Návrh zemní konstrukce pro areál transformovny Kletné

• Foto

GEOTECHNICKÉ POMĚRY LOKALITY
Inženýrsko-geologické poměry
Z geologického hlediska je prostor zájmové lokality tvořen především neogenními sedimenty. Průměrná hloubka povrchu neogénu je v širším okolí okolo 10 m pod povrchem terénu. Neogenní sedimenty jsou zakryty mladšími kvartérními sedimenty. Převažují především glacigenní hlíny. Jsou to jílovité hlíny až jíly s vložkami hlinitého písku a s hojnými vtroušeninami místních hornin maximálně cm velikostí. V jejich nadloží se vyskytují místy i eolické sedimenty charakteru spraší. Celý povrch zájmového území je zakryt souvislou vrstvou orničních vrstev o celkové mocnosti cca 0,3 – 0,5 m.

Celé území má poměrně monotónní geologickou stavbu a v povrchové zóně je budováno výhradně jílovitými sedimenty, hodnocenými jako jíly se střední plasticitou. V hloubkách od 2,5 m pod dnešním povrchem terénu se v sedimentaci nepravidelně zvyšuje písčitá a méně často drobně štěrková příměs, která však pouze část těchto vrstev mění na písčité jíly, nebo až jílovité písky. Zcela ojediněle byly v rámci IGP zaznamenány výskyty menších poloh jílu s vysokou plasticitou a drobné polohy jílovitého štěrku. Většina zemin na lokalitě je velmi málo propustná, avšak výskyt podzemní vody je zde poměrně hojný, často i velmi mělce pod povrchem terénu.

Geotechnické vlastnosti zemin
Na základě výsledků Inženýrsko geologického průzkumu a laboratorních zkoušek zastižených zemin byly stanoveny jejich geotechnické parametry.

Zeminy v zájmové lokalitě jsou charakteru jílů se střední plasticitou s proplástkami jak z jílů o vysoké plasticitě tak i z jílů písčitých ojediněle až písků jílovitých. Jejich přirozená vlhkost je v úzkém rozmezí okolo 21,6 %. Avšak optimální vlhkost pro hutnění metodou Proctor standard je jen v rozmezí 13,4 – 15,8 %. Z tohoto hlediska je nemožné přímé použití vytěžených zemin do násypů. Nejvhodnější metodou úpravy těchto zemin pro potřeby násypů je zlepšení nehašeným vápnem, které snižuje vlhkost zeminy a zároveň zvyšuje optimální vlhkost zlepšené zeminy hutněné dle Proctor standard. Z doporučení IG průzkumu vychází optimální modifikace zeminy 3 % nehašeného vápna.

Vzhledem k rozsahu řešené lokality nebylo možné detailněji prozkoumat rozmístění proplástek plastičtějších, resp. písčitějších poloh. Proto byly výpočty stability svahů, jak zářezů, tak i násypů řešeny se zprůměrňovanými, resp. konzervativními charakteristickými parametry zemin, které jsou uvedeny níže.

• Objemová hmotnost přirozeně vlhké zeminy γ = 20,50 kN/m³;
• Objemová hmotnost plně nasycené γ_sat = 21,00 kN/m³;
• Efektivní úhel vnitřního tření φ_ef = 17,00 °;
• Efektivní soudržnost c_ef = 8,00 kPa ;
• Totální soudržnost c_u = 30,00 kPa pro mělké zářezy;
• Totální soudržnost c_u = 50,00 kPa vrchní část hlubších zářezů;
• Modul deformace E_def = 3 000 kPa v kvartéru do hloubky cca 14 m, resp. E_def = 10 000 kPa v neogénu v hloubkách mezi 14 a 30 m;
• Součinitel konsolidace c_v = 1,59 × 10^–8 m²/s a c_h = 4,76 × 10^–7 m²/s.

Pro zeminu násypu upravovanou vápnem bylo uvažováno:

• Objemová hmotnost přirozeně vlhké zeminy γ = 21,00 kN/m³;
• Objemová hmotnost plně nasycené γ_sat = 22,00 kN/m³;
• Efektivní úhel vnitřního tření φ_ef = 30,00 °;
• Efektivní soudržnost c_ef = 15,00 kPa.

Zavěšená hladina podzemní vody se v lokalitě může sezónně nacházet v úrovni přibližně 1 m pod terénem. Z tohoto předpokladu byly provedeny výpočty stability násypů. Pro zajištění odvodnění oblastí zářezů je navržen drenážní systém z matrací Enkadrain^® Findrain (obr. 2) podél paty zářezů, který zajišťuje snížení hladiny podzemní vody na úroveň 1 m pod pláň HTÚ.

NÁVRHOVÉ VÝPOČTY
Stabilita svahů zářezů a násypů
Výpočet zemní konstrukce ve výše popsaných základových poměrech spadá do 2. geotechnické kategorie. Výpočty byly provedeny v souladu s EC7 (ČSN EN 1997: Eurokód 7: Navrhování geotechnických konstrukcí) podle návrhového přístupu 3, kdy je třeba výpočty provádět dle teorie mezních stavů, kdy se vstupní (charakteristické) parametry nejen zemin, ale i zatížení redukují (respektive násobí) dílčími součiniteli spolehlivosti na hodnoty výpočtové.

Pro řešení stability násypového i zářezového tělesa byl použit program SVARG, vyvinutý firmou Geosyntetika, s. r. o.

Zatížení bylo u zářezu uvažováno spojité hodnotou 5 kN/m². U násypu bylo zatížení uvažováno hodnotou 35 kN/m², a to z důvodu pohybu těžkých strojů navážejících zařízení transformovny. Různé varianty pro efektivní parametry byly spočteny jak pro mělkou, tak i pro oddálenou smykovou plochu zasahující do podloží. Dále byla v kritických řezech spočtena stabilita svahu i pro neodvodněné parametry, tj. krátce po výstavbě. Ve všech případech byla prokázána dostatečná stabilita (F > 1,0 – dílčí součinitel odolnosti) pro dané vstupní parametry zemin a zatížení – viz tabulka 1.

Na obr. 3 – 7 jsou znázorněny nejnebezpečnější případy stability pro různé výšky násypů a zářezů. Ze zde uvedených výsledků statických výpočtů je patrné, že návrh dané zemní konstrukce pro transformovnu Kletné je bezpečný. Pro zajištění mezního stavu povrchové eroze byly navrženy na svahy zářezů trvalé protierozní matrace Enkamat^® (obr. 8) a na svahy násypů dočasné protierozní jutové síťky.

Tabulka 1 – Stupně stability – dílčí součinitelé odolnosti pro různé výšky násypů a zářezů

Výpočet sedání podloží násypů
Z požadavku investora na rozsah bilance zemin vzešel požadavek na uložení odtěžených zemin do násypů po jejich zlepšení vápnem. S ohledem na měkký a plastický charakter podložních materiálů zemin, bylo třeba ověřit maximální sedání násypu HTÚ.

Výpočty byly provedeny pomocí programu PDISP od společnosti Oasys, Ltd., který využívá jak Boussinesqueovy, tak i Mindlinovy teorie pro stanovení deformace na povrchu zatíženého pružného poloprostoru. Jelikož výpočetní model programu PDISP neumožňuje zohlednit strukturní pevnost zemin ve výpočtu sedání, bylo třeba pro stanovení hloubky deformační zóny výsledky z Boussinesqueovy analýzy – vypočtené hodnoty napjatosti v podloží od přitížení povrchu – dále upravit. Hodnoty napjatosti v podloží byly v tabulkovém kalkulátoru začleněny do výpočtu sedání v souladu s normou ČSN 731001, jehož je strukturní pevnost nedílnou součástí. Výsledky výpočtů jsou graficky znázorněny na obr. 9.

Maximální hodnota sedání byla výpočty stanovena na 152 mm, s tím, že toto sedání bude probíhat po dobu min 5 let. Takto dlouhé období konsolidačního sedání bylo pro investora, resp. technologie nepřípustné, proto bylo rozhodnuto uvažovat s alternativou urychlení konsolidace (sedání) podloží pod násypy za pomocí svislých geodrénů.

Pro optimalizaci množství svislých geodrénů a z požadavků na rychlost výstavby bylo zvoleno maximální reziduální sedání na 20 mm. Rozteče svislých geodrénů jsou navrženy tak, aby veškeré celkové sedání větší než 30 mm bylo realizováno prakticky okamžitě – do 2 měsíců od ukončení budování vlastního tělesa násypu. Návrh na urychlení konsolidace podloží pomocí svislých geodrénů byl proveden pomocí tabulkového kalkulátoru s využitím známých rovnic prof. Kjellmanna.

Jelikož téměř celé sedání podloží je realizováno v kvartérních vrstvách s relativně vysokým součinitelem konsolidace ve vodorovném směru, bylo možné nastavit rozteč geodrénů tak, aby se téměř celé realizovalo během prvních dvou měsíců. Navržená trojúhelníková rozteč svislých geodrénů Colbonddrain^® délky 20 m je 1,45 m (obr. 10). Sedání zbylých násypů, které bylo spočteno jako menší než 30 mm, bude ponecháno přirozené konsolidaci, kdy k první ca třetině sedání dojde během 2 měsíců (zbývá tedy max. reziduální sedání 20 mm), k další třetině dojde během dalších 7 měsíců a zbylá deformace (max. 10 mm) se bude realizovat po následujících ca 5 let.

Pro potvrzení předpokladů návrhových výpočtů sedání a stanovení optimálního termínu navazujících prací byl v podloží násypů sanovaných svislými geodrény navržen a realizován monitoring svislých deformací a disipace pórových tlaků. Tento monitoring prováděla společnost Geotest Brno (viz navazující příspěvek kolegů z Geotestu Brno). Výsledky monitoringu potvrdily funkčnost systému svislých geodrénů na významném urychlení konsolidačního sedání podloží. Nejvyšší hodnota sedání podloží byla z výsledků monitoringu výrazně nižší než hodnota stanovená návrhovými výpočty. Nejpravděpodobnější příčinou tohoto rozdílu bude podcenění hodnoty strukturní pevnosti (m = 0,1) jílovitých zemin v podloží násypu.

ZÁVĚR
Návrh zemní konstrukce pro transformovnu Kletné byl proveden před zahájením výstavby v letech 2009 – 2010. Vlastní realizace zemní konstrukce probíhala od jara do podzimu 2010, kdy se stavební firma potýkala s velkou nepřízní počasí – dlouhodobé vysoké srážky. Neštěstí tato nepřízeň počasí neměla vliv na bezpečnost a kvalitu zemní konstrukce, jen na delší dobu provádění.

I v takto komplikovaných geologických poměrech nedošlo k žádným nepředvídatelným problémům. Sanace podloží a svahů zářezů v souvislosti s výskytem čoček měkkých a zvodnělých zemin byly řešeny operativně.

Na konci roku 2011 byla transformovna Kletné uvedena do provozu a od té doby slouží bez problémů svému účelu.

Earth Structure Design for Electrical Transformation Station in Kletné
Footprint of the electric transformation station in Kletné is about 60,000 m². Due to the requirements of the technology, only one-sided slope of 3 % max. was allowed. With regards to the site topology the deepest cutting is 6 m and embankment is 5 m. The plastic clayey subsoil is more than 30 m deep and the settlement was predicted to reach the depth of up to 20 m. Vertical drains were used to generally finish the subsoil consolidation settlement within 2 month from embankment construction.

Autor

• Ing. Vaníček Martin Ph.D.