Popis problému

Úvod

Řada lidských činností vyžaduje ke svému průběhu detailní znalost geologického prostředí. Nejběžnějším typem takové činnosti jsou stavební práce, zejména stavby většího rozsahu a stavby při jejichž případné poruše či kolapsu by došlo k ohrožení na životech či značným materiálním škodám. Namátkou můžeme jmenovat dopravní infrastrukturu, produktovody, zásobníky plynu, přehradní hráze, jaderné elektrárny, atd. Nebezpečí vyplývající ze špatně založené přehradní hráze či náhlého kolapsu železničního tunelu není třeba dále rozvádět.

Zvláště v geologicky pestrých oblastech je detailní zobrazení situace pod povrchem naprosto klíčové k úspěšnému dokončení projektu. Jako příklad může sloužit stavba dálnice D8 přes geologicky pestré prostředí tercierních vulkánů Českého středohoří. Rychlé střídání měkkých a rychle zvětrávajících vulkanoklastických materiálů a pevných láv může být pro stavební práce (ražba tunelů, hloubení zářezů, zakládání mostů) oříškem, zvláště pokud není geologie území známa dostatečně přesně.

Povrchové výstupy jednotlivých horninových typů lze vymapovat poměrně snadno detailním geologickým průzkumem – mapováním, ale pokračování mapovaných struktur do hloubky lze pouze odhadovat nebo velmi pracně a draze zjišťovat pomocí husté sítě vrtů. Protože však mají tyto horniny velmi odlišné fyzikální vlastnosti (což je také důvod, proč se v nich tak obtížně a draze staví) mělo by být možné odlišit je právě podle jejich fyzikálních vlastností. A to je přesně věc, na které je založena geofyzika.

Geofyzika je geologická disciplína, která se snaží stanovit strukturu Země na základě změn fyzikálních vlastností hornin. Fyzikální vlastnosti (jako např. hustota, magnetizace, měrný odpor či třeba rychlost šíření seismických vln) je možné chápat jako další vlastnost hornin, podobně jako třeba barvu, texturu, nebo minerální či chemické složení. Měřením fyzikálních vlastností na povrchu je možné stanovit jejich průběh a změny z hloubkou a geofyzika je tak jedinou geologickou disciplínou, která skutečně „vidí“ do nitra Země, podobně, jako kdyby Země byla průhledná. Principiální nevýhodou je, že geofyzika „vidí“ změny fyzikálních vlastností, nikoliv např. změny litologie, a změny fyzikálních vlastností je nutno „přeložit“ do „geologického“ slovníku – změřená data interpretovat. Interpretace geofyzikálních dat není nikdy jednoznačná, protože rozsahy hodnot fyzikálních parametrů pro jednotlivé horniny se vzájemně překrývají (viz Tab. 1), stejně, jako se nedá určit typ horniny např. pouze podle její barvy. Nicméně současnou interpretací několika fyzikálních parametrů zároveň lze míru nejistoty snížit na přijatelnou úroveň (více viz např. Musset a Khan 2000 či Telford a kol. 1991). Protože všechna měření fyzikálních parametrů se provádějí z povrchu, jsou geofyzikální metody principiálně nedestruktivní a zároveň rychlá a levná (ve srovnání s dalšími typy geologických prací).

Definice problému

  • Problém: získání detailního obrazu geologické stavby tercierních vulkanitů.

  • Postup: analýza problému, návrh použitých metod, měření a interpretace dat.

V následujícím textu bude ukázáno, jak je za pomoci geofyzikálních metod možné v poměrně krátkém času a za malých finančních nákladů získat detailní obraz zmíněné, silně heterogenní, geologické stavby. Jako příklad poslouží průzkum pro zjištění vnitřní stavby tercierního vulkánu Zebín nedaleko Jičína. Ukázané postupy je možno univerzálně aplikovat na další práce v podobných geologických podmínkách.

Tab. 1: Přehled některých fyzikálních vlastností vybraných horninových typů (Milsom a Eriksen, 2011).

Mezioborové aspekty

Geofyzikální průzkum je velmi často využíván jako metoda řešící problémy řady geologických i negeologických oborů. Pro úspěch prací je naprosto klíčová úzká součinnost odborníků zabývajících se dílčími aspekty. Uvedená studie předpokládá spolupráci expertů z několika odlišných oborů. Pro ilustraci jsou zde popsány konkrétní aspekty mezioborové spolupráce během vzniku této studie.

Před započetím prací je potřeba vytvořit alespoň hrubou představu o geologické situaci zájmového území. V tomto případě vznikla tato představa na základě terénních prací a zkušeností geologa a vulkanologa, kteří stanoví prvotní hypotézu o vnitřní struktuře vulkánu. Např. na základě předpokládané geologické a geomorfologické situace v době erupce je možno odhadnout typ erupce, zda byla explozivní, či se spíše jednalo o klidné výlevy, možné typy láv a eventuelních pyroklastik, atd.

Geofyzik následně odhadne fyzikální vlastnosti předpokládaných hornin a vybere fyzikální parametry, které je možné využít pro jejich vymapování. Naplánuje měřickou síť, provede sběr dat, jejich zpracování a prvotní interpretaci.

Následně je opět přizván geolog a vulkanolog a v úzké spolupráci s geofyzikem provedou finální interpretaci a vytvoří výsledný komplexní geologický model. Ten obsahuje nejen detailní informace o rozsahu jednotlivých horninových typů, ale uvádí i míru zvětrání jednotlivých hornin, vyznačuje tektonicky porušené oblasti či např. hloubku skalního podloží vhodného pro zakládání staveb. Tento komplexní model pak může sloužit jako výchozí podklad pro další obory, které potřebují znát geologickou situaci jako vstupní parametr. V případě v úvodu zmíněné stavby dálnice je to projektant, který z těchto údajů může stanovit stabilní sklony svahů (a předejít tak zbytečným sesuvům), místa, kterým je lépe se vyhnout (stará tělesa sesuvů, málo únosná podloží, …), stanovit hloubku založení pilířů mostů, opěrných zdí apod.

Praktický příklad

Geologická situace

Tercierní sopka Zebín (399 m n.m.) je dnes malou homolí tyčící se sto metrů nad okolní krajinu, zhruba dva kilometry SV od centra Jičína (Obr. 1, 2, 3). Vulkán je součástí jičínské neovulkanické oblasti (vnitrodeskový alkalický vulkanismus pocházející ze svrchního pláště). Podle K-Ar datování došlo k vulkanické aktivitě před cca 17,51 miliony let (Rapprich et al. 2007). K erupci došlo v bažinaté krajině tvořené jílovitými mořskými sedimenty svrchní křídy. Bouřlivé interakce rozžhaveného vulkanického materiálu s vodou vedly k fragmentaci vulkanického materiálu a k tvorbě tufového kužele (surtseyský typ erupce).

Obr. 1: Schematická mapa českého masivu s umístěním sopky Zebín. Vložený obrázek ukazuje pozici českého masivu v rámci evropských variscid. (Raprich et al. 2017)

Obr. 2: Pohled na Zebín od jihovýchodu. (Rapprich et al. 2017).

Obr. 3: Pohled na Zebín od západu. (Foto V. Rapprich)

Vlastní vulkán tvoří sopečný pyroklastický kužel (vulkanický popel, lapilli, vulkanické pumy, …), který je na řadě míst prorážen žilami bazaltu a prokládán lávovými výlevy. Vulkanický kužel tak tvoří silně nehomogenní celek s ostrými nepravidelnými přechody mezi velmi pevnými a velmi měkkými horninami. Stěny opuštěného lomu z dob Albrechta z Valdštejna tuto nehomogenní strukturu dobře dokumentuje (Obr. 4). Takto heterogenní vnitřní struktura sopečného kužele není žádnou výjimkou a je typickou ukázkou horninového složení všech vulkanických oblastí.

Obr. 4: Pohled na stěnu starého lomu ukazuje velmi heterogenní vnitřní strukturu sopečného kužele (Rapprich et al. 2017).

Fyzikální parametry hornin

Pro úspěšné použití geofyzikálních metod je nutný dostatečný kontrast zkoumaných fyzikálních parametrů zájmových struktur a okolní horniny. V tomto případě je cílem odlišit od sebe pevné, kompaktní bazické lávy a měkké, zvětralé pyroklastické horniny a podložní křídové jílovce a slínovce. V tomto případě se nabízí hned několik fyzikálních parametrů, podle kterých je možno horninové typy od sebe rozlišit.

Prvním fyzikálním parametrem je magnetizace hornin. Bazické lávy mají obecně výrazně vyšší magnetickou susceptibilitu (míru magnetizace, Tab. 1)) než pyroklastika či sedimentární horniny. Je to dáno vysokým podílem magnetických minerálů železa (magnetit, pyrhotin, ilmenit,...) v bazických vyvřelinách. Magnetizace bazaltů výrazně ovlivňuje geomagnetické pole Země v blízkosti jejich výskytu, takže měřením odchylek geomagnetického pole od jeho normální hodnoty je možno tyto horniny velmi snadno sledovat.

Dalším využitelným fyzikálním parametrem je elektrický odpor hornin. Zvláště tzv. měrný odpor, tedy odpor přepočtený na velikost vzorku a charakterizující tak konkrétní materiál. Protože pyroklastické horniny jsou složeny z velmi jemných horninových zrn a jsou poměrně dobře propustné, působením povrchových vod poměrně rychle zvětrávají. Proces zvětrávání znamená, mimo jiné, přeměnu původních horninotvorných minerálů na minerály jílové. Tyto velmi snadno vážou na svůj povrch vodu a stávají se tak vodivými. Rozdíl hodnot měrných odporů jílů a běžných horninotvorných minerálů (Tab. 1) může být i několik řádů, takže jejich odlišení bývá snadné.

Posledním fyzikálním parametrem, který je v této studii použit je rychlost šíření tzv. P-vln (kompresních elastických vln). Kompaktní bazické lávy mají několikanásobně vyšší rychlost šíření seismických vln než měkká a zvětralá pyroklastika. Stejně tak útlum seismických vln je mnohem menší v lávách než pyroklastikách.

Alternativně by bylo možné také použít měření změn gravitačního zrychlení a z něj odvozovat změny hustot hornin, kdy bazické lávy mají vyšší hustotu než většina ostatních hornin (Tab. 1). V některých případech je rovněž možné pro odlišení bazických hornin použít měření přirozené radioaktivity, kdy bazické horniny mají nižší radioaktivitu než např. horniny kyselé kvůli odlišné koncentraci K, U, Th.

Geofyzikální metody

Magnetometrie

Magnetometrie je velmi rychlá metoda měření a je proto vhodná již v samých počátcích průzkumu pro orientační rozčlenění lokality a cílené použití časově náročnějších metod. V tomto případě bylo měřeno protonovým magnetometrem s přesností 1 nT. Protože očekávaný Žíly bazických vyvřelin podobného rozsahu, jaký se dal předpokládat, vyvolávají anomálie geomagnetického pole v řádu stovek a tisíc nT, přesnost měření je tedy více než dostačující. Intenzita geomagnetického pole byla měřena na bodech volně rozmístěných na přístupných částech vulkánu (Obr. 5). Zpracování magnetometrických dat je poměrně

Obr. 5: Topografická mapa Zebína s vyznačením geofyzikálních měření.

jednoduché, data jsou opravena na časové změny magnetického pole (variace) získané opakovaným měřením na kontrolním bodě a následně jsou vykreslena ve formě mapy intenzit geomagnetického pole (Obr. 6). Pro danou lokalitu a období měření odpovídá hodnota normálního pole cca 49000 nT. Hodnoty výrazně vyšší (lokálně převyšující až 60000 nT) indikují místa, kde kompaktní bazická láva vystupuje k povrchu, tedy místa přívodních vulkanických drah. Na tato místa byl dále cílen podrobný průzkum

Obr. 6: Izolinie velikosti geomagnetického pole. Velikost normálního pole na lokalitě v čase měření odpovídá velikosti cca 49000 nT.

Doba trvání tohoto měření byla zhruba jedno odpoledne a pro provedení prací stačí jeden pracovník. Jako rekognoskační metoda je tak magnetometrie velmi vhodná.

Geoelektrické měření

Z celé řady geoelektrických metod byla použita tzv. multielektrodová odporová metoda (zvaná též odporová tomografie, v anglicky psané literatuře Electrical Resistivity Tomography, ERT). Tato metoda využívá faktu, že hloubka průniku elektrického proudu do horninového prostředí narůstá s narůstající vzdáleností proudových elektrod. Pokud je tedy provedena celá řada odporových měření u kterých postupně narůstá vzdálenost proudových elektrod, získaná informace bude odpovídat různým hloubkovým úrovním. Posouváním celého uspořádání podél profilu je možno posouvat měřené body podél profilu. Výsledkem je mapa změn měrného odporu v různých hloubkách podél profilu. Hloubku průniku elektrického proudu kromě vzdálenosti proudových elektrod ovlivňuje i celková konfigurace elektrod (různé kombinace proudových a potenčních elektrod). Praktické měření se realizuje tak, že podél profilu se rozmístí velké množství elektrod (vyšší desítky či první stovky elektrod), které se propojí vícežilovými kabely. Řídící jednotka zapojuje jednotlivé elektrody střídavě jako proudové a potenční dle předem definovaného schématu.

Nejčastější způsob měření je rozmístění elektrod podél přímého profilu a 2D inverze (přepočet) změřených zdánlivých měrných odporů na „skutečné“ měrné odpory a jejich správné pozice podél profilu. Je však možné počítat inverzi i ve třech rozměrech (3D). Pro 3D zpracování je možno použít několik paralelních či vzájemně kolmých přímých profilů, nebo přímo uspořádání elektrod v ploše. Alternativně (jako v tomto případě) je možno použít i zakřivených profilů. Zakřivené profily jsou nejčastěji vynuceny omezenou průchodností terénem (hustá vegetace, sklaní srázy, soukromé nepřístupné pozemky, apod.). Průběh proměřených profilů je zakreslen na Obr. 5, vzdálenost jednotlivých elektrod podél profilu byla pět metrů. Přímé části profilů byly invertovány ve 2D (Obr. 7), všechna změřená data pak pomocí 3D inverze (Obr. 8).

Mělká refrakční seismika

Jako mělká refrakční seismika se označuje několik variací měření rychlostí seismických vln do hloubek několika desítek metrů. Pro měření rychlostí se využívá čelných či refragovaných vln. Seismické vlny se v mělké seismice nejčastěji generují úderem těžkého kladiva do speciální podložky položené na povrchu Země. Z celého spektra informací neseného seismickou vlnou se v refrakční seismice používá nejčastěji pouze tzv. první nasazení (čas prvního příchodu seismické vlny ke snímači). Stejně jako u multielektrodové odporové metody se používá velké množství snímačů (geofonů) rozmístěných v pravidelných intervalech podél profilů. Profily mohou být rovněž přímé či zakřivené. Rozmístění seismických profilů ukazuje Obr. 5. Počet míst úderů kladiva – zdrojů – bývá srovnatelný nebo mírně nižší než počet snímačů.

Odečtené časy příchodů od jednotlivých zdrojů seřazené dle vzdálenosti senzorů (hodochrony) ukazují změny seismických rychlostí podél profilu a slouží jako vstup pro výpočet rychlostního modelu (rozložení rychlostí šíření seismických v různých hloubkách podél profilu). Na rozdíl od multielektrodové odporové metody se v refrakční seismice využívají dva základní typy interpretačních modelů – vrstevnatý model a gradientový model.

Vrstevnatý model předpokládá model prostředí složený z několika vrstev s více či méně homogenními seismickými rychlostmi. Změny rychlostí šíření seismických vln na rozhraních vrstev jsou skokové a mohou být i poměrně vysoké. Tento typ prostředí vychází z modelu sedimentární pánve, kde na sobě mohou ležet litologicky velmi pestré vrstvy. Litologie na vrstevních rozhraních se tak skokově mění ale uvnitř vrstvy je velmi podobná i na velké vzdálenosti. Velmi často používanou zpracovatelskou metodou pro interpretaci vrstevnatým modelem je metoda t0.

Druhým typem modelu prostředí je tzv. gradientové prostředí. V tomto typu prostředí se velikosti seismických rychlostí mění jen pozvolna („hladký model“) nicméně mohou se měnit libovolně ve všech směrech. Tento model tedy postrádá ostrá rozhraní. Geologický předobraz tohoto modelu může tvořit např. zvětralý povrch krystalinika. Intenzita zvětrání postupně klesá s hloubkou, pokles intenzity zvětrání je však pozvolný a chybí zde ostré litologické přechody. Model gradientového prostředí je základním modelem pro seismickou tomografii.

Dříve se kvůli výpočetní nenáročnosti preferoval model vrstevnatého prostředí, dnes převládá spíše zpracování dat pomocí seismické tomografie a gradientového modelu. Je to kvůli univerzálnosti gradientového modelu a zjednodušení celého zpracovatelského procesu.

Zpracování dat v tomto případě sestávalo z odečtů časů příchodu seismických vln (prvních nasazení) a otestování konzistence získané datové sady. Dále následoval výpočet vrstevnatého modelu metodou t0, který sloužil jako výchozí model pro seismickou tomografii. Gradientový rychlostní model (Obr. 9) pak sloužil jako výchozí pro model pro geologickou interpretaci.

Geologická interpretace

Geologická interpretace několika různých geofyzikálních metod se provádí v několik krocích. Nejprve je pro každou metodu určena prvotní, startovací, interpretace a tyto se pak porovnávají mezi sebou. Jejich výsledný průnik je pak interpretací finální.

V tomto případě šlo především o vymapování lávových proudů a přívodních drah, které tvoří výrazné nehomogenity (velmi tvrdá hornina uvnitř poměrně měkkých a snadno těžitelných). Magnetometrie mapuje bazické horniny jako oblasti se zvýšenou magnetizací (kvůli přítomnosti magnetických minerálů). Odporová tomografie jako oblasti zvýšených měrných odporů (nízká koncentrace vodivých jílových minerálů – produktů zvětrávání). Seismika vidí kompaktní lávy jako oblasti zvýšených seismických rychlostí (rychlosti šíření seismických vln prudce klesají se vzrůstající intenzitou zvětrání).

Společná interpretace všech použitých metod ukazuje několik přívodních drah bazické lávy (Obr. 7 a 9). 3D zpracování odporové tomografie (Obr. 8) znázorňuje generelní průběh bazaltů uvnitř celého vulkánu.

Obr. 7: Multielektrodová odporová metoda – 2D inverze přímých částí profilů. Čárkovaně jsou znázorněny interpretované přívodní dráhy magmatu.

Obr. 8: 3D inverze všech změřených geoelektrických dat. Bílé body označují pozice jednotlivých elektrod.

Obr. 9: Rychlostní model seismické tomografie ukazuje rozhraní mezi kompaktními lávami (vysoké rychlosti šíření seismických vln) a tufy a zvětralinami. Bílou čárou je znázorněno vrstevní rozhraní vypočtené metodou t0 a černé čárkované čáry ukazují interpretované přívodní dráhy bazaltových láv.

Závěr

Uvedená studie ukazuje, jak geofyzikální metody mohou celkem snadno, rychle (několik dní terénních prací a následné zpracování dat v kanceláři) a tedy i levně poskytnout detailní informace o geologické stavbě velmi nehomogenního prostředí. Nastíněný postup a uvedené výsledky celkem jednoznačně ukazují, že v případě jakýchkoli stavebních a dalších prací v geologicky problematických lokalitách je vždy výhodnější ještě před vypracováním projektu a započetím vlastní stavby důkladně zmapovat geologickou situaci lokality než následně draze sanovat nevydařené stavební zásahy.

Podklady/Multimédia

Přílohy

  1. Tabulka fyzikálních vlastností (přiložený soubor).

  2. Schematická mapa českého masivu s umístěním sopky Zebín. (přiložený soubor).

  3. Pohled na Zebín od jihovýchodu. (přiložený soubor)

  4. Pohled na Zebín od západu. (přiložený soubor)

  5. Fotografie stěny lomu zaříznutého do vulkanického kužele Zebína. (přiložený soubor)

  6. Topografická mapa Zebína s vyznačením geofyzikálních měření. (přiložený soubor)

  7. Izolinie geomagnetického pole. (přiložený soubor)

  8. Multielektrodová odporová metoda – 2D inverze. (přiložený soubor)

  9. Multielektrodová odporová metoda – 3D inverze. (přiložený soubor)

  10. Rychlostní model seismické tomografie. (přiložený soubor)

Reference

Milsom J. and Eriksen A., 2011. Field Geophysics. John Wiley & Sons, Chichester, UK.

Musset, A. E. and Khan, M. A. (2000): Looking into the Earth: An Introduction to Geological Geophysics, Cambridge University Press.

Rapprich V, Cajz V, Košťák M, Pécskay Z, Řídkošil T, Raška P, Radoň M (2007) Reconstruction of eroded monogenic Strombolian cones of Miocene age: a case study on character of volcanic activity of the Jičín Volcanic Field (NE Bohemia) and subsequent erosional rates estimation. J Geosci 52: 169–180

Rapprich V., Shields S., Halodová P., Lindline J., van Wyk de Vries B., Petronis M. S., Valenta J. (2017). Fingerprints of magma mingling processes within the Miocene Zebín tuff cone feeding system (Jičín Volcanic Field, Czech Republic). Journal of Geosciences, 62, 215–229. doi: 10.3190/jgeosci.245

Telford William M., Geldard L. P., Sheriff Robert E., 1991: Applied Geophysics. Cambridge University Press, Cambridge

Popis problému

Od 40. let minulého století probíhá v severních Čechách rozsáhlá povrchová těžba hnědého uhlí. Tato těžba je situována v oblasti terciérních hnědouhelných pánví (Obr. 1).

Obrázek 1 Geologická mapa severozápadních Čech s vyznačením terciér hnědouhelných pánví (A – Chebská pánev; B – Sokolovská pánev; C – Mostecká pánev). Těžba hnědého uhlí je soustředěna v Mostecké a v menší míře v Sokolovské pánvi. (mapový zdroj: www.geology.cz)

Součástí povrchové těžby je odstranění nadložní zeminy, která se ukládá na výsypky ve formě hrud o velikosti do cca 50 cm. Tyto hroudy jsou tvořené jílem pevné a tvrdé konzistence, který místy přechází až v jílovec. Výsypky vznikají jak mimo oblast povrchových dolů (tzv. vnější výsypky) tak v oblasti vlastních dolů v místech, kde byla uhelná sloj již vytěžena (vnitřní výsypky). Tvorba vnějších výsypek je typická pro počáteční fázi těžby, kdy je třeba vytvořit prostor pro vlastní těžbu. V pozdějších fázích těžby jsou preferovány vnitřní výsypky, a to jak z praktických důvodů (zpětné vyplnění odtěženého prostoru) tak z důvodů ekologických (minimalizace plochy krajiny zasažené těžební činností). Mocnost vnitřních výsypek může dosahovat až 200 metrů, u vnějších výsypek se výška pohybuje do 100 m.

Jílový materiál je po odtěžení transportován pásovými dopravníky směrem k výsypce a pomocí zakladačů je pak volně sypán na výsypky (Obr. 2). Objem odtěžených zemin se v severních Čechách pohybuje kolem 200 milionů m3 ročně. Při takovém množství odtěžených zemin není možné provádět žádnou úpravu jejich mechanických vlastností, případně je hutnit.  

 

Obrázek 2 Proces sypání jílových hrud na výsypku (lom Bílina v Mostecké pánvi).

Materiál čerstvě nasypané výsypky má charakter hrubozrnné sypaniny s velmi vysokou celkovou pórovitostí. Průměrná pórovitost jílových hrud se pohybuje kolem 40% a v kombinací s mezerovitostí mezi jednotlivými hroudami dosahuje celková pórovitost čerstvě nasypané výsypky kolem 70% (Feda, 1998). Při procesu sypání dochází k určité segregaci hrud. Větší hroudy se koncentrují u paty sypaných kuželů, zatímco jemnější materiál zůstává v jejich horní části. Mezerovitost výsypky proto není rovnoměrná a vzniká určitá prostorová heterogenita, která se projevuje obtížně předvídatelným chováním při degradaci struktury výsypky.

V průběhu času dochází k podstatným změnám struktury výsypky. Dochází k postupnému uzavírání mezer a k plastickému přetváření hrud. Charakter výsypky se mění z počátečního stavu hrubozrnné sypaniny na jemnozrnný materiál se zcela odlišnými vlastnosti (Obr. 3 a 4).

 

Obrázek 3 Čerstvě nasypaná výsypka charakteru hrubozrnné sypaniny. Z obrázku je patrná zrnitostní segregace hrud (větší hroudy padají k patě svahu, jemnozrnější materiál zůstává poblíž vrcholu sypaného kuželu).

 

Obrázek 4 Částečně degradovaná struktura výsypky několik let po jejím nasypání. Mezery mezi hroudami jsou z větší části vyplněné jemnozrnným materiálem. Hranice jednotlivých hrud jsou však stále dobře patrné a mechanické chování je i v této fázi ovlivněné původní strukturou výsypky.

Proces přetváření výsypky je řízen různými mechanismy, které podle Fedy (1998) zahrnují následující procesy:

  • Drcení hrud – proces, který je ovlivněn nárůstem vlhkosti hrud a snížením jejich pevnosti. V důsledku snížení pevnosti dochází k porušování jednotlivých hrud a zmenšování jejich velikosti.

  • Plastické přetváření hrud – proces typický pro vlhké hroudy, které se vlivem tlaku nadloží plasticky přetvářejí. V důsledku toho dochází k postupnému uzavírání mezer mezi hroudami.

  • Přeuspořádávání hrud – vlivem tlaku nadloží rovněž dochází ke změně uspořádání hrud (posun, rotace). Tento proces vede opět ke snižování počáteční mezerovitosti.

  • Zplastizování na kontaktech hrud – při zvýšené vlhkosti může dojít k plastickému přetváření jílu na kontaktech hrud a jejich vzájemného propojování. Na kontaktech hrud tak vzniká sání (negativní pórový tlak), které způsobuje velkou mezerovitost a dlouhodobě nestabilní uspořádání výsypky.

Uvedené mechanismy se uplatňují v různé míře závisející na přístupu vody do výsypky (stupeň nasycení) a působícím vertikálním napětí. Schematicky jsou jednotlivé procesy znázorněny na Obr. 5.

 

Obrázek 5 Schematický diagram znázorňující procesy degradace původní struktury výsypky. Horní obrázky ukazují strukturu čerstvé výsypky s propojenými mezerami. Vpravo nahoře je otevřenější struktura způsobená vlhčími hroudami a sáním na jejich zplastizovaných kontaktech. Na spodních obrázcích jsou dokumentované procesy doprovázející přetváření výsypky. Vlevo dole drcení a přeuspořádávání hrud, vpravo pak plastické přetváření hrud spojené s uzavíráním mezer a homogenizací výsypkového tělesa.

Všechny uvedené procesy probíhají ve výsypce postupně mnoho let. Rychlost přetváření struktury je závislá na mnoha faktorech, z nichž nejvýznamnější jsou přítomnost vody a působící napětí. Přítomnost vody se v průběhu času postupně zvyšuje v důsledku infiltrace srážkových vod. U vnitřních výsypek dochází po ukončení těžební činnosti k postupnému nárůstu hladiny podzemní vody, která je během těžby často uměle snižovaná čerpáním. Vliv působícího napětí se projevuje v závislosti na mocnosti nadloží. V hlubších partiích výsypky tak dochází k rychlejší degradaci struktury.

Dalším významným faktorem ovlivňujícím degradaci struktury výsypek v přípovrchové zóně je zvětrávání. Hroudy vystavené teplotním a vlhkostním změnám podléhají výrazně rychlejšímu rozpadu. Struktura hrud a mezer tak degraduje a vznikající jemnozrnný materiál je postupně vplavován hlouběji do tělesa výsypky. Vliv zvětrávání je dokumentován na Obr. 6.

 

Obrázek 6 Dokumentace zvětrávání hrud vlivem cyklického provlhčování a vysoušení. Obrázky nahoře ukazují hroudu pod vodou, u níž nedocházelo k žádným změnám nasycení. Obrázek dole znázorňuje hroudu cyklicky zaplavovanou vodou a následně vysušenou v důsledku odpařování vody za konstantní teploty. Obrázky směrem zleva doprava ukazují zeminu po 1-4 sytících a vysoušecích cyklech. Z obrázku je patrná postupná dezintegrace hroudy s rostoucím počtem cyklů (Kostkanová et al., 2014).

Proces přetváření struktury se projevuje na jejím mechanickém chování výrazným poklesem pevnosti, nerovnoměrnou stlačitelností a výrazným poklesem propustnosti. Ani mnoho let po dosypání výsypky však nelze považovat její strukturu za homogenní. Zejména vysoká a nerovnoměrná stlačitelnost povrchu výsypek výrazně komplikuje jejich využití pro další zástavbu. Celková plocha výsypek hnědouhelných dolů v severních Čechách však výrazně překračuje 100 km2 a z toho důvodu je nezbytné ji využívat pro další zástavbu. Zakládání staveb na výsypkách tak představuje z geotechnického pohledu dlouhodobou výzvu.

Mezioborové aspekty

Stavební činnost

Složité mechanické chování výsypek má dopad na stavební činnost. Dopad nerovnoměrné stlačitelnosti výsypky je nutné zohlednit již při samotném výběru stavebních konstrukcí a vhodných metod zakládání. K úspěšnému zakládání je často nutné také přistoupit ke zlepšování základové půdy, jehož smyslem je zejména odstranění mezerovitosti. Jednotlivé metody zlepšování jsou diskutovány v kapitole Příklady řešení.

Důlní činnost

Nízká pevnost degradované výsypky má zásadní dopad na samotnou důlní činnost. Stabilita dočasných i finálních svahů výsypek je často diskutovaným tématem. Při vzniku sesuvů na svazích výsypky klesá pevnost na smykových plochách na reziduální hodnoty, které mohou dosahovat i 7°. Stabilizace a sanace vzniklých sesuvů je proto nesmírně náročná a nákladná. Příkladem sesuvné činnosti může být např. sesuv svahu výsypky v oblasti lomu Merkur v roce 1985, při kterém byla celková kubatura sesuvu vyčíslena na 140 milionů m3 zeminy (Větrovský, 2006).

Hydrogeologie

 

Jedním z hlavních faktorů ovlivňujících rychlost přetváření výsypky je přítomnost vody. Vodní režim výsypky je proto jedním ze základních aspektů, který je třeba studovat. V čerstvé výsypce funguje systém spojitých (průvzdušných) mezer jako zdroj preferenčních drenážních cest, kterými volně protéká srážková voda. Postupně vede přítomnost vody ke zplastizování hrud a uzavření spojitých mezer. Toto zplastizování však může mít pouze lokální charakter v závislosti na oblastech infiltrace. Obrázek 7 dokumentuje zdroje nerovnoměrné infiltrace, kterými mohou být tzv. nebeská jezírka (bezodtoké deprese dotované pouze srážkovou vodou), které se vznikají v terénních nerovnostech na povrchu výsypky.

 

Obrázek 7 Zdroje nerovnoměrné infiltrace vody do výsypek na Radovesické výsypce cca 12 let po jejím dosypání - tzv. „nebeská jezírka“ dotovaná pouze srážkovou vodou (Vojar et al., 2012).

Hydrogeologický režim vnitřních výsypek zahrnuje postupné prosycování výsypky od spodních vrstev v důsledku zvyšování hladiny podzemní vody. Ta byla během těžby uměle snížena čerpáním a po ukončení těžby dochází k jejímu opětovnému vyrovnání. Tento proces je na rozdíl od srážkové infiltrace plošný a jeho důsledkem mohou být postupné kolapsy struktury výsypky v prosycených částech. Tento jev, zdokumentovaný na mnoha podobných lokalitách i v zahraničí (Charles, 2001) se projevuje náhlým sedáním povrchu, v jehož důsledku dochází k poškození staveb.

Rekultivace krajiny

 

Mechanické vlastnosti výsypek a způsob rekultivace krajiny zasažené povrchovou těžbou se vzájemně ovlivňují. Tvar reliéfu po rekultivaci musí vykazovat dlouhodobou stabilitu a to včetně například svahů břehů umělých jezer vznikajících v zatopených těžebních jamách. Přivedení vody do oblasti zasažené těžbou pomáhá naopak rychlejší degradaci struktury a výsypek a její homogenizaci. V ideálním případě by měla být celková koncepce rekultivace krajiny provázána se stabilizací mechanických vlastností výsypkových zemin.

Praktický příklad

Příklady řešení

Z předchozího popisu vyplývá, že hlavním problémem zakládání staveb na výsypkách je jejich obtížně předvídatelné chování, které souvisí zejména s mezerovitostí zeminy. Při zakládání na výsypkách je proto důležité zvolit takové typy staveb, které nejsou citlivé na nerovnoměrné sedání podloží. Dalším vhodným aspektem řešení problému je snížení potenciálu k nerovnoměrnému sedání před vlastní stavební činností, a to zejména prostřednictvím minimalizace mezerovitosti. K tomu mohou být využity následující postupy:

Prosycení

Přivedení vody do tělesa výsypky způsobuje změkčení hrud a urychluje přeměnu její struktury. Přeměna struktury je neodvratný proces, ke kterému musí dříve nebo později dojít. Vhodným řešením je proto tento proces urychlit tak, aby proběhl v maximální míře před zahájením výstavby na výsypce. V opačném případě hrozí poškození již existujících staveb. Ideálním řešením je postupné sycení výsypky vyvolané nárůstem hladiny podzemí vody. Jak již bylo uvedeno, tento proces je typický pro vnitřní výsypky po ukončení těžby. Pokusy o prosycování výsypky z povrchu prostřednictvím zasakovacích rýh se ukázaly jako nepříliš účinné. Důvodem je zejména to, že zasakování probíhá prostřednictvím preferenčních cest a k přeměně struktury výsypky tak dochází pouze lokálně, a nikoliv v celém jejím objemu.

Vibrační metody 

Principem vibračních metod je aplikace rotujícího excentrického závaží na povrch výsypky. Pomocí roztlačování výsypkového jílu do stran dochází k zhutňování výsypky a snižování mezerovitosti. Vzniklý profil může být následně vyplněn jílem s podobnými vlastnostmi který je průběžně zhutňován (Obr. 8). Alternativně může být profil vyplněn štěrkem či kamenivem s vyšší únosností než jíl. Nevýhodou tohoto postupu však je, že propustný štěrk může způsobit zasakování vody do tělesa výsypky, čímž se zvyšuje riziko prosednutí po dokončení stavby. Toto riziko je aktuální zejména v čerstvých výsypkách s vysokou mezerovitostí (Větrovský, 2006).

 

Obrázek 8. Příklad úpravy výsypek pomocí průběžně hutněných tzv. jílových pilířů (Vaníček a Vaníček, 2008)

Předtížení násypem

Vhodným nástrojem pro snížení nerovnoměrného sedání je předtížení násypem. V oblasti plánované výstavby se provede násyp, který vyvozuje na povrch výsypky v ideálním případě větší napětí než finální stavba. Vlivem přitížení dojde ke snížení mezerovitosti. Sedání způsobené uzavíráním mezer je většinou poměrně rychlý proces. Rychlost je způsobena zejména propojeným systémem pórů. Přesto tento postup způsobí určitou prodlevu před realizací stavby (odhadem v řádu měsíců). Výhodou této metody však může být, že přitěžovací násyp je možné v případě dodržení předepsaných postupů použít jako konstrukční vrstvu stavby (například násypy u liniových staveb).

Dynamické zhutňování

Dynamické zhutňování je metoda založená na opakovaných dynamických dopadech těžkého závaží na povrch výsypky. Hmotnost závaží a výška pádu jsou parametry, které ovlivňují intenzitu zhutnění a jeho hloubkový dosah. Zhutňování se musí provádět ve vhodně zvoleném rastru, aby byl výsledek rovnoměrný v celé zasažené ploše. Porovnání metody dynamického zhutňování a předtížení násypem ukazuje (Charles, 2008), že při stejném sednutí povrchu má statické zatížení násypem větší hloubkový dosah, zatímco dynamické zhutňování má větší efektivitu v mělčích vrstvách výsypky.

Nahrazení zeminy

Další možností je nahrazení materiálu výsypky vhodnější zeminou. Tento postup je finančně náročný a je doprovázen problémy s dalším využitím odtěžené zeminy. V některých případech je však postup možné využít pro nahrazení zeminy v přípovrchové vrstvě, kde se očekává největší sedání.

Další metody

Existuje ještě řada dalších metod, jejichž uplatnění není příliš běžné. Patří mezi ně předtížení pomocí vakua, zhutňování prostřednictvím řízených explozí, injektážní metody, vyztužení geosyntetiky, chemická stabilizace nebo použití vertikálních drénů, které může sloužit k urychlení konsolidace například v kombinaci s předtížením násypem.

Modelování pokusných násypů v trase dálnice D8 

Jako příklad konkrétní stavby na výsypce může sloužit dálnice D8 spojující Prahu a Drážďany. Úsek dálnice mezi obcemi Trmice a Knínice protíná území zasažené těžební činností. Z celkové délky úseku 12 km přibližně polovina leží na výsypkách. Před vlastní stavbou dálnice byly na její plánované trase vybudovány dva monitorované pokusné násypy (Obr. 9). Násypy byly vybudovány v místech, kde trasa dálnice protínala výsypku lomu Antonína Zápotockého. V místech násypů byla výsypka přibližně 25-30 m mocná, plně nasycená a její odhadované stáří bylo přibližně 30 let.

 

Obrázek 9 Pokusné násypy na trase budoucí dálnice D8 před zahájením její výstavby.

Násypy byly instrumentované inklinometry, magnetickými hloubkovými referenčními značkami umístěnými ve vrtech v různých hloubkách pod násypy, dále profily hydrostatické nivelace zaznamenávajícími pokles povrchu výsypky pod násypy a měřidly pórového tlaku. Celková doba měření reakce výsypky na přitížení násypy byla 3 a 6 let pro jednotlivé násypy.

Výsledky monitoringu byly následně v rámci výzkumné studie porovnány s fyzikálním modelem testovaným v geotechnické centrifuze na ETH Curych ve Švýcarsku (Najser et al., 2010) a současně bylo provedeno numerické modelování (Najser et al., 2012) za pomoci pokročilého konstitučního modelu (hypoplastický model pro jíly s metastabilní strukturou, viz Mašín, 2007). Cílem výzkumného projektu bylo zjištění co nejkomplexnější představy o mechanickém chování starých výsypek.

Výsledky výzkumu se dají shrnout do následujících bodů:

  • Proměnlivá stlačitelnost výsypky se výrazně projevila i v případě 30 let staré výsypky s výrazně degradovanou strukturou.

  • V průběhu modelování byly dokumentovány a potvrzeny přetvárné mechanismy popsané na Obr. 5.

  • Stlačitelnost výsypky se skládá z dvou fází (Obr. 10). V první fázi dochází k uzavírání mezer, které se projevuje rychlým sednutím povrchu výsypky za vzniku nerovnoměrných deformací. V druhé fázi dochází k výrazně pomalejší konsolidaci, která se projevuje menším sedáním. Tato fáze již probíhá ve výsypce s uzavřenými mezerami a s výrazně sníženou propustností, konsolidace proto trvá déle.

 

Obrázek 10 Průběh sedání výsypky pod pokusným násypem. První fáze výrazného a rychlého sednutí je spojená s uzavíráním mezer ve výsypce. Následné dlouhodobější sedání výrazně menšího rozsahu je spojené s postupnou konsolidací výsypky. Část dlouhodobějšího sedání je pravděpodobně ovlivněna rovněž creepem (Boháč a Škopek, 2004).

 

  • Fyzikální i numerické modelování mechanického chování výsypky je nesmírně složitý proces. Základem úspěšného modelu je přesná znalost mnoha parametrů (zrnitostní distribuce hrud, průběh sypání, průběh sycení výsypky, heterogenita materiálu atd.). Protože tyto parametry nejsou v době sypání výsypky a následujících let zaznamenávány, pracuje každý model se značnou mírou nejistoty.

  • Významným vlivem urychlujícím přeměnu struktury výsypky je její zvětrávání vlivem cyklického provlhčování v přípovrchové zóně. V horních 10 metrech výsypky může vlivem zvětrávání zdegradovat 60-80% celkového objemu mezer mezi jednotlivými hroudami. Obrázek 11 ukazuje rozdíl sedání pod pokusným násypem v různých hloubkách ve srovnání s modelem v centrifuze. Model v centrifuze nedokáže zohlednit vliv zvětrávání, což se projevilo výrazně vyšším sednutím v horních 10 metrech výsypky.   

 

Obrázek 11 Průběh sednutí v důsledku přitížení násypem. Srovnání pokusného násypu a modelu v centrifuze. 

 

Závěrem je možné konstatovat, že výstavba na výsypkách je přes veškeré jejich nepříznivé vlastnosti možná, což lze zdokumentovat řadou úspěšných staveb provedených v minulých desítkách let. Patří mezi ně například stavby autodromu, hipodromu nebo letiště v okolí Mostu. Příkladem velice složité liniové stavby je například Ervěnický koridor. V rámci této stavby došlo k přeložení trasy železnice, silnice první třídy a řeky Bíliny na koruně obrovského násypového tělesa tvořeného výsypkovými zeminami. Výška násypu dosahuje až 171 m, šířka u paty 2600 m a v koruně 260 m. Délka násypu je 3,6 km a při celkovém objemu použitých výsypkových zemin 540 mil. m3 je tato stavba jednou z největších zemních staveb na světě (Vaníček a Vaníček, 2008). Mnoho dalších drobnějších staveb včetně rodinných domů dokládá, že při použití vhodné konstrukce, způsobu založení a úpravy základové půdy je možné výsypky bez větších problémů využít pro stavební činnost.

Podklady/Multimédia

Boháč, J. a Škopek, J. 2004. Stanovení stlačitelnosti výsypky zatěžovacícm násypem a oedometrickou zkouškou. Sborník příspěvků 32. konference Zakládání Staveb, Brno, 300-305.

Charles, J.A. 2008. The engineering behaviour of fill materials: the use, misuse and disuse of case histories. Géotechnique, 58(7), 541–570.

Charles, J.A. a Watts, K.S. 2001. Building on fill: geotechnical aspects. 2nd edition. Construction Research Communications, London.

Feda, J. 1998. Fragmentary clay – a difficult waste material. Engineering Geology, 51, 77–88.

Kostkanová,V., Herle, I. a Boháč, J., 2014. Transitions in structure of clay fills due to suction oscillations. Procedia Earth and Planetary Science 9, 153-162.

Mašín, D. 2007. A hypoplastic constitutive model for clays with meta-stable structure. Canadian Geotechnical Journal, 44(3), 363-375.

Najser, J. Mašín, D. a Boháč, J. 2012. Numerical modelling of lumpy clay landfill. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics 36, No. 1, 17-35.

Najser, J., Pooley, E., Springman, S. M., Laue, J. a Boháč, J. 2010b. Mechanisms controlling the behaviour of double porosity clayfills – in situ and centrifuge study. Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, 43, 207-220. (ISSN 1470-9236).

Vaníček, I. a Vaníček, M. 2008. Earth structures in transport, water and environmental engineering. Springer.

Větrovský M., 2006. Příspěvek k řešení problematiky zakládání staveb na báňských výsypkách severočeského hnědouhelného revíru. disertační práce Ph.D., Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava Fakulta stavební Katedra geotechniky a podzemního stavitelství, Ostrava.

Vojar, J., Doležalová, J. a Solský, M. 2012. Hnědouhelné výsypky – nová příležitost (nejen) pro obojživelníky. Ochrana přírody 3, 8-11.

www.geology.cz – mapový podklad

Systémový pohled obecně

Na problematiku krajiny je možno nahlížet systémově, tj. z hlediska oborů: management rizik, spolehlivost a údržba a systémy managementu. Důvodem je jiný úhel pohledu a jiná metodická základna, než je obvyklé. Výsledkem by měla být nová řešení problémů a větší důraz na holistiku, která je přírodě bližší. 

Krajinu lze tedy chápat jako nějaký systém. Odtud je možno ji detailně systémově klasifikovat a popsat. Dále je možno provést základní analýzu rizik tohoto systému. Následně je možno navrhnout opatření k jejich omezení nebo úplnému zastavení. Kvalitu systému je možno dlouhodobě sledovat jako soubor kvantitativních a kvalitativních znaků a ty je možno vyhodnocovat. Nakonec management údržby poskytuje návod, jak si počínat při dlouhodobé údržbě tohoto systému. Složitá, výše naznačená, situace a množství problémů velkého dosahu po takovém přístupu volají.

 

Obr. 1.: Systémový pohled na problematiku obecně (Zdroj: Pelantová - Zajíček, 2017).

Faktický popis

Krajinu lze stručně definovat jako část povrchu planety Země s patřičnou kombinací přírodních (živých a neživých) a kulturních (tj. člověkem vytvořených z různých důvodů) prvků.

Jako konkrétní příklad krajiny byla zvolena oblast Trojmezí, kde se setkávají území SRN, PL a ČR. Tato krajina doznala za posledních 120 let značné změny co do vzhledu i složení prvků. Jedná se o oblast zasaženou těžbou nerostných surovin, hlavně hnědého uhlí. Krajina prošla též změnou složení obyvatelstva a několika průmyslovými, ekonomickými a ekologickými koncepcemi. Současný stav lze charakterizovat jako: ukončení těžby ve 2 stranách Trojmezí, omezení průmyslové produkce a intenzivních zásahů do přírodního prostředí a důraz na harmonické soužití lidí v klidné přírodě, určené k rekreačním účelům a pro drobné podnikání. Krajina prošla změnou skladby lesa a dnes je tvořena převahou smrků. Snahou je na plochy přivést původní buk. Sirné deště ze 70. a 80. let vystřídaly nyní bleskové povodně. Došlo ke změně situace v podloží, kdy některé vrstvy byly odtěženy nebo odplaveny (vznikají mury) a v některých místech jsou narušeny i hlubší vrstvy. To ovlivňuje hydrologickou situaci a seismickou situaci na části území Trojmezí. V důsledku přesunů velkého množství horniny (je jiný reliéf terénu) došlo k změnám převládajících větrů. Rekultivace proběhla prostou zavážkou. Původní lehce zvlněný ráz krajiny se vytratil. Rekultivované plochy jsou osídleny převážně listnatými stromy. Na území se vyskytují i nové druhy fauny a flóry, ale také nové druhy škůdců. Některá řešení nápravy škod v krajině (např. zábrany proti padání balvanů při náhlých deštích) byla využita poprvé a jejich účinnost a přístupy k údržbě jsou testovány.  

V oblasti se nyní nachází jeden rozsáhlý aktivní povrchový důl. Cílem jeho vlastníků je jeho rozsah ještě zvětšit co do velikosti i hloubky. Již stávající situace vyvolává mnoho přeshraničních problémů v nejrůznějších oblastech. 

 

Obr. 2.: Příklad zasažené krajiny (Zdroj: Pelantová - Zajíček, 2017).

 

Systémový popis problémové situace

Zkoumaná krajina vykazuje technické, ekonomické, sociopolitické a procesní skupiny rizikových faktorů. Lze je dále detailněji specifikovat. Problém dosahuje mezinárodního měřítka. Doposud byl zkoumán pouze dílčími způsoby, což nenese kýžené výsledky. Ekonomické měřítko má v této problémové situaci pouze krátkodobý efekt. Vystřídán může být drastickými dopady. 

Stabilita systému krajina je v tomto případě zjevně narušena. Hydrologické a geologické poměry v krajině jsou rozvráceny. Obyvatelstvo je na uvedené problémy dosti přecitlivělé. V systému nefunguje otevřená komunikace mezi zainteresovanými stranami o uvedené problematice. 

Použité Know-How

Pracovníci TUL/FM/MTI/OSR disponují znalostmi oborů: management rizik, spolehlivost a údržba a systémy managementu.

Zdroje dat

  • ČHMÚ
  • Česká geologická služba
  • Archivy map (turistické, extravilánů, geologické, hydrologické, větrné, těžeb a vrtů atd.)
  • Časové řady měření intenzity pramenů
  • Časové řady cen uhlí
  • Průzkumy veřejného mínění
  • Statistiky BOZP
  • Záznamy CHKO
  • Technické zprávy projektů zmíněných oborů z jiných oblastí
  • Pozorování krajiny
  • ...

 

Řešení

Řešení by mohlo být v podobě: systémové klasifikace, hloubkové analýzy rizik a stanovení k jejich opatření, stanovení klíčových znaků systému, stanovení doporučení k dlouhodobé udržitelnosti krajiny, stanovení základních návrhů vzdělávání populace pro zachování dobrých mezilidských vztahů a pro řešení tohoto ožehavého tématu v Trojmezí. 

Multioborovost problematiky vychází ze složitosti a typu systému. Krajinu lze stručně definovat jako část povrchu planety Země s patřičnou kombinací přírodních (živých a neživých) a kulturních (tj. člověkem vytvořených z různých důvodů) prvků. Z tohoto členění je patrné, že je nutné k takto komplexnímu systému zaujmout systémové stanovisko. Je potřeba k tomu pojetí znalostí přírodních věd (např.: geologie, biologie, chemie) a dále aplikovaných věd (např.: stavebnictví a jiné technické vědy, zemědělství apod.). Svoji roli zde hraje i problematika spolehlivosti, kvality, rizik a systémové oblasti. Krajina je dynamický systém, který se však nechová striktně deterministicky. Proto je nutné uvažovat případně též pravděpodobnost jednotlivých scénářů. Oblast kvantifikace a řízení rizik běžně též využívá ekonomické aspekty, které jsou nedílnou složkou pro vyčíslení rizika. Systémová teorie přidává další aspekty, které nemusí být v dosavadních postupech známé. Dosah řešení problematiky systémového pohledu na krajinu má však dlouhodobý vliv na vývoj celého Trojmezí.

Projektoví partneři projektu TESEUS mohou přispět k multioborově koncipovanému řešení problematiky, popsané v článku Systémový pohled na krajinu, následovně:

  • stanovením základních znaků a jejich cílových hodnot z oborů botaniky, geologie, hydrologie, meteorologie, sociologie apod.,
  • z hlediska svých případných modelovacích prostředků by mohli stanovit několik scénářů vývoje této krajiny vzhledem k daným podmínkám a pomoci tak ve stanovení možných rizik a v návrhu adekvátních opatření,
  • v upřesnění časových milníků budoucího vývoje vybraného příkladu krajiny,
  • zkušenostmi z jiných projektů, zaměřených na udržitelnost krajiny a komunikaci s více zainteresovanými stranami v tomto směru. Dále mohou poskytnout některé další zdroje dat v návaznosti na konkrétní průběh daného řešení.

 

Popis problému

Pískovcové oblasti jsou svérázným a významným fenoménem krajiny České republiky včetně jejích pohraničních oblastí. Vyskytují se i jinde ve světě, u nás jsou však přítomny ve velkém množství a s širokým spektrem forem a tvarů. Pískovec sedimentoval v důsledku zaplavení severovýchodní části Českého masivu mělkým mořem před zhruba 95 miliony let v období druhohor zvaném křída. Erozním rozčleněním pískovcových vrstev vznikla takzvaná pískovcová skalní města, což jsou uskupení pískovcových skalních bloků a věží, které jsou od sebe odděleny úzkými uličkami a soutěskami (Adamovič et al., 2010, Migoň et al., 2017). V pískovcových oblastech se nacházejí nejrůznější další tvary, a to od těch velkých (např. tabulové hory, skalní defilé) až po ty miniaturní (např. voštiny, výkvěty solí) (Adamovič et al., 2010). Skalní města se vyskytují napříč nejrůznějšími litologiemi a taktéž v různých klimatických oblastech světa (Cílek, 2007).

Geometrie pískovcových skalních měst, hydraulickými a geodynamickými pochody ustálená v podobě štíhlých věží a kolmých blokovitých stěn, podmiňuje jejich regionální výjimečnost: jsou prostředím místy s velmi vysokým rizikem skalního řícení, s přímým vlivem na infrastrukturu, a především na bezpečnost osob. Kvantifikace tohoto rizika není jednoduchá. Míra náchylnosti pískovce ke zvětrání je obecně dána několika aspekty – především časem, expozicí masivu vůči degradačním činitelům (chemické a mechanické zvětrávání), složením pískovce a jeho strukturou a texturou, zlomy a dalším porušením masivu (Goudie, 2016), v případě skalního kolapsu seismicitou v oblasti nebo orientací predisponovaného řícení s ohledem na terén a stavbu, ale také lidskou činností.

Mezi přirozené způsoby rozpadu pískovce patří například tzv. solné zvětrávání, což je soubor současně působících fyzikálních a chemických procesů, které dohromady tvoří velice účinný zvětrávací mechanismus (Goudie a Viles, 1997). Vlivem krystalizace solí původně rozpuštěných v pórové vodě v pískovci dochází k objemovým změnám těchto solí, což má za následek vznik tlaků o velikosti až desítek či stovek MPa, které přesahují pevnost pískovce, a tím způsobují jeho postupný rozpad (Goodman, 1989). Na solné zvětrávání může být navázáno i biogenní zvětrávání, tedy rozrušení pískovcového povrchu vlivem organismů. Výskyt nejrůznějších organismů může produkovat agresivní organické látky či přeměňovat sloučeniny síry a dusíku na silné minerální kyseliny, které se pak podílejí na zvětrávání (Winkler, 1994).

Solnému zvětrávání je svým principem do určité míry podobné i mrazové zvětrávání – v tomto případě je však tlak namísto krystalizace solí způsoben vlivem rostoucích krystalů ledu a především transportem iontů na místo jeho krystalizace (Scherer, 1999). Mrazové zvětrávání je v podmínkách střední Evropy běžný jev, který je zodpovědný za velkou část škod způsobených na pískovcích (Ruedrich et al., 2011). Účinky mrazového zvětrávání nelze bez detailnějšího výzkumu prakticky rozeznat od solného zvětrávání a jejich důsledky taktéž bývají obdobné. Dalším společným rysem solného a mrazového zvětrávání je skutečnost, že v obou procesech hraje roli voda v pórech pískovce: v případě solného platí, že místa výparu vody jsou totožná s místy potenciálního rozpadu (Huinink et al., 2004), a v případě mrazového zvětrávání roste míra destrukce se zvyšující se vlhkostí pískovce (Hall, 1988).

Erozi a zvětrávání naopak může zpomalit skalní kůra, což je pevněji tmelená část pískovcového povrchu. Takové zpevnění vzniká na základě neustálého vypařování vody z roztoků nacházejících se v pórech pískovce, čímž dochází k vysrážení minerálů obsažených v těchto roztocích (nejčastěji jsou uváděny různé formy křemene; Cílek a Langrová, 1994). Velmi diskutovaným tématem je vliv organismů (houby, řasy, sinice a další bakterie) na erozi a zvětrávání pískovcových stěn. Některé studie popisují mechanické a biochemické narušování pískovcového povrchu vlivem organismů (Robinson a Williams, 2000), jiné naopak dokládají ochranu povrchů před erozí vlivem větru, tekoucí či dešťové vody a kolísáním teploty, ale také před účinky srážení solí (Gómez-Alarcón et al., 1995; Viles a Goudie, 2004). Ve druhém případě je řeč o tzv. biogenní skalní kůře (označované též jako biokrusta, biogenní skalní kůra, obr. 1). Jako nejpravděpodobnější vysvětlení tohoto rozkolu v závěrech různých studií se kromě odlišných účinků různých organismů jeví také odlišné druhy pískovce, které jsou biokolonizovány. Ukazuje se, že konkrétní biogenní skalní kůra má svou určitou odolnost vůči erozi a zvětrávání. Pokud pískovec v jejím podloží je méně odolný, hovoříme poté o ochraně povrchu vlivem kůry. Pakliže je však podložní pískovec sám o sobě velmi odolný, organismy na jeho povrchu již jeho odolnost zvyšují nepatrně, či vůbec (Slavík et al., 2017). V případě pevnějších hornin bude spíše převažovat destrukční vliv, neboť biokolonizovaný povrch pak má nižší odolnost než podložní pískovec.

Obr. 1. Biogenní skalní kůra na povrchu pískovce (upraveno podle Slavíka et al., 2017).

Z hlediska rychlosti průběhu, ale také rizikovosti je však pro rozpad pískovcových stěn nejvýznamnější skalní řícení, což je rychlý a náhlý pohyb horninových hmot na strmých svazích, kdy řícený blok ztrácí kontakt s ostatním masivem a volným pádem je přesouván do nižších poloh (Demek, 1988). Příčiny skalního řícení mohou být taktéž zvětrávání a eroze, například činnost proudící vody, svou roli také hraje tzv. bioeroze, kdy do puklin v pískovci pronikají kořeny stromů a svou činností mohou způsobit odlomení značné části skalního bloku podél těchto puklin. Dále může k řícení bloků docházet z důvodu kritické hmotnosti skalního bloku po jeho nasáknutí vodou po silných deštích či při jarním tání. Mezi další příčiny skalního řícení patří zvýšená seismicita v oblasti, ať už přirozená či způsobená těžbou nebo otřesy z liniových staveb v blízkém okolí. Ke skalnímu řícení pískovcových stěn také může dojít vlivem pomalejších svahových pohybů v jejich okolí či podloží, popř. vlivem ztekucení svahovin po přívalových deštích.

Dále v problematice zvětrávání a eroze pískovců figuruje taktéž lidský zásah, ať už historický, či současný. Jelikož pískovcové oblasti byly člověkem odpradávna obydlovány, využívány a přetvářeny, ještě dnes je vidět zásadní vliv člověka – např. lomy na pískovcové bločky – štuky, uměle vytvořené skalní kapličky, udírny, milířové plošiny, brusné kameny, ale také skalní hrádky (Adamovič et al., 2010). V současné době v pískovcových skalních městech vzniká nový problém – eroze vyvolaná vysokou návštěvností turisty. Ačkoliv je eroze přirozený proces, zvýšená návštěvnost atraktivních oblastí rozpad pískovcových útvarů urychluje. V lepším případě jsou pouze ošlapávány pískovcové bloky nacházející se přímo na hlavních turistických stezkách či v jejich okolí, popř. jsou písková zrna odnášena na botách návštěvníků mimo vnitřní prostor skalního města. Tento důsledek návštěvnosti je logický, nevyhnutelný a nelze z toho nikoho vinit. Naopak horším případem jsou neukáznění návštěvníci, kteří ryjí do pískovcových skal nejrůznější nápisy či chodí mimo vyznačené trasy a vyšlapávají nové, což vede k narušení pískového a travního pokryvu pod skalami. Tento kryt přirozeně zpevňuje povrch a zpomaluje povrchový odtok, v případě jeho narušení se však vyšlapané stezky mění na erozní rýhy, kterými dochází ke zvýšenému odnosu písku. Určitý problém v chráněných oblastech může způsobovat i dnes oblíbené horolezectví – pakliže horolezci lezou přednostně stejné výstupy, může být poničena skalní kůra, která pískovec chrání, a to poté vede ke zvýšené erozi a zvětrávání.

Jak se v posledních letech ukázalo, horninové napětí je důležitým faktorem pro koordinaci zvětrávacích a erozních procesů a umožňuje vznik řady forem v pískovcích, jako jsou např. skalní brány, převisy, sloupky a zaoblení skalních věží (Bruthans et al., 2014; Ostanin et al., 2017, obr. 2). Experimenty i pozorování v přírodě prokázaly, že části pískovcového skalního masivu mají podstatně delší životnost, pokud přenáší zatížení vyšších částí skalního masivu, protože odolávají lépe mrazovému a solnému zvětrávání a vodní erozi (Bruthans et al., 2014, 2017, obr. 2). Pro zachování skalních forem je proto kritické nesnižovat umělými zásahy, např. podpěrami, napětí ve skalním masivu. Je třeba též počítat s tím, že nezatížený či dokonce tahově namáhaný blok se může rozpadat řádově rychleji než skalní masiv tvořený zcela totožnou horninou. Při predikci zvětrávacích procesů je proto třeba vliv napětí uvažovat (Řihošek et al., 2016).

Obr. 2: Fyzikální model zatěžovaného pískovce, který je vystaven působení vody. Klenbové pnutí v hornině, určující místa se zvýšeným napětím, je odpovědné za zvýšenou odolnost vůči erozi (Bruthans et al., 2014).

Mezioborové aspekty

Zkoumáním rizikových jevů v pískovci se zabývá řada odborníků z nejrůznějších odvětví vědy. Samotný dlouhodobý proces zvětrávání spadá částečně do oblasti geologie a zvětrávacích procesů, a to z důvodu rozdílné rychlosti chemické degradace pískovce s různou mineralogií příměsí. Geomorfologové se poté zabývají výskytem a příčinami vzniku solného a mrazového zvětrávání, stejně tak nejrůznějšími tvary na povrchu pískovců, jako jsou např. voštiny, které jsou těmito procesy utvářeny (Bruthans et al., 2018). Jelikož jsou solné i mrazové zvětrávání navázány na přítomnost vody v pískovci a zároveň na její pohyb (Hall, 1988; Huinink et al., 2004), mohou v detekci potenciálních míst rozpadu horniny pomoci obory hydrogeologie, hydrologie a hydrauliky, které se pohybem vody v porézním prostředí zabývají, například vědecký tým z hydrogeologie Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy. Tým odborníků z Vysoké školy technické a hospodářské v Drážďanech disponuje metodami umožňujícími kvantifikovat pevnost a míru zvětrávání studovaných hornin a také jejich propustnost pro vodu, což jsou parametry určující náchylnost daného masivu k dalšímu zvětrávání či dokonce kolapsu (skalnímu řícení). Predispozice ke zvětrávání, k pohybu vody prostředím ale také ke skalnímu řícení a svahovým deformacím může být dána také strukturou a zvrstvením pískovce a zejména orientací puklin, kterým se zabývá strukturní a všeobecná geologie. Rozpad struktury ve smyslu uvolňování zaklínění zrn v odlehčených částech masivu podmiňuje tvar skalních věží a vznik převisů, arkád a sloupků. Uvedená problematika je „odpovědná“ za tvorbu mimo jiné turisticky vizuálně atraktivních pískovcových bran a oblouků, voštinových struktur pískovce nebo postupného sesedání zemních těles z pískovcové sypaniny a je průnikem dílčích oblastí mechaniky zemin/hornin a hydrogeologie. Samotnými příčinami a principy skalního řícení se již zabývá inženýrská geologie či mechanika skalních hornin, náchylností svahu ke svahovému pohybu se zabývá tým inženýrské geologie Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy a odborníci z geotechniky na Vysoké škole technické a hospodářské v Drážďanech. Zástupci Technické univerzity v Liberci mají zkušenosti s modely pro podporu rozhodování o využití krajiny. V dotčených oblastech si takové rozhodování žádá zohlednit také nebezpečí řícení skalních útvarů. Ke tvorbě věrohodného modelu je třeba využít odpovídající charakteristiky hornin a zemin získané projektovými partnery ať už v laboratoři nebo v terénu.

Řešení spojená s problematikou stability skal jsou tak jednoznačně mezioborová. Výše uvedené tvoří jeden z argumentů pro navrhovaný projekt Přeshraničního monitoringu skal ve Hřensku (Grenzüberschreitendes Experten- und Frühwarnsystem für Georisiken im Elbsandsteingebirge (Přeshraniční expertní a varovný systém pro georizika v Labských pískovcích) Programu na podporu přeshraniční spolupráce Česká republika – Svobodný stát Sasko, 2014 – 2020 („Ahoj sousede/hallo Nachbar“ – INTERREG V A). Jádrem činnosti je vytvoření platforem, které by uživateli například prostřednictvím mobilní aplikace zprostředkovaly výsledky měření, varovné stavy a rizika. Ta jsou aktualizována na základě výsledků monitoringu v kombinaci s predikcí mimo jiné na základě pokročilých 3D numerických modelů (obr. 3). V modelech jsou klíčovými aspekty geometrie problému a fyzikálně-mechanické vlastnosti. Dnešní technologie umožňují prostorové laserové snímání jak statické, tak letecké s využitím dronů nebo přímo letadel. Dále – věrohodné hodnoty materiálových vlastností jsou základním předpokladem pro realistickou predikci chování. Ve smyslu očekávaného projektu bude kladen důraz na anizotropii tuhosti a pevnosti.

Obr. 3. Numerický model uspořádání napětí v hornině. Nahoře – zóna zvýšeného napětí předpovídající budoucí zvětrávání masivu do tvaru brány. Dole – uspořádání napětí v již vytvořené bráně. V oblasti těla brány je napětí vyšší než v jejím okolí. Převzato z Řihošek et al. (2018).

 

Praktický příklad

Je poměrně nesnadné odhadnout dané konkrétní místo či horninový blok ve smyslu rizika, ať už pro infrastrukturu či návštěvníky turisticky atraktivních míst. Mnohdy jsou místa se skalními převisy relativně bezpečnější než labilní „viklan“ nebo skalní masiv s nepříznivým úklonem spár. Jedno z míst pro vyhodnocení těchto rizik na základě měření je na obr. 4. Ve všech případech jsou vytipovaná riziková místa podrobena kontrolnímu sledování, které spočívá především v měření posunů polohy bloků vůči skalnímu masivu v čase.

Obr. 4. Problematická lokalita ve smyslu zhodnocení rizikovosti vzhledem k ostatním potenciálně nebezpečným místům. Pískovcový převis u Buschmnühle na Kirnitzschtal strasse přibližně 12 km od Bad Schandau, Saské Švýcarsko.

Nástroje monitoringu potenciálních míst skalního řícení mohou být rozličné. Rámcově lze uvést následující zařízení a aktivity:

  1. inklinometry

  2. dilatometry

  3. geodetické sledování

  4. mikroseismické sondy

  5. libovolná kombinace a) až d)

Inklinometry sledují náklon bloků, dilatometry vzájemný posun. Geodetické sledování může být prováděno trigonometricky za použití přístrojů na stativu, popřípadě použitím GPS. Mikroseismické sondy snímají za normálních podmínek pro člověka nepostižitelné dynamické odezvy, které jsou výsledkem posunu ve spáře nebo šíření zlomu nebo trhliny v hornině. Příklad inklinometru a dilatometru je na obr. 5 a 6.

Obr. 5. Strunový dilatometr. Zdroj: Přednáška, doc. Ing. Eva Hrubešová, Ph.D., Vysoká škola báňská. http://fast10.vsb.cz/hrubesova/mon5.htm

Obr. 6. Náklonoměr 2-osý, přesnost 0,02° od společnosti FSG. Zdroj: Firemní prospekt FSG Fernsteuergeräte, www.fernsteuergeraete.de.

Při kvantifikaci rizik a predikci dalšího chování masivu (např. na základě numerických modelů nebo extrapolace výsledků měření) je nutné vzít v úvahu korelaci dat s denním i ročním během teploty, počtu ledových, mrazových či arktických dnů, orientaci problematických partií vůči oslunění, míry dotčení spár srážkovou vlhkostí nebo povrchovou či podzemní vodou. Tímto jsou předpovědi chování masivu zatíženy relativně vysokou nejistotou a je proto dobré monitorovací systém co nejefektivněji doplňovat, rozšiřovat a automatizovat a využívat poznatky z podobných lokalit.

Pakliže je konkrétní skalní blok vyhodnocen jako rizikový a je následně určen k likvidaci, bývá často odstraněn pomocí odstřelu. Odstřely skal musí být ohodnoceny ve smyslu dynamických účinků jak na okolní masiv, tak na antropogenní struktury v okolí. Všechna místa odstřelu a množství náloží musí být navrženy v souladu s pravidly a doporučeními spadajícími do oboru destrukčních prací ve stavebnictví a dynamikou staveb. Mechanické zajištění je nedílnou součástí průniku oborů geotechnika/stavební mechanika a může být realizováno mnoha způsoby, a to především:

  1. odtěžením nebo odstřelem hmot masivu,

  2. kotvami,

  3. záchytnými sítěmi,

  4. svorníky.

Krásným příkladem pískovcového skalního města, atraktivního jak z turistického, tak z vědecko-technického hlediska, jsou v oblasti Českosaského Švýcarska Labské pískovce, kde je v současné době riziko dotčení skalní nestabilitou poměrně vysoké. Následující schéma (obr. 7) odhaluje vytipované rizikové lokality v Labských pískovcích na české a německé straně Českosaského Švýcarska.

Obr. 7. Vybrané rizikové lokality v prostředí Českosaského Švýcarska. Převzato od Wicherta (2016).

 

Zcela výjimečnou oblastí v tomto směru na české straně je město Hřensko, kde již bylo realizováno několik bezpečnostních zajišťujících opatření. Konkrétním rizikem je z geologického pohledu skalní řícení, a to především po odlomení převislých nebo nakloněných částí. Méně se jedná o sesuvy, avšak nerovnováha hmot vedoucí nakonec k zřícení může být primárně způsobena napěťo-deformačními pochody v podzákladí nebo ve svahu, především dlouhodobým plouživým přetvářením.

Příkladů řícení skal v Labských pískovcích je mnoho, za posledních 25 let bylo v oblasti Labských pískovců na české a německé straně dohromady napočítáno okolo 170 takových událostí. Nejlépe zdokumentované jsou ty události, které bezprostředně ohrožují zdraví a majetek obyvatel, tj. především v oblasti větších sídel – obvykle bývají rovněž patřičně medializovány. Příklad řícení skal v katastru obce Hřensko je na obr. 8.

Obr. 8. Zřícení bloku, ke kterému došlo 15. 10. 2009 zhruba v 7:45 v prostoru mezi čerpací stanicí a bývalou restaurací zvanou Přístav. Objemově se jednalo cca o 6 až 9 m3. Zdroj: www.NPCS.cz

 

Na obrázku 9 je znázorněn příklad měření v masivu v Divoké rokli řeky Kamenice. Bohužel nebylo k dispozici měření v klíčovém období počínající divergence fluktuací v pohybu masivu, a proto nemohlo být včas reagováno na kritický stav před zřícením převisu. Pískovcový převis byl od okolního masivu oddělen výraznou spárou a jeho stabilita spočívala v podstatě na stabilitě podkladku – navíc blok byl cyklicky tlačen objemovými změnami vody ve spárách při zamrzání.

Obr. 9. Příklad měření v masivu v Divoké rokli řeky Kamenice (převzato od Vařilové et al., 2005). Je patrné, že se víceméně lineární vývoj deformace do 11.2004 prudce zrychlil, což je znakem blížícího se řícení.

Příkladem dobře známého skalního útvaru, který vlivem zvětrávání a eroze mění svůj tvar, je Pravčická brána (obr. 10) v Českosaském Švýcarsku. Podle srovnání starších a současných fotografií se odhaduje, že díky pohybu návštěvníků po povrchu brány v době, kdy to ještě bylo povoleno, došlo k sešlapu povrchu brány zhruba o 80 cm (Vařilová a Belisová, 2010). Povrch Pravčické brány je výrazně postižen současným solným zvětráváním, jak je zřejmé z porovnání starších a současných fotografií. Pravčická brána je v současnosti detailně monitorována (pohyb bloků, reakce na tepelné namáhání vlivem oslunění, atd.), aby se podchytily jakékoli negativní jevy. V minulosti se uvažovalo o impregnaci povrchu pískovce nebo podepření brány. Vzhledem k novým zjištěním o vzniku pískovcových skalních bran se ovšem taková opatření jeví jako kontraproduktivní a vysoce riskantní.

Obr. 10. Pravčická brána v Českosaském Švýcarsku. Zdroj: http://www.npcs.cz

 

 

Podklady/Multimédia

ttp://www.ceskatelevize.cz/porady/11302475540-brany Dokument České televize, který vysvětluje vznik skalních bran a přibližuje divákovi, jak tým okolo J. Bruthanse na princip, řídící vznik skalních bran, přišel.

https://www.youtube.com/watch?v=bRlw4J1ypgI Vznik skalních bran, záznam experimentu z laboratoře.

Video vývoje brány, záznam experimentu v terénu: http://www.geosociety.org/datarepository/2019/2019028_Video%20DR1.zip (cesta přímo ke komprimovanému souboru)

http://www.npcs.cz Fotografie Pravčické brány

http://www.npcs.cz/ve-hrensku-se-zritil-skalni-blok Článek o zřícení skalního bloku z 15.10.2009 v Hřensku.

http://fast10.vsb.cz/hrubesova/mon5.htm

www.fernsteuergeraete.de

www.NPCS.cz


Použitá literatura:

Adamovič, J., Mikuláš, R., Cílek, V. (2010). Atlas pískovcových skalních měst České a Slovenské republiky: geologie a geomorfologie. 1. vydání, Academia, Praha, 459 str. ISBN 978-80-200-1773-4.

Bruthans, J., Soukup, J., Vaculíková, J., Filippi, M., Schweigstillová, J., Mayo, A.L., Mašín, D., Kletetschka, G., Řihošek, J. (2014). Sandstone landforms shaped by negative feedback between stress and erosion. Nat. Geosci. 7, 597–601.

Bruthans, J., Filippi, M., Schweigstillová, J., Řihošek, J. (2017). Quantitative study of a rapidly weathering overhang developed in an artificially wetted sandstone cliff. Earth Surface Processes and Landforms 42, 711–723.

Bruthans, J., Filippi, M., Slavík, M., Svobodová, E. (2018). Origin of honeycombs: testing hydraulic and case hardening hypotheses. Geomorphology 303, 68–83.

Cílek, V., Langrová, A. (1994). Skalní kůry a solné zvětrávání v CHKO Labské pískovce. Ochr. Přír. 49, 227–231.

Cílek V. (2007). Climate, microclimate and paleoclimate of sandstone areas of Central and Northern Bohemia (Czech Republic). In: Härtel, H., Cílek, V., Herben, T., Jackson, A., Williams, R. (eds.): Sandstone Landscapes. Academia. 97–104.

Demek, J. (1988). Obecná geomorfologie. Praha: ČSAV, 476 str. Kapitola Svahové pochody a vývoj svahů, 205–206.

Gómez-Alarcón, G., Muňoz, M., Ariňo, X., Ortega-Calvo, J.J. (1995). Microbial communities in weathered sandstones: the case of Carrascosa del Campo church, Spain. Sci. Total Environ. 167, 249–254.

Goodman, R.E. (1989). Introduction to rock mechanics. 2. vydání, John Wiley & Sons, New York, 562 str.

Goudie, A. S., Viles, H. (1997). Salt Weathering Hazards, John Wiley & Sons, Chichester, 241 str.

Goudie, A. S. (2016). Quantification of rock control in geomorphology. Earth-Sci. Rev. 159, 374–387.

Hall, K. (1988). A laboratory simulation of rock breakdown due to freeze-thaw in a maritime Antarctic environment. Earth. Surf. Proc. Land. 13, 369–382.

Huinink, H.P., Pel, L., Kopinga, K. (2004). Simulating the growth of tafoni. Earth Surf. Process. Landf. 29, 1225–1233.

Migoń, P., Duszyński, F., Goudie, A.S. (2017). Rock cities and ruiniform relief: Forms – processes – terminology. Earth-Science Reviews 171, doi: 10.1016/j.earscirev.2017.05.012.

Robinson, D.A., Williams, R.B.G., 2000. Accelerated weathering of a sandstone in the high atlas mountains of Morocco by an epilithic lichen. Z. Geomorphol. 44 (4), 513–528.

Ruedrich, J, Kirchner, D., Siegesmund, S., 2011. Physical weathering of building stones induced by freeze-thaw action: a laboratory long-term study. Environmental Earth Sciences 63, 1573-1586.

Řihošek, J., Bruthans, J., Mašín, D., Filippi, M., Carling, G.T., Schweigstillová, J. (2016). Gravity-induced stress as a factor reducing decay of sandstone monuments in Petra, Jordan. Journal of Cultural Heritage 19, 415–425

Řihošek, J., Slavík, M., Bruthans, J., Filippi, M. (2018). Evolution of natural rock arches: A realistic small-scale experiment. Geology 47 (1), 71–74.

Scherer GW (1999) Crystallization in pores. Cement. Concr. Res. 29,1347–1358

Slavík, M., Bruthans, J., Filippi, M., Schweigstillová, J., Falteisek, L., Řihošek, J. (2017): Biologically-initiated rock crust on sandstone: Mechanical and hydraulic properties and resistance to erosion. Geomorphology, 278, 298–313

Vařilová Z., Zvelebil J. (2005). Sandstone Relief Geohazard and their Mitigation: Rock Fall Risk Management in the Bohemian Switzerland National Park, Ferrantia Nr. 44, 53–58.

Vařilová, Z., Belisová, N. (2010). Pravčická brána: velká kniha o velké bráně. Nakladatelství Academia, Praha, 25 s.

Viles, H.A., Goudie, A.S., 2004. Biofilms and case hardening on sandstones from Al-Quwayra, Jordan. Earth Surf. Proc. Land. 29, 1473–1485.

Wichert, J. (2016). Grenzüberschreitendes Experten und Frühwarnsystem für Georisiken im Elbsandsteingebirge, průvodní dokument k projektu.

Winkler, E.M., 1994. Stone in Architecture - Properties, Durability. Springer-Verlag, Berlin, 313 str.

Faktický popis

Krajina v severních Čechách prošla v minulém století rychlým vývojem. Po dlouhém období těžby a umělého snižování hladiny podzemní vody, povrchové těžbě a zaplnění jam výsypkami jsou zbylé prohlubně zaplavovány vodou a vznikají jezera. Je tak vytvářeno prostředí s významně časově proměnou strukturou a nestálými podmínkami pro následné využití. Odpovědné rozhodování o krajině vyžaduje co nejkomplexnější informace založené na meziobovrových přístupech. Takové rozhodování může být podpořeno informačním systémem jehož cílem je zpracovávat databázi všech dostupných dat o utváření a využívání krajiny (zvláště hydrologická, hydrogeologická a geotechnická data) ve spojení s uživatelským rozhraním, které umožní zohledňovat propojení různých pohledů a zájmů na danou problematiku.
Například z pohledu budoucí možné výstavby je rozhodujícím kritériem stabilita svahů, únosnost půdy a druh budoucího osídlení. Z hlediska rekreačního využití je posuzována kvalita a množství vody. Takový druh informačního systému umožní zohlednit celou řadu požadavků bez nutnosti potlačení zdánlivě nedůležitých kritérií. Uživatel získá přehled o reálných možnostech a hranicích budoucího využití krajiny v celkovém kontextu, který může pomoci zabránit škodám vlivem realizace přehnaně ambiciózních záměrů. Takové případy jsou známy. Důležitým cílem je možnost zobecňování postupů pro využití na jiných lokalitách.

Hlavní otázky jsou tři:

  • stabilita svahů (možné využití krajiny)

  • množství vody (udržitelná úroveň hladiny v jezeře)

  • kvalita vody (možné využití jezera)

Příkladem využití území jsou výsypky povrchových dolů či důlní odvaly vytvořené hlubinou těžbou a s nimi související problematikou. Efektivní hodnocení a management rizik zohledňující dynamický vývoj krajiny a dopady extrémních scénářů jsou důležitým krokem jak v procesu územního plánování, tak i výstavby a rozvoje sídel či infrastruktury. Informační či expertní systém tak musí v rámci v jedné databáze komplexně integrovat všechna data týkající se stability území a zpracovávat tato data společně pomocí algoritmů speciálně vyvinutými pro odhad rizik spojených s budoucím využitím území.

Lokalita 1

Uvažované problémy se svahovými pohyby se objevují například u břehů jezera Milada (Obrázky 1 a 2).

Mapa svažitosti terénu v okolí jezera Most. Čím tmavší barva, tím vyšší sklon.

Obrázek 1: Sklon svahů u jezera Milada.

Poloha jezera Milada.

Obrázek 2: Satelitní mapa jezera Milada.

Lokalita 2

Hlavní ověřovací lokalitou vyvíjeného systému je okolí jezera Most (Obrázky 3 a 4), které vzniklo rekultivací hnědouhelného lomu a jeho vnitřní a vnějších výsypek. Jde o oblast původního umístění města Most před jeho přesunutím a zahájením těžby hnědého uhlí. Část břehů jezera je tvořena rostlým terénem, většinu břehů však tvoří výsypky různé mocnosti a stáří. Město Most má ambici výhledově znovu využít část oblasti v okolí jezera k zástavbě a částečnému návratu města do blízkosti jeho původního centra. 

 Sklon svahů u jezera Most

Obrázek 3: Sklon svahů u jezera Most.

Poloha jezera Most

Obrázek 4: Poloha jezera Most.

V rámci řešených projektů i běžné praxe je třeba zpracovávat data, která jsou dostupná v různých formátech. Jedná se např. o archivní i aktuální data ve formě map, dat v tabulkových procesorech (Excel), prostém textu, různých výměnných formátech atd. Některá data jsou či mohou být pořizována a zpracována zcela automaticky, což je velmi užitečné nejen z důvodu jejich samotného pořízení a načítání do úložiště (databáze), ale i využití pro samotné výpočty a interpretaci výsledků ve formě grafů, tabulek, analýz, modelů atd.

Uvedené problémy mohou být řešeny s využitím informačního systému zahrnujícího odpovídající databázi (viz následující kapitolu), sadu analytických nástrojů určených pro řešení uvedených úkolů a uživatelské rozhraní, které umožňuje zobrazení surových dat, zobrazení výsledků analytických nástrojů, řízení analytických nástrojů a použití systému včasného varování.

 

Charakteristické veličiny

Základní data, která jsou potřeba nebo mohou být využita pro analýzy jsou zejména:

  • mapové archivy těžby a zpětného zaplňování jam (nadmořská výška, hydrologické a geotechnické parametry půdy)
  • archivy geologických a hydrogeologických map
  • archivy s popisem vrtných jader
  • časové řady měření výšky hladiny podzemní vody ve vrtech v oblasti
  • časové řady měření zavodnění (úroveň povrchové vody)
  • časové řady měření přítoku vody do jezera
  • hydrometeorologická měření
  • časové řady měření kvality vody
  • historické, současné a plánované urbanistické využití oblasti
  • ...

 

Metody řešení

Data mohou být získána od správce oblasti (PKÚ) nebo od jiných organizací.

Navrhovaný způsob jejich vyhodnocování je zejména Multikriteriální analýza. Pro její využití je třeba provést následující kroky:

  • Návrh struktury databáze
  • zjištění možných rizik:
    • stabilita svahů
    • znečištění vody
    • eutrofizace
    • nevyrovnaná vodní bilance
  • identifikace kritérií s největším vlivem
  • návrh vyhodnocování kritérií
  • definice vah jednotlivých kritérií
  • vývoj informačního systému

 

Informační systém

V námi vyvíjených informačních systémech využíváme pro načítání dat tzv. „datovou pumpu“. Konkrétně se jedná o nástroj Pentaho Data Integration (community.pentaho.com), který je možno zdarma používat i pro komerční účely. Nástroj umožňuje naprogramovat transformace dat – tedy načítání dat z libovolného formátu do libovolného jiného zvoleného formátu (nejrůznější soubory a databáze). Nástroj má grafické vývojové prostředí a není tak nutné psát programový kód. Nicméně je možné v jeho rámci využívat i další skripty (např. JavaScript, Groovy, případně Python a R).

Byly vyvinuty transformace pro automatizované načítání dat mimo jiné z následujících formátů:

  • Česká geologická služba (Geofond)
    • soubory MS Access a
    • soubory XML „Databáze geologicky dokumentovaných objektů České republiky – výdejní aplikace“. Jedná se o výměnný formát podle mezinárodního standardu projektu eEarth.
  • Inklinometrie (textové soubory – strojově generované reporty).
  • Archivní průzkumné vrty ve Wordu (2413 ks), pravděpodobně exportované ze systému Geobanka firmy Data-PC Sokolov.
  • gdBase – načítání některých polí.
  • Srážky a teploty ve formě textového souboru na FTP serveru Povodí Ohře s. p.
  • Kontingenční tabulka v MS Excel.

Veškerá data se načítají do relační databáze PostgreSQL, jejíž struktura umožňuje uložit data o vrtech (mj. geologický popis, definice vrstev pro geologický řez, technické provedení objektu) i pozorováních (libovolné veličiny vč. inklinometrie a karotáže). Kromě pozorování jsou v databázi uloženy interpretace těchto měření (např. prostorové rozložení parametrů), které jsou využívány např. pro multikriteriální analýzu. Prostorová data (body, linie, polygony) jsou uložena v databázi pomocí databázového rozšíření PostGIS. To umožňuje nejen zahrnutí mapových podkladů (např. územně analytických podkladů a zpracovaných územních plánů) do databáze, ale také přímou možnost práce s takovými daty ve standardních nástrojích GIS (např. ArcGIS, ale i AutoCAD). Mapový server navíc umožňuje zobrazovat data pomocí mapových služeb například v MicroStation.

Data v databázi je možno prohlížet pomocí jednoduché webové aplikace (obrázek č. 5), kde je možno po kliknutí na vrt v mapě vybrat veličinu a časový úsek. Průběh veličiny se zobrazí jako tabulka v levé části okna a jako časový graf v horní části okna. Pokročilou vizualizaci (profily vrtu, geologické řezy, 3D modely; kombinace map, tabulek a grafů) provádíme v cenově dostupném programu EnviroInsite (enviroinsite.com), do kterého je možno data ze systému exportovat. Data a navazující výpočty jsou zobrazovány ve formě tabulek a grafů v tiskových sestavách (reportech). Ty je možno prohlížet online či mohou být zasílány např. e-mailem v pravidelných intervalech či při předem definovaných událostech. Sestavy je možno získat v nejrůznějších formátech (pdf, Excel, Word atd.)

 

Webová aplikace pro prohlížení pozorováníObrázek 5: Webová aplikace pro prohlížení pozorování

Metody integrované do vyvíjeného informačního systému vycházejí z poznatků teorie komplexních systémů/nelineární dynamiky. Jedná se o detailně rozpracované hodnoticí postupy založené na ověřených analytických nebo empirických vztazích. Tyto postupy integrované do systému poskytují výsledky a data pro rozhodování o budoucím využití území a jeho dalšího směru rozvoje. Vzhledem k tomu, že ne vždy jsou k dispozici veškerá potřebná a přesná data ze všech potřebných veličin či parametrů s požadovanou četností a aktuálností, je nutné kromě klasických matematických či statistických metod pro hodnocení časových řad použít i nástroje, které by nám byly schopny neměřitelné, odhadované a slovní hodnocení převést do modelu a umožnily zjistit a predikovat chování systému při extrémní změně podmínek některé z jeho složek.

 

Schéma informačního systému

Obrázek 6: Schéma informačního systému.

Klíčovou součástí informačního systému je zpracování geografických dat a mapových vrstev. Kromě dat z monitoringu a dalších měření jsou vstupem do systému územně analytické podklady, platný, příp. zpracovávaný územní plán a další mapové vrstvy. Následující obrázky ukazují příklad různými druhy nástrojů vyhodnocené a vizualizované výsledky silně zjednodušených, testovacích, modelových  výpočtů stability svahů u jižního břehu jezera Most.

 

Obrázek 7: Vyhodnocení stability svahů u jezera Most nově navrženou metodou.

 

 

Obrázek 8: 3D vizualizace výsledků výpočtu stability svahů u jezera Most za pomoci profilu terénu.

 

Obrázek 9: Vyhodnocení stability svahů u jezera most předimplementovaným nástrojem SAGA GISu.

 

Obrázek 10: 3D Vizalizace výsledku výpočtu stability svahů u jezera Most za pomoci SAGA GISu.

Výstupy jsou potom také prezentovány formou textových zpráv, tabulek, grafů a map. Základní zpracování je založeno na kombinaci známých rizik zanesených v územně analytických podkladech a zobrazení oblastí s kumulací různých druhů rizik. Další úroveň zpracování zahrnuje multikriteriální analýzu časových řad a měření vyjadřující míru geotechnických rizik ovlivňujících zastavitelnost a využitelnost území. Tato informace je důležitým podkladem pro urbanistu k návrhům úprav územního plánu zohledňujících tato rizika. 

Informační nástroje pro podporu rozhodování obecně obsahují podpůrné nástroje pro rozhodovací či řídicí procesy a podporují uživatele v hledání a posuzování variantních řešení či rozhodnutí. Při multikriteriálním hodnocení geotechnických rizik bylo třeba užít metodu, která je schopna hodnotit souhrnnou míru rizika území z pohledu jeho dalšího využití. K tomu, abychom byli schopni stanovit takovou jednoznačnou míru rizika jednotlivých lokalit, bylo třeba vytvářet ucelené postupy (metodiky), které pomocí několika přesně definovaných kroků vypočítají či odhadnou konkrétní hodnotu rizika daného území a zároveň dají informaci o tom, s jakou jistotou se o tuto hodnotu můžeme opírat pro budoucí rozhodování.

 

 

Práce s daty, jejich sběr, hodnocení a interpretace hrají klíčovou roli v hodnocení a predikci přírodních rizik ve vztahu k budoucímu využití krajiny. Přírodní systémy jsou vysoce komplexní celky obsahující častý výskyt složitých časových a prostorových struktur. Pro hodnocení a předpovídání systémů je třeba užití holistického přístupu. Řešení jejich problematiky, tedy zejména sledování jejich stavu, vyplývajících rizik a řízení jejich dopadů, je interdisciplinární problém. Problematiku monitorování a hodnocení geotechnických rizik a další rozhodování o využití dotčených území je proto třeba řešit pomocí využití informačních nástrojů. Tím máme na mysli implementaci technologií pro monitorování, správu dat a jejich hodnocení zejména z pohledu případných rizik. Díky této informační i znalostní podpoře je možno efektivněji vzájemně provázat znalosti z dílčích oborů a tím vytvářet komplexní model. Je proto nutné plně využívat modely a metody hodnocení, které budou schopny dostatečně realisticky popsat pozorované chování tohoto studovaného systému a předpovědět jeho budoucí chování a napomoci optimálnímu rozhodování o budoucím rozvoji využití krajiny z pohledu dalšího rozvoje.

Hodnocení vždy zahrnuje různé pohledy, např. ekonomicky úsporné, environmentálně příznivé, sociologicky příznivé, časově výhodné, a dále i různé scénáře, které je třeba z pohledu např. návrhu urbanistických řešení zohlednit, kdy za dosažení jistých prahových hodnot pro různé formy využití krajiny dochází k destabilizaci systému a ohrožení stanovení cílů. Eliminace rizik by měla např. zabránit neefektivním stavebním investicím na místech, kde by v budoucnu mohlo dojít k iniciaci geotechnických rizik.

Požadované Know-How

  • HTW: zjištění charakteristických parametrů půdy, výpočty zatížení.
  • TUL: návrh databáze a informačního systému.
  • KU: vliv saturace půdy na její mechanické vlastnosti.
  • ITN: zkušenosti s rekultivačními vrstvami.