8. Hydrogeologické poměry

Důležitou částí inženýrsko-geologického průzkumu je sledování hydrogeologických poměrů na lokalitě. Voda má výrazný vliv na inženýrsko-geologické stavby jak z pohledu krátkodobého, tak dlouhodobého až trvalého. Negativní účinky podzemní vody se obzvláště projevují na fyzikálně-mechanických vlastnostech zemin a hornin (pevnost, konzistence aj.), na základových poměrech (zatopené stavební jámy, stabilita svahů aj.), na základech staveb (agresivita aj.) atd.

V inženýrské geologii je důležitým úkolem popsat a vyhodnotit jednotlivé vlastnosti podzemní a povrchové vody (chod hladin, směr proudění, typ zvodnění aj.) s ohledem na případná rizika pro sledovanou stavbu.

8.1. Voda v horninovém prostředí

Voda na Zemi se obecně označuje jako hydrosféra, která má svoje tři základní složky: povrchovou, podzemní a atmosférickou. Voda se vyskytuje v různých skupenstvích a různých formách. Jednotlivé složky hydrosféry tvoří systém, který je popsán rovnicí hydrologické bilance a znázorněn tzv. koloběhem vody na Zemi. Z pohledu inženýrské geologie nás zajímá podzemní i povrchová voda - voda, která se vyskytuje v horninách – vody půdní, podzemní a skalní vlhkost. Základní klasifikace vod v horninách je znázorněna schématem - viz obr. 8.1.

Obr. 8.1 Voda v horninách

Podzemní vodu charakterizují její fyzikálně-chemické vlastnosti, dynamické charakteristiky (typ, směr a rychlost pohybu v horninovém prostředí) a prostorové i kvantitativní údaje (omezení tělesa vody, zásoby apod.). V rámci popisných charakteristik hydrogeologických poměrů nesmíme opomenout při inženýrsko-geologickém průzkumu charakterizovat tyto vlastnosti zvodněného kolektoru:

· fyzikálně – chemické vlastnosti podzemní vody se stanovují v analytických laboratořích pomocí standardních laboratorních postupů (obsahy rozpuštěných látek, senzorické vlastnosti, pH, vodivost aj.).

· pohyb podzemní vody můžeme odvodit z map hydroizohyps či hydroizopiez z naměřených hodnot úrovně hladiny podzemní vody (min. 3 objekty – vrty, studny aj.). Na těchto mapách znázorňují hydroizohypsy místa se stejnou nadmořskou výškou úrovně hladiny podzemní vody (hydroizopiezy úroveň stejného tlaku vody). Jako doplňkové metody se mohou používat také například stopovací zkoušky a nepřímé geofyzikální metody. Odvozené proudnice vyjadřující směr pohybu vody jsou kolmé k hydroizohypsám (hydroizopiezám). Z těchto map je možné také jednoduše stanovit hydraulický spád (úklon hladiny podzemní vody) a s pomocí koeficientu filtrace také rychlost proudění. Jestliže provádíme stavbu v místě, kde nemáme zjištěnu hladinu podzemní vody přímo na lokalitě, můžeme použít mapy hydrizohyps, zkonstruovaných z údajů v blízkosti lokality, k jejímu analogickému stanovení.

· v rámci prostorových a kvantitativních údajů sledujeme jako základní geologické těleso kolektor. Jako kolektor označujeme geologickou vrstvu horniny, která umožňuje komunikaci či akumulaci vody v pórech daleko snadněji než v okolních izolátorech. Kolektor má přirozené hranice ve vrstvách izolátorů (případně poloizolátorů) nebo je vzhledem k povrchu neomezen.

Dynamickou charakteristikou jsou pak např. průtoky podzemních a povrchových vod, výšky hladin, tlaky vody v kolektoru apod.

Zvodněné prostředí (zvodeň) může být s volnou hladinou podzemní vody (kolektory nejsou zcela vyplněny vodou) a napjatou hladinou podzemní vody (kolektory jsou ohraničené nepropustnými horizonty, voda vyplňuje celou mocnost kolektoru a její tlak je vyšší než hydrostatický – viz. obr. 8.2).

Obr. 8.2 Schéma zvodněného systému s volnou a napjatou hladinou

USH – úroveň volné hladiny podzemní vody (tlak je roven atmosférickému tlaku)

p.u. – piezometrická úroveň hladiny podzemní vody (tlak na horní ploše omezení zvodně je vyšší než tlak atmosférický)

m – mocnost kolektoru

H – mocnost zvodněné vrstvy

Při provádění vrtných prací sledujeme hladinu podzemní vody naraženou a následně hladinu ustálenou. Naražená hladina je změřená v momentu zjištění hladiny podzemní vody v prováděném vrtu. Ustálená hladina se měří v časovém odstupu (několik hodin) po dokončení vrtných prací.

8.2. Režim podzemních vod

Režimem jsou označovány časové a prostorové změny kvantitativních a kvalitativních vlastností zvodněného systému. Tyto změny se projevují kolísáním hladin podzemní vody, změnou průtoků, vydatností, fyzikálních i chemických vlastností vody apod. Režim podzemních vod ovlivňuje řada různých činitelů: geologická stavba, hydrogeologické, geomorfologické, klimatické a hydrologické poměry, vegetace a také činnost člověka.

Hladinu podzemní vody sledujeme pomocí hladinoměrů – např. Rangova píšťala, elektrokontaktní hladinoměry aj. (obr. 8.4). Při dlouhodobém sledování hladiny podzemní vody (monitoringu) zjistíme maximální a minimální stavy hladiny a tím i rozkyv hladiny podzemní vody. K tomuto účelu můžeme využít limnigraf. Limnigraf se používá pro kontinuální měření výšky hladiny ve vrtech, vodních toků, nádrží přehrad, případně v kombinaci s měrným přepadem k měření průtoku (obr. 8.3).

Obr. 8.3 Limnigraf (Geospol Uhřínov, 2002) Obr. 8.4 Hladinoměr (Geospol Uhřínov, 2002)

Obr. 8.5 Vzorkovače (Geospol Uhřínov, 2002) Obr. 8.6 Průtokoměr (SISGEO, 2002)

Kolísání hladiny podzemní vody je většinou sezónní záležitostí, která je vázána na množství atmosférických srážek či jiné formě dotace (např. jarní tání sněhové pokrývky).

V rámci režimu povrchových vod sledujeme obvykle množství vody, která protéká vodotečí. V případě recipientů jsou sledovány např. změny v akumulaci vod. K tomuto účelu existuje mnoho metod. Na obr 8.6 je ukázka měrného přelivu s trojúhelníkovým výřezem. Tyto měrné přelivy se používají u toků s menším průtokem nebo u sledování vydatnosti pramenů. U povrchových toků s větším průtokem používáme například hydrometrických vrtulí, stopovacích zkoušek apod.

8.3. Fyzikálně – chemické vlastnosti vod

Chemické složení, fyzikální a biologické vlastnosti vody se sledují pro různé účely a tomu také odpovídá způsob odběru a vyhodnocování vzorků vody. Z fyzikálně - chemických vlastností se u vzorku vody sleduje její teplota a elektrická vodivost (fyzikální vlastnosti), celková mineralizace a obsah jednotlivých kationtů a aniontů (chemické vlastnosti). Ze senzorických vlastností sledujeme hlavně barvu, zákal a zápach vzorku vody.

Pro stavební účely se provádí chemický rozbor vody pro sledování míry a druhu agresivních účinků na betonové a kovové konstrukce (produktovody) dle ČSN 73 1215 Betonové konstrukce. Rozlišují se vody slabě agresivní, středně agresivní a vysoce agresivní (tab. 8.1). Obdobná klasifikace je použita u kovových potrubí uložených v půdě nebo ve vodě (viz. tab. 8.2).

Agresivitu vody způsobuje hydrochemická nerovnováha mezi vodou a okolním prostředím (horninové prostředí, stavební objekt, konstrukce apod.) a to zejména :

a) nízká mineralizace vod – tzv. „hladové vody“ (např. dešťové vody). Kritériem hodnocení je dle ČSN 73 1001 tvrdost vody (= koncentrace iontů vápníku a hořčíku ve vodě).

b) nízké hodnoty pH – kyselé vody. Způsobují agresivitu na železo a beton. Kyselost vody způsobuje především volná kyselina uhličitá, reagující s Ca(OH)₂ v betonu a vyluhující vápník. Kritérium hodnocení je pH.

c) volný CO₂ ve vodě způsobující agresivitu uhličitanovou. Podle uvedené reakce je vyluhován vápník z betonu při vzniku rozpustného Ca(HCO₃)₂.

CaCO₃ + CO₂ + H₂O ↔ Ca(HCO₃)₂

d) vysoký obsah síranů ve vodě – agresivita síranová. Způsobuje agresivitu na kov i beton. Síranový iont reaguje s Ca(OH)₂ v betonu a vzniká sádrovec (CaSO₄), případně za určitých podmínek síran vápenato-hlinitý. Oba výsledné produkty jsou rozpínavé a v pórech betonu způsobují vysoké krystalizační tlaky.

e) vysoký obsah iontů hořčíku ve vodě způsobuje vytěsňování iontů vápníku z betonu. Proces je doprovázen objemovými změnami nově vzniklých minerálů a důsledkem je vyšší zvodnění, nakypřování a měknutí betonu.

Vzorky podzemní vody odebíráme pomocí speciálních odběrných válců (obr. 8.5). U odebraných vzorků se sleduje také případná organická kontaminace podzemní vody, která by mohla způsobit nežádoucí efekt na životní prostředí v okolí budované stavby a také na stavbu samotnou.

Tab. 8.1 Kritéria agresivity vody na beton (podle ČSN 73 1215 Betonové konstrukce)

Stupeň	Tvrdost vody mval.l^-1	Hodnota pH	Agresivní oxid uhličitý CO2 mg.l^-1	Mg^2+ mg.l^-1	NH4^+ mg.l^-1	SO4^2- mg.l^-1	Celková mineralizace v roztoku pokud se odpařuje z povrchu betonové konstrukce g.l^-1
(la) slabě agresivní	do 0,189	5,0 až 6,5	4 až 15	1000 až 2000	100 až 500	250 až 500	10 až 20
(ma) středně agresivní	-	4,0 až 5,0	15 až 30	>2000	>500	500 až 1000	20 až 50
(ha) silně agresivní	-	do 4,0	>30	-	-	>1000	>50

Stupně agresivity jsou stanoveny pro teplotu kapaliny 0 až 50°C, pro konstrukce na které působí agresivní prostředí jednostranně v rozmezí 0 až 10 m výšky vodního sloupce a v prostředí, jehož koeficient filtrace je větší než 1,1*10^-6 m.s^-1. Agresivita je stanovena pro betony s obsahem cementu 300 kg.m^-3, nepropustné při tlaku vody 0,4 Mpa, působící 24 h při tloušťce betonu 150 mm, a podle obsahu SO₄^2- platí pro betony z portlandského cementu.

Tab. 8.2 Kritéria agresivity podle chemismu vod a půd na kovová potrubí (podle ČSN 03 8375)

Agresivita prostředí	Reakce vody pH	V horninách		Ve vodách		Charakteristika prostředí	Izolace
		Celkový obsah síry (%)	Obsah Cl^- (%)	Obsah SO3^2- + Cl^- (mg.l^-1)	Agresivní CO2 (mg.l^-1)
Velmi nízká I.	6,5 až 8,5	<0,1	<0,02	<100	0	Potrubí je nad hladinou podzemní vody nebo je trvale uloženo ve vodě velmi nízko nebo středně agresivní.	Normální
Střední II.	8,5 až 14	0,1 až 0,2	0,02 až 0,05	100 až 200	0	Stupeň nasycení pórů vodou v rozmezí 50 až 95 %.	Normální
Zvýšená III.	6,0 až 6,5	0,2 až 0,3	0,05 až 0,1	200 až 300	5	Stupeň nasycení pórů vodou v rozmezí 50 až 95%. Projevující se vliv kapilární vzlínavosti vody zeminou.	Zesílená
Velmi vysoká IV.	<6,0	>0,3	>0,1	>300	5	Časté kolísání hladiny podzemní vody v pásmu, kde je uloženo potrubí (půdy střídavě vlhké a provzdušněné – odvzdušněné), vliv kapilární vzlínavosti vody zeminou.	Zesílená

8.4 Příklady vlivu podzemní vody

a) Odvodňování stavebních jam

Při budování stavební jámy se základy, zasahujícími pod hladinu podzemní vody, se musí stavební jámy odvodňovat (např. budování podzemních garáží). Odvodnění dna stavební jámy bývá provedeno systémem drenážních per. Do rýh je pak osazena drenážní flexibilní roura z PVC a obsypána štěrkem. Pera jsou překryta netkanou geotextilií s polyethylenovou krycí vrstvou a jsou svedena do čerpacích jímek. Odtud je podzemní voda odčerpávána vhodným čerpadlem.

Je nutné si uvědomit, že vypouštěné čerpané vody se stávají vodami odpadními, a je třeba s nimi jako s takovými nakládat dle platné legislativy o odpadech.

b) Inicializace svahových pohybů

Voda, která vsakuje do svahu může za nepříznivých okolností vyvolat svahový pohyb. V takovémto případě musíme zamezit vnikání vody do svahu (utěsnění trhlin na povrchu, horizontální odvodňovací vrty, systém drenáží odvádějící vodu mimo postiženou oblast aj.).

d) Kolísání hladiny podzemní vody

Jestliže hladina podzemní vody zasahuje do základové půdy může způsobit změny únosnosti hornin a sedání stavby. Působení vztlakových sil a případná koroze základových konstrukcí jsou další nebezpečí, způsobená vlivem podzemní vody. Tento problém lze vyřešit pomocí stabilizace hladiny (čerpáním, drenáží aj.) na potřebnou výškovou úroveň.

c) Agresivita

Podzemní a povrchová voda může (za určitých okolností viz výše) působit agresivně na okolní prostředí. V rámci výstavby jednotlivých objektů musíme provádět zkoušky odolnosti navrženého materiálu vůči agresivitě podzemních vod – vybraný materiál je podroben laboratorní zkoušce odolnosti přímo ve styku se vzorkem podzemní vody ze sledované lokality.

Citace:

Geospol Uhřínov 2002 - http://www.geospol-uhr.cz

SISGEO 2002 - http://sisgeo.com