Technologie protipovodňových podzemních těsnicích clon

S vývojem civilizace je odedávna spojen věčný boj lidstva s nepříznivými přírodními a klimatickými vlivy. Velmi nepříjemným a nebezpečným přírodním živlem, který ohrožoval, ohrožuje a bude ohrožovat lidskou společnost a její výdobytky, je proudící voda. V případě, že jsou ohroženy lidské životy nebo majetek, budují se různé ochranné konstrukce a stavby. V posledních letech se vlivem velmi špatných, ba až tragických zkušeností s povodněmi na vodních tocích zahájilo také v České republice daleko masivnější budování protipovodňových opatření a děl. Patří sem také ochranné hráze a stacionární i mobilní stěny.

Tyto konstrukce jsou viditelné, resp. se využívají na povrchu terénu kolem rozvodňujících se řek, říček i potoků, převážně v oblastech s bytovou nebo průmyslovou zástavbou. Staré a původní ochranné hráze se navyšují nebo doplňují. Nové se budují v rámci kompletních úprav toků nebo jsou doplňkem výstavby dálnic a podobně. Smyslem je zabránit rozlití vody z koryta vodoteče s nedostačující kapacitou do okolí.

Podstatnou a mnohdy i zásadní protipovodňovou konstrukcí jsou podzemní těsnicí clony zabudovávané do podloží kolem toků nebo do jádra ochranné hráze. Stávající hráze se velmi často sanují a doplňují právě těsnicími clonami. Smyslem těchto stěn je prodloužení průsakové čáry při vysoké hladině vody v přilehlé vodoteči a zabezpečení okolí toků před zaplavením vlivem spodního (zemního) proudění. Požadavek na propustnost těsnicích protipovodňových clon se udává obvykle hodnotou koeficientu filtrace asi 10-8 m/s. Velmi obvyklé a donedávna téměř výhradně využívané byly pro tyto účely štětové stěny nebo podzemní stěny, které tento požadavek splňují.

V současné době máme podle inženýrskogeologických nebo dispozičních podmínek k dispozici metody displacementové, jako jsou injektáže nebo vibrační technologie. Nejmodernější variantou je využití technologie Deep Soil Mixing (DSM). Pro tyto typy stěn je vedle koeficientu propustnosti důležitá ještě flexibilita používané těsnicí hmoty. Po dobu životnosti musí být zachována, a tudíž není možné, aby se postupem času příliš smršťovala. Modul přetvárnosti nebo pevnost v prostém tlaku musí být tedy výrazně nižší než u betonu. V případě injektáží nebo DSM se těchto vlastností docílí i tím, že se těsnicí hmota smíchá se zeminou.

Protipovodňové těsnicí podzemní stěny se na rozdíl od těsnicích clon v kontaminovaných prostředích navrhují bez potřeby odolávat korozi, ke které může docházet chemickými reakcemi v agresivním prostředí. Pažení stavebních jam musí mít v případě vyšší hladiny podzemní vody také těsnicí funkci, a proto se některé technologie využívají i zde.

Štětové a replacementové stěny
Využití štětovnic především typu Larssen má svoje opodstatnění v situacích, kdy je problematika proudění vody spojena se statickou funkcí. Rovněž tak se v České republice praktikovaly štětové stěny pro jejich vcelku jednoduchou instalaci a dostupnost. Avšak vzhledem k ceně oceli a současným možnostem se jeví masivní nasazení tohoto způsobu odclonění nebo zpomalení proudu vody v podzemí již jako neekonomické.

Beranění nebo vibrování štětovnic může ztroskotat na výskytu starých podzemních konstrukcí nebo balvanitých frakcích zemin. Samozřejmě vyšší ulehlost nesoudržných zemin nebo vyšší stupeň konzistence soudržných zemin nasazení štětových stěn značně eliminuje.

Podzemní stěny v rámci protipovodňových opatření hrají stále nenahraditelnou roli, ač jsou vzhledem k ceně neúměrně často navrhovány. Tato replacementová metoda (vytěžená zemina se nahradí novou výplní) se hodí při potřebě masivnější, respektive mocnější těsnicí stěny, kdy je třeba projít například přes balvanitější nebo ulehlejší geologické polohy. Pomocí drapáku se vyhloubí rýha, avšak na rozdíl od podzemních stěn využívaných v zakládání staveb se rýha nevyplňuje betonem, ale většinou jílocementovou nebo bentonitovou suspenzí či suspenzí na bázi expanzního, jemně mletého vápence, který zajišťuje požadovanou propustnost.

Obdobnou masivní konstrukcí, která se tuhostí vyrovná tzv. milánským stěnám, jsou například pilotové stěny. Ty se skládají z primárních nevyztužených pilot (nearmovaných) a pilot sekundárních vyztužených (armovaných), které se navzájem přeřezávají tak, aby vznikla souvislá stěna. Primární piloty slouží jako těsnicí, tedy nenosné, a proto se pro jejich výplň využívá betonu nižších tříd nebo materiálu s malou propustností. Počet pilot armovaných (nosných), respektive výplňových, závisí na požadavcích na ohybovou tuhost stěny. Znamená to tedy, že nosnou pilotou může být ve stěně například až každá čtvrtá. Nosné piloty lze doplnit také injektáží, čímž vznikne kombinovaná stěna z pilot a injektáže (viz níže).

Taktéž předností zmíněných technologií, respektive konstrukcí těsnicích stěn, je možnost poměrně snadno zajistit jejich ohybovou tuhost prostřednictvím vlastního profilu štětovnic nebo například vložených ocelových profilů do podzemní milánské stěny. Pak je možné ve zhlaví těchto podzemních stěn pokračovat v nadzemní části navigačních zdí nebo pilíři a podobně, aniž by se musela budovat speciální základová konstrukce.
Štětové, železobetonové podzemní a převrtávané pilotové stěny jsou navrhovány také v případě velkých hydrodynamických tlaků a turbulentního proudění, neboť mají samozřejmě značnou tuhost a odolnost proti abrazi, zvláště když je jejich část obnažena.

Displacementové stěny
Vibrační metody
Metody vibroflotace byly v rámci protipovodňových opatření vyzkoušeny poprvé v 60. letech minulého století při sanaci stávajících ochranných hrází mezi Klosterneuburgem a Hainburgem v Rakousku. Tyto hráze jsou budovány pouze z písku bez hutnění. Problémem je změna geometrie příčného profilu hráze při velkých povodních, a proto se přistoupilo k provedení dodatečných opatření pro utěsnění hráze. Vibroflotace využívá hloubkových ponorných vibrátorů s vodním výplachem za přidávání a vtlačování vhodného písčitého materiálu do tělesa hráze; tím se na jedné straně zvýší ulehlost písku v hrázi a na druhé straně se sníží propustnost. Samozřejmě nelze takto dosáhnout koeficientu propustnosti lepšího než asi 10-6 m/s.

V případech, kdy je ochranná hráz budována dokonce ze štěrkovitého materiálu, se v podunajských zemích využívá i metody hloubkového vibračního zhutňování vibrátory s horizontální vibrací. Tehdy se zhutněním hráze, respektive rostlého podloží, přidáváním štěrkopískového materiálu až do hloubky například 10 m zlepšuje stav hráze a redukuje propustnost. Redukce propustnosti se prokazuje dynamickými penetračními zkouškami, kdy za vyhovující je považováno asi 50% zvýšení ulehlosti.

Vibrovaná stěna
Další možností, jak provádět podzemní těsnicí clony, je využití hloubkových ponorných vibrátorů s křídly (obr. 1). Tyto fungují na obdobném principu excentru s horizontální vibrací a vertikálního přítlaku pomocí pásového nosiče jako výše uvedené, ale jsou vybaveny dvěma tryskami pro nízkotlakou injektáž.

Nejprve se v ose podzemní těsnicí stěny vyhloubí vodicí příkop hloubky asi 50 cm. Jednotlivé lamely stěny, resp. vpichy vibrátoru, se provádějí ve vzdálenostech asi 100 až 130 cm (obr. 2) – podle projektu. Zemina je při zapouštění vibrátoru roztlačována do stran a především hrubozrnný materiál v okolí je vibracemi hutněn. Do vytlačeného prostoru (otvoru) je při vytahování vibrátoru vzhůru pomocí trysek vháněna těsnicí suspenze. Při vytahování vibrátoru zpět-vzhůru se suspenze vypouští rovněž při tlaku asi 2 MPa. Půdorysný obrys stěny je zakřivený a její šířka se pohybuje zhruba mezi 100 až 300 mm.

Těsnicí suspenze se vyrábí v míchací stanici; komponenty pro její výrobu se v suchém stavu dopraví do sil a z nich se míchají ve vysokofrekvenční koloidní míchačce, do které se přidává voda. Zamíchaná suspenze se přečerpá do vířiče, kde je neustále míchána, aby nedocházelo k sedimentaci. Dále se potrubím čerpá k vibračnímu dlátu. Spotřeba suspenze v zemině závisí na její pórovitosti, resp. mezerovitosti. Musí však vytékat do vodicího příkopu, ale zároveň z něj nesmí přetékat. V posledních 30 letech byla tato metoda použita v mnoha oblastech v Evropě, které jsou ohroženy povodněmi. Například pro sanaci souběžné hráze na řece Rýn bylo takto úspěšně vybudováno více jak 100 000 m² tenkých vibrovaných stěn.

Obdobnou technologickou verzí je v ČR pro poměrně vyšší technickou dostupnost využití profilu I č. 300 až 600 mm zapouštěného pomocí příložného vibrátoru. Těmito jsou vybaveny některé společnosti, které instalují štětovnice.

Stěna z prvků tryskové injektáže
Metody tryskové injektáže jsou dostatečně známé jako technologie pro podchycení základů budov, zajištění, resp. pažení stavebních jam, těsnění základových spár atd. Firmy speciálního zakládání využívají však tuto metodu také k sanaci protipovodňových hrází nebo při budování nových těsnicích clon. Nasazují se metody jednofázové, dvojfázové i třífázové, vždy podle geologického prostředí a požadavku na produkt tryskové injektáže. Přednost této technologie je třeba spatřovat v případě, kdy se v podloží nacházejí neprůchodné polohy, jako jsou velmi ulehlé a tvrdé vrstvy zemin nebo různé antropogenní a jiné překážky (balvany, staré konstrukce apod.). Nenahraditelnou službu může trysková injektáž zajistit, pokud je třeba projít mezi inženýrskými sítěmi nebo dotěsnit a zabezpečit spoje těsnicích clon s různými jinými konstrukcemi. Rovněž je možné podle potřeby využít vrtných souprav s větší nebo menší hmotností.

Princip tryskové injektáže je dostatečně znám a spočívá v erozi zeminy vysokotlakým paprskem a následném mísením zeminy se suspenzí pojiva, respektive výplně. Přebytečná suspenze s rozmísenou zeminou odtéká na povrch z vrtů. Takto lze vytvářet pilíře kruhového nebo půlkruhového průřezu. Speciál­ně vyvinutou technikou se provádějí tzv. lamely, a to při tryskání suspenze jednou nebo dvěma tryskami s oscilací vrtného soutyčí kolem svislé osy v úhlu maximálně do 15°.

Nasazení technologie tryskové injektáže je vhodné, potřebujeme-li vytvořit těsnicí stěny do hloubek až například 25 m. V současnosti v závislosti na charakteru zeminy a výkonnosti injektážní pumpy je možné dosáhnout délky lamel až 1,8 m jako na obr. 3 se zkušební lamelou, která souvisle dosahuje šířky 10 až 15 cm.

Stěny z pilířů Deep Soil Mixing (DSM)
Další variantou je těsnicí stěna budovaná pomocí moderní technologie DSM (hloubkové míchání zemin). U této metody dochází pomocí mechanického mísicího nástroje ke smíchání původní zeminy s přidanou suspenzí. Proces vytváření pilíře DSM se skládá ze dvou základních fází. První fází je zavedení vrtného – míchacího nástroje do požadované hloubky, což lze bez suspenze například ve zvodnělých píscích nebo pod hladinou podzemní vody vcelku snadno. Pokud zemina vykazuje větší odpor, lze zavrtávání usnadnit pomocí menšího množství suspenze (výjimečně vody) nebo i řezným paprskem.

Postup vrtání zcela závisí na strojníkovi, který musí rychlost a rotaci usměrňovat právě podle odporu zeminy. Po dosažení předepsané hloubky se zahájí čerpání suspenze předepsaného množství do vrtného nářadí a za jeho současného otáčení – míchání se postupuje vzhůru k hlavě pilíře. V závislosti na zemině je pak vhodné opakovat míchání v celé délce pilíře. Platí: čím jemnozrnnější nebo vrstevnatější zemina, tím víckrát pohyb opakovat. Dosáhne se tak homogennějšího promísení zeminy se suspenzí, čímž se zvýší integrita produktu. Průměry vrtání, respektive míchání, se pohybují mezi 0,5 m až 2,4 m a dosahuje se hloubek až 15 m. Množství cementového pojiva bývá přibližně 80 až 450 kg na m³, vápna hašeného či nehašeného pak v množství 6 až 10 % objemové tíhy zeminy. Tuto metodu je možno využít vedle běžného zakládání objektů i pro budování dočasné nebo trvalé protipovodňové ochranné stěny.

Předností těsnicích stěn z pilířů DSM je oproti předchozím displacementovým stěnám jejich větší šířka. Například při sanaci ochranné hráze v centru Krakova vedle zámku Wawel byla na stěnu z pilířů DSM postavena ochranná protipovodňová zeď v rámci zvýšení bezpečnosti. Její ukotvení na DSM sloupy bylo provedeno přes osazené I-profily. V této těsnicí stěně jsou vytvořeny průchody, které v případě nutnosti mohou být uzavřeny mobilní hliníkovou stěnou, v opačném případě umožňují vylití do lužních ploch.

Závěr
Na příkladech jsme ilustrovali, že v rámci protipovodňové ochrany mohou být zvoleny rozdílné metody speciálního zakládání. Obvykle jen podrobná analýza a kombinace metod představuje to nejlepší, jak se přizpůsobit složitým geologickým nebo prostorovým podmínkám. Nebyly představeny všechny existující metody, ale spíše metody progresivní a smysluplné. Ukazuje se, jak úzce souvisí technologie speciál­ního zakládání s protipovodňovou ochranou a s tím spojenou ochrannou životního prostředí. Zmíněné metody speciálního zakládání staveb a hloubkové zlepšování zemin mohou do budoucna přispět k zefektivnění protipovodňových staveb a snížení jejich ekonomické zátěže.

V budoucnu bude v České republice třeba podpořit ekonomicky nenáročné moderní metody zhotovení těsnicích podzemních clon. Může k tomu přispět lepší technická vybavenost firem speciálního zakládání staveb a rozšiřující se znalosti projektantů a investorů v této oblasti.

Ing. Petr Svoboda, Ph.D.
Foto: KELLER – speciální zakládání, s. r. o.

Petr Svoboda v roce 1990 vystudoval VUT FAST v Brně, obor konstrukce a dopravní stavby, specializaci geotechnika, v roce 1999 získal doktorát. Je autorizovaným inženýrem pro geotechniku a v současnost pracuje jako prokurista společnosti KELLER – speciální zakládání, s. r. o.

Článek byl uveřejněn v časopisu Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.