Zakládání staveb na výsypkách hnědouhelných dolů

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