Rekonstrukce vodního díla Šance: stavba drenážní štoly

Na přehradní stavby jsou kladeny vysoké nároky z hlediska bezpečnosti a je na nich vykonáván systematický technicko-bezpečnostní dohled (TBD). V minulosti se přehodnotila řada bezpečnostních standardů a v porovnání s dřívějším obdobím jsou také k dispozici pokročilejší nástroje pro posuzování chování vodních děl. Vodní dílo Šance, které je provozováno jako součást vodohospodářské soustavy povodí Odry, bylo vybudováno v letech 1965 až 1969 a v současnosti dodává průměrně 1 m³/s kvalitní surové vody pro úpravu na vodu pitnou. Ve vazbě na nové standardy pro posuzování přehrad za povodní byla na VD Šance navržena opatření pro zvýšení bezpečnosti proti přelití a byla připravena celková rekonstrukce tohoto vodního díla.

Výchozí stav, geologické poměry
V době vzniku představovalo VD Šance přehradu s nejvyšší sypanou hrází v České republice. Kamenitá přehradní hráz má výšku cca 60 m, délka koruny hráze činí 342 m, šířka hráze v patě 215 m. Povodí přehradní nádrže má plochu 146,35 km2. Délka zátopy v údolí řeky Ostravice činí 7,60 km, největší šířka zátopy je cca 750 m.

Přehradní profil i území nádrže leží v oblasti karpatského flyše v godulských vrstvách. Skalní podklad tvoří glaukonitické pískovce a jílovité břidlice. Pokryvné útvary jsou tvořeny údolními štěrky mocnosti kolem 4 m, v prostoru levobřežního svahu se nacházejí vrstvy sutí s proměnlivou mocností
od 2 do 20 m.

Hydrogeologické poměry jsou ovlivněny morfologií údolí řeky Ostravice a jeho geologickou skladbou. Oblast levého údolního svahu dotují infiltrované atmosférické srážky a pod úrovní hladiny vody v přehradní nádrži též částečně průsaky. Podzemní voda je drénována do údolí. Proudění podzemní vody je ovlivněno průběhem četných břidličných poloh vykazujících nižší propustnost, zatímco mezilehlé polohy rozpukaných lavicových a deskových pískovců jsou propustnější. V období dlouhodobých nebo intenzivních srážek a při tání sněhu dochází k rychlému vzestupu hladiny podzemní vody a k průtokům predisponovanými cestami.

Účelem stavby nové drenážní štoly bylo omezit přítok podzemní vody do podloží hráze na vzdušní straně levobřežní větve injekční chodby VD Šance. Ve výchozím stavu (před dokončením štoly) se v uvedeném prostoru nepříznivě koncentrovala proudící podzemní voda. Riziko bylo identifikováno na základě výsledků TBD a při průzkumných pracích potřebných pro posouzení chování a stability hráze.

Cílem výstavby štoly bylo zvýšit bezpečnost hráze vodního díla. Jímáním a odvedením vod, které sestupují z levého údolního svahu do prostoru hráze, se snížila rizika poškozování hlinitého těsnicího jádra v napojení na injekční chodbu a dalších nepříznivých změn v horninovém prostředí. Drenážní štola má největší účinek v období vydatných nebo intenzivních srážek, kdy je dynamika podzemní vody velmi výrazná. Odvodněním svahu a tím zmenšením přítoků do podloží hráze se rovněž celkově zlepšily podmínky pro měření veličin, z nichž se usuzuje na bezpečnost díla.

Organizace stavby
Stavba byla členěna na šest stavebních objektů (SO): F.1 SO Drenážní štola, F.2 SO Dotěsnění levého břehu a zavázání, F.3 SO Systém TBD, F.4 SO Rozvody a osvětlení, F.5 SO Zabezpečení VD a F.6 SO Vodovod. Staveniště bylo součástí zvláště chráněného území (Chráněná krajinná oblast Beskydy). Veškeré činnosti se uskutečnily za provozu díla.

Drenážní štola
Směrové a výškové řešení štoly i její technické řešení je plně podřízeno jejímu účelu - zachycení co největšího množství podzemních vod pronikajících ze svahu do prostoru kolem injekční štoly a těsnicího jádra přehrady. Od provizorního portálu štoly byl kratší úsek veden přímo do svahu krátkou trasou přes svahové sutě. Dál navazuje levostranný oblouk, za ním vede trasa přímým směrem k odvodňovací šachtě. Celková délka štoly činí cca 146 m.

Světlý příčný profil odvodňovací štoly byl navržen ve tvaru podkovy s šířkou v úrovni podlahy cca 2,20 m, maximální šířky 2,60 m a výšky 2,70 m. Tento profil umožňuje bezproblémové provedení odvodňovacích vrtů průměru do 120 mm a délky do 20 m.

Pro horninová prostředí, vymezená inženýrsko-geologickým průzkumem (IG), byly navrženy různé typy ostění, které se aplikovaly podle skutečně zastižených geologických poměrů. Návrh parametrů ostění zohlednil požadavek na odvodňovací funkci štoly (ostění není souvislé, přerušení ostění odpovídá místům soustředěných průsaků). V úvodním úseku přes hlinitokamenité sutě se odvodňovací funkce štoly nepožaduje, je použito souvislé ostění s betonovým dnem bez odvodňovacích vrtů. Ostění štoly má výztuže z kompozitních nekovových materiálů.

Na štolu navazuje svislá odvodňovací šachta hloubky cca 27 m. Profil šachty je kruhový, se světlým průměrem 2,20 m a tloušťkou ostění 150 mm. Tento profil umožňuje provedení odvodňovacích vrtů průměru do 120 mm a délky do 20 m. S ohledem na odvodňovací funkci šachty se požadovalo, aby v úsecích, kde to zastižené geologické poměry umožnily, nebylo ostění souvislé a použilo se pouze místní kotvení stěn výrubu. Projektová dokumentace předpokládala ostění v minimálním rozsahu pásů výšky 1 m kolem kotvení plošin lezního oddělení. Nad plošinou ve výšce 200-800 mm je ostění ukončeno, případně je v nepříznivé geologii přerušeno na výšku minimálně 200 mm. Ostění šachty má výztuž z kompozitních nekovových materiálů.

Šachta je vystrojena plošinami z kompozitních materiálů. Svislá vzdálenost plošin činí z technologických a provozních důvodů 2,5 až 3,5 m. Rozteče jednotlivých etáží se upravovaly za spolupráce technického dozoru investora (TDI), hydrogeologa a projektanta během ražby v závislosti na výskytu vodonosných vrstev a puklinovém systému horniny.

Stávající levobřežní, tzv. průzkumnou štolu (pokračování injekční chodby přehradní hráze) spojila s kavernou nad odvodňovací šachtou přístupová štola délky 20,5 m. Příčný profil přístupové štoly je navržen stejný jako u odvodňovací štoly. Odbočka z průzkumné štoly je řešena prostupem v betonové konstrukci stávající štoly.

V koncové části přístupové štoly
(tj. v místě odvodňovací šachty) byla pro potřeby ražení šachty a dopravy vytěženého materiálu vybudována kaverna v délce 6,0 m s příčným profilem ve tvaru podkovy šířky v úrovni podlahy 4,20 m, maximální šířky 4,40 m a s výškou 3,50 m. Pro svislou dopravu v šachtě byla kaverna u stropu vybavena nosným profilem pro osazení zdvihacího zařízení o nosnosti minimálně 2000 kg.

Dotěsnění levého břehu a zavázání
Účelem injekční clony na VD Šance je zajistit nepropustnost podloží hráze pod těsnicím jádrem a v zavázáních hráze. Podloží hráze při výstavbě vodního díla těsnila jednořadá injekční clona hloubky 20 až 90 m, realizovaná ve čtyřech pořadích s výslednou roztečí vrtů 1,25 m. Injekční clona byla provedena v letech 1966 až 1969, doinjektáž proběhla v letech 1972 až 1973 a v letech 1977 až 1982 se řešilo dotěsňování. Clona z cementové směsi, která je v daných podmínkách náchylná k postupnému vyluhování působením ?hladové? podzemní vody, vykazuje četné známky lokální degradace, což vedlo k záměru její obnovy (je součástí celkové rekonstrukce díla). Z hlediska trvanlivosti clony je negativním jevem také výskyt filtrační nestability některých výplní trhlin a puklin v podloží v těsné blízkosti konstrukce.

Návrh odvodnění levobřežního zavázání hráze drenážní štolou významně ovlivnil koncepci utěsnění podloží v tomto prostoru, protože vede k vyššímu zatížení clony. Význam těsnicí funkce clony po realizaci drenážní štoly v její relativně těsné blízkosti výrazně vzrůstá, proto se musel původní návrh v tomto prostoru upravit a v souvislosti s realizací odvodňovací štoly bylo třeba v potřebném rozsahu dotěsnit podloží v předstihu.

V rámci dotěsnění byly uskutečněny fortifikační injektáže, sanace horninového prostředí a jednořadá injekční clona jílocementovou stabilizovanou směsí. Délka injekčních vrtů se pohybovala od 12 do 45 m, délka fortifikačních vrtů od 5 do 6 m.

Vodní dílo bylo v průběhu injekčních prací v provozu včetně zavedeného systému měření TBD. Bylo třeba minimalizovat dobu od zrušení starého po zprovoznění nového systému měření (zejména vrty pro měření tlaku) v dotčených úsecích.

Vrty clony byly svislé, šikmé byly krátké fortifikační vrty a doplňkové vrty 4. pořadí. Vrty clony do cca 25 m a fortifikační vrty mají průměr do 56 mm, delší vrty do 76 mm.

Vodní tlakové zkoušky (VTZ) se uskutečnily ve všech vrtech 1. a 2. pořadí sestupným způsobem. VTZ byla podle umístění vrtu jednostupňová až třístupňová, v závislosti na umístění zkoušené etáže. VZT ve vrtech 3. pořadí byly jednostupňové.

Délky injektovaných etáží byly na základové spáře do 1 m a v hornině do 3 m. Délky etáží se během prací upravovaly podle údajů získaných během vrtání, výsledků VTZ a předchozí injektáže.

Jako kritérium pro hodnocení účinnosti byla použita obvyklá hodnota propustnosti vyjádřená jako 0,3 l/min/m při zkušebním tlaku 0,3 MPa (délka měření 10 min), v hloubce do 10 m pod základovou spárou. V nižších partiích clony se stala kritériem hodnota 1,0 l/min/m.
V případě, že většina etáží kontrolního vrtu nebo dvě sousedící etáže těmto kritériím nevyhověly, byl požadován v daném úseku další kontrolní vrt do příslušné hloubky.

Vliv injektáží na konstrukce byl sledován zaznamenáním výškových změn v chodbě metodou přesné nivelace a měřením na deformetrech. Měření se uskutečnila před zahájením prací, v průběhu a po ukončení prací v daném úseku a souběžně i jako součást výkonu TBD se zvýšenou četností.

Systém technicko-bezpečnostního dohledu (TBD)
Doplnění sytému měření TBD na VD Šance proběhlo ve dvou skupinách prací.

• Před zahájením budování drenážní štoly: Cílem této skupiny byla příprava náhradních prvků měření, u kterých se dalo předpokládat, že budou v důsledku vybudování drenážní štoly a při souvisejících činnostech znehodnoceny. Dále byl vybaven systém pro sledování estakády silnice č. I/56 a připraveny prvky umožňující sledovat vliv provádění drenážní štoly na vodní dílo.
• V návaznosti na dokončení drenážní štoly: Záměr vybavení byl koordinován s koncepcí cílového stavu měření TBD na díle po budoucí celkové rekonstrukci. Výsledkem je stav, kdy v části vodního díla, dotčeného výstavbou drenážní štoly, a v drenážní štole samotné jsou zrealizována definitivní zařízení TBD podle cílové koncepce.
  

Rozvody a osvětlení
V rámci stavby se instalovala v nové drenážní štole elektroinstalace včetně systému napájení, osvětlení, zásuvkových rozvodů, datových rozvodů a návazností na stávající systémy na VD. Byly rovněž řešeny vyvolané úpravy tras rozvodů a osvětlení. Rozšířil se také nadřazený systém datových rozvodů.

Zabezpečení VD
V SO byl instalován ve vstupním portálu drenážní štoly videosystém (venkovní kamery a příslušný kamerový rozvaděč) a elektronický zabezpečovací systém vodního díla byl doplněn o uzel vstupního portálu do drenážní štoly.

Vodovod
Vodovod slouží k dodávce pitné vody pro provozní budovu VD Šance. Ve výchozím stavu byla tato budova zásobována jímáním vody pod patou hráze na vzdušné straně. Při očekávaných změnách (stavební činnost) se musel zajistit jiný zdroj vody. Rozdíl mezi průběžnou vydatností zdroje a špičkovou okamžitou potřebou se řeší akumulací.

Specifika stabilitního řešení a monitoring
Při porovnání původní dokumentace injekční štoly VD Šance a současných požadavků na betonové konstrukce se zjistilo, že konstrukce nesplňují podmínku minimálního vyztužení, proto se posuzovaly jako konstrukce z prostého betonu. Nově přibetonované konstrukce (zesílení) byly navrženy z železobetonu C 25/30, XC4, XA1, XF3 s výztuží 10 505 (R).

Vytváření prostupů stávajícími konstrukcemi vede zpravidla k nepříznivému přerozdělení vnitřních sil, které bylo nutné posuzovat prostorovým modelem. Výpočet vnitřních sil byl proveden programem InfoCAD 7.0.

Geotechnické posouzení
K posouzení díla posloužily výpočetní nástroje využívající metodu konečných prvků. Pro modelování interakce výrubu, primárního ostění a horninového prostředí byl použit program PLAXIS 2D 2011. Modelovalo se několik příčných řezů, zohledňujících různé kritické faktory během výstavby, zejména ražbu s nízkým nadložím a ražbu v blízkosti mostní estakády. Výpočty prokázaly, že navržené primární ostění odvodňovací štoly, odvodňovací šachty přístupové štoly a komory je z hlediska únosnosti i z hlediska uklidnění deformací horninového masivu dostatečně únosné. Dalším cílem statických výpočtů byl průkaz únosnosti horninového masivu, aby se daly vytipované úseky šachty a štoly, ražené ve zdravé hornině, realizovat bez ostění.

Stabilita stavební jámy byla posouzena programem GEO5. Výpočet byl proveden především s ohledem na deformace prudkého svahu za čelem provizorního portálu. Limitující vstupní parametr pro návrh pažicí konstrukce představovala dostupnost pracovní plošiny pro vrtné mechanizmy. Rozmístění kotev je voleno tak, aby průběh vnitřních sil zápor i kotevních sil v jednotlivých etážích byl pokud možno rovnoměrný s maximálním využitím materiálu zápor.

Monitoring v průběhu stavby
Četnost měření se upravovala na základě výsledků předchozích měření. Součástí monitoringu se stal i podrobný geotechnický sled s dokumentací jednotlivých čeleb. Na díle byl v průběhu výstavby zajišťován zvýšený dohled TBD.

Závěr
Při návrhu se použily pokročilé metody stabilitních analýz a modelování vlivu stavby na vodní dílo a další stavby v lokalitě. Prostřednictvím matematických modelů se prověřovaly jak vliv ražby, tak zásahy do stávajících betonových konstrukcí. Při návrhu konstrukcí byly aplikovány moderní materiály respektující funkci díla a prostředí, ve kterém má stavba dlouhodobě plnit svůj účel.

Stavba byla realizována v mimořádně obtížných klimatických
a geologických poměrech a probíhala za provozu VD Šance. Funkce vodního díla byly v průběhu výstavby zajištěny v předpokládaném rozsahu. V průběhu výstavby nebyly zaznamenány nadměrné vlivy na vodní dílo ani na další stavby. Odvodňovací systém nabyl funkčnosti a v závislosti na hydrologické situaci plní požadovaný účel. Vyhodnocování účinků je nadále sledováno jako součást technicko-bezpečnostního dohledu na díle.

Základní údaje o stavbě

Název stavby:
VD Šance - drenážní štola, stavba č. 5609
Investor stavby drenážní štoly:
Povodí Odry, státní podnik
Zpracovatel projektové dokumentace:
Sdružení Pöyry - AMBERG
Vedoucí sdružení:
Pöyry Environment a.s.
Člen sdružení:
AMBERG Engineering Brno, a.s.
Hlavní inženýr projektu rekonstrukce VD Šance:
Ing. Tomáš Ohera
Odpovědný projektant vodohospodářské části:
Ing. Zdeněk Dvořák
Odpovědný projektant ražené části: Ing. Jaroslav Lacina
Báňský projektant:
Ing. Vlastimil Horák
Zhotovitel stavby:
Porr a.s. (hlavní dodavatel)
Vedoucí výstavby:
Ing. Igor Fryč
Hlavní stavbyvedoucí:
Pavel Karásek
Stavbyvedoucí:
Pavel Žabenský
Dodavatel vrtných a injektážních prací: Podzemní stavby ­KOSPER, a.s.
Subdodavatel systému TBD:
VODNÍ DÍLA - TBD a.s.
Doba výstavby:
11/2012 -10/2013
Náklady na stavbu:
cca 44 mil. Kč