Príprava Vodného diela Kolárovo na Váhu

Realizácia Vodného diela Kolárovo (VDKo) na dolnom Váhu je nevyhnutnou podmienkou splavnenia Váhu v úseku Komárno (sútok s Dunajom) – Hlohovec (rkm 80). Svojím účinkom nahradí vzdutie, ktoré malo zabezpečiť Vodné dielo Nagymaros, pôvodne plánovaná súčasť sústavy vodných diel Gabčíkovo – Nagymaros.

V rámci prípravy realizácie VDKo vykonávajú pracovníci Katedry hydrotechniky Stavebnej fakulty STU v Bratislave výskum na fyzikálnom hydraulickom modeli a na matematických modeloch prúdenia vody s cieľom optimalizovať návrh tohto diela. Článok je informáciou o prvej etape výskumu, ktorá pozostáva zo vstupného návrhu riešenia VDKo, z výstavby fyzikálneho modelu v hydrotechnickom laboratóriu, zostrojenia matematických modelov ako aj z meraní a simulácií na modeloch vstupného návrhu.

Vodné dielo Kolárovo

V rámci programu výskumu a vývoja Ministerstva dopravy, výstavby a regionálneho rozvoja SR [1] sa uskutočňuje rozsiahly modelový výskum ako súčasť prípravy realizácie Vodného diela Kolárovo na Váhu. Výskum sa realizuje na Katedre hydrotechniky SvF STU v Bratislave v spolupráci s VÚVH Bratislava, ktorý poskytol priestory a spoluprácu pri výstavbe modelu. Parametre plavebnej dráhy na dolnom Váhu sa zaistia pomocou vzdutia vody štyrmi vodnými dielami – plavebnými alebo plavebno-energetickými stupňami. Smerom proti prúdu Váhu sú to vodné diela Kolárovo, Selice, Kráľová a Sereď. VD Selice (1998) a Kráľová (1985) sú už v prevádzke, VD Sereď má vydané územné rozhodnutie. Schematická situácia a pozdĺžny profil úseku sú na obr. 1 a 2 [2]. Okrem samotných stupňov sa musí upraviť aj koryto medzi nimi tak, aby spolu s plavebnými objektmi spĺňali kritériá parametrov vodnej cesty pre lodné zostavy triedy VIa podľa aktuálne platnej medzinárodnej klasifiká­cie vodných ciest medzinárodného významu.

Obr. 1  Situácia na dolnom Váhu

Obr. 2  Schéma pozdĺžneho rezu dolným Váhom

Variantný návrh lokalizácie VDKo, vstupný návrh parametrov objektov

Súčasťou prípravy bol aj variantný návrh lokalizácie VDKo. Situáciu komplikovali miestne smerové pomery koryta Váhu, dva prítoky (preložka Nitry a Malý Dunaj) a obmedzenie záujmového územia protipovodňovými hrádzami. Riešili sa štyri varianty lokalizácie VDKo (obr. 3), pričom ako najvhodnejší sa s ohľadom na smerové pomery trasy plavebnej dráhy a zachovanie oddychovej zóny obce Komoča vybral variant umiestnený najvyššie proti prúdu (na obr. 3 vyznačený ako žltý).  VDKo bude pozostávať z niekoľkých objektov – hate, plavebnej komory s rejdami a z biokoridoru. Rentabilita realizácie vodnej elektrárne bude predmetom ďalšej etapy výskumu, pričom sa posúdi aj potreba zvláštneho objektu na prekonanie spádu malými plavidlami. Plavebná komora (PLK) bude mať pôdorysné rozmery 120 × 24 m, spád v rozsahu plavebných prietokov (13 – 460 m³/s) bude v rozpätí 0 – 5,4 m. Hať aj PLK budú pri povodňových prietokoch pretekané, hať manipuluje s hladinami a prietokmi len v rozsahu plavebných prietokov a hladín. Variantne bola navrhnutá hať aj tak, aby bolo možné preveriť jej účinky v dvoch režimoch úrovne minimálnej plavebnej hladiny nad stupňom VDKo – variant s delenou haťou (pevné polia a hradené polia) a variant s pohyblivou haťou hradenou segmentmi s nasadenou klapkou.

Úsek medzi vyústením do Dunaja a VDKo (približne 27 km) sa bude musieť prehĺbiť tak, aby sa pri minimálnej plavebnej hladine zaistila plavebná hĺbka 2,8 m. Po prípadnom dobudovaní VD Nagymaros bude aj v tomto úseku k dispozícii 3,8 m. Zvláštnosťou prietokového a hladinového režimu prevádzky VDKo bude intenzívna neustálenosť režimu prúdenia spôsobená špičkovou prevádzkou vodnej elektrárne VD Kráľová. Denne bude v rozsahu hodín kolísať prietok medzi biologickým prietokom a hodnotou prietoku prislúchajúceho energetickej špičke. Tá sa pohybuje v stovkách m³/s, pričom maximálna hltnosť turbín bez prehltenia je 420 m³/s. Maximálny plavebný prietok VDKo je definovaný ako súčet tejto hltnosti a maximálneho plavebného prítoku z preložky rieky Nitra pri Nových Zámkoch. Hať VDKo bude mať preto z hľadiska regulácie hladinového režimu a režimu rýchlostného poľa prúdenia v oblasti vjazdu do rejd PLK zvláštnu úlohu – stabilizovať podmienky prúdenia, tým aj nautické plavebné podmienky v celom rozsahu plavebných prietokov.

Obr. 3  Variantný návrh lokalizácie VDKo (vybratý variant vyznačený ako žltý)

Fyzikálny hydraulický model

Fyzikálny model je postavený v hydrotechnickom laboratóriu VÚVH Bratislava s takýmito mierkami modelovej podobnosti:

• mierka dĺžok MRR_lRR = 50,
• mierka tlakov MRR_pRR = 50,
• mierka rýchlostí MRR_vRR = 7,07,
• mierka prietokov MRR_QRR = 17 678,
• mierka drsností MRR_nRR = 1,92.

Obr. 4  Vizualizácia návrhu fyzikálneho modelu VD Kolárovo, pohľad po prúde

Prúdenie na modeli je v automodelovej oblasti RRR_eminRR = 3 500 > RRR_eM. Pôdorysné rozmery celého modelu v laboratóriu sú 48,3 m × 13,65 m. Na obr. 4 je vizualizácia návrhu modelu a na obr. 5 je fotografia z laboratória. Po výstavbe modelu a jeho vystrojení prívodom vody sa vykonali prvé merania parametrov prúdenia v dvoch základných režimoch prúdenia – pri maximálnom plavebnom prietoku pri bežnej prevádzke (t. j. kóta hornej vody nad haťou je na úrovni 110,00 m n. m.) a pri havarijnom vyhradení hate, keď sa vytvoria najnepriaznivejšie podmienky na plavbu – maximálny plavebný prietok sa prevádza pri minimálnej možnej hladine (obr. 8). Tento prevádzkový stav je spojený s vysokými rýchlosťami prúdenia (obr. 6, 7 a 9), ktoré svojím silovým účinkom najviac ohrozujú bezpečnosť plavidiel. Najmä priečne zložky vektorov prúdenia v kritických miestach zhlaví rejd vytláčajú plavidlá z plavebnej dráhy, v dôsledku čoho môže dôjsť k havárii plavidiel nárazom do časti objektov či vodnej cesty alebo k zrážke dvoch plavidiel. Na meranie rýchlostí sa použil prístroj FlowTracker^® od americkej firmy SonTek/YSI, Inc. Na obr. 6 je porovnanie vektorov prúdenia pri oboch prevádzkových stavoch na vstupnom návrhu dispozície VDKo.

Obr. 6  Vyhodnotenie meraní parametrov vektorov prúdenia v priestore vjazdu do hornej rejdy na fyzikálnom modeli (v hĺbke 1,25 m)

Matematické modely prúdenia

Pri simuláciách sa použili modely HEC-RAS, MIKE21, RIVER 2D a FLOW 3D. Na kalibráciu modelov sa využili merania v teréne – týždenné súvislé merania hladín v teréne na úseku 63 km medzi VD Kráľová a Komárnom v 12 profiloch. Na obr. 7 až 9 sú dokumentované výsledky simulácií na matematických modeloch.

Obr. 7  Simulácia prúdenia a pohybu plavidla nad hornou rejdou pomocou Flow 3D

Čiastkové výsledky modelovania

Z doterajších výsledkov meraní a simulácií na modeloch vyplýva, že

• sa dosiahla dostatočná zhoda v polohe hladín pri identických prietokoch (do 7 cm pri maximálnom plavebnom prietoku) medzi simuláciami na fyzikálnom modeli a modeli HEC-RAS,
• priečne zložky vektorov rýchlostí prúdenia v priestore zhlavia deliaceho ostrova medzi hornou rejdou a vtokom do koryta s haťou pri havarijnom prevádzkovom stave v niektorých meraných miestach dosahujú a prekračujú hodnotu 0,5 m/s,
• počas bežnej prevádzky pri vzdutej hladine sú maximálne hodnoty priečnych zložiek vektorov rýchlostí prúdenia v rozsahu 0,2 – 0,3 m/s,
• v dolnej vode sa nedosahujú, resp. neprekračujú nebezpečné hodnoty rýchlosti prúdenia,
• na dosiahnutie zníženia hodnôt rýchlostí prúdenia bude potrebná korekcia tvaru zhlavia deliaceho ostrova a ľavobrežnej línie nad deliacim ostrovom,
• bude sa musieť prijať zákaz pohybu plavidiel v priestore vjazdu do hornej rejdy počas neštandardnej prevádzky, pri ktorej sa budú vysoké prietoky prevádzať pri nízkych hladinách.Obr. 9  Simulácia pohybu plavidla pri maximálnom plavebnom prietoku – unášanie plavidla

Obr. 9  Simulácia pohybu plavidla pri maximálnom plavebnom prietoku – unášanie plavidla

Príspevok bol spracovaný s podporou projektu VEGA 1/0660/12 a podporou Ministerstva dopravy, výstavby a regionálneho rozvoja SR.

TEXT: doc. Ing. Ľudovít Možiešik, PhD., Ing. Martin Orfánus, PhD., doc. Ing. Peter Šulek, PhD., Ing. Ján Rumann, PhD., prof. Ing. Peter Dušička, PhD.
OBRÁZKY: autori

Ľudovít Možiešik, Martin Orfánus, Peter Šulek, Ján Rumann a Peter Dušička pôsob ia na Katedre hydrotechniky Stavebnej fakulty STU v Bratislave.

Literatúra:
1. Možiešik, Ľ. – Dušička, P. – Šulek, P. – Rumann, J. – Orfánus, M.: Modelový výskum dispozičného riešenia Vodného diela Kolárovo na Váhu s ohľadom na nautické podmienky a podmienky plavebnej bezpečnosti. Čiastková správa výskumu č.1, STU Bratislava. Bratislava, 2014.
2.Možiešik, Ľ. – Šulek, P. – Orfánus, M.: Vodné dielo Kolárovo – príprava výskumu a projekčných prác. In: Zborník konferencie 27. Plavebné dni 2013. Žilina, 2013, s. 97 – 111.

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske Stavby/Inženýrské stavby.