Povodňové průtoky simulují odborníci na modelech přehrad

V letech 1997 a 2002 (v mírnější podobě i v loňském roce) zažila naše země ničivé povodně. Lidské oběti a miliardové škody vyvolávají obavy z opakování katastrofy. I když povodním zabránit neumíme, můžeme alespoň zmírnit jejich následky. Jednou z cest je i úprava a zvyšování kapacity a bezpečnosti přehrad i dalších vodních děl s ohledem na vyšší průtoky vody. I když mnohé se dá předvídat matematickými modely, musí existovat i zařízení, které výpočty ověří. A právě takové zařízení mají vodohospodáři na Fakultě stavební VUT v Brně. Jde o zkušební žlab, který může simulovat proudění katastrofických povodňových průtoků na modelech funkčních objektů jakékoliv přehrady. Odborníkům slouží k výzkumům v Laboratoři vodohospodářského výzkumu Ústavu vodních staveb. Laboratoř je vůbec nejstarší experimentální laboratoří vodních staveb u nás a jednou z nejstarších v celé Evropě. Podstatou výzkumných prací vodohospodářských odborníků z Fakulty stavební je modelování proudových poměrů na objektech vodních staveb, vyhodnocení stavu a návrh tvarových úprav pro převádění extrémních povodňových průtoků. V říjnu představili odborníci ústavu výsledky svých posledních výzkumů bezpečnostních objektů přehradních vodních děl: Karolinka – Beskydy (u Vsetína), Bystřička - Beskydy (u Valašského Meziříčí), Těrlicko (u Frýdku-Místku) a projektované dostavby malé vodní elektrárny (MVE) Štětí u pravého břehu Labe. Prezentace výsledků výzkumu proběhla na modelech jmenovaných děl (v měřítku od 1:20 až po 1:50), které vznikly v laboratoři. Ačkoliv hydraulické modely přehrad mohou na laiky působit jako hračky, mají velký význam a pro vodohospodáře jsou nesmírně důležité. „Při nákladných rekonstrukcích významných vodohospodářských děl je výhodné ověřit technické parametry stavby a jejího příštího fungování na modelu,“ říká generální ředitel Povodí Moravy Ing. Pavel Mylbacher. Podle něj se výzkum pomocí modelové simulace osvědčil, např. při nedávné rekonstrukci přehrady Znojmo, kdy poznatky získané na modelu v laboratoři vedly k úpravě tvaru a délky přehradní hráze. „I když mnohé se dá předvídat pomocí matematických modelů, musí existovat i zařízení, které výpočty ověří a zpřesní. Zatím se ještě nedá všechno spočítat předem,“ dodává doc. Ing. Vlastimil Stara, CSc. „Po povodňových událostech v letech 1997, 2002 a 2006 dochází ke zpřesnění hydrologických údajů, přehodnocení návrhových průtoků pro dimenzování bezpečnostních objektů přehrad vedoucím k jejich případným rekonstrukcím a úpravám. Co platilo dříve, se dnes změnilo. Současně návrhové průtoky bezpečnostních objektů jsou po zkušenostech z nedávných ničivých povodní v porovnání s hodnotami podle původní legislativy zvyšovány o 50 až 200 % v závislosti na místních hydrologických podmínkách,“ vysvětluje prof. Ing. Jan Šulc, CSc., vedoucí Ústavu vodních staveb. V hydraulickém žlabu, do kterého se postaví model konkrétní přehrady, je možné během několika minut vyvolat umělou povodeň, přičemž lze naprogramovat úroveň průtoku odpovídající sto-, pětiset-, tisíci- nebo i desetitisícileté vodě. Zařízení umožňuje napodobit podmínky převádění vody funkčními objekty zkoumaného vodního díla a modeluje krizové situace ke kterým na nich může dojít. Z údajů získaných pomocí praktických pokusů a měření lze potom navrhnout maximálně bezpečnou podobu stavby a zajistit, aby příští povodeň neměla tak hrozivé následky. Modelování úprav přelivů vodních děl v laboratoři má velký význam právě pro ekonomiku jejich rekonstrukcí. Simulace průtoků až desetitisíceleté vody odhalí řadu nedostatků a ukáže možnosti, jak během plánovaných rekonstrukcí dosáhnout co nejlepších bezpečnostních poměrů s přihlédnutím k ekonomice. Za dobrý příklad ekonomického přínosu modelového výzkumu může sloužit vodní nádrž Karolinka u Vsetína. Při vyšších průtocích vody docházelo mezi prostorem šachty a odpadní štolou (o délce 220 metrů) k nežádoucím vzduchovým pulsacím, které ohrožovaly stabilitu stropu štoly. Pokud by nedošlo k úpravě, mohlo by za extrémní průtokové situace dojít k zahlcení, prasknutí stropu a následnému protržení hráze nádrže, která zásobuje vodou celé Vsetínsko a jeho okolí. Při hydraulickém modelovém výzkumu odborníci zjistili, že postačí horizontálně umístit snížený mezistrop na prvních 20 metrech štoly, aby bylo garantováno bezproblémové převedení až desetitisíceleté povodně šachtovým přelivem a odpadní štolou. Není tak třeba nákladně rekonstruovat dalších 200 metrů štoly, jak se původně předpokládalo. Také model přelivu a části skluzu přehrady Těrlicko umožnil nalézt vhodné řešení pro vestavbu usměrňovacího pilíře a zajistit tak bezpečné převádění extrémních povodní při snížených nákladech na rekonstrukci. Na základě výsledků modelové simulace dojde rovněž k takovým úpravám přelivu a spadiště vodního díla Bystřička, které zajistí bezpečné převádění extrémních povodňových stavů. Specifickým problémem se zabýval tým Ing. Jany Pařízkové. Na hydraulickém modelu v měřítku 1:50 měl za úkol nalézt nejoptimálnější varianty nátoku vody Labe do malé vodní elektrárny u jezu Štětí. „Jez byl vybudován v roce 1909 a jeho pilíře jsou památkově chráněny, avšak z hlediska proudění ovlivňují profil nátoku vody do elektrárny. Vodní dílo je navíc poměrně komplikované – jeho součástí je také rybí přechod, horní a dolní plavební kanál, malá a velká plavební komora,“ přibližuje komplikovanou problematiku Ing. Jana Pařízková. Modely, které vznikly na objednávku Povodí Moravy, Pöyry Environment a Povodí Labe, však slouží nejenom cílenému výzkumu, ale také výuce studentů Fakulty stavební; navíc doktorandi a diplomanti se mohou na výzkumu přímo podílet. „V roce 2009 by všechna díla měla být hotova i ve skutečnosti. Modely nám na ústavu zůstanou,“ dodal Ing. Šulc s tím, že každý z nich přijde na několik set tisíc korun. Hydraulický žlab v laboratoři však může mít kromě simulace povodňových průtoků na přehradách a dalších vodních dílech i další praktické využití. „Používáme ho také pro sledování stability plavidel říční dopravy. Posuzujeme jejich ovladatelnost při vjíždění a vyjíždění z plavebních komor. Aby kapitáni lodí věděli, za jakého průtoku vody ještě mohou řídit svá plavidla bezpečně,“ doplnil prof. Jan Šulc. Další využití žlabu naznačil ředitel Povodí Moravy Pavel Mylbacher, který chce odborníky ústavu požádat o posouzení 14 lokalit vybraných pro vybudování malých vodních elektráren. Hydraulická laboratoř na Fakultě stavební na Veveří ulici je nejstarším zařízením tohoto druhu v České republice. S její výstavbou se začalo v roce 1914, do provozu byla uvedena v roce 1917. Zakladatel laboratoře prof. Antonín Smrček v ní na modelu ověřoval příčiny tragického protržení hráze na Bílé Desné v Jizerských horách v roce 1916. Od 30. let se začaly využívat modely před zahájením výstavby dalších přehrad – Vírské, Vranovské nebo Brněnské. Zatím poslední přehradou, jejíž parametry se pomocí modelu ověřovaly, byla Slezská Harta v Jeseníkách (dokončena v 90. letech). Původní laboratoř z roku 1917 byla v padesátých letech minulého století podstatně rozšířena o Laboratoř vodohospodářského výzkumu v Kníničkách pod Brněnskou přehradou, kde byly umístěny celkem čtyři hydraulické žlaby. Unikátnost této laboratoře spočívala v tom, že umožňovala využití systému přímého napájení vodou z přehradní nádrže (tedy bez klasického cirkulačního systému) množstvím převyšujícím 300 l/s. V roce 2003 byly dva žlaby přestěhovány do nově zrekonstruované budovy v areálu Fakulty stavební na Veveří ulici, ve které byla zřízena nová laboratoř. Její zařízení bylo také inovováno a automatizováno. Dříve byl provoz ovládán z několika míst, nyní je řízen centrálním počítačem. Umožňuje také použití bezkontaktní měřící techniky. Nová laboratoř má samostatný hydraulický okruh napájený z nádrže o objemu 80 m3. Celková kapacita laboratoře 220 l/s je dána čtyřmi čerpadly, přičemž regulace a stabilita průtoku je řízena dvojitou regulací (frekvenční měnič + dlouhá přelivná hrana). Veškerá manipulace s hydraulickým systémem je prováděna za pomocí servomotorů. Hydraulická zkušebna je po stránce technologického vybavení nejmodernější v České republice. IGOR MAUKŠ