Dotesňovanie podložia v rámci protipovodňovej ochrany – časť 2: kontrola tesnenia
Príspevok sa a vo svojej druhej časti venuje metódam kontroly uskutočnených tesniacich prác. Vyhodnocujú sa merania priepustnosti injektovaného prostredia v teréne, analyzujú zistenia záznamov o injektovaní a v laboratórnych podmienkach sa stanovil obsah cementu v odobratých vzorkách injektovanej zeminy. V závere sú zhrnuté odporúčania na nápravu.
1. Úvod
Opakované namáhanie navážok v juhozápadnej časti Bratislavy na kontakte s Dunajom podzemnou vodou spôsobovalo zatápanie urbanizovaného prostredia. Prvá časť príspevku sa zamerala na geologické pomery na lokalite, požiadavkám projektu na vytvorenie tesniacej bariéry injektovaním a uvedeniu kritérií upravujúcich voľbu injekčnej zmesi. Druhá časť príspevku sa venuje aplikovaným metódam kontroly kvality injektovaného prostredia.
2. Kontrola dotesňovania
Kontrolu kvality injekčných prác je možné realizovať viacerými spôsobmi. V konkrétnej úlohe boli použité tieto metódy:
- meranie priepustnosti injektovaného prostredia v teréne;
- analýza záznamov o injektovaní;
- vyhodnotenie obsahu cementu vo vzorkách injektovanej zeminy.
2.1 Meranie priepustnosti podložia
Pred začatím injekčných prác sa uskutočnilo meranie filtračnej rýchlosti v kontrolnom vrte zrieďovacou metódou [1]. V hĺbkovom intervale 8,6–11,6 m bolo zistené s hĺbkou postupné zvyšovanie filtračnej rýchlosti v intervale vf = 3,57.10−4 až 1,03.10−3 m/s. Takéto intenzívne prúdenie prekračovalo kritickú filtračnú rýchlosť (vf,krit = 7,0 . 10−4 m/s) v podloží, vzťahujúcu sa na zeminy zisteného zrnitostného zloženia. Dlhodobé namáhanie postihnutého podložia intenzívnym hydrodynamickým namáhaním vedie k postupnému sufóznemu vyplavovaniu jemnozrnných častí zo skeletu a znehodnoteniu realizovaných prác.
Po injekčných prácach sa zopakovalo meranie pohybu podzemnej vody. V rovnakom hĺbkovom intervale sa filtračná rýchlosť zmiernila na vf = 5,2.10−5 až 2,6.10−5 m/s. Zníženie filtračnej rýchlosti o jeden rád ale preukázalo, že nebolo zďaleka dosiahnuté projektom vyžadované utesnenie podložia. Po neuspokojivých výsledkoch indikátorových meraní sa pristúpilo k nálevným skúškam v 4 kontrolných vrtoch. Aj tieto skúšky potvrdili neprimerane vysokú filtračnú rýchlosť v podloží, ktoré malo byť utesnené.
2.2 Analýza záznamov o injektovaní
Analýza záznamov o injektovaní [2] poskytla dve skupiny údajov: z manuálneho zapisovania bez trvalého záznamu (a zároveň možnej kontroly) a záznamov z automatického registrovania snímaných veličín (tlak, prietok, objem).
Prevažovali manuálne záznamy. Z nich sa zistilo, že na zálievku sa do jedného vrtu spotrebovalo 650 až 3100 l zmesi (najčastejšie to bolo okolo 1000 l), na injektovanie bol rozptyl podstatne menší: 475,3 až 764,1 l zmesi (prevažovalo množstvo okolo 700 l / vrt). Pri priemere vrtu Ø 137 mm (r1 = 68,5 mm) sa pri spotrebe zálievky do 12 m hlbokého vrtu pri predpoklade, že zálievka vyplnila iba vrt, malo spotrebovať
Veľké spotreby zálievky svedčili to tom, že zálievka vytiekla z vrtu. Únik zálievky z vrtu bol pravdepodobne dôsledkom vyplavovania intenzívnym horizontálnym prúdením dunajskej vody v degradovaných úsekoch podložia. Táto degradácia podložia nebola zohľadnená úpravou receptúry zálievky. Ďalším zdrojom znehodnotenia zálievky bolo technologicky chybné plnenie vrtov. Pri zisťovaní dosahu injektovania bolo zo záznamov prepočítané, že v priestore zaviazania do zvetraného granitu sa dosiahol polomer dosahu injekčnej zmesi 0,31 m, vo vyšších častiach vrtu sa dosah injektovania zväčšil na 0,56 m. Pri osovej vzdialenosti injekčných vrtov 1,5 m to znamená, že nebola vytvorená súvislá nepriepustná clona.
Z automatických záznamov o injektovaní vyplynulo nesprávne nastavenie postupu injektovania. Dokazoval to prepočítaný dosah injektovania. Injektovanie sa skončilo vo chvíli, keď sa v jednej etáži spotrebovalo 32 l zmesi bez ohľadu na ďalšie merané hodnoty. Druhou hranicou, kedy sa injektovanie skončilo, bolo dosiahnutie injekčného tlaku 2 MPa. Tretím kritériom injektovania bol povolený prietok 30 l/min. Jeho prekročením sa injektovanie tiež skončilo. Neúplné údaje neumožnili stanoviť hlavnú príčinu, prípadne ďalšie okolnosti objasňujúce nekvalitné injektovanie. Potvrdené ale bolo technologické zlyhanie.
2.3 Obsah cementu v injektovanom prostredí
Na vzorkách injektovaného prostredia, odobratých z hĺbky 9,4 až 10,2 m bol zisťovaný obsah cementu v zemine [2]. Aplikované boli tieto metódy:
- identifikácia pomocou pH indikátora;
- RTG analýza;
- DTA analýza.
Skúšky boli zamerané predovšetkým na RTG analýzu, kde sa predpokladala identifikácia cementových minerálov v zemine, ako aj DTA analýzu, kde by sa výskyt cementu prejavil jemu prislúchajúcimi tepelnými efektmi. Prítomnosť cementu sa zisťovala aj pomocou indikátora pH fenolftaleín.
Identifikácia pomocou pH indikátora
Indikátor fenolftalein sa v zásaditom prostredí farbí do ružova až fialova, pričom prechod je pri pH 8,2 až 9. Cement je silno zásaditý, preto je jeho zafarbenie výrazné (obr. 1A). Na vzorke zeminy B možno vidieť ľahké zafarbenie, čo dokazuje prítomnosť malého množstva cementu. Na vzorke C sa zafarbenie neprejavilo. Táto skúška už čiastočne potvrdila predpoklady, ale nebolo ňou možné stanoviť obsah cementu vo vzorkách zeminy.
A
B
C
Obr. 1: Cement (A) a vzorky zeminy (B, C) po pokvapkaní fenolftaleinom
RTG analýza
Na obr. 2 je znázornená RTG analýza skúšanej vzorky injektovanej zeminy, konkrétne vzorky B. Vysoké a výrazné efekty (píky) patria minerálom typickým pre íl, ako sú kremeň, illit, montmorillonit a muscovit. Z dôvodu ich dominancie je problematické identifikovať cementové minerály. V zázname sú uvedené hodnoty difrakčných línií, kde boli priradené píky pre portlandit (červený rámček) a kalcit (modrý rámček), ale s veľmi nízkou intenzitou. Výnimkou je identifikovaný pík s hodnotou 4,91, ktorý je typický nielen pre portlandit, ale zároveň sa prekrýva s píkom s rovnakou hodnotou pre montmorillonit (jeho línie sú 9,71; 4,91; 4,44; 4,21; 3,46) a preto je tak výrazný.
Obr. 2: RTG analýza skúšanej vzorky B; červená – portlandit, modrá – kalcit
Vzorka C (obr. 3) má nižšie difrakčné línie cementových minerálov než vzorka B, na základe čoho možno konštatovať veľmi malý obsah cementu.
Obr. 3: RTG analýza skúšanej vzorky C; červená – portlandit, modrá – kalcit
DTA analýza
Pri DTA analýze vzorky zeminy sa sledovalo, či sa objavia charakteristické efekty pre cement. Zahrievaním nezhydratovaného cementu dochádza pri teplote cca 150 °C k odparovaniu fyzikálne viazanej vody. Významnejší je druhý efekt pri teplote 750–800 °C, kedy dochádza k vyhoreniu kalcitu CaCO3, čo je sprevádzané poklesom hmotnosti vzorky. Pri zhydratovanom cemente (cementovej paste) sa objavuje teplotný efekt portlanditu a to pri 500–580 °C. Avšak pri tejto teplote sa objavuje aj efekt, typický pre minerál kremeň, nachádzajúci sa v jemnozrnnej zemine. Pri oboch skúmaných vzorkách sa dané efekty objavili.
Obr. 4: DTA záznam vzorky B
Na základe straty hmotnosti vyhorením daného minerálu je možne odhadnúť jeho množstvo. Podľa záznamu DTA analýzy vzorky B (obr. 4), kde je pokles hmotnosti znázornený prerušovanou čiarou, možno prvý pokles do cca 200 °C priradiť strate vody. Z toho dôvodu klesla pôvodná hmotnosť vzorky 74,3 mg na 73,8 mg, ďalej klesala až k výraznému poklesu pri cca 725 °C a skončila na hodnote 71,47 mg. Z rozdielu týchto dvoch hodnôt (2,33 mg) a prepočtom k základnej hodnote 73,8 mg vychádza vo vzorke B obsah cementu na 3,15 %, pričom treba brať do úvahy aj vyhorenie možných nečistôt.
Podobne sa postupovalo pri vzorke C, kde bola pôvodná hmotnosť 107,60 mg a po odstránení vody klesla na 106,9 mg (obr. 5). Pri vyhorení kalcitu (725 °C) bola konečná hmotnosť 105,35 mg. Po prepočítaní rozdielu (1,55 mg) vychádza obsah cementu 1,45 %, kde znova isté množstvo patrí nečistotám. V skúmaných vzorkách sa tak potvrdil nedostatočný obsah cementu.
Obr. 5: DTA záznam vzorky C
3. Odporúčania
Po zhodnotení nevyhovujúceho stavu tesniacej clony bolo odporúčané pristúpiť ku kvalitnejšej injektáži. Získané podklady z IG prieskumov a realizovaných prác umožnili stanoviť predpokladanú spotrebu injekčnej zmesi na jednu etáž. Úspešnosť injektovania je podmienená vhodným zložením injekčnej zmesi, ovplyvnenej zrnitosťou injektovaného podložia. Túto okolnosť bolo potrebné zohľadniť v projekte dotesňujúcich prác. Opierajúc sa o poznatky z neúspešného injektovania bolo odporúčané pred sanáciou tesniacej clony uskutočniť injektovanie na pokusnom úseku v dvoch modelových situáciách: v prostredí nenarušenom častým kolísaním hladiny podzemnej vody a v podloží, ktoré v dôsledku často sa opakujúcich vysokých gradientov presakujúcej podzemnej vody bolo degradované. Zloženie injekčnej zmesi by malo byť podriadené v prvom rade injektovanému prostrediu. Navrhnutý bol podrobný technologický postup na realizáciu pokusného úseku.
Prehodnotené tiež bolo pôvodné kritérium koeficienta filtrácie tesniacej clony v najpriepustnejších polohách na novú hodnotu k = 1.10−6 m/s. Vychádzalo sa pritom z výpočtov prúdenia podzemnej vody pri predpokladanom vystúpení hladiny Dunaja 2 m nad terén, udržiavania hladiny podzemnej vody za tesniacou stenou 1 m pod povrchom terénu a dĺžkou trvania vysokých vodných stavov 16 dní.
4. Záver
Bezprostredný kontakt prevažne heterogénnych navážok pri brehu Dunaja s riekou je mimoriadne intenzívne namáhaný vysokými vodnými stavmi. Pravidelnému ohrozovaniu okrajového úseku mestskej časti Karlova Ves povodňami malo zabrániť vytvorenie podzemnej tesniacej bariéry. Po jej zhotovení sa ukázalo, že nesplnila svoj účel. Opakované namáhanie podložia vysokými hydraulickými gradientmi spôsobovalo sufózne degradovanie zemín. Prieskumné práce vytypovali tieto polohy.
Realizované tesniace práce nezohľadnili reálne vlastnosti podložia a navyše sa neuskutočnili viaceré návrhy uvedené v pôvodnom projekte. Pred návrhom dotesňovania sa vykonala séria kontrolných prác. Terénnymi a laboratórnymi experimentmi bol preukázaný nesprávny postup injektovania. Okrem odporúčaní na zmenu technologického postupu bolo navrhnuté uskutočniť injektovanie na pokusnom úseku ako podklad, podľa ktorého sa navrhne sanácia tesniacej clony.
5. Literatúra
- GAJDOŠ, M.: Geofyzikálne merania ERT 1, 2. Záverečná správa. CHÉMIA – SERVIS, a. s. Bratislava, 10.09.2013.
- TURČEK, P.; SÚĽOVSKÁ, M.; ŠTEFUNKOVÁ, Z.: Bratislava – protipovodňová ochrana, aktivita č. 3A MČ Bratislava – Karlova Ves – dotesnenie podložia. Katedra geotechniky SvF STU, Bratislava, 04/2018, 18 s.
- STN EN: Vykonávanie špeciálnych geotechnických prác. Injektáže.
The paper deals with the methods of checking the performed sealing works in its second part. Measurements of the permeability of the grouted environment in the field are evaluated, the findings of the grouting records are analyzed and the cement content in the taken samples of the grouted soil was determined in laboratory conditions. Finally, the recommendations for remediation are summarized.
