BETÓNOVÉ PRIEHRADY Z POHĽADU GEOTECHNICKEJ PRAXE Emília Bednárová

Transkript

1 BETÓNOVÉ PRIEHRADY Z POHĽADU GEOTECHNICKEJ PRAXE Emília Bednárová Nádrže a priehrady diela ľudského umu, dôvtipu, prezieravosti. V nemeckej histórii XIX storočia cituje F. Schnabel prof. K.Schurmanna, podľa ktorého: nik iný nesiahne tak výrazne do podoby zemského povrchu, ako inžinier, ktorý pracuje vo vodnom staviteľstve a teda ani nik iný nemá príležitosť zanechať tak hlboké stopy svojej práce, ktoré pretrvajú storočia V kontexte s predpokladanou dĺžkou života priehrad je priehrada Nosice vo svojich 50-tich rokoch v tom najlepšom veku. Najcitlivejšie obdobie z hľadiska zraniteľnosti priehrad prvých 10 až 15 rokov prevádzky má bezpečne za sebou a vplyv stárnutia ďaleko pred sebou. V sústave vodných diel na Váhu, vo Vážskej kaskáde predstavuje jej neoddeliteľnú súčasť. Priehrada bola uvedená do prevádzky v roku 1958 ako naša po Orave (1953), Palcmanskej Maši a Vlčej doline (1956) v poradí štvrtá betónová gravitačná priehrada. Neskôr, v roku 1972 bola do prevádzky uvedená naša ostatná (piata) betónová gravitačná priehrada Ružín II. Hlavný účel VS Nosice je hydroenergetika. Výroba špičkovej elektrickej energie predstavovala nielen v povojnovom období Slovenska, ale aj v súčasnosti predstavuje významné zastúpenie v reťazci výroby ekologicky najčistejšej energie. Okrem toho výstavba vodného diela prispela aj k obohateniu centier nášho kúpeľného liečiteľstva, keď po objavení hlavného alkalického uhličitého prameňa v roku 1952 boli na pravom brehu nádrže postavené a do prevádzky v roku 1959 uvedené kúpele Nimnica. Stručný popis priehrady Nosice Betónová gravitačná priehrada, vysoká 33 m nad základovou škárou, v korune dlhá 472 m pozostáva z 31 blokov 23 plných gravitačných (jeden z blokov je pripravený tak, aby sa k nemu mohol pribetónovať lodný výťah), v 5-tich blokoch je výpustné zariadenie a v 3 blokoch sú vtoky na vodnú elektráreň (obr.1). V extrémne zložitej geologickej skladbe 280,00 283,00 275,00 272,00 uprav. terén pôvodný terén 253,0 Obr.1 Nosice priečny profil plným gravitačným blokom a pohľad na korunu priehrady

2 prostredia, tvorenej horninami karpatského flyša, t.j. v striedajúcich sa zlepencoch, ílovcoch a pieskovcoch, bol na danú dobu mimoriadne elegantne vyriešený výpustný objekt. Kombinácia dolných výpustov hradených segmentami a horných výpustov hradených klapkami umožňuje prepúšťanie povodňových prietokov 3000 m 3.s m 3.s -1, prepúšťanie štrkov výpustami a prevádzanie ľadov korunnými priepadmi. Stabilita takto navrhnutej extrémne vyľahčenej konštrukcie mala byť zabezpečená kotvením do podložia. Vyvinutú technológiu však vzhľadom na výskyt minerálnych vôd v podloží priehrady s vysokým obsahom CO 2 (až do 1800 mg.l -1 ) nebolo možné uplatniť. Namiesto toho sa piliere výpustného zariadenia stabilizovali rozopretím dvojíc klinov s valčekovými podvozkami sústavou lisov. Potrebný pasívny odpor sa získal zazubením základu vývaru do skalného podložia. Vyvinutá technológia (kotvenie do podložia) sa neskôr uplatnila v Čechách, pri výstavbe viacerých priehrad, ako napr. Orlík, Kamýk nad Vltavou, Vír, Žermanice a i. Preukázaný výskyt minerálnych vôd napriek starostlivému inžiniersko-geologickému a hydrogeologickému prieskumu v prípravnej etape (135 prieskumných vrtov s celkovou dĺžkou 4000 m) mal za následok aj zmenu pôvodne navrhovanej koncepcie zakladania priehrady na 32 kesónoch. Priehrada sa zakladala v otvorených stavebných jamách, pod ochranou ohrádzok tvorených štetovnicami. Výskyt minerálnych vôd vyvolal potrebu chrániť betóny priehrady od účinkov v základovej škáre čadičovými kockami, uloženými do trasovej malty, ktorých škáry sú vyplnené kombináciou tejto malty, asfaltu a betónu. Interakcia priehrad s geologickým prostredím Len máloktoré inžinierske konštrukcie sú tak úzko späté s prírodným prostredím ako hydrotechnické stavby, a to najmä priehrady a ochranné hrádze. Vyplýva to predovšetkým z ich funkcie, t.j. vytvárať podmienky pre redistribúciu prietokov v čase a v priestore a tiež ich významná funkcia v ochrane pred povodňami. Ich spätosť s vodou prietokmi v korytách riek, zrážkami, podzemnými vodami i priesakovými vodami ich stavia do pozície extrémnej závislosti na poznatkoch prírodného prostredia. Je to nielen poznanie hydrologických údajov, ale aj geologických, hydrogeologických a geotechnických podkladov, morfológie územia, jeho klímy a pod. A dokonalé poznanie týchto prírodných podmienok je prakticky nereálne, pretože sa jedná o neustále sa meniaci proces, navyše komplikovaný náhodných charakterom vývoja (napr. hydrologické pomery). Potvrdzujú to aj štatistiky porúch a havárií priehrad, preukázané medzinárodnou organizáciou ICOLD, podľa ktorých ich najčastejšou príčinou je preliatie a priesaky. Preliatie ako sprievodný jav neistoty hydrologických podkladov (poddimenzovanie bezpečnostných priepadov) a priesaky ako sprievodný jav najmä širokej variability geologického prostredia. Zo štatistík zároveň vyplýva, že betónové gravitačné priehrady predstavujú v súbore porúch a havárií menej rizikový typ, ako priehrady z miestnych materiálov. K tomu prispieva fakt, že riziko poruchy či havárie z dôvodu preliatia je u betónových priehrad v porovnaní s priehradami sypanými z miestnych materiálov málo pravdepodobné. Ďalšou pozitívnou skutočnosťou je výrazná redukcia rizika poruchy, spôsobenej priesakom telesom priehrady. Tieto fakty smerujú k tomu, že najcitlivejšou oblasťou, determinujúcou najčastejšie riziko porúch a havárií betónových gravitačných priehrad z titulu priesakov je ich podložie. Vo všeobecnosti platí, že betónové gravitačné priehrady sa zvyčajne navrhujú v kvalitných geologických podmienkach. Zdôvodňuje sa to predovšetkým požiadavkou na vysokú únosnosť základovej pôdy s ohľadom na výrazne menšiu plochu základovej škáry priehrady v porovnaní s priehradami z miestnych materiálov ktorou sa zaťaženie pôsobiace na konštrukciu prenáša do podložia. V súbore kritérií, súvisiacich s bezpečným návrhom týchto konštrukcií sa tak do popredia dostávajú aj opatrenia, regulujúce vztlaky v ich podloží. Na rozdiel od priehrad z miestnych materiálov pôsobenie vztlakov v podloží priehrad výraznou

3 mierou vplýva na stabilitu ich konštrukcie či už na preklopenie, ušmyknutie, prípadne priebeh napätí v jej telese i v podloží. V kontexte uvedených aspektov predstavuje priehrada Nosice elegantne navrhnuté a vybudované inžinierske dielo (obr.2). Poznajúc totiž mimoriadne náročnú geológiu dotknutého prostredia, skomplikovanú výskytom minerálnych vôd, počiatočné skúsenosti v priehradnom staviteľstve na Slovensku (vyjmúc Štiavnické tajchy zo 16. a 18. storočia a VD Kočkovce z roku 1936 bola priehrada Nosice v poradí len šiestou priehradou, vybudovanou u nás po II. svetovej vojne), možnosti výpočtovej techniky príznačnej k danému obdobiu, strojový park, technológie, materiály a pod. treba vzdať hold všetkým zúčastneným stranám prieskumu, projektantom, dodávateľom, staviteľom, investorom i prevádzkovateľom vodného diela. Obr.2 Nosice pohľad na priehradu Pár faktov na zamyslenie Z výsledkov inžiniersko-geologického prieskumu je zrejmé, že podložie priehrady tvoria horniny karpatského flyša. Striedanie ílovcov, pieskovcov a slienitých zlepencov predstavovalo pre projektantov zložitú úlohu. Šalamúnsky sa im podarilo zosúladiť konštrukciu s prostredím tak, aby boli splnené kritériá z hľadiska únosnosti geologického prostredia a jeho priepustnosti. Zo súboru širokého spektra úloh, s ktorými sa bolo treba vysporiadať, aby vodné dielo bez vážnejších problémov plnilo spoľahlivo svoju funkciu možno vybrať tie, ktoré so spomínanými rizikovými faktormi bezprostredne súvisia. Je to predovšetkým utesnenie podložia priehrady injekčnou clonou, otázka filtračnej stability podložia a medzné hodnoty vztlakov. Rozhodnutiu potreby utesnenia podložia priehrady injekčnou clonou predchádzali vodné tlakové skúšky (VTS). Z kritérií, ktoré boli používané v danej dobe možno spomenúť Lugeonovo, Jahdeho, či Terzaghiho. Uvedené kritériá pripúšťajú straty pri VTS v rozmedzí od 0,1 do 1,5 l/min/bm/0,3 MPa. Z dostupných informácií podľa Havlíka (1958) je zrejmé, že v podmienkach priehrady Nosice boli prijaté dve kritériá, a to 0,6l/min/bm pri tlaku 0,3MPa pre pieskovce a 0,3 l /min/bm pri tlaku 0,3MPa pre ílovce a zlepence. Už diferencovaný prístup v stanovení kritérií potvrdzuje, že projektant rešpektoval širokú variabilitu a heterogenitu geologického prostredia. Výsledky VTS ukázali, že v podloží s prevahou ílovcov a zlepencov nesplnilo stanovené kritérium viac ako 70 % skúšaných etáží

4 a v pieskovcoch takmer 40 % skúšaných etáží (Bednárová, E. a kol., 1992, Hulla, J. a kol., 1998). To predurčilo potrebu utesnenia podložia priehrady injekčnou clonou do hĺbky 30 až 40 m pod základovou škárou. Napriek tomuto diferencovanému prístupu z hľadiska prijatých kritérií je na účinnosti injekčnej clony dopad heterogenity geologickej skladby podložia priehrady evidentný (obr.3). hladina, piezometrická výška (m n.m.) 290 lh maximálna prevádzková hladina úroveň hláv manometrov piezometrická výška pred IC piezometrická výška za IC 250 í l o v c e a z l e p e n c e p r e v l á d a j ú c e p i e s k o v c e í l o v c e L (m) 500 Obr. 3 Ukážka vplyvu heterogenity geologického prostredia na vztlaky v podloží priehrady Z neho vyplýva, že kým v oblastiach podložia s prevládajúcimi pieskovcami je redukcia vztlakov vplyvom injekčnej clony zrejmá, v ílovcoch a zlepencoch je menej presvedčivá. To však logicky zodpovedá stanoveným kritériám, ktoré boli pre prostredie zlepencov a ílovcov prísnejšie. Prísnejšie kritérium totiž reprezentuje menej priepustné prostredie a to následne predurčuje nižšiu účinnosť injekčnej clony. Zároveň treba poznamenať, že na rozkolísanom priebehu vztlakov v podloží priehrady má okrem geologickej skladby podložia vplyv aj premenlivý tvar a dĺžka základovej škáry pod jednotlivými blokmi priehrady. Súbor týchto dôležitých faktorov prírodného prostredia a priehrady nemožno pri očakávanej účinnosti injekčnej clony zaznávať. Takže rozsiahla variabilita účinnosti injekčnej clony je názornou ukážkou interakcie heterogenity prírodného prostredia a rovnorodej injekčnej clony. Pri súčasnom poznaní Verflových kritérií, ktoré sú odstupňované s hĺbkou (od 0,5 l/min/bm pri tlaku 0,3 MPa do hĺbky 10 m do 6 l/min/bm pri tlaku 0,3 MPa pre hĺbku väčšiu ako 50 m) by boli požiadavky na parametre injekčnej clony redukované. Podľa vykonanej analýzy (Hulla, J. a kol., 1998) by clona v jestvujúcom geologickom prostredí nepresahovala hĺbku 10 m. Na margo toho však treba poznamenať, že uvedené kritéria sa v našej priehradárskej praxi začali aplikovať až po rozsiahlych analýzach, vykonaných pri výstavbe priehrady Morávka, a následnom prerokovaní získaných poznatkov Komisiou pre vodné hospodárstvo ČSAV v roku 1977, teda takmer 20 rokov po uvedení VD Nosice do prevádzky. Na tomto vodnom diele boli autorom v in situ potvrdené predpoklady klesajúceho trendu hydrodynamického namáhania podložia v závislosti na hĺbke, od čoho sa odvíjajú aj ním stanovené odstupňované ktiréria (Verfel, J., 1992). Vodné tlakové skúšky a kritériá strát sú späté s priehradou Nosice nielen v etape jej navrhovania a výstavby, ale aj neskôr, v čase jej prevádzky. O kritériách a najmä kontrole účinnosti injekčnej clony pomocou VTS možno polemizovať. Táto metóda kontroly funkcie injekčnej clony bola u nás aplikovaná na mnohých vodných stavbách počas prevádzky. Stačí spomenúť napr. priehrady Liptovská Mara, Orava, Palcmanská Maša, Vlčia dolina a ď. a tiež

5 v podmienkach priehrady Nosice. Keďže výsledky rozsiahlych analýz, zaoberajúcich sa touto problematikou na našom pracovisku potvrdili nevhodnosť uvedenej metodiky, prestala sa v našich podmienkach aplikovať. V súčasnosti je injekčná clona pod priehradou Nosice kontrolovaná systémom vztlakomerných vrtov, zabudovaných pred a za injekčnou clonou a tiež priamo do jej telesa. Neoddeliteľnou súčasťou kontroly jej funkcie sú aj pozorovacie vrty na meranie hladín a filtračných rýchlostí (ktoré možno merať aj vo vztlakomerných vrtoch, nachádzajúcich sa v injekčnej clone). Skúsenosti potvrdili správnosť takéhoto prístupu. Na margo geofyzikálnych meraní filtračných rýchlostí treba poznamenať, že ich miesto v súbore kontrolných meraní na priehradách nemožno poprieť. Bez nich by totiž nebolo možné korektne posúdiť filtračnú stabilitu zemín a výplne skalných hornín. V úvode prezentovaného článku je zmienka o tom, že na rozdiel od sypaných priehrad z miestnych materiálov má vývoj vztlakov v podloží betónových gravitačných priehrad mimoriadne dôležitú úlohu nielen z hľadiska vodohospodárskych strát a vo väzbe na filtračnú stabilitu podložia priehrady, ale aj so stabilitou konštrukcie priehrady. V tomto ohľade majú významné postavenie medzné hodnoty vztlakov. V podmienkach priehrady Nosice bola táto problematika diskutovaná najmä v súvislosti s prekračovaním medzných hodnôt vztlakov v podloží blokov vodnej elektrárne. Príčina problémov spočívala v v pôvodne stanovených a neskôr (1979) upravených medzných hodnotách. Pre všetky bloky v údolnej nive boli totiž pôvodné medzné hodnoty konštantné, bez ohľadu na heterogenitu geologického prostredia a odlišnosť tvaru a dĺžky základovej škáry jednotlivých blokov, t.j. plných gravitačných s dĺžkou cca 18 m, blokov vodnej elektrárne a výpustného zariadenia s dĺžkou v základovej škáre cca 60 m (obr.4). a) b) Obr.4 Schématické priečne rezy priehrady Nosice a) plný gravitačný blok b) blok vodnej elektrárne c) blok výpustného zariadenia c)

6 Upravené medzné hodnoty túto skutočnosť čiastočne zohľadnili. Pri rešpektovaní základných zákonov hydrauliky je zrejmé, že odhliadnúc na rozmanitú geologickú skladbu podložia priehrady, je tvar základovej škáry jedným z determinujúcich faktorov, vplývajúcich na vývoj vztlakov v podloží jednotlivých blokov priehrady. S cieľom objasniť vleklý problém s prekračovaním medzných hodnôt vztlakov v podloží vodnej elektrárne boli realizované statické výpočty pri rôznych zaťažovacích stavoch (Bednárová, E. a kol., 2000) a spätnou analýzou pri rešpektovaní požadovaných kritérií na stabilitu (preklopenie okolo vzdušnej päty a ušmyknutie v základovej škáre) a napätia a deformácie - boli pôvodne stanovené medzné hodnoty vztlakov revidované. Analýza potvrdila neopodstatnenosť pôvodných medzných hodnôt, ktoré boli oproti novo vypočítaným hodnotám značne preexponované. Tak, z pôvodne navrhovanej medznej hodnoty vztlakov na vzdušnej strane injekčnej clony 269,30 m n.m. bola upravená hodnota 273 m n.m. a novo vypočítaná hodnota stanovená na úroveň 275,30 m n.m. Uvedené poznatky v konečnom dôsledku potvrdili správnosť kritérií na kvalitu podložia priehrad (Verfel). Na margo betónových gravitačných priehrad v podmienkach Slovenska treba poznamenať, že napriek zložitým geologickým podmienkam, v ktorých boli vybudované osobitne priehrada Nosice a Orava prezentujú vysokú zdatnosť a kumšt našich predchodcov, ktorí boli zúčastnení na ich tvorbe. Literatúra: Bednárová, E. a kol.: Analýza pohybu podzemnej a priesakovej vody v podloží priehrady Nosice. SvF STU Bratislava, 1992, 88 s. Bednárová,E., Babečka,J.: Posúdenie stability elektrárenských blokov betónovej gravitačnej priehrady Nosice. SvF STU Bratislava, 2000, 39 s. Havlík, Koudelková : Vyhodnotenie injektáže tesniacej clony vodného diela Nosice. Geologický prieskum Žilina, Hulla,J. a kol.: Stav vodného diela Nosice. SvF STU Bratislava 1998, 105 s. Lukáč,M., Bednárová,E.: Navrhovanie a výpočty betónových priehrad. Skriptum. Bratislava, ES STU 1992, 138 s. Verfel, J.:Injektování zemin a výstavba podzemních stěn. Bratislava, Bradlo 1992, 511 s. Stavebníctvo na Slovensku. Vodohospodárske stavby. Učelová publikácia podnikov Ministerstva výstavby a stavebníctva a organizácií vodného hospodárstva SR. Bratislava, IKOS, ISBN s. Príspevok je súčasťou riešenia projektu VEGA č. 1/3315/06 Emília Bednárová, prof. Ing.PhD., SvF STU Radlinského 11, Bratislava, tel: / emilia.bednarova@stuba.sk,