5. Metody inženýrskogeologického průzkumu svahových deformací

Inženýrskogeologický průzkum představuje základní podklad pro projektovou činnost nebo pro jiná rozhodování v oblastech postižených sesuvy. Zatímco průzkum stability přirozených svahů, dosavadních zářezů, lomových stěn a násypů se opírá o posouzení porušení rovnovážného stavu s cílem navrhnout optimální způsob zabezpečení, u nově projektovaných svahů je cílem průzkumu najít nejvhodnější místo, navrhnout bezpečný sklon i technologický postup budování svahu.

Volba metodiky inženýrskogeologického průzkumu závisí na geologickém charakteru území, typu svahové deformace, faktorech vyvolávajících porušení stability, rozsahu a hloubce porušení svahu, ekonomické i společenské závažnosti a v neposlední řadě i na možnostech průzkumné organizace (Mareš et al., 1983).

Během průzkumu je potřeba zjistit zejména plošné a prostorové omezení svahové deformace (hloubka a průběh smykových ploch), směr a rychlost svahového pohybu (viz. kap. 6. Geotechnický monitoring), hydrogeologické poměry, geologickou stavbu, aktivitu svahových pohybů a jejich vývoj, fyzikálně-mechanické vlastnosti hornin aj.

V náročných inženýrskogeologických poměrech se průzkum sesuvné oblasti rozvrhuje zpravidla do několika fází, které se mohou v případě nutnosti slučovat. V zásadě se postupuje následujícím způsobem.

Prvotní rekognoskace zahrnuje prohlídku území, při které se pozorně sledují všechny deformace na povrchu (otevřené trhliny, poklesy, naklonění stromů a sloupů, bezodtoké deprese, zamokřené oblasti, nové pramenné vývěry, vytlačování valů) a na okolních stavbách (trhliny ve zděných domech a v podezdívkách, trhliny v povrchu asfaltových komunikací, poškozené přípojky do objektů, deformované železnice nebo tramvajové koleje). V případě, že prvotní výsledky ukazují na reálné riziko svahové deformace, je nutno přijmout následující opatření (Nešvara, 1999).

Pokud rizikovou oblast křižují plynová potrubí nebo produktovody, je vhodné kontaktovat správce a zvážit jejich odpojení, aby nedošlo v případě narušení k ekologické havárii nebo výbuchu.

Je potřeba posoudit možnost pokračování ve stavebních pracích, pokud probíhají. Zvláště je důležité dbát na to, aby výkopem pro stavební jámu nedošlo k podkopání svahu, aby zatížením od objektu nemohlo dojít k usmýknutí svahu pod objektem a aby nedocházelo k dotování podzemní vody ze špatně navržených nebo provedených okapů, vodovodních přípojek, kanalizace, septiku anebo z neodvodněné stavební jámy.

Je potřeba vyhnout se odtěžování čela sesuvu, pokud toto probíhajícími pohyby aktuálně neohrožuje důležitý objekt.

Pokud jsou svahové hmoty v pohybu a je zde nebezpečí z prodlení, lze, jako okamžité opatření, vyčerpat vodu z povrchových zdrží (jezírka, louže) a vyčerpat vodu ze studní. Tyto práce obvykle mohou neprodleně zajistit např. hasiči svou technikou.

Při předběžném průzkumu se provede jednoduché mapování do nejpodrobnější situace, jaká je k dispozici (např. 1 : 5000 a podrobnějším). Současně se provádí rozbor archivních materiálů (tzv. stupeň prozkoumanosti), pokud byl sesuv v minulosti již registrován, publikovaných zpráv o dané oblasti, geologických a inženýrskogeologických map. Základním zdrojem informací na území České republiky je celostátní registr sesuvů (Česká geologická služba - Geofond) v Praze, který se v omezené formě nachází i na internetu (internetová stránka - http://www.geofond.cz/), a jsou zde k dispozici faktografické fondy např. sesuvů a jiných svahových deformací, které jsou rozlišeny podle stupně aktivity na aktivní a ostatní (obr. 5.1, video 5.1 - geofond).

Každý sesuv, pokud se nachází v databázi, je geologicky ověřen, přesně lokalizován a jeho hodnocení splňuje základní povinné údaje. V současné době celá databáze obsahuje 6622 sesuvů, které jsou vykreslovány podle tvaru, pokud aspoň jeden rozměr přesahuje 100 m, ostatní jsou řazeny do tříd sesuvů bodových. Sesuvy lze vyhledávat pomocí některých z parametrů, jako obec, list ZM (základní mapy), lokalita sesuvu, klíč sesuvu. Po nalezení příslušného požadavku lze zobrazit legendu signálních informací, která zahrnuje např. rastrový podklad lokality, klíč (číslo sesuvu), okres, klasifikaci (sesuv, proud, odval, blokový sesuv), stupeň aktivity (aktivní, potenciální, stabilizovaný), rok revize a mapový list (obr. 5.2).

Dále se navrhne program průzkumných prací (např. rozmístění vrtů - obr. 5.3, kopaných sond a rýh, případně geofyzikální práce), přičemž vlastní provedení prací se realizuje až v podrobném průzkumu, kromě případů, kdy bez těchto prací nelze provést základní rozhodnutí o rozsahu a typu sesuvu, hloubce smykové plochy a hladině podzemní vody. Veškeré získané informace slouží především k orientační představě o povaze porušení svahu.

Podrobný průzkum, který zahrnuje zejména podrobné mapovací práce (viz. kap. 5.1), sondážní práce, odběry vzorků, geofyzikální práce, podrobné výškové a polohové zaměření sesuvu a jeho okolí, laboratorní zkoušky a stabilitní výpočty, představuje základní podklad pro účelnou sanaci sesuvu.

Výsledkem podrobného průzkumu je závěrečná zpráva zhotovená inženýrským geologem (geotechnikem), která obsahuje interpretaci všech zjištěných výsledků a obvykle také doporučení pro účelnou sanaci sesuvu. Součástí zprávy jsou kromě mapy také geologické řezy, podrobné údaje o povrchové a podzemní vodě atd.

Doplňkový průzkum upřesňuje informace (pokud je potřeba), které nebyly zjištěny během podrobného průzkumu, a může se provádět souběžně s projektem sanace. Výběr metod průzkumu v tomto případě závisí přímo na řešeném úkolu.

Jednoetapový průzkum se používá zejména v případě neočekávané havárie, kdy nelze postupovat podle zásady etapovosti vzhledem k časové tísni. V takovém případě se o nutných průzkumných pracích rozhoduje přímo na místě. Průzkum pak bývá velmi často spojen se sanací, při které se např. sanační prvky (piloty, horizontální odvodňovací prvky) navrhují bez průzkumu a první z nich jsou vyhodnoceny jako průzkumná díla (Nešvara, 1999).

5.1. Inženýrskogeologické mapování

Podkladem pro inženýrskogeologické mapování slouží topografické mapy v měřítku 1 : 5000 a podrobnějším. Méně často se jako podklad užívají letecké snímky, na nichž jsou dobře viditelné některé další podrobnosti území. V případě, že není k dispozici topografický podklad, lze zaměřit několik význačných profilů od úpatí svahu přes akumulační oblast až nad odlučnou hranu. Do mapy se zaznamenávají všechny sesuvné projevy, jako odlučná oblast, transportní zóna, akumulační oblast, trhliny, sesuvné bloky, boční valy, zakreslují se výchozy vrstev, hydrogeologické objekty, např. studny, mokřady, prameny, pramenní linie atd. Na obr. 5.1.1 je znázorněn blokdiagram sesouvání s morfologickými prvky.

Velikost pohybu lze orientačně odhadnout podle posunutých komunikací, mezí, stromořadí, hranic lesa (obr. 5.1.2), pokud se najde pokračování posunutého objektu na sousedním neporušeném svahu.

Zvýšená pozornost se věnuje přítomným trhlinám (obr. 5.1.3). V odlučné oblasti jsou tahové trhliny otevřené a kolmé na směr pohybu. Důležité je i zjištění a vykreslení tahových trhlin nad hlavní odlučnou oblastí, protože jejich přítomnost naznačuje možnost rozšiřování pohybu proti svahu. Níže do svahu na ně navazují drobné neprůběžné trhlinky, které vymezují obrys budoucího sesuvu, i když ještě nenastal. Ve spodní části sesuvu jsou trhliny sevřené, stlačené, popřípadě deformované tlakem. Smykové, podélné trhliny vznikají na bocích sesuvů. Pečlivé zaznamenávání průběhu trhlin vede ke správnému poznání povahy pohybu sesuvů.

Povrch terénu může být plynulý, zvlněný, hroudovitý, stupňovitý v závislosti na charakteru sesouvajících se hmot. Ty se mohou pohybovat ve tvaru velkých souvislých ker nebo bloků, mohou být rozdrobené nebo ve stavu tvárlivém i polotekutém (Záruba, Mencl, 1987).

Sesuvný materiál se nasouvá v akumulační oblasti na své předpolí, které může být vytlačené. Z tohoto důvodu se pečlivě zaznamenávají výchozy lokálních smykových ploch, radiální trhliny, násunové valy.

Při mapování se zjišťuje také stáří sesuvu a stadium vývoje. Mezi znaky současného svahového pohybu patří strmé nezarostlé stěny odlučné oblasti, otevřené trhliny, stromy vykloněné z původní polohy (obr. 5.1.4). Odlučná oblast dočasně uklidněných sesuvů je již zarostlá, akumulační část bývá málo znatelná, např. částečně zakrytá náplavovými kužely (obr. 5.1.5) a porušená erozí.

Stáří sesuvných pohybů lze rozpoznat např. podle vztahu k údolním terasám, sprašovým pokryvům, paleontologie, podle vývoje recentního a průběhu fosilního půdního profilu apod.

Při inženýrskogeologickém mapování by se neměly opomíjet ani floristické indikátory (obr. 5.1.6), které mohou pomoci rozpoznat a omezit sesuvné území (mokřady, prameny, pramenní linie). Jedná se především o přesličku obrovskou (Equisetum maximum) a podběl lékařský (Tussilago farfara).

Na obr. 5.1.7 je uveden příklad výsledné detailní mapy na uklidněném sesuvu v obci Lisková nedaleko Ružomberka.

5.2. Geofyzikální průzkum

Během sesouvání se přetváří a mění fyzikálně mechanické vlastnosti hornin. To se projevuje snížením rychlostí šíření pružných vln a sníženými (ale i zvýšenými) hodnotami měrného odporu. Nejnižší hodnoty měrného odporu a rychlosti šíření pružných vln indikují smykové plochy jako zóny nejintenzivnějšího porušování. Zvýšené hodnoty měrných odporů mají často tahové rozevřené trhliny v odlučné oblasti, a to v případě, že je vtékající voda rychle odvodněna. Na obr. 5.2.1 je uveden příklad měření odporů na sesuvu Turany, ze kterého je patrné, že nárůst je v tahové oblasti.

Uvedené změny umožňují použít dvě základní povrchové geofyzikální metody k prostorovému vymezení svahové deformace. Jde o vertikální elektrické sondování VES (viz princip metody - video 5.2.1) a mělkou refrakční seismiku (viz princip metody – video 5.2.4). Mohou být doplněny zemním radarem GRP, gravimetrickým měřením a mělkou reflexní seismikou XRS. V případě, že je k dispozici dostatečné množství vrtů, lze smykovou plochu vymezit seismickým prozařováním mezi vrty, seismickou a akustickou karotáží nebo geoakustikou, která se používá hlavně ke sledování pohybu na smykové ploše (viz. kap. 6. Geotechnický monitoring).

Pro plošné ohraničení svahové deformace nebo sesutých bloků lze využít např. různé modifikace odporového profilování (viz princip metody – video 5.2.2) doplněné elektromagnetickým profilováním, magnetometrickým měřením (viz princip metody – video 5.2.3), měřením spontánní polarizace, jejíž použití je podmíněno přítomností vody v sesuvu.

V tab. 5.2.1 je uveden přehled povrchových a podpovrchových geofyzikálních metod, které se dají využít při průzkumu stability svahu.

Bláha (2001) doporučuje po dokončení povrchových měření a prvotní interpretaci následující sled prací: rozbor fyzikálních vlastností, který zahrnuje jednak statistické zkoumání fyzikálních vlastností náležejících jednotlivým geologickým celkům a jednak sledování rozložení fyzikálních vlastností v prostoru (obr. 5.2.2), sestavení fyzikálního modelu, parametrická měření, první reinterpretace a sestavení geologického řezu, monitorovací měření, druhá reinterpretace a sestavení inženýrskogeologického řezu (obr. 5.2.3).

Tab. 5.2.1 Geofyzikální a jiné průzkumné metody používané při průzkumu svahových deformací (Mareš et al., 1983)

Řešené úkoly IG průzkumu	Vhodné geofyzikální metody / ostatní průzkumné metody	Vybrané příklady geofyzikálních metod
Plošné omezení svahové deformace	odporové profilování, magnetometrické profilování, seizmické profilování, profil. metodou VDV, metoda SP	Odporové profilování
	morfologické, geologické, hydrogeologické mapování, letecké snímky, vyhodnocení změn na topografických podkladech, geodetické a fotogrammetrické metody
Průzkum hloubkového porušení svahu a zjištění průběhu smykových ploch	odporové sondování, refrakční seizmika, seizmické prozařování mezi vrty, prozařování elektromagnetickými vlnami, přesná inklinometrie, GA měření ve vrtech karotáž GK, GGK, Ra, AK	Příklad sestavení modelu na základě odporového sondování VES
	sondážní a vrtné práce, hydrogeologické práce ve vrtech včetně stopovacích zkoušek, zjišťovaní geotechnických vlastností na vzorcích hornin
Prostorové posouzení svahové deformace	odporové sondování, odporové profilování seizmické prozařování mezi vrty, technická měření ve vrtech a na povrchu, metoda SP	Seizmické prozařování mezi vrty
	morfologická analýza, zhodnocení geodetických a fotografických metod, modelování
Zjištění existence svahových pohybů a sledování jejich vývoje	geoakustika, opakovaná GA měření ve vrtech, odporová, seizmická, termická a SP měření na povrchu a v mělkých vrtech	Geoakustická metoda
	opakované letecké snímkování, režimní geodetické a fotogrammetrické měření, režimní hydrogeologická měření a hydrometeorologická pozorování, opakovaná speciální měření ve vrtech a šachticích
Zjištění geotechnických parametrů pro stabilitní výpočty	karotážní metody GGK, AK, NGK, NNK, Ra, SP, GK, refrakčně seizmická metoda, seizmické prozařování mezi vrty	Karotážní metody
	metody mechaniky hornin a zemin podle zkoušek ČSN
Kontrola sanačních opatření	odporová měření, refrakční seizmika, dynamické zkoušky pilot, SP, termometrie, elektromagnetické metody
	hydrogeologická pozorování, geodetická měření, zkoušky pilot apod.

Výběr vhodných geofyzikálních metod může přispět ke správnému prostorovému omezení svahové deformace. Geofyzikální doplňkový průzkum na silnici první třídy u Buchlova lokalizoval hlavní nejhlubší smykovou plochu o 3 m níže než byla zjištěna vrtnými pracemi. Tyto upřesněné informace umožní lépe navrhnout délky sanačních prvků (např. mikropilot).

5.3. Hydrogeologický průzkum

Úkolem hydrogeologického průzkumu je stanovit výšku hladiny podzemní vody a její případné změny. Do map se zaznamenávají všechny potoky, prameny, vývěry, zamokřená místa i deprese bez odtoku. Sesuvné pohyby mění odtokové poměry povrchových vod i režim vod podzemních. Smykové plochy se projevují jako specifický kolektor s nepropustnou bází a tam, kde se přibližují k povrchu, vznikají nové prameny a mokřadla.

Hladinu podzemní vody lze sledovat ve vrtu pomocí hladinoměru, např. Rangova píšťala (starší systém), elektrokontaktní hladinoměr (obr. 5.3.1a), plovák aj. Při dlouhodobém sledování hladiny podzemní vody je možné použít kontinuální měřiče hladin (video 5.3.1a – Kontinuální měření HPV, video 5.3.1b), které měří průběžně změny hladiny ve vrtu (obr. 5.3.1b). Např. na sesuvu Řečice byla použita ústředna - CAMPBEL SCIENTIFIC 500 (na střeše budky sluneční panel), která řídí měření HPV ve studni K-6 automatickými snímači Geokon - dvě tlaková čidla ponořená ve vodě. Jedno z čidel je nezávisle odečítáno jednokanálovým dataloggerem LC-1, rovněž výrobek fy Geokon. Součástí ústředny je modem (Siemens M-20) pro dálkový odečet, řízení a programování ústředny v sítí GSM (obr. 5.3.1b).

 Pro zjišťování vztlaků a pórových tlaků se používají různé typy otevřených a uzavřených piezometrů (obr. 5.3.2). Rozdíl mezi otevřeným a uzavřeným (též se užívá termín měřidlo pórového tlaku) piezometrem je v tom, že uzavřený měří pórový tlak ve zkoumaném místě, zatímco otevřený výtlačnou hladinu vody.

V nesoudržných, propustných a středně propustných zeminách se využívají hlavně otevřené piezometry (obr. 5.3.3), jejichž nevýhodou je, že určují pouze nejvyšší hladinu podzemní vody a v méně propustných zeminách reagují na změnu tlaku velmi pomalu. Používá se jednotrubicový piezometr, který je poměrně levný a dobře se montuje. Lze jej zabudovat i do špatně přístupných míst. Měřidlo se skládá z dutého válce, který se osazuje do propustné zeminy a do něhož se vkládá vlastní měřící trubice z tvrdého PVC. Dvoutrubicový otevřený hydraulický piezometr již umožňuje měření pórových tlaků v zeminách zcela i částečně nasycených vodou a poměrně rychle reaguje na změny tlaku. Měřidlo se skládá z koncovek z porézního materiálu, kterými do něj vstupuje voda, a vedou z nich dvě trubice k odečítacímu zařízení. Celý systém se zaplňuje odvzdušněnou vodou.

Pneumatický piezometr představuje uzavřený piezometr, který se používá zejména v soudržných zeminách. Mechanismus měření je založen na principu vyrovnání tlaku mezi tlakovou vodou, jejíž zatížení je přenášeno přes filtr na membránu piezometru, a stlačeným vzduchem (popř. dusík), který je přiváděn na druhou stranu membrány. Vyrovnaný tlak odpovídá hledanému tlaku vody (obr. 5.3.4).

Lze využít i poměrně přesné piezometry s kmitající strunou, u kterých je však vysoká technická náročnost a cena. Princip spočívá v uchycení jedné z podstav struny na pružné membráně, která přenáší pórový tlak. Se změnou pórového tlaku se mění napnutí pružiny a tedy i její kmitočet (obr. 5.3.5).

5.4. Technické průzkumné práce

Při průzkumných pracích se vymezuje hloubka a průběh smykových ploch a dokumentují se jednotlivé geologické vrstvy (tělesa). K tomuto účelu slouží celá řada průzkumných metod, jejichž vhodný výběr vychází z konkrétních podmínek. Mezi základní kritéria, která se využívají pro vymezení smykové zóny, patří zejména rozdíly ve vlastnostech hornin nad a pod smykovou zónou (intenzivní navětrání a rozvolnění hornin, porušení původní struktury, vyšší propustnost, překrytí mladších hornin staršími) a vlastnosti hornin ve smykové zóně (mylonitizace, prohnětení, ztráta pevnosti, větší vlhkost, nízká propustnost).

Použité průzkumné metody musí zaručit možnost ověření geologické stavby a vlastností hornin v rozsahu porušení svahovým pohybem, včetně dostatečné mocnosti podložních hornin (Pašek, Matula et al., 1995)

Mezi základní metody patří sondovací rýhy, průzkumné šachtice, vrtané sondy, štoly u skalních hornin.

Sondovací rýhy se používají pro ověření detailu okrajových trhlin větších poruch a mohou být využity také jako odvodňovací drény v případě aplikace v patě svahu.

Průzkumné šachtice musí být již pevně paženy a lze je využít jako objekty pro kontrolní měření pohybu v hloubce nebo jako sběrné studny.

Vrtané sondy představují nejčastější průzkumné dílo, které se používá jak ve skalních horninách tak v zeminách.

Ve skalních horninách je velmi důležitý odběr celistvých vrtných jader. K tomuto účelu slouží především dvojité jádrovnice a popř. speciální výplachy, aby se získalo vrtné jádro v odpovídající kvalitě i z hornin méně kompaktních či porušených. Na obr. 5.4.1a je uveden příklad vzorků odebraných z jádrového vrtu. Příklad okamžitého sevření vrtného stvolu v důsledku svahového pohybu na lokalitě Ostrava - Lhotka je na obr. 5.4.1b.

Průzkumné štoly jako výjimečně realizovaná díla jsou technicky náročná (např. nutnost pažení). Používají se zároveň jako odvodňovací prvky, a proto by měly mít dostatečný spád směrem k recipientu. U hlubokých svahových deformací se razí pod smykovou zónou, která se následně zkoumá v rozrážkách.

5.5. Laboratorní a polní zkoušky pro určení vlastností hornin

Stanovení fyzikálně-mechanických vlastností (viz příklady principů vybraných laboratorních zkoušek – video 5.5.1 – Prosévací zkouška, video 5.5.2 - Hustoměrná zkouška, video 5.5.3 - Mez tekutosti, video 5.5.4 - Smyková zkouška, video 5.5.5 – Oedometr), je důležitým předpokladem zejména pro modelování stability svahů. Důležitý je nejenom výběr odpovídají zkoušky a její kvalitní provedení, ale také reprezentativnost vzorků pro dané geologické těleso (geotechnický typ). Z tohoto pohledu jsou výhodnější polní zkoušky (in situ). Práce se zkouškami dále nezabývá z důvodu rozsáhlosti této problematiky a také z důvodu množství publikací, které je popisují a analyzují. Jsou to například tito autoři Hulla (1987, 1991, 1998), Šimek (1976, 1978, 1983, 1990, 1991), Turček (1991, 1998), Jesenák (1979, 1990), Klablena (1984), Malgot (1992), Klepsatel (1992), Trávníček (1992), McCarthy (1998), Matys (1987, 1990, 1993), Ťavoda (1990), Cuninka (1990), Scott (1974), Vaníček (1976, 1978, 1983, 1990), Eichler (1990), Záleský (1978), Zavoral (1987), Škopek (1986) ad.