Ako sa plánuje priehrada? Ukázali nám v Hydrotechnickom laboratóriu
Výskum hydraulických a hydrotechnických problémov vodných stavieb a vodohospodárskych objektov na fyzikálnych modeloch, verifikácia meracích metód, overovanie meraní pri dizertačných a diplomových prácach. Na to všetko slúži toto laboratórium, nachádzajúce sa v budove Stavebnej fakulty. Vedie ho inžinier Ján Rumann, ktorý nám priblížil jeho význam a fungovanie; viac si priblížime v nasledujúcej reportáži.
Prichádzame do hlavného priestoru, ktorý je vlastne väčšou halou; je tridsať metrov dlhý, osem široký a šesť vysoký. Slúži na budovanie fyzikálnych modelov, na ktorých sa potom robia potrebné merania; do týchto modelov sa následne privádza voda pomocou čerpacieho systému s uzavretým kolobehom vody. „Ten tvorí podzemná zásobná nádrž, systém zberných kanálov a systém potrubí a čerpadiel, ktoré sú v týchto zberných kanáloch umiestnené. Takto sa voda dopravuje k odberným miestam a následne sa vyvedie cez potrubie, ktoré už vedie ku konkrétnemu modelu,“ vysvetľuje vedúci s tým, že celé riadenie je automatické a prebieha pomocou vlastného riadiaceho systému, ktorý bol navrhnutý špeciálne pre toto laboratórium. Dá sa, samozrejme, ovládať diaľkovo cez počítač.
V zásobnej nádrži sú tri čerpadlá s celkovou kapacitou 170 litrov za sekundu; maximálne toľko sa dá do modelov tlačiť. „Môžeme tú vodu tlačiť buď priamo, alebo cez hornú nádrž, čo je však už viac-menej starý spôsob,“ hovorí Rumann. Pri jeho použití sa voda čerpala do hornej nádrže, potom sa ručne vypúšťala a čerpadlá držali konštantnú úroveň hladiny vody v nádrži, ktorá sa nachádza na najvyššom poschodí v budove, čiže o štrnásť metrov vyššie, ako práve sme. „V súčasnosti pracujeme tak, že nám to systém dokáže odregulovať cez frekvenčné meniče a regulačné uzávery. Následne dokáže čerpadlo automaticky doregulovať taký prietok, aký potrebujeme.“ Výsledkom je, že v skúmanom modeli preteká presne dané množstvo vody a vznikajú také podmienky, aké výskumníci potrebujú podľa konkrétneho zadania preskúmať.
Veľký model môže suplovať aj kompaktná jednotka
Stojíme pred zmenšeninou vodného diela Hričov, ktoré bolo vybudované asi pred šesťdesiatimi rokmi na rieke Váh pod Žilinou. V laboratóriu bolo zhotovené v geometrickej mierke 1:55; na základe metód modelovej podobnosti boli prepočítané ostatné mierky fyzikálnych veličín, ako prietok, rýchlosť, čas a podobne. Na takto zhotovenom modeli sa púšťa prietok, skúma sa prúdenie a jeho účinky, pričom výskumníci merajú rôzne hydraulické veličiny; prietok, hladiny, tvary deformácií koryta, hĺbku výmoľov, ktoré vznikajú a podobne. „Máme však aj menšie, výskumno-výukové modely. Sú kompaktnejšie, každý z nich má vlastnú zásobu vody,“ vysvetľuje ďalej vedúci s tým, že princíp však je, pochopiteľne, stále rovnaký. Aj keď treba povedať, že metódy môžu byť rôzne. „Tie menšie modely simulujú rôzne podmienky, ktoré sa učia na našej fakulte a ktoré sa vyskytujú v praxi. Ide o modely priamo určené na výučbu a na doktorandský výskum.“
Tieto modely poslúžia aj pri diplomových prácach; takisto pomôžu pri verifikácii meracích metód. Namiesto toho, aby museli v laboratóriu vybudovať veľký model, použijú takúto kompaktnú jednotku, v ktorej si daný jav vedia pomerne jednoducho nasimulovať a následne otestovať metodiku merania, prípadne aj vhodnosť jednotlivých prístrojov pre konkrétny problém, ktorý sa skúma. Takýchto modelov majú deväť a vedia na nich nasimulovať a skúmať celú škálu hydraulických problémov, ktoré sa v praxi vyskytujú.
Zaujíma ma, či uvedené poznatky a postupy aplikujú častejšie pred výstavbou, alebo skôr pri riešení komplikácií už existujúceho diela. „Aj to, aj to. Prvou fázou je, samozrejme, projektová príprava, keď sa preverujú projekčné návrhy pred vybudovaním vodného diela. Vtedy sa hľadá optimálny tvar, bežným problémom je napríklad kapacita uzáverov – či dokážu previesť potrebné množstvo vody, ktoré sa pôvodne vypočítalo,“ vysvetľuje vedúci s tým, že drvivá väčšina klasických výpočtových metód je viac-menej približná a nezahŕňa celú komplexnosť prúdenia. V súčasnosti sú prostriedky matematického, respektíve numerického modelovania veľmi dobré; dá sa modelovať cez jedno, tvoj a trojrozmerné prúdenie. Vždy sa však vyžaduje overenie, ktoré sa dá urobiť len na základe reálne nameraných hodnôt získaných práve pomocou fyzikálneho modelu.
Hydraulické javy ovplyvňuje aj okolie
Overujú sa tvary a návrhy, optimalizujú sa, hľadajú sa riešenia... napríklad v súvislosti s vyššie spomínaným požadovaným prietokom. Tiež sa preveruje prevedenie veľkých vôd pri povodňových stavoch v tom zmysle, či bude ich kapacita v prípade potreby dostatočná. A takisto netreba zabúdať na špeciálne prípady, ako sú napr. havárie. Nedajú sa vopred očakávať, môže sa iba spätne preveriť, čo sa vlastne stalo. Ďalšou vecou sú rekonštrukcie; tam treba overiť nové prvky, zvýšenie kapacity uzáverov, vyššiu bezpečnosť... často treba presimulovať nové stavy, ktoré počas fungovania diela vznikli. „Treba si uvedomiť, že vodné diela, ak hovoríme napríklad o priehradách, majú životnosť v desiatkach až stovkách rokov. A počas takej dlhej prevádzky jednoducho z času na čas niečo nastane,“ hovorí vedúci. Čo-to bude vždy z času na čas potrebné či už zrekonštruovať, alebo vymeniť, nehovoriac o rôznych nepredvídateľných prípadoch, ktoré môžu nastať. A ide aj o samotné územie okolo vodného diela, ktoré sa počas dlhých období môže takisto zmeniť, a aj z toho dôvodu sa môžu vyžadovať úpravy. A okolie takisto ovplyvňuje hydraulické javy v nádržiach či riekach.
Nakoľko priehrady sú „dlhodobým plánovaním“, pýtam sa, aké požiadavky evidujú najčastejšie. „Ťažko povedať. V nedávnej minulosti, asi dvanásť rokov dozadu, sme mali na modelovom výskume vodnú elektráreň vo fáze tesne pred jej výstavbou, kde sme preverovali viacero vecí: vhodnosť projekčného návrhu, trvácnosť z pohľadu nových podmienok prevádzky, preveroval sa havarijný výpadok, bolo treba zistiť, či sa následkom tlaku neroztrhne potrubie... takýchto a podobných aspektov je veľa.“
Náklady môžu byť v desiatkach miliónov
Ak sa vrátime k vodnému dielu Hričov, ktorého zmenšenina je v súčasnosti v našom Hydrotechnickom laboratóriu, stojí za zmienku, že v sedemdesiatych rokoch tam bola vybudovaná sanácia pod haťou kvôli tvorbe výmoľov. „Bola sčasti očakávaná, aj keď v nižšej miere, ako bolo napokon reálne potrebné; životnosť tejto sanácie sa však končí, a teda bude potrebné zabezpečiť, respektíve zvýšiť životnosť celého vodného diela. Hľadá sa teda riešenie, ktoré by bolo efektívne, nákladovo prijateľné a funkčné,“ hovorí Rumann. Ako laika ma teda zaujíma aspoň približná predstava nákladov na niečo také veľké. „Milióny eur. Tu otázka zvykne stáť tak, či milióny, alebo desiatky miliónov eur.“
V laboratóriu je s nami aj profesor Peter Dušička, ktorého mi predstavili ako „emeritného vedúceho“. Prechádzame ku konkrétnym riešeniam rôznych problémov, ktoré priamo vyžaduje vodohospodárska prax; jeden problém zvykne mať pritom viacero riešení a treba vybrať to najvhodnejšie. „Projektant má istú predstavu o riešeniach, ktorú je následne potrebné pretaviť do hydraulickej podoby. Potom sa všetky možnosti preveria a ide sa k nákladom,“ vysvetľuje. Tu však treba dať pozor na fakt, že to, čo je lacné, nemusí byť automaticky aj dobré. A model slúži prirodzene na to, aby sa preverilo viac variantov riešení; potom si prevádzkovateľ vyberie, čo mu po všetkých stránkach vyhovuje. „My robíme návrh funkčných technických riešení, a následne je vecou projektanta, aby vypracoval projekt a rozpočet. Ďalším krokom je technicko-ekonomické posúdenie a urobí sa rozhodnutie, ktorým smerom sa budeme uberať.“
Bez masívnych rekonštrukcií to nepôjde
Na Slovensku máme päťdesiat priehrad registrovaných v evidencii ICOLD-u (Medzinárodnej komisie pre veľké priehrady), dvadsaťštyri veľkých vodných elektrární a cca dvestoštyridsať malých. A cca 8400 kilometrov upravených vodných tokov, ktoré majú okolo 3000 km ochranných hrádzí. „Aj keď sa pravdepodobne u nás už nebude nič nové stavať, budú potrebné rekonštrukcie. Ide o stavby, ktoré majú vo veľkej väčšine viac ako päťdesiat rokov,“ vysvetľuje profesor. V relatívne blízkej budúcnosti tak budú potrebné komplexné obnovy, ku ktorým bude znova potrebný výskum.
Keď boli v roku 2002 u našich českých susedov povodne, ktoré postihli aj Prahu, Česi si podľa profesora okrem iného uvedomili, že treba pristúpiť k prepočítaniu kapacít otvorov, ktoré odlievajú povodňové prietoky cez bezpečnostné priepady. „Prakticky na každej priehrade to prehodnotili na storočnú až tisícročnú vodu. Naši kolegovia z Prahy a Brna majú tým pádom veľmi veľa práce, nakoľko posudzujú existujúce vodné stavby so zreteľom na nové podmienky, ktoré súvisia aj s klimatickou zmenou. Toto sa na Slovensku zatiaľ iba rozbieha, nakoľko u nás podpora pre vodné hospodárstvo a rozvoj vodných stavieb nie je taká intenzívna, ako by bolo potrebné,“ hovorí ďalej profesor. Následne ešte spomína tlak na búranie priehrad. „Toto nie je cesta. Vždy je potrebný kompromis. A to, čo tu máme postavené, sa bude musieť v blízkej budúcnosti obnovovať, to je neodškriepiteľný fakt.“
Postavili aj najväčší fyzikálny model v histórii fakulty
Profesor Dušička zdôrazňuje, že v ich laboratóriu riešia vedeckými metódami technické problémy, ktoré priamo vyžaduje vodohospodárska inžinierska prax. Podľa ich výskumov bolo v posledných rokoch realizovaných niekoľko objektov vodných stavieb, napríklad odberný objekt poldra Oreské (súčasť protipovodňovej ochrany Záhoria), protipovodňová úprava toku Klanečnica v Novom Meste nad Váhom a privádzač malej vodnej elektrárne Dobrohošť na vodnom diele Gabčíkovo. Pred piatimi rokmi postavili aj najväčší fyzikálny model v histórii Stavebnej fakulty STU; vzhľadom na jeho veľké rozmery (45 m dĺžka a 15 m šírka) ho budovali vo veľkej hale Výskumného ústavu vodného hospodárstva v Bratislave. Výskum trval 3 roky a týkal sa prípravy plavebného stupňa Kolárovo na Váhu. „Výstupy našej práce sú teda technické a orientované predovšetkým priamo do odbornej oblasti v praxi. Tu ale narážame na problém, že odborné technické výstupy nie sú v rámci Ministerstva školstva SR a následne ani v rámci STU primerane hodnotené v porovnaní s napríklad s výstupmi vedeckými. Pritom v poslednom období sa kladie zvýšený dôraz na spoluprácu s praxou, ktorá má aj významný prínos pri viaczdrojovom financovaní vysokých škôl,“ hovorí profesor. „ A súvisí to aj motiváciou – STU v súčasnosti motivuje výstupy v oblasti vedeckej, alebo v oblasti achitektonických a umeleckých diel. Úplne vypadli technické diela – práve to, čomu sa venujeme a prenášame do výuky našich študentov bakalárskeho a inžinierskeho stupňa štúdia. A prívlastok technická má pritom STU priamo v názve,“ dodáva.
V laboratóriu je s nami aj mladý doktorand Martin Pavúček; pýtam sa ho, aká je jeho úloha v tomto laboratóriu. „Študujem, vzdelávam sa a popritom pomáham pri budovaní modelov. Nadobúdam takto potrebné znalosti, a zároveň sa snažím pracovať aj na vedeckých článkoch. Mám aj zopár predmetov, ktoré potrebujem ako doktorand absolvovať,“ vysvetľuje. A prečo padla jeho voľba na takýto výskum, a nie na prácu v nejakej súkromnej firme? „Nebol som celkom rozhodnutý, či chcem ísť úplne do praxe, a tu som dostal možnosť sa okrem teoretického vzdelávania podieľať aj na fyzikálnych modeloch pre prax, aj na vyhodnocovaní výsledkov. Táto kombinácia ma presvedčila,“ dodáva s tým, že je skvelé získať znalosti, ako to takpovediac chodí, ešte predtým, ako sa konkrétne dielo vybuduje. Napríklad merania a podobne. „To vidím ako najsilnejší článok. A zároveň pevnú vôľu.“
Text: Katarína Macková
Foto: Matej Kováč, archív vedúceho laboratória