Niektoré odporúčania pre plánovanie a realizáciu geotechnického monitoringu v zosuvných územiach

• Foto

Studňa nie je piezometer, piezometer meria tlak vody v konkrétnej hĺbke
Vrtné firmy sú u nás často dopytované budovaním studní pre obyvateľstvo a pre vrtné osádky je vystrojenie takejto studne zaužívaným štandardom. Pokiaľ objednávateľ geotechnického monitoringu v zosuvnom území nie je dostatočne kompetentný, vystrojí mu vrtná osádka hydrogeologický monitorovací vrt štandardne ako malopriemerovú studňu, teda nevhodne. Piezometrické meranie v rúrach perforovaných vo viacmetrových úsekoch, či dokonca po celej hĺbke (s výnimkou tesnenia na povrchu), totiž s vysokou pravdepodobnosťou neposkytnú v zosuvných územiach dostatočne detailné informácie o skutočnom potenciáli podzemnej vody, nakoľko vertikálna geologická heterogenita je v zosuvoch veľmi častá. Skutočné nárasty tlaku vody v póroch málo priepustnej zeminy (k < 10–6 m/s) tak ostanú neodhalené, nakoľko je tento potenciál odbúraný „by-passom“ do priepustnejších vrstiev zeminy. Autor sa domnieva, že viacero svahových pohybov pri budovaní dopravnej infraštruktúry u nás sa neočakávalo práve z dôvodu straty týchto informácií.

„Dvojča“ alebo inklino-piezometrický vrt?
Na Slovensku je v rámci geologického prieskumu zosuvných území obvyklé inštrumentovať dvojičku monitorovacích vrtov: jeden ako hydrogeologický a druhý ako inklinometrický vrt. Ich vzájomná vzdialenosť býva nezriedka príliš malá a tak dochádza pri ich realizácií k zakolmatovaniu filtra piezometra bentonito-cementovou (BC) zálievkou z inklinometrického vrtu. Tým znova dochádza k strate informácií resp. skresleniu hodnôt skutočných tlakových pomerov vody, žiaľ, podobne ako v predošlom prípade nie na stranu bezpečnosti. Je preto potrebné, aby sa hydrogeologický vrt nielen zabudoval ako piezometrický (s krátkymi filtračnými úsekmi) ale aj vo väčšej vzdialenosti od inklinometrického vrtu. Ak z dosiaľ uvedeného vyplýva, že piezometrické merania si vyžadujú v nehomogénnom horninovom prostredí bodový charakter, teda utesnenie krátkej filtračnej časti zhora aj zospodu, vynára sa otázka, či nevyužiť aplikovanú bentonito-cementovú zálievku v inklinometrickom vrte na utesnenie jednotlivých úrovní piezometrov, ktoré by boli umiestnené v tomto vrte. Autor sa domnieva, že pokiaľ pri inštrumentácií tohto inklino-piezometrického vrtu bude prítomný kompetentný geológ alebo geotechnik, je táto možnosť veľmi vhodná. Tým ale nechce tvrdiť, že v našich podmienkach nie je prítomnosť odborníka vhodná aj pri budovaní piezometrického vrtu. Realita ale býva taká, že nech už je v prípade verejnej súťaže vypísaný ktorýkoľvek z týchto monitorovacích hydrovrtov, ak bude jediným kritériom nízka cena, je pravdepodobné, že nikto kompetentný pri inštrumetácii monitorovacieho vrtu nebude. Dôsledkom toho je pomerne veľké percento inklinometrických vrtov zabudovaných nedbalo, čo pramení z nedodržiavania technologickej disciplíny zneužívajúc fakt, že kontrola kvality zabudovania pod terénom je prakticky nemožná. Nedbalosť pri budovaní inklinometrických vrtov spočíva v dvoch často praktizovaných postupoch:

1. BC-zálievka sa neaplikuje do odvŕtaného a inklinometrickým profilom vystrojeného vrtu zospodu injektorom, ale leje sa do vrtu zhora. Vo vrte naplnenom podzemnou alebo technologickou vodou sa tým zálievka rozriedi a nezodpovedá požiadavkám. Ak si je vrtná osádka toho vedomá a zvolí hustejšiu zálievku, často sa stane, že táto neklesne až na dno vrtu, ale utesní ho v nejakej medzipolohe, pod ktorú sa už zálievka nedostane. Do monitorovacích vrtov s prítomnosťou vody je preto bezpodmienečne nutné tlačiť zálievku odspodu (obr. 1).
2. Vrtná osádka po zaplnení vrtu BC-zálievkou okamžite inštaluje oceľovú ochranku vrtu, ktorú pribetónuje na ústie vrtu. Tým sa síce umožní merať inklinometricky a geodeticky čo najskôr, ale zálievka ešte nejaký čas preniká do priepustnejších polôh horninového prostredia a tak vznikne vo vrte pod povrchom nedoliaty úsek v dĺžke nezriedka aj niekoľko metrov, v ktorom sa inklinometrický profil môže voľne pohybovať.

Uvedené dve chyby pri budovaní inklinovrtov sa prejavujú pri vyhodnocovaní inklinometrických meraní priebehom deformačnej krivky v tvare „S“. Nie sú to pohyby horninového prostredia, ale pretváranie sa inklinometrického profilu v zle zabudovanom vrte.

Akými piezometrami inštrumentovať inklino-piezometrický vrt?
Aj pri inklino-piezometrickom vrte samozrejme platí, že filtre piezometrov musia byť krátke, aby sa nevytvorili prepojenia medzi rôznymi horizontami podzemnej vody. Čo sa týka typov piezometrov, sú 3 možnosti inštrumentácie:

1. Perforujeme krátky úsek samotnej inklinometrickej pažnice. Táto možnosť je obvyklá len v spodnej časti inklinometrického profilu, najmä ak vrt siaha až do skalného podložia a chceme vyšetriť tlak vody v jeho puklinách. Inklinometrický profil má pomerne veľký priemer a tým je referenčný čas (čas potrebný na odmeranie skutočnej zmeny tlaku vody) u málopriepustných zemín príliš dlhý. Zároveň treba dbať, aby sa do vnútra inklinometrického profilu neinfiltrovali nečistoty a tým neznížila presnosť meraní podpovrchových deformácií.
2. Popri inklinometrickej pažnici inštalujeme otvorené mikropiezometre (obr. 2). Otvorené mikropiezometre sú plastové rúrky malého priemeru (cca 12 až 16 mm), ktoré sú v záujmovej hĺbke ukončené krátkym filtrom. Tento typ piezometra je lacný a spoľahlivý, pokiaľ pohyb na šmykovej ploche neznemožní samotné meranie. Na merania preto využívame špeciálne elektronické mikrohladinomery priemeru len cca 6 mm. Pokiaľ používame jemnozrnný obsyp filtra, je inštalácia v rôznych polohách najmä hlbších vrtov náročná. V praxi sa ale využívajú rôzne metódy, ako sa obsypu filtra piezometra vyhnúť. Ak si uvedomíme, že najčastejšie vrtáme priemerom 110 mm a v zosuvoch používame inklinometrické profily s vonkajším priemerom až 84 mm, môžeme filter piezometra viac-menej oprieť o stenu vrtu a celý vrt vyplniť bentonitocementovou zálievkou. Skúsené firmy/špecialisti majú potom rôzne techniky prečistenia filtru piezometra resp. narušenia tesnosti tuhnúcej zálievky v mieste filtra. Na grafe č. 1 môžeme na príklade z geotechnického monitoringu zosuvu pri výstavbe diaľnice D1 Dubná Skala – Turany vidieť, že namerané piezometrické výšky zobrazené vo forme hladín vody sú dlhodobo nezávislé na sebe, čo svedčí o tom, že tesnenie medzi polohou filtra spodného piezometra v hĺbke 12,0 m a vrchného v hĺbke 7,5 m je plne funkčné. To vyvracia argumenty niektorých odborníkov najmä z akademickej obce, že pozdĺž rúr (inklinometrickej a piezometrických) dochádza k prepájaniu dvoch horizontov podzemnej vody a teda že nie je možné zabezpečiť dokonalé utesnenie piezometrov.
3. Popri inklinometrickej pažnici inštalujeme uzavreté piezometre (snímače). Uzavreté snímače predstavujú merací systém najlepšie vystihujúci skutočné pórové tlaky vody, nakoľko objem vody potrebný k zaznamenaniu zmeny tlaku je nepatrný. Sú viac odolné podpovrchovým deformáciam a umožňujú nielen diskrétne merania, ale aj automatizovaný kontinuálny záznam použitím zbernice dát. Zabudovaný snímač nie je ale možné ani prepláchnuť, ani vymeniť – preto odporúčame používať kvalitnú meraciu techniku, ktorá vydrží merať spoľahlivo viacero rokov. Predovšetkým je dôležité antikorózne prevedenie a dlhodobá stabilita „nuly“, prípadne integrované kalibračné zariadenie. Vibračné piezometre tieto požiadavky spĺňajú, navyše vybavené špeciálnym filtrom nevyžadujú filtračný obsyp – môžu byť zaliate bentonito-cementovou zálievkou spolu s inklinometrickou rúrou (Gróf, Valter, 2009). Nevýhodou je cena, jeden nainštalovaný vibračný piezometer renomovaného výrobcu vyjde na cca 400 Eur. Ak však uvážime, že cena samotného jednoduchého piezometrického vrtu budovaného ako dvojča s inklinometrom, je cca 90 Eur/m, predstavuje aj pri tejto variante inklino-piezometrický vrt ekonomickejšie riešenie.

3 v 1? Inklino-piezometrický vrt ako pozorovaný bod pre geodetické povrchové meranie
Inklinometrické meranie podpovrchových deformácií má relatívny charakter. Pokiaľ pri meraní zvislých deformácií vodorovným inklinometrom (napr. meranie sadania násypu) vychádzame vždy z pevného vzťažného bodu a teda na začiatku inklinometrického profilu musíme nainštalovať nivelačnú značku, snažíme sa pri inklinometrických vrtoch zvoliť takú hĺbku, aby sme mali istotu pevného bodu v päte vrtu. Požiadavku, aby sa aj napriek tomu na ústie inklinometrického vrtu (t.j. oceľovú ochranku vrtu) nainštalovala značka umožňujúca polohové geodetické meranie, považujem za správnu a to z dvoch dôvodov: jednak nám takýto bod umožní absolutizovať výsledky merania v prípade, že sa päta vrtu pohne (šmyková plocha bude vo väčšej hĺbke než päta vrtu) a jednak budeme môcť po prípadnom ustrihnutí vrtu pohybom na šmykovej ploche pokračovať v meraní deformácií aspoň na povrchu. Osobne by som ale považoval za zmysluplné merať geodeticky body na ústí vrtu len v týchto dvoch prípadoch a samozrejme po ich inštalácii ako východiskové (základné) meranie. V svojej 20-ročnej praxi som sa stretával so zhodnými výsledkami týchto dvoch meracích metód zväčša v mestských podmienkach pri monitorovaní deformácií pažiacich stien stavebných jám. V podmienkach zosuvných svahov dochádzalo často pri porovnaní hodnôt deformácie na povrchu terénu nameraných inklinometricky a geodeticky k sklamaniu z ich nesúladu. Za zdroj tohto nesúladu nepovažujem argument, že inklinometrické meranie je o dva rády presnejšie ako optické polohové meranie. Nemôžeme totiž presnosť meracej sondy vertikálneho inklinometra vydávať za systémovú presnosť celého meracieho zariadenia pre vertikálnu inklinometriu (sonda, kábel, odčítacia jednotka, meracie profily, kvalita zabudovania vrtu a subjektívne chyby zapríčinené meračom). Takáto systémová presnosť vertikálnej inklinometrie sa vo vrte hlbokom 30m pohybuje podľa výrobcov v rozmedzí 2,5 až 5 mm, čo zodpovedá dosahovanej presnosti geodetických polohových meraní zosuvných území vykonávaných tachymetrami. Tento fakt treba ale interpretovať tak, že ak odchýlky z nepresnosti budú u týchto dvoch meraní opačne orientované, vznikne centimetrový nesúlad v deformácii na povrchu. Nakoľko treba ale na šmykovej ploche prikladať vážnosť už i malým posunom v milimetroch, aby sme mohli včas reagovať na začínajúci pohyb po šmykovej ploche vhodnými stavebnými opatreniami, začnú namerané centimetrové odchýlky na povrchu vzbudzovať nedôveru v korektnosť nameraných hodnôt. Nedôveru zväčša stupňujú veľké deformácie namerané geodeticky na oceľových ochrankách vrtov, ktoré majú pôvod v premrznutí terénu, kolízii so stavebnými a poľnohospodárskymi strojmi, obtieraní sa dobytku, ako aj vandalizme. Oceľové rúry (ochranky) s geodetickými značkami vyčnievajú totiž nad terén spravidla 1 m a teda nepredstavujú optimálnu štruktúru, do ktorej by mala byť geodetická značka upevnená. V posledných rokoch v geotechnickej praxi sa popri tradičných meracích metódach, založených na inštalácii meracích miest priamo in situ, uplatňujú aj systémy diaľkového monitoringu spočívajúce v pozorovaní pohybov povrchu terénu.

Aké diaľkové meracie systémy možno využiť pre geotechnický monitoring zosuvných území?
Pre geotechnický monitoring pohybu povrchu zosuvného územia sú v súčasnosti k dispozícii nasledovné diaľkové systémy:

• Robotizovaná totálna stanica (RTS) a bezhranolová robotizovaná totálna stanica (RRTS)
• Diferenciálny globálny polohový systém (D-GPS)
• Terestrická radarová interferometria: radar s reálnou (TInRAR) alebo syntetickou aparatúrou (TInSAR)
• Satelitná SAR interferometria (SInSAR)
• Terestrické laserové skenovanie (TLS)
• Digitálna fotogrametria a obrazová korelácia (DP-DIC)

Hodnotenie jednotlivých metód je založené na presnosti, časovom rozlíšení, informačnej hustote, geometrii deformácií, spoľahlivosti a správnosti dát, stupni interakcie s povrchom/stavbou, cenou, priestorové rozlíšením, atmosférickým šumom, maximálnym operačným dosahom a veľkosťou monitorovanej oblasti (viď tab. 1).

Tab. 1 – Kritéria pre hodnotenie diaľkových systémov (Mazzanti, 2012)


Výbornou metódou pre monitoring zosuvných území je na základe hodnotenia uvedeného v tabuľke č. 1 terestrická radarová interferometria so syntetickou aparatúrou – efektívna za každého počasia, s veľmi vysokou vnútornou a vonkajšou presnosťou a vysokou hustotou informácií a rozlohou monitorovanej oblasti. Vhodné je aj terestrické laserové skenovanie, ktoré je síce menej presné a neefektívne v daždivom a oblačnom počasí, ale vďaka 3D-modelom poskytuje veľmi dobré zobrazenie výsledkov, veľmi vysokú hustotu informácií a meranie na veľké vzdialenosti. V stavebnej praxi u nás je najpoužívanejšia RTS metóda, ktorej výhodou je presný 3D-monitoring nenáročný na spracovanie dát. Nevýhodou je potreba cieľa (hranolov) a nižšia presnosť na veľké vzdialenosti.

LITERATÚRA:

• Gróf, V., Valter, M. (2009): Inštrumentácia piezometrických vrtov bez pieskového obsypu. SILNICE ŽELEZNICE 1/2009, Konstrukce Media Ostrava.
• Mazzanti, P. (2012): Remote monitoring of deformation. An overview of the seven methods described in previous GINs. Geotechnical Instrumentation News, December 2012.

Some Recommendations for Planning and Implementation of Geotechnical Monitoring in Landslide Areas
Based on experience with instrumentation and implementation of geotechnical measurements in landslide areas, the following lines include practical recommendations for workers dealing with construction early works, geologists, designers and supervisors. However, the contribution does not aspire to be a scientific of complex work. The author attempted to point out to misconceptions and unsuitable procedures, and share instrumentation procedures providing as sufficient information as possible under real conditions with the professional community.

Autor

• Ing. Gróf Vladimír PhD.