HYDRAULICKÝ VÝZKUM VODNÍCH DĚL – HARCOV, KLABAVA, KORYČANY M. Králík, L. Satrapa, M. Zukal Anotace Příspěvek je zaměřen na fyzikální modelování bezpečnostních zařízení přehrad. V posledních letech se v České republice bezpečnost pojistných zařízení přehrad začala posuzovat s ohledem na extrémní povodňové průtoky Q10 000. Správci vodních děl se snaží najít možnosti zvýšení kapacity stávajících často poddimenzovaných přelivů. Nedostatečná kapacita vyplývá z rozdílných podmínek při projekci vodních staveb v porovnání s dnešními požadavky.
Klíčová slova Přehrada, bezpečnostní přeliv, extrémní povodeň.
Abstract The paper is oriented to physical modelling of safety devices of water structures. Recently, the safety of outlet structures of water structures in the Czech Republic started to be evaluated with taking into account the extreme flood flow rates Q10 000. The managers of water structures try to find possible ways to increase the capacity of existing spillways. The unsatisfactory capacity is caused by different conditions in the past when designing the water structures comparing to present requirements.
Key words Water dam, spillway, extreme flood
Úvod Bezpečnost vodního díla je nutno posoudit z různých hledisek. Mezi nejdůležitější lze zařadit riziko porušení přehrady, v extrémním případě až její protržení. Destrukce přehrady může u sypaných hrází nastat v důsledku přelití koruny hráze, u betonových přehrad nedostatečnou stabilitou tělesa hráze, podloží, případně i z jiných příčin. Dalším kritériem může být kapacita pojistných zařízení (bezpečnostní přelivy, spodní výpusti). Pro posouzení ochranné funkce nádrže a hydraulické kapacity pojistných zařízení přehrad se uvažuje s kontrolní povodní Q10 000. V neposlední řadě je také nutno zhodnotit rozsah povodňových škod v území pod vodním dílem. Věcný obsah a rozsah posudků bezpečnosti vodních děl je zakotven v české legislativě. V příspěvku jsou uvedeny možnosti zvýšení kapacity pojistných zařízení u třech sledovaných přehrad s různými typy bezpečnostních přelivů. Správci těchto vodních děl museli přistoupit k rekonstrukci bezpečnostních přelivů. Pro ověření zpracovaných projektů navrhovaných rekonstrukcí bylo využito fyzikální hydraulické modelování. Fyzikální modely byly vystavěny ve vodohospodářské laboratoři, Fakulty stavební Českého vysokého učení technického v Praze, kde se modelovému výzkumu vodních děl věnuje velká pozornost již řadu let. Prvním příkladem je model VD Harcov. VD Harcov se nachází v severních Čechách, bylo do provozu uvedeno v roce 1904 a jedná se o 19 m vysokou zděnou hráz. Hydrotechnický výzkum (měřítko modelu 1:20) byl zaměřen na ověření kapacity současného bezpečnostního přelivu, skluzu, vývaru a na návrh technických opatření pro převedení nově určené kontrolní povodně. Celkem bylo provedeno 17 různých variant měření, u kterých se měnila dispozice a konstrukční uspořádání jednotlivých částí bezpečnostního zařízení a odpadu od něj. Výzkum byl realizován v celém spektru povodňových průtoků, tj. 0 – 90 m3.s-1 ve skutečnosti. Pro všechny varianty měření byly sledovány polohy hladin v nádrži, skluzu, vývaru a v korytě pod hrází. Dále byly pomocí tlakových sond měřeny tlakové poměry ve skluzu. Rychlostní pole na konci vývaru bylo popsáno vyhodnocením dat změřených
hydrometrickou mikrovrtulí. Byl navržen nový tvar přelivné plochy, umístění nového žebra ve spadišti a úprava předpolí bezpečnostního přelivu. Výzkum VD Klabava měl posoudit studii zabezpečení vodního díla před účinky velkých vod. VD Klabava leží cca 70 km západně od Prahy a bylo dokončeno v roce 1957. Hráz je zemní sypaná s výškou 15 m. Měřítko modelu bylo po analýze řady sledovaných průtoků (max. průtok ve skutečnosti – 460 m3.s-1) a možnostech laboratoře zvoleno 1:30. Obdobně jako u předchozího modelu bylo v průběhu realizováno a posouzeno několik variant dispozičního uspořádání. Velká pozornost byla věnována vývaru za skluzem přelivu, kde byly navrženy tlumicí a usměrňující prvky. Po jednáních s projektanty byla některá řešení navržena a odzkoušena na fyzikálním modelu a zapracována do finální podoby projektu. Posledním příkladem využití hydrotechnického výzkumu při posuzování kapacity bezpečnostních přelivů a objektů s ním spojených je projekt VD Koryčany. Toto vodní dílo se nachází na jižní Moravě a bylo dostavěno v roce 1959. Maximální návrhový průtok ve skutečnosti je 160 m3.s-1. Hráz je sypaná zemní s maximální výškou nad terénem 25 m. Pomocí modelu v měřítku 1:20 byly ověřovány hydraulické výpočty bočního bezpečnostního přelivu, spadiště, skluzu a vývaru. Hlavní cílem bylo z několika navržených variant rekonstrukce vybrat tu optimální, při níž dojde k minimálním zásahům do současného stavu, současně s navýšením kapacity přelivu z původních 85 m3.s-1 na požadovaných 160 m3.s-1. Jednotlivé varianty se lišily v dispozičním i konstrukčním řešení. Pro všechny varianty měření se sledovaly polohy hladin v nádrži, spadišti, skluzu, vývaru i v korytě pod hrází. Byly měřeny pulsace tlaků ve spadišti a skluzu. V průběhu výzkumu byla prováděna optimalizace podélného usměrňujícího žebra ve spadišti. Další část prací byla zaměřena na ověření kapacity odpadní štoly od spodních výpustí a režimu proudění vody v ní za předpokladu zaústění další, nově navrhované spodní výpusti. Provedený modelový výzkum poskytl správci vodního díla dostatek kvantitativních i kvalitativních parametrů, na základě kterých může provést výběr finální varianty rekonstrukce. U uvedených přehrad je v současnosti ukončen hydraulický modelový výzkum a jeho výsledky jsou v plné míře zohledněny v zahájené projektové přípravě. V případě VD Klabava a VD Koryčany je vyhotoven projekt pro územní řízení a připravuje se projekt pro stavební povolení. Pomocí realizovaných výzkumných prací byly optimalizovány výchozí varianty rekonstrukcí, které přispějí ke zvýšení bezpečnosti těchto vodních děl.
VD Harcov Popis vodního díla Vodní dílo Harcov, nebo jak se také někdy uvádí Liberecká přehrada, leží nedaleko centra Liberce. Původně bylo vybudováno na okraji tohoto města, ale přirozeným rozvojem města za posledních sto let se stalo nedílnou součástí městského prostředí. Nádrž se zalesněnými stráněmi v okolí tvoří příjemnou partii Liberce, která celoročně slouží k odpočinku a rekreaci. Výjimečnost tohoto vodního díla potvrzuje i fakt, že jej lze najít v seznamu kulturních památek Národního památkového ústavu, kde je zapsáno již od roku 1958. Impulzem pro výstavbu tohoto vodního díla byla série ničivých povodní v druhé polovině 19. století. V posledních několika letech se pozornost provozovatele vodního díla, státního podniku Povodí Labe, zaměřila na otázku bezpečnosti vodního díla při průchodu extrémních povodňových průtoků. Z tohoto důvodu byla vypracována řada studií zaměřená na vyhodnocení parametrů ovlivňujících extrémní průtoky. V první řadě se posuzovala hydrologická data. Je zřejmé, že původní data použitá při projektování více než před sto lety se budou lišit od údajů dnes běžně používaných pro posudky bezpečnosti vodních děl. Požadovaná míra ochrany vzrostla z hodnoty stoleté povodně Q100 na hodnotu o dva řády vyšší tedy Q10 000.
Obr. 1. Foto současného stavu Problematika kapacity přelivu Současná kapacita bezpečnostního přelivu (o pěti polích) byla výpočtem stanovena na hodnotu 16,31 m3.s-1 a kapacita obou spodních výpustí na průtok cca 12 m3.s-1. Jen připomeňme, že nejvyšší průtok pozorovaný na Harcovském potoce v době projektování Harcovské přehrady byl 20 m3.s-1 (30. července 1897). V současné době je hodnota stoleté povodně Q100 = 30,1 m3.s-1. Zvýšení kapacity vodního díla je teoreticky možné realizovat různými technickými opatřeními zvýšením kapacity stávajícího bezpečnostního přelivu (např. snížením přelivných hran přelivných polí), vybudováním nové spodní výpusti, přidáním dalšího bezpečnostního přelivu (např. bočního na pravém břehu) a další možnosti. Je však bezpodmínečně nutné k výběru řešení přistupovat velice zodpovědně, aby nedošlo k narušení historického rázu této významné kulturní památky. Pokud budou úpravy po stavební stránce provedeny citlivě (se zachováním charakteru původního zdiva) pak by tento zásah neměl mít nepříznivý vliv na celkový historický ráz vodního díla ani na jeho okolí a životní prostředí. Na základě doporučení odborníků byly z teoreticky možných variant vybrány a podrobněji rozpracovány varianty, které se jeví jako proveditelné. Nicméně před výběrem definitivního řešení zvýšením kapacity vodního díla bude nutné posoudit i kapacitu kaskádového skluzu pod bezpečnostním přelivem. Převádění vody přes kaskádu je velice složitý hydraulický jev, který nelze popsat jednoduchým výpočtem, proto se v těchto případech používá pro otestování proudění vody fyzikální hydraulický model. Hydrotechnický modelový výzkum Cílem modelového výzkumu bylo ověřit a zpřesnit výpočty bezpečnostního přelivu a skluzu. Kapacitu přelivu na VD Harcov ovlivňuje tvar přelivné plochy, drsnost přelivné plochy, pilíře mezi jednotlivými poli, předpolí bezpečnostního přelivu, klenby mostovek a dolní voda ze skluzu. Všechny tyto detaily bylo potřeba zohlednit při fyzikálním modelování, aby výsledky byly co nejvěrohodnější. Model VD Harcov (předpolí, bezpečnostní přeliv, spadiště, klenby mostovky, vývar a koryto pod přehradou) byl navržen a vybudován v měřítku M - 1:20. Na výsledky výzkumu současného stavu navázala další etapa, která odpověděla na otázky výběru nejvhodnější varianty úpravy bezpečnostního přelivu a skluzu pro převádění kontrolní povodně o průtoku Q10 000 = 194 m3.s-1.
Obr. 2. Model VD Harcov Výsledky experimentů Výsledky všech variant měření byly vyhodnoceny měrnou křivkou bezpečnostního přelivu, podélnými profily hladin ve skluzu, polohou hladin ve vývaru a korytě pod přehradou a tlakovými pulsacemi ve skluzu. První série měření vyhodnotila současný stav za předpokladu hladké přelivné plochy a přelivné plochy osazené kamennými kvádry. Z porovnání těchto měření jsme dospěli k závěru možnosti plného využití fyzikálního modelu pro přepočet všech sledovaných veličin (průtoků, hladin a pulsací hladin) na skutečné vodní dílo. Měrná křivka bezpečnostního přelivu
375,2 375,0
hladina [m n. m.]
374,8 374,6 374,4 374,2 374,0 373,8 373,6 373,4 manipulační řád
373,2 Králík - výpočet
373,0 372,8
měření 5
372,6 372,4 0
20
40
60
80
100
120
140
160
Průtok Q [m3 s-1]
Obr. 3. Měrná křivka přelivu Návrhové varianty bezpečnostního přelivu a skluzu byly řešeny v návaznosti na „Studie opatření k zajištění bezpečnosti vodního díla při povodních“, ve spolupráci s projektantem a provozovatelem vodního díla. Návrh varianty upraveného přelivu navazuje na výsledky měření stávajícího přelivu. Bezpečnostní přeliv. Kapacita bezpečnostního přelivu byla odečítána a nastavována při každém odpovídajícím měření a odpovídá manipulačnímu řádu do výšky přepadového paprsku 0,8 m. Při
vyšších přepadových výškách dochází k výraznému ovlivňování kapacity přelivu klenbou mostu, a tím k obtížně uchopitelnému hydraulickému výpočtu o redukci průtoku. Navrhované úpravy na bezpečnostním přelivu podle „Studie opatření k zajištění bezpečnosti vodního díla při povodních“ jsou uvedeny v tab. 1 (varianty A, B, C). Tyto úpravy jsou reálné z hlediska možnosti minimálního stavebního zásahu do konstrukce přelivu při snaze o maximální zvýšení kapacity. Tab. 1. Varianty úprav bezpečnostního přelivu VD Harcov varianty úprav bezpečnostního přelivu A
snížení 2 x 0,75 m a 2x 0,5 m
B
snížení 2 x 0,75 m a 1x 0,5 m
C
snížení 3 x 0,5 m
D
snížení 5 x 0,4 m, podtlaková přelivná plocha
Úprava bezpečnostního přelivu navržená kolektivem pracovníků na Katedře hydrotechniky (varianta D) vychází z poznatků a měření na modelu stávajícího bezpečnostního přelivu s ohledem na zachování stávajícího historického rázu přehrady a zachování spolehlivé hydraulické funkce přelivu (u krajního levého pole přelivu by při větším snížení hrany přelivu docházelo k velkému ovlivnění proudění vody přes přeliv vodou ze skluzu). Byl navržen a úspěšně otestován nový tvar přelivu s podtlakovou přelivnou plochou, u kterého byla snížena přelivná hrana o 0,4 m oproti současné. Výhodou podtlakové plochy ve srovnání se stávajícím přelivem je její vyšší kapacita zvláště při vyšších přepadových výškách a dále úspora místa na vzdušní patě přelivu, kde dojde k vytvoření většího prostoru pro tlumení kinetické energie vody přepadající přes přeliv. Skluz. Úpravy dna a stěn skluzu budou řešeny na základě výsledků fyzikálního modelu s ohledem zachování historického rázu této významné kulturní památky. Předpolí bezpečnostního přelivu. Rozšíření předpolí bezpečnostního přelivu je výhodné z hlediska lepších nátokových podmínek na přeliv samotný. Při rozšířeném předpolí dochází k nárůstu kapacity o 10% (při hladině vody v nádrži na úrovni koruny hráze 373,90 m n. m).
VD Klabava Popis vodního díla Vodní dílo tvoří sypaná zemní hráz se šířkou v koruně 5 m a sklonem koruny směrem k návodní straně. Sklon návodního svahu hráze je 1:3 s dvěma lavičkami o šířce 1 m a vzdušního svahu je 1:2. Při nasypávání tělesa hráze bylo použito hlinito-jílovito-štěrkovito-písčitého materiálu. Hráz je 403,6 m dlouhá, při maximální výšce 12,6 m a celková šířka hráze v patě je 72 m. Bezpečnostní přeliv je situován v levém boku hráze. Jeho vtok je široký a opevněný kamennou dlažbou. Na začátku skluzu je betonový přelivný blok, ve kterém je umístěno 6 otvorů o šířce 2,76 m a výšce 1,5 m. Přelivný blok je osově rozdělen dělícím pilířem na dvě pole pro konstrukci přemostění. Dělící pilíř má proudnicový tvar, v nejširším místě je široký 1 m. Za přelivem následuje odvedení vody širokým skluzem ze železobetonu. Za přelivem se odpadní koryto o spádu 1,5 % a 2 % zužuje v oblouku ze šíře 31 m na šířku 10 m a přechází do skluzu o spádu 38,8 %. Boční zdi bezprostředně za přelivem se snižují z výšky 6,6 m na výšku 4,5 m a ve vlastním skluzu se ještě zvyšují na 4,65 m.
Obr. 4. Foto současného stavu Na konci skluzu je vývar široký ve dně 10 m, do kterého ústí společně voda ze skluzu i spodních výpustí. Jeho délka je 38,29 m a hloubka 3,5 m. Vývar končí prahem, jehož čelní svislá stěna o výšce 1,75 m přechází šikmou rovinou o sklonu 1:2 na dno odpadního koryta řečiště o spádu 3 ‰. Odpadní koryto je lichoběžníkového tvaru a je opevněno kamennou dlažbou. Základové výpusti jsou tvořeny dvěma ocelovými potrubími. Při pohledu na vzdušní líc se vpravo nachází výpust o průměru 1800 mm a vlevo výpust o průměru 800 mm. Na vzdušní straně jsou obě základové výpusti opatřeny regulačními segmentovými uzávěry. Z havarijních důvodů a z důvodů jednodušší pravidelné údržby jsou na návodní straně navrženy tabulové uzávěry. Problematika kapacity přelivu Vodní nádrží na Klabavě u Ejpovic prošla v roce 2002 mimořádná povodeň, která vznesla požadavek na rekonstrukci bezpečnostního přelivu vodního díla se zřetelem na zvýšení jeho kapacity. Technická opatření na VD Klabava řešené v projektové dokumentaci zahrnují úpravu bezpečnostního přelivu a skluzu, vybudování nového vlnolamu na koruně hráze s navázáním na stávající těsnící jádro a zajišťovací práce v podobě záhozového prvku pod hrází. Bezpečnostní přeliv bude rozšířen o jedno pole šířky 15 m. Navazující skluz bude v horní části rozšířen a dále se bude plynule zužovat až k ústí do vývaru, kde bude mít původní šířku. Nové přelivné pole bude stejného tvaru jako stávající přelivné pole. Konstrukce dna skluzu bude kompletně nahrazena novou železobetonovou deskou. V prostoru nátoku bude objekt postupně rozšířen až k přelivu. Stávající pravá zeď ve skluzu bude navýšena. Přes přidané pole přelivu bude vybudována lávka, uložená na střední pilíř a novou levou zeď skluzu. Nový vlnolam na koruně hráze bude hydraulicky řešen s ohledem na výběh větrových vln po návodním líci. Posuzované úpravy pro převádění Q1 000 Rozšíření nad přelivným objektem. Účelem rozšíření v prostoru nádrže je zajistit dostatečný průtočný profil v nátoku na bezpečnostní přeliv, tak aby nedocházelo k omezení průtočnosti nově přidaného přelivného pole. Rozšíření bude trojúhelníkového tvaru plynule se rozšiřujícího ve směru natékající vody. Stávající levá zeď bude ubourána a její koruna dobetonována na kótu 349,07 m n. m. Dno rozšíření za takto upravenou zdí bude rovněž na kótě 349,07 m n. m. a bude opevněno kamennou dlažbou tl. 30 cm do betonového lože tl. 20 cm, spárovanou cementovou maltou. Na levé straně bude rozšíření zajištěno novou železobetonovou zdí se sklonem obou líců 10:1. Šířka koruny nové zdi bude 0,8 m. Úprava přelivného objektu. Stávající přelivný objekt bude rozšířen na levé straně přidáním jednoho pole šířky 15 m. Kóta přelivné hrany bude zachována stávající na kótě 350,07 m n. m., přelivná plocha
bude provedena dle původního návrhu jako Smetanova tlaková přelivná plocha s návrhovou přepadovou výškou 1 m. Dělící pilíř mezi novým polem a stávajícím přelivem bude přibetonován na stávající zeď po jejím ubourání pod úroveň přelivné hrany. Pilíř bude hydraulicky zaoblen, stejným způsobem jako stávající střední pilíř. Po dobu stavby nového pilíře bude sousední pole lávky provizorně podepřeno. Přemostění přelivu. Přes stávající přelivný objekt je vedena lávka pro pěší. Nosná konstrukce je z hlediska statického působení řešena jako prostý nosník tvořený čtyřmi válcovanými profily I 380 překrytými železobetonovou deskou a krycím betonem. Pole této lávky sousedící s novou konstrukcí bude na dobu stavby nového pilíře provizorně podepřeno ocelovou konstrukcí. Nové pole přelivu bude přemostěno navazující novou lávkou stejné konstrukce jako stávající lávka. Rozšíření skluzu. Rozšíření skluzu naváže na nové přelivné pole. Přírůstek šířky 15 m se bude plynule zužovat až k zaústění skluzu do vývaru. Nová levá zeď bude v maximálním rozsahu budována pod ochranou staré zdi skluzu. Sklon obou líců zdi bude 10:1, výška zdi se po délce skluzu mění tak, aby při minimální výšce spolehlivě zajistila svah a neumožnila proudící vodě při průchodu KPV vybřežit. Koruna zdi je převýšena o bezpečnostní rezervu 30 cm nad výpočtovou maximální hladinu KPV ve skluzu. Úprava stávající levé zdi skluzu. Stávající levá zeď skluzu bude rekonstruována z důvodu předpokládané špatné kvality betonu. Sanace bude spočívat v odbourání 50 cm tloušťky zdi z vnitřní strany skluzu a následné přibetonování proarmované desky z kvalitního betonu. Přibetonávka bude přikotvena ke zbytku stávající zdi. Úprava stávající pravé zdi skluzu. Úprava pravé zdi se skládá z navýšení zdi, reprofilace poškozených povrchů betonu. Oprava bude zahrnovat i objekt výtoku ze spodních výpustí. Přitěžovací lavice. Konstrukce přitěžovací lavice zabraňující poškození hráze při průchodu KPV je situována v místě ohroženém proudící vodou. Lavice bude tvořena těžkým kamenným záhozem na povrchu opatřeným násypem v tloušťce 30 cm a ohumusováním se zatravněním. Úprava vlnolamu na koruně hráze. Nový vlnolam na koruně hráze umožní, společně s prodloužením těsnění, navýšení mezní bezpečné hladiny na úroveň 351,79 m n. m., která je třeba pro provedení KPV. Nový vlnolam je navržen hydraulicky zaoblený s kótou koruny 353,20 m n. m. Výška železobetonové konstrukce vlnolamu nad terénem je 1,1 m. Zaoblení je navrženo tak, aby navazovalo na sklon návodního svahu hráze ve sklonu 1:3. Konstrukce vlnolamu je uzpůsobena výpočtu výběhu vlny na návodní líc, ve kterém je zohledněna změna údajů o síle větru v zájmové lokalitě. Hydrotechnický modelový výzkum Předmětem zadaného hydraulického modelového výzkumu, uskutečněného ve vodohospodářské laboratoři Fakulty stavební ČVUT v Praze, bylo zpřesnit a ověřit hydraulickou funkci předpolí, bezpečnostního přelivu, skluzu, vývaru, koryta pod hrází a spodních výpustí při povodních. Měrná křivka na vodním díle Klabava byla změřena a vyhodnocena na modelech z let 2005 a 2008. Na základě těchto měření byla zpřesněna měrná křivka a bylo možno lépe navrhnout úpravu bezpečnostního přelivu pro převádění Q1 000. Návrh úpravy bezpečnostního přelivu představuje jeho rozšíření na levou stranu do délky 15 m. Přelivná plocha zůstává stejná jako stávající – Smetanova přelivná plocha pro návrhový přepadový paprsek 1 m. Předpolí nového pole přelivu je pod úrovní koruny přelivu sníženo o 1 m, což může způsobovat výpočtové komplikace měrné křivky - nátok vody na přeliv a snížení kapacity přelivu.
Model VD Klabava (výtoková okna, bezpečnostní přeliv nad okny, nový přeliv, spodní výpusti, skluz, vývar, koryto pod vodním dílem a předpolí bezpečnostního přelivu) byl navržen a vybudován v měřítku M - 1:30.
Obr. 5. Model VD Klabava
Výsledky experimentů Celkem bylo provedeno 17 různých variant měření dispozičního a konstrukčního uspořádání bezpečnostního přelivu, skluzu a vývaru i variantního řešení převádění povodňových průtoků pro řadu simulovaných N-letých průtoků. Pro všechny varianty měření se sledovaly polohy hladin v nádrži, skluzu, vývaru, v korytě pod hrází, měřily se tlakové poměry ve skluzu (pomocí tlakových sond) a rychlostní pole na konci vývaru (pomocí hydrometrických mikrovrtulí). Byly vyhodnocovány měrné křivky navrženého bezpečnostního přelivu. Byly modelovány různé kombinace rozrážečů a usměrňovače při převádění povodňových průtoků a vyhodnocován jejich vliv na proudové poměry ve vývaru a v korytě za ním.
Měrná křivka bezpečnostního přelivu VD Klabava 353
352
351
hladina [m n. m.]
350
349
348
návrhový stav současný stav
347
výpočet
346
345 0
50
100
150
200
250
300
průtok Q [m3.s-1]
Obr. 6. Měrná křivka přelivu
350
400
450
500
Bezpečnostní přeliv. Kapacita stávajícího přelivu je nízká vzhledem ke kontrolní povodni Q1 000. Přešetření a zpřesnění kapacity stávajícího přelivu bylo zapotřebí především proto, aby byly dostatečné podklady pro navržení přelivu nového (hydraulický výzkum z let 2005 a 2008). Na základě výsledků tohoto měření byl proveden zcela nový návrh přelivu se stejnou přelivnou plochou jako stávající přeliv. Výsledky vyhodnocení změřené měrné křivky pro Q1 000 = 447 m3.s-1 - dle měření 352,13 m n. m., - dle projektu 351,79 m n. m., - dle VD TBD KMH 352,31 m n. m. Skluz. Stávající skluz je dispozičně řešen v oblouku a málo kapacitní pro převádění Q1 000, proto byl s novým přelivem taktéž rozšířen skluz. Z hydraulického modelu vyplývá potřeba pro převádění Q1 000 navýšení levé stěny skluzu o 0,55 m v okolí profilu č. 4 a 1 m v okolí profilu 7. Vývar. Hloubka dolní vody za vývarem ovlivňuje jeho funkci, a tím i tlumení kinetické energie vody odcházející do koryta pod přehradou. Proudění vody na konci vývaru je nesymetrické vlivem zatočeného skluzu. Proudění vody na konci vývaru bylo vyhodnocováno pomocí rychlostního pole. Bylo navrženo a otestováno šest variant tlumení kinetické energie vody a usměrnění proudění vody, aby koryto pod vodním dílem bylo, pokud možno, namáháno rovnoměrně rozděleným proudem vody.
VD Koryčany Popis vodního díla Vodárenská nádrž Koryčany byla postavena v 50. letech minulého století, kdy se hledaly nové zdroje vody pro rozvíjející se průmysl a zásobování obyvatelstva. Celá oblast Hodonínska a Kyjovska byla ovlivněna těžbou hnědého uhlí, poddolování se projevilo i změnami v podzemních vodách. Vhodný přehradní profil byl nalezen na řece Kyjovce, asi 1 km na východ od Koryčan. Řeka Kyjovka pramení v Chřibech a její povodí je zalesněné, takže podmínky byly pro vodárenskou nádrž vhodné. Vodní dílo Koryčany na toku Kyjovka se díky svému významu a stupni ohrožení území pod ním řadí pro potřeby technicko-bezpečnostního dohledu do II. kategorie. Z hlediska TNV 75 2935 Posuzování bezpečnosti vodních děl za povodní byla pro VD Koryčany stanovena kontrolní povodňová vlna KPV10 000. Jelikož stávající bezpečnostní přeliv není dostatečně kapacitní, bylo rozhodnuto o jeho nutné rekonstrukci, včetně navazujícího skluzu a vývaru. Společnost Vodní díla – TBD a. s., pracoviště Brno, vypracovala návrh na rekonstrukci stavebních objektů bočního bezpečnostního přelivu, spadiště, skluzu, vývaru, odpadního koryta a spodní výpusti.
Obr. 7. Foto současného stavu Posuzované úpravy Studie návrhu opatření k bezpečnému převedení KPV10 000 projektově řeší rekonstrukci souboru objektů na hrázi a pod hrází VD Koryčany, zabezpečujících bezpečné převedení extrémních povodňových vln (bezpečnostní přeliv se spadištěm, skluz s přemostěním, vývar, koryto Kyjovky pod hrází s přemostěním, spodní výpusti, koruna hráze, injekční clona). Koruna hráze: Navrhované řešení spočívá v navýšení těsnicího prvku sypané hráze. Toto těsnění sahá do výškové úrovně 307,40 m n. m. Vzhledem k navýšení mezní bezpečné hladiny MBH na kótu 308,15 m n. m. ze stávající 307,20 m n. m. Bezpečnostní přeliv: Kapacitu stávajícího přelivu výrazně ovlivňuje velmi malá šířka spadiště a zejména malý průtočný profil pod přemostěním na začátku skluzu. Oproti stávajícímu stavu je přeliv v návrhové variantě 2B2 - Ba mírně prodloužen (delší přelivná hrana o 1,0 m), mírně snížena úroveň koruny přelivu (o 0,40 m - z 306, 60 m n. m. na 306,20 m n. m.), výrazně rozšířeno spadiště (v koncovém profilu o 6,0 m - z 3,0 m na 9,0 m) a také mírně zahloubeno jeho dno (o 0,40 m). Skluz – varianta IV: V návrhové variantě IV dochází ke stavebním úpravám pravobřežní zdi skluzu a výšky dna skluzu: - délka skluzu - cca 69,0 m, šířka skluzu ve dně - proměnná: 1. úsek dl. 12,7 m, 9,0 m, 2. a 3. úsek dl. 35,9 m, zúžení z 9,0 m na 6,0 m, 4. a 5. úsek dl. 20,4 m – šířka 6,0 m. Podélný sklon skluzu – proměnný: 0. úsek 2,0 % (spadiště), 1. úsek dl. 12,7 m 13,8 %, 2. úsek dl. 11,8 m 17,4 %, 3. a 4. úsek dl. 36,2 m 19,1 %, 5. úsek dl. 8,4 m 68,5 %. Usměrnění průtoku - středové žebro 0,45 m x 0,45 m. Skluz – varianta V: V návrhové variantě V dochází ke stavebním úpravám pravobřežní zdi skluzu a výšky dna skluzu: - délka skluzu cca 69,0 m, šířka skluzu ve dně – proměnná: 1. úsek dl. 12,7 m 9,0 m, 2. a 3. úsek dl. 47,9 m zúžení z 9,0 m na 6,0 m, 4. úsek dl. 8,4 m, šířka 6,0 m. Podélný sklon skluzu – proměnný: 0. úsek 2,0 % (spadiště), 1. úsek dl. 12,7 m 13,8 %, 2. úsek dl. 23,8 m 17,3 %, 3. úsek dl. 24,1 m 19,9 %, 4. úsek dl. 8,4 m 69,1 %. Usměrnění průtoku - středové žebro 0,45 m x 0,45 m.
Vývar: Vývar, pro tlumení kinetické energie vody, tvoří přechod mezi skluzem a korytem pod hrází. Z hlediska bezpečného převedení extrémních povodní byl návrh vývaru proveden na návrhovou povodňovou vlnu PV1 000 (transformované Q1 000). Koryto pod hrází a přemostění za vývarem: Úprava koryta je navržena od prahu až po stávající silniční most (státní silnice Koryčany - Stupava) tj. v ř. km 74,455 – 74,21. Celková délka úpravy je 242 m. Dno koryta je vedeno v jednotném sklonu 4,3 ‰. Spodní výpusti: V úrovni odpadní štoly je ponechána beze změn stávající první spodní výpust DN 800. Navrhovaná druhá spodní výpust DN 700 je ve výškové úrovni komunikační chodby jako krátké ocelové potrubí, zaústěné ze shora na začátku uvedené odpadní štoly. Hydrotechnický modelový výzkum Cílem modelového výzkumu bylo ověřit a zpřesnit výpočty navrhovaných úprav a optimalizovat rozměry podélného žebra umístěného ve skluzu. Model VD Koryčany (předpolí, boční přeliv, spadiště, skluzy, vývar a koryto pod přehradou) byl navržen a vybudován v měřítku M – 1:20. Model odpadní štoly od spodních výpustí a spodní výpusti byl vybudován v měřítku M – 1:14,6. 2
1
3
4
5
Obr. 8. Model VD Koryčany.(1- přeliv, 2 – spadiště, 3 – skluz, 4 – vývar, 5 – koryto pod přehradou) Výsledky experimentů Výsledky pokusů všech měření jsou vyhodnoceny měrnou křivkou přelivu, podélnými profily hladin ve skluzu, polohou hladin ve vývaru a korytě pod přehradou, rychlostním polem na konci spadiště a tlakovými pulsacemi ve spadišti. Bezpečnostní přeliv. Kapacita bočního přelivu byla odečítána a nastavována při každém odpovídajícím měření.
Měrná křivka bezpečnostního přelivu
Hladina H [m n. m.]
308,5
308,0
307,5
měření 4 - varianta V, podélný práh 1, příčný lom ostrý
307,0 výpočet VD TBD a.s. výpočet Králík výpočet Zelenka
306,5 Mezní bezpečná hladina (MBH) Maximální hladina
306,0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
Průtok Q [m 3 s-1]
Obr. 9. Měrná křivka bočního přelivu Skluz. Doporučení pro výstavbu pravé boční zdi skluzu je podle měření na modelu: zvýšení této zdi ve staničení +30 o 0,5 m na kótu 300,12 m n. m., toto zvýšení je vhodné vytvořit plynule ze staničení + 25 do staničení + 40. Pro příznivější proudění vody na konci skluzu (ostrý lom ve staničení + 54) je hydraulicky vhodnější vytvořit zaoblenou plochu podle doporučení z měření č. 12. Tvar zaoblení je dán snížením dna o 0,4 m v místě lomu a plynulý přechod 3 m před lomem a 3 m za lomem. Doporučené rozměry podélného žebra jsou: šířka 1 m, výška 1 m a délka 18 m. Vývar. Vývar plnil svoji funkci bezproblémově při všech měřeních od Q1 až po návrhový průtok Q1 000. Odpadní štola od spodních výpustí. Na modelu spodních výpustí a odpadní štoly bylo provedeno měření, z kterého vyplynulo, že proudění vody v odpadní štole bude o volné hladině po celé její délce a zpřesňujícím výpočtem byl dopočítán průběh hladin pro nerovnoměrné proudění v odpadní štole.
Závěr Hydraulické fyzikální modelování má své opodstatnění při řešení složitých úloh návrhu a posouzení pojistných zařízení přehrad. Při posouzení stávajícího stavu bezpečnostních přelivů, navazujících objektů a při přípravě nových návrhů rekonstrukce pojistných zařízení na vodních dílech Harcov, Klabava a Koryčany byly použity fyzikální hydraulické modely, které velmi výstižně popisují proudění na těchto objektech. Výsledky řešení stávajícího stavu a variantních uspořádání byly popsány v závěrečných zprávách a podloženy řadou vyhodnocených závislostí měrných křivek přelivů, grafů podélných profilů hladin, hladin ve vývaru i korytě pod přehradou, závislostmi pulsace tlaků na dno spadiště a skluzu, rozdělení proudových polí apod. Výsledky těchto měření slouží pro návrh, posouzení a optimalizaci dílčích objektů bezpečnostních zařízení přehrad. Všechna vyhodnocení budou respektována a použita při návrhu a výběru výsledného řešení variantně sledovaných dispozičních a i konstrukčních úprav. Na základě výsledků fyzikálního modelového výzkumu v těsné spolupráci projektanta a provozovatele vodního díla bude řešena projektová dokumentace pro realizace rekonstrukce bezpečnostních zařízení vodních děl s ohledem na zvýšené nároky na převádění povodňových průtoků. Poděkování:
Příspěvek byl zpracován s podporou Výzkumného záměru MŠMT č. MSM 6840770002 „Revitalizace vodního systému krajiny a měst zatíženého významnými antropogenními změnami“.
Literatura [1] Broža V. a kolektiv: Přehrady Čech Moravy a Slezska. Liberec: Knihy 555, 2005. [2] VD Harcov, Studie opatření k zajištění bezpečnosti vodního díla při povodních, Vodní díla - TBD a.s., 2008. [3] VD Klabava, zabezpečení vodního díla před účinky velkých vod, DUR, Hydroprojekt a.s., 2009. [4] VD Koryčany, Studie návrhu opatření k bezpečnému převedení KPV10 000, Vodní díla - TBD a.s., 2008. [5] Havlík, V., Marešová, I. Hydraulika (příklady). Praha: ČVUT, 1990. [6] Kolář, V., Patočka, C., Bém, L. Hydraulika. Praha: SNTL/ALFA, 1973. [7] Čábelka, J., Gabriel, P. Matematické a fyzikální modelování v hydrotechnice. Praha: Academia, 1987. Ing. Martin Králík, Ph.D., Katedra hydrotechniky, Fakulta stavební, ČVUT v Praze, Thákurova 7, 166 29, Praha 6,
[email protected] Doc. Ing. Ladislav Satrapa, CSc, Katedra hydrotechniky, Fakulta stavební, ČVUT v Praze, Thákurova 7, 166 29, Praha 6,
[email protected] Ing. Milan Zukal, Katedra hydrotechniky, Fakulta stavební, ČVUT v Praze, Thákurova 7, 166 29, Praha 6,
[email protected]
