Vliv povodní na proudění podzemní vody a výstavbu v Karlíně

Cílem naší práce bylo vytvořit simulační model pro posouzení rizika vzestupu hladiny podzemní vody při extrémních hydrologických situacích. Při povodni v srpnu 2002 byla jednou z nejvíce postižených pražských částí právě oblast Karlína. V současnosti se zde staví nové objekty, které musí být ochráněny nejen před samotnou povodní, ale také před vzestupem hladiny podzemní vody, kdy dochází k zvýšení vzlínání vody do stavebních konstrukcí.

Při návrhu ochranných opatření proti povodním je žádoucí se řídit podle nových evropských norem, kde je doporučeno tento druh staveb posoudit i na porušení vyvolaná vodou (hydraulické porušení EC 7, kapitola 10). Jde o čtyři základní případy hydraulického porušení, především vztlak a sufozi, které mohou negativně ovlivnit stabilitu konstrukce.
Při povodni dochází v okolí řeky k vzestupu hladiny podzemní vody, proto je třeba zjistit nejprve režim proudění podzemní vody při uvažování ustáleného i neustáleného stavu. Jelikož řešení tohoto problému přesahuje rozsah tohoto příspěvku, zaměříme se na současný stav území, jeho průzkum a modelování ustáleného proudění podzemní vody v Karlíně.

Obr. 1 - Vizualizace území Karlína - bíle je vyznačena
plocha plánované výstavby.

GEOLOGIE A MORFOLOGIE ZÁJMOVÉHO ÚZEMÍ
Převážná část Prahy, a tedy i Karlín, se nachází na Pražské plošině, jejíž morfologii rozhodujícím způsobem utvářel tok Vltavy a její přítoky. Řeka vytvářela mohutné terasy říčních nánosů na bázi zvětralých břidlic - štěrky, písky apod. Tyto říční terasy jsou z hlediska geologického období označovány jako kvartér, který se v Karlíně projevuje nejvýrazněji (mocnosti až 15 m). Tvoří je písky a štěrky pokryté holocénními povodňovými hlínami a svahovými splachy z vrchu Vítkov. Území je však hodně ovlivněno nejen přirozenou geologickou skladbou, ale také četnými antropogenními navážkami, které vytvářejí souvislou vrstvu po celém zájmovém území [2]. Karlín leží na pravém břehu Vltavy. Jejím tokem je ohraničen ze severu, na jihu se zvedá výrazná pražská dominanta - vrch Vítkov. Lokalita je výrazně protáhlá ve směru východ - západ. Terén je rovinný, mírně zvlněný.
Nadmořské výšky terénu se nejčastěji pohybují v rozmezí od 184 do 190 m n. m. Uloženiny údolních teras obvykle poskytují dobré základové podmínky, protože se často jedná o dostatečně homogenní, dostatečně únosné a málo stlačitelné základové půdy. Podmínky v oblasti Karlína jsou ale komplikovány mocnou vrstvou heterogenních navážek a povodňových náplav. Nejnižší terasy bývají zvodnělé téměř v celé mocnosti, proto je potřeba při základových a výkopových pracích počítat s velkými přítoky do výkopů, s vyplavováním jemnozrnných částic a s možným agresivním působením podzemní vody. Navíc při povodňových průtocích jsou základové konstrukce vystaveny značnému vztlaku, což je nutné brát v úvahu při návrhu základů zamýšlené výstavby.

Obr. 3 - Schematický řez územím Karlína

HYDROGEOLOGIE
Holocénní náplavy a údolní terasy Vltavy a jejích přítoků tvoří jeden hydrogeologický celek. Na hladinu podzemní vody přímo působí hladina povrchového toku. Ovlivňuje ji postavení Trojského jezu, který způsobuje vzdutí hladin povrchového toku i podzemní vody. Je-li jez postaven, je hladina vody v řece na kótě 180,5 m n. m., je-li sklopen, na 178,5 m n. m. [9]. Podzemní voda je navíc dotována i vodami stékajícími ze svahů, které patří zvodním vyšších terasových stupňů. Hladina podzemní vody téměř bez omezení volně proudí a vytváří souvislý horizont vysoké vydatnosti, která bývá v údolních holocenních náplavech velmi vysoká a kolísá podle vzdálenosti od řeky (až v desítkách l/s [2]). Na větší části zájmového území se hladina podzemní vody nachází v hloubce 4,5-7 m pod úrovní terénu [5].

Obr. 5 - Příklad porušení sufozí u zemní hráze [10] 1 - hladina volné vody, 2 - piezometrická
hladina v propustném podzákladí, 3 - zemina s nízkou propustností, 4 - propustná zemina,
5 - případná studna; začínající místo sufoze, 6 - možná sufoze.

HISTORIE ÚZEMÍ
Na území dnešního Karlína se nacházely na úrodné půdě mezi řekou a Vítkovem do počátku 19. století jen ojedinělé zemědělské usedlosti a mlýny u Vltavy. Růst, význam a bohatství Karlína souvisely s velkým rozvojem průmyslu, zpočátku textilního a od 50. let 19. století převážně strojírenského. K jeho rozvoji přispěl rozvoj železniční a lodní dopravy (dvě nádraží a přístav). Rozvoj Prahy po celé 19. a 20. století měl za následek využívání dalších území v břehových částech Vltavy, včetně území získávaných zasypáním bočních a slepých ramen Vltavy právě v Karlíně a dále v Libni a Holešovicích. Přes rizika častých záplav při vyšších stavech vody ve Vltavě byla tato území využívána k výstavbě. Jsou stavěny nábřežní zdi, popřípadě železniční a silniční stavby, jejichž tělesa slouží zároveň jako protipovodňové hráze, ale současně zmenšují průtočný profil koryta řeky. To - spolu s mnoha stavbami v kontaktu s řekou - ve svém důsledku zvyšuje hladinu a rychlosti průtoku velkých vod. Jejich destruktivní síla je pak pochopitelně větší [3], [8].

PLÁNOVANÝ POSTUP ŘEŠENÍ
Karlín je území se složitými morfologickými, geologickými i hydrogeologickými poměry, proto je třeba pojmenovat a vyřešit jednotlivé dílčí problémy a následně vyhodnotit výsledky. Způsob řešení lze rozdělit na několik dílčích cílů:

1. sběr dostupných a naměřených dat a vyhodnocení těchto údajů (Geofond, měření v terénu),
2. vytvoření modelu ustáleného proudění podzemní vody,
3. kalibrování vytvořeného modelu a porovnání s naměřenými údaji z terénu,
4. stanovení míry nejistoty vytvořeného modelu (přesnost modelu),
5. simulování ustáleného proudění podzemní vody při povodni (konstantní hladina vody ve Vltavě),
6. simulování neustáleného proudění podzemní vody při povodni (změna stavu hladiny ve Vltavě v závislosti na čase),
7. vyhodnocení vlivu hladiny podzemní vody na stávající a nově vznikající výstavbu.

MOŽNÁ RIZIKA PŘI NÁVRHU OCHRANNÝCH KONSTRUKCÍ PROTI POVODNÍM
Eurocode 7 v kapitole 10, věnované Hydraulickému porušení, rozlišuje čtyři základní případy takových porušení vyvolaných vodou [10]:

• Porušení vztlakem nastává, pokud je pórový tlak vody pod konstrukcí nebo pod vrstvou základové půdy s nízkou propustností vyšší než průměrný tlak nadloží.
• Porušení vnitřní erozí je vyvoláno transportem zemních částic uvnitř zemního tělesa na styku zemních vrstev nebo na styku mezi zeminou a konstrukcí.
• Porušení zdvihem dna (heave - nadzvednutím/ ztekucením dna) nastává, pokud průsakové síly působí vzhůru proti tíze zeminy a snižují svislé efektivní napětí až na nulu. Zemní částice jsou tudíž nadzvedávány svislým prouděním vody a nastává porušení.
• Porušení sufozí (piping) je zvláštní forma porušení vnitřní erozí, např. u zemní hráze, kdy eroze začíná u vzdušného líce a pokračuje, až se vytvoří tunel v masivu zeminy, mezi zeminou a základem nebo na styku jemnozrnných a hrubozrnných zemních vrstev. Porušení nastává, jakmile erozní tunel dosáhne dna nádrže.

VSTUPNÍ DATA
Při tvorbě nového modelu je třeba vhodně zvolit rozsah řešené oblasti a rozdělit ji na soubor buněk, které jsou součástí výpočetní sítě. Pro každou buňku je třeba definovat vlastnosti, které charakterizují skutečný stav s ohledem na sledovanou veličinu. Charakteristika geologického prostředí je v našem případě vyjádřena hydraulickou vodivostí (koeficient propustnosti). Kromě charakteristiky tvaru a struktury řešené oblasti je důležité zadání okrajových a počátečních podmínek, které určují vliv okolního prostředí na proudění vody v řešené oblasti po celou dobu simulace. Pro ustálené (stacionární) proudění mají smysl pouze podmínky okrajové, zadané po celé hranici, které se po celou dobu simulace nemění. Naopak u neustáleného (nestacionárního) proudění je nutné použít okrajové i počáteční typy podmínek, protože zde hraje roli časový faktor.

NUMERICKÝ MODEL
Výpočty byly provedeny pomocí modelu Modflow (Waterloo Hydrogeologic), který je součástí programu Visual Modflow, jenž nabízí trojrozměrné grafické prostředí pro modelování proudění vody a transportu rozpuštěných látek [6]. Hydraulickými parametry prostředí, vstupujícími do modelu, jsou mj. horizontální a vertikální hydraulické vodivosti, storativita nebo pórovitost.
Model simuluje jak ustálené (stacionární), tak i neustálené (transientní) proudění podzemní vody. Konkrétní hodnoty jsou získávány z údajů z terénních průzkumů a z laboratoře. Výstupem z programu Modflow jsou hodnoty hydraulických výšek, které mohou být doplněny o výpočet bilance množství vody za časový úsek [6].

DISKRETIZACE OBLASTI A OKRAJOVÉ PODMÍNKY
Pro stanovení vlivu hladiny Vltavy na proudění podzemní vody byl vytvořen model s řešenou oblastí o velikosti bezmála 2,3 km². Pro numerický model byla zvolena výpočetní síť s buňkami o půdorysu 10 × 10 m. Při této operaci dochází k diskretizaci tohoto plánu, z čehož plyne určitá forma zjednodušení, která je závislá na hustotě výpočetní sítě. Model se skládá ze tří vrstev, které odpovídají od povrchu terénu antropogenním navážkám, pískům a štěrkopískům. Okrajové podmínky odpovídají hodnotám nadmořských výšek hladiny podzemní vody po obvodu zájmového území, viz obr. 6. Pouze na severním okraji řešeného území tvoří tuto hranici koryto Vltavy. Zde je určující výška hladiny ve Vltavě. Ta je ovlivňována postavením Trojského jezu, který vzdouvá hladinu vody v řece na kótu 180,5 m n. m. [9].

Autoři: Martin Havlice, Jiří Vacek, katedra geotechniky, Stavební fakulta, ČVUT Praha

Celý článek naleznete v ČB příloze časopisu KONSTRUKCE 1/2007. Možnost předplatného ZDE.