GEOSYNTETIKA VE VODNÍM STAVITELSTVÍ Ing. Veronika Lečová, GEOMAT s.r.o. Ing. Martin Kašpar, GEOMAT s.r.o. Geosyntetické výrobky jsou v posledních letech vyhledávanou alternativou klasických technologií jak pro svou ekonomickou nenáročnost, tak pro jednoduchý a rychlý postup výstavby i v obtížných podmínkách. Možností použití geosyntetických výrobků ve vodním stavitelství je s ohledem na vznik nových, progresivních a technicky vhodných řešení celá řada. Protierozní ochrana je jednou ze základních aplikací, která efektivně a dlouhodobě zajišťuje ochranu břehů, hrází či koryt před vnějšími vlivy. 1. Protierozní ochrana Eroze nastává, pokud účinky vody nebo větru uvolňují a odnáší částečky zeminy. Rozsah eroze závisí na síle proudu vody či větru, rozměrech svahu (výška, délka a sklon) a typu zeminy. Poruchy přírodních nebo uměle vytvořených svahů jsou běžným problémem zvláště u soudržných zemin nebo v oblastech s výskytem velkých vodních srážek. Geosyntetika určená pro protierozní ochranu podporují růst vegetace pro stanovené návrhové období. Z hlediska trvanlivosti používáme protierozní materiály dočasné (biodegradabilní - biologicky odbouratelné), které napomáhají vzrůstu vegetace v prvních měsících a protierozní materiály trvanlivé (z plastů), které stabilizují povrch po dobu tvorby kořenového systému a následně mu zajišťují dlouhodobou oporu. Jsou využívány v oblastech namáhaných opakujícími se povodněmi, vlnami nebo občasnými toky o vysokých rychlostech jako je tomu u břehů řek, pobřeží, kanálů, pobřežních hrází a jezů. Z hlediska vlivu vody rozeznáváme protierozní ochranu svahů suchých, svahů dočasně smáčených a svahů trvale smáčených. Pokud tato dvě hlediska spojíme dostáváme následující základní rozdělení protierozní ochrany svahů: 1.1. Dočasná protierozní ochrana pro svahy suché (např. BioNet) Biodegradabilní rohože udržují vlhkost a mírnou teplotu zeminy, což umožňuje rychlý růst semen. Jejich předností je možnost dobrého vytvarování zemního povrchu a tím i výborný růst rostlin bez jakéhokoliv omezení druhu.
Obr. 1 Kokosová rohož
Obr. 2 Instalace kokosové rohože na svahu portálu železničního tunelu
Příliš malá oka mohou omezit růst rostlin a způsobit „stanový“ efekt (tj. zvedání georohože růstem vegetace).
Obr. 3 Schéma dočasné protierozní ochrany svahu 1.2. Trvalá protierozní ochrana pro velmi strmé svahy a pro svahy dočasně smáčené (např. georohože Trinter, Tensar Mat) Výrobky řady Trinter a Tensar Mat jsou tvořeny flexibilní prostorovou rohoží, která se nerozkládá a je umístněna na povrchu svahu. Tyto protierozní rohože představují ekonomické a dlouhodobé řešení pro trvalou ochranu proti erozi na namáhaných zemních svazích. Využití geosyntetik pro tuto aplikaci je levnější než většina nepoddajných a inertních úprav svahů. Geosyntetika neškodí životnímu prostředí a jsou dlouhodobým řešením daného problému s velmi jednoduchou instalací.
Obr. 4 Georohož Trinter
Obr. 5 Rekonstrukce koryta potoka s protierozní ochranou pomocí geo– rohože
1.3. Trvalá protierozní ochrana pro vysoce namáhané svahy resp. svahy trvale smáčené a svahy namáhané proudící vodou (např. rohože s výztužnou mřížkou Vmax3 C350, geobuňky MULTICELL) 1.3.1 Výztužné rohože Vmax³ Výrobky Vmax3 jsou kompozitní konstrukce tvořené jádrem z kokosových vláken (C350), ze směsi kokosových vláken a slámy (SC250) nebo z polypropylénových vláken (P550), které je vloženo mezi vysokopevnostní podpůrnou 3D rohož. Zajišťují trvalou protierozní ochranu svahu, jež se vyrovná až 76 cm mocné vrstvě kamenného záhozu. Biodegradabilní jádro zajišťuje ochranu vegetace po dobu 12 až 36 měsíců, tloušťka kompozitní konstrukce zase zajišťuje vhodnou mocnost pro vyztužení kořenů travin. Materiál trvalé ochrany je navržen tak, aby odolal působení UV záření.
Trvalá 3D rohož zvyšuje smykovou odolnost povrchu vegetace na hodnoty mezi 480 – 670 Pa. Vysoká pevnost této struktury odolává poškození od přírodních sil či lidské činnosti (síly od intenzivního pěšího provozu, strojů údržby a automobilové dopravy).
Obr. 6 Rohož s výztužnou mřížkou Vmax3 C350
Obr. 7 Schéma trvalé protierozní ochrany
Obr.8 a 9 Rohož s výztužnou mřížkou Vmax3 C350 při a po instalaci 1.3.2 Geobuňkový systém MULTICELL Zatímco ozelenění poskytuje mírnému svahu cenově efektivní řešení, geobuňky MULTICELL zajišťují ekonomické řešení pro obtížné erozní podmínky.
Obr. 10 Geobuňkový systém MULTICELL
Obr. 11 Protierozní ochrana břehů vodního toku pomocí geobuňkového systému MULTICELL
Výplňový materiál je chráněn samotnou buňkou a tudíž je ochráněn proti přemisťování. Každá buňka má funkci malé přehrady umožňující vodě či větru přejít přes povrch, aniž by odstranily výplň. Pokud je jako výplňový materiál použita zemina s osevem, je možno rostlou vegetaci udržovat běžnými prostředky bez rizika poškození geobuněk. Vyplněné geobuňky MULTICELL lze použít při zajištění stability svahu s přídavným externím zatížením – např. dna řečišť, strmé silniční násypy atd. 1.4. Testy geosyntetických výrobků s protierozní funkcí Společnost North American Green se v široké míře zabývá testováním výrobků a zjišťováním výhod jednotlivých typů. Je testována především jejich účinnost v závislosti na struktuře výrobku a zatížení svahu. Zkoušky protierozních schopností jednotlivých geosyntetik probíhaly na universitách Utah State University, TTI (Texas Transportation Institute) a Colorado State University. Na posledně jmenované se prováděla testování nejnovější, kde byly výrobky Vmax3 instalovány v modelu kanálu skutečného měřítka na vysoce erozivní písčité hlíně se sklonem kanálu až do 45°. V kanálu byl simulován proud vody o proměnné intenzitě vystavující výrobky Vmax3 vzrůstající úrovni smykového napětí. Byly testovány tři fáze vzrůstu vegetace: po osetí, částečně vzrostlá a plně vzrostlá vegetace (viz obr. 12). Testování probíhalo v různých časových intervalech proudící vody a různých sklonech. Byly provedeny jak krátkodobé testy trvající jednu hodinu, tak testy dlouhodobé s dobou proudění vody deset až šedesát hodin. Dále byla pomocí vnitřního svahového simulátoru zjišťována protierozní odolnost při srážkách různé intenzity.
Obr. 12 Fáze testování výrobku C350 Fáze 1. Bez vzrostlé vegetace Nechráněné semeno a zemina jsou velmi náchylné k erozi. Po instalaci výrobku Vmax3 C350 vytvoří humózní vrstva, kokosové vlákno a trvalá vlnitá 3D rohož rovnoměrnou mulčovací vrstvu a účinnou protierozní ochranu semene o smykové odolnosti až do 153 Pa, která je vyvolaná prouděním vody. Fáze 2. Nová nezralá vegetace ve fázi růstu Jemné stonky a nevyvinuté kořenové systémy nezralé vegetace poskytují povrchu zeminy jen velmi malou ochranu a jsou náchylné k poškození nebo odstranění již při hodnotě smykového napětí 29 Pa. Výrobek C350 nepřestává poskytovat protierozní ochranu a konstrukční podporu vyvíjejícím se rostlinám, tahová pevnost tohoto sytému vegetace– rohož se postupně zvyšuje až na hodnotu 480 Pa. Fáze 3. Zralá vegetace v plném vzrůstu Pokud není zralá vegetace vyztužená, může dojít k významným ztrátám zeminy a fyzickému poškození zeleně již při hodnotě smykového napětí 48 Pa vyvolaného prouděním vody. Vlnitá struktura výrobku C350 vyztuží zeminu, ukotví kořeny a stonky vegetace a zvýší povolenou hodnotu smykového odporu trvalé vegetace až na 576 Pa.
Výsledky testování značně přesáhly publikované návrhové hodnoty výrobků Vmax3. Během testování nedošlo ke ztrátám zeminy či porušení vegetačního systému, což je považováno za významný posun v protierozní ochraně vysoce namáhaných svahů. Obr. 13 a 14 Testovací kanál a vnitřní svahový simulátor deště
Aplikována srážková voda různých intenzit
1.5. Návrhový software Tento software umožňuje na základě laboratorních výzkumů a testování na modelech v reálném měřítku usnadnit výběr vhodných materiálů pro konkrétní aplikaci. Modul svah: Poskytuje analýzu parametrů staveniště jako např. sklon svahu, jeho délku, typ zeminy, energii a intenzitu místních dešťových srážek. Modul na ochranu kanálů: Poskytuje analýzu hydraulických účinků proudění vody na materiály jako jsou protierozní koberce a výztužné rohože North American Green, vegetace a kamenný zához. 2. Další využití geosyntetik ve vodním stavitelství Geosyntetika ve vodním stavitelství také velmi dobře zajišťují celou řadu doprovodných staveb, jako např. přístupové komunikace, přechody zvodnělých území, „měkké“ opěrné konstrukce, izolace hrází, ochranu hrází před drobnými živočichy apod. 2.1. Zvyšování únosnosti podloží K prvnímu použití geosyntetik dochází zpravidla již při zahájení stavby, kdy je potřeba dostat stavební techniku na měkký nebo podmáčený terén. Jednoduché rozvinutí role tuhé geomříže nebo rozprostření geobuněk a následné zasypání zrnitým materiálem zajistí bezpečný a pohodlný přístup na staveniště i na velmi neúnosných půdách. Výhody ve srovnání s klasickým používáním zejména silničních panelů jsou zřejmé. Také srovnání nákladů vyznívá ve prospěch geosyntetik.
Obr. 15 Schéma principu fungování stabilizace neúnosných vrstev
Obr. 16 Dočasná přístupová komunikace
Stabilizační vrstva (geosyntetikum + zrnitý materiál) roznáší zatížení a tím snižuje napětí působící na podloží pod kritickou hodnotu. Roznos zatížení je zvýšen díky omezenému pohybu kameniva. 2.2. Strmé svahy, sanace sesuvů, zemní valy a hráze Další důležitou oblastí použití je zajištění stability svahů a zemních hrází pomocí výztužných geosyntetik. Přínosem geosyntetika je zmenšení kubatur násypů, a tím příslušných záborů a možnost využití méně vhodného zásypového materiálu. Principem zvýšení stability je přerušení potenciálně nebezpečných smykových ploch probíhajících svahem k jeho líci nebo do podloží. Běžně se pro dosažení příslušného stupně stability používají geotextilie, jednoosé geomříže či geobuňky. Výběr vhodných měkkých a poddajných čel může záviset na několika faktorech, jmenovitě na požadované povrchové úpravě, omezeních a místních podmínkách životního prostředí, ale hlavně na sklonu svahu. Nejoblíbenější pohledovou úpravou svahu je obalované čelo, umožňující přirozený zelený vzhled svahu.
Obr. 17 Schéma zemního valu/hráze
Obr. 18 Schéma sanace sesuvu svahu
Měkká čela jsou ekonomická a umožňují výběr z mnoha povrchových úprav se skvělými výsledky. Výhody spojené s výstavbou strmých vyztužených svahů jsou především: – minimalizace záborů – redukce zásahů do citlivých oblastí životního prostředí – snížení množství požadované výplně – možnost použití místní zeminy – jednoduchá a rychlá výstavba – měkká čela jsou ekonomickou alternativou klasických opěrných stěn
