Ponaučení z posouzení bezpečnosti přehrad dle výsledků měření a numerických modelů

Poznatky a ponaučení z tohoto procesu, který vedl v řadě případů ke změně předpokladů týkajících se způsobu porušení přehrady a návrhu nápravných opatření, jsou demonstrovány na příkladu čtyř přehrad:

• betonová přehrada Vír na řece Svratce, 65 m postavená v roce 1957,
• zděná přehrada Bystřička na řece Bystřici, 36,5 m ukončená v roce1912,
• betonová přehrada Žermanice na řece Lučině, 36 m vybudovaná v roce 1958 a
• sypaná přehrada Šance na řece Ostravici, 60 m uvedená do provozu v roce 1969.

Pro přehradu Vír se řešila nelineární pružně plastická mechanická úloha, v ostatních případech se řešily sdružené mechanicko-hydraulické, mechanicko-tepelné a mechanicko-hydraulické-reologické úlohy mechaniky kontinua a diskontinua. Detaily řešení a použitých programových systémů jsou v publikacích [1 – 8]. V příspěvku se uvádí stručný popis přehrad, vzniklé problémy, původní předpoklady a koncepty řešení, výsledky modelovacího procesu a návrhy na rekonstrukci přehrad.

BETONOVÁ PŘEHRADA VÍR NA ŘECE SVRATCE (65 m)
Stabilitě 65 m vysoké tížné betonové přehrady Vír, která byla vybudovaná na řece Svratce v letech 1947 až 1957, byla věnována mimořádná pozornost již od počátku vzniku díla. Příčinou byly složité geologické poměry v podloží přehrady (styk navětralých svorů a svorových rul s pevnými migmatity a oslabení tohoto styku poruchovým pásmem, obr. 1) a způsob založení hráze (základová spára ukloněna směrem po vodě). Hned po prvním částečném napouštění nádrže bylo podle návrhu prof. Wünsche vybudováno speciální zabezpečovací zařízení (rozpěrné desky aktivované klíny a předpjatými kotvami), které mělo vyvozovat aktivní protitlak až 5 000 kN na běžný metr rozpěrné desky. V roce 1966 se však zjistilo, že část kotev je zkorodována, předpětí nelze obnovit, a byla proto nastálo snížena hladina vody v nádrži.

V roce 1988 se přistoupilo k rekonstrukci přehrady, která předpokládala úplné obnovení kotev, jejichž kořeny by však byly nadále v nejslabší části podloží tvořené svory. Byly ale k dispozici dlouhodobé výsledky měření (1954 – 1988), které svědčily o příznivém útlumovém trendu deformace přehrady, jejíž sedání činilo pouze 5 mm při vodorovném posunu do 9 mm.

Podrobné modelování postupu výstavby přehrady a provozu nádrže podle archívních podkladů a výsledků měření ukázalo, že naměřené deformace jsou podmíněné kvalitou kontaktu paty přehrady, rozpěrné desky a podložních migmatitů a jsou nezávislé na předpětí kotev. Wünschovo zařízení, které překlene poruchovou zónu, funguje i bez kotev, protože se místo aktivního protitlaku vyvine pasivní odpor, jež lze ještě zvětšit přitížením rozpěrných desek. Odstoupilo se proto od nákladného obnovení kotev a rekonstrukce přehrady se omezila na přitížení rozpěrných desek a na injektáž nejvíce exponovaných částí podloží.

ZDĚNÁ PŘEHRADA BYSTŘIČKA NA ŘECE BYSTŘICI (36,5 m)
Zděná přehrada Bystřička byla v letech 1903 – 1912 postavena na řece Bystřici jako retenční nádrž. Přehrada byla opatřena obkladem a jílovitým přísypem na návodní straně a zavázání přehrady do podloží (souvrství slepenců, pískovců a jílovitých břidlic) bylo uskutečněno pomocí 4,5 m mocné vrstvy podkladového betonu. Při generální opravě v letech 1965 – 1968 bylo zděné hrázové těleso zakotveno do podloží (26 lanových kotev s předpětím 3 700 kN na jednu kotvu) za účelem zvýšení stability přehrady ve spojitosti se zvýšením hladiny zásobního prostoru. V roce 1994 se při kontrole napětí v kotvách nepodařilo vůbec předepnout 4 kotvy v údolní části, kde přehrada dosahuje maximální výšky. Následné průzkumné práce (vrtný průzkum, vodní tlakové zkoušky a jiné, 1995 – 2002) ukázaly existenci spár mezi podkladovým betonem a zdivem, značnou heterogenitu zdiva a propustnost podkladového betonu.

Modelové práce realizované v letech 1999 a 2000 obsahovaly sbližovací výpočty k naměřeným deformacím a průsakům, zjišťování mechanismu porušení přehrady a zhodnocení účinnosti zabezpečovacích prvků díla. Nejúčinnější je injekční clona, která snižuje mobilizaci smykové pevnosti v základové spáře o 61 – 67 %. Drenáž vykazuje účinnost v tomto smyslu 15 – 25 % a kotvy jen 3 – 7 %. Podle modelového řešení je stabilita přehrady ohrožena nikoliv korozí kotev nýbrž propustností a potenciálně nízkou smykovou pevností podkladového betonu a kontaktu zdivo/beton. Vliv propustnosti podkladového betonu na porušení přehrady smykem v případě extrémního zatěžovacího stavu ilustruje obr. 2.

Rekonstrukce přehrady se místo obnovení kotev zaměřila na zajištění vodotěsností komplexu zdivo/podkladový beton/injekční clona. Byla v podkladovém betonu pro tento účel vybudována víceúčelová injekční štola, která umožnila sanaci podkladového betonu a injekční clony a odvodňování a monitoring přehrady.

BETONOVÁ PŘEHRADA ŽERMANICE NA ŘECE LUČINĚ (36 m)
Tížná betonová přehrada Žermanice (36 m) vybudovaná v letech 1952 – 1957 na řece Lučina se vyznačuje mimořádně složitými geologickými poměry podloží. Údolní část přehrady je založena na měkkých slínitých břidlicích, zatím co levé křídlo na pevném a pravé křídlo na rozloženém těšínitu (obr. 3). Projekt byl sice těmto nepříznivým podmínkám přizpůsoben (viz profily 1-1’ a 2-2’ na obr. 3), ale dlouhodobé výsledky měření na přehradě (1957 – 2010) vykazují presto neobvyklé deformační trendy. Dochází ke zvedání (20 mm), náklonu po vodě (44 mm) a nerovnoměrnému horizontálnímu posunu hrázových bloků (60 mm), které vyvolávají pochybnosti ohledně stability a bezpečnosti díla.

Problém byl analyzován a objasněn sérií na sebe navazujících numerických modelů (osm rovinných a jeden syntetizující prostorový model) s postupnou kalibrací mechanických, hydraulických, tepelných a reologických parametrů umožňující simulaci výsledků měření (obr. 5). Bylo zjištěno, že pravděpodobnou příčinou nestandardního chování přehrady je vazkoplastické tečení, tj. creep slínitých břidlic v podloží, a to ve dvou směrech, ve směru toku a napříč údolím (obr. 4). Creep ve směru toku a tím i nerovnoměrný vodorovný posun a náklon údolních hrázových bloků je působen změnou napjatosti slínitých břidlic po naplnění nádrže. Příčinou creepu napříč údolím a tím i zdvihu hrázových bloků je existence latentní smykové plochy v pravém údolním svahu, která vznikla při vytváření údolí a obnovila se při výstavbě přehrady. Stabilitní řešení ukázalo, že nedochází ani k překlopení přehrady, ani k usmyknutí podél základové spáry. Vytváří se hloubková smyková plocha a stupeň stability přehrady je dostatečně vysoký pro všechny uvažované zatěžovací stavy.

Závěrem studie bylo, že lze přehradu provozovat bez okamžitých bezpečnostních opatření. Doporučuje se však rozšíření měření na pravý břeh, kontrola nejvíce namáhaných dilatačních spár a výhledově také zvětšení násypu na vzdušní straně hrázových bloků pro tlumení creepu.

SYPANÁ PŘEHRADA ŠANCE NA ŘECE OSTRAVICI (60 m)
VD Šance s 60 m vysokou sypanou přehradou na řece Ostravici bylo vybudováno v letech 1965 až 1969 jako vodárenská nádrž. Přehrada má šikmé těsnicí jádro z písčitých hlín, široké přechodové zóny z hlinito-kamenitých sutí a stabilizační části z lomového kamene, místního pískovce. Podloží hráze je tvořené pískovcovými lavicemi karpatského flyše. Výzkumné a studijní práce po extrémní povodni v roce 1997 a pozdější průzkum upozornily na nejistoty týkající se hydraulické zabezpečenosti díla, relativně vysokých časově závislých deformací hráze (sekundární creep s konstantní rychlostí), stability strmého návodního a vzdušního svahu a také defektů objevených v horní části těsnicího jádra. Bylo nutno vypracovat nové stabilitního posouzení, které respektuje pozorované chování hráze.

Modelové práce obsahovaly sbližovací výpočty k výsledkům měření včetně prognózy posunů koruny do roku 2052 (obr. 6), posouzení stability hráze a analýzu nebezpečí vzniku hydraulického porušení a trhlin v těsnicím jádře. Rozhodující úlohu při posouzení hrálo výstižné modelování prosednutí rockfillu v návodní stabilizační části a drcení a creepu rockfillu ve vzdušní stabilizační části.

Koncept maximálního zabezpečení hráze předpokládal stabilizační přísyp na vzdušní straně až ke koruně hráze. Neočekávaným modelovým výsledkem bylo, že 58 m vysoký přísyp zvyšuje sice stupeň stability vzdušního svahu, ale má nepříznivý vliv na korunu hráze. Zatížení stlačitelného rockfillu přísypem vyvolá nerovnoměrné sedání (8 cm) a posun koruny hráze po vodě (!) 6 cm a vyčerpání smykové pevnosti vzdušního filtru (obr. 7). Výška přísypu byla snížena na 38 m, která je optimální výškou podle modelu.

LITERATURA
[1] Doležalová, M. (1993): Numerická studie stability přehrady Vír, Inženýrské stavby, 41(4), 95-104
[2] Doležalová, M., Švancara, J., Torner, V. (2005): Štola v podloží přehrady Bystřička jako opatření k zajištění stability hráze, Tunel, č. 3/2005, 44 – 51
[3] Doležalová, M., Zemanová, V., Hladík, I. (2003): Posouzení stability přehrady Žermanice při působení extrémního zatížení, Zakládání staveb 2003, Brno, 21 – 26
[4] Doležalová, M., Hladík, I., Zemanová, V. (2004): Numerická analýza deformačních trendů přehrady Žermanice pomocí regionálních modelů, XXIX. PŘEHRADNÍ DNY 2004, 52 – 57
[5] Doležalová, M., Švancara, J. (2006): Analysis of Unusual Behaviour and Stability of Žermanice Dam, Czech National Committee on Large Dams, 64 p.
[6] Doležalová, M., Hladík, I., Zemanová, V. (2009): Posouzení bezpečnosti kamenité přehrady Šance pomocí numerických modelů kalibrovaných podle výsledků měření in situ, GEOTECHNIKA, 2/2009, 3 – 12
[7] Hladík, I., Doležalová, M. (2000): Program metody konečných prvků CRISP-PATH, GEOTECHNIKA, 2/2000, 7
[8] Doležalová, M., Hladík, I. (2011): Constitutive Models for Simulation of Field Performance of Dams, International Journal of Geomechanics (ASCE), Vol. 11, No 6, 477 – 489

Lessons from Safety Assessment of Dams Based on Monitoring and Numerical Modelling Results
Two- and three-dimensional numerical models based on archival documents and fitting the long-term monitoring results provide meaningful information for safety assessment of dams. The model parameter calibration process helps to understand the observed behaviour of dams and often reveal unexpected failure mechanisms. Examples of four dams (Vir, 65 m, Bystricka, 36 m, Zermanice, 36 m, Sance, 60 m), where such a process resulted in crucial change of assumed failure mechanism and way of reconstruction, are presented in the paper.

Autor

• Ing. Doležalová Marta CSc., h. profesor