Vodní dílo Orlík — betonová konstrukce bezpečnostního přelivu

Stavba nového doplňkového bezpečnostního přelivu vodního díla Orlík se nachází v úrovni hráze na pravém břehu Vltavy, a to v pravém zavázání hráze. K rozhodnutí zrealizovat toto opatření strategického významu vedly investora Povodí Vltavy, státní podnik, zkušenosti s povodní v roce 2002 a náročnější technicko-bezpečnostní požadavky na vodní díla ve světě i u nás. Účelem stavby je převedení extrémních průtoků a ochrana VD Orlík před negativními účinky těchto průtoků. Po vybudování bezpečnostní přeliv umožní převést spolu s původním přelivem a ostatními funkčními částmi vodního díla přes těleso hráze případné extrémní povodně, dojde tak ke snížení rizika poruchy tělesa hráze a ke zvýšení bezpečnosti vodního díla tak, aby povodňové ohrožení oblastí podél toku a ohrožení potenciálními poruchami vodního díla bylo dostatečně nízké a z hlediska současných standardů akceptovatelné.

Příprava tohoto strategického projektu začala de facto po zmíněné povodni v roce 2002. Na základě vyhodnocení jejích dopadů na vodní dílo byl sestaven a zahájen program analýz a přípravných prací pro budoucí rekonstrukci VD Orlík. V letech 2013 až 2015 proběhly komplexní strukturální výpočtové analýzy metodou konečných prvků (MKP), pro které byl nejdříve zajištěn inženýrsko-geologický průzkum materiálů skalního podloží a zejména kontaktu na základové spáře mezi tělesem hráze a podložím. Postupně byly zpřesňovány zatěžovací stavy odpovídající variantám v souběžně zpracovávané studii proveditelnosti. Strukturální analýzy vedly ke klíčovým doporučením týkajícím se maximální bezpečné hladiny, požadavků na funkci drenážního systému a zejména vhodnosti provozní bezpečnosti zvažovaných opatření. Rozpracování vybraných perspektivních variant bylo provedeno v roce 2013 ve studii proveditelnosti. 

Bylo vypracováno 14 variant různých technických řešení, byly provedeny inženýrsko-geologické průzkumy, sestaveny fyzikální modely a vypracovány odborné studie, na kterých se podílelo akademické pracoviště ČVUT v Praze, VUT Brno, ale i zahraniční experti. 

Na výběru finální varianty spolupracoval investor s desítkou specialistů na realizaci a provoz hydrotechnických staveb, bezpečnost vodních děl, stavby železobetonových konstrukcí atd. Jako optimální varianta byla zvolena výše popsaná realizace doplňkového bezpečnostního přelivu se třemi poli hrazenými segmentovými uzávěry.

Nová přelivná pole mají primárně sloužit pro převedení extrémních povodňových průtoků, kdy je kapacita stávajícího bezpečnostního přelivu vyčerpána. Příkladem může být povodeň z roku 2002, která způsobila nemalé škody na vodním díle. Návrhová kapacita nových polí je 1 736 m³/​​s. Po manipulaci s hradícím segmentem voda prochází vtokovým objektem a dále proudí uzavřeným železobetonovým profilem pod obslužnými plochami areálu. Na vzdušní straně hráze přechází v otevřený skluz, který bezpečně odvede vodu od hráze zpět do koryta toku.

Projektant stavby Aquatis a.s. podle požadavku investora zpracoval v období přípravy projektové dokumentace detailní třírozměrný model stavby, který umožnil precizní koordinaci prostorového uspořádání stavebních i technologických částí záměru. Model je podkladem pro stavební přípravu, řízení stavby a dokumentování skutečného provedení. Ukazuje se, že nasazení metodiky BIM může být velmi přínosné i u atypických a velmi složitých konstrukcí a lze ji aplikovat i u staveb tohoto typu.

Konstrukce bezpečnostního přelivu o celkovém objemu přesahujícím 50 000 m³ konstrukčního betonu je rozdělena do tří základních částí.

Jedná se o stavební objekt SO 01 – vtokový objekt, kde jsou v železobetonové konstrukci umístěny tři segmentové uzávěry, každý o šířce 13,3 m. Dále jde o část SO 02 – Skluz krytá část, což je vlastně trojice železobetonových tunelů s vnitřními rozměry až 12,5 × 12 m, která prochází tělesem hráze z návodní strany hráze na její vzdušnou stranu. Tyto tunely pak ústí do skluzu stavebního objektu SO 03 – Skluz otevřená část. Jde o železobetonový žlab o šířce 28 m horní a 16 m v dolní části skluzu. Stěny tohoto žlabu dosahují výšky až 7,2 m. U všech těchto částí bezpečnostního přelivu se jedná o masivní železobetonové konstrukce s tloušťkami od 1,5 do 3 m.

Při realizaci bezpečnostního přelivu v těsné blízkosti hráze vodního díla a i vzhledem k zastiženému geologickému profilu a sklonitosti terénu je velký důraz kladen na monitoring okolního rostlého terénu i vlastní hráze po celou dobu výstavby od provádění zemních prací a prací speciálního založení a zajištění až po realizaci betonových konstrukcí. Pro zemní práce se používá kombinace těžké strojní techniky a v poslední fázi přicházejí na řadu, pro horniny třídy těžitelnosti VI a VII, trhací práce. Na stavbě jsou rovněž použity téměř veškeré technologie speciálního zakládání, jako jsou převrtávané piloty, mikropiloty, záporová stěna, podzemní jílocementová stěna, vibrované štětovnicové stěny, horninová a trysková injektáž. Tyto konstrukce primárně slouží k zajištění stavebních jam hlavních stavebních objektů. Pro potřeby geologického monitoringu je stavba vybavena inklinometrickými vrty na všech stavebních objektech. Vrty jdou do hloubky v rozmezí 15 až 35 m, součástí realizace každého vrtu bylo posouzení jeho jádra. U SO 03 je dále svah sledován čtyřmi extenzometrickými drahami, na kterých probíhá pravidelné měření a vyhodnocování. Pro bezpečnost stávajícího vodního díla hráze je při trhacích pracích prováděn také okamžitý monitoring pohybů konstrukce hráze a lodního výtahu. Z měření při odstřelech na SO 03 je patrné, že odstřely nemají na konstrukcí VD Orlík vliv.

Složitosti stavby odpovídá nejen organizace prací hlavního dodavatele a subdodavatelů, ale také nadstandardní rozsah dohledu a dozoru na straně objednatele. Z těch netradičních uveďme např. dohled nad trhacími pracemi, dohled nad vývojem a realizací specifických železobetonových konstrukcí, geodetický a geotechnický dohled a další.

Velkou výzvou na této zakázce byla realizace otevřené části skluzu bezpečnostního přelivu ve sklonu 40 %, což je v lyžařské terminologii hranice mezi červenou a černou sjezdovkou. Realizace konstrukce byla velmi náročná nejen pro všechny pracovníky, kteří se museli po této šikmé ploše při výstavbě pohybovat a pracovat, ale i pro pracovníky, kteří vlastní výstavbu připravovali. 

Jedním z nejtěžších úkolů byl návrh složení betonové směsi pro konstrukci skluzu. Konstrukce skluzu se realizovaly bez záklopu, tedy bez horního bednění. Ukládaný čerstvý beton musel mít takové vlastnosti, aby se při ukládce udržel v požadovaném sklonu, byl v tomto sklonu zpracovatelný, zhutnitelný a byla umožněna úprava jeho horního povrchu do požadovaného tvaru a tolerancí. Kromě této základní podmínky musel beton splňovat mnoho dalších požadavků jak v čerstvém, tak ve ztvrdlém stavu. Požadavky vycházely především z analýzy, která byla provedena Kloknerovým ústavem ČVUT při přípravě a návrhu konstrukce nového bezpečnostního přelivu. Základním parametrem bylo, že receptura betonu musí být navržena tak, že beton ve stáří 90 dní bude mít parametry betonu popisované v ČSN EN 206 značkou C30/37 XC4, XF3, XA1 s mrazuvzdorností T 150 dle ČSN 73 1322. Dále byla požadována maximální hloubka průsaku tlakovou vodou 20 mm, průměrná hodnota statického modulu 30 GPa, objemová hmotnost v intervalu obyčejného betonu dle ČSN 206 + A1 a maximální teplota v konstrukci 65 °C. Velmi důležitý byl požadavek celkového smrštění betonu po 28 dnech, který byl stanoven maximální hodnotou 0,4 mm/​​m. Všechny parametry musely být ověřeny průkazními zkouškami.

Návrh receptury betonu byl vytvořen ve spolupráci se společnostmi Českomoravský beton, Betotech a Stachema CZ. Navrženo bylo devět receptur, u kterých byly na základě předem stanoveného zkušebního plánu průběžně prováděny požadované zkoušky čerstvého i ztvrdlého betonu. Zkoušky pevnosti betonu v tlaku byly prováděny ve stáří betonu po 2, 7, 28 a 90 dnech. Pro proces ověření parametrů navržených betonových směsí byla zásadní a časově nejnáročnější zkouška mrazuvzdornosti. Ověření mrazuvzdornosti betonu bylo provedeno ve dvou fázích. Nejprve zkouškou T100 ve stáří betonu po 28 dnech a poté teprve zkouškou T150 po 90 dnech. Pokud by některá z navržených receptur nevyhověla námi stanovenému parametru ve stáří po 28 dnech, byla by vyloučena z dalšího procesu zkoušení. U všech navržených receptur byly provedeny také zkoušky pro stanovení vývoje teploty betonu vlivem hydratačního tepla. Celý proces od návrhu složení betonové směsi po výběr nejvhodnější varianty trval více než rok.

Požadovaným parametrům vyhovělo osm navržených receptur. Vybrány pak byly dvě receptury, a to receptura s množstvím cementu 320 a 300 kg/​​m³. Tyto dvě receptury mohou být použity ještě ve variantách s polypropylenovými vlákny a se zpožďovačem. Navržené receptury byly odzkoušeny při konzistencích S2, S3 a S4.

Po výběru receptur zbývalo „už jenom“ ověřit, jak se bude beton chovat v reálné konstrukci především při ukládce do konstrukce ve sklonu 40 %. Pro ověření jsme připravili zkušební blok o velikosti odpovídající desce dna skluzu jedné dilatace a v maximálním spádu konstrukce skluzu. Blok byl proveden ve stavební jámě připravené pro spodní část skluzu.

Podkladní beton pod zkušebním blokem byl proveden ve stejném tvaru, jako je pod konstrukcí skluzu v největším spádu. Umístění zkušebního bloku bylo zvoleno tak, že se stal součástí podkladních vrstev, resp. výplňových betonů, a nemusela se řešit jeho pozdější demolice. Nejprve se mělo jednat pouze o jeden betonážní celek – střední desku skluzu o rozměrech 8,5 × 12 m. V souladu s požadavky zadávací dokumentace bylo však nutné ověřit realizaci střední desky skluzu i v návaznosti na okolní konstrukce, proto jsme navrhli, aby součástí zkušebního bloku byly i v nezbytném rozsahu okolní konstrukce. Zkušební blok se tedy skládal ze čtyř částí. První část o půdorysných rozměrech 1,0 × 19 m simulovala zárodek předcházejícího dilatačního dílu. Základové konstrukce stěn o půdorysných rozměrech 7,5 × 3,5 m tvořily boční části zkušebního bloku. Čtvrtá část – střední deska pak byla vymezena ve spodní části zárodkem předcházejícího dilatačního dílu a z boků základovými konstrukcemi stěn. Její rozměry byly 7,5 × 12 m. Celkové půdorysné rozměry zkušebního bloku byly 8,5 × 19 m. Tloušťka bloku byla 1,5 až 1,8 m a jeho celkový objem byl 250 m³. Výztuž všech částí zkušebního bloku byla uspořádána stejným způsobem jako ve skutečné konstrukci skluzu v části s největším spádem. Pro úpravu horního povrchu střední desky konstrukce skluzu byl firmou Nestservice navržen speciální finišer. Jedná se o technologii válcového rotačního finišeru, což je sestava zařízení pro finální povrchovou úpravu betonových ploch liniového charakteru. Finišer se pohybuje na vodících kolejnicích a jeho pohyb zajišťují přes ocelová lana dva elektrické navijáky. Sestava se skládá ze tří základních prvků – rozhrnovací vibrační lišty, válcovací jednotky a lávky pro finální úpravu povrchu.

Před vlastní realizací zkušebního bloku proběhly ještě zkoušky zpracovatelnosti navržené a vybrané betonové směsi na několika menších zkušebních vzorcích vždy s horním povrchem ve spádu 40 %.

Při těchto betonážích byla ověřována vhodná konzistence betonu, jeho čerpatelnost a zpracovatelnost. Byly zkoušeny různé úpravy povrchu ve sklonu a také byla vyzkoušena technologie válcového rotačního finišeru s ručním vedením. Tyto zkoušky prokázaly, že navržená betonová směs a její zvolená konzistence je vhodná pro ukládku do konstrukce ve sklonu 40 % a i pro úpravu povrchu technologií válcového rotačního finišeru.

Betonáž zkušebního bloku proběhla na podzim roku 2022. Poslední čtvrtá část – střední deska – byla vybetonována na začátku listopadu 2022. Teplota vzduchu se při betonáži pohybovala od 10 do 18 °C. Teplota ukládaného betonu se pohybovala okolo 17 °C. Ukládka betonu byla prováděna pomocí čerpadla na beton, hutnění pomocí ponorných vibrátorů. Úprava horního povrchu betonu byla prováděna technologií válcového rotačního finišeru. Z důvodu získání zkušeností se zkušební betonáže zúčastnili všichni pracovníci, kteří se měli na vlastní realizaci podílet. Bezprostředně po ukončení betonáže byl povrch konstrukce zakryt PE fólií a následně druhý den ráno byla fólie ještě překryta geotextilií. Konstrukce byla takto zakryta 14 dní.

Při realizaci byl kromě ověření betonové směsi ještě ověřován a zkoušen způsob montáže vnitřního dilatačního pásu, provedení dilatačních a pracovních spár, kotvení vodítek pro finišer, provádění ukládky betonu (mocnost jednotlivých vrstev, sklony vrstev) a urovnání a zahlazení povrchu pomocí válcového rotačního finišeru včetně rychlosti pojezdu. Dále se ověřilo provedení úpravy povrchu konstrukce a ošetřování vybetonované konstrukce. Kromě zkoušek čerstvého a ztvrdlého betonu na zkušebním bloku proběhlo v konstrukci i měření hydratačního tepla a měření deformací pomocí tenzometrů. Před betonáží bylo do konstrukce osazeno celkem 22 tenzometrů a přes 30 teplotních čidel. 

Na konstrukci zkušebního bloku se dále sledoval výskyt a četnost trhlin. Zkušební blok byl po betonáži monitorován více než dva měsíce. Maximální teplota v konstrukci byla zaznamenána 38 h po ukončení betonáže a byla 50,6 °C.

Na základě zkušeností získaných při realizaci zkušebního bloku byl upraven technologický postup výstavby skluzu a na začátku roku 2023 po poslední kontrole bylo konstatováno, že železobetonová konstrukce zkušebního bloku splňuje požadavky na železobetonové konstrukce dané zadávací dokumentací a byl vydán souhlas k realizaci konstrukcí skluzu. V současné době je již otevřená část skluzu bezpečnostního přelivu dokončena.