Geodetické sledování rekultivovaného svahu Rabenov P. Hánek, J. Braun & I. Janžurová Stavební fakulta ČVUT, Praha, Česká republika P. Hánek (Jr.) VÚGTK v.v.i., Zdiby, Česká republika RESUME: Geodetic monitoring of the reclaimed slope Rabenov The paper describes the geodetic terrestrial measurements with total stations higher accuracy (Leica and Topcon) and GNSS measurements with two NAVSTAR-GPS apparatures in the spatial coordinate network Rabenov (Fig. 1). The network is designed for monitoring displacements of discrete points reclaimed slope. The slope is a part of strip mine Chabařovice in the North Bohemia near of the regional town Ústí nad Labem. Remediation and reclamation of the mine is based on a hydric's method. At the bottom of mine is being created lake Milada. The area of the lake is 247.6 ha and water capacity of 34.4 million m3. This method was first applied for large locality in this locality in the Czech republic. Location also serves as a test area before commencing reclamation of seven other mines in the north Bohemian brown coal basin. The article presents the organization and methods of evaluation of the existing 17 stages of geodetic measurements, the results of the analysis accuracy, the size of individual displacements of grid points and terrain. The paper also provides an example of digital terrain models with a precision scale of 1:1000. Models shows the development of terrain in the southeast part of the network (Fig. 2) after the construction of seven retaining walls. Model on the Figure 3 shows the current status of hillside by the lake. 39
1 ÚVOD 1.1 Lom Chabařovice Těžba hnědého uhlí v lomu Chabařovice, ležícího na jihozápadním okraji Ústí nad Labem, začala v roce 1977. Lom plně pracoval do roku 1994, kdy byl na základě usnesení vlády ČSFR z roku 1991 zahájen útlum. Celkem bylo získáno 61,5 milionů tun kvalitního hnědého uhlí s nejnižším obsahem síry a ostatních karcinogenních látek v ČR. V březnu 2000 byl zastaven poslední technologický celek, který v souladu se schváleným plánem likvidace zajišťoval zasypání dna zbytkové jámy zeminou. V prostorách bývalého lomu se rozhodnutím MŽP ČR z roku 1999 v rámci zahlazování následků těžby provádí sanační a rekultivační práce podle Generelu rekultivací do ukončení komplexní revitalizace území dotčeného těžební činností Palivového kombinátu Ústí, s. p. Těmito pracemi byla výrazně ovlivněna morfologie území. Základem řešení sanace a rekultivace lomu je hydrický způsob. Tento postup byl aplikován v ČR poprvé a byl zároveň zkušebním projektem před započetím rekultivací dalších sedmi zbytkových jam v severočeské hnědouhelné pánvi. Rekultivační a sanační práce zahrnují provedení potřebných terénních úprav, vybudování odvodňovacích příkopů, opěrných zařízení na nestabilních částech, zřízení přístupových cest a také biologickou rekultivaci, zbytková jáma je zaplavována vodou. K 31. lednu 2010 bylo vznikající jezero Milada s rozlohou 247,6 ha a objemem 34,4 mil. m 3 vody naplněno již z 94%. Zrekultivované území bude sloužit pro rekreaci, turistiku, sport, rybolov a další aktivity. Současně bude zastávat významnou funkci krajinně estetickou a ekologickou. Konkrétně v jižní části, která je tvořena výsypkami a nachází se zde sledované území, je plánováno plnění především ekologických funkcí, kde lesnickou rekultivaci budou doplňovat zatravněné plochy. Jihovýchodní část jezera se zálivem bude využívána jako kotviště lodí. Předpokládaný termín ukončení prací je plánován na rok 2015 (Braun et al. 2010). 1.2 Svah Rabenov Svah Rabenov se rozkládá v jihovýchodní části lomu Chabařovice v prostorách bývalé výsypky na vulkanickém vrchu Rovný (376 m n. m.). Území o rozloze 43 ha leží v nadmořských výškách mezi 145 a 275 m. Tento jižní svah je poznamenán trvalými sesuvy, způsobenými geomechanickými vlastnostmi podloží a zemin zde ukládaných v době těžební činnosti a také následnou rekultivací, kdy značně stouply hladiny podzemních vod (Bubeník et al. 2006). Od roku 2003 jsou na svahu Rabenov vykonávána geodetická měření katedrou speciální geodézie fakulty stavební ČVUT v Praze, která společně s katedrou geotechniky v rámci výzkumných záměrů Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy ČR VZ MSM 6840770001 Spolehlivost, optimalizace a trvanlivost stavebních materiálů a konstrukcí, VZ MSM 6840770005 Udržitelná výstavba a Projektu Grantové agentury ČR 103/07/0246 Sledování pohybu svahů a numerické modelování stability svahu v reálném čase sleduje a ověřuje mechanickou stabilitu území (Hánek et al. 2009). Pro vyhodnocení měřených dat byly navrženy a testovány vhodné postupy (Hánek 2010), jednotlivé etapy byly zpracovávány v řadě bakalářských a diplomových prací. 40
2 GEODETICKÁ SLEDOVÁNÍ V SÍTI RABENOV 2.1 Prostorová geodetická síť Rabenov Základní geodetickou činností je etapové měření pozemními a GNSS (GPS) metodami v místní přesné prostorové pravotočivé měřické síti na jižní části svahu Rabenov se stanovisky zajištěnými přesnými geotechnickými instrumentacemi. Síť původně se 4 body je v současné době tvořena 3 inklinometrickými vrty hloubky 24 metrů, v níž už byla předpokládána stabilita podloží (obr. 1). Základní stanovení polohy bodů Rab01 až 03 bylo geodetické. Vzhledem k provedení jde o body, jejichž poloha se v čase do jisté míry mění vlivem prostředí, ale vektory změn polohy zhlaví výstroje ( y, x a z) jsou s vysokou přesností stanoveny geotechnickými metodami. Obr. 1 Síť Rabenov, stav duben 2009 Od dubna 2003 proběhlo v síti již 17 etap terestrických a GPS měření pomocí přesných totálních stanic Leica a Topcon, resp. soupravy Trimble 5700. Výchozím bodem je bod Rab01, který je považován za stabilní. Spojnice Rab01-Rab03 délky 419 m 41
leží zhruba na horizontále na vypuklém zlomu terénu a je do ní vložena osa +X. Převýšení bodů Rab02 a Rab03 dosahuje přibližně 65,5m na délku 693m. Trojúhelníkové úhlové uzávěry se v úvodních etapách pohybovaly v rozmezí -0,7 až +2,7 mgon. Na jejich základě byla vypočtena empirická směrodatná odchylka (střední chyba) vodorovného úhlu s ω = 0,76 mgon, která vystihuje vnější přesnost měření, tj. s uvážením viditelnosti, refrakce, vibrací ovzduší, změn osvětlení a mikrozměn postavení, ovšem bez vlivu centrace na speciální znaky, vkládané do hlav vrtů. Tato hodnota byla v rozborech použita i pro zenitové úhly. Pro protisměrně měřené délky, převedené příslušnými korekcemi na vodorovné, byla vypočtena směrodatná odchylka s d = 1,6mm, odpovídající údajům výrobce a podmínkám při měření. Hodnota trojúhelníkového výškového uzávěru se pohybuje v intervalu ±14,6mm, takže nikdy nebyly překročeny teoretické mezní chyby. Pro vyrovnání místní sítě Rabenov byl vybrán program GNU GaMa / Rocinante. Směrodatné odchylky v místních souřadnicích dosahují hodnot maximálně s y = 2,0mm, s x = 2,3mm a s z = 2,5mm. Vzhledem k tomu, že na základě vyhodnocení terestrických měření v síti Rabenov bylo vysloveno podezření na nestabilitu stanoviskových bodů, bylo třeba lokální síť připojit do geodetického referenčního systému, resp. do velké regionální sítě. Současně byl vysloven požadavek na nalezení technologie pro rychlé geologické mapování terénních zátrhů, stupňů a deformací povrchu terénu. Ve spolupráci s katedrou mapování FSv byly používány dvě rozdílné soupravy firmy Trimble pro systém NAVSTAR-GPS, geodetická aparatura 5700 a souprava pro pořizování dat geografických informačních systémů (GIS) GeoExplorer CE. Prvotním úkolem měření GNSS bylo zajištění prostorové transformace (Helmertova polohová transformace s Jungovou dotransformací a výšková transformace na těžiště) mezi jednotlivými etapami měření sítě prováděnými totálními stanicemi do referenčních systémů S-JTSK a Bpv. Empirická přesnost aparatury Trimble 5700, ověřená na 9 bodech JTSK rychlou statickou metodou, je charakterizována hodnotami s y = 0,03m, s x = 0,02m a s z = 0,07m. Od roku 2004 v síti Rabenov proběhlo 13 etap měření metodou GNSS. Vnitřní přesnost, vypočtená z opakovaných měření pro body sítě a body opěrných zdí, je charakterizována směrodatnými odchylkami s y = 2mm, s x = 3mm a s z = 5mm. Z vyhodnocených terestrických měření byly zjištěny posuny bodů sítě od základní polohy až 0,08m, přičemž roční posun tvoří zhruba 0,01m severním směrem (tj. Ve směru spádu). Ve výšce bodů je u bodu Rab03 patrné neustálé klesání, oproti původní výšce klesl již o 0,10m. Naopak na bodu Rab02 byl v roce 2005 zaznamenán vzestup o 0,06m a od té doby také klesá, v současnosti je o 0,01m výše oproti původní poloze. Výsledky a bližší informace byly publikovány např. v (Bubeník et al. 2006). 2.2 Měření terénu v území Rabenov Natural hazards (optimisation of protection, interaction with structures) V terénu bylo do roku 2007 stabilizováno zhruba 30 diskrétních charakteristických bodů, které byly sledovány terestricky. Byly realizovány zaraženou ocelovou tyčí průměru 60mm o délce 1,25m. Na horním konci je opatřena závitem (s krycím víčkem), do kterého se při měření souose vkládá rozměrný speciální přípravek se dvěma všesměrnými odraznými hranoly Leica, zajišťující viditelnost i ve vegetačním období vysokých náletových plevelů a dřevin, a umožňující výpočet změn prostorového úhlu osy přípravku. Body byly rozmístěny i vně sítě po celém zájmovém území tak, aby charakterizovaly terén a jevy na něm vznikající. Kromě toho byly v terénu instrumentovány vrty pro geotechnická měření, u nichž se přípravkem měřil jejich střed. Posuny mezi etapami dosahovaly ve směru osy Y, tj. ve směru spádu, hodnot až 0,04m, ve výšce (osa Z) -0.01m, v ose X byly neprůkazné. Je zřejmé, že během léta do- 42
cházelo ke zpomalení sesuvu a pokračovalo pouze sedání svahu. Pravděpodobně je to způsobeno vysycháním půdy i některých pramenů vody. Výsledky zpracování naznačují, že posun kolísá ve vazbě s ročním obdobím. Nestabilita se projevovala pohyby s rozdílnými rychlostmi a hloubkou smykové plochy; posuny probíhají v pokryvném útvaru, podložních jílech i v samotném tělese výsypky. Na základě výsledků geotechnických a geodetických měření byla roku 2007 přijata významná změna projektu. Zhruba uprostřed svahu došlo k výstavbě sedmi mohutných kotvených opěrných zdí. Současně byl terén v horní části snížen zhruba o 1m, ve svahu až o 5m, naopak pata svahu u břehů jezera byla přitížena. Na dvou zdech byly instrumentovány sledovací stanice. Poloha 4 z nich je sledována geodeticky; je zaznamenán posun a pokles (s kontrolou přesnou nivelací) řádově 0,02m. V posledních etapách, které proběhly v dubnu a červenci let 2009 a 2010, byl zaměřen podklad pro vyhotovení digitálního modelu terénu (DMT), s přesností odpovídající měřítku 1:1000 (obr. 2). Bude využit pro zjištění celkových poměrů na celém svahu. Ve vytipované jihovýchodní lokalitě je plánováno etapové měření pro zjištění vývoje svahových zátrhů. Obr. 2 DMT jihovýchodní části, stav duben 2009 a duben 2010 Během posledních tří etap byl v severovýchodní oblasti svahu zaměřen podélný profil o délce 800 m. V horní části začíná pod opěrnými zdmi a v dolní končí u hladiny jezera. Při porovnání profilů na jižní části svahu nejsou vidět zásadní změny. Na severní je možno pozorovat mírný zdvih mezi měřeními v měsíci dubnu a červenci 2009, který může být způsoben stavebním pracemi při patě svahu, které mají za úkol jej stabilizovat. Samozřejmě i pro tuto část byly zaměřeny a v rámci diplomové práce (Braun 2011) zpracovány DMT (obr. 3). 43
Obr. 3 Přitížení na patě svahu, stav červenec 2010 3 ZÁVĚR Výsledky sanačních a rekultivačních prací a opatření proti sesuvům jsou v zájmové oblasti znatelné. Sice se stále objevují trhliny, zátrhy, ploužení a sesuvy, které jsou způsobené nestálostí jednotlivých vrstev zeminy, ale dosahují mnohem menších velikostí, o čemž svědčí i zjištěné hodnoty při geodetických měřeních. Dokud nebudou dokončeny všechny sanační práce, nebude zřejmě možné prohlásit oblast za stálou, což zatím brání jejímu plnému plánovanému využití. REFERENCE Bubeník, F., Hánek, P. (Jr.), Hánek, P. & Janžurová, I. 2006. Geodätische Messungenvon Hangrutschungen. Allgemeine Vermessungs-Nachrichten (1): 310-315. Hánek, P., Janžurová, I. & Hánek, P. (Jr.) 2009. Vývoj geodetického monitoringu v lokalitě Rabenov. Stavební obzor (9): 283-285. Braun, J., Grešš, T. & Hánek, P. 2010. Geodetický monitoring na rekultivovaném území povrchového lomu. Pozemkové úpravy (40): 1-3. Hánek, P. (Jr.) 2010. Entwicklung eines geodätischen Monitoring-Systems und eines Fuzzy-Entscheidungsmodells für den Standort Rabenov. Allgemeine Vermessungs - Nachrichten (11-12): 367-373. Braun, J. 2011. Diplomová práce. FSv ČVUT v Praze. 44