MONITORING PR SAKOVÝCH POM!R HRÁZE P"EHRADY KAROLINKA Ing. David Rupp GEOtest, a.s. Monitoring of the Karolinka reservoir in the east of the Czech Republic. The content of the contribution will especially aim at establishing a measuring system for data collection and data telecommunication and at measuring results evaluation with regard to their effectiveness for the waterworks dam Karolinka condition recording and checking the efficiency of the watertight curtain realization.
1. ÚVOD Pod záštitou evropského fondu pro regionální rozvoj se GEOtest, a.s. podílí na výzkumných projektech realizovaných klastrem CREA Hydro&Energy, o.s. Jedná se o sdružení firem, jejichž spole ným cílem je mimo další aktivity i výzkum, vývoj a inovace v oblasti bezpe nosti p!ehrad, metody p!edstavující speciální technologie pro odpadové hospodá!ství a speciální technologie pro využití vodní energie. Jeden z díl ích projekt" v rámci innosti klastru je výzkum a vývoj nových metod sledování a vyhodnocování pr"sakových pom#r" t#snících prvk" hrází vodních d#l. Pro pot!eby výzkumného projektu byla zvolena p!ehrada Karolinka na východní Morav#.
Obr.1. Letecký pohled na vodní dílo Karolinka na vodním toku Stanovnice P!ehrada Karolinka je vodohospodá!ským objektem uvedeným do provozu v roce 1985 a je vybudována na !ece Stanovnici na východním okraji $eské republiky nad obcí stejného jména. Má plochu 50 ha a pojme 7,5 mil. m3 vody. Hráz je kamenitá sypaná se st!edním
( 68 )
jílovým t#sn#ním. Nádrž zásobuje pitnou vodou tém#! celé Vsetínsko a z ásti i Zlínsko. Výška hráze iní 38 metr" a délka je 391 metr". Maximální objem zadržované vody je 7 570 milion" m3. Plocha zatopené oblasti je 50,5 ha. Jedná se o hráz s pom#rn# tenkým svislým jádrem ze svahových hlín z nalezišt# u nedaleké obce Huslenky a z oboustranných stabiliza ních ástí. Tyto ásti jsou budovány z údolních št#rk" !í ky Stanovnice ze zátopy nádrže a z !eky Be vy z nalezišt# u obce Hrozenkov. Na vzdušním líci hráze jsou vytvo!eny dv# bermy na kótách 500,23 m n. m. a 512,12 m n.m., koruna hráze má pak kótu 522,70 m n.m. Provozovatelem p!ehrady je spole nost Povodí Moravy, s.p. a vykonavatelem technicko bezpe nostního dozoru firma VD TBD, a.s.. Od napoušt#ní hráze v roce 1985 až do sou asné doby se objevují výrony vody na jejím vzdušním líci. V p!edchozím období byla na lokalit# provád#na !ada opat!ení pro zachycení a odvedení pr"sakové vody nap!íklad drenážními vrty na horní berm# a pod korunou hráze, šikmými drenážními vrty v obou údolních svazích a drenážními péry v zamok!ených místech. Monitoring pr"sak" vod t#snícím jádrem lze ozna it jako neorganizovaný (tj. soust!ed#ný pouze do ur itých hloubek, respektive oblastí). Cesty pr"sak" vod jsou pravd#podobn# odvislé od toho, jakým zp"sobem probíhalo navážení a hutn#ní materiál" t#snícího jádra. Velký vliv na sou asný stav tedy má nedodržování technologického postupu v pr"b#hu výstavby. Všechny tyto okolnosti jsou umocn#ny skute ností dokumentovanou výsledky laboratorních zkoušek mechaniky zemin realizovaných v rámci geotechnických pr"zkum", z nichž je z!ejmé, že zeminy t#snícího jádra mají širokou škálu zrnitostí. Tato okolnost m"že za nep!íznivých podmínek iniciovat vznik pr"sakových cest z návodní strany hráze p!es vlastní t#snící jádro.
2. TECHNICKÉ "EŠENÍ Tento déletrvající a pr"b#žn# sledovaný nep!íznivý stav vyvolal nutnost ut#sn#ní horní ásti hráze. Bylo navrženo technické !ešení v podob# svislé t#snící betonové clony, která by zasahovala do hloubky 10,0 – 19,0 metru do konstrukce hráze a snížila na minimum pr"saky vody hrází. Jako sou ást !ešení bylo navrženo rozší!ení technické bezpe nostního dozoru vodního díla v podob# vybudování systému nep!etržitého monitoringu. P!i budování systému jsme se zam#!ili na sledování zm#n pórových tlak" v t#snícím jád!e hráze pomocí soustavy piezometr" instalovaných do vrt" vyhloubených z koruny hráze a m#!ení vlhkosti zeminy pomocí tzv. elektrické impedan ní spektrometrie vyvíjené ústavem vodních staveb stavební fakulty VUT Brno. Z koruny hráze byly vyhloubeny 4 vrty, které byly po geologické dokumentaci osazeny sníma i pro m#!ení pórových tlak". Do každého vrtu byly osazeny 2 piezometry do úrovní 13,0 a 20,0 metru pod korunou hráze, takovým zp"sobem, aby výše uložený piezometr zaznamenával pr"sakové pom#ry v úrovni, kde bude zasahovat budoucí t#snící clona a níže instalovaný piezometr bude situován pod patu této clony. Tím mohou být získávány informace o pórových tlacích v r"zných hloubkových úrovních a následn# po realizaci t#snící clony bude možné sledovat její ú innost pro zlepšení (snížení) pr"sakových pom#r" hráze. Na lokalit# byly použity strunové vibra ní piezometry typu PK45A (výrobce SISGEO s.r.l. – Itálie). Spodní sníma byl obsypán filtra ním materiálem a stvol vrtu nad sníma em byl zat#sn#n bentonitovými peletkami. Následn# byl stvol zainjektován beztlakou injektáží pomocí jílovocementové zálivky do úrovn# 13 metr" pod úrove% koruny hráze. Do této úrovn# byl umíst#n druhý
( 69 )
piezometr, který byl následn# obsypán a zat#sn#n obdobným zp"sobem. Horní ást vrtu byla zainjektována beztlakou injektáží. P"dorysn# byly vrty situovány blíže vzdušnému líci hráze, aby nebyly poškozeny stavebními pracemi p!i budování clony, jejíž umíst#ní je projektováno p!ibližn# do st!edu ší!ky koruny hráze. Kabely od t#chto sníma " byly svedeny do krabic umíst#ných na vzdušné stran# hráze šachtice v t#lese hráze. Odtud jsou data sníma " pórových tlak" vedena vícežilovým kabelem do vstupního prostoru revizní a injek ní štoly hráze, kde je umíst#n datalogger. Odtud jsou data prost!ednictvím GSM modemu bezdrátov# p!enášena do po íta e. M#!ení elektrické impedan ní spektrometrie (EIS) používá k získání údaj" o zm#nách vlhkostí v r"zných hloubkách hráze speciální ty e definovaných délek s konstrukcí, která st!ídá vodivé a nevodivé ásti. Tato metoda umož%uje indikaci zm#n elektrické impedance v prostoru a ase. Jejím principem je sledování uvedených zm#n elektrické impedance zemin v komplexním tvaru, ímž je možné monitorovat jak zm#ny vyvolané p!edevším zat#žováním zemin vodou (m#!ení reálné frekven n# nezávislé ásti elektrické impedance), tak p!ípadn# i zm#ny jejich materiálové skladby (m#!ení imaginární frekven n# závislé složky elektrické impedance). Pro ode et dat byl použit p!ístroj Z metr III, který využívá signálový procesor poslední vývojové !ady m#!i " impedance firmy "ST Microelectronics" s 32 bitový procesorem. Záznam m#!ení je !ešen zápisem dat v textovém souboru na p!enosné médium (SD kartu). P!es USB rozhraní lze p!ístroj p!ipojit k PC a stahovat data.
Obr.2. Instalace ty e EIS z koruny hráze a ode et dat pomocí p!ístroje Z-metr III. Poslední ástí terénních prací na lokalit# byla realizace 4 penetra ních sond, které byly situovány vedle vrt" se sníma i pórových tlak" byly ve vzdálenosti cca 1,0 m. Místo klasického penetra ního hrotu byl pro sondy použit tzv. Marchettiho dilatometr. Jedná se o moderní penetra ní metodu uvedenou v $SN EN 1997-2 Eurokod 7: Navrhování geotechnických konstrukcí – $ást 2: Pr"zkum a zkoušení základové p"dy. Zkoušky byly provád#ny zkušební soupravou PAGANI TG 63-150kN, v souladu s $SN EN ISO 22476 – 11 Geotechnický pr"zkum a zkoušení – Terénní zkoušky – $ást 11: Zkouška plochým dilatometrem. Tyto sondy byly realizovány v blízkosti instalovaných piezometr" a sond EIS do hloubky 20,0 m, nebo dokud nebyla zastižena pro sondážní soupravu neprostupná vrstva.
( 70 )
3. GEOLOGICKÁ SITUACE HRÁZE Z geologické dokumentace zemin jádra hráze ov#!ených vrtanými a penetra ními sondami lze konstatovat, že materiál hráze v místech jejího t#snícího jádra je sm#rem od koruny hráze sm#rem k bázi vrtu v hloubce 20,0 metru pod povrchem budován asfaltovým živi ným krytem, konstruk ní vrstvou vozovky v podob# pís itého št#rku a následn# materiálem t#snícího jádra hráze v podob# jílovité hlíny až jílu s prom#nlivou p!ím#sí písku. Jílovitá hlína pís itá je šedohn#dé až sv#tle hn#dé barvy dosahuje tuhé až pevné konzistence, pouze v místech s výskytem podzemní vody se konzistence snižuje na m#kkou. Pís itá frakce je jemno až st!edozrnná. Materiál obsahuje p!ím#s zaoblených poloostrohranných až ostrohranných zrn velikosti p!evážn# 1,0 – 4,0 cm, ojedin#le byly zastiženy úlomky velikosti v#tší než pr"m#r vrtu. V poloze t#chto jílovitých hlín je možné zaznamenat vložky zajílovaného št#rku mocnosti cca 0,2 metru se zrny velikosti 5,0 – 8,0 cm až p!es pr"m#r vrtu. P!i vyhodnocování penetra ních zkoušek metodou DMT byla data získaná v pr"b#hu zkoušek korelována s vrty. Bylo zjišt#no, že t#leso hráze je ve svém horizontálním pr"b#hu zna n# nehomogenní a dosti nahodile dochází ke st!ídání prom#nliv# mocných poloh st!edn# ulehlého písku až hlinitého písku, tuhé až pevné pís ité hlíny a pevného jílu, p!i emž byly též ov#!eny tenké laminy zahlin#ného št#rku a ojedin#lé balvany velikosti nad 20 cm. Z tohoto d"vodu nebyly DMT sondy interpretovány litologicky, ale byly identifikovány zóny s oslabenou konzistencí nebo ulehlostí. Tyto zóny jsou s vysokou pravd#podobností zárove% spojeny se zónami pr"niku vody, nebo& z interpretací sond vyplývá, že u nich dochází ke zvýšenému výskytu pís ité složky ( asto se jedná o pís ité až hlinitopís ité polohy) a vrstvy jsou v" i nadloží a podloží propustné. Z tohoto d"vodu jsou také zastižené proplástky jílu a hlíny v oslabených zónách m#kké až kašovité konzistence. Z popisu této geologické situace je z!ejmé, že t#snící jádro hráze není dostate n# funk ní a dochází k nadm#rným pr"sak"m skrz t#leso hráze a tím k dlouhodobému snižování stability hráze vodního díla.
Obr.3. Realizace penetra ních sond s využitím Marchettiho dilatometru.
( 71 )
4. DOSAVADNÍ VÝSLEDKY Systém kontinuálního monitoringu byl dokon en a zprovozn#n v !íjnu 2010. Od tohoto data jsou pravideln# stahována data idel a vyhodnocována. V grafech na obr. 4 jsou prezentovány pr"b#hy teplot t#snícího jádra hráze m#!ených termometrem integrovaným s idlem piezometru. V grafech na obr. 5 jsou prezentovány pr"b#hy zm#n m#!ených pórových tlak" vztažených ke vstupním hodnotám z doby instalace za!ízení. Jsou prezentovány pr"m#rné denní hodnoty (použit 25-bodový mediánový filtr, redukce objemu dat, sjednocení periody vzorkování s dalšími provád#nými m#!eními). 518,0
14
517,5 Temp_PZ_1_HI
12
deg C
Temp_PZ_2_HI 517,0 Temp_PZ_3_HI 10
Temp_PZ_4_HI 516,5 hladina
31.8.11
3.8.11
17.8.11
6.7.11
20.7.11
8.6.11
22.6.11
25.5.11
11.5.11
27.4.11
13.4.11
30.3.11
2.3.11
16.3.11
2.2.11
16.2.11
5.1.11
19.1.11
8.12.10
22.12.10
24.11.10
10.11.10
27.10.10
29.9.10
13.10.10
516,0 15.9.10
8
14
518,5
518,0
517,5
deg C
12
Temp_PZ_1_LOW Temp_PZ_2_LOW
517,0 Temp_PZ_3_LOW 10
516,5 Temp_PZ_4_LOW 516,0
31.8.11
17.8.11
3.8.11
20.7.11
6.7.11
22.6.11
8.6.11
25.5.11
11.5.11
27.4.11
13.4.11
30.3.11
16.3.11
2.3.11
2.2.11
16.2.11
5.1.11
19.1.11
22.12.10
8.12.10
24.11.10
10.11.10
27.10.10
13.10.10
29.9.10
515,5 15.9.10
8
hladina
Obr. 4 Grafy sdružující pr"b#hy teplot m#!ených piezometry v hloubce 13,0 m a 20,0 metr" spole n# s k!ivkou hladiny vody v nádrži. Dosavadní výsledky jednoho typu m#!ení ze všech sond jsou zobrazeny ve spole ných grafech K!ivky v grafu na obr. 4 s ozna ením Temp_PZ_HI zachycují pr"b#h teploty na piezometrech v úrovni 13,0 m od koruny hráze a s ozna ením Temp_PZ_LOW pr"b#h teploty na piezometrech v úrovni 20,0 m od koruny hráze. K!ivky v grafu na obr. 5 s ozna ením PZ_HI zachycují pr"b#h zm#n pórových tlak" na piezometrech v úrovni 13,0 m od koruny hráze a s ozna ením PZ_LOW pr"b#h zm#n pórových tlak" na piezometrech v úrovni 20,0 m od koruny hráze. V t#chto grafech je rovn#ž uveden pr"b#h vodní hladiny v nádrži za stejné období.
( 72 )
520,0
18 14 10 6 2 -2 -6 -10 -14 -18 -22 -26 -30 -34
519,5
PZ_1_HI
518,5
PZ_2_HI PZ_3_HI
517,5 517,0 516,5
PZ_4_HI hladina
516,0
31.8.11
3.8.11
17.8.11
6.7.11
20.7.11
8.6.11
22.6.11
25.5.11
11.5.11
27.4.11
13.4.11
30.3.11
2.3.11
16.3.11
16.2.11
2.2.11
5.1.11
19.1.11
8.12.10
22.12.10
24.11.10
10.11.10
27.10.10
13.10.10
29.9.10
15.9.10
515,5
28
520,0
24
519,5
20
519,0
PZ_1_LOW
16
518,5
PZ_2_LOW
12
518,0
8
517,5
4
517,0
0
516,5
-4
516,0
-8
515,5
PZ_3_LOW
hladina
31.8.11
17.8.11
3.8.11
6.7.11
20.7.11
8.6.11
22.6.11
25.5.11
11.5.11
27.4.11
13.4.11
30.3.11
16.3.11
2.3.11
16.2.11
2.2.11
5.1.11
19.1.11
22.12.10
8.12.10
24.11.10
10.11.10
27.10.10
13.10.10
PZ_4_LOW
15.9.10
kPa
519,0
518,0
29.9.10
kPa
V sou asnosti jsou k dispozici údaje za období mezi 20.9.2010 – 30.8.2011 ze kterých je patrné, že: - pr"b#h teplot na horní i spodní úrovni t#snícího jádra je monotónní, s mírn# klesající tendencí (do cca 10.7.2011), poté následuje ustálený stav, fluktuace na jednotlivých piezometrech a úrovních v rozmezí do 0,5 °C. - od poloviny b!ezna je z!ejmá zm#na innosti teplom#ru na PZ_3 v úrovni 13,0 m. Je otázka, zda za!ízení funguje správn#. V sou asné dob# je zaznamenán návrat p!ibližn# k výchozímu stavu (ro ní perioda?). - pozorované opakované skokové zm#ny (nár"sty teploty do 0,5 °C) p!ekvapiv# dob!e korelují se skokovými nár"sty úrovn# hladiny. Na pr"b#hu teplot se však p!ekvapiv# tém#! neprojevuje vliv zna ného kolísání hladiny tj. výkyvy v obdobích 27.5.-15.6. a 20.7.-30.8.2011
Obr. 5 Grafy sdružující pr"b#hy pórových tlak s horních piezometr" v hloubce 13,0 m a dolních piezometr" v hloubce 20,0 metr" spole n# s k!ivkou hladiny vody v nádrži
- pr"b#h zm#ny velikosti pórových tlak" na piezometrech v úrovni 20,0 m je monotónní, prakticky bez oscilací; na PZ_2 a PZ_3 ustálený stav, na PZ_1 mírný trvalý nár"st (o 0,6 kPa), na PZ_4 mírný trvalý pokles (o 3,3 kPa) - v úrovni 13,0 m citliv# reaguje na zm#ny úrovn# vodní hladiny piezometr PZ_2. Pr"b#h zm#n pórových tlak" na ostatních piezometrech v úrovni 13,0 m je monotónní; na PZ_1 a PZ_3 ustálený stav (kolísání v rozmezí 2 kPa), na PZ_4 mírný trvalý pokles (o 4 kPa).
( 73 )
- velmi vysoká míra korelace mezi zm#nami úrovn# vodní hladiny a pr"b#hem zm#ny velikosti pórových tlak" na PZ_2 napovídá o velmi dobré komunikaci mezi hladinou v nádrži a t#snícím jád!e v míst# instalovaného piezometru. Reakce piezometru na kolísání jsou navíc prakticky okamžité, pr"b#h obou k!ivek prakticky totožný, s výjimkou již výše zmín#né periody 27.5.-15.6.2011. l [m] 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
0 h [m]
23.3.2011 -5 -10
G [mS]
VL_1 4
l [m] 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
0 h [m]
3.5 3
VL_4
VL_3
VL_2
-10
2.5
VL_1
VL_4
VL_3
VL_2
l [m]
2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
h [m]
0 1.5
31.3.2011
-5
1
29.4.2011
-5 -10
0.5
VL_1
VL_4
VL_3
VL_2
l [m] 0
h [m]
0
10
20
30
40
60
70
80
19.5.2011 90
100
110
120
130
140
150
160
-5 -10 VL_1
0 h [m]
50
10
20
30
40
50
VL_4
VL_3
VL_2
60
70
l [m] 80
90
100
110
120
130
140
150
160
22.6.2011
-5 -10 VL_1
VL_4
VL_3
VL_2 l [m]
h [m]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
29.6.2011
-5 -10 VL_1
0
10
20
30
40
50
VL_4
VL_3
VL_2
l [m] 60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
h [m]
28.7.2011 -5 -10 VL_1
h [m]
0
VL_2 10
20
30
40
50
60
70
80
VL_4
VL_3
l [m] 90
100
110
120
130
140
150
160
24.8.2011
-5 -10
VL_1
VL_3
VL_2
VL_4
Obr.6. Mapa elektrické vodivosti t#snícího jádra hráze. Z mapy elektrické vodivosti t#snícího jádra hráze VD Karolinka vyhodnocené za období b!ezen 2011 – srpen 2011 je z!ejmé, že nejv#tší vodivost, která indikuje saturaci zeminy t#lesa hráze vodou byla zaznamenána v její levé ásti. Maximální hodnoty se
( 74 )
objevují v blízkosti ty e VL_2 tj. v prostoru, kde je v úrovni 13,0 m instalován i piezometr PZ_2 vykazující nejv#tší závislost oscilace tlak" na zm#nách hladiny vody v nádrži. V pr"b#hu vrtných prací pro osazení piezometr" byly na míst# p!ítomným geologem zdokumentovány v tomto vrtu poruchy v homogenit# zeminy jádra v podob# p!ím#sí št#rkových zrn, snížení konzistence až lokálních zvodn#ní. Další m#!ení v delším asovém úseku ukážou již dnes patrné zm#ny nasycení t#snícího jádra hráze v závislosti na zm#nách úrovn# hladiny vody v nádrži a tedy nep!ípustné komunikace vody p!es t#leso hráze. Další m#!ení, která by m#la probíhat i v období výstavby této clony a zejména po jejím dokon ení poslouží k ov#!ení ú innosti tohoto technického opat!ení.
Literatura Pa!ílková, J. (2011). Metoda EIS a p!ístroj Z-metr III, p!ednáška v rámci akce „25th Symposium on Anemometry“ v Liticích 2011. Pod#kování pat!í projektu VVI.A Vývoj nových metod pro zvýšení bezpe nosti p!ehrad, klastru CREA Hydro&Energy, o.s. Titul, jméno, p!íjmení autora: Ing. David Rupp Adresa firmy – pracovišt#: GEOtest, a.s. Telefon:+420 548 125 248, +420 724 20 5943
( 75 )
E-mail:
[email protected]
