Modernizace plavebních komor vodního díla Gabčíkovo

Vodní dílo (VD) Gabčíkovo se nachází na řece Dunaj cca 60 km jihovýchodně od hlavního města Slovenska, Bratislavy. Má dvě plavební komory, shodných rozměrů, které jsou v provozu od roku 1992. Užitná délka jedné komory je 275 m, šířka 34 m a stěny mají výšku 30 m. Minimální hloubka vody nad záporníkem je 4,5 m. Spád plavebních komor činí v závislosti na průtoku vody od 12,7 do 23,6 m. Parametrově se jedná o unikátní vodní dílo, jehož komory patří mezi největší plavební komory na světě, [1], [3] a [4].

Plavební komora sestává z horního ohlaví (zhlaví), 6 od dilatovaných bloků vlastní komory a dolního ohlaví (zhlaví). Na komory navazuje vtokový a výtokový objekt se systémem plnicích a prázdnicích kanálů. V typickém příčném řezu komory se ze statického hlediska jedná o klasický železobetonový polorám. Horní ohlaví je masivní železobetonová konstrukce, dolní ohlaví poté polorám s příčnou vazbou ve formě železobetonového mostu mezi stěnami.

Železobetonové konstrukce komor byly projektovány v letech 1985 až 1987. Použit byl beton třídy 250 (dle tehdejšího značení, odpovídá dnešní třídě C16/20) a betonářská ocel 10425 (V), přičemž často byly použity atypické průměry výztuže 40 a 50 mm. Krytí výztuže stěn bylo až 150 mm.

Systém plnění a prázdnění zajišťuje bezpečný provoz plavebních komor. Prostřednictvím osmi kanálů (čtyři pro každou komoru) je voda přiváděna, resp. odváděna pode dnem plavební komory. Štěrbinami ve dně se voda přivádí do plavební komory tak, aby docházelo k rovnoměrnému plnění a prázdnění bez vzniku proudění, které by ohrožovalo bezpečnost plavidel v plavební komoře. Jedná o systém nepřímého plnění (prázdnění) s dlouhými obtoky (kanály o průřezu 4 × 4 m). Každý z osmi obtoků má dva segmenty jako regulační uzávěry, jeden ve vtokovém objektu a jeden ve výtokovém objektu.

Na horním a dolním ohlaví komory jsou osazeny pohyblivé uzávěry. Na dolním ohlaví je uzávěr deskového typu, tj. dolní vrata v základních dimenzích jedné vrátně (tj. jedné poloviny) 19,6 × 22 m a hmotnosti cca 460 t. Hmotnost dolních vrat činí 1 080 t (2× 460 t + 160 t dalších převážně zabetonovaných ocelových konstrukcí, tj. dosedacích prahů, těsnicích prahů a stěn, pantových opěrek atd.). 

Horní ohlaví je osazeno horními sklápěcími segmentovými vraty o rozměrech cca 11 × 34 m a hmotnosti cca 310 t. Dále je na horním ohlaví instalována záskoková klapka o rozměrech 8,9 × 34 m a hmotnosti 170 t. Vrata v horním ohlaví mohou sloužit pro převádění ledů a též při zvýšených průtocích k převádění průtoku.

V rámci modernizace a inovace komor bylo třeba vyměnit veškeré pohyblivé uzávěry, klapky a vrata. Jedná se o ocelové konstrukce. Koncepce uchycení nových konstrukcí vycházela z následujících skutečností a poznatků:

Nová horní vrata jsou segmentová, oddělují přívodní kanál od plavební komory. Původní vrata byla ukotvena do čtyř svislých ocelových sloupů, které byly zality v hluboké betonové kapse. Tyto sloupy zůstaly po odbourání starých vrat zachovány. Původní snaha využít je i pro nové kotvení ložiska segmentu musela být revidována po provedení jejich diagnostiky, kdy bylo zjištěno narušení ocelových plechů. Bylo proto nutné navrhnout řešení nezávislé na tahové a ohybové tuhosti původních ocelových sloupů. V místě ložiska segmentu bylo třeba zachytit návrhovou sílu o velikosti 6 815 kN, která působí pod úhlem 16° od vodorovné roviny. Pro přenos síly do masivu základu komory byl navržen nový železobetonový základ o rozměrech 5,03 × 3,5 × 2,3 m z betonu C35/45. Základ byl ukotven do původního primárního betonu. Síly proti nadzvednutí toho- to základu jsou přenášeny svislými tahovými tyčemi (2× 6 ks Ø 36 mm délky 7,8 m se zakotvením do původního betonu v délce 5,4 m). Tlaková namáhá- ní jsou přenášena rovnou do betonu v místě původního ocelového sloupu. 

Zadní strana samotného ocelové- ho ložiska je skloněna pod úhlem 15° a je opatřena čtyřmi ocelovými výztuhami, k nimž byla přivařena betonářská výztuž 6× 8 ks Ø 32 mm pomocí nosného svaru. Výztuž zachytává šikmou sílu z ložiska a na konci je opatřena hákem a příčně přivařenou výztuží. V místě původního sloupu jsou dále čtyři tyče Ø 36 mm pro kotvení tahové síly (vzniká při vyčerpání plavební komory, tj. v tzv. suchém doku). Návrhová velikost síly je 970 kN. Předpokládaná únosnost kořene jedné kotevní tyče 300 kN byla ověřena zkouškami. 

Samotný základ je vyarmovaný podélnou, příčnou i svislou výztuží a konstrukčně je dále kromě tyčí přikotven na všech površích trny vlepenými do původního betonu. Povrch původního betonu byl též mechanicky zdrsněn pro zvýšení smykové únosnosti spáry.

Každá plavební komora má před horními vraty osazenou klapku. Stávající klapky na horním zhlaví byly montované dodatečně jako záskokové (náhradní) hrazení za účelem zabezpečení provozu při výpadku horních vrat. Ocelová konstrukce klapek se skládá z vlastního dutého hradicího tělesa, osmi ocelových ložisek s otočnou osou tělesa klapky, čtyř konzol otočného uložení ovládacích tlačných hydromotorů a čtyř dorazů pro otevřenou polohu.

V místě ložiska klapky i hydroválce je vytvořen nový železobetonový roznášecí základ, který je kotven do primárního betonu pomocí předpínacích tyčí. V obou základech jsou osazeny ocelové prvky ložisek. Na jednu kotevní desku ložiska se předpokládá maximální svislá tahová síla 1 770 kN a vodorovná síla 1 100 kN. Na ložisko válce bude působit tlaková síla 8 500 kN, příp. tahová síla 2× 310 kN a vodorovné síly 950 kN.

Základy pro ložiska představují čtyři patky, vždy jedna je společná pro dvě ložiska. Rozměr jedné patky je cca 6 480 × 4 830 × 600 mm, s rozšířením tloušťky na 1 470 mm směrem k segmentu. Základ byl provedený ze dvou částí – spodní (kotvení ložiska tyčemi) a horní (zálivka okolo ložiska). Do spodní časti základu byla osazena ocelová armatura ložiska. Tato armatura se skládá ze dvou částí. Spodní část armatury je kotvená do betonu pomocí 10 ks předpjatých tyčí SAS 950/1050 Ø 32 mm (6 ks délky 9,5 m a 4 ks délky 3,5 m) osazených v dodatečných vrtech Ø 100 mm. Ve spodní části vrtů se vytvořil kořen tyčí. Vrt se zainjektoval zálivkou Groutex. Po zatuhnutí kořene a betonáži vlastního základu pod ložiskem byly tyče předepnuty silou 300 kN (delší kotvy) a 150 kN (kratší kotvy).

Pro hydroválce jsou navrženy čtyři patky o rozměrech 2 800 × 3 500 × 500 mm ve sklonu 45°. To vyžadovalo betonáž do negativního bednění. Základ byl proveden opět ze dvou částí: spodní část kotvená tyčemi spolu s ložiskem a horní část – zálivka tyčí a ocelového ložiska. Spodní část je kotvená do betonu pomocí osmi předpjatých tyčí Ø 32 mm délky cca 4,6 m. Vlastní tyče byly osazeny do vrtu Ø 100 mm. Po zatuhnutí kořene a betonáži vlastní drážky byla tyč předepnuta silou 100 kN. Oba základy ložiska a hydroválce jsou propojené ocelovými HEB profily, které uzavírají silový trojúhelník, a tím pomáhají eliminovat tahovou vodorovnou sílu z horního ložiska bez přenosu betonovou konstrukcí plavební komory a převádějí sílu na tlakové namáhání ložiska hydroválce.

Obrázek níže ukazuje stav vrat a klapky po jejím dokončení ve sklopené poloze.

Dolní vrata jsou desková, s dvěma křídly, která jsou v otevřené poloze zapuštěna do výklenků v betonu. Zatížení z vrat a přenos sil na betonové konstrukce je v zásadě obdobný jako u původního řešení. Maximálně jsou tedy využita původní dosedací místa. Vrata jsou liniově opřena o dolní dosedací práh (vyvozují vodorovnou sílu cca 2 000 kN/​​m) a o horní dosedací práh (vyvozují vodorovnou sílu 1 600 kN/​​m). Dále vrata na beton vyvozují bodové síly: v místě otáčení dolního ložiska (svislou sílu 7 230 kN a vodorovnou sílu 4 000 kN), v místě otáčení horního ložiska (svislou sílu 4 230 kN a vodorovnou sílu 4 000 kN), v místě tlakové opěrky horní (vodorovnou podélnou sílu 4 691 kN) a v místě tlakové opěrky dolní (vodorovnou podélnou sílu 6 686 kN).

U vrat byly vybourány všechny zálivkové betony s ocelovými prvky prahů ložisek apod. Na jejich místě byly provedeny obdobné konstrukce nové. Bylo třeba provést posouzení lokálního namáhání pod ložisky a zajištění roznosu sil. Z důvodu zajištění roznosu sil jsou veškeré prahy a ložiskové bloky armované. Jedná se o soustavu vlepených trnů betonářské výztuže na chemickou maltu a nových ocelových prvků dosedacích prahů a ložisek.

Příklad provádění horního prahu (cca 1,0 × 1,3 m) je uveden na obrázku níže. Práce na horním prahu, ale obecně i na celých dolních vratech, byla komplikována vlastním umístěním vrat pod mostovkou komunikace, tedy na místě, které není přímo přístupné jeřábem shora.

Pro stavbu horního prahu bylo též nutné pod mostem postavit poměrně vysokou skruž. Práce byly komplikovány nutností koordinace ukotvení ocelových prvků prahu zajišťující přenos vodorovných a svislých sil do betonu a vlastního armování prahu s nutností provedení řady vlepených trnů. Pro samotnou betonáž byl použit samozhutnitelný beton, přičemž bloky horních ložisek se betonovaly přes stávající otvory v komunikaci (probíhající konstrukcí mostu).

Pro montáž vrat bylo nutné posoudit řadu montážních stavů, mimo jiné bylo nutné posoudit vlastní železobetonový most na účinky od jeřábu osazujícího mobilní jeřáb dovnitř komory a na účinky aut dopravujících jednotlivé montážních dílce vrat. Nejtěžší dílec vážil 10 t. Obdobně bylo nutné posoudit řadu montážní stavů pro umístění jeřábů a montážních přípravků pro montáž horních vrat, dolních vrat, klapek apod. Vyžádalo si to značnou součinnost projektantů a zhotovitelů.

Nejdříve byla prováděna modernizace pravé plavební komory (ve směru toku). Ukázalo se, že rychlost výstavby je do značné míry limitována omezeným přístupem do plnicích kanálů o průřezu 4 × 4 m. Existovalo zde jen několik malých otvorů do jednotlivých kanálů, kterými bylo možné dopravovat veškerý materiál.

Ve snaze výrazně urychlit výstavbu levé komory byla statickým výpočtem posouzena možnost vytvoření dvou dočasných montážních otvorů ve stropě základové desky tak, aby nebylo ohroženo statické působení konstrukce rámu plavební komory v montážním stavu a ani ve finálním stavu působení. Umístění otvorů bylo zvoleno u horního ohlaví, které je ze statického pohledu nejméně namáhané. Ve stropní desce tloušťky 2 m byly zřízeny dva montážní otvory, o využitelných rozměrech 3,2 × 2,2 m, každý otvor obsluhoval dva plnicí kanály. Těmito otvory následně probíhala doprava veškerého strojního vybavení a materiálu dovnitř kanálů.

Oproti původnímu řešení, které spočívalo v trvalém dodatečném zabetonování montážních otvorů po skončení výstavby, bylo přistoupeno k variantě využití železobetonových prefabrikátů, pomocí kterých lze opětovně otvor otevřít a provést revizi výtokových kanálů.

Otvor byl vyřezán pomocí diamantových lan. Nejdříve byl po obvodě montážního otvoru vytvořen železobetonový monolitický rám s masivními krátkými konzolami. Ty následně sloužily jako podpory pro deskové prefabrikáty. Po skončení sanačních prací v kanálech byly osazeny deskové prefabrikáty, které jsou kotvené ke konzolám pomocí předpínacích tyčí. V budoucnu je tak možná opětovná demontáž a využití těchto otvorů pro příp. další sanaci.

Vzhledem k rozsahu článku bylo možno popsat jen některé vybrané konstrukce, které byly na této rozsáhlé rekonstrukci realizovány. Je zřejmé, že provedení rekonstrukce plavební komory spočívající ve výměně ocelových uzávěrů (vrat) apod. si vyžádalo náročné zásahy do vlastní železobetonové konstrukce plavební komory. Aby bylo možno přenést poměrně velké síly z těchto konstrukcí do betonu vlastní komory, bylo nutné provést řadu nových základů, hlubokých kotev, vlepených trnů, armovaných drážek apod. Vzhledem k tomu, že obě komory jsou v zásadě tvarově stejné, byly na pravé i levé komoře implementovány stejné konstrukční části.

Samotná výstavba betonových konstrukcí byla náročná na provádění mnoha detailů, na zajištění velkého množství vrtů pro kotevní tyče a betonářskou výztuž a obecně i na koordinaci jednotlivých činností. Bylo nutno též provést řadu průzkumů (betonu a výztuže) a ověřovacích zkoušek.

Jednotlivé nově navržené prvky byly po dokončení řádně odzkoušeny zatěžovacími a provozními zkouškami na plné zatížení vznikající při provozu i při mimořádných situacích.

Je zřejmé, že k úspěšnému dokončení modernizace plavebních komor vedla dobrá spolupráce dodavatele stavby, projektanta a investora.