Stabilita svahov zasnežovacej nádrže

17. března 2020

Stavby hydrotechnické Vyšlo v čísle 03/2020

Budovanie zasnežovacích nádrží v lyžiarskych oblastiach sa stáva nevyhnutnosťou. Oblasť Vysokých Tatier donedávna nebola odkázaná na technický sneh. Zabezpečenie lyžiarskej sezóny si aj tomto regióne vyžiadalo pred pár rokmi vybudovať zasnežovaciu nádrž. Príspevok sa venuje návrhu zabezpečenia statickej stability takejto nádrže, ale aj uvádza niekoľko vybratých poznatkov z jej výstavby.

Autoři:
prof. Ing. Peter Turček, PhD.
doc. Ing. Monika Súlovská, PhD.

Úvod

Investorom projektu bola firma TLD (Tatranské lanové dráhy, a.s., Tatranská Lomnica), projekt spracoval Projekt Consulta Zvolen, pracovníci katedry geotechniky Stavebnej fakulty STU v Bratislave spracovali statické výpočty svahov nádrže.

V čase projektovania bola zasnežovacia nádrž v Tatranskej Lomnici vzhľadom na použité tesniace materiály druhá najväčšia svojho druhu v Európe. Za najväčšiu sa v tom čase považovala nádrž v španielskom lyžiarskom stredisku Espot v Pyrenejach. Pri hodnotení množstva použitého materiálu tesniacich prvkov (viac ako 60 000 m²) sa táto nádrž dokonca zaradila na prvé miesto.

Projekt nádrže pre stavebné povolenie bol pripravený v apríli 2008. Z dôvodu nedostatočných podkladov bolo potrebné doplniť pôvodný inžinierskogeologický prieskum. Vykonávací projekt bol vypracovaný v júni 2008. Ešte v tom istom roku sa začalo s výstavbou sypanej hrádze. Dosiahnutím kóty 930,00 m n. m. sa vytvoril akumulačný priestor s objemom vody približne 40 000 m³ a nádrž sa odovzdala do čiastočného užívania. Dosypanie hrádze na plnú výšku, osadenie vlnolamu a dokončenie tesnenia sa uskutočnilo začiatkom roka 2011.

Konštrukčné riešenie zasnežovacej nádrže

Bočná zasnežovacia nádrž v Tatranskej Lomnici je umiestnená pri ľavom brehu Hlbokého potoka. Cez priestor nádrže preteká menší potôčik, ktorý nestačil kryť potreby odberu vody. Zvýšenie prítoku vody sa zabezpečilo odberným objektom z Hlbokého potoka gravitačne potrubím. Vyžadovaný objem nádrže sa dosiahol zásahom do prírodného reliéfu vytvorením odkopu do svahu a vybudovaním hrádze premenlivej výšky. Hrádza mala byť pôvodne nasypaná z hliny piesočnatej a piesku hlinitého, ktoré sa mali získať z odkopávaného svahu. Pretože hladina podzemnej vody sa v mieste odkopávok nachádzala relatívne blízko pod povrchom terénu, bolo potrebné stavenisko odvodniť v predstihu pred začatím stavby. Zmeny vyvolané zhotoviteľom stavby ako aj bohaté obdobie na zrážky v čase výstavby si vynútili čiastočnú zmenu použitých zemín na sypanie hrádze. Hrádza bola následne budovaná prevažne z piesku ílovitého a štrku s prímesou jemnozrnnej zeminy. Tieto materiály boli dovážané zo zemníka vzdialeného asi 5 km. Odlišné vlastnosti použitého materiálu si vynútili nové statické výpočty stability hrádze a úpravu konštrukčných detailov.

Základné parametre nádrže

Výška hrádze zo vzdušnej strany: 22,50 m.
Kóta koruny hrádze: 935,50 m n. m. + 0,6 m nadvýšenie vlnolamom.
Max. prevádzková hladina: 935,20 m n. m.
Max. retenčná hladina: 935,60 m n. m.
Hĺbka vody od max. prevádzkovej hladiny: 14,20 m.
Objem vody po max. prevádzkovú hladinu: 144 000 m³.
Odber vody pre zasnežovanie: 1200 m³/hod.

Požiadavkou prevádzkovateľa pre potreby intenzívnej výroby technického snehu bolo znížiť hladinu v nádrži o 3 až 6 m v priebehu štyroch až šiestich dní. Táto požiadavka mohla byť len ťažko splniteľná pri obvyklom konštrukčnom návrhu, keď by sa ako tesniaci prvok použila jedna vrstva tesniacej fólie. V prípade poškodenia tesniacej funkcie fólie by totiž mohlo nastať porušenie stability návodného svahu. Stavebník tiež trval na tom, aby tesniaca fólia nebola chránená pred možným poškodením ľadom. Pri týchto požiadavkách nemohol projekt vylúčiť netesnosti spojov jednovrstvovej fólie. Aby sa predišlo uvedenému riziku, bolo navrhnuté umiestniť pod primárnu tesniacu fóliu plošnú drenáž z geokompozitov, pod ktorú bola uložená ďalšia tesniaca fólia (tzv. kontrafólia). Takto vznikla „zapuzdrená drenáž“, ktorá bola vyvedená potrubím mimo nádrž a umožnila monitorovať úniky vody z nádrže v prípade netesnosti primárneho fóliového tesnenia. Pod kontrafóliu bola položená plošná drenáž zo štrkopiesku, ktorá zabezpečila permanentné zníženie hladiny podzemnej vody, zabraňuje pôsobeniu vztlaku na kontrafóliu a následnému ohrozeniu straty stability svahu hrádze. Aj táto drenáž bola vyvedená potrubím mimo teleso hrádze tak, aby bolo možné monitorovať priesaky. Uvedené opatrenia umožnili navrhnúť veľmi úsporné sklony svahov hrádze v násypoch, svahov nádrže v odrezoch, vylúčili drenáž vzdušnej päty hrádze a tiež ušetrili náklady na ochranu primárnej tesniacej fólie pred poškodením. Pohľad na ukladanie fólie na dno nádrže je na obr. 1 a 2.

Geologické pomery lokality

Lokalita sa na nachádza na juhovýchodnom úpätí Vysokých Tatier pri Tatranskej Lomnici. Kvartérne sedimenty sú zastúpené súvrstvím glaciálno-fluviálnych a glaciálnych sedimentov, akumulovaných z kotlín. Ich hrúbka je vzhľadom na poklesávanie Podtatranskej kotliny premenlivá na malú vzdialenosť; miestami dosahuje až 400 m. Glaciálno-morénové sedimenty majú charakter štrkovitý, až balvanitý a glaciálno-fluviálne usadeniny tvorí prevažne štrk s pieskom. Pod nimi spočívajú paleogénne sedimenty reprezentované súvrstvím flyšového charakteru s približne rovnakým zastúpením pieskovcov a ílovcov. Kvartérne sedimenty sú aj významným kolektorom podzemných vôd. Na lokalite bolo rozmiestnených šesť prieskumných vrtov, siahajúcich do hĺbky 13 m pod povrch terénu. Terénne práce však neboli adekvátne podopreté laboratórnymi skúškami. Chýbali predovšetkým dostatočne podrobné informácie o pevnostných a deformačných charakteristikách podložia, ktoré si museli dodatočne zistiť autori statického návrhu stability hrádzového telesa a potrebné údaje do- plniť aj s pomocou STN 73 1001 a STN 73 6824.

Stabilita svahov hrádze a zárezu

Situovanie navrhnutej nádrže je na obr. 3 s vyznačením dvoch typických rezov. V navrhnutom pôdoryse sú vyznačené rezy označené 1 až 12; a až g. Reprezentujú charakteristické tvary nádrže, ktorá má vo svojej spodnej (južnej) časti prevažne hrádzu (jej návodný svah je miestami čiastočne zapustený pod úroveň pôvodného terénu), v severnej časti tvorí zárez.

Posúdenie stability svahov vzdušného a návodného svahu sa uskutočnilo vo všetkých vyznačených profiloch v štádiu výstavby a neskoršieho užívania. Osobitná pozornosť sa venovala profilom, ktoré vytvárali extrémne podmienky: jednalo sa predovšetkým o priestor s najvyšším násypom v okolí profilu 6 a priestor s najhlbším zárezom pri profile e.

Profil 6

Posudzovanie stability hrádze bolo potrebné robiť v dvoch etapách: v štádiu primárneho projektovania a potom počas výstavby, keď sa kontrolou na stavenisku zistili odchýlky od projektu. Najprv sa upriami pozornosť na projektové riešenie.

Do výpočtového modelu vstúpili tri typické vrstvy: zeminy nachádzajúce sa v podloží, zeminy nového telesa hrádze a v neskoršej fáze výpočtu prísyp pri päte svahu hrádze. Podložie bolo zatriedené prevažne ako hlinitý piesok (S4). Predpokladalo sa, že teleso hrádze bude budované z miestnych materiálov. Zároveň sa však dalo očakávať, že ukladaním a zhutňovaním po predpísaných vrstváchbudú aj v dôsledku premiešania s väčšími štrkovými zrnami zvýšené parametre šmykovej pevnosti sypaniny. Na prísyp pri päte svahu sa za účelom zvýšenia stability hrádze plánoval použiť hrubozrnný materiál. Do výpočtu vstupovali tieto parametre šmykovej pevnosti zemín: piesok hlinitý Φ = 28°; c = 5 kPa; teleso hrádze Φ = 32°; c = 10 kPa; stabilizačný prísyp Φ = 34°; c = 0 kPa.

Stabilita svahu bola počítaná programom GEO5 pre rôzne zaťažovacie stavy, reprezentujúce typické fázy výstavby, prípadne používania. Na posúdenie sa použila Bishopova metóda, ktorá najlepšie vystihovala podmienky zabezpečenia stability posudzovaného svahu. Celý profil 6 tvorí hrádzové teleso uložené na pôvodný terén. Výška hrádze dosahovala v tomto profile najväčšiu hodnotu (až 21 m). V telese hrádze sa nenachádzala podzemná voda.

Stabilita vzdušného svahu hrádze podľa pôvodného návrhu tvaru hrádze vychádzala F_s = 1,46, čo nesplňovalo vyžadovanú hodnotu F_s = 1,5 pre podmienky dlhodobého zaťaženia. Bolo preto potrebné pre trvalú funkciu konštrukcie zvýšiť stabilitu vzdušného svahu prísypom pri päte hrádze, kde sa matematickým modelovaním hľadal tvar prísypu. Ku pôvodnému svahu sa na úseku dlhom 40 m (profily 5 a 7) s lavičkou širokou 4,0 m pripojil prísyp so sklonom 1 : 2. Takouto úpravou sa zvýšila spoľahlivosť vzdušného svahu na hodnotu F_s = 1,65 (pozri obr. 4). Návodný svah v profile 6 mal v prípade prázdnej nádrže zabezpečenú stabilitu (F_s= 2,15) bez doplňujúcich opatrení. Pritom sa neuvažovalo s pozitívnym pôsobením vody, ktorá bude priťažovať návodný svah počas prevádzky a tak zlepšovať jeho stabilitu.

Profil e

Profil e sa nachádza v severnej časti, kde bol do celého prírodného svahu urobený zárez. Z hľadiska stability svahov nádrže sa jedná o najnepriaznivejší profil z dôvodu polohy hladiny podzemnej vody, ktorá prúdila v premenlivej hĺbke pod povrchom terénu smerom do nádrže. Zárez tu dosahoval najväčšiu hĺbku s výškovým rozdielom 24,5 m. Pohľad na priestor profilu e je na obr. 5. Podobne ako aj v ďalších posudzovaných profiloch bolo potrebné posudzovať situáciu pri rôznych okrajových podmienkach. Prvým krokom bolo posúdenie stability územia v prírodných podmienkach pred zemnými prácami. Svah pred stavebnou činnosťou vykazoval dostatočnú stabilitu (F_s = 1,97). Plánovaným zhotovením výkopov v navrhnutom rozsahu klesla spoľahlivosť na hodnotu F_s = 1,34. Úsek nad lavičkou s uvažovanou znižovanou hladinou podzemnej vody vo svahu mal po výkope spoľahlivosť F_s = 1,47 (pozri obr. 5). Z hľadiska dlhodobého pôsobenia to nesplňovalo normou predpísanú požiadavku. Z toho dôvodu bolo navrhnuté relatívne krátky svah nad lavičkou v profile e zmierniť zo sklonu 1 : 1,5 tak, aby sa dosiahol preukázateľne dostatočne spoľahlivý sklon 1 : 1,75.

Pre situáciu, kedy bude nádrž plná, mala stabilita svahu v profile e potvrdenú dostatočnú rezervu v stabilite (F_s = 2,56). Vyprázdnením nádrže sa znova dostávala stabilita svahu do nepriaznivých hodnôt. Postupným zavádzaním nových okrajových podmienok sa napokon ukázalo, že v podmienkach dlhodobého pôsobenia bude potrebné na dosiahnutie spoľahlivosti F_s = 1,51 udržiavať hladinu v nádrži na úrovni min. 4,5 m, t. j. na kóte 925,5 m n. m. Krátkodobé zaťažovacie stavy splňovali podmienku F_s ≥ 1,3. Z uvedených simulácií vyplynulo, že na krátky čas bude možné v prevádzkovom režime vypustiť vodu z nádrže z dôvodu manipulácie a údržby až po kótu 922 m n. m.

Statické výpočty ukázali, že stabilita hrádze, prípadne svahu zárezu, je významnou mierou ovplyvňovaná kolísaním hladiny vody v nádrži a zároveň hladiny podzemnej vody v prírodnom svahu. Významným faktorom boli extrémne záporné teploty v zimnom období. Z toho vyplývala na stavbe požiadavka prísne dodržiavať technologickú disciplínu (predovšetkým kvalitu zabudovávaných zemín, optimálnu vlhkosť a mieru zhutnenia jednotlivých vrstiev). Pozornosť celej stavby bola upriamená na dôkladné zhotovenie drenážnych prvkov, udržujúcich hladinu podzemnej vody na prijateľnej úrovni (z pohľadu stability svahov a hĺbky premŕzania). Osobitne citlivou z hľadiska negatívneho pôsobenia podzemnej vody boli úseky, kde sú svahy nádrže v záreze; na vybratých úsekoch sa musel zhotoviť plošný drén. Bolo odporúčané, aby celková hrúbka drénu dosahovala až 0,5 m. Prípadné vzdutie vody v záreze mohlo vztlakovými účinkami ohroziť stabilitu tesniacej fólie a tým aj celého svahu.

Presakujúca podzemná voda, ktorá v čase výstavby ešte nemohla byť zachytávaná drenážnym systémom, mohla počas zemných prác ohrozovať stabilitu zárezov. V profile e sa ukázalo, že pokiaľ postupné prehlbovanie výkopu neprekročí hĺbku 3,5 m, bolo možné ponechať sklon výkopu 1 : 2,5. Zodpovedajúca spoľahlivosť neklesla pod akceptovateľnú hodnotu F_s = 1,3. Ihneď po dokončení výkopu v danej etáži bolo predpísané pristúpiť k zhotoveniu drenážneho systému na celú výšku etáže. Až po dokončení drenáže bolo povolené pokračovať v hĺbení nasledujúcej etáže. Okrem toho bolo nevyhnutné sústavne vytvárať odvodňovacie rigoly pri päte zárezu a vodu odvádzať z hĺbeného priestoru. Dodržanie týchto požiadaviek umožnilo napredovať v zemných prácach bez zdržaní.

Problémy počas výstavby

Podľa schváleného programu a dohodnutého harmonogramu technicko-bezpečnostného dohľadu bola akumulačná nádrž dve sezóny prevádzkovaná v podmienkach nedostavanej nádrže. Po tomto čase sa nádrž úplne vypustila a pristúpilo sa k dobudovaniu hrádze z výšky 930,0 m n. m. na výšku 935,5 m n. m. Kvalita zhotovenia hrádze bola overovaná súborom statických zaťažovacích skúšok. Vyžadovaná miera zhutnenia ovplyvňovala predovšetkým deformáciu hrádze, ale úzko súvisela aj s pevnostnými charakteristikami. Počas budovania hrádze sa vykonávali kontrolné statické zaťažovacie skúšky. Na vyhodnotenie kvality zhutňovania sa aplikovali viaceré predpisy: norma STN 72 1006, ktorá sa pri prechode k európskym normám administratívne zrušila a nahradila ju norma EN STN 73 6133. Nakoľko sa jednalo o stavbu neobvyklých rozmerov, miera zhutnenia sa porovnávala aj s požiadavkami DIN 18134. Kritériami splnenia vyžadovanej miery zhutnenia boli v súlade s projektom považované hodnoty E_def,2 = min. 45 MPa a E_def,2 / E_def,1 < 2,5. Dôkladnou kontrolou uskutočnených statických zaťažovacích skúšok sa zistilo, že z celkového počtu 46 skúšok nevyhovelo päť. V mieste nevyhovujúcich skúšok sa zemina odstránila, znova zabudovala a skúšky sa znova opakovali, tentoraz už s vyhovujúcim výsledkom. Okrem toho bol zistený vysoký podiel skúšok (takmer 50 %) s výsledkami tesne pri akceptovateľnej hranici.

Kontrola kvality stavebných prác preukázala zabudovávanie značne heterogénneho materiálu. Bolo preto potrebné overiť stabilitu skutočne zhotovenej hrádze. Za tým účelom sa pristúpilo k zameraniu tvaru hrádze a kontrolným výpočtom stability, pri ktorých sa do výpočtu dosadzovali overené hodnoty šmykových pevností.

Stabilita vzdušného svahu hrádze

Na vzdušnom svahu hrádze sa po dvoch rokoch dočasnej prevádzky začali prejavovať poruchy. Následný doplnkový inžinierskogeologický prieskum (Bvoc a Tupý, 2010) preukázal, že poruchy boli spôsobené predovšetkým pôsobením poveternostných účinkov na nechránený povrch svahu. Kontrolné práce zamerané na zabudovávaný materiál ukázali, že do hrádzového telesa boli zabudované zeminy charakteru siltu piesčitého až pisku siltovitého. Do kontrolných výpočtov bolo potrebné namiesto pôvodne uvažovaných parametrov (Φ = 34° a c = 4 kPa) uvažovať s nižšou šmykovou pevnosťou zemín (Φ = 26° a c = 4 kPa). Posudzovaná stabilita vzdušného svahu v troch profiloch s najvyššou hrádzou nesplňovala vyžadovanú spoľahlivosť (1,17 < F_s < 1,41).

Na základe požiadavky dosiahnutia vyžadovanej spoľahlivosti vo všetkých profiloch sa následne odladil nový tvar hrádze. Po- trebné bolo upraviť tvar vzdušného svahu na celom úseku hrádze nasledovne (obr. 8):

sklon vzdušného svahu 1 : 2,5 po kótu 924,00 m n. m.;
sklon vzdušného svahu 1 : 2 od kóty 924,00 po 928,00 m n. m.;
lavička šírky 3,0 m na kóte 928,00 m n. m.;
sklon vzdušného svahu 1 : 1,75 od kóty 928 po 935,5, teda po korunu hrádze.

Stabilita na kritických šmykových plochách (celého svahu, v spodnej aj hornej časti) sa napokon prepočítala v každom profile. Vygenerované kritické šmykové plochy v profiloch 4, 5 a 6 sú zhrnuté v tab. 1.

Poloha kritickej šmykovej plochy	PF 4	PF 5	PF 6
Celý svah hrádze	1,73	1,61	1,59
Dolná časť hrádze	1,57	1,54	1,53
Horná časť hrádze	1,67	1,67	1,68

Záver

Zasnežovacia nádrž v Tatranskej Lomnici vhodne zapadá do prostredia, v ktorom sa nachádza. Má zabudovaný monitorovací systém pozorovania hladín podzemných vôd a sieť kontrolných bodov zachytávajúcich pohyby hrádze a odkopaných svahov nádrže. Priesaky dosahovali po dvoch rokoch prevádzky predpokladané množstvá vody: z celého priestoru tesnenej nádrže boli merané priesaky 0,3 až 1,0 l/s (v závislosti od výšky hladiny v nádrži) a z drenážneho systému zachytávajúceho podzemné vody vytekalo takmer konštantne približne 3,0 l/s.

Stabilita svahov hrádze a zárezu bola overovaná pri okrajových podmienkach, simulujúcich všetky predpokladané spôsoby namáhania. Ukázalo sa, že limitujúcim faktorom dlhodobej stability svahov zárezu bolo udržanie min. hĺbky vody v nádrži 4,5 m (aj v prípade rýchleho vypúšťania). V priebehu výstavby bol tiež zistený pokles prieskumom stanovených hladín podzemných vôd vo svahu (prakticky až o 4 m). V súvislosti s týmto poklesom HPV bolo možné znížiť výšku plošného drénu vo svahu. Okrem priečneho tvaru hrádze sa zmenil aj tvar a umiestnenie prefabrikátu vlnolamu na korune.

Dva drenážne systémy a precízne statické riešenie svahov nádrže prispeli k tomu, že aj v zložitých klimatických, hydrogeologickýcha geomorfologických podmienkach sa podarilo zhotoviť zasnežovaciu nádrž podľa predstáv stavebníka s parametrami porovnateľnými s dvomi najväčšími zasnežovacími nádržami v Európe. Dodávateľ tesniacich fólií, firma Firestone, ešte nepoužil na žiadnej z väčších zasnežovacích nádrží dvojvrstvový systém tesnenia dna a svahov nádrže. Z tohto pohľadu treba považovať návrh v Tatranskej Lomnici za originálny.

Poďakovanie:

Príspevok je jedným z výstupov projektu grantovej agentúry VEGA č. 1/0842/18 Výskum hydromechanického správania zemín a skalných hornín pre modelovanie multifyzikálnych procesov v geotechnike.

Zdroje:

[1] AUXT, A., a kol. Tatranská Lomnica – vybudovanie monitorovacieho systému VN. HES– COMGEO s.r.o., Banská Bystrica, 15 s. + prílohy.
[2] BVOC, T. a P. TUPÝ. Akumulačná nádrž pre zasnežovanie lyžiarskeho strediska Tatranská Lomnica. Doplnkový inžinierskogeologický prieskum a návrh zabezpečenia nestabilných svahov. Envigeo Banská Bystrica, august 2010, 4 s. + 15 príloh.
[3] JENČKO, P. Podrobný inžinierskogeologický prieskum pre zasnežovaciu nádrž v Tatranskej Lomnici. HES – COMGEO, s.r.o., Banská Bystrica, 2008. 12 s. + prílohy.
[4] MACKOVJAK, P. a A. KASANA. Vodná stavba: Akumulačná nádrž Tatranská Lomnica. Projekt meraní. Vodohospodárska výstavba, š.p., Košice, 12/2008, 20 s.
[5] SÝKORA, P. Zasnežovanie lyžiarskeho strediska Tatranská Lomnica – 1. etapa. Akumulačná nádrž. Projekt pre stavebné povolenie a vykonávací projekt. Projekt Consulta, Zvolen, 2008.

[6] TURČEK, P., R. RAVINGER a M. SÚĽOVSKÁ. Zasnežovanie lyžiarskeho strediska Tatranská Lomnica – 1. etapa. Statický výpočet. T-G, Bratislava, 2008, 24 s.

[7] TURČEK, P., R. RAVINGER a M. SÚĽOVSKÁ. Analýza stability svahov akumulačnej nádrže pre zasnežovanie v Tatranskej Lomnici. T-G, Bratislava, 2010, 23 s.

[8] DIN 18134: Plattendruckversuch, 1998 a doplnok z roku 2002.

[9] EN STN 73 6133: Stavba ciest – teleso pozemných komunikácií, 2008.

[10] STN 72 1006: Kontrola zhutnenia zemín a sypanín, 1995.