Ochrana Jablonce nad Nisou převodem povodňových průtoků přes VD Mšeno
datum: 16. 5. 2012
médium: Stavebnictví, Jiří Švancara, Jiří Kocian
V prosinci 2011 byla v Jablonci nad Nisou zahájena výstavba systému protipovodňových opatření, jehož podstatou je úprava historického protipovodňového systému odklánějící zvýšené průtoky do nádrže vodního díla Mšeno. Jedná se o systém založený na převodu povodňových průtoků štolovými přivaděči, jenž je v podmínkách České republiky do značné míry unikátní. Po letech koncepční a projektové přípravy tak dojde k podstatnému zvýšení ochrany Jablonce Nad Nisou před škodlivými účinky povodní.
Koncepce ochrany před povodněmi
Jablonecko v podhůří Jizerských hor je územím, které v minulosti opakovaně zasáhly následky ničivých povodní. Nejhorší důsledky na tomto území měla povodeň v roce 1897. V následujícím období se v tomto území vystavěla řada přehradních nádrží, jež měly za úkol snížit průtoky povodní na únosnou míru. Jednou z těchto nádrží bylo i vodní dílo (VD) Mšeno realizované v letech 1909–1911.
VD Mšeno bylo vybudováno na Mšenském potoce, který protéká Jabloncem nad Nisou a na jeho území se vlévá do Lužické Nisy. Gravitační hráz je zděná z lomového kamene a její půdorysné zakřivení má poloměr 350 m. Nad základovou spárou se nachází hráz vysoká 20 m, v koruně má délku 425,5 m a šířku 4,5 m. Hráz má dvě spodní výpusti o celkové maximální kapacitě 7,84 m3/s a korunový přeliv o čtyřech polích, každé o délce 5,15 m. Vývar je společný pro přeliv i obě výpusti a ukončuje jej betonový měrný jízek. Maximální objem nádrže činí 2 785 800 m3.
Přehradní hráz prošla v letech 1998–2000 obnovou, v rámci níž byla v podloží vybudována injekční štola a zajištěna těsnost podloží. Přehradní stavba je připravena bezpečně plnit své funkce v dalším období.
VD Mšeno plní v současnosti následující funkce:
* zmírnění velkých vod a částečná ochrana území ležícího pod nádrží a v sousedních povodích (tj. Bílé a Lužické Nisy) před velkými vodami;
* akumulace vody pro průmyslové účely a zlepšení odtokových poměrů;
* energetické využití sanačního průtoku;
* nadlepšení průtoků pod nádrží při havarijním znečištění vody;
* individuální rekreace obyvatelstva, rybochov a sportovní rybaření. V současné době slouží VD Mšeno jako hlavní protipovodňové opatření Jablonce nad Nisou. Součástí historického protipovodňového systému jsou i přivaděče z Lužické a Bílé Nisy. Ty od vybudování měly za úkol chránit Jablonec nad Nisou před povodněmi tím, že odkláněly povodňové průtoky do přehradní nádrže. Součást protipovodňového systému tedy představují i dvě hydrotechnické štoly s rozdělovacími objekty na Lužické a Bílé Nise, odkud je však v současnosti možné převádět do nádrže jen omezené části průtoků. Využití existující nádrže VD Mšeno pro ochranu před povodněmi je omezeno velikostí neškodného odtoku Mšenským potokem pod nádrží, jenž má v průchodu zástavbou města jen omezenou kapacitu (stejně jako Lužická i Bílá Nisa). Pro udržení neškodného odtoku z nádrže je nutné přítok z Lužické a Bílé Nisy do nádrže prostřednictvím přivaděčů během povodní omezovat, a to v závislosti na stavu hladiny vody v přehradní nádrži. Dodržením pravidel uvedených v manipulačním řádu je za extrémních povodní také garantována bezpečnost přehrady samotné.
Popis záměru
Realizovaný záměr řeší protipovodňovou ochranu města opět s využitím VD Mšeno. Zvýšení míry ochrany Jablonce nad Nisou před povodněmi bude dosaženo zvýšením kapacity převodů z Lužické a Bílé Nisy do nádrže, transformací povodní až do Q100 v nádrži a především vybudováním nové odpadní štoly z nádrže, jež bude odvádět transformované průtoky bezpečně mimo hlavní zástavbu města. Cílem změn je:
* Dosáhnout příznivějšího dělení průtoků na rozdělovacích objektech na Lužické a Bílé Nise. Pásmo účinnosti ochrany před povodněmi má být rozšířeno do stoleté povodně na Lužické Nise a do padesátileté podvodně na Bílé Nise (podrobněji jsou pravidla dělení průtoků popsána v částech zabývajících se koncepcí rozdělovacích objektů).
* Dosáhnout efektivnějšího využití ochranného prostoru VD Mšeno.
* Zlepšit možnosti operativního řízení odtoků z nádrže za povodní.
* Realizovat nový kapacitní odtok z přehradní nádrže.
Vzhledem k tomu, že záměr ochrany před povodněmi u Jablonce nad Nisou spočívá v převodu průtoků do přehradní nádrže Mšeno, patří mezi řešené otázky i problematika bezpečnosti přehrady Mšeno během povodní. Přehrada je umístěna nad zástavbou města a nelze připustit zhoršení současné úrovně bezpečnosti, která podle posudku pro současný stav odpovídá aktuálním standardům.
Vývoj koncepce
Záměr na zvýšení ochrany Jablonce nad Nisou převodem povodňových průtoků do nádrže VD Mšeno vychází z koncepce prověřované ve studii zpracované společností AQUATIS a.s. (v současnosti Pöyry Environment a.s.) v roce 2005 [1]. Funkce nádrže během povodní a kapacity jednotlivých zařízení byly prověřovány unikátním simulačním bilančním modelem, jenž byl tzv. na míru sestaven pro tento případ. Model (schéma – viz obr. 4) řešil souběhy povodní ve třech dílčích povodích, transformaci v nádrži pro variantní parametry výpustných a pojistných zařízení i různé režimy manipulací. Specifikum výpočtu spočívalo v ovlivnění kapacity nátoku do nádrže stavem hladin na nátoku a vzdutím hladiny v nádrži a rovněž složitými neustálenými poměry průchodu průtoků přes nádrž dělenou na tři části hrázemi s propustmi.
V rámci projektové přípravy byly návrhové parametry hlavních objektů ověřeny hydraulickým výzkumem (LVV FAST VUT v Brně [4]).
Rozdělovací objekt Lužická Nisa Na základě výsledků studijní přípravy bylo rozhodnuto, že poměr dělení průtoků na rozdělovacím objektu na Lužické Nise bude vycházet z kapacity koryta Lužické Nisy pod objektem (neškodný průtok 1,9 m3/s) a že návrhový průtok pro tento objekt bude Q100 = 22,4 m3/s. Dělení průtoků bude probíhat podle následujícího schématu:
* Při přítoku na Lužické Nise do velikosti 1,9 m3/s bude veškerý průtok Qp pokračovat korytem Lužické Nisy.
* Při přítoku na Lužické Nise velikosti od 1,9 m3/s do Q100 = 22,4 m3/s bude korytem Lužické Nisy pokračovat průtok 1,9 m3/s a Paseckou štolou bude odtékat zbývající průtok.
* Při přítoku na Lužické Nise velikosti právě 22,4 m3/s bude korytem Lužické Nisy pokračovat průtok 1,9 m3/s a Paseckou štolou bude odtékat průtok 20,5 m3/s.
Přívodní Pasecká štola Podle hydraulického výpočtu přívodní Pasecké štoly podle výsledků studie je nutné zvětšit profil štoly. Nové návrhové parametry jsou následující: profil má podkovovitý tvar, šířka ve dně činí 2,65 m, v nejširším místě 3,1 m, výška profilu je 2,6 m. Podélný sklon je stejný jako u současné štoly 0,5 %. Niveleta dna štoly se sníží o zvýšení profilu nové štoly (0,5 m). Délka štoly činí 634,59 m.
Rozdělovací objekt Bílá Nisa Podle výsledků jednání bylo rozhodnuto, že poměr dělení průtoků v rozdělovacím objektu na Bílé Nise bude vycházet z kapacity Loučenské štoly odpovídající současnému stavu (kapacita do cca 15 m3/s). Návrhový průtok pro tento objekt je Q50 = 29,8 m3/s. Po odklonění části průtoků do nádrže při Q100 = 37 m3/s nad rozdělovacím objektem zůstává průtok pod objektem velikosti cca Q20. Případnou lokální ochranu objektů dále po toku zajistí jiná technická opatření (ohrázování, úprava koryta). V případě, že průtoky nad rozdělovacím objektem překročí hodnotu Q50, dochází k přelévání pravobřežní hrázky a rozdíl mezi aktuálním průtokem a Q50 převádí obvodový kanál.
Vtokový objekt do nové odpadní štoly Odvedení povodňových průtoků po transformaci zajistí nová štola. To vyžaduje, aby se na počátku štoly na VD Mšeno vybudoval vtokový objekt. Nátok do přívodních štol je sice vybaven uzávěry, ale s jejich užitím za povodní se nepočítá. Vtokový objekt do nové štoly tedy musí plnit následující základní požadavky: * V mezích návrhových parametrů nově koncipované ochrany před povodněmi v případě Jablonce nad Nisou (ochrana na Q100) se nepřipouští, aby při přítocích odpovídajících souběžnému výskytu PV100 na obou Nisách i na Mšenském potoce odtok z nádrže Mšenským potokem (tj. původním přelivem či původními výpustmi) přesáhl neškodný průtok pod hrází velikosti 2,6 m3/s. Pevné přelivy na přehradní hrázi Mšeno mají korunu na kótě 512,00 m n.m., jedná se o čtyři pole po 5,15 m délky. Uvedený požadavek znamená, že hladina v nádrži za povodní při PV100 nesmí překročit kótu 512,18 m n.m.
* Přehrada Mšeno je umístěna nad zástavbou města a nelze připustit zhoršení současné úrovně bezpečnosti během povodní. Proto byla vyloučena řešení, která by nevyhověla posouzení podle TNV 75 2935. Mezní bezpečná hladina byla stanovena na kótě 512,95 m n.m. Uvedená hladina nesmí být překročena při výskytu PV10 000.
Z výše uvedených zadávacích parametrů uvažoval projektant variantně o několika způsobech řešení – o šachtovém přelivu včetně nové spodní výpusti, čelním přelivu, čelním hrazeném přelivu apod. [3]. Všechny tyto varianty se posuzovaly s ohledem na transformační účinky, možné kapacity objektů a nutné velikosti navazující odpadní štoly, samozřejmě s podrobným ekonomickým zhodnocením. Výsledným řešením se stala varianta s čelním hrazeným přelivem, se dvěma segmentovými uzávěry. Ta byla následně prověřena na fyzikálním modelu [4]. Na přeliv navazuje neprizmatický skluz zaústěný do přechodového úseku štoly. Stoletou povodeň je možné transformovat tak, aby štolou odtékal ovladatelný odtok 20 m3/s. Nová odpadní štola a výústní objekt Odpadní štola slouží k odvádění průtoků od hrazeného bezpečnostního přelivu do výustního objektu a dále do Lužické Nisy. Hlavní úsek odpadní štoly má délku cca 1255 m, příčný profil je navrhován s ohledem na to, že se fakticky jedná o pojistné zařízení přehrady; transformovaná kontrolní povodeň PV10 000 má být provedena při hloubce do cca dvou třetin světlé výšky štoly. Výustní objekt se nachází v morfologicky složitém terénu v prostoru soutoku Lužické a Bílé Nisy a jeho koncepce je výsledkem prověřování řady variant a optimalizace na fyzikálním modelu.
Organizace výstavby
Rozsah stavebních prací Projekt zahrnuje šest hlavních stavebních objektů:
* SO 01 Rozdělovací objekt Lužická Nisa;
* SO 02 Přívodní štola;
* SO 03 Rozdělovací objekt Bílá Nisa;
* SO 04 Vtokový objekt;
* SO 05 Nová odpadní štola;
* SO 06 Výústní objekt.
Z hlediska realizace lze tyto objekty sdružit na tři pracoviště: úprava rozdělovacího objektu Lužická Nisa a přeražba Pasecké štoly (SO 01 a SO 02), úprava rozdělovacího objektu Bílá Nisa (SO 03) a výstavba nové odpadní štoly s bezprostředně navazujícími objekty (SO 04, SO 05, SO 06). Loučenská štola, jež přivádí vodu do VD Mšeno z Bílé Nisy, plně vyhovuje potřebám nového protipovodňového systému, a proto se k její rekonstrukci nepřistoupilo. Přeložky inženýrských sítí, úpravy komunikací a přípojky na veřejný rozvod elektrické energie pak představují vedlejší stavební objekty související se stavbou.
Nová rakouská tunelová metoda Základní částí projektu je ražba nové odpadní štoly (SO 05) a přeražba původní přívodní štoly (SO 02). V obou případech byla zvolena Nová rakouská tunelovací metoda (NRTM), převažující metoda konvenčního tunelování v České republice a jedna ze stěžejních technologií společnosti Metrostav a.s. Koncepce NRTM spočívá v aktivování nosného prstence a vytváření nosného prvku z horninového masivu za minimální aplikace výstroje [6].
Volba technologie vychází z inženýrsko-geologického průzkumu budoucího podzemního díla v Jablonci nad Nisou a operativně se bude upravovat na základě skutečných geotechnických podmínek zjištěných v průběhu realizace projektu. Provedené vrty a geofyzikální průzkum potvrdily výskyt liberecké žuly v různém stupni zvětrání. Pro tento typ žuly v této oblasti je typická změna z téměř nezvětralých horninových bloků do silně zvětralého masivu bez zjevné předpokládané hranice.
Volba rozpojování horniny při ražbě bude záviset právě na zastižené geologii na čelbě štoly. Vhledem k očekávání lepších vystrojovacích tříd budou pro rozpojení horniny převážně použity trhací práce. V místech s horšími geotechnickými podmínkami nastane strojní rozpojování. Protože se na nejkritičtějších místech očekává skoková změna geologie, lze předpokládat operativní změny ve vystrojení i v rámci jednoho záběru. Z hlediska technologických tříd ražby poukázal průzkum na dominanci 2. a 3. vystrojovacích tříd. Horší třídy by měly být zastiženy maximálně v 10–15 %.
Během celého období ražeb bude probíhat standardní geotechnický monitoring zahrnující konvergenční měření a pravidelné prohlídky čelby geologem. Konvergenční měření nebude prováděno trigonometricky, ale budou se sledovat posuny stabilizovaných bodů. Jedná se o relativní metodu, jež spočívá ve sledování změn délky měřicí základny. Trigonometrické měření konvergencí bude probíhat pouze ve stavebních jamách.
Pro potřeby vyhodnocení geomonitoringu je nutno stanovit chování podzemní konstrukce a okolního horninového masivu – jde o varovné stavy, po jejichž překročení je nutno přijmout určitá opatření. Varovné stavy se odvozují ze statického výpočtu. Další důležité opatření u ražeb pod městskou zástavbou spočívá v rozsáhlé pasportizaci dotčených objektů na povrchu.
Stroje, trhací práce a větrání Výstavba nové odpadní štoly bude probíhat současně z obou stran: od vtokového objektu u VD Mšeno i od výústního objektu nedaleko soutoku Lužické a Bílé Nisy. Metoda ražby se bude lišit od běžné NRTM, prováděné na velkých tunelech, především stísněnými pracovními podmínkami. Malá plocha výrubu, omezený přístup těžní a revizní šachtou, jenž bude fungovat jako jediný přístup na pracoviště a zároveň jako dopravní uzel, a svislá doprava si vynutily nasazení malé kolové vrtačky Tamrock, smykového nakladače LOCUST 752 a důlního dopravníku Paus Universa. K dovrtání a přistřelování pak připadají v úvahu ještě vrtací kladiva řady VK pro ruční vrtání. Úzký profil štoly však skýtá i jednu výhodu: výrub totiž nebude nutné členit jako při budování velkých tunelů, ale počítá se s ražbou v plném profilu. Geologické podmínky Jablonce nad Nisou nabádají k aplikaci tzv. presplittingu, tj. prioritního odpalování náloží v obrysových vrtech. Díky tomuto principu se nejprve ve skále oddělí obrys čelby a až poté přichází na řadu zálom a přibírkové vrty [7]. V závislosti na aktuální geologii se budou používat tři druhy trhaviny s neelektrickým roznětem: plastická trhavina dynamitového typu v náložkách, trhavina emulzního typu v náložkách a obrysová trhavina na presplitting. Kvůli blízkosti městské zástavby nebudou trhací práce probíhat v nočních hodinách. Délka záběru se bude opět odvíjet od tříd ražnosti. V nejlepším případě dosáhne jeden krok až dvoumetrové délky, v nejhorším pouze 800 mm. Předpokládá se, že na každé čelbě bude možné realizovat dva záběry denně. Ve spodní příportálové části SO 05 s kvalitním horninovým prostředím umožní krátké dopravní vzdálenosti až tři záběry denně.
Koncepce větrání při ražbách na SO 02 a SO 05 bude výrazně rozdílná. Zatímco z nové odpadní štoly odvede mdlé větry separátní foukací větrání realizované pomocí flexibilního lutnového tahu, z přívodní štoly je dostane ventilátor instalovaný na jejím konci a bude se využívat průchozí větrný proud. Původně se uvažovalo o samovolné ventilaci, při měření vzdušných proudů se však zjistilo, že v místě nefunguje komínový efekt a vzduch proudí naopak směrem dolů po proudu vody. Ostění Primární ostění obou štol bude stejné jako u velkých tunelů. První vrstvu vytvoří ocelové sítě s výztužným rámem. Podrobnější specifikace pak bude záležet na třídě ražby. Zatímco v nejlepší třídě postačí jedna síť se 100 mm stříkaného betonu a svorníkovou výztuží, v nejhorší třídě bude nutné použít vyztuž TH, pažnice Union a 150 mm stříkaného betonu s jednou vrstvou kari sítě. Mikropilotový deštník se uplatní pouze na dolním portálu SO 05. Na horním portálu SO 05 u přechodu k objektu SO 04 se vzhledem k možnému průniku vody použijí injektáže. Pokud jde o způsob transportu stříkaného betonu na čelbu tunelu, nástřik suchou prefabrikovanou směsí z betonových sil provede až do vzdálenosti 200–250 m dopravní stroj Aliva 262 a při vyšších vzdálenostech tlaková sila.
Protože primární ostění se neprojektuje na celou životnost štoly, nejde o definitivní ostění. Zadávací dokumentace vyžaduje, aby vnitřní plášť tvořilo sekundární ostění o tloušťce 400 mm. Realizace se podobná ražbě velkých tunelů, až na absenci izolace. Jde o vodní dílo, proto průniku vody zamezuje pouze středový těsnicí pás na dilatačních spárách.
Patrně velmi rozmanitá práce čeká tým firmy Metrostav a.s. při přeražbě na SO 02. Ve sto let staré přívodní štole se totiž může nalézat poměrně nevyzpytatelný prostor za ostěním. Vzhledem k tomu, jak velkým vývojem za tu dobu prošla technologie betonáže, lze očekávat kaverny či sypkou hmotu. Beton bude nutné navíc kvůli absenci armování rozstřelit či rozpikovat. Veškeré nadvýlomy bude samozřejmě nutné v souladu s báňskou legislativou zasanovat.
Rozdělovací objekty a další součásti projektu Před začátkem úprav obou rozdělovacích objektů je nezbytné odklonit vodní toky ze stavenišť. Kolem stavidel se proto vytvoří obtoky koryta. Protože projekt vyžaduje zachování architektonického rázu původních zařízení z počátku 20. století, po adaptaci rozdělovacích objektů na nové povodňové parametry budou žulové kameny z obložení navráceny na svá místa. Rozdělovací objekty by se tedy měly změnit pouze z hlediska funkčnosti, nikoliv z hlediska designu. Specifické součásti stavebních objektů se nacházejí na rozhraní štol. Na spodním portálu přerážené přívodní štoly SO 02 u VD Mšeno vznikne zvláštní pracoviště, jehož úkolem bude výškově přeprofilovat výústní koryto. Dno přeražené štoly do něj totiž vstoupí v nižší poloze. Na spodním portálu nové odpadní štoly bude zase potřeba upravit koryto tak, aby voda nevtekla do řeky v příliš prudkém proudu. Hloubený úsek při ústí o délce 25 m bude sloužit jako tlumicí trať. Systém kontroly kvality prováděných prací S ohledem na význam budovaného díla má investor nastaven i odpovídající systém nezávislé kontroly kvality.
Specifickou činností je pro toto dílo, prováděné z velké části hornickým způsobem, výkon geotechnického monitoringu, který zajišťuje firma Arcadis Geotechnika a.s. Sledují se reakce horninového prostředí na ražbu, účinky v oblasti dotčené stavbou a následné korekce postupu prací podle zjištěných výsledků. Sledují se předepsaná geodetická, seizmická, akustická, inklinometrická a hydrogeologická měření a odborný inženýrsko-geologický dozor i geoelektrická a korozní měření. Výkonem technického dozoru objednatele je pověřena společnost Vodohospodářský rozvoj a výstavba, a.s., firma s mnohaletou tradicí a zkušenostmi v oblasti přípravy a realizace významných vodohospodářských staveb. Kromě vlastní kontroly kvantitativních i kvalitativních parametrů budovaného díla zajišťuje v úzké spolupráci s pověřeným pracovníkem objednatele organizaci a řízení pravidelných kontrolních dnů stavby, koordinaci monitorovacích prací jednotlivých dodavatelů a účastní se pravidelných zasedání Rady monitoringu.
Samostatná kontrolní měření vykonává na prováděném díle i firma VD-TBD, a.s. – je pověřena výkonem technickobezpečnostního dohledu na tomto vodním díle II. kategorie. Výsledky těchto měření budou sloužit jako výchozí data pro budoucí sledování bezpečnosti vodního díla ve fázi jeho provozování.
Spolu se zajištěním účasti projektanta při výstavbě v rámci výkonu autorského dozoru je systém kontroly kvality nastaven tak, aby výsledek odpovídal efektivně vynaloženým investičním nákladům a významu této veřejně prospěšné stavby.
Závěr
V roce 2007 bylo vydáno na celou akci územní rozhodnutí a byla uzavřena problematika EIA. V roce 2011 byly vypořádány všechny úkony související s povolením stavby. Ukončení stavby se plánuje na červen 2013. * Projekt je spolufinancován z programu Ministerstva zemědělství České republiky 129 120 Podpora prevence před povodněmi II.
***
SO 02 Přívodní štola
Délka celkem 632,09 m
ražená část 591,46 m
hloubená část 40,63 m
Plocha výrubu 11,1–14,45 m2
Podélný sklon 0,5 %
SO 05 Nová odpadní štola
Délka celkem 1258,54 m
ražená část 1253,54 m
hloubená část 5,00 m
Plocha výrubu 12,65–16,55 m2
Podélný sklon 1,97 %
Tab. 1. Technické parametry přívodní a nové odpadní štoly
Základní údaje o stavbě
Název: Lužická Nisa, Jablonec nad Nisou,
Zvýšení ochrany města převodem
povodňových průtoků přes VD Mšeno
Investor: Povodí Labe, s.p.
Projektant: Sdružení Pöyry Environment a.s. – Valbek,
spol. s r.o. – AZ Consult, spol. s r.o.
Zhotovitel: Sdružení Metrostav a.s. a SYNER, s.r.o.
Stavbyvedoucí: Ing. Jiří Kocian
Stavební dozor: VRV a.s.
Náklady: 393,5 mil. Kč
Doba výstavby: 12/2011–06/2013
Ing. Jiří Švancara Vedoucí útvaru Hydrotechnika společnosti Pöyry Environment a.s. Vystudoval Stavební fakultu VUT v Brně, obor vodní hospodářství a vodní stavby. Působí 25 let jako projektant vodohospodářských staveb, postupně ve firmách Hydroprojekt o.z. Brno, AQUATIS a.s., a Pöyry Environment a.s. Soudní znalec v oboru vodohospodářských staveb. E-mail: mailto:jiri.svancara@poyry.com
Ing. Jiří Kocian Současný stavbyvedoucí firmy Metrostav a.s. vystudoval hornické inženýrství na Hornicko-geologické fakultě VŠB – TU Ostrava a geodézii a kartografii na Fakultě stavební ČVUT v Praze. Má za sebou devět let praxe. Působil například na projektu výstavby tunelového komplexu Blanka či prodloužení trasy A pražského metra. E-mail: mailto:jiri.kocian@metrostav.cz
