Protierózna ochrana svahov na pozemných komunikáciách
Časopis Inžinierske stavby Článok sa venuje použitiu geosyntetických materiálov a riešení na účely protieróznej ochrany svahov. Zameriava sa na trvalé spôsoby protieróznej ochrany, ako sú georohože, geokompozity, svahové geobunky a drôtokamenné matrace. Zároveň opisuje možnosti a návrhové metódy pri rôznych typoch aplikácií protieróznej ochrany svahov, násypov a zárezov.
Erózia je prirodzený proces, pri ktorom sa zemina rozrušuje a transportuje, zvyčajne vplyvom dažďa a vetra. Prirodzená erózia prebieha pomaly, ale na mnohých miestach je urýchlená a zároveň umocnená antropogénnou činnosťou. Medzi činnosti zvyšujúce eróziu zeminy patria odlesňovanie, nadmerná pastva, neriadená stavebná činnosť, ale aj budovanie dopravnej infraštruktúry.
Erózia zeminy na svahoch je väčšinou spôsobená vplyvom dažďa. Patria sem tieto typy erózie:
- plošná – spôsobená rozrušovaním častíc po dopade dažďových kvapiek;
- povrchová – rozrušovanie častíc na povrchu pôsobením neryhového odtoku;
- ryhová – povrchový odtok zrážok sa začína koncentrovať a vytvárať ryhy, kde je zvýšená rýchlosť a energia odtoku, ktorý je schopný transportovať rozrušené častice;
- výmoľová – odtok formuje
hlbšie a širšie ryhy a vytvára z nich žľaby, ktoré sú schopné transportovať aj väčšie kusy rozrušenej zeminy.
Erózia vo väčšom meradle mimo svahov môže zahŕňať rozrušenie vegetácie a zeminy v korytách kanálov, potokov a riek vplyvom zvýšenej rýchlosti alebo objemu toku. Tento typ erózie zeminy sa nazýva riečna.
Protierózne riešenia na svahoch
Svahy predstavujú vážny problém v oblasti erózie, ktorá vzniká najmä pri prívalových dažďoch. Silné zrážky môžu spôsobiť eróziu na povrchu svahov, najmä pri jemno-
zrnných zeminách. Prirodzenou protieróznou ochranou je vegetácia svahov. Korene vegetácie stabilizujú zeminu a zabraňujú jej odplaveniu alebo odfúknutiu. Výrazná erózia, ktorá môže vyústiť do rýh a žľabov, môže vzniknúť, najmä ak je svah slabo pokrytý vegetáciou.
Erózia na svahoch závisí od dvoch hlavných faktorov:
- erozívnosť – aktívna zložka erózie; hlavnými eróznymi činiteľmi sú voda a vietor,
- erodovateľnosť – náchylnosť zeminy na eróziu; pasívna zložka.
Hlavným faktorom, ktorý urýchľuje eróziu, je ľudská činnosť. Eróziu zeminy na svahoch možno preto kontrolovať, ak sa dá dostatočne presne odhadnúť už vo fáze prípravy a plánovania projektu.
Na obmedzenie erózie na svahoch je vhodným riešením použitie geosyntetiky. Geosyntetické produkty na obmedzenie erózie poskytujú komplexné riešenia pre dočasnú protieróznu ochranu s podporou rastu vegetácie, ako aj pre trvalú protieróznu ochranu, keď pôsobiace sily odtoku prekračujú šmykovú pevnosť nevystuženej vegetačnej zeminy.
Typy geosyntetických materiálov
Biologicky rozložiteľné protierózne rohože poskytujú ochranu proti erózii pôdy a pomáhajú pri zakladaní vegetácie na miernych svahoch, kde výsev na voľnú zeminu nie je dostatočný. Rozložiteľné výrobky sa používajú na posilnenie zakladania vegetácie, kde samotná vegetácia poskytne dostatočnú protieróznu ochranu svahu po degradácii geosyntetiky.
Nerozložiteľné typy geosyntetiky poskytujú dlhodobé posilnenie vegetácie. Používajú sa v náročnejších aplikáciách na kontrolu erózie, kde sa vyžaduje okamžitá a zároveň vysokoúčinná ochrana. Tieto výrobky sú navrhnuté tak, aby zvýšili únosnosť zeminy proti erózii trvalým posilnením koreňovej štruktúry vegetácie.
Medzi súčasné dostupné riešenia patria predovšetkým:
- biorohož – 2D tkanina vyrobená z biodegradovateľných prírodných vlákien, ako sú juta, slama, kokos alebo plsť z celulózových vlákien;
- geotextília – tkaná plošná textília vyrobená tkaním priadze;
- kompozit – viacvrstvová 2D geomreža spojená s geotextíliou vo výrobnom procese na zlepšenie pokrytia zeminy produktom;
- georohož – rohož v 3D tvare vyrobená z polymérneho filamentu (vlákien), ktorý možno vystužiť geomrežou alebo oceľovou sieťou.
Vlastnosti protieróznych riešení závisia od komplexných procesov, kde sa vzájomne ovplyvňujú rôzne faktory a funkcie, ktoré nie sú kvalitatívne a kvantitatívne homogénne. Podľa výskumu, kde bol pozorovaný vzťah medzi protieróznymi produktmi a rastom vegetácie, vykazujú georohože vzhľadom na všetky interagujúce parametre a funkcie globálne najlepšie vlastnosti.
Hlavné typy trvalých protieróznych georohoží
MacMat®
Georohož je vyrobená zo syntetických polypropylénových vlákien spletených dokopy tak, aby vytvorili vysoko deformovateľnú trojrozmernú rohož s hrúbkou 10 až 20 mm, ktorá sa vyznačuje veľmi vysokou poréznosťou (v priemere väčšou ako 90 %). Svojou prítomnosťou na svahu zvyšuje šmykovú pevnosť na povrchu zeminy, chráni ornicu pred odplavením a zároveň posilňuje rast vegetácie. Georohož je vhodná pre svahy, pozdĺž brehov kanálov a riečnych tokov alebo ako drenáž v kombinácii s geotextíliou a/alebo membránou.
MacMat® R s geomrežou
Kompozitná georohož vyrobená z polypropylénovej rohože MacMat, ktorá je extrudovaná na výstužnú polypropylénovú geomrežu. MacMat R s geomrežou predstavuje trvalú ochranu zárezov a násypov.
MacMat® R s oceľovou sieťou
Kompozitná výstužná georohož vyrobená z polypropylénovej rohože MacMat, ktorá je extrudovaná na dvojzákrutovú oceľovú sieť s okom 6 x 8/8 x 10. Povrchová úprava môže predstavovať Galmac (zliatina zinku a hliníka) alebo v agresívnejšom prostredí Galmac s prídavnou polymérnou ochranou PoliMac. MacMat R s oceľovou sieťou predstavuje trvalú protieróznu ochranu zárezov a násypov s čiastočnou stabilizačnou funkciou.
MacMat® HS s oceľovou sieťou s lanami
Vysokopevnostná georohož vyrobená z polypropylénovej rohože MacMat, ktorá je extrudovaná na výstužný systém SteelGrid. Ten je tvorený geokompozitom z dvojzákrutovej oceľovej siete a pozdĺžnych oceľových lán vpletených do siete počas výroby. Povrchová úprava ponúka dve možnosti, rovnako ako pri MacMat R s oceľovou sieťou. MacMat HS predstavuje trvalú protieróznu ochranu zárezov a násypov so stabilizačnou funkciou, ktorá je vhodná pri kombinácii so zemnými klincami.
Návrhový prístup
Inžiniersky prístup k návrhu geosyntetiky na kontrolu erózie na svahoch je založený na známej revidovanej univerzálnej rovnici straty pôdy RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation), ktorú možno prispôsobiť na výpočet erózie na jednom svahu alebo na vymedzenej oblasti pozostávajúcej z viacerých jednotlivých svahov.
RUSLE je univerzálny vzťah, preto je použiteľný v akomkoľvek geografickom regióne a v akýchkoľvek sociálno-ekonomických podmienkach. Vyžaduje si však vhodnú databázu vstupných dát, ktorá umožňuje odhad rôznych faktorov. Použitie RUSLE na navrhovanie s geosyntetikou si vyžaduje definovanie parametrov rôznych výrobkov pomocou laboratórnych a veľkorozmerných skúšok.
V súčasnosti je v príprave medzinárodná norma ISO/TR 18228-8, ktorá bude pokrývať navrhovanie protieróznej ochrany svahov s využitím geosyntetiky. Jednou z použitých, už existujúcich noriem na vytvorenie medzinárodnej normy, je ASTM D6460, na ktorú sa odvoláva aj technický predpis TKP 31.
RUSLE sa vyjadruje vzťahom:
A = R . K . LS . C . P
kde
A je odhadovaná priemerná strata zeminy (t/ha.rok),
R – faktor erozívnosti zrážok a odtoku (MJ.mm/ha.h.rok),
K – faktor erodovateľnosti zeminy (t.ha.h/ha.MJ.mm),
L – faktor dĺžky svahu (–),
S – faktor strmosti svahu (–),
C – faktor ochrany svahu (–),
P – faktor významnosti (–).
Protierózno-stabilizačné riešenia – kombinácia so zemnými klincami
V inžinierskych konštrukciách sa pri navrhovaní zabezpečenia svahov často stretávame nielen s eróziou zeminy, ale aj so stabilizačnými problémami. Medzi základné riešenie zabezpečenia stability svahov s nízkou súdržnosťou patrí klincovanie (klincované svahy). Klince pretínajú svojou dĺžkou šmykový klin a stabilizujú svah svojou ťahovou a šmykovou únosnosťou. Klince môžeme rozdeliť do dvoch kategórií, a to na samozávrtné klince a klince vložené do vopred vyvŕtaných otvorov.
Podľa BS 8006-2:2012 možno systém lícového prvku rozdeliť do troch kategórií: mäkké, flexibilné a tvrdé opevnenie. Ako jednoduché, rýchle a environmentálne riešenie sa uplatňuje práve kombinácia flexibilného opevnenia vo forme vysokopevnostnej georohože s vpletenými lanami MacMat HS a zemných klincov. Tento systém poskytuje trvalé protierózno-stabilizačné riešenie svahov.
Svahové geobunky MAC.R.O.W.®
Pri riešení protieróznej ochrany svahov ukázali skúsenosti v priebehu rokov limity protieróznych georohoží a tradičných 3D geobuniek. Z hľadiska realizácie a aplikácie sú georohože vhodné do sklonu svahu 40° (výnimočne 45°). Zároveň otvorené, sklonené tvary štandardných geobuniek sú náchylné na vymývanie zásypového materiálu pri intenzívnych dažďoch alebo toku vody.
Po každej dažďovej sezóne sa presunutý materiál hromadí pri päte svahu, pričom bunky zostávajú prázdne, čo si vyžaduje pravidelnú údržbu a sanačné práce. Ďalšou slabinou klasických geobuniek sú zvárané spoje, ktoré môžu počas zasypávania alebo pôsobenia servisného zaťaženia praskať, čo vedie k lokálnemu poškodeniu a postupnej degradácii bunkovej štruktúry.
Systém MAC.R.O.W. bol vyvinutý ako moderná generácia 3D geobuniek, ktorá prekonáva tieto obmedzenia a je vhodná aj pre vyššie sklony, až do 60°. Geobunky MAC.R.O.W. sú vyrobené z polyetylénových plátov extrúziou, pričom sú v nich vytvorené rezy formujúce bunky a voliteľné otvory pre kotevné lanká.
Po rozvinutí na svahu sa pláty materiálu natiahnu a vytvoria trojrozmernú bunkovú štruktúru s vertikálnymi stenami buniek, ktoré účinne udržiavajú zásypový materiál (zeminu alebo štrk) a zabraňujú jeho vymývaniu. Systém sa dodáva v dlhých rolkách, čo umožňuje zakrytie rozsiahlych plôch svahu bez nutnosti spájania viacerých dielcov alebo odrezkov a znižuje odpad materiálu.
MAC.R.O.W. prešiel rozsiahlymi laboratórnymi aj poľnými skúškami, ktoré potvrdili jeho vysokú retenčnú schopnosť ako zásypového materiálu, zvýšenú drenážnu kapacitu a dlhodobú odolnosť proti UV žiareniu, oxidácii, mrazu a mechanickému poškodeniu. Trojročné monitorovanie po inštalácii preukázalo stabilné parametre bez vymývania alebo poškodenia štruktúry.
Kotvenie geobuniek sa realizuje pomocou kovových alebo kompozitných kotiev, bunky sa následne zasypávajú štrkom alebo vegetačnou zeminou, čo umožňuje založenie trvalej vegetácie a zabezpečuje dlhodobú stabilitu svahu. Typ a konfigurácia buniek MAC.R.O.W. sa volia podľa sklonu svahu, charakteru zásypového materiálu a návrhových kritérií, čím je zaistená mechanická a geometrická zhoda s projektom.
Celkovo predstavuje MAC.R.O.W. spoľahlivé, ekonomické a ekologické riešenie pre spevnenie svahov. Poskytuje vyššiu bezpečnosť, znižuje potrebu údržby a v porovnaní s tradičnými geobunkami zjednodušuje proces realizácie. Inovatívna konštrukcia umožňuje kompletné spevnenie svahu od päty po hrebeň, čím prispieva k trvalo udržateľnej protieróznej ochrane.
Protierózne riešenia vodných tokov
Erózia v korytách kanálov, potokov a riek, čiže riečna erózia, vzniká v dôsledku šmykových napätí spôsobených tokom. Podcenenie riečnej erózie môže spôsobiť značné problémy pre plavbu lodí a ľudské záujmy a nekontrolovaná riečna erózia môže vyústiť až do kolapsu hrádzí a zaplavenia okolitých oblastí. Problematické sú tiež oblasti v okolí mostných pilierov v toku.
Prúdenie vody v korytách vytvára šmykové napätia na dne a na bočných brehoch, ktoré sú úmerné hĺbke a rýchlosti toku. Tieto napätia môžu rozrušovať častice zeminy a hĺbiť ryhy do dna a brehov tokov, čo môže viesť k porušeniu koryta. Výpočet (návrh alebo posúdenie) ochrany dna a brehov možno vykonať pomocou dvoch rôznych metód založených na rýchlosti vody v toku a šmykovom napätí spôsobenom tokom.
Ochranu koryta toku proti riečnej erózii môže predstavovať prirodzená vegetácia, ktorá však často nie je postačujúca. Medzi ľahkú ochranu patria systémy na báze geosyntetiky, a to už spomínané typy geosyntetiky pre protieróznu ochranu svahov, z ktorých najlepšie vlastnosti majú georohože.
Tie možno rozdeliť na protierózne revegetačné georohože (ECRM) bez pokrytia, ktoré poskytujú ochranu svahu pred dažďovými kvapkami a stekaním, ale nepodporujú rast vegetácie. K účinnejšiemu riešeniu môžeme zaradiť trávnaté výstužné georohože (TRM). Tie sa ukladajú na breh s ornicou a vegetáciou, ktorá prerastie cez georohož a ochrana získa vyššiu odolnosť proti šmykovému napätiu.
Z produktov Maccaferri sú práve vhodné georohože MacMat® R s oceľovou sieťou, ktoré podporujú rast vegetácie a zároveň poskytujú protieróznu ochranu s výstužnou funkciou.
Pri väčších tokoch, prípadne vyšších rýchlostiach tokov môže byť ľahká protierózna ochrana nedostačujúca. Medzi ťažké ochrany korýt patria obloženia z rôznych materiálov, ako sú napríklad betón (betónové bloky, geotextílne vrecia vyplnené betónom…), kamenná záhadzka alebo systémy na báze drôtokamenných košov (gabiony a matrace).
Spoločnosť Maccaferri považuje za najefektívnejšie a zároveň najekologickejšie riešenie riečnej erózie práve použitie matracov, preto vyvinula produkt Reno Matrac Plus. Ide o drôtokamenný matrac vyplnený buď kamenivom alebo zeminou s dvojitými priečkami a patentovanými tiahlami X-Tie.
Na základe výskumu a experimentálnych výsledkov bola možná optimalizácia hrúbky Reno Matracov Plus, ktorá sa pohybuje od 17 do 30 cm a závisí od prípustného šmykového napätia. Veko matracov môže byť vyhotovené z dvojzákrutovej siete tak ako zvyšok konštrukcie alebo použitím georohože MacMat R s oceľovou sieťou.
Záver
Spoločnosť Maccaferri ponúka komplexnú škálu inovatívnych riešení protieróznej ochrany bez ohľadu na jej typ. Zohľadňuje pritom ekonomické parametre a kladie veľký dôraz na životné prostredie, to všetko pri splnení súčasných technických noriem a predpisov.
Vďaka novej medzinárodnej norme ISO/TR 18228-8 bude k dispozícii ucelená norma pre navrhovanie protieróznych opatrení s ohľadom na okrajové podmienky projektu a návrhový stav v budúcnosti, čo v súčasnosti absentuje. Zároveň to prispeje k optimalizácii technických riešení a protierózne opatrenia získajú v spoločnosti dôležitosť, ktorá je namieste.
Uplatnenie uvedených postupov v ISO/TR 18228-8 sa pri navrhovaní protieróznych riešení stane nevyhnutnosťou, čo bude mať pozitívny vplyv na zmiernenie klimatických zmien na krajinu v dôsledku erózie.
Literatúra
1. Hanuštiak M., Adamec J.: Typy, spôsoby návrhu a správnej voľby vhodnej protieróznej ochrany zemných konštrukcií, Konferencia Geosyntetika 2023, Žilina, 2023/02.
2. TKP 31: Zvláštne zemné konštrukcie.
3. ASTM D6460: Standard Test Method for Determination of Rolled Erosion Control Products in Protecting Earth Channels from Stormwater-Induced Erosion. ASTM International, West Conshohocken, PA, USA.
4. ISO/TR 18228-8: Design using geosynthetics — Part 8: Surface erosion control.
5. Portfólio spoločnosti Maccaferri.
Text: Ing. Martin Hanuštiak, projektový inžinier v spoločnosti
MACCAFERRI CENTRAL EUROPE, s. r. o.; Ing. Jaroslav Adamec,
technický riaditeľ MACCAFERRI CENTRAL EUROPE, s. r. o.
Foto: MACCAFERRI CENTRAL EUROPE, s. r. o.
