Zakládání vzdouvacích staveb

Hlavním prvkem při zakládání vzdouvacích staveb je podloží, jelikož přenáší zatížení a další účinky vzdouvacích staveb. Jeho stavba vychází z geologické skladby dotčeného území.

Informace o skladbě podloží (vlastnosti, účinky vody apod.) poskytují výsledky a závěry průzkumů:

• inženýrskogeologického,
• hydrogeologického,
• geotechnického.

Je nutno si uvědomit, že nároky z hlediska stability, únosnosti, účinků vody různých typů vzdouvacích staveb na podloží jsou různé. Např. u betonové přehrady výšky nad 200 m, je možno v základové spáře očekávat tlak 4 N·mm^-2, u ochranné hráze do výšky cca 5 m, která bude na podloží působit tlakem, můžeme očekávat tlak na základovou spáru cca 0,1 N·mm^-2.

Vzdouvací stavby je možno zakládat na skalním a neskalním podloží. Geologické podmínky si však někdy vyžadují kombinaci výše uvedených způsobů. Možnosti rozdílných podmínek zakládání jsou uvedeny na obr. 142.

Obr. 142 Schéma rozdílných podmínek zakládání v přehradním profilu [4]

Skalní podloží

Je málo pravděpodobné, že v celém rozsahu základové spáry vzdouvacích staveb zajistíme její homogenitu (zdravá, málo propustná, bez poruchových zón), a to z hlediska jejího velkého rozsahu.

Na povrchu je ve většině případech hornina zvětralá, směrem do hloubky má tendenci zlepšovat své vlastnosti.

Stanovení hloubky založení je nutno provést na odborném posouzení.

Výkopové práce

Pro dosažení požadované úrovně založení se ve většině případech používá rozpojování pomocí trhavin. Tvar hrubého výlomu základové spáry bývá stupňovitý. Z hlediska chování konstrukcí není vhodný, jelikož v oblastech vystupujících hran dochází ke koncentraci napětí a riziku vzniku trhlin. Proto je vhodné tyto hrady při dokončovacím výlomu srazit. V těchto místech je možné situovat dilatační spáry konstrukce.

Obr. 143 Tvar základové spáry po hrubých výkopových pracích [4]

Dočištění základové spáry se provádí tlakovou vodou. Je nutno ze všech výklenků, a prohlubní vybrat drobné úlomky, smýt znečištění prachovými částicemi (hlínou) a odsát vodu.

Při zjištění pramenů, je nutno je lokálně podchytit, osazením trubky, která odvádí vodu mimo základovou spáru a zabetonováním.

Zjištěné poruchové zóny je nutné vybrat do větší hloubky a zaplombovat betonem, případně dodatečně zainjektovat, což vede ke zmírnění rizika prolomení výplňového materiálu vlivem nárůstu hydraulického gradientu po vzdutí (viz Obr. 144).

Širší poruchu je možno překlenout mostem spolu s proinjektováním rozrušené horniny (viz Obr. 144). Takto připravenou základovou spáru je nutno pokrýt vrstvou řádně zhutněného betonu. Před betonáží je nutno provést zdokumentování základové spáry pracovníkem geologického průzkumu.

Obr. 144 Sanace poruchových zón v skalním podloží A) betonovou plombou, B) překlenutí poruchové oblasti mostem [4]

V naší praxi se obvykle zemní těsnění napojuje na skalní podloží prostřednictvím betonové vrstvy (viz obr. 145). Tento způsob prakticky vylučuje nebezpečí kontaktní eroze zeminy vodou, tekoucí puklinami skalního masivu.

Pro zajištění lepšího spojení betonu se skalním masivem, je možno použít spojovací injektáže (krátké vrty). Díky nimž zajistíme proinjektování horniny těsně pod základovou spáru a eliminujeme tím případné poruchy vzniklé při trhacích pracích. Vrty jsou šachovnicově uspořádány.

Obr. 145 Napojení zemního těsnění na skalní podloží prostřednictvím betonového prvku [4]

Pro zlepšení přetvárných vlastností slabých zón podloží, za účelem přiblížení jejich deformačního modulu, modulu okolních hornin se používá zpevňovací injektáž.

Jako těsnící prvek skalního podloží vzdouvacích staveb se využívají injekční clony.

Propustnost skalního podloží a jeho přetvoření je dána:

• rozpukáním a navětráním horninového masivu;
• vrstevními plochami u sedimentárních hornin;
• diskontinuity skalního prostředí.

Kritéria pro přípustnou propustnost podloží:

• Lugeonovo – při vzdutí nad 30 m je přípustná ztráta z 1 m délky vrtu při vodní tlakové zkoušce při tlaku 0,1 MPa do 1 litru za 60 s (doba trvání zkoušky 10 min.). Do 30 m vzdutí připouštěl za výše uvedených podmínek až 3 litry za 60 s.
• Jähdeovo  - připouští ztrátu 0,1 až 0,5 litru za 60 s z 1 m při tlaku 0,3 MPa (používá se u nás).
• Terzaghiovo  - 0,05 litru za 60 s z 1 m při tlaku 10 kPa.
• Verfelovo – doporučil kritérium respektující hloubku (při tlaku 0,3 Mpa a vzdutí do 50 m)
  při hloubce                       0-10 m    0,5 l za 60 s z 1 m,
  při hloubce                     10-20 m    1,5 l za 60 s z 1 m,
  při hloubce                     20-30 m    2,5 l za 60 s z 1 m,
  při hloubce                     30-50 m    4,0 l za 60 s z 1 m,
  při hloubce                   nad-50 m    6,0 l za 60 s z 1 m,
  

Dodatečné injekční práce v podloží vzdouvací stavby bez narušení její funkce je možno provádět z injekční chodby. Jiné možnosti zajištění nepropustnosti skalního podloží jsou znázorněny na obr. 146. Pro utěsnění málo porušeného skalního podloží postačí ve většině případech jednořadová injekční clona, která se provádí postupným zahušťováním injekčních vrtů.

Obr. 146 Variantní možnosti provádění injekčních prací v podloží. A) z injekčního bločku, B) z předsunutého bločku, c) ze skalního povrchu, D) ze zvolené báze [4]

Ve složitějších případech se provádí clony dvouřadové i víceřadové. Platí, že nejkratší dráha průsakových cest a největší rozdíl tlaků je v zóně horniny pod základovou spárou. Proto se vedle svislé clony injekčních vrtů, se provádí šikmé připojovací vrty, které nám těsnou zónu rozšíří (viz obr. 147).

Obr. 147 Injekční těsnící clona se šikmými připojovacími vrty [4]

Základová spára při výlomu na zdravou skálu je drsná, může být také rovinná. Doporučované zazubení v minulosti není nutné. Smyková pevnost v základové spáře závisí na charakteru a poloze hlavních systémů puklin.

Ozubů v oblasti základové spáry se využívá při zakládání na silně rozpukané, navětralé skále (viz obr. 148). Někdy může být ozub jedinou částí, která je založena ve skalním podloží, ostatní části jsou založeny na neskalním podloží.

Pokud nastane situace, že je zapotřebí přenést zatížení do skalního podloží přes nepříliš mocnou vrstvu zeminy, je možno využít nosných stěn anebo vrtané piloty (min. Ø 1 m) (viz obr. 149).

Obr. 148 Založení spodní stavby pohyblivého jezu pomocí ozubů na skalním podloží [4]

Obr. 149 Založení nábřežní zdi na vrtaných pilotách [4]

Další způsoby úpravy vlastností skalního položí

1. Vyztužení skalního masivu pomocí výztuže vložené ve vrtech, která je následně zabetonována a/nebo zainjektována. Uvedené vyztužené prvky připomínají mikropiloty.
   Plochy nespojitosti ve skalním podloží, které při nepříznivé orientaci mohou napomáhat ke vzniku smykových ploch a tudíž k projevům nestability je možno přetnout výztužným roštem, který znemožní posun nezávislých skalních masivů (viz obr. 150).

   Obr. 150 Sanace smykové plochy v skalním podloží pomocí betonového roštu [4]

2. Použití předpjatých kotev ke zvýšení stability skalních opěr, které byly oslabeny výraznými plochami nespojitosti (viz obr. 151a). Toto opatření je možno doplnit injektáží a odvodněním.
   Životnost kotvy je odhadována na 50 - 80 let, v závislosti na její protikorozní ochraně (aktivní, pasivní). Proto již při návrhu kotvícího systému je nutno počítat s nahrazením porušených kotev novými a s rezervou.
   Kotvení lze využít i pro zvýšení bezpečnosti konstrukce z hlediska usmyknutí (např. jezové pilíře viz. Obr. 151b).
   

   Obr. 151 Příklady kotvení ve skalním podloží. a) Sanace skalní opěry klenby soustavou předpjatých kotev; b) Zakotvení vysokého jezového pilíře [4]

3. Přenesení nezbytné části výslednice působících sil do sousedního kvalitnějšího skalního masivu (viz obr. 152).

   Obr. 152 Aktivní rozepření pomocí plochých lisů [4]

Poruchová oblast se překlene vyztuženou betonovou opěrou s roznášecí patkou. Je nutno zajistit aktivní rozepření mezi opěrnou soustavou a konstrukcí, jelikož je nutno počítat s přetvoření skalního masivu, do kterého se zatížení přenáší. To se provede pomocí plochých hydraulických lisů (kovových vaků), ve kterých se vyvodí hydraulický tlak, jehož výslednice je rovna výsledné síle. Lisy se udržují ve funkci několik měsíců, aby mohly proběhnout deformace soustavy v důsledku dotvarování horniny i materiálů konstrukčních prvků. Teprve potom je možno rozpěrnou spáru zabetonovat, zainjektovat a lisy odstranit.

Odvodnění skalního podloží

Působení tlakové vody v puklinách a pórech skalní struktury vede k negativnímu působení na konstrukce vzdouvacích staveb. Tomuto jevu je možno čelit účinným odvodněním v kombinaci s těsnícími prvky a injekčními clonami.

Odvodnění skalního podloží se provádí drenážní soustavou, která je navržena tak, aby nebyla ovlivněna filtrační stabilita výplně puklin.

Používá se odvodňovacích vrtů, průměru nad 75 mm,  které jsou uspořádány v rovině jako clony (viz Obr.153).

Vhodným odvodněním podloží je možno velmi dobře redukovat vztlakové síly a přispět ke zvýšení stability konstrukce.

Obr. 153 Příklad kontroly tlakových a průsakových poměrů kombinací injekční clony a drenážních vrtů [4]

Příklad problematického založení vzdouvací stavby (VD Slezská Harta) je prezentováno na obr. 154. Komplikace při zakládání způsobil čedičový lávový příkrov na pravém údolním svahu. Zavázání těsnícího prvku do podloží je provedeno betonovou podzemní stěnou o tloušťce 2,6m.

Obr. 154 geologické poměry v přehradním profilu Slezská Harta [4]

Neskalní podloží

Tento způsob zakládání je častý, jelikož vzdouvací stavby se budují v kontaktu s toky, kde údolní náplavy převyšují skalní podloží, jehož dosažení je v některých případech nemožné, jak z technického, tak ekonomického hlediska.

Pro údolní náplavy je charakteristické:

• střídání propustných a nepropustných vrstev,
• únosných a málo únosných zón,
• nakypřené materiály,
• vrstvy zvodnělé organické příměsi.

Možné případy zakládání:

• Zatížení podloží přenášeného z konstrukce + účinky prosakující vody (platí pro vzdouvací stavby, kanálové a inundační hráze).
• Zakládání pod úrovní hladiny podzemní vody, jedná se o hydrostatické účinky podzemní vody (podpěry potrubí velkého průměru, objety vodních elektráren apod.). Zde je snaha používat co v největší míře plošných základů, v obtížných podmínkách je možno navrhnout i zakládání hlubinné.

Výkopové práce

Je snaha o snížení hladiny podzemní vody, pod úroveň základové spáry pomocí odvodňovací soustavy. Po dosažení požadované úrovně se povrchová vrstva před zakládáním přehutní anebo překryje vyrovnávací štěrkopískovou vrstvou v tloušťce 300 – 500 mm.

Výskyt pramenů v základové spáře

Dochází k němu zpravidla na rozhraní vrstev, způsobuje zamokření zemin. Je nutné pramen jímat pod úrovní základové spáry, odvést potrubím mimo objekt a výron vody dodatečně uzavřít.

Zakládání hutněných násypů ze zemin a lomového kamene

Zde je nutno posoudit hloubku založení rozborem. U nás se provádí zakládání kamenitých násypů na zeminy v přirozeném uložení, pokud mají dostatečnou ulehlost. Musí být odstraněny vrstvy s obsahem organických příměsí popř. nakypřené nebo zbahněné zóny.

Zakládání na zeminách o nízké smykové pevnosti

V daném případě je nutno řešit riziko vzniku smykových ploch v hloubce podloží, a to následujícími způsoby:

• výrazným zmírněním sklonů svahů, při malé výšce hrází,
• u vysokých hrází se problém řeší vybudováním širokých přitěžovacích lavic, které přitěžují pasivní zóny potencionálních nestabilních zón konstrukce (viz obr. 155).

Obr. 155 Tvar příčného profilu zemní přehrady, při založení na nestabilním podloží a) velmi mírné sklony svahů, b) zatěžovací lavice u pat svahů [4]

Sufózní jevy

Jsou spojeny s vnitřní erozí zemin, spojenou s vyplavováním zrn. Tento jev nastává při překročení filtračních gradientů pro daný druh zeminy a její hutnění na rozhraní objektů a podloží, nebo na kontaktu vrstev o rozdílných vlastnostech.

Sufózní jevy jsou charakteristické pro některé náplavy např. písčité štěrky (viz obr. 156).

Obr. 156 Oblasti rizikové zrnitosti pro vznik sufóze [4]

Opatření proti průsaku

Hlavním účelem tohoto opatření je zajistit vysokou spolehlivost objektů.

Těsnící stěny – se využívají při výstavbě jezů. Jedná se o zaberaněné ocelové štětovnice tipu Larsen II, III popř. jiných, které zasahují do povrchové vrstvy skalního podloží, tzn., že nesmí být přítomny kameny v podložní zemině.

Podzemní těsnící stěny – budované do nepažených úzkých rýh o šířce 0,6 – 1,0 m vyplněných jílovou suspenzí. Rýha se hloubí za pomocí speciální frézy, drapáku nebo dláta na vodící tyčí. Při očekávaných vysokých filtračních gradientech se navrhují stěny betonové, případně s vloženou výztuží. Uplatnila se i myšlenka vkládání fólie mezi dva spouštěné prefabrikáty.

Zavázání těsnící stěny – tíhou vlastní konstrukce dochází k přitížení podloží a následnému sednutí základové spáry včetně kontaktního prvku těsnění. Je nutno zajistit kompenzaci v rozdílném sedání obou subsystémů. Možné způsoby napojení jsou uvedeny na obr. 157.

Obr. 157 Varianty napojení těsnící stěny na konstrukci při založení na stlačitelném podloží [4]

Nezavázané stěny – zde odpadá do značné míry rozdílné sedání základové spáry a těsnícího prvku. Nezavázané stěny nedosahují na povrch skalního podloží. Kombinují se s vodorovným těsnícím prvkem (těsnícím kobercem), jehož význam spočívá v podstatném prodloužení dráhy průsaku viz obr. 158.

Víceřadová injekční clona – používá se pro zavázání těsnění podloží do velké hloubky (více než 100 m). Navrhuje se jako víceřadová a při napojení v oblasti základové spáry se mohou vyskytnout stejné problémy jako při použití tuhých stěn (velké filtrační gradienty) viz obr. 159.

Obr. 158 Těsnění podloží nezavázané těsnící stěny v kombinaci s těsnícím kobercem [4]

Obr. 159 Těsnění náplavů pomocí víceřadové těsnící clony [4]

Obr. 160 Variantní uspořádání těsnícího koberce navazujícího na těsnění sypané hráze [4]

Vodorovné těsnící prvky (koberce) – problém průsaku se neřeší zmenšením průtočného profilu v podloží, ale prodloužením filtrační dráhy. Problém nastává při kolísání hladiny vody v nádrži, kdy může dojít k poškození těsnícího koberce, protože výslednice tlaku vody pod kobercem je větší, než tíha vody nad kobercem. Délka těsnícího koberce se navrhuje jako pětinásobek až patnástinásobek hloubky vody v nádrži. Je možno je kombinovat s nezavázanými těsnícími stěnami. Variantní uspořádání těsnícího koberce je uvedeno na obr. 160.

Drenážní prvky – se zřizují za účelem snížení tlaku vody v pórech podložních zemin, jelikož negativně ovlivňuje stabilitu svahů násypů a bezpečnost konstrukcí z hlediska smykového přetvoření v oblasti základové spáry.

Navrhují se jako patní, častěji však jako částečně zasahující do tělesa násypu nebo jako vnitřní.

K odlehčení podloží může přispět drenážní soustava se studnami, zasahujícími do hloubky podloží (viz obr. 161).

Obr. 161 Drenážní studny. a) konstrukční řešení studny, b) studna v kombinaci s patním drénem [4]