Návrhové postupy protieróznych opatrení na svahoch pozemných komunikácií

Tento článok sa venuje problematike zosuvov svahov násypov a zárezov pozemných komunikácií spôsobených eróznou činnosťou. Zameriava sa na efektívne spôsoby ochrany svahov pomocou trvalých protieróznych georohoží, spôsobmi ich výberu a správneho návrhu z pohľadu teórie, výskumu a praxe.

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. Medzi tieto typy erózie patria (obr. 1):
• plošná erózia – je spôsobená rozrušovaním častíc po dopade dažďových kvapiek,
• povrchová erózia – vzniká rozrušovaním častíc na povrchu pôsobením neryhového odtoku,
• ryhová erózia – povrchový odtok zrážok sa začína koncentrovať a vytvárať ryhy; v nich sú zvýšené rýchlosť a energia odtoku, ktorý je schopný transportovať rozrušené častice,
• výmoľová erózia – 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 spôsobené zvýšenou rýchlosťou alebo zväčšeným objemom toku. Tento typ erózie zeminy sa nazýva riečna erózia.

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 ak ide o jemnozrnné zeminy. Prirodzená protierózna ochrana je vegetácia svahov. Korene vegetácie stabilizujú zeminu a zabraňujú jej odplaveniu alebo odfúknutiu. Výrazná erózia, ktorá môže vyústiť do rýh a žľabov, má predpoklad vzniknúť najmä vtedy, ak je svah slabo pokrytý vegetáciou.

Erózia na svahoch závisí od dvoch hlavných faktorov:
• erozívnosť – aktívna zložka erózie, pričom hlavné erózne činitele sú voda a vietor,
• erodovateľnosť – pasívna zložka, predstavuje náchylnosť zeminy na eróziu.
Ľudská činnosť je hlavný faktor, ktorý urýchľuje eróziu. Eróziu zeminy na svahoch však možno kontrolovať, ak sa dostatočne presne odhadne 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 geosyntetiky proti erózii

Biologicky rozložiteľné protierózne rohože poskytujú ochranu proti erózii pôdy a pomáhajú pri zakladaní vegetácie na miernych svahoch, kde nie je výsev na voľnú zeminu dostatočný. Rozložiteľné výrobky sa používajú na posilnenie zakladania vegetácie, ktorá 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 proti nej vyžaduje okamžitá a zároveň vysokoúčinná ochrana. Tieto výrobky sú navrhnuté tak, aby zvýšili únosnosť zeminy voči erózii trvalým posilnením koreňovej štruktúry vegetácie.

K súčasne dostupným riešeniam 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 je možné vystužiť geomrežou alebo oceľovou sieťou.

Hlavné parametre

Erodovateľnosť, teda náchylnosť na eróziu, je ovplyvnená najmä vegetáciou svahu. Rast vegetácie závisí od parametrov lokality, ktorými sú hlavne albedo, zrážky, vlhkosť a teplota. Pri použití geosyntetiky na svahoch je rast vegetácie zároveň závislý od parametrov samotného produktu. Medzi kľúčové parametre patria prienik svetla/veľkosť otvorov, hrúbka, farba, absorpcia vody, hmotnosť, drsnosť a stekavosť (obr. 3).

Vlastnosti protieróznych riešení závisia od komplexných procesov, kde sa vzájomne ovplyvňujú rôzne faktory a funkcie, ktoré nie sú kvalitatívne a kvantitatívne homogénne. Podľa výskumu univerzity v Miláne, kde skúmali vzťah medzi protieróznymi produktmi a rastom vegetácie, vykazujú globálne vzhľadom na všetky interagujúce parametre a funkcie najlepšie vlastnosti georohože.

Hlavné typy trvalých protieróznych rohoží

MacMat®
Ide o georohož vyrobenú zo syntetických polypropylénových vlákien spletených dokopy tak, aby vytvorili vysokodeformovateľnú trojrozmernú rohož s hrúbkou 10 − 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
Táto kompozitná georohož je 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
Táto kompozitná výstužná georohož je vyrobená z polypropylénovej rohože MacMat®, ktorá je extrudovaná na dvojzákrutovú oceľovú sieť s okom 6 × 8/8 × 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
Ide o vysokopevnostnú georohož vyrobenú 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 pre kombináciu 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 je možné prispôsobiť na výpočet erózie na jednom svahu, alebo na vymedzenej oblasti pozostávajúcej z viacerých jednotlivých svahov.

RUSLE je univerzálny vzťah, preto je použiteľná 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. Jedna z použitých, už existujúcich noriem na vytvorenie medzinárodnej normy je ASTM D6460, na ktorú sa odvoláva aj technický predpis TKP 31.

RUSLE sa vyjadruje týmto 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 (−).

Podrobnosti k jednotlivým parametrom sú uvedené v technickej literatúre, ako aj v spomenutých normách a predpisoch.

Podľa TKP31 je pri navrhovaní protieróznej ochrany svahu potrebné definovať v projektovej dokumentácii faktor ochrany svahu stanovený podľa ASTM D6459.

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 pri plavbe lodí a iných súvisiacich aktivitách, pričom nekontrolovaná riečna erózia môže vyústiť až do kolapsu hrádzí a zaplavenia okolitých oblastí.

Prúdenie vody v korytách vytvára šmykové napätia na dne a na bočných brehoch, ktoré sú úmerné hĺbke a rýchlosti toku. Vplyvom týchto napätí sa 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 nepostačuje. K ľahkej ochrane patria systémy na báze geosyntetiky, najmä už spomínané typy geosyntetiky pre protieróznu ochranu svahov, z ktorých majú najlepšie vlastnosti georohože.

Jedným typom sú protierózne revegetačné georohože (ECRM) bez pokrytia, ktoré poskytujú ochranu svahu pred dažďovými kvapkami a stekaním, ale nepodporujú rast vegetácie. K účinnejším riešeniam sa zaraďujú trávnaté výstužné georohože (TRM), ktoré sa ukladajú na breh s ornicou a vegetáciou. Tá potom prerastie cez georohož a ochrana získa vyššiu odolnosť proti šmykovému napätiu.

Georohože MacMat® R s oceľovou sieťou
Z produktov Maccaferri sú vhodné georohože MacMat® R s oceľovou sieťou, ktoré podporujú rast vegetácie a zároveň poskytujú protieróznu ochranu s výstužnou funkciou.

Reno Matrac Plus
Pri väčších tokoch, prípadne vyšších rýchlostiach tokov, môže byť ľahká protierózna ochrana nedostatočná. K ťažkým ochranám korýt patria obloženia z rôznych materiálov, ako sú napríklad betón (betónové bloky, geotextílne vrecia vyplnené betónom…), kamenná zahádzka 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 Plus. Predstavuje drôtokamenný matrac s dvojitými priečkami a patentovanými ťahadlami X-Tie, vyplnený buď kamenivom, alebo zeminou (obr. 8). Realizované výskumy a dosiahnuté experimentálne výsledky umožnili optimalizovať hrúbku matracov Reno 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 s použitím georohože MacMat® R s oceľovou sieťou.

Softvér pre optimalizovaný návrh ochrany vodných tokov
Kombinácia drôtokamenných konštrukcií a protieróznej geosyntetiky ponúka veľkú variabilitu pri návrhu a optimalizácii protieróznych riešení. Pre návrh a posúdenie korýt kanálov, potokov a riek vyvinula spoločnosť Maccaferri v spolupráci s Colorado

State University, kde boli vykonané experimentálne skúšky, softvér MACRA. Tento softvér dokáže modelovať zložité geometrie korýt v kombinácii s rôznymi protieróznymi produktmi, čo poskytuje veľmi presné a reálne výsledky pre optimalizovaný návrh ochrany. Softvér umožňuje užívateľovi navrhovať MacMat® a Reno matrace Plus vo vegetovaných aj nevegetovaných podmienkach a je založený na porovnávaní šmykových napätí.

Protierózno-stabilizačné riešenia − kombinácia so zemnými klincami

V inžinierskych konštrukciách sa pri navrhovaní zabezpečenia svahov stretávame často nielen s eróziou zeminy, ale aj so stabilizačnými problémami. K základnému riešeniu zabezpečenia stability svahov s nízkou súdržnosťou patrí klincovanie (klincované svahy). Klince svojou dĺžkou pretínajú šmykový klin a stabilizujú svah ťahovou a šmykovou únosnosťou. Klince môžeme rozdeliť do dvoch kategórií, a to na samozávrtné klince a na klince vložené do vopred vyvŕtaných otvorov.

Podľa BS 8006-2:2012 sa systém lícového prvku rozdeľuje do troch kategórií, na mäkké, flexibilné a tvrdé opevnenie. Jednoduché, rýchle a environmentálne riešenie predstavuje práve kombinácia flexibilného opevnenia vo forme vysokopevnostnej georohože s vpletenými lanami MacMat® HS a zemných klincov. Tento systém poskytuje trvalé protierózno-stabilizačné riešenie svahov.

Softvér pre návrh zemných klincov

Pre návrh zemných klincov v kombinácii s flexibilným lícovým prvkom vyvinula spoločnosť Maccaferri softvér MAC S-DESIGN (obr. 10). Tento softvér je založený na hybridnom prístupe, ktorý berie do úvahy interakciu zeminy a sieťovania pomocou použitia charakteristickej krivky založenej na deformáciách. Opisuje mechanické správanie systému uvedenej interakcie zeminy a sieťovania, kde sú vstupnými parametrami pevnosť a tuhosť sieťovania.

Záver

Spoločnosť Maccaferri ponúka komplexnú škálu inovatívnych riešení protieróznej ochrany (bez ohľadu na typ erózie) so zohľadnením ekonomických parametrov a s veľkým dôrazom 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 zvýrazní sa potrebný význam protieróznych opatrení.

Uplatnenie uvedených postupov v ISO/TR 18228-8 sa pri navrhovaní protieróznych riešení stane nevyhnutnosťou, čo bude mať pozitívny vplyv na zmiernenie klimatických zmien krajiny 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,
Ing. Jaroslav Adamec
FOTO A OBRÁZKY: MACCAFERRI CENTRAL EUROPE, s. r. o.

Martin Hanuštiak je projektový inžinier v spoločnosti MACCAFERRI CENTRAL EUROPE, s. r. o., a Jaroslav Adamec je technický riaditeľ tejto spoločnosti.