Prvá aplikácia sanácie zosuvu na Slovensku pomocou sifónových drénov
Na Slovensku, ako aj inde na svete, sú zaužívané rôzne spôsoby sanácie zosuvov. V tradičných metódach sa využíva vyvŕtanie subhorizontálnych vrtov na zníženie hladiny podzemnej vody alebo vyhĺbenie drenážnych odvodňovacích drénov vyplnených štrkovým zásypom rôznych frakcií. Inovačnou metódou je metóda sifónových drénov®.
Sifónové drény – teoretický koncept
Metóda je založená na princípe násosky. V prípade, ktorý je znázornený na obr. 1a, nemôže ostať systém zaplnený, pretože atmosférický tlak je menší ako tlak vody, čím dochádza k vyprázdneniu systému. Na udržanie stáleho prietoku v sifónovom potrubí treba zabezpečiť, aby atmosférický tlak pôsobil na obidva voľné povrchy na každom konci potrubia, respektíve aby bol každý koniec ponorený do nádoby s vodou (obr. 1b), alebo treba použiť potrubie v tvare U (obr. 1c).
Na vyprázdnenie vody z vrtu (studne) sa na dno vrtu inštaluje zásobník s vodou, do ktorého sa ponorí jeden koniec sifónového potrubia (obr. 2). Druhý koniec, tzv. výtokový, sa na spodnej hrane svahu umiestni tak, aby boli s prvým koncom ponoreným do zásobníka v jednej úrovni a vytvárali takzvanú referenčnú rovinu. Ak sa úroveň vody vo vrte (studni) zdvihne, systém sa spustí a vyprázdni vodu zo studne. Prietok prebieha až do chvíle, kým úroveň vody neklesne. Zrýchleným prietokom sa vyplavia všetky bubliny, ktoré sa v potrubí nachádzali. Je dôležité zásobník nastaviť tak, aby sa dosiahol dostatočný prietok na zabezpečenie stáleho odčerpávania a vyplavovania bublín. Prietok pokračuje až do chvíle, kým nie je systém vyčistený a bez bublín. Po vyčistení systému sa proces vyplachovania samočinne zastaví. Úroveň vody sa vo výplachovom systéme (v plastovom zásobníku) následne zdvihne na vopred určenú výšku. Prietok sa potom opäť obnoví a cyklus sa opakuje. Aby sa zabránilo upchatiu systému bublinami na konci každého výplachového potrubia, umiestni sa sem výtokový kus, ktorý automaticky reguluje výtok vody zo systému.
Usporiadanie systému
Implementácia hĺbkového drenážneho systému pomocou sifónových drénov vyžaduje vyhĺbenie radu studní, šácht a spájajúceho potrubia, cez ktoré systém komunikuje. Usporiadanie je znázornené na obr. 3. Systém tvoria tieto časti:
- studňová šachta s priemerom minimálne 800 mm a hĺbkou minimálne 1,5 m, vybavená rebríkom a krytom z liatiny. Šachta chráni zhlavie studne (drénu) a zároveň aj drenážne potrubie;
- studne – vystrojené perforovanou plastovou rúrou s priemerom 100 mm so štrkovým obsypom, inštalované cez vymedzený kruhový box s priemerom 300 mm, ktorý je osadený na dne každej šachty;
- termoplastické potrubie s priemerom 200 až 300 mm, v ktorom sa vedie sifónové potrubie medzi jednotlivými šachtami. Do tohto potrubia možno zároveň umiestniť ostatné potrebné vedenia;
- potrubie je vedené do výtokovej šachty, ktorá je umiestnená nižšie v porovnaní s drenážnymi studňami. Dno výtokovej šachty musí byť umiestnené o 0,7 m pod referenčnou rovinou (obr. 3). Výtoková šachta má všeobecne priemer 1 500 mm, a to z dôvodu zabezpečenia dostatočného priestoru na výplachový systém.
Vzdialenosť medzi šachtami (studňami) závisí od priepustnosti zeminy, ale vo všeobecnosti sa pohybuje medzi 3 až 5 m. Z výtokovej šachty sa voda vypúšťa do kanalizácie alebo vodného toku.
Obr. 3 Základné zložky sifónového drenážneho systému
Konštrukcia a vystrojenie čerpacích studní (drénov)
Vŕtanie studní nasleduje po ukončení zemných prác. Studňa sa vybuduje minimálne do hĺbky 12 m pod úroveň dna šachty. Vrtný priemer studne je bežne 180 až 250 mm. Výstroj studne tvorí plastová rúra s priemerom 100 mm s perforáciou (s veľkosťou otvorov 1 mm). Okolo studne sa realizuje obsyp štrkom frakcie 2 až 4 mm. Na čistenie studne sa používa stlačený vzduch, takzvaný airlift.
V každej studni (dréne) sa nachádza zásobník so stálou vodnou rezervou (plastová rúra s priemerom 50 mm a dĺžkou 3,0 m, umiestnená na dne studne), ktorý umožňuje zahltenie sifónového systému vodou. Používa sa sifónové potrubie s priemerom od 10 mm s možným prietokom asi 2,9 m3 za deň (teda 0,03 l/s) až po potrubie s priemerom 20 až 25 mm s prietokom asi 24 m3 za deň (teda 0,27 l/s). Každé sifónové potrubie sa vo výtokovej šachte ukončuje automatickým násoskovým zariadením, ktoré sa v prípade zvýšenej hladiny podzemnej vody v drenážnej studni otvorí, čím dôjde k jej čerpaniu. Poklesom hladiny vody pod referenčnú úroveň sa systém automaticky uzavrie. Sifón (násoska) sa inicializuje prvýkrát natlakovaním dostatočného množstva čerstvej vody do systému. Jedenkrát inicializovaný systém pracuje následne už automaticky.
Počas prvých týždňov práce celého systému sa môže stať, že sa doň dostanú jemné častice vyplavené zo zeminy. Z toho dôvodu treba v tomto čase vykonávať kontroly a pravidelné preverovanie jeho funkčnosti.
Monitoring
Monitorovanie zariadenia a sledovanie potrebných údajov je možné vďaka elektrickým a elektronickým súčastiam, ktoré systém obsahuje. Počet čerpacích cyklov sa zaznamenáva automaticky. V závislosti od sledovaného faktora treba na zabezpečenie správnej funkčnosti systému a efektívneho rozdelenia údržby inštalovať doplnkové zariadenia:
- vibračné vláknové piezometre na monitorovanie hladiny podzemnej vody vo vybraných studniach,
- dataloggery alebo vibračné vláknové piezometre na sledovanie hladiny podzemnej vody,
- prietokomer na meranie prietoku vody,
- inklinometre na sledovanie pohybu zemín v zosuve.
Všetky inštalované zariadenia sa napájajú na datalogger. Hodnoty sa zaznamenávajú v hodinových intervaloch. Tieto údaje možno preniesť cez sieť GSM a prezentovať zákazníkovi cez internetové pripojenie.
Inžinierskogeologická charakteristika územia
Zosuvy boli aktívne už od roku 2005 a na základe tejto skutočnosti sa aj zdokumentovali a podrobili inžinierskogeologickému prieskumu, v rámci ktorého sa navrhli aj opatrenia na sanáciu.
Zosúvanie deluviálnych sedimentov spôsobovala vysoká hladina podzemnej vody, ktorá premenlivo stúpala a v čase topenia jarných snehov dosahovala maximum. Dochádzalo k porušeniu stability a následnému zosúvaniu kašovitej hmoty zemín. Tá sa vo frontálnej časti prúdového zosuvu nasunula na budovy garáží. Odtiaľ ju niekoľkokrát vyťažili a odviezli, čo ďalej odľahčilo pätu svahu a následne opätovné zosúvanie.
Územie poskytuje podmienky vhodné na vznik svahových pohybov. Je budované deluviálnymi ílmi a suťami. V ich podloží sa nachádzajú silne zvetrané ílovce, ktoré majú v kontakte s povrchovými ílmi charakter ílov s úlomkami podložných hornín. Kontaktná zóna kvartéru a paleogénu je citlivá na zmeny fyzikálno-mechanických vlastností ílov a podložných ílovcov. Tento degradačný proces je viazaný na väčšie množstvá podzemných vôd. Uvedené faktory sú dôvodom vzniku prúdového aktívneho zosuvu, ktorý sa za vhodných podmienok aktivizuje.
Litologicky je zosuvné delúvium reprezentované takto: hrúbka kvartérnych sedimentov je v rozpätí 1,0 až 4,0 m a sú budované ílom s vysokou a strednou plasticitou a ílom štrkovitým, predkvartérne podložie je budované ílovcovo pieskovcovými vrstvami s prevahou ílovcov.
Systém odvodnenia, sifónové drény®
V rámci sanácie svahov bol navrhnutý systém odvodnenia, ktorý bol spracovaný do projektovej dokumentácie. Znížením hladín podzemnej vody sa zvýši kvalita šmykových parametrov v zosúvaných zeminách. Maximálna výška hladiny bola určená stabilitným výpočtom. Podľa tejto hodnoty maximálnej výšky hladiny podzemnej vody a koeficientu filtrácie sa navrhol počet a rozmiestnenie drenážnej línie, jej sklon a hĺbka vŕtaných drénov (studní).
V sekcii nad garážami sa navrhlo 20 drénov (studní), ktoré boli zvedené do dvoch výtokových šácht, kde boli sifónové trubice ukončené sifónovými akumulátormi. Voda sa ďalej odvádza potrubím do miestnej kanalizácie.
V sekcii nad sídliskom sa navrhlo 14 drénov (studní). V línii nad odtrhovou hranou zosuvu sa vyhĺbil drenážny výkop do hĺbky asi 2 m pod terénom, v šírke asi 1 m a v celej dĺžke drenážnej línie. Z jeho dna sa vyvŕtali zvislé hydrogeologické drenážne vrty do požadovanej hĺbky. Hydrogeologické vrty boli vyvŕtané priemerom 200 mm a vystrojené plastovou hladkou pažnicou s priemerom 110 mm, ktorá bola v časti prítoku podzemnej vody do vrtu perforovaná s hustotou zárezov 11 percent priepustnej plochy, 1 mm drážky s rozstupmi 8 mm. Priestor medzi pažnicou a okrajom vrtu bol zasypaný štrkom frakcie 4 až 8 mm. Dva metre od zhlavia vrtu smerom do podložia bol priestor medzi pažnicou a stenou vrtu vyplnený tesniacim ílom.
Šachtu predstavuje prefabrikovaná betónová skruž (betónový prefabrikát) s priemerom najmenej 800 mm s dvomi priepustmi na vedenie zberného potrubia sifónových trubíc. Jej hĺbka je v závislosti od konfigurácie terénu od 140 do 200 cm. Dno skruže bolo zaliate prostým betónom v hrúbke 20 cm a v mieste vyústenia pažnice na povrch sa osadila plastová rúra s priemerom 300 mm na vymedzenie priestoru na vŕtanie. Do lávky z prostého betónu bola osadená vodorovná rúra, ktorá slúži ako kolektor pre sifónové drenážne trubice naťahované po celej dĺžke drenážnej línie. Do šachty je osadený manipulačný rebrík.
Stena a dno sú vystlané netkanou geotextíliou T-400 separator. Dno je vysypané filtračným podsypom frakcie 0 až 8 mm, zhutnený na Id = 0,9. Do tohto podsypu je uložená flexi drenážna rúrka priemeru 150 mm na odvedenie vody infiltrovanej z povrchu. Ostatný priestor je vysypaný štrkovým filtračným materiálom frakcie 16 až 32 mm. Vrch skruže je zabezpečený betónovým uzáverom s priemerom 600 mm.
Drenážny systém bol uvedený do prevádzky na jeseň roku 2010. V tomto období boli namerané veľmi nízke hladiny podzemnej vody, väčšinou zaklesnuté pod úroveň maximálnej prípustnej hladiny stanovenej statickým výpočtom stability svahu. V prípadoch zvýšených hladín podzemnej vody (SD10 a SD20 v sekcii nad garážami) boli činnosťou sifónových drénov znížená hladina podzemnej vody na požadovanú hĺbku.
V čase zvýšených prítokov vody do vrtov sa očakáva cyklické znižovanie hladiny podzemnej vody činnosťou drenážneho systému na všetkých vrtoch.
Ako prispeje systém odvodnenia pomocou sifónových drénov k celkovému zvýšeniu stability svahu, bude možné posúdiť na základe dlhodobejšieho pozorovania a merania.
TEXT: Mgr. Peter Fekeč, Ing. Boris Vrábel, PhD.
FOTO: Geotechnik SK
Peter Fekeč je geológ IGHG vo firme Geotechnik SK, s. r. o.
Boris Vrábel je autorizovaný stavebný inžinier, geotechnik vo firme Geotechnik SK, s. r. o.
Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.
