VD HVĚZDA – HYDRAULICKÝ VÝZKUM M. Králík Abstrakt Příspěvek se zabývá hydraulickým posouzením bezpečnostního objektu vodního díla na základě vyhodnocení experimentálních měření prováděných na fyzikálním hydraulickém modelu. Cílem výzkumu bylo prověřit kapacitu sdruženého objektu při úrovni hladiny na kótě koruny hráze a prověřit možnosti zvýšení kapacity přelivu návrhem prodloužení stávající přelivné hrany na kótě 422,30 m n. m. S tím souvisel i výzkum experimentálního ověření chování proudu odtékající vody s ohledem na zajištění bezpečnosti vodního díla v oblasti vzdušní paty hráze.
Klíčová slova Přehrada, bezpečnostní přeliv, neškodný odtok, extrémní povodeň.
Abstract The paper deals with the hydraulic evaluation of the safety object of the water structure based on evaluation of experimental measuring on a physical hydraulic model. The aim of the research was to verify the capacity of outlet structure under condition of water table on the level of the dam crest and to check the possible increase of the spillway structure capacity by prolonging the existing spillway crest at the height 422,30 m above the sea level. This also included experimental verification of behaviour of the stream of released water with respect to safety of the structure in the zone of the downstream toe.
Key words Water dam, spillway, harmless outflow, and extreme flood
VD Hvězda Popis vodního díla Původní rybník Hvězda v povodí Třebovky ze 14. stol. po staletí významně přispíval k zmírnění škodlivých účinků povodní níže po toku. Při extrémní letní povodni v r. 1997 na vodním díle bylo nutno řešit krizovou povodňovou situaci. Ta vyvolala požadavek v obcích a městech pod vodním dílem, výrazně postižených povodní, na zlepšení dosavadního stavu. Z iniciativy správce povodí – Povodí Labe, s. p. byly po roce 1997 zpracovány vodohospodářské studie povodňových stavů, které zahrnuly i dílčí povodí Třebovky. S ohledem na prokázaný významný účinek nově uvažovaných technických opatření se neprodleně přikročilo ke zpracování projektové dokumentace a k vlastní výstavbě. V rámci projektu se hydraulická funkce sdruženého objektu posuzovala pomocí klasických hydraulických výpočtů, i když s ohledem na vzájemné ovlivnění jednotlivých hydraulických jevů poměrně komplikovaného objektu bylo zřejmé, že realita může být odlišná.
Obr. 1. Foto současného stavu Provozní podmínky V provozních podmínkách může okamžitou kapacitu přelivu ovlivňovat ucpání česlí zachyceným plávím a proto vztah mezi polohou hladiny v nádrži a odtokem není jednoznačný. To jsou zřejmě reálné provozní vlivy, závislé mimo jiné též na ročním období, stavu povodí a různých nahodilých jevech – s intenzitou výrazně ovlivněnou velikostí povodně – které je na modelu sice možno napodobit, bohužel však jen jako demonstraci nejistot. V rámci modelového výzkumu v zájmu hlubšího poznání jevů bylo vedle registrace polohy hladin provedeno také snímání tlaků ve vybraných bodech.
Hydrotechnický modelový výzkum Předmětem prováděného hydraulického modelového výzkumu, uskutečněného ve vodohospodářské laboratoři Fakulty stavební ČVUT v Praze, bylo ověřit funkci celého sdruženého objektu, vývaru a koryta toku pod vodním dílem pro průtok kontrolní povodně Q10 000. Sdružený objekt se skládá z bezpečnostního přelivu, škrtícího okna, nouzového přelivu, dvou spodních výpustí, malé vodní elektrárny, obtokového kanálu okolo vodního díla Hvězda a přívodu vody k lovišti. Z uvedeného vyplývá, že se jedná o prostorově velmi složitý objekt a s tím byly a jsou spojené komplikace při návrhu, výstavbě i při jeho následném hydraulickém posouzení. Klasický hydraulický výpočet tohoto díla je složitý, protože se v prostorově velmi složitém objektu všechny hydraulické jevy více či méně vzájemně ovlivňují. Model VD Hvězda (škrtící okno, bezpečnostní přeliv před oknem, nouzový přeliv, spodní výpusti a obtokový kanál okolo vodního díla) byl navržen a vybudován v měřítku M – 1:14.
Obr. 2. Model VD Hvězda
Výsledky experimentů Výsledky pokusů všech měření byly zpracovány do měrné křivky bezpečnostního přelivu, vyhodnoceny podélnými profily hladin ve skluzu, polohou hladin ve vývaru a korytě pod přehradou a tlakovými pulsacemi ve vývaru. Při modelování kapacity sdruženého objektu VD Hvězda za extrémních povodní byl prošetřen návrh prodloužení přelivné hrany nouzového přelivu podle doporučení „Posudku bezpečnosti VD Hvězda za povodní“ (VODNÍ DÍLA - TBD a.s., říjen 2009). V rámci modelového výzkumu byly uvažovány varianty, které prodlužují přelivnou hranu na místě odbourané zdi sdruženého objektu postupně o 3,5 7,0 - 9,0 a 11,0 m. Vedle prodloužení přelivné hrany bylo zároveň upraveno předpolí tak, aby před přelivem bylo předpolí sníženo o 0,5 m pod kótu přelivu. Tab. 1. Přehled pokusů a měření na modelu VD Hvězda popis měření Měření 1 přeliv, spodní výpusti uzavřeny Měření 2 přeliv, spodní výpusti otevřeny Měření 3 přeliv, spodní výpusti otevřeny, nová přelivná hrana 3,5 m Měření 4 přeliv, spodní výpusti otevřeny, nová přelivná hrana 7 m Měření 5 přeliv, spodní výpusti otevřeny, nová přelivná hrana 9 m Měření 6 přeliv, spodní výpusti otevřeny, nová přelivná hrana 11 m Měření 7 přeliv, spodní výpusti otevřeny, nová přelivná hrana 11 m, dolní voda o 0,5 m níž Měření 8 přeliv, spodní výpusti otevřeny, nová přelivná hrana 11 m, dolní voda o 1 m výš Měření 9 přeliv, spodní výpusti otevřeny, nová přelivná hrana 11 m, usměrnění proudu ve vývaru Měření 10 přeliv, spodní výpusti otevřeny, nová přelivná hrana 7+3 m Měření 11 přeliv, spodní výpusti otevřeny, nová přelivná hrana 7 + 3 m, rychlosti v předpolí
Měrná křivka sdruženého objektu VD Hvězda srovnání
425,0 424,0
hladina [m n. m.]
423,0 422,0 měření 1 měření 2
421,0
měření 3 měření 4
420,0
měření 5 měření 6
419,0
měření 10
418,0 417,0 416,0 0
10
20
30
40
50
60 průtok
70
80
90
100
[m3.s-1]
Obr. 3. Měrná křivka přelivu
Obr. 4. Tlak, tlakové pulzace v místě dopadu proudu vody do vývaru
110
120
Obr. 5. Rychlostní pole na konci vývaru při výsledné variantě nového přelivu Bezpečnostní přeliv. Kapacita stávajícího přelivu, který má zajistit nově převedení požadované kontrolní povodně PV 10 000 a N-letého transformovaného průtoku Q10 000 je nevyhovující. Přešetření a zpřesnění kapacity stávajícího přelivu bylo zapotřebí především proto, že v předchozím výzkumu byla funkce sdruženého objektu posuzována pro průtoky do Q100 (hydraulický výzkum z roku 2008). Na základě výsledků tohoto měření byly provedeny variantně zcela nové návrhy přelivu – prodloužením přelivné hrany ubouráním části levé stěny sdruženého objektu. Ze série provedených měření byla doporučena k řešení varianta č. 10, kde byla navržena dílčí úprava prodlouženého přelivu s délkou 7+3 m, jehož část u pozemní komunikace je vedena pod úhlem 45° od vodorovné na konci přelivné hrany dlouhé 7 m. Navíc jsou v této variantě maximálně zlepšeny nátokové podmínky v oblasti předpolí nouzového přelivu a nového prodlouženého přelivu ubouráním stávající svislé stěny až k místu levého pilíře komunikační lávky. Vyhodnocení měření měrné křivky výsledného návrhu: Q10 000 = 119,8 m3.s-1 (nejnepříznivější varianta PV 10 000) hladina v nádrži je dle měření na kótě 424,17 m n. m., podle „Posudku bezpečnosti za povodně“ (VODNÍ DÍLA - TBD a.s., říjen 2009) je mezní bezpečná hladina vody v nádrži 424,06 m n. m. (nejnižší úroveň koruny hráze snížená o výběh větrových vln).
Obr. 6. 3D vizualizace uspořádání sdruženého objektu s prodloužením nouzového přelivu o 7 + 3 m 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 dispozičního řešení nátoku vody do vývaru z nového přelivu. Proudění vody na konci vývaru bylo vyhodnocováno pomocí rychlostního pole. U nově navrženého přelivu dochází k nátoku vody do vývaru z levé strany a odtok z vývaru je soustředěn k pravé straně. Předpolí bezpečnostního přelivu. Návrh nového přelivu je spojen s úpravou jeho předpolí – snížením o 0,5 m pod úroveň koruny přelivu. Opevnění předpolí bude realizováno štěrkovým zásypem.
Závěr Celkem bylo provedeno 11 různých variant měření dispozičního a konstrukčního uspořádání bezpečnostního přelivu, vývaru, variantního řešení převádění povodňových průtoků na modelu VD Hvězda pro řadu simulovaných N-letých průtoků. Pro všechny varianty měření se sledovaly polohy hladin v nádrži, vývaru, v korytě pod hrází, měřily se tlakové poměry ve vývaru (pomocí tlakových sond) a rychlostní pole na konci vývaru (pomocí hydrometrické mikrovrtule). Byly vyhodnocovány měrné křivky (kapacity) nově navrženého rozšířeného bezpečnostního přelivu. Výzkumem byl sledován vliv tlumících usměrňovacích prvků při převádění povodňových průtoků na proudové poměry ve vývaru a v korytě za ním. Hydraulické fyzikální modelování má své opodstatnění při řešení složitých úloh návrhu a posouzení pojistných zařízení přehrad. Při posouzení stávajícího stavu bezpečnostních přelivů a navazujících objektů a při návrhu rekonstruovaných pojistných zařízení na VD Hvězda byl použit fyzikální hydraulický model, který nejlépe popisuje proudění vody na těchto objektech a dává v řadě velmi komplikovaných konstrukčních řešení objektů věrohodnější výsledky oproti matematickým modelům, které prodění popisují jen velmi obtížně nebo vůbec.
Poděkování: Tento článek byl napsán za finančního přispění Grantové agentury České republiky Grantového projektu č. 103/09/P584 „Bezpečnost hrází za extrémních povodní“.
Literatura [1] Broža V. a kolektiv: Přehrady Čech Moravy a Slezska. Liberec: Knihy 555, 2005. [2] VD Hvězda, Posudek bezpečnosti za povodně, Vodní díla - TBD a.s., 2009. [3] Havlík, V., Marešová, I. Hydraulika (příklady). Praha: ČVUT, 1990. [4] Kolář, V., Patočka, C., Bém, L. Hydraulika. Praha: SNTL/ALFA, 1973. [5] 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]
