺbky 9,6 m bol obsah jemnozrnných častíc 21 %, piesku 44 % a štrkových zŕn 35 %.

Obr. 4 Rozmiestnenie injekčných vrtov

Pretože IG prieskum neposkytol všetky údaje potrebné k návrhu injektovania a nebol uskutočnený ani injekčný pokus, projekt vyžadoval realizovať na úseku dlhom 18 m pokusný úsek, pri ktorom sa overia vlastnosti injektovania. Injekčné rúrky Ø 50 mm mali mať perforácie prekryté manžetami po vzdialenostiach 330 mm. Predpokladalo sa, že počiatočné tlaky pri vzostupnej injektáži budú 0,3 až 0,8 MPa. Po vyplnení vrtu zálievkou a osadení injekčných rúrok sa malo začať s injektovaním po technologickej prestávke 24 až 48 hodín vzostupným spôsobom. V prípade nedosiahnutia vyžadovaných parametrov sa mali rúrky vypláchnuť a opakovať injektáž, podľa potreby aj viac razy. Počas injektovania sa mal sledovať vznik klakáží. Za dôležité usmernenie treba považovať vykonávanie injektovania až do refusu, kedy pri predpísanom tlaku bude z injektora odchádzať nulové množstvo zmesi, resp. kedy sa pri predpísanom tlaku dosiahne maximálne množstvo zmesi bez viditeľnej klakáže. Napokon projekt upozornil na zvýšenú spotrebu injekčnej zmesi v niektorých úsekoch pozdĺžneho profilu vzhľadom na veľmi priepustné podložie.

4. Injektovanie podložia

Pri prehliadke staveniska bolo vidieť vo všetkých kontrolných vrtoch čiastočné zaplnenie vodou, čo svedčí o priepustnom okolí vrtov. Zároveň bolo zistené, že na manžetových rúrkach boli len dva otvory, čo neumožní vytvoriť súvislé valcové teleso. Okrem toho na injekčné dierky neboli navlečené gumové manžety, ale otvory boli prelepené niekoľkými vrstvami lepiacej pásky. V takomto prípade nemôže správne prebiehať vytláčanie injekčnej zmesi do okolitej zeminy.

Dokladom o injektovaní boli záznamy. Injekčné vrty mali byť podľa projektu Ø 90 až 130 mm. Zhotoviteľ ale vŕtal profilom Ø 137 mm. V zahraničí by to bolo považované za hrubé porušenie technologickej disciplíny, čo by malo za následok neprijatie takýchto vrtov.

Základným predpisom vedúcim k úspešnému splneniu predpokladaných cieľov je dodržiavanie STN EN 12715 „Vykonávanie špeciálnych geotechnických prác – Injektáže“ [7]. Z dôvodu nepredvídateľných zmien v podloží býva projekt obvykle pripravený na operatívne zmeny počas injektovania. Na stanovenie alebo potvrdenie metódy injektovania sa uskutočňuje pokusné injektovanie, ktoré sa má považovať za súčasť predbežného prieskumu staveniska. Ak pokusné injektovanie nebolo súčasťou prieskumu, potom sa má realizovať v záverečnej fáze projektovania alebo ako prvá fáza samotného zhotovovania. Musí sa uskutočniť vždy, keď nie sú postačujúce podklady na posúdenie efektívnosti navrhnutých injekčných prác. Pokusné pole má poskytnúť informácie o vzájomnej vzdialenosti injekčných vrtov, injekčnom tlaku, spotrebe a druhu injekčnej zmesi (pozri čl. 5.3.1 STN EN 12715).

Voľbu injekčnej zmesi ovplyvňuje veľkosť pórov injektovaného prostredia a veľkosť zŕn suspenzie. Tieto kritériá nie sú pevne stanovené; počas vývoja technológie injektovania sa menili. V ostatnom čase sa medzi známe kritériá publikované vo svetovej literatúre zaradili tieto:

N = D_15 zem / D_65 sus (1) [8]

ak N > 24 – zeminové prostredie je vhodné na injektovanie;
N < 11 – zeminové prostredie nie je vhodné na injektovanie;

alebo

N_c = D_10 zem / D_95 sus (2) [9]

ak N_c > 11 – zeminové prostredie je vhodné na injektovanie;
N_c < 6 – zeminové prostredie nie je vhodné na injektovanie.

alebo

(3) [10]

ak N > 28 – zeminové prostredie je vhodné na injektovanie;
N < 28 – zeminové prostredie nie je vhodné na injektovanie;

kde je

D_10 zem: veľkosť zrna zeminy zodpovedajúce 10 % prepadu z krivky zrnitosti;
D_90 sus: veľkosť zrna suspenzie zodpovedajúce 90 % prepadu;
w / c: vodný súčiniteľ injekčnej suspenzie;
FC: hmotnosť častíc zeminy < 0,06 mm;
P: injekčný tlak;
k₁ = 0,5; k₂ = 1,0: stanovené z laboratórnych skúšok;
D_r: objemová hmotnosť zeminy.

Žiaľ, uvedené odporúčacie kritériá neboli účastníkmi stavby hodnotené.

Typy injekčných zmesí je možné pred realizáciou pokusného úseku orientačne vybrať podľa tab. 3 STN EN 12715. Pre stredne zrnitý až jemnozrnný piesok, ktorého koeficient filtrácie je v rozpätí 5 . 10⁻⁶ < k < 1 . 10⁻⁴ m/s sú na impregnačnú injektáž vhodné veľmi jemné suspenzie, alebo špeciálne chemické zmesi.

5. Kontrolné činnosti a odporúčania

Pochybnosti o kvalite realizovaných tesniacich prác viedli k sérii kontrolných činností. Ich vyhodnotenie a z toho vyplývajúce odporúčania budú náplňou druhej časti príspevku.

6. Literatúra

VARGA, L.: Bratislava – protipovodňová ochrana, aktivita 3A – Karlova Ves, doplňujúci prieskum. Ladislav Varga, s.r.o., Bratislava, 03/2008.
VARGA, L.: Bratislava – protipovodňová ochrana, aktivita 3A – Karlova Ves, doplňujúci prieskum. Ladislav Varga, s.r.o., Bratislava, 11/2013.
KOVÁČ, P.: Ľavostranná ochranná hrádza Dunaja v úseku zaústenia Vydrice a Čierneho potoka. Záverečná správa. STAS – stavby a sanácie, s.r.o. Trnava, 10/2013.
GAJDOŠ, M.: Geofyzikálne merania ERT 1, 2. Záverečná správa. CHÉMIA – SERVIS, a.s. Bratislava, 10.09.2013.
Bratislava, PPO, aktivita A3a – Karlova Ves. Záverečná správa z geologických prác. Geofyzika Slovakia, s.r.o., Bratislava.
Slobodová, K.: Bratislava – protipovodňová ochrana. Aktivita č. 3A MČ Bratislava – Karlova Ves, časť úseku: Zaústenie Vydrice do Dunaja. Dotesnenie podložia. Terraprojekt, a.s., Bratislava, 11/2016.
STN EN 12715: Vykonávanie špeciálnych geotechnických prác. Injektáže.
MITCHELL, J.K.; KATTI, R.K.: Soil improvement – State of the art report. 10^th ICSMFE, Stockholm, 4, 1981, p. 509–565.
KAROL, R.H.: Chemical grouting and soil stabilization. 3^rd: CRC Press.
AKBULUT, S.; SAGLAMER, A.: Estimating the groutability of granular soils: a new approach. Tunnelling and underground space technology, 17(4), 2002, p. 371–380.

English Synopsis

The Subsoil Sealing in the Framework of Flood Protection – Part 1: Analysis of Real Situation

The ever-recurring high levels of the river Danube have forced Bratislava to be protected from floods. In the western part of the city, it was necessary to ensure the sealing of the heterogeneous fills located just on the banks of the Danube. The performed sealing works did not take into account the actual properties of the subsoil. The first part of the paper deals with the factual situation at the site and the shortcomings of subsoil injection.