&
Nové technologie ochrany životního prostředí před negativními následky pohybujících se přírodních hmot Evidenční číslo projektu: TA01021374
Zpracovali:
Doc. Ing. Eva Hrubešová, Ph.d. Ing. Luděk Kovář, Ph.D. Doc. RNDr. Pavel Pospíšil, Ph.d.
Porovnání klasických technologií stabilizací svahů s geovaky PROTEX TČ na výpočetních stabilitních modelech (část svahové deformace) ©
Příloha zprávy č. 3 za období 2013
Ostrava, prosinec 2013
1. ÚVODNÍ ÚDAJE V rámci řešení daného projektu byla mezi jinými zvolena i modelová lokalita Ráček (Ostrava – Bartovice). Toto zájmové místo bylo vybráno z důvodu výskytu mělkých svahových deformací u nichž je předpoklad možnosti jejich stabilizace nově navrhovanou technologií pomocí popílkocementem plněných geovaků systému PROTEX-TČ©. Modelová lokalita se nachází v Moravskoslezském kraji, v katastrálním území Bartovice (č.k.ú.: 715085), list mapy 1:25 000 15-441 Orlová. V lokalitě proběhly v první polovině tohoto roku průzkumné práce (Kovář et al., 2013), které zjistily velmi komplikovanou geologickou stavbu v zájmovém území a poukázaly na nutnost změnit původně zamýšlený způsob sanace. Jednou z možností jak postupovat je i nasazení již zmiňované technologie PROTEX-TČ©. S ohledem na specifický tvar průřezu vaky (kružnice resp. elipsa) vyvstala otázka jak správně posuzovat stabilitu daného opatření s ohledem na správnost a bezpečnost řešení. Cílem tohoto elaborátu tedy je posoudit možnosti modelování prvků PROTEX-TČ© výpočetními programy a porovnat výsledky výpočtů ve shodném geologickém prostředí s metodou dnes již klasického zabezpečení svahů pomocí drátokošů plněných kamenivem (gabiony). Výsledkem řešení není projekt sanačního zabezpečení – dosažené hodnoty stupně stability slouží jen pro konečné porovnání obou metod a neřeší samotnou spolehlivost navrhovaných řešení.
2. PŘÍRODNÍ POMĚRY LOKALITY Z regionálně geologického hlediska je modelová lokalita součástí karpatské soustavy a je reprezentována mořskými sedimenty tvořícími výplň předhlubně karpatského horstva. Předkvartérní podloží v dané oblasti budují proměnlivě písčité neogénní vápnité jíly spodního badenu. Hluboké geologické podloží je pak tvořeno produktivním karbonem Hornoslezské pánve, který byl v minulosti předmětem hlubinné těžby černého uhlí. Na předkvartérní podloží je navázáno kvartérním pokryvem, který je v zájmovém prostoru reprezentován sedimenty fluviálními (zejména jíly a hlíny v bezprostředním okolí toku Ráčku) a glacigenními (směrem k JZ), příp. svahovinami, na jejichž složení se podílí jak materiály glacigenního původu, tak i čistě antropogenní produkty (popeloviny, haldovina apod.). Granulometricky jsou v lokalitě zastoupeny převážně jemnozrnné zeminy - jíly, popř. hlíny, minoritně pak písky a štěrky. Přirozený geologický profil je místy překryt nehomogenními antropogenními navážkami, které dle provedených průzkumných prací mohou lokálně dosahovat mocnosti i 2.5 m, popř. i více. Předmětné území leží dle mapového serveru České geologické služby na poddolovaném území. Svahové deformace se aktuálně nachází podél místního toku Ráček, na jeho vyšším pravém břehu. K iniciaci svahových pohybů došlo v průběhu revitalizačních prací na toku. 2
Lze konstatovat, že morfologií terénu, geologickou skladbou a hydrogeologickými poměry je lokalita ke svahovým deformacím obecně náchylná. Dle místní pochůzky nelze rovněž vyloučit, že zájmový prostor nebyl svahovými deformacemi postižen již v minulosti. Orientace úklonu levobřežního svahu vodoteče Ráček je převážně k severovýchodu, sklon svahu je kolísavý a dosahuje od cca 13 do 25°. Dle mapovacích prací a geodetického zaměření se pohybuje maximální šířka (po vrstevnici) zjištěných svahových deformací v rozmezí cca 20 až 65 m, délka (po spádnici) sesuvů pak v rozmezí cca 7 až 20 m. Spodní části sesuvů představují již silně přesunuté a promísené hmoty, jejichž konzistence je měkká, místy i kašovitá. Horní, vyšší patra svahových deformací jsou v terénu vymezena místy výraznými a rozevřenými trhlinami. Zintenzivnění pohybu i v těchto částech a vytvoření dalších „pater“ sesuvů směrem do vyššího svahu (soukromé pozemky, ploty, zahrady, zástavba) je s ohledem na stav zemin v patě vysoce pravděpodobné, a to zejména po vydatnějších srážkách. Zjištěné svahové deformace je možno klasifikovat jako mělké sesuvy s kruhovými smykovými plochami. Sesouvání (hlavní část smykové plochy) předpokládáme v navážkách, svahovinách a v náplavech. Předpokládáme, že smykové plochy zde zasahují do hloubek do cca 3.5 m, tzn. že svahové deformace nedosahují až k povrchu předkvartérního podloží. Současný stav sesuvů je možno charakterizovat jako aktivní.
3. VÝPOČTY JEDNODUŠŠÍMI VÝPOČETNÍMI SYSTÉMY Jednodušší výpočetní stabilitní systémy (např. průzkumem použitý GEO 4 společnosti FINE, s.r.o.) neumožňují zavedení složitých kruhových prvků do výpočtu. Pro možnost alespoň základního porovnání uvažovaných řešení byla sestava vaků zprvu modelována jako zjednodušený prvek trojúhelníkový (obalové čáry). Pro porovnání obou řešení byly stabilitní výpočty provedeny na řezu svahem, zkonstruovaném na základě geologického řezu GR2 (Kovář et al., 2013). Pro výpočty byly použity hodnoty fyzikálně mechanických parametrů zemin zjištěných provedeným průzkumem. Řešení vycházelo z efektivních (charakteristických), v případě sesuvem již postižených hmot pak reziduálních parametrů smykových pevností zemin, které nebyly již dále upraveny dílčími součiniteli. Byly použity klasické výpočetní metody principem mezní rovnováhy (programový systém STAB z programového souboru GEO 4. Smykové plochy obecného tvaru byly řešeny metodou Sarmovou. Pravděpodobnější kruhové smykové plochy pak metodami dle Bishopa a Pettersona. Stabilita svahu je charakterizována stupněm stability Fs (poměr pasivních a aktivních sil ve svahu). V následujících obrázcích jsou znázorněna ideová sanační opatření - Obr. 1 pro stěnu gabionovou, Obr. 2 pak pro opěrný prvek tvořený vaky PROTEX-TČ©. Obr. 3 a 4 pak dokumentuje stabilitní řešení metodou mezní rovnováhy pro oba porovnávané systémy sanace.
3
Obr. 1 – řez patou svahu se sanací gabionovou stěnou.
Obr. 2 – řez patou svahu se sanačními prvky PROTEX-TČ©. 4
15.00
10.00
0.00
-10.00
15.00
10.00
0.00
-10.00
Obr. 3 – stabilitní řešení metodou mezní rovnováhy při sanací gabionovou stěnou.
Obr. 4 – stabilitní řešení metodou mezní rovnováhy při sanací prvky PROTEX-TČ© (kruhové průřezy vaky jsou modelovány jako zjednodušený prvek trojúhelníkový).
5
Dosažené výsledky celkového stupně stability obou řešení jsou plně srovnatelné, liší se maximálně o jednu setinu v hodnotách stupně stability Fs. Zvolený výpočetní program již však další, resp. detailnější porovnání neumožňuje.
4. VÝPOČTY NÁROČNÝMI VÝPOČETNÍMI SYSTÉMY (MKP) Modelově byly analyzovány dva příčné řezy svahovým tělesem s řešením zabezpečení svahové paty dle Obr. 1 a 2 a rovněž v „těžší variantě“ dle Obr. 5 a 6 (níže). Geometrie řezů, mírně odlišná od řezu použitého metodou mezní rovnováhy, je tvořena dvěma základními svahovými částmi – spodní (nižší) část svahu, přiléhající bezprostředně ke korytu vodoteče Ráček, a horní (vyšší) část svahu, obě části jsou odděleny terasovou částí s velmi mírným sklonem. Geologický profil je tvořen na povrchu navážkami, spodní vrstvy jsou tvořeny jíly (zjednodušený model). K modelování byl použit specializovaný geotechnický software PLAXIS v.10 (Holandsko), pracující na základě metody konečných prvků. V programu implementovaná deformační metoda konečných prvků vychází z přetvárného chování modelované oblasti, která je diskretizována konečným počtem 6-ti uzlových trojúhelníkových prvků (3 uzlové body ve vrcholech trojúhelníků, 3 ve středech stran) – takto volené trojúhelníkové konečné prvky jednoznačně určují tvar aproximace hledané funkce posunů na daném prvku - parabolickou plochu. Následné vyhodnocení napětí v jednotlivých prvcích je provedeno na základě přijatých konstitutivních materiálových vztahů. Materiálové chování zemin v předmětném modelu bylo popsáno Mohr-Coulombovým konstitutivním modelem (pružný – ideálně plastický konstitutivní model), který předpokládá kromě zadání základních přetvárných charakteristik materiálů (modul pružnosti a Poissonovo číslo) i zadání parametrů smykové pevnosti (soudržnost a úhel vnitřního tření). Materiály předpokládaných stabilizačních prvků v modelu (gabiony, geovaky) pak byly modelovány za předpokladu lineárně – pružného konstitutivního materiálového modelu, který nevyžaduje zadání pevnostních charakteristik (modelově se neposuzuje porušení samotných stabilizačních prvků). Parametry materiálu geovaků byly uvažovány adekvátně materiálu slabého betonu třídy C12/15. Moduly pružnosti navážek a fluviálních jílů byly přepočteny ze zadaných oedometrických modulů pružnosti a odpovídajících Poissonových čísel. Zásyp stabilizačních prvků byl modelován štěrkovou zeminou. V modelu byl uvažován vliv podzemní vody. Výška hladiny podzemní vody byla aproximována na základě poskytnutých podkladových materiálů. Materiálové charakteristiky použité v modelu jsou uvedeny v tabulce č. 1.
6
Obr. 5 – řez patou svahu se sanací gabionovou stěnou s rozšířenými svahovými pery.
Obr. 6 – řez patou svahu se sanačními prvky uspořádání.
PROTEX-TČ© v násobném (těžkém)
7
Tab. č.1
Objemová tíha (kN/m3) Modul pružnosti (MPa) Poissonovo číslo Soudržnost (kPa) Úhel vnitřního tření (°) Koeficient filtrace (m/s)
navážky
fluviální jíly
Štěrkový zásyp 20.00
Materiál gabionů 23.00
Materiál geovaků 18.00
19.00
18.25
9.3 (oedom. 20)
2.12 (oedom. 4)
40.00
36.00
24 000.00
0.38
0.40
0.20
0.25
0.20
4
4
2
-
-
20
20
35
-
-
10-5
10-7
10-3
10-3
nepropustný
Modelově byly analyzovány u všech příčných řezů jednak jejich primární (počáteční) stavy před aplikací stabilizačních prvků a dále stavy po aplikaci dvou variantních opatření – gabiony a geovaky. Stupně stability jsou aplikovaným softwarem vyhodnocovány na základě metodiky redukce pevnostních parametrů, což je standardní metodika aplikovaná při modelování stability metodou konečných prvků. Na základě této metodiky je stupeň stability vyhodnocován jako maximální redukční koeficient zadaných charakteristik smykové pevnosti, který odpovídá takové hraniční hodnotě redukované soudržnosti a tangentě úhlu vnitřního tření, pro které je pro spočtená hlavní napětí (určující poloměr Mohrovy kružnice) splněna Mohrova podmínka porušení (Mohrova kružnice se dotýká Mohrovy obálky charakterizované redukovanými smykovými pevnostními charakteristikami). Metoda vyhodnocení stupně stability, založená na deformační numerické metodě konečných prvků, neumožňuje, na rozdíl od klasických metod mezní rovnováhy, stanovit stupeň stability na předem definované smykové ploše, ale výsledkem je vyhodnocení kritické smykové plochy s nejnižším stupněm stability ve svahovém tělese. Lokalizace této kritické smykové plochy je pak určena spojnicemi míst s nejvyššími hodnotami smykových přetvoření. Při modelování varianty s aplikací geovaků se v obou analyzovaných řezech vyskytly dosti zásadní problémy při generaci sítě konečných prvků. Zabudovaný automatický generátor sítě se nebyl schopen vyrovnat s geometrií několika kruhových oblastí lokalizovaných v bezprostřední blízkosti (zakřivené oblasti, malý rozměr oblastí v mezerách mezi nimi), které byly vytvořeny pomocí zabudovaného automatického modeláře kruhových otvorů. Nebylo možno buď síť vygenerovat vůbec, nebo byla vygenerovaná síť nevhodná pro další numerický výpočet (příliš malé prvky, ostré úhly trojúhelníků), což v konečném důsledku vedlo k problémům se
8
sestavením odpovídající globální matice tuhosti úlohy a k nemožnosti realizace celého numerického výpočtu (singularita matice výsledné soustavy rovnic). Po několika neúspěšných variantních pokusech generace sítě bylo nakonec přistoupeno k ručnímu výpočtu po částech lineárně diskretizovaných tvarů geovaků a následně k ručnímu zadání jednotlivých určujících bodů pro generaci sítě konečných prvků.
4.1
Výsledky modelování
Na základě realizovaných výpočtů byly v každém modelovaném řezu vyhodnoceny (viz přílohy č. 1 - 28 řazené za textovou částí): -
-
celkové resp. horizontální posuny odpovídající současnému (primárnímu stavu) – přílohy č. 1 a 15 horizontální posuny po aplikaci stabilizačních sanačních prvků – gabionů a geovaků – přílohy č. 2 - 11 a 16 - 25 lokalizace kritické smykové plochy pro současný stav- přílohy č. 12 a 26 lokalizace kritické smykové plochy pro stav po aplikaci stabilizačních prvků – přílohy č. 13 - 14 a 27 – 28.
Analýza výsledků modelování poskytla následující informace: -
-
-
-
v obou analyzovaných řezech je stupeň stability, odpovídající současnému stavu, roven jedné, svah je tedy ve stavu velmi labilní rovnováhy a vyžaduje přijetí stabilizačních opatření. pro současný stav je kritická smyková plocha v obou řezech dosti hluboká, probíhá celou analyzovanou svahovou oblastí, horní výstupní bod kritické smykové plochy je v koruně analyzovaného svahu, spodní výstupní bod smykové plochy je v nejnižším bodě v místě vodoteče. při aplikaci obou variant stabilizačních opatření se kritická smyková plocha přesouvá do horní části svahu, stupeň stability na této smykové ploše je rovněž velmi nízký (z projekčního hlediska nevyhovující), avšak pro obě uvažovaná řešení plně srovnatelný. Při minimálních rozdílech v hodnotě stupně stability pro obě varianty (navíc v oblasti nevyhovující) bylo přistoupeno ještě k analýze porovnání horizontálních posunů při obou uvažovaných způsobech stabilizace v dolní části svahu. Z modelových výsledků vyplývá, že hodnoty těchto posunů jsou nižší při aplikaci geovaků (max. horizontální posuny cca 0.9 mm), z hlediska deformačních projevů je tedy příznivější varianta geovaků ve srovnání s variantou gabionovou (max. horizontální posuny cca 1.8 mm).
9
5. ZÁVĚRY Ná zakladě analýzy výsledků provedených výpočetních řešení je možno konstatovat: ¾ Výsledky stabilitního posouzení pro gabiony i pro geovaky systému PROTEXTČ© jsou v daném návrhu plně srovnatelné. Z obou sanačních metod se dosažené hodnoty stupně stability liší až na druhém desetinném místě (setiny). K tomuto výsledku dospěly oba typy výpočetních systémů pro dva různé modely horninového prostředí. ¾ Pro oba nasazené výpočetní systémy je obtížné zavést do modelového řešení skutečný tvar geovaku ať již ve formě teoretického kruhového či reálného eliptického průřezu. Jednodušší systémy pracující metodami mezní rovnováhy pak musí daný problém řešit silně schematizovaným trojúhelníkovým prvkem opsaným konstrukci geovaků. I zavedení geometrie geovaků v programovém systému PLAXIS (MKP) muselo být přistoupeno k ručnímu výpočtu po částech lineárně diskretizovaných tvarů geovaků a následně k ručnímu zadání jednotlivých určujících bodů pro generaci sítě konečných prvků. ¾ Stabilitní výpočty je však reálné provádět oběmi výpočetními systémy, resp. jejich kombinací. Pro předběžný návrh zabezpečení svahu jednoduššími systémy metodou mezní rovnováhy, pro definitivní řešení a složitější případy (členitá morfologie svahu, složité geologické poměry) pak náročnějšími metodami MKP. ¾ Výkonné výpočetní systémy jako např. použitý PLAXIS jsou přesnější, umožňují analyzovat a přesně odvodit i další charakteristiky ve zvolených místech či dílčích částech výpočtů, jako jsou hodnoty posunů, působících momentů a sil. ¾ Jak již bylo řečeno řešení s gabiony i geovaky jsou srovnatelná co do hodnoty stupně stability, vaky však vykazují lepší účinnost v podobě vyšší tuhosti, což lze prokázat porovnáním velikosti horizontálních posunů v patě svahu (za rubem sanačních prvků) při obou uvažovaných způsobech stabilizace. Geovaky dosahují oproti gabionům (v použitém výpočetním uspořádání) pouze poloviční hodnoty horizontálních posunů. ¾ V případech kdy nebude možné aplikovat geovaky jako hlavní sanační prvek je možné jejich nasazení jako prvku dočasné stabilizace „na ztraceno“ za budoucím hlavním či pohledovým sanačním opatřením. Nutnost používání těchto dílčích či dočasných stabilizačních prvků je dokladována stabilitními výpočty nesanovaného svahu, kde nejkritičtějším okamžikem ze stabilitního hlediska je zásah do svahové paty za účelem sanačního zásahu.
10
¾ Jak je dokladováno dosahovanými (obecně velmi nízkými) hodnotami stupně stability je pro způsob výběru, dimenzování a správné vyhodnocení účinnosti sanačních prvků nezbytný podrobný geologický průzkum, pečlivé zhodnocení všech kritických míst v zajišťovaných úsecích a kvalitní autorský a geologický dozor při vlastní realizaci sanace. Doporučení k dalšímu výzkumu:
¾ Pro další precizaci stabilitních výpočtů by bylo vhodné se zaměřit i na vlastní materiál geotextilií tvořící obal geovaku, především pak na jeho smykovou pevnost v interakci s horninovým prostředím. Smyková pevnost použitých geotextilií resp. jejich další úprava (zdrsnění povrchu) může mít další velmi kladný stabilizační efekt, dosud do výpočtů nevstupující. ¾ Na lokalitách kde se podaří v rámci pilotních projektů řešení s geovaky uvést do praxe doporučujeme provádět geotechnický monitoring jak ve formě měření na povrchu, tak i horninovém prostředí za rubem opěrných konstrukcí např. metodou přesné inklinometrie, aby výpočty dosažené výsledky mohly být účinně verifikovány a případně rekalibrovány pro další praktické využití.
Použitá literatura: Kovář L. et al.: Ostrava – Bartovice, revitalizace vodoteče Ráček. Závěrečná zpráva IG průzkumu a stabilitního posouzení. K-GEO s.r.o., č.ú. 2013 045. Ostrava, červenec 2013.
Přílohy – 28 ks grafických výstupů stabilitních řešení na následujících 14-ti stranách:
11
