1. Úvod REKONSTRUKCE VZNIKU A VÝVOJE PRIVILEGOVANÉ PRŮSAKOVÉ CESTY NA PŘEHRADĚ MOSTIŠTĚ Marek Čejda, Jaromír Říha V období 1995-2004 se na vodním díle (VD) Mostiště periodicky objevoval zvýšený průsak do přístupové chodby. Výsledky prací [Krejčí, Švancara, 2005], [Rech, Pavlík, 2004] a dalších naznačují, že vrcholová štíhlá část těsnicího jádra obsahuje vrstvy nevhodného a nedostatečně zhutněného materiálu. Dále bylo zjištěno, že v některých místech prakticky absentují ochranné vrstvy jádra (filtry) a že koruna těsnicího jádra výškově nevyhovuje normativním požadavkům. Stav v roce 2005 byl ohodnocen jako úplné porušení těsnicího jádra privilegovanou průsakovou cestou (piping) nad úrovní cca 476,10 m n. m. nejméně ve dvou místech. Odnos jemnozrnné frakce z jádra byl kompenzován sedáním nadložních vrstev, které se projevilo jako místní propad na koruně hráze. Výsledky modelového hodnocení vývoje poruchy těsnicího jádra hráze vlivem pipingu uvádí [Říha, Čejda 2009]. Matematický model byl kalibrován a testován na sérii dat získaných v rámci technicko-bezpečnostního dohledu na VD. Předmětem navazujících výzkumných prací prezentovaných v tomto článku bylo studium iniciace vnitřní eroze v těsnicím jádře hráze, jejíž progresivní průběh vedl až k vyhlášení stavu ohrožení a k opravě VD v roce 2004. Snahou bylo kvantifikovat počátek vnitřní eroze v těsnicím jádře hráze a odvodit odpovídající hydraulická kritéria. 2. Stručná charakteristika vodního díla Mostiště a popis poruchy těsnicího jádra Vodní dílo Mostiště se nachází na řece Oslavě v km 65,948 v blízkosti obcí Mostiště a Vídeň. Plocha povodí je 222,94 km 2, délka vzdutí 5,385 km a maximální zatopená plocha 93 ha. Provozovatelem díla je Povodí Moravy, s.p., závod Dyje. Z hlediska výkonu technicko-bezpečnostního dohledu (TBD) dle vyhlášky 471/2001 Sb. je VD Mostiště zařazeno do kategorie I. Nádrž byla uvedena do provozu v roce 1960 primárně za účelem akumulace vody pro vodárenský odběr pro skupinový vodovod Velké Meziříčí Třebíč. Hráz VD Mostiště je kamenitá z hutněného lomového kamene se štíhlým zemním těsněním. Délka hráze je cca 292 m a její maximální výška dosahuje 28,7 m. Těsnicí jádro umístěné při návodní straně je z hutněných prachových hlín. Jádro je v horní části hráze svislé, ve spodní části hráze šikmé. Zemní těsnění je zavázáno na skalní podloží injekční štolou. Skalní podloží je těsněno jednořadou injekční clonou. Anomální chování těsnicího jádra přehradní hráze se poprvé projevilo v roce 1996 viditelným vlhnutím betonové stěny přístupové chodby. Po provrtání stěny zde bylo umístěno měřicí zařízení pro sledování průsaku. V dalších letech následovalo při vysokých hladinách v nádrži postupné zvyšování průsakového množství do přístupové chodby. V roce 2002 byly zahájeny přímé průzkumné práce a při pravobřežním zavázání byla zaznamenána porucha těsnicího jádra. Vývoj průsakového režimu v tělese hráze v letech 1995 až 2005 byl dokumentován ve zprávách o TBD. Z měření vyplynulo zjištění o negativním progresivním vývoji průsaků. Protože hráz neměla v té době drenážní systém, skutečnou velikost průsaku jádrem bylo možné odvodit pouze podle výtoku propustným betonem do přístupové chodby, další obtížně identifikovatelné průsakové množství zřejmě protékalo za rubem chodby do údolí. Bylo ověřeno, že se zvýšené průsaky začínaly objevovat při dosažení hladiny v nádrži cca na kótě 476,10 m n. m. 51
TÉMA 2 / 2.1 XXXII. PRIEHRADNÉ DNI V období 1995-2004 se v závislosti na poloze hladiny v nádrži objevoval zvýšený průsak do přístupové chodby, který výrazně kolísal a celkově vykazoval zřetelně vzestupný trend. Pomocí matematického modelu [Říha, Čejda 2009] byly lokalizovány dvě průsakové trubice procházející těsnicím jádrem hráze na úrovních 476,20 m n.m. a 477,39 m n.m. 4. Metodika prací 4.1 Cíl výzkumu Záznamy o průběhu poruchy těsnicího hlinitého jádra na VD Mostiště jsou cenným podkladovým materiálem pro další studium filtračních deformací zemin. Snahou modelových výpočtů a jejich porovnání pro vybraná období provozu VD Mostiště bylo odvodit hydraulické kritérium vzniku vnitřní eroze materiálů oslabené zóny v těsnicím jádře. 4.2 Dostupné podklady Porovnáním záznamů o polohách hladiny a o zaznamenaných průsacích z let 1981-2005 lze časově umístit vznik poruchy přibližně do období od prosince 1995 do srpna 1996, kdy byla hladina v nádrži dlouhodobě nad úrovní bezpečnostního přelivu. Lze předpokládat, že v tomto období došlo vlivem déletrvajícího zatížení zvýšeným hydraulickým gradientem k inicializace sufózních jevů, progresívní vnitřní erozi v oslabených zónách a ke vzniku privilegované průsakové cesty v hlinitém jádře hráze. Pro správně navržené a provedené těsnicí jádro je mezní hydraulické kritérium doporučeno např. v ČSN 75 2310 podmínkou J s 10, kde J s je střední hydraulický gradient v jádře definovaný jako podíl výšky vodního sloupce na návodní straně jádra a délky průsakové dráhy, tj. v našem případě cca tloušťky jádra v dané výškové úrovni. Tato podmínka platí pro jádra z vhodných materiálů ve smyslu uvedené normy, která jsou chráněna filtry, u nichž jsou splněny geometrické podmínky filtrační stability. V případě oslabených zón na výše uvedených výškových úrovních šlo o vrstvy zahliněného písčitého štěrku mocnosti kolem 0,10 m, které s nejvyšší pravděpodobností nebyly na vzdušní straně chráněny filtry vhodné zrnitosti. Pro tyto zeminy nacházející se dle [Rech, Pavlík, 2004] v tenkých vrstvách v jádře lze dle dostupných podkladů [Istomina, 1957] očekávat kritické hydraulické gradienty výrazně menší než J = 1. 4.3 Použitý postup Při hledání kritického hydraulického gradientu, při kterém začalo docházet k vyplavování zahliněného písčitého štěrku z tělesa těsnicího jádra, byly řešeny tyto dílčí kroky: Na základě granulometrického složení byly odvozeny vybrané vlastnosti zahliněného písčitého štěrku v oslabených zónách. Hydraulická vodivost byla odvozena z křivky zrnitosti srovnáním metod výpočtu dle Slichtera, Terzaghiho, Krügera, Kozeného a Zunkera hodnotou k = 3x10-6 m/s. Modul stlačitelnosti materiálu byl odhadnut hodnotou E = 10 MPa. Pro vybraná období v provozu VD, kdy hladina v nádrži přestoupila úroveň 476,20 m n.m. (tab. 1), byly provedeny modelové simulace odezvy průsaku na pohyb hladiny v nádrži (kapitola 4.4). Z modelových výsledků byly odvozeny odpovídající hodnoty hydraulického gradientu v místě vysakování vody na vzdušním líci. Kritériem pro výběr těchto období byl předpoklad vzniku co nejvyššího hydraulického gradientu 52
v místě vysakování závislého zejména na poloze hladiny v nádrži H(t) a době trvání zvýšených stavů hladiny. 4.4 Matematický model Pro simulaci časoprostorového proudění vody oslabenou zónou byl použit zjednodušený model tlakového režimu proudění (obr. 1). Předpokladem přitom byla relativně malá propustnost okolního hlinitého (neoslabeného) jádra hráze. Řídící rovnice má tvar: h ( k b ) x h S P 0 x t, (1) kde b(x) je mocnost oslabené zóny a S P je pružná zásobnost odvozená z modulu stlačitelnosti zeminy a modulu pružnosti vody. Okrajová podmínka na návodním líci těsnicího jádra má tvar: h(0, t) = H(t), (2a) kde H(t) je poloha hladiny vody v nádrži, na vzdušním líci jádra pak s dostatečnou přesností uvažujeme: h(l, t) = Z v, (2b) kde Z V je kóta výtoku z oslabené zóny volená při horní úrovni oslabené zóny na kótě 476,30 m n. m. Počáteční podmínka byla zadána za předpokladu úplného nasycení oslabené zóny kótou jejího stropu (476,30 m n.m.): h(x, 0) = Z v (x). (3) Numerické řešení bylo provedeno metodou konečných prvků s použitím liniových prvků proměnné délky. 5. Výsledky řešení Obr. 1 Schéma oslabené zóny jádra s označením veličin Výše zmíněným matematickým modelem bylo provedeno hodnocení průběhu průsaku oslabenou zónou, a to pro vybraná období zvýšených stavů hladiny v nádrži (tab. 1). Pro každý případ byl odvozen hydraulický gradient v místě vysakování na vzdušním líci jádra. V období 1981-1995 byla vybrána déletrvající období se zvýšenou 53
TÉMA 2 / 2.1 XXXII. PRIEHRADNÉ DNI hladinou v nádrži i období krátkodobá s extrémním nárůstem hladiny (obr. 2). Nejvyšší dosažené hydraulické gradienty z těchto období byly srovnávány s výsledky z období leden až srpen 1996, kdy byla hladina v nádrži dlouhodobě nad úrovní bezpečnostního přelivu. V této době se držela hladina průměrně na úrovni 477,61 m n.m., přičemž dvakrát vystoupila až na úroveň cca 477,75 m n.m. (obr. 3), jednou na úroveň 477,82 m n.m. a přitom nikdy neklesla pod úroveň 477,53 m n.m.. Výpočty ukázaly, že v období leden až srpen 1996 bylo dosaženo výrazně vyšších hydraulických gradientů na výstupu, než v předchozích obdobích v letech 1981 1995 (tab. 1). Obr. 2 Období 24.9.-3.11.1986 rychlé zvýšení a pokles hladiny Obr. 3 Období 3.4.-29.4.1996 prudký nárůst a pokles hladiny během dlouhodobého zvýšení (vysoký počáteční hydraulický gradient je způsoben jeho předchozím ustálením při dlouhodobě vysoké hladině v nádrži) 54
Období Charakter polohy hladiny H MAX J MAX t(j MAX ) Eroze 4.2.-1.6.1985 postupné zvýšení a pokles 477,85 0,50 23,5 ANO 24.9.-3.11.1986 náhlé zvýšení a pokles 477,87 0,45 10 NE 28.9.-18.10.1993 postupné zvýšení a pokles 477,60 0,35 9,5 NE 13.1.-23.8.1996 dlouhodobé zvýšení 477,82 0,50 200 ANO 18.3.-3.4.1996 prudký nárůst a pokles během dlouhodobého zvýšení 477,75 0,50 6 ANO 3.4.-29.4.1996 prudký nárůst a pokles během dlouhodobého zvýšení 477,76 0,55 10 ANO 29.4.-25.5.1996 prudký nárůst a pokles během dlouhodobého zvýšení 477,82 0,50 26 ANO Tab. 1 Charakteristika sledovaných období H MAX -nejvyšší dosažená poloha hladiny v nádrži [m n.m.], J MAX -maximální hydraulický gradient na vzdušním líci jádra [-], t(j MAX ) -doba trvání J MAX [dny] 6. Závěr V článku je diskutována otázka vzniku vnitřní eroze v jádře přehradní hráze VD Mostiště. Modelovým výpočtem byly určeny maximální hydraulické gradienty dosažené v zastižené vrstvě nevhodného materiálu v těsnicím jádře hráze ve vybraných epizodách v průběhu období 1981 až 1996. Rozměry a vlastnosti zemin této vrstvy byly odvozeny z inženýrsko-geologického průzkumu, prováděného na vodním díle v roce 2004 a 2005. Srovnání zjištěných hodnot dokládá, že kromě epizody v roce 1985 nebylo jádro během let 1981 1995 zatíženo ve zkoumané části tak vysokým hydraulickým gradientem, jako od ledna do srpna roku 1996. Lze předpokládat, že v tomto období dlouhodobého zvýšení hladiny v nádrži došlo k překročení kritického hydraulického gradientu v oslabené části jádra hráze. Hydraulický gradient se v tomto období držel přibližně na hodnotě 0,50, přičemž nikdy neklesl pod hodnotu 0,48 a jednou dosáhl hodnoty 0,55. Lze usuzovat, že pro nevhodnou zeminu v oslabené části těsnicího jádra je kritický hydraulický gradient v intervalu J KRIT = 0,50 až 0,55. Překročení tohoto gradientu patrně vedlo k inicializaci sufózních jevů, které ve své progresi následně vedly ke vzniku privilegované průsakové cesty. Její vývoj v letech 1996 až 2004 vedl k opravě vodního díla v roce 2005. Příspěvek byl zpracován jako součást řešení projektu FAST-S-10-57 a projektu QI92A139. Autoři článku děkují pracovníkům společností Povodí Moravy, s.p., Vodní díla - TBD, a.s. a PÖYRY Environment, a.s. za poskytnuté podklady a konzultace. Literatúra ČSN 75 2310 Sypané hráze ISTOMINA, V. S. Filtracionnaja ustojčivost gruntov, VODGEO, Gosstrojizdat, Moskva 1957. KREJČÍ, V. ŠVANCARA, J. Vývoj situace na VD Mostiště, Vodní hospodářství 8/2005, ročník 55, str. 240-244. RECH, S. PAVLÍK, J. Závěrečná zpráva o inženýrskogeologickém průzkumu v koruně hráze VD Mostiště, GEOtest Brno, a. s., 2004. ŘÍHA, J. ČEJDA, M. Model vývoje průsakové cesty na přehradě Mostiště, Stavební obzor 10/2009, str. 305 309, ISSN 1210-4027. Ing. Marek Čejda, Prof. Ing. Jaromír Říha, CSc. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodních staveb Veveří 331/95, 60200 Brno, Česká republika cejda.m@fce.vutbr.cz, riha.j@fce.vutbr.cz +420 541147761, +420 541147753 55