Vodní dílo Hněvkovice. fyzikální model stavby.

Vlastníci vodních děl mají v České republice podle zákona č. 254/2001 o vodách, mimo jiné, povinnost udržovat vodní díla v řádném stavu tak, aby nedocházelo k ohrožování bezpečnosti osob, majetku a jiných chráněných zájmů. Tomu odpovídá také povinnost věnovat se v rámci technickobezpečnostního dohledu posuzování bezpečnosti vodních děl při povodni. Tato povinnost vychází z definice technickobezpečnostního dohledu v § 61 a z definice povinností vlastníků vodních děl v § 84 zákona č. 254/2001 o vodách.

Proto také v případě vodního díla Hněvkovice (dále také pouze VD) nechal jeho správce – státní podnik Povodí Vltavy – zpracovat posudek bezpečnosti VD při povodních (Vodní díla – TBD, a.s., 5/2011 a jeho aktualizace 5/2014). Závěr posudků je jednoznačný: VD Hněvkovice jako dílo I. kategorie z hlediska TBD nevyhovuje požadavkům na bezpečnost při povodních ve smyslu TNV 75 2935, jelikož při převedení kontrolní povodňové vlny Q10 000 = 2600 m3.s-1 je úroveň maximální kontrolní hladiny nad úrovní mezní bezpečné hladiny.

Popis vodního díla

Vodní dílo Hněvkovice se nachází 5 km jižně od Týna nad Vltavou a 29 km severně od Českých Budějovic a spolu s vodním dílem Kořensko jsou nejnovějšími stupni Vltavské kaskády vybudovanými v letech 1986 – 1991. O stupni Hněvkovice se uvažovalo už bezprostředně po 1. světové válce. Ale až po rozhodnutí vybudovat jadernou elektrárnu u Temelína bylo nutné zabezpečit technologickou vodu výstavbou nádrže na Vltavě.

Foto 1. Celkový pohled na hráz proti vodě

Vodní dílo tvoří betonová tížná hráz se třemi korunovými hrazenými přelivy. Celková délka koruny hráze je 191 m, výška nade dnem 23,5 m. Přes korunu hráze vede veřejná komunikace. U pravého břehu je umístěna plavební komora pro lodě do nosnosti 300 tun. U levého břehu je vodní elektrárna s dvěma Kaplanovými turbínami. Současně s výstavbou VD Hněvkovice se budovala čerpací stanice na levém břehu Vltavy v těsném sousedství hráze včetně přívodního potrubí technologické vody do areálu jaderné elektrárny Temelín, což je prioritní účel nádrže. Nádrž délky 18,65 kilometru sahá svým vzdutím po jez v Hluboké nad Vltavou a zaujímá plochu 276,67 hektarů. VD bylo postaveno na Vltavě v říční kilometráži 210,390.

Níže je uveden základní technický popis vodního díla, který je též charakterizován přiloženými fotografiemi 1 a 2:

Vzdouvací objekt
Hráz v ř. km 210,390 Vltavy je přímá gravitační, betonová, trojúhelníkového příčného profilu. Kóta koruny hráze je 372,60 m n. m., kóta koruny mostovky je 376,10 m n. m., max. výška hráze nad základovou spárou činí 33,50 m, koruna hráze je celkové délky 191,00 m.

Bezpečnostní přelivy
Tři hrazené korunové přelivy světlosti 12,0 m, oddělené pilíři šířky 5,0 m se nachází zhruba uprostřed hráze. Ocelové segmenty mají hradící výšku 7,0 m. Pod segmenty odtéká voda do vývaru délky 44,0 m a hloubky 5,0 m. Dno vývaru je na kótě 349,10 m n. m.
Pevný práh přelivů 364,60 m n. m.
Dosedací práh segmentů 364,40 m n. m.
Dolní okraj zdvižených segmentů 371,60 m n. m.
Koruna pilířů 372,60 m n. m.
Kapacita 3 přelivů (při max. hladině zásobního prostoru 370,10 m n. m.) je 1010 m3.s-1.

Spodní výpust
Funkci spodní výpusti má plnící obtok plavební komory s vtokem v jejím horním ohlaví.
V případě náhlého výpadku vodní elektrárny je obtokem plavební komory převáděna voda pro zajištění minimálního průtoku pod dílem. Vtokový otvor má rozměry 4,8 x 2,4 m. Výtokový profil má rozměry 1,5 x 1,5 m. Délka obtoku (včetně svislé části) je 31,0 m.

Plavební komora
Plavební komora je situována v pravé polovině hráze, tvoří jí stavební blok šířky 16,0 m. Užitné rozměry plavební komory jsou 45,0 x 6,0 m. Koruna bočních zdí je 372,60 m n. m. Horní jednokřídlá desková vrata mají šířku 6,0 m a výšku 10,5 m. Dolní podjezdná stavidlová vrata mají rozměry 6,8 x 10,7 m.

Foto 2. Pohled na plavební komoru s velínem

Vodní elektrárna
Vodní elektrárna je situována v levé části hráze. Elektrárna je bezobslužná a pracuje v průběžném až pološpičkové režimu. Instalovány jsou dvě vertikální Kaplanovy turbíny s průměrem oběžných kol 2400 mm a hltností každé z turbín 12 – 30 m3.s-1.

Aerační výpusti
Okamžité zlepšení kyslíkového režimu ve Vltavě pod hrází VD umožňují 4 aerační výpusti DN 500 mm. Manipulace s aeračními výpustmi zajišťuje provozovatel vodní elektrárny. Průtočná kapacita jedné výpusti je při hladině 370,10 m n. m. 1,28 m3.s-1.

Účel vodního díla
Vodní dílo zajišťuje svou funkcí a hospodařením s vodou následující účely v pořadí podle důležitosti:

• Ve spolupráci s nádrží VD Lipno I zabezpečení minimálního průměrného denního průtoku ve Vltavě pod nádrží ve výši 6,5 m3.s-1, průměrného denního průtoku 9,5 m3.s-1ve Vltavě pod soutokem s Lužnicí a zabezpečením odběru povrchové vody pro JE Temelín,
• odběry povrchové vody z nádrže podle příslušných povolení,
• využití odtoku z nádrže k výrobě elektrické energie v pološpičkové vodní elektrárně, která je součástí vodního díla,
• rybí hospodářství,
• likvidace havárií v čistotě vody, eventuálně proplachování vodního toku ke zlepšení kvality vody a hygienických podmínek toku krátkodobým vypouštěním zvýšeného odtoku z nádrže Hněvkovice,
• ovlivnění zimního průtokového režimu v toku pod vodním dílem vypouštěním vody z nádrže Hněvkovice,
• plavba v nádrži,
• rekreace a vodní sporty.

Potřeba modelového výzkumu

Při zpracování Posudku bezpečnosti VD Hněvkovice při povodních v květnu 2011 vycházel zpracovatel (VODNÍ DÍLA – TBD, a.s.) z „Metodického pokynu odboru ochrany vod Ministerstva životního prostředí k posuzování bezpečnosti přehrad za povodní“ a TNV 752935 „Posuzování bezpečnosti vodních děl za povodní“ a stanovil mezní bezpečnou hladinu (MBH) jako úroveň hladiny v nádrži, při které je v dané lokalitě právě ještě zaručena bezpečnost a stabilita díla nebo při jejímž překročení nastává aktuální nebezpečí poruchy a havárie vodního díla. Jako výchozí úroveň mezní bezpečné hladiny byla pro VD Hněvkovice zvolena kóta koruny hráze 372,60 m n. m. Překročení této výškové úrovně by za současného stavu znamenalo neovladatelné přelévání koruny hráze všemi otvory nad úrovní 372,60 m n. m. Při tomto stavu by mimo jiné došlo k zaplavování vodní elektrárny shora a k zatápění vnitřních prostor tělesa hráze.

MBH na kótě 372,60 m n. m. přesahuje maximální vodoprávně projednanou hladinu (370,10 m n. m.) o 2,5 m, a proto je nezbytné posoudit stabilitu hrázových bloků při tomto zvýšeném zatěžovacím stavu. Stabilita mezibloků 8 a 10 byla na překlopení a posunutí pro úroveň hladiny 372,60 m n. m. prokázána projektantem (HYDROPROJEKT, a.s.).

V rámci tohoto posudku byla ještě přezkoumána stabilita přelivného bloku 9 pro zatěžovací stav odpovídající MBH na kótě 372,60 m n. m. Výpočtem bylo zjištěno, že již neexistují žádné významné rezervy pro možnost uvažovat MBH na vyšší úrovni než 372,60 m n. m. Proto bez podrobných stabilitních výpočtů a provedení nápravných opatření nedoporučil v závěru posudku zpracovatel zvýšení MBH.

Vzhledem k výsledkům uvedeným v posudku bezpečnosti VD a vzhledem k důležitosti znalosti jednak skutečného množství vody protékajícího při povodni přes VD a jednak skutečné polohy hladiny při povodni, rozhodl se provozovatel vodního díla o ověření těchto veličin za pomoci fyzikálního modelu, který je oproti klasickým výpočtovým metodám schopen podat jednak přesnější hodnoty požadovaných veličin a jednak dokáže lépe popsat hydraulické chování vodního díla při převádění průtoků. Cílem fyzikálního modelování tedy bylo ověřit úroveň maximální kontrolní hladiny při převádění kontrolní povodňové vlny a také ověřit, resp. znovustanovit konzumpční křivku vodního díla.

Protože jednou z možností, jak bezpečně převést kontrolní povodňovou vlnu, je i varianta zvýšení mezní bezpečné hladiny, byl provozovatelem stanoven požadavek na prověření konzumpční křivky při zahrazení všech prostupů na koruně hráze (jako simulace zabezpečení VD proti vniknutí vody do hráze).

Vlastní modelový výzkum

V roce 2013 bylo státním podnikem Povodí Vltavy zadáno veřejné výzkumné instituci Výzkumnému ústavu vodohospodářskému TGM sestavení fyzikálního modelu VD s následujícími podmínkami řešení:
• Stavba fyzikálního modelu 3 polí bezpečnostního přelivu, plavební komory, vývaru a navazujícího okolí vodního díla Hněvkovice v měřítku 1 : 50, aby bylo možné na základě hydraulických měření, provedených na tomto modelu, sestavit konzumpční křivku bezpečnostních přelivů při plném otevření segmentových uzávěrů a konzumpční křivku přelévaných konstrukcí plavební komory, a to až do úrovně mostovky vodního díla, tj. do kóty 376,10 m n. m.;

• Zjištění hodnot tlaku přitížení přelivných bloků od přepadající vody, typu vodního skoku pod vodním dílem a vlivu dolní vody na zatížení vodního díla.
• Otestování citlivosti naměřených hodnot na hladinu dolní vody, a to ve dvou variantách. Při určeném průtoku přes vodní dílo bude hladina vody v korytě pod vodním dílem zvýšena, respektive snížena o 1 m oproti objednatelem dodané konzumpční křivce koryta pod vodním dílem.

V říjnu 2013 byly práce na testování modelu VD dokončeny a sumarizovány do závěrečné zprávy, která byla následně jedním z podkladů pro aktualizaci posudku bezpečnosti vodního díla při povodních. Jako výchozí úroveň pro navýšení MBH byla v posudku uvažována hodnota KMH = 374,77 m n. m. zjištěná modelovým výzkumem. Závěr aktualizovaného posudku bezpečnosti VD potvrdil potřebu nápravných opatření, a to buďto dodržení MBH na původní úrovni koruny hráze 372,60 m n. m. (tj. zkapacitnění uzávěrů VD) nebo navýšení MBH na úroveň 374,85 m n.m. (tj. zabezpečení VD proti vniknutí vody do tělesa hráze a zároveň zajištění stability hrázových bloků).

Pro představu přikládáme fotografie 3 až 6 z testování na fyzikálním modelu, na kterých jsou patrné celkové rozměry vodního díla s částí zdrže, vývaru a koryta toku v měřítku 1 : 50.

Studie proveditelnosti

Na základě výše uvedených výsledků posudku bezpečnosti a v něm stanovené potřebě nápravných opatření, zadalo v lednu 2015 Povodí Vltavy, státní podnik, zpracování studie proveditelnosti, a to firmě Sweco Hydroprojekt, a.s.. Požadavkem bylo řešit dodržení jednoduché rovnice KMH < MBH, a to buď snížením KMH, tj. zvětšením průtoku přes vodní dílo při povodni zkapacitněním stávajících objektů pro převádění vod nebo doplněním nových, a nebo zvýšením MBH zvýšením stability hrázových bloků a zajištění protipovodňové ochrany koruny hráze.

V rámci studie byly řešeny následující varianty:

Varianty snižující KMH

• Varianta 1 – Zkapacitnění současných přelivů snížením jejich pevného prahu.
• Varianta 2 – Dodatečná výstavba šachtového přelivu.
• Varianta 3 – Nový hrazený bezpečnostní přeliv na levém břehu.
• Varianta 4 – Nový nehrazený bezpečnostní přeliv na pravém břehu.
• Varianta 5 – Nový hrazený bezpečnostní přeliv na pravém břehu.
• Varianta 6 – Úprava konstrukce plavební komory formou kapacitního horního uzávěru.
• Varianta 7 – Úprava konstrukce plavební komory a zkapacitnění dolních vrat.
• Varianta 8 – Zvýšení kapacity objektu plavební komory doplněním hrazených otvorů do její levé zdi.

Varianty zvyšující MBH

• Varianta A – Zvýšení stability kotvením hrázových bloků do podloží.
• Varianta B – Zvýšení stability přitížením tělesa hráze betonovým předprsním.
• Varianta C – Zamezení vztlaků na základovou spáru tělesa hráze systémem drenáží a čerpání.
Varianty kombinované, tedy částečné snížení KMH při částečném zvýšení MBH
• Varianta I – Převádění povodňových průtoků přes plavební komoru s doprovodným kotvením.
• Varianta II – Převádění povodňových průtoků přes plavební komoru a zvýšení kapacity bezpečnostního přelivu.

Pro všechny varianty byl v rámci studie zpracován odhad investičních a provozních nákladů a stanovena efektivita. Následně byly varianty objednatelem studie expertně posouzeny a pro další sledování byly vybrány varianty snižující KMH, a to prostřednictvím zprůtočnění plavební komory, tedy Varianta 7 – Úprava konstrukce plavební komory a zkapacitnění dolních vrat a Varianta 8 – Zvýšení kapacity objektu plavební komory doplněním hrazených otvorů do její levé zdi (viz obr. 1).

Obr. 1. Varianta 8 – Zvýšení kapacity objektu plavební komory doplněním hrazených otvorů do její levé zdi

Doplňkový modelový výzkum

Po rozhodnutí správce vodního díla o dále sledovaných variantách bylo rozhodnuto o jejich ověření znovu na fyzikálním modelu. Původní model byl stále u zpracovatele k dispozici a nic nebránilo jeho úpravám a testování jednotlivých variant. V únoru 2016 byla uzavřena smlouva a zahájeny práce na rekonstrukci stavby modelu (úprava dolních vrat plavební komory, příprava na vytvoření nových otvorů v levé zdi plavební komory atd.).
Rozsah vlastního testování měl za cíl ověřit a zpřesnit hodnoty (zejména průtoků) spočtené v rámci studie proveditelnosti a byl dohodnutý v následujícím rozsahu:

• Zpracování měrné křivky VD při otevřených dolních vratech plavební komory – převádění povodňového průtoku přes PK.
• Zpracování měrné křivky VD za předpokladu úpravy levé stěny PK (doplnění stěny o tři uzavíratelné otvory pro zkapacitnění PK), včetně odpovídajících stavebních úprav fyzikálního modelu VD Hněvkovice.
• Zpracování měrné křivky VD za předpokladu úpravy stěny PK a zvětšení otvoru dolních vrat (jejich zvýšení o cca 2,00 m), včetně odpovídajících stavebních úprav fyzikálního modelu VD Hněvkovice.
• Posouzení proudových poměrů v PK a ve vybraném úseku pod PK při převádění vody přes PK pro obě výše uvedené varianty (sledování turbulencí a jiných nestandardních hydraulických jevů).
• Změření úrovně hladin bezprostředně pod a nad VD, a to v předpokladu na 8 místech dle výběru objednatele.

Průběh fyzikálního modelování zaměřeného na převádění části povodňových průtoků přes plavební komoru je nejlépe patrný z fotografií 7 až 10 pořízených při testování.

Průběh a výsledky výše popsaného doplňkového modelového výzkumu prokázaly jeho nutnost při návrhu nestandardních hydrotechnických staveb. V našem konkrétním případě byly prokázány velice odlišné hodnoty kapacitních průtoků přes plavební komoru oproti matematickému výpočtu provedenému v rámci studie proveditelnosti. Jako velice užitečný se model ukázal zejména ve stanovení hladiny v prostoru před hrází, kde vlivem vysoké rychlosti proudění dochází k jejímu poklesu, a to zejména u plavební komory a bezpečnostních přelivů, kde dochází ke snížení v řádech desítek cm. Dochází tak ve skutečnosti k menšímu rozdílu mezi KMH a MBH a také ke snížení nutného zvětšení dolních vrat plavební komory.

Neocenitelné je pak vizuální prověření veškerých nově navrhovaných i původních konstrukcí vodního díla při převádění průtoků, jako jsou turbulentní proudění, úplavy apod.

Další postup

V době zpracování tohoto příspěvku je dokončována závěrečná zpráva doplňkového fyzikálního modelu. Již nyní správce vodního díla, projektant a zpracovatel modelu dolaďují další postup, který povede k doladění výsledné varianty. Výsledky modelového výzkumu zapracuje projektant do již dříve navržené varianty úpravy plavební komory a tato varianta bude prověřena na upraveném fyzikálním modelu. Výsledkem pak bude jednoznačný podklad, který bude použit pro další projektovou přípravu (čeká nás ještě dokumentace pro stavební povolení a dokumentace pro provedení stavby).

Na závěr si můžeme pouze přát, aby fyzikálním modelem optimalizovaná varianta, která bude na vodním díle Hněvkovice v nejbližších letech zrealizována, nebyla návrhovým průtokem Q10 000 = 2600 m3.s-1 ještě dlouho zatížena v reálu, ale pouze a jen na fyzikálním modelu v laboratořích Výzkumného ústavu vodohospodářského TGM, v.v.i.

Ing. Ondřej Hrazdira
Povodí Vltavy, státní podnik
Holečkova 8
150 24 Praha 5
ondrej.hrazdira()pvl.cz