VISOKOVODNI VAL ZARADI SAMODEJNEGA ODPRTJA ZAPORNICE NA HE MAVČIČE

116 prof. dr. Rudi RAJARmag. Andrej KRyŽANOWSK.I** VISOKOVODNI VAL ZARADI SAMODEJNEGA ODPRTJA ZAPORNICE NA HE MAVČIČE VSEBINA Sedmega marca 1993 se je na HE Mavčiče samodejno odprla ena od zapornic, kar je povzročilo nevaren visokovodni val, ki se je širil dolvodno v akumulaciji Medvode. Komisija je ugotovila, da je odprtje zapornice povzročila vlaga in kratek stik na napravi, ki je bila takrat že vgrajena za poznejše daljinsko vodenje zapornic iz centra v HE Medvode. Na HE Medvode je operater odprl zapornice takoj, ko je opazil naglo zvišanje gladine nad elektrarno. S tem je preprečil škodo na elektrarni Medvode, val je prešel v odsek Save dolvodno od Medvod v skoraj nespremenjeni obliki. Dogodek je bil naknadno detaj/no analiziran, tako na podlagi meritev, kot na podlagi matematičnega modela, s katerim je bil simuliran ves pojav. Model je osnovan na enodimenzijskih enačbah nestalnega toka, reševanje poteka po eksplicitni varianti metode končnih razlik. V akumulaciji Medvode je maksimalni pretok vala znašal cca 1200 m3/s, kar je približno 50 - letna visoka voda. Med propagacijo dolvodno se je val ploščil in je v preseku Radeče, 35 km dolvodno je max. pretok znašal le še 270 m3/s. Hitrost propagacije vala je bila cca 25 km/h v akumulaciji Medvode in okrog 10 km/h dolvodno od nje. Zaradi vala je nastala manjša materialna škoda, medtem ko človeška življenja niso bila ogrožena. Na HE Mavčiče so bili storjeni vsi ukrepi, da se podobni dogodki ne bi mogli ponoviti. OPIS OBJEKTA IN DOGODKA HE Mavčiče je zgrajena med Kranjem in Medvodami, v kanjonu, ki ga je izdolbla Sava v sedimente. Pregrada je težnostna - betonska, visoka 38 m, medtem ko je hidravlična višina 17 m. Volumen akumulacije je 10.7 hm3. HE ima 38 MW moči, z dvema turbinama, s skupnim instaliranim pretokom 260 m3/s. Akumulacija omogoča izravnavo dnevnih konic. Pregrada ima vgrajeni dve pretočni polji. SI. 1 prikazuje prerez skozi pretočno polje. Pretočna sposobnost obeh prelivov je 1670 m3/s, kar pomeni približno stoletni pretok. Preliva sta opremljena z dvema zapornicama radialnega tipa, s klapno na vrhu. Pretočna širina vsakega polja je 13.5 m, in svetla višina je 15 m, od tega je višina klapne 3.7 m (Zupan, 1987, Breznik, 1988). Radialni zapornici je možno voditi direktno iz kontrolne kabine, ki je postavljena na centralnem stebru, ali pa daljinsko iz elektrarne z ročno vodenimi kontrolami. * prof. dr. Rudi Rajar, Univerza v Ljubljani, FGG, Hajdrihova 28, **Mag. Andre1 Kryžanowski, Savske elektrarne, Ljubljana, Hajdrihova 2

- 117 - Maksimalna dopustna kota vode v akumulaciji je 346 m, kar je obenem tudi normalna obratoval na kota. Če je ta kota presežena (n. pr. zaradi možne napake v kontrolnem Sistemu), prevzame pogon zapornic avtomatska kontrola vodenja. Planiran in delno tudi že vgrajen (v marcu 1993) je sistem za daljinsko vodenje zapornic iz kontrolnega centra na HE Medvode. Sedmega marca 1993 ob 11.30, se je začela radiaina zapornica na drugem prelivnem polju samodejno dvigati. Gladina v akumulaciji je bila v tistem trenutku na. koti 344.9. Obratovala je ena turbina s pretokom 46 m3/s. Operater v kontrolni kabini na HE je zaman skušal dviganje ustaviti z ročnimi kontrolami. Zato je obvestil osebje na HE Medvode in zahteval pomoč. Ob 12.00 je zapornica dosegla zgornjo lego, kjer jo je ustavil kontrolni kontakt. ~Iadina je zdrknila na koto 343.55 m in pretok skozi prelivno polje je bil cca. 1200 m3/s. Ob 12.12 je operater uspel aktivirati spuščanje zapornice z ročnimi kontrolami. Zaradi varnosti so ustavili obratovanje turbine. Ob 12.50 je zapornica dosegla spodnjo - zaprto lego. Medtem je operater na HE Medvode opazoval naglo dviganje gladine nad pregrado Medvode. Začetna kota je bila 327.8 (-0.70 m) toda stalno je naraščala in je kmalu presegla normalno koto 328.5. Ker je grozila poplava prostorov elektrarne, je operater povečal pretok skozi turbine do polnega pretoka (146 m3/s) in tudi začel z odpiranjem zapornic. Istočasno je poslal opozorilo v informacijski center v Ljubljano, da je pričakovati poplavni val. PO zaprtju zapornice na HE Mavčiče se je gladina nad HE počasi stabilizirala na koti 342.8 in operater je preklical stanje pripravljenosti. Približno v uri in pol je izteklo iz akumulacije cca. 3.2 hm3 vode, to je skoraj 100% koristnega volumna, Ob času popolnega odprtja je bil pretok 1192 m3/s, kar je cca 50-letni pretok. Za primerjavo: največji zabeleženi pretok je bil 1030 m3/s v 1. 1992. Slika 1. Prečni presek prelivnega polja in radia/ne zapornice na HE Mavčiče.

118 VZROKI, POSLEDICE IN UKREPI Takoj po dogodku je bila usrtanovljena komisija z nalogo ugotoviti vzroke nezgode in predlagati dodatne varnostne mere, da se podobni dogodki ne bi mogli ponoviti. Matematični model naj bi pomagal analizirati detajlni potek dogodka (Rajar 1993). PO mnenju komisije je dviganje zapornice povzročil kontakt, ki je bil že predviden za računalniško daljinsko vodenje zapornic, ki pa še ni bil do konca realiziran. Zaradi vlage na kontaktih je nastopil kratek stik, ki je aktiviral omenjeno povezavo. Zaradi kratkega stika tudi ni bilo mogoče med dviganjem z ročnimi komandami ustaviti odpiranja zapornice. Da bi v bodoče proprečili možnost podobnih nezgod, je potrebno prirediti operativni protokol trenutni situaciji na HE. Predvsem je potrebno čimprej do konca realizirati sistem daljinskega vodenja zapornic iz HE Medvode. Ugotovljeno je bilo, da dolvodno od pregrade Mavčiče val povzročil nekaj erozije, ki so jo takoj popravili. Ker poteka dolvodno od pregrade Sava v glavnem v kanjonu, ki je nenaseljen, so bili vsi objekti izven dosega vala. Le športni center v Zbiljah je bil nekoliko poškodovan. Ker je operater na HE Medvode takoj pravilno reagiral, elektrarna Medvode ni utrpela škode. Majša škode je bila le na dvek regulacijskih zgradbah pod HE Medvode. Spodnji del drstitvenega kanala ob HE Mavčiče je bil delno zapolnjen s sedimenti, ki so bili odloženi ob valu. Čiščenje so izvedli takoj, ker so ob ustju kanala. ribe čakale na vstop v kanal zaradi drstenja. MATEMATiČNI OPIS MODELA MODEL Ker je val, ki je nastal, trajal le cca 1 h 20 minut, ni bilo možnosti meritev gladin ali pretokov med nezgodo. Pozneje je bilo mogoče dobiti le podatke s treh. limnigrafov dolvodno od pregrade Medvode. SI. 4 prikazuje preračunane krivulje Q(t) za te tri postaje. Da bi dobili čimbolj jasno sliko o poteku vala, so bili izvedeni izračuni z matematičnim modelom. Ta naj bi tudi odgovoril na vprašanje, v katerem rangu stat i stičnih visokovodnih valov je bil opisani val. Ker je tok v celotnem odseku dolvodno od pregrade Mavčiče tipično enodimenzionalen, in je tudi naslednja dolvodna akumulacija razmeroma ozka, smo uporabili enodimenzijski matematični model. Osnovan je na znanih enačbah nestalnega 1 D toka s prosto gladino (St. Venantove enačbe). Model je bil že večkrat opisan (Rajar 1978) zato ga tu ne opisujemo. Za račun visokovodnih valov se često zanemari vztrajnostne člene, ker pa so bile v opisanem primeru spremebe gladine razmeroma nagle, so bili upoštevani vsi členi v omenjenih enačbah. Numerično reševanje enčb se vrši po explicitni shemi metode končnih razlik, ki jo uporabljamo za izračun valov z razmeroma naglimi spremembami gladine in pretokov, n.pr. pri valovih, ki nastanejo pri porušitvi pregrad ali pri obratovalnih valovih. M iš ičev VODARSKI DAN '96

- 119 - Q (IIf/s) 1200 1000 800 600 400 200 O -200 11:10 11 45 12 00 12 15 12:10 12 45 13 00 13 HI 13 30 13 45 ime 00 141! (h) 14 H (rl) 329.8 329.6 329.4 329.2-329.0 328.6 328.6 328.4 328.2 328.0 327.8 11:10 11 45 12 00 12 15 12 30 12 45 13 00 13 15 13 30 13 45 Time 14 oo 14 15 (h) Slika 2. a) Pretok kot funkcija časa za val 7. 3. 1993. a. pri HE Mavčiče b. pri Smledniku (2,626 km dolvodno) c. pri HE Medvode b)kota gladine kot funkcija časa a. pri Smledniku b. pri športnem centru Zbilje c. pri HE Medvode Simulacijo smo izvršili za 5525 m dolg odsek med pregrado Mavceiče in pregrado Medvode. Topografija je bila izražena s 24 profili na povprečni razdalji 240 m. Maningov koeficient hrapavosti je bil določen v predhodnih študijah in je znašal 0.033 m- 1/3 Is.

- 120 - ZAČETNI IN ROBNI POGOJI Ob začetku dogodka ( ob 11 h 30 min) je bil pretok skozi HE Mavčiče 46 m3/s in skozi HE Medvode 22 m3/s. Ker sta oba pretoka majhna, smo predpostavili kot začetni pogoj stalni tok s pretokom 22 m3/s in z začetno koto 327.8 ob HE Medvode. Časovni potek pretoka O(t) skozi HE Mavčiče je bila točno registrirana in je prikazana na SI. 2a. To je bil levi robni pogoj za izračun nestalnega toka po odprtju zapornice. Za simulacijo smo potrebovali tudi desni robni pogoj na dolvodnem profilu (He Medvode). To je bil velik problem, in je bila potrebno uporabiti aproksimacijo po inženirski presoji. Ta pogoj bi lahko bila funkcija z(t), O(t) ali O (z), kjer je z kota gladine nad HE Medvode in t čas. Ko se je začela gladina nad HE Medvode dvigati, so začeli odpirati obe zapornici, vendar točen potek odpiranja ni bil registriran. Gladina nad HE je bila le občasno zabeležena, razen tega se je merilec gladine pri koti +0.44 m zablokiral, zato podatka o funkciji z(t) ni bilo mogoče dobiti. Morali smo uporabiti kombinacijo raznih podatkov in opazovanj, da smo desni robni pogoj določili vsaj približno. Uporabili smo neko vrsto kombinacije pogoja O(t) in O(h). Iz zapiskov o poteku odpiranja zapornic na HE Medvode smo lahko določili časovni potek odpiranja, iz konsumpcijske krivulje pa smo dobili funkcijo O(t) za čas odpiranja zapornic. Ob 12.11 so bile zapornice popolnoma odprte in smo dalje uporabili poznano krivuljo O(z). Iz podatka o maksimalni hitrosti zapiranja smo izračunali časovni potek zapiranja. Na ta način smo dobili robne pogoje in smo lahko izvršili simulacije. Primerjava volumna vode, ki je iztekala preko prelivov v Mavčičah in v Medvodah, je služila kot test za verifikacijo pravilnosti zgornjih supozicij. REZULTATI IN ZAKLJUČKI SI. 2a kaže funkcije O(t) na prelivih obeh pregrad. Za HE Medvode je ta krivulja delno dobljena iz izračunov na osnovi kombiniranih robnih pogojev, kot je opisano zgoraj. Vidi se, da je bil maksimalni pretok čez preliv HE Mavčiče.1192 m3/s in čez HE Medvode 1130 m3/s. Torej je bil maksimalni pretok vala na tem odseku nekje med 1100 in 1200 m3/s. SI. 2b. kaže kote gladine pri HE Medvode in v dveh profilih gorvodno od nje - v akumulaciji Medvode - med potekom vala. Po približnem opisu prebivalcev je bil maksimalen dvig v tem odseku cca 0.70 m nad normalno gladino. Pri Zbiljah je račun pokazal nadvišanje 0.78 m, kar se približno ujema. SI. 3 kaže vzdolžni profil računskega odseka z maksimalno doseženimi kotami gladine in primerjavo s kotami pri pretoku 0=1670 m3/s (100 letna voda) in z gladinami pri pretoku 0=1030 m3/s, ki je nastopila 2. decembra 1992 in predstavlja približno 50 - letno vodo. SI. 4 pa prikazuje merjene krivulje O(t) na treh limnigrafih dolvodno od HE Medvode. Jasno se vidi sploščitev vala, saj je pri Sv. Jakobu (20,S km dolvodno od HE MaVČiče) maksimalni pretok še 470 m3/s in pri Radečah (83,98 km dolvodno) le še 270 m3/s. MiŠ ičev VaDARSKI DAN '96

- 121 - Slika 3. Vzdolžni profil med HE Mavčiče in HE Medvode z maksimalnimi kotami gladine a. dno b. val 7. 3. 1993. c. visoka voda v decembru 1992, Q=1030 m3/s d. 100 - letna voda, Q = 1670 m3/s. o hitrosti potovanja vala smo ugotovili sledeče. V akumulaciji med HE Mavčiče in HE Medvode je bila merjena hitrost potovanja čela vala 25.1 km/h. Detajlen račun nestalnega toka z matematičneim modelom, kjer smo upoštevali točno topografijo struge, je dal praktično enak rezultat. Za odsek dolvodno od HE Medvode nismo delali točnih izračunov, pač pa smo primerjali merjeno hitrost potovanja vala s približno enačbo za hitrost propagacije vala v "plitvi" vodi (kjer je globina majhna v primerjavi z valovno dolžino): C = U +...J g*hsr kjer je g zemeljski pospešek in hsr srednja globina vode v profilu. PO grobi ocenl Je osnovna hitrost toka na odseku reda 0.5 mis in srednja globina hsr = 1 m. Po teh predpostavkah smo dobili hitrost vala c = 13.2 ~m/h. V resnici je bila izmerjena hitrost nekaj manjša, med 8.5 in 10.5 km/h. Verjetno je razliko pripisati dejstvu, da so ponekod na odseku zelo majhne globine in je ocenjena srednja globina na celotnem odseku prevelika. Vendar pa je omenjen približni izračun pomagal ugotoviti bistveno napako, ki je nastala pri izvrednotenju časa na limnigrafu. Na osnovi vseh analiz je bilo možno narediti sledeče zaključke: 1. Maksimalne kote vode pri opisanem valu so bile v večjem delu akumulacije Medvode primerljive s kotami, ki nastanejo ob 50 letni vodi, in do 2 m nižje od kot stoletne vode. 2. Samo na zadnjih 2 km akumulacije Medvode so bile gladine višje tako od 50 letne kot tudi od 100 - letne vode, vendar samo zaradi dejstva, da v primeru naravne visoke vode znižajo gladino ob HE na normalno koto 328.5 m. Nadvišanje gladine ob prehodu vala je bilo cca 70 cm, in ni povzročilo bistvenih poškodb ali nevarnosti za prebivalce. 3. Maksimalne kote gladine ob samodejnem odprtju zapornice na HE Mavčiče so bistveno nižje od gladin, ki bi nastale ob eventuelni por uš itvi pregrade Mavčiče. Te bi bile 5 do 10 m višje.

- 122 - Q (mt/s) 500....... (....;....;.... ~...... to: \, ; \..;..... ".;.... ~... j.. ",....... ;..".. : I \b; '. JOO I \'. '...:.....:...,,:.... :... :... 200 100 I ~\ '. /~~.~. ;." " i...:...,... :... }'Ji ~~LE±;±=±= ~:~:: Slika 4. Pretok kot funkcija časa na treh vodomernih postajah a. Šentjakob (15 km dolvodno) b. Litija (43.5 km) c. Radeče (78.5 km) IZKUŠNJE IN UKREPI ZA BODOČO ZAŠČiTO l. Za vsako HE, kjer se planira avtomatično vodenje, ki pa ni takoj ralizirano (često zaradi finančnih problemov v času gradnje) je absolutno treba preveriti pravilno delovanje dejansko realiziranih, delno ročnih komand. 2. V primeru HE Mavčiče je bil vzrok samodejnega odprtja zapornic aktiviranje releja, ki je bil predviden za računaln i ško vodenje zapornic, kar je nastalo zaradi kratkega stika, ta pa zaradi vlage na kontaktih. Bili so predvzeti vsi ukrepi za prepreč itev podobnih problemov v bodoče. 3. Val, ki ga je povzročilo samodejno dviganje zapornice, ni ogrožal človeških življenj in je povzročil le manjšo materialno škodo. Pretok je bil reda velikosti 50 - letne visoke vode. REFERENCE Rajar, R. 1978: Mathematical Simulation of Dam Break Flow, Proc. Amer. Society of Civil Engineers, June 1978. Rajar, R. 1993: Račun visokovodnega vala. ki je nastal zaradi odprtja zapornice na HE Mavčiče, Poročilo, Laboratorij za Mehaniko tekočin, Ljubljana. Rajar, R., Kryžanowski, A.: 1994: Self Induced Opening of Spillwav Gateson the Mavčiče Dam. Slovenia, Proc. 18 th Congress on Large Dams, Durban, 1994. Zupan, F. 1987: Hidroelektrarna Mavčiče, Gradbeni Vestnik" Vol 36, Ljubljana.