Význam dominového efektu na bezpečnost vodních děl

Transkript

1 Význam dominového efektu na bezpečnost vodních děl I. Vaníček & T. Pecival CTU in Prague, Prague, Czech Republic RESUME: Impact of domino effect on the safety of earth dams Roughly between 400 and 600 years ago many small earthdams were constructed, mainly in the south part of the Czech Republic. To present days roughly one third survived, leaving the number close to During catastrofic floods in 2002 many of these dams had some problems but less than 0.3 % failed. The highest concentration of failures were connected with small river Lomnice, situated roughly 100 km south of the capital Prague, where five dams failed and two others were damaged, mostly by so called domino effect Vaníček, I and Vaníček J. (2004). This domino effect is described in details for above mentioned case for river Lomnice. Fig. 1 is showing schematically situation, Fig. 2 cross sections and Fig. 3 situation in the town Blatná on the 13 August 2002 morning. Heavy rainfalls during 7 and 9 th August 2002 did not cause any problems; pond reservoirs were nearly full and fulfilled their flood protection role. The situation was improved during Saturday and Sunday (10-11 th August) and with the help of directed outlets a certain reservoir volume was prepared, for example in three cases water level was m under normal level. New heavy rainfalls started on Monday, which had very quick effect due to the full saturation of surrounded land. On Monday evening the flow volume reached 100 years flow rate. Butstill all dams were able to catch all these volumes. He critical situation started at around 4 am of the next day when due to overflowing the first dam (Melin) on this river-basin failed. Additional wave reached the crest of the next dam Metelsky in few minutes and very quickly this dam also failed in two places. Relatively large volume from this reservoir (about 1 mil. m 3 ), with the estimated (and recalculated) outlet more than 500 m 3.s -1 (which was much higher than 100 years flow rate ca 20 m 3.s -1 ), affected all river-basin bellow. 61

2 1. ÚVOD Při povodních v roce 2002 došlo k významnému ohrožení většiny historických hrází rybníků ze středověku. V konečné fázi však totálních porušení bylo relativně málo v porovnání s celkovým množstvím těchto rybníků, okolo K celkovému porušení, protržení, došlo u ca 100 hrází historických rybníků, což reprezentuje pouze ca 0,4 %. K větší koncentraci protržení došlo na povodí říčky Lomnice na Blatensku, kde 10 hrází bylo porušeno, z nichž 8 bylo protrženo kompletně a to 5 ze 7 přímo na této říčce a to v úseku obcí Melín (Metly) a Tchořovice. Dominový efekt byl označen za hlavní příčinu kumulace těchto poruch. Proto tomuto efektu je v dalším věnována specielní pozornost. Doplňující studií byly označeny povodí, kde i v budoucnu tento efekt může hrát významnou roli a specifika těchto povodí jsou blížeji ukázána na typických příkladech. Vše směřuje k tomu, aby těmto povodím byla věnována zvýšená pozornost a to především té z hrází, která může být iniciátorem tohoto dominového efektu. 2. STRUČNÝ POPIS PORUCH NA POVODÍ ŘÍČKY LOMNICE V ROCE 2002 Specifika Blatenska je dána jak koncentrací historických rybníků, tak spojením dvou hlavních povodí přímo ve městě povodí říčky Lomnice a Závišínského potoka, obrázek 1. Situaci v úterý ráno 13.8 v Blatné ukazuje obrázek 3. Určitým společným znakem je fakt, že největší rybníky, s největším zásobním prostorem jsou situovány v horní části povodí, soustava rybníků na řece Lomnici je znázorněna na obrázku 2. Proto přívalová vlna po jejich porušení měla tak významný negativní dopad na ostatní rybníky umístěné pod nimi. Do určité míry poruchy simulovaly situaci v roce 1895, kdy došlo k podobným problémům, v menší míře v roce 1987, Vaníček, I. (2004). Obrázek 1. Řeka Lomnice situace hrází 62

3 Obrázek 2. Řeka Lomnice schema hrází Obrázek 3. Situace v Blatné z rána Ve dnech poměrně silné srážky rybníky zadržely a svojí ochrannou protipovodňovou funkci splnily, i když se téměř naplnily. V sobotu a v neděli ( ) došlo k zlepšení situace, pomocí řízených odtoků došlo opět k vytvoření určitého zásobního prostoru, například na rybníku Podhajč byla v pondělí ráno hladina 60 cm pod normální hladinou, u rybníka Dolejší v Tchořovicích byla hladina v pondělí odpoledne ve 14,00 hod cm pod normálem. Další zesílené srážky v pondělí se začaly projevovat velmi rychle, neboť podloží okolních pozemků již bylo vodou plně nasyceno, což znamenalo téměř přímý odtok. V pondělí večer se situace zhoršuje, někde průtok dociluje 100 leté vody. Ke kritickému zhoršování dochází v nočních hodinách a kritický moment nastává po protržení hráze rybníka Melín, který je nejvýše položeným na povodí Lomnice. Přívalová vlna 63

4 ochromila navazující rybník Metelský, kde dochází ke 2 průrvám v hrázi v ca 4:30. Metelský rybník o poměrně vysokém objemu ca 1 mil. m 3 (při naplnění po korunu hráze) je rychle vyprázdněn s bezprostředním negativním dopadem na obec Metly a Předmíř. Další rybník Veský, nyní již na území katastru obce Lnáře, i přes silné přelití koruny hráze o poměrně velké šířce v koruně, dané zde opravou po povodních 1987 a zde vedoucí silniční komunikací, odolal, avšak vzdušní líc i s částí vozovky byl erodován. Obdobná situace nastala i u bezprostředně navazujícího rybníka Zámecký. Zde přeliv vody přes korunu, která je současně komunikací 1. třídy (č. 20) E 49, znamenal silné narušení jak hráze, tak i komunikace, avšak k úplnému porušení nedošlo. Následný rybník Podhajč nejdříve odolával, opět erodována vzdušní část přelévající se vodou, když kapacita poměrně nového přelivu (po opravě protržení z roku 1987) již nestačila. Poslední nárazová vlna vytvořila průrvu prakticky na stejném místě, kde byl rybník opravován po porušení z r Železniční trať v násypu situovaná následně byla též porušena, když mostní objekt, kterým protéká Lomnice, byl částečně blokován splaveninami a odplavenými stromy a keři. Tím došlo k nadržení vody na výšku několika metrů, což vedlo k protržení násypu v úseku několika desítek metrů. Přívalová vlna po protržení železničního náspu ohrozila rybník Hořejší, který byl porušen na několika místech. O množství splavenin svědčí plně zaplněné bazény sádek, které k rybníku přiléhají. Tyto sádky částečně ztlumily sílu vody, avšak přesto došlo k zničení většiny objektů v obci Tchořovice pod hrází. Obdobná situace nastala u rybníka Dolejší v Tchořovicích. Ten je poměrně široký s nejdelší hrází z popisovaného úseku. Přelévání koruny vyvolalo odplavení vzdušného líce prakticky v celé délce 720 m a následná finální vlna vytvořila 2 průrvy. Poměrně široké a ploché území pod tímto rybníkem znamenalo zploštění vlny po protržení, což alespoň částečně eliminovalo bezprostřední dopad na město Blatná, i když zde došlo k velkým škodám v důsledku dopadu nejen z povodí Lomnice ale i z povodí Závišínského potoka na kterém se protrhly 3 hráze 2.1 Stručné závěry z výše popsaného případu Výše uvedený příklad zvýraznil dva aspekty: - pokud je situován na horní části povodní rozhodující rybník ( s největším zásobním prostorem, často i s nejvyšší hrází), potom hráze situované nížeji na tomto povodí mají malou šanci doplňkovou povodňovou vlnu přežít. Tento efekt označil Vaníček I a Vaníček, J (2004) resp. Vaníček I. (2004) za dominový efekt a bude mu dále věnována bližší pozornost; - nechráněné přelivy typu kachního zobáku, které se upřednostnily na 2 rybnících (Veský a Podhajský) v obci Lnáře při jejich rekonstrukcích zhruba počátkem 90 let neprokázaly žádné specifické výhody s porovnání s běžně hrazenými přelivy. Hráz rybníka Veský se kompletně neprotrhla především díky významné protierozní ochraně koruny hráze tvořené asfaltovým kobercem na zdejší komunikaci. Hráz rybníka Podhajský se však porušila kompletně. K druhému aspektu je možno uvést následující poznámky. Naše normy jsou poměrně jednoznačné zajistit bezpečné převedení 100 leté povodně. Případný požadavek na zajištění pro víceletou vodu může mít následující dopady: 64

5 - neúměrné zvýšení nákladů, které z dlouhodobého pohledu mohou výrazně převýšit případné náklady na opravu a škody jedná se o samostatnou kapitolu definování akceptovatelného rizika, - navíc zajištění bezpečného převedení víceleté povodně může vyvolat zhoršení situace pod hrází především je-li oblast pod hrází zastavena, - větší pozornost je proto třeba věnovat retenčnímu prostoru především z pohledu odbahnění rybníků v místech, kde náplavy snižují plochu rybníka nad kótou stálého nadržení. Nechráněné přelivy typu kachního zobáku by proto měly mít své opodstatnění především tam, kde je možno zvětšit jejich kapacitu nad 100 letou povodeň, což je možné pro místa, kde pod hrází není zástavba kterou by tento zvýšený průtok negativně ovlivnil a povodňová vlna měla šanci se zploštit. Při rekonstrukci hrází na říčce Lomnice proto byly upřednostněny tyto postupy: - oprava chráněných přelivů tak, aby jejich zanášení splaveninami bylo co nejvíce limitováno; - výstavba doplňujícího menšího nechráněného přelivu v místech, kde průtok vyvolá nejmenší negativní dopady ať již z hlediska situace pod hrází, tak především z hlediska zvýšené protierozní ochrany tohoto nechráněného přelivu. Jeho kóta byla situována ca 0,3 m pod korunou vlastní hráze rybníka, takže zde dochází k přelití nejdříve a to poměrně bezpečně v důsledku zesílení koruny nechráněného přelivu neb potom nehrozí nebezpečí progresivní povrchové. Tím dochází k odlehčení přítoku a tak ke snížení potenciálního nebezpečí, že dojde k přelití hlavní hráze a zde k problémům spojeným s povrchovou erozí. Tento princip byl doporučen i pro protipovodňové opatření podél řek. Ochrana zvoleného úseku zde bude zesílena. O možnosti aplikace cihlo-vlákno-betonu ve vrstvách příčného profilu protipovodňové hráze bude zmínka v samostatných příspěvcích k této konferenci. Následně je pozornost zaměřena pouze na dominový efekt. 3 DOMINOVÝ EFEKT Dominový efekt popsaný výše je název pro porušení hrází soustavy malých vodních nádrží ležících na jednom toku. K vzniku dominového efektu může přispět několik okolností. Základním předpokladem vzniku dominového efektu je výskyt situace, při níž dojde k poruše horní nádrže v soustavě a tak doplňkovou povodňovou vlnou jsou ohroženy všechny hráze ležící nížeji. K poruše horní nádrže může dojít při extrémních povodňových situacích na které nebyla hráz navrhována a tak může dojít ke vzniku mezního stavu porušení jako jsou například mezní stav porušení povrchovou erozí (přelitím), mezní stav porušení vnitřní erozí, či mezní stav porušení celkové stability (sesuvem) viz např. Vaníček,I. (2009). Základní princip spočívá ve vytipování hráze na soustavě, která svým porušením vyvolá potenciálně nejvíce nebezpečnou situaci pro níže ležící hráze. Nemusí to tak nutně být hráz položená na povodí nejvýše. Předmětem studie je posouzení všech níže ležících hrází, jak jsou schopné na tuto extrémní situaci reagovat. Základním cílem je tedy vytipování hráze, jejíž porucha vyvolá na povodí největší problémy a pro tuto iniciační hráz definovat specifické podmínky,například formou předkvalifikace její kategorie vyžadující větší pozornost i péči. Je třeba si uvědomit,že takto vzniklá vlna pod iniciační hrází má často několikanásobně větší kulminační průtoky než povodně přirozené. Velikost kulminačního průtoku je odvislá od výšky hráze, její průřezové plochy, 65

6 charakteristikách zemin tělesa hráze a stavu podhrází, zejména jeho sklonitosti a rozevření údolí. Objem povodňové vlny je přímo úměrný velikosti objemu nádrže. Základem pro odhalení povodí ohrožených vznikem dominového efektu je studie všech nádrží v povodí a porovnání objemu horní nádrže s retenčním prostorem spodní nádrže a kulminace případné zvláštní povodně s kapacitou bezpečnostních zařízení. Tímto porovnáním může být například provedení transformace zvláštní povodně. Ve studiu dominového efektu u dolních nádrží nehraje tolik roli jejich celkový objem, ale plocha hladiny a převýšení koruny hráze nad počáteční hladinou, čili potenciální zásobní objem pro transformaci povodňové vlny. 3.1 Soustava rybníků na Holoubkovském potoce Povodí Holoubkovského potoka sestává z pěti rybníků, obr. 4 a 5, z čehož tři největší jsou zařazeny do III. kategorie s četnějším dohledem nad vodním dílem. Nejvýše v povodí je Štěpánský rybník III. kategorie, který má plochu hladiny při kótě v úrovni přelivné hrany bezpečnostního přelivu (normální hladina) 48 ha a objem 960 tisíc m3, níže v povodí je Podmýtský rybník, který je boční s obtokovou stokou, s plochou normální hladiny 16 ha a objemem 150 tisíc m 3. Pod ním je Holoubkovský rybník III. kategorie o ploše hladiny 14,5 ha a objemem 400 tisíc m 3. Předposledním rybníkem v soustavě je rybník Lamacký IV. kategorie o ploše normální hladiny 4,0 ha a objemem 40 tisíc m 3. Posledním rybníkem v soustavě na Holoubkovském potoce je Borecký rybník III. kategorie o ploše normální hladiny 10 ha a objemem 300 tisíc m 3. Pod hrází Boreckého rybníka je zástavba města Rokycany, kde je provedena protipovodňová ochrana na povodně s dobou opakování 20 let, která by byla ohrožena zvláštními povodněmi z poškozených rybníků III. kategorie. Rybníky Podmýtský a Lamacký jsou zařazeny do IV. kategorie a zbylé tři rybníky do III. kategorie z důvodu objemu prostoru nádrže ve srovnání s retenčním prostorem níže položeného rybníka, např. objem retenčního prostoru Holoubkovského rybníka je 175 tisíc m 3, což je téměřčtyřnásobek zásobního prostoru Podmýtského rybníka, ale jen pětina zásobního objemu Štěpánského rybníka. Z toho vyplývá, že při poruše Podmýtského rybníka nebude Holoubkovský rybník příliš ohrožen, ale při poruše Štěpánského rybníka dojde k poškození všech rybníků v povodí. Na tomto povodí je tedy potenciálně nejnebezpečnějším a je třeba mu věnovat zvýšenou pozornost. Obrázek 4. Situace povodí Holoubkovského potoka 66

7 Štěpánský V=960 tis. m 3 S=48 ha Podmýtský V=160 tis. m 3 S=15,6 ha Holoubkovský V=219 tis. m 3 S=15 ha Lamacký V=40 tis. m 3 S=4,0 ha Borecký V=300 tis. m 3 S=10 ha Obrázek 5. Soustava rybníků na Holoubkovském potoce 3.2 Soustava rybníků v povodí Sychrovského potoka Problematičtější situace je například v povodí Sychrovského potoka, kde je devět větších vodních děl (sedm na sychrovském potoce a dvě na bočním přítoku, Obr. 6, 7), z čehož pouze jedno je ve III. kategorii, a to Sychrovský rybník, který je druhý v povodí. Zhruba 1,0 ř. km nad Sychrovským rybníkem, který má plochu normální hladiny 18 ha a objem 200 tisíc m 3 je Vackův rybník o ploše normální hladiny rovněž 18 ha a s objemem 250 tisíc m 3. Sychrovský rybník je zařazen do třetí kategorie z důvodu postavených rodinných domů na hrázi a bezprostředně pod hrází, ve kterých jsou přímo ohroženy lidské životy, z toho důvodu jsou níže položené rybníky v povodí zařazeny do IV. kategorie, protože toto riziko je u nich menší. Zařazením Vackova rybníka do IV. kategorie snižuje míru požadovaného zabezpečení vodního díla, viz výše, přičemž právě porucha tohoto rybníka může způsobit dominový efekt poruch dalších šesti rybníků níže v povodí o celkové ploše hladiny 72 ha a objemu 920 tisíc m 3, včetně rybníka III. kategorie a vodárenské nádrže pro město Dobříš a několika menších rybníků o ploše do 5 ha. Z pohledu dominového efektu tak rozhodující roli hraje Vackův rybník a je třeba mu věnovat dokonce vyšší pozornost než níže ležícímu Sychrovskému rybníku v principu může dojít až k překlasifikaci kategorií. Takovýchto případů je v republice několik, řádově až desítek případů. Obrázek 6. Situace povodí Sychrovského potoka 67

8 Vackův V=250 tis. m 3 S=18 ha Sychrovský V=200 tis. m 3 S=18 ha Nový Obořišťský V=210 tis. m 3 S=21 ha Svatopolský V=130 tis. m 3 S=13 ha Chotobuš V=60 tis. m 3 S=3,4 ha Starohuťský V=350 tis. m 3 S=38 ha Strž V=170 tis. m 3 S=17 ha Obrázek 7. Soustava rybníků na Sychrovském potoce 3.3 Soustava rybníků v povodí Zbirožského potoka Zvláštním případem mohou být vodní díla, jejichž nádrž je rozdělena na dvě a více částí. Typickým příkladem je Kařezský dolní rybník, který je rozdělen na dvě srovnatelné části železničním náspem. Kařezský rybník má plochu normální hladiny 32,2 ha a objem 418 tisíc m 3, jako takový je zařazen do III. kategorie, jelikož v podhrází je zástavba obce Kařez, další rybníky soustavy jsou zařazeny do IV. kategorie (Obr. 8). Kařezský dolní rybník má dva přítoky, na kterých jsou rybníky soustavy, Cekovský potok a Zbirožský potok. Cekovský potok je zaústěn do části Kařezského dolního rybníka za náspem železnice, který v případě poruchy hráze Cekovského rybníka o ploše normální hladiny 33,4 ha a objemu 434 tisíc m 3 ochrání hráz Kařezského dolního rybníka a zvláštní povodeň transformuje vlivem zúžení průtočného profilu propustku v náspu na neškodný průtok. Tímto dojde k zalití pozemků nad železničním náspem, ale nebude ohrožena hráz dalších rybníků níže v soustavě. Zbirožský potok je do rybníka zaústěn v části pod železničním náspem, tedy zvláštní povodňová vlna vzniklá porušením Kařezského horního rybníka (plochy 16,9 ha a objemu 288 tisíc m 3 ), jehož pata je téměř zalita vzdutím dolního rybníka, by přímo ohrozila jeho hráz a mohla by tak způsobit dominový efekt v soustavě sedmi rybníků. Při porovnání obou Kařezských rybníků se může zdát horní rybník, který je poloviční, za méně nebezpečný z pohledu vzniku dominového efektu než třeba Cekovský rybník, který je stejně veliký jako rybník Kařezský dolní. Ale při podrobnějším prozkoumání lokality je riziko vzniku dominového efektu větší u poměrně menšího rybníka. Obrázek 8. Situace povodí Zbirožského potoka 68

9 3.4 Soustava rybníků Robečského potoka Obdobně tomu může být i v případě, kdy je hráz horního rybníka tak mohutná, že vlna zvláštní povodně je plochá s velkým objemem, ale malým kulminačním průtokem. I když by se na první pohled zdálo, že by tento rybník mohl být iniciátorem vzniku dominového efektu, ve skutečnosti tomu tak není. Vzorovým případem tomu je povodí Robečského potoka (Obr. 9), kde jsou v soustavě nad sebou dvě vodní díla III. kategorie. Výše v povodí je Machovo jezero o ploše 240 ha a objemem 5 milionů m 3 a níže v povodí je Novozámecký rybník o ploše 126 ha a objemem 1,3 milionu m 3. Máchovo jezero je zařazeno do III. kategori z důvodu vzniku škod z užitku díla, protože je významným rekreačním objektem regionu, kdežto Novozámecký rybník je do vyšší kategorie zařazen z důvodu ohrožení lidských životů v obci Zahrádky a městě Česká lípa. Tyto případy se často vyskytují i v rybničních soustavách jižních Čech. Obrázek 9. Situace povodí Robečského potoka 4. ZÁVĚR Dominový efekt je nebezpečný tím, že každým dalším poškozením vodního díla dochází ke zvětšení objemu zvláštní povodně a často i ke zvětšení kulminace této vlny, protože její nárůst je poměrně strmý a k poškození spodního vodního díla dochází často velmi rychle, především v důsledku přelévání koruny hráze povrchovou erozí, i když zde může přispět současné zpevńování povrchu hráze používané jako komunikace asfaltovým kobercem. V prvé řadě jde především o rozbor jednotlivých povodí a jejich posouzení z toho pohledu až po vytipování rozhodující iniciační hráze. Následně této hrázi je třeba věnovat zvýšenou pozornost. Potenciální negativní dopad dominového efektu lze snížit několika způsoby, většinou se však bude jednat pouze o preventivní opatření. Základním opatřením je pravidelná údržba a kontrola vodního díla a blízkého okolí, což je povinnost kterou předepisuje vlastníkům vodních děl vodní zákon. Četnost se však řídí kategorizací vodního díla a ve specielních případech může dojít až k překvalifikaci. V každém případě problému by měl být detailně informován vlastník, aby i sám mohl 69

10 posoudit vhodnost finančních vstupů do zvýšení bezpečnosti. Dalším možným opatřením je zvětšení retenčních objemů u nádrží níže v povodí, která mohou být postižena dominovým efektem. Při posuzování priority odbahňování by se tento aspekt měl brát v úvahu. Odbahněním lze celkem jednoduše původní retenční objem obnovit, případně i zvětšit. Problémem prevence před dominovým efektem je větší počet majitelů vodních děl v soustavě, zejména tehdy kdy se majitelé vzájemně neinformují o problémech a nevhodnou manipulací s retenčním prostorem mohou ovlivnit níže položené nádrže. Dalším problémem mohou být boční rybníky, které mají obtokové stoky a z toho důvodu nemají vybudovány dostatečně kapacitní přelivy ani na přirozené povodně v hlavním toku. Velmi často bývají tyto obtokové stoky zaneseny anebo zarostlé vegetací, čímž je snížena jejich průtočná kapacita a dochází k vniknutí povodňových vod do samotného rybníka, který na tento jev není připraven a často se tak stává iniciátorem dominového efektu v povodí. 4 LITERATURA Vaníček,I., Vaníček, J.: Rehabilitation of old earth dams failed during heavy floods in In: New development in Dam Engineering Nanjing China, Wieland, Ren and Tan (eds), A.A.Balkema Publishers London, 2004, pp Vaníček,I.: Hráze malých vodních nádrží a poldrů. Hlavní referát Přehradní dny 2004, České Budějovice, ČSVHS, 13 s. Vaníček,I,: Poučení z poruch hrází rybníků na povodí Lomnice. In: Sbor. XXIX Přehradní dny 2004, ČVTVHS, Český přehradní výbor, České Budějovice, svazek 1, s Vaníček,I.: Eurokód 7 navrhování geotechnických konstrukcí a vodní stavby. Vodní hospodářství č.4/2010, s Základní vodohospodářské mapy ČR v měřítku 1 : , Český úřad zeměměřičský a katastrální,