Negatívne pôsobenie vody na inžinierske konštrukcie

Voda predstavuje fenomén, ktorý v rozhodujúcej miere ovplyvňuje návrh stavebnej konštrukcie. Jej podcenenie vedie k poruchám konštrukcií, ktorých sanácia si vyžaduje nemalé finančné náklady. Príčiny negatívneho pôsobenia vody na stavebné konštrukcie môžu byť rôzne – nevhodné zásahy do režimu prúdenia povrchových a podzemných vôd, nerešpektovanie interakčných vzťahov medzi konštrukciou a horninovým prostredím, neadekvátny návrh stavebnej konštrukcie a podobne. Vplyvy negatívneho pôsobenia vody sú prezentované na príkladoch porúch vybraných inžinierskych konštrukcií.

Porucha retenčných nádrží dažďovej kanalizácie

Retenčné nádrže odpadových vôd sa nachádzajú v areáli významnej energetickej prevádzky. Boli vybudované na mierne klesajúcom svahu plytkej muldy (obr. 1). Nádrže pozostávajú z dvoch častí, vzájomne oddelených zemnou hrádzou, s dĺžkou okolo 100 m a šírkou 33 m. Obvodové svahy a svahy pozdĺžnej deliacej hrádze sú upravené v sklone 1 : 2. Nádrže sú proti úniku vody do podložia zabezpečené fóliovým tesnením obojstranne chráneným geotextíliou. V spodnej časti (medzi tesnením a terénom) je štrková drenážna vrstva hrubá 30 cm. Tesniaci prvok na svahoch a na dne je zvrchu prisypaný vrstvou štrku hrubou 10 cm, prikrytý cestnými panelmi s hrúbkou 15 cm s rozmermi 2 × 3 m (obr. 2). Vplyvom viacročnej prevádzky retenčných nádrží sa do značnej miery zhoršil stav objektu. Dno pravej nádrže vykazovalo na viacerých miestach vážne lokálne deformácie v rozsahu až niekoľkých desiatok centimetrov. Po geodetickom zameraní nádrží boli znázornené deformácie dna, ktoré plasticky ukazujú najmä dvíhanie dna v blízkosti rozdeľovacieho objektu a v určitom úseku pozdĺž päty pravého svahu nádrže (obr. 3). Pozdĺž pravej hrany dna bola päta svahu skoro v celej dĺžke deformovaná. Dlažba bola vážne porušená v dôsledku dvíhania a lámania dlažobných prefabrikátov. Ťažká panelová dlažba na pravom svahu západnej nádrže vykazovala posun po svahu smerom k jeho päte, kde vytláčala a dvíhala dlažbu dna (obr. 4).

Z geologickej skladby podložia v okolí nádrží a zo situovania retenčných nádrží vzhľadom na morfologické pomery vyplýva, že primárnou príčinou deformácií nádrží bolo vnikanie podzemných vôd pod tesniacu fóliu. [3]. Stavebná jama nádrží situovaná do morfologicky výhodnej muldy predstavuje nepriepustné koryto s prevažne ílovitým dnom a svahmi, na dne ktorého sa stretajú viaceré erózne ryhy (obr. 5). Na svahu nad nádržami je uložený rozsiahly násyp (vysoký 11 m) z vyťažených poloskalných hornín (obr. 6). Násyp bol uložený na pôvodný svah tvorený kvartérnymi hlinami a treťohornými ílmi, ktoré dosahovali mocnosť až 22 m. Päta svahu násypu siaha až po okružnú komunikáciu okolo nádrží. Zrážkové vody vnikajúce do relatívne priepustného veľkoplošného násypu, vybudovaného z poloskalnej rúbaniny, narazili v podloží na málo priepustné a nepriepustné vrstvy ílovitých zemín. Vsiaknutá voda, ktorá v násype klesla až na nepriepustné podložie, odtekala po pôvodnom povrchu terénu. Smer odtoku vody z násypu určuje sklon pôvodného povrchu terénu – smerom k retenčným nádržiam. V miestach kontaktu násypu a podložia nad úrovňou okružnej komunikácie viditeľne vyvierala podzemná voda. Pod úrovňou okružnej komunikácie narážala na nepriepustné fóliové tesnenie. Keďže v projektovom návrhu drenážnej štrkovej vrstvy sa neuvažovalo o odvedení vody, jej postupným hromadením vznikali nepriaznivé tlakové (na opevnenie svahov nádrží) a vztlakové účinky (na dno nádrží). Narastajúci tlak vody spôsobil dvíhanie dna, respektíve deformácie konštrukčných vrstiev na svahoch nádrží.

Ďalším zdrojom prítoku vody k nádržiam bola erózna ryha nachádzajúca sa na severozápadnom okraji nádrží (obr. 5). Táto ryha, v minulosti zasypaná, zberala vody zo svojho okolia a privádzala ich k nádržiam. Dôkazom uvedenej skutočnosti bol aj sklon hladiny podzemnej vody (merania v pozorovacích sondách č. 3 → 4 a č. 7 → 8).

Porucha klincovaného svahu zárezu cestnej komunikácie

Porucha svahu cestného zárezu vznikla na štátnej ceste I/64 Žilina – Prievidza – prieťah Rajeckých Teplíc. Havária svahu spôsobila dočasnú uzáveru dopravy (obr. 7a, b). Zárez nad cestou v úseku havárie sa realizoval v roku 2000 a počas celej existencie až do 5/2005 sa nevyskytli žiadne problémy so stabilitou konštrukcie zárezu. Štátna cesta v úseku poruchy prechádza popri skalnom záreze s výškou 8,5 až 13,0 m. Sklon svahu zárezu je približne 3 : 1. Horninové prostredie svahu, v ktorom sa zárez realizoval, tvoria druhohorné horniny najviac zastúpené dolomitmi (obr. 8).

Takzvanú pokryvnú vrstvu svahov tvoria kvartérne svahové hliny a hlinitokamenité sute. Kvartérne sedimenty pokrývajú svahy a vypĺňajú priestory medzi horninovými blokmi. Ich hrúbka je premenlivá od 0 do 2,5 m. Hydrogeologické pomery sú odrazom geologickej stavby. Zrážky odtekajú po strmých svahoch povrchovo a vnikajú aj do hlbšieho podzemia.

Spôsob zabezpečenia cestného zárezu zodpovedal inžinierskogeologickým pomerom. Zabezpečenie cestného zárezu tvorili tyčové kotvy z betonárskej ocele – klince a betónový torkrét vystužený kari sieťami. Porušenie svahu cestného zárezu nastalo spontánne. Betónový torkrétový plášť, zaťažený tlakom rozmočených svahových sedimentov, sa porušil v pôdorysnom rozsahu 10 až 17 m a spolu so zeminou sa zosunul na priľahlú komunikáciu. Bol presiaknutý vodou a prúd vody rozplavil zeminu po vozovke.

Po obhliadke porušeného zárezu bolo možné konštatovať, že príčinou poruchy bola povrchová voda stekajúca po lesnom svahu [4]. Rekonštrukcia poruchy je prezentovaná na obr. 9. Povrchová voda pritiekla po svahu a nasýtila svahové hliny, čím sa zmenili ich vlastnosti (zmena konzistencie). Následne sa torkrétový plášť zaťažil tlakom vody a rozrušenej zeminy. Dôsledkom toho bolo vytvorenie klznej plochy a zosuv.

Miestnym vyšetrovaním sa prítok vody do miesta poruchy podarilo vysvetliť. Na vrchole svahu je postavený vodojem zásobujúci pitnou vodou mesto Rajecké Teplice. Vodojem má prepad odvádzajúci pri poruche prebytočnú vodu. Prepad je vyústený na svah, ktorý sa končí zárezom nad štátnou cestou, a prebytočná voda z vodojemu tak voľne odteká po svahu (obr. 10a). Okrem toho miestny lesný závod v roku, keď vznikla porucha, urobil na odtok vody tečúcej po lesných chodníkoch drevené žľaby. Jeden zo žľabov sa realizoval práve nad miestom poruchy (obr. 10b). Tak vznikol sústredený prítok vody, ktorý zatiekol za torkrétový plášť a rozmočil svahové sedimenty.

Porucha hrádzového systému popolového odkaliska

Porucha hrádzového systému nastala na popolovom odkalisku tepelnej elektrárne. Odkalisko je rovinného typu, vybudované ohrádzovaním akumulačného priestoru na povrchu územia (obr. 11).

Základná obvodová hrádza vysoká 4,0 až 5,0 m je postavená z miestnych materiálov (piesky a silty). Navyšovacie hrádze sú z elektrárenských popolov (obr. 12). Drenážny systém po obvode odkaliska tvorí drenážny koberec na vzdušnej strane hrádzového systému zaústený do zberného obvodového pätného drénu. V posledných dvoch navýšeniach sú návodné drenážne koberce zaústené do zberných obvodových drénov. V časti hrádzového systému, ktorá bola postihnutá haváriou (v mieste prechodu potrubia vratnej vody cez hrádzové teleso), chýbal nielen drenážny koberec a zberný drén predposledného navýšenia, ale aj drenážny koberec so zberným pätným drénom na vzdušnej strane hrádze.

Na odkalisku sa realizovala výmena potrubia vratnej vody. Potrubie vratnej vody sa ukladalo na pláži odkaliska do otvoreného výkopu a pri priestupe hrádzou do oceľovej chráničky zabudovanej do hrádzového systému pretláčaním. Štartovacia jama pretlaku bola umiestnená v telese odkaliska tesne za poslednú navyšovaciu hrádzu a cieľová jama pretlaku bola umiestnená na korune druhého navýšenia hrádzového systému (obr. 13). Z miesta cieľovej jamy pretláčania kopírovalo potrubie vratnej vody povrch vzdušného svahu hrádze odkaliska.

Po ukončení výmeny potrubia vratnej vody sa v kazete č. 2 obnovilo naplavovanie, najintenzívnejšie v tesnej blízkosti priestupu potrubia vratnej vody cez hrádzové teleso. V kazete č. 2 v mieste priestupu nového potrubia vratnej vody cez hrádzový systém sa porušila vzdušná strana obvodovej hrádze. Z hrádze odkaliska uniklo približne 300 m3 popola (obr. 14a, b). Zhodnotenie dostupných geotechnických informácií a celková analýza problematiky umožnili rekonštrukciu porušenia hrádzového telesa [2]. Pri ukladaní nového potrubia vratnej vody v priestore odkaliska sa vyhĺbila v popolovom sedimente lichobežníková ryha (s prierezovou plochou od 7,7 do 29,4 m²) dlhá 300 m. Po uložení potrubia sa zasypala premiešaným popolom dočasne uloženým vedľa výkopu. Nad uloženým potrubím sa vytvoril koridor dlhý 300 m z nakypreného popolového materiálu, ktorého priepustnosť (najmä vo vertikálnom smere) bola výrazne vyššia ako v prípade vrstevnatého laminovaného sedimentu v okolí výkopu ryhy (obr. 15).

Pri pretláčaní oceľovej chráničky s rozmermi 820/8 mm pre potrubie vratnej vody cez obvodovú hrádzu odkaliska sa vytvorili v popolovinách v jej okolí podmienky (preferované cesty) na presakovanie vody. Pretláčanie potrubia cez horninové (v tomto prípade popolové) prostredie vyvolá v okolí rúry zmeny stavu napätosti. Normálové napätie pri zatláčaní klesá a tangenciálne napätie narastá. V zhutnených nesúdržných materiáloch (popoly možno takto charakterizovať, keďže ich súdržnosť má nulovú, respektíve nízku hodnotu a mali by byť pri budovaní hrádzového telesa zhutňované) dochádza pri ich porušovaní šmykovými napätiami k dilatantným javom (k ich nakypreniu). V nakyprenej zóne popolov okolo oceľovej chráničky a medzi jej relatívne hladkou stenou a zrnitým prostredím vznikli medzery, ktoré pre vodu predstavujú privilegovanú priesakovú dráhu. Sufózia a erózia boli príčinou poruchy hrádze na odkalisku. S naplavovaním do kazety č. 2 sa začalo na nevhodnom mieste – z prvého výpustu na deliacej hrádzi, v bezprostrednej blízkosti cieľovej jamy vytvorenej pri pretláčaní chráničky pod hrádzou odkaliska.

V časti svahu, kde sa vyskytla porucha, chýbal drenážny koberec na vzdušnej strane svahu a zberný pätný drén, do ktorého by bol tento koberec vyústený. V prípade, že by sa tento drenážny prvok na mieste poruchy zrealizoval, mohol vodu, ktorá sa preferovanou cestou dostávala okolo chráničky smerom k vzdušnému svahu hrádze, oddrénovať do pätného drénu. Pri absencii spomenutého drenážneho prvku sa voda bez väčších problémov dostala k vzdušnému svahu hrádze, na ktorý potom pôsobila svojou eróznou činnosťou.

Záver

Pri nerešpektovaní režimu prúdenia podzemných a povrchových vôd voda negatívne vplýva na stavebné konštrukcie. Prezentované poruchy na vybraných konštrukciách demon­štrujú vážnosť problematiky vplyvu vody na stavebné dielo. Poukazujú na nevyhnutnosť podrobnej analýzy režimu prúdenia povrcho­vých a podzemných vôd pri návrhoch, realizáciách a sanáciách stavebných konštrukcií.

TEXT: doc. Ing. Ivan Slávik, PhD., Ing. Mária Masarovičová, PhD.
FOTO: archív autorov

Ivan Slávik je odborný asistent na Katedre geotechniky, Stavebnej fakulty STU v Bratislave.
Mária Masarovičová je výskumná pracovníčka na Katedre geotechniky Stavebnej fakulty STU v Bratislave.

Literatúra
1.    Slivovský, M.: Skalný odrez v km 0,100 – 0,220, štátna cesta I/64 Žilina – Prievidza, prieťah Rajeckých Teplíc. Žilina, 1997, 8 s.
2.    Masarovičová, M., Slávik, I., Jesenák, J.: Analýza príčin porušenia hrádze odkaliska EVO o. z. – ZoD 04-354/99. Bratislava: STU, 1999, 28 s.
3.    Masarovičová, M., Slávik, I., Jesenák, J.: Poistné nádrže dažďovej kanalizácie (II. etapa). Bratislava: SvF STU, 2000, 50 s.
4.    Masarovičová, M., Slávik, I., Jesenák, J.: Vyjadrenie k havarijnej udalosti na štátnej ceste I/64 Žilina – Prievidza, prieťah Rajeckých Teplíc. Bratislava: SvF STU, 2005, 22 s.

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske Stavby/Inženýrské stavby.