Podzemná vodná elektráreň vo Švajčiarsku

V kantóne Wallis na hranici Francúzska a Švajčiarska, v blízkosti významnej turistickej oblasti Chamonix, sa v roku 2008 začali stavebné práce na výstavbe podzemnej prečerpávacej hydroelektrárne Nant de Drance. Elektráreň je budovaná v skalnom masíve pod úrovňou dvoch jestvujúcich priehradných jazier Emosson a Vieux Emosson. Vstupný portál do tohto systému sa nachádza v nadmorskej výške 1947 m n. m.

Plánovaný výkon hydroelektrárne Nant de Drance 600 MW sa počas realizácie zmenil a zvýšil na 900 MW. Bude ho zabezpečovať šesť Francisových turbín, každá s výkonom 150 MW. Elektráreň bude využívať vodu z dvoch vodných nádrží, Vieux Emosson a Emosson, medzi ktorými bude v podzemí vybudovaný systém prístupových tunelov, štôlní, šácht a kaverien. Všetky podzemné objekty sú razené vrtno-trhavinovým spôsobom, iba prístupový tunel z údolia (v dĺžke 5,6 km, s priemerom 9,5 m) je razený raziacim strojom (TBM) v stúpaní asi 11 %. Zvýšenie výkonu z pôvodných 600 na 900 MW si vyžiadalo aj zvýšenie hrádze hornej nádrže o 23 m.

Kaverna podzemnej strojovne (dĺžka 195 m, šírka 32 m, výška 52 m) sa v súčasnosti zaraďuje medzi najväčšie kaverny svojho druhu v Európe a bude sa realizovať v deviatich výškových etapách. Súčasťou podzemných objektov budú aj dve vertikálne šachty (každá v dĺžke 430 m a s priemerom 2,4 m) realizované systémom raise drilling s následným rozšírením priemeru na 8,2 m vrtno-trhavinovým spôsobom. Projekt sa realizuje v nadmorskej výške asi 2 000 m n. m. v horskom prostredí a je mimoriadne náročný na logistiku a organizáciu prác. Práce na projekte sťažujú aj poveternostné podmienky (snehové záveje, lavíny, silný mráz atď.). Projekt prečerpávacej vodnej elektrárne je partnerským projektom spoločností, ktoré založili združenie Nant de Drance (švajčiarska energetická spoločnosť Alpiq AG 39 %, švajčiarska železničná spoločnosť SBB 36 %, spoločnosť IWB 15 % a energetická spoločnosť FMV z kantónu Wallis 10 %). Elektráreň by mala dodávať elektrickú energiu od roku 2017.

Opis projektu:Rámcové podmienky projektu Nant de Drance
Projekt bude efektívne využívať výškový rozdiel 350 m medzi dvoma existujúcimi priehradnými jazerami a krátku vzdialenosť medzi nimi. Priehradné jazerá sa nachádzajú na juhozápade Švajčiarska v pohraničnej oblasti s Francúzskom v horskom masíve Aiguilles Rouges medzi mestami Martigny (Švajčiarsko) a Chamonix (Francúzsko).

Vodná elektráreň Emosson SA
Výroba zelenej energie v danom regióne prebieha už od roku 1926. V rokoch 1952 až 1955 bola ukončená výstavba priehradného múru horného jazera Vieux-Emosson, ktorého hladina pri maximálnom naplnení dosahuje výšku 2 205 m n. m. Po dohode medzi Francúzskom a Švajčiarskom sa v rokoch 1967 až 1975 vybudovala priehrada Emosson, ktorej maximálna hladina dosahuje nadmorskú výšku 1 930 m n. m. Vybudovaním novej priehrady Emosson došlo k zatopeniu starej priehrady Barberine a zvýšeniu objemu zadržiavanej vody na 210 mil. m³. V súčasnosti sa voda z nádrží Vieux-Emosson a Emosson využíva dvakrát. Cez privádza­če je vedená do elektrárne Vallorcine (Francúzsko) v nadmorskej výške 1 125 m n. m. a následne je z tejto elektrárne ďalším potrubím vedená do centrály La Bâtiaz v meste Martigny (Švajčiarsko) v nadmorskej výške 462 m n. m.

Vznik projektu Nant de Drance
Začiatkom roka 2000 dostala spoločnosť AF-Consult Switzerland AG zadanie na vypracovanie štúdie realizovateľnosti. V auguste 2008 bolo udelené stavebné povolenie na výstavbu prečerpávacej vodnej elektrárne na plánovaný výkon 600 MW. V roku 2009 združenie Nant de Drance AG svoj úmysel prehodnotilo a rozhodlo sa výkon elektrárne zvýšiť na 900 MW. Po dlhých rokovaniach sa podarilo v roku 2010 schváliť zvýšenie kapacity na 900 MW (zmenený projekt Nant de Drance+), čo si však okrem iného vyžiadalo aj zvýšenie priehradného múru hornej nádrže o 23 m. Celkové náklady sa odhadujú na 1,8 miliardy CHF.
Najrozsiahlejšia časť stavebných prác bola odovzdaná združeniu GMI Marti-Implenia.

Geológia
Najväčšia časť projektu sa nachádza v horskom masíve Aiguilles Rouges tvorenom prevažne granitom, ortorulami a metamorfovaným kremencom. Celkovo je horský masív charakterizovaný dobrými a až veľmi dobrými vlastnosťami.

Projekt Nant de Drance+ (900 MW): Hlavné objekty projektu
Hlavnými objektmi podzemnej elektrárne Nant de Drance sú okrem kaverny aj strojovne a privádzače vody dimenzované na prietok 180 m³/s. Elektráreň bude zostavená z týchto objektov:

• horné existujúce akumulačné jazero Vieux-Emosson, ktorého priehradný múr bude zvýšený o 23 m:

             •    gravitačná priehrada s výškou h = 65 m (po zvýšení),
             •    kapacita nádrže po zvýšení priehradného múru sa zdvojnásobí z pôvodných 13,8 mil. m³ na objem 24,6 mil. m³,

• systém privádzačov vody na hornom toku elektrárne s prietokom 180 m³/s:

             •    dva vtokové, respektíve dva výtokové objekty s prierezom 16 × 11 m,
             •    dva tlakové privádzače vody s dĺžkou l = 278 m, v pozdĺžnom spáde –9,5 %, s priemerom 7,7 m,
             •    dve vertikálne šachty s výškou h = 442 m a vnútorným priemerom 7,0 m,
             •    dva kusy pancierových rúr v oblasti päty vertikálnych šácht, l = 55 m, priemer 5,5 m, pozdĺžny sklon –2,0 %,
             •    dva kusy pancierových rozpletov na tri turbíny, l = 30 m, priemer 3,2 m,

• kaverna strojovne (dĺžka 195 m, šírka 32 m, výška 52 m):

             •    kubatúra výlomu V = 238 000 m³,
             •    šesť Francisových turbín po 150 MW,
             •    2× 6-guľový uzáver nad a pod turbínami,

• privádzače vody na spodnom toku podzemnej elektrárne:

             •    dve pancierové redukcie z troch turbín, l = 45 m, priemer 3,7 m,
             •    dve pancierové rúry, l = 30 m, priemer 5,5 m,
             •    dve výtokové tlakové štôlne, l = 1 170 m, priemer 7,7 m, v pozdĺžnom stúpaní 9,5 až 12,5 %,
             •    dva výtokové, respektíve dva vtokové objekty, priečny rez 25 × 11 m,

• spodná existujúca akumulačná nádrž Emosson:

             •    klenbová priehrada, h = 180 m,
             •    užitočný obsah nádrže, 210 mil. m³.

Vedľajšie objekty projektu, logistické objekty
Na zhotovenie hlavných objektov podzemnej elektrárne sa z dôvodu logistiky a dodržania termínu výstavby naprojektovali a vyrazili tri prístupové štôlne:

• hlavný prístupový tunel (ZTH) ku kaverne strojovne z hlavného údolia, z dedinky Châtelard v celkovej dĺžke l = 5 600 m, razený metódou TBM, priemer 9,45 m,
• dva prístupové tunely (ZTE a ZTVE) zo západného prístupu (portálu) do systému štôlní a kaverien:

                    •    tunel ZTE s dĺžkou l = 2 150 m, na svojom konci ústi do hlavného prístupového tunela ZTH,
                    •    tunel ZTVE s celkovou dĺžkou l = 1 730 m, na ktorý sa napája tunel ZSVE dlhý 388 m s ústím pod pätou hrádze hornej nádrže, slúži ako prístupový a logistický tunel k hornému jazeru Vieux-Emosson.

Ďalšími logistickými objektmi projektu sú:

• trafokaverna: dĺžka 146 m, šírka 18 m, výška 15 m,
• trvalá depónia vyrúbaného materiálu pri západnom portáli (západný prístup) s objemom 1 600 000 m³,
• dočasná depónia vyrúbaného materiálu, ktorý sa bude neskôr drviť a použije sa ako prímes pri výrobe betónov hlavne pri zvyšovaní hrádze horného jazera Vieux Emosson s celkovým objemom V = 38 300 m³.

Realizácia prác
Portál hlavného prístupového tunela v Le Châtelard
Portál v Le Châtelard bol vybudovaný na jar a v lete 2009. Kládol vysoké nároky na projektantov aj realizátorov, keďže kalota tunela musela prechádzať len vo vzdialenosti 3 m pod železničnou traťou Martigny – Chamonix bez výluky železničnej dopravy. Stavebné podložie sa skladá zo svahovej sutiny, ktorá od začiatku prác nebola dostatočne preskúmaná. Mocnosť nespevnenej horniny sa na základe deštruktívneho vrtu odhadla na 25 až 30 m. Zaistenie portálového úseku pozostáva zo železobetónového trámu ukotveného bezprostredne pod koľajami trate troma radmi masívnych betónových platní a predpätými 25 až 35 m dlhými kotvami. Medzi predpätými kotvami sa nespevnená hornina stabilizovala ešte 9 m dlhými pasívnymi kotvami. Hlavný prvok zaistenia výrubu v portálovej oblasti bol rúrový dáždnik dlhý 18 m opretý v prednej časti o oceľové oblúky HEB 200, kotvené do skaly. Následne sa v pieskovcoch a bridliciach konvenčným spôsobom vyrazil 110 m dlhý štartovací tunel na nasadenie TBM stroja. Poloha železničných koľají sa pritom denne kontrolovala pozorovacími meraniami. Kontrolné kotvy, ako aj vertikálne inklinometre s automatickým prenosom dát umožňovali nepretržitú železničnú prevádzku. Namerané sadnutie koľají 35 mm si vyžiadalo úpravu iba ich jednorazovým podsypaním.

Hlavný prístupový tunel
Nasadenie tunelového vrtného stroja (TBM) na raziace práce bol jeden z variantov realizátora. Dôvodom bol vyšší výkon pri razení a možnosť prejsť poruchové zóny bez otrasov spôsobovaných konvenčnými metódami, ako aj nasadenie pásového dopravníka slúžiaceho aj v budúcnosti na vývoz rúbaniny z ďalších kaverien a štôlní budovaných konvenčne, ďalej to bolo menej prašné prostredie, teda lepšie pracovné podmienky pre pracovníkov.

Razenie TBM má priemyselný charakter s usporiadanými pracovnými miestami a pevne zabudovanými bezpečnostnými zariadeniami, prívodom vzduchu, odsávaním prachu a znečisteného vzduchu a ich odvádzaním za príves TBM do voľného priestoru vyrazeného tunela. Najdôležitejšie parametre a výbava tohto stroja sú:

• otvorený stroj TBM do tvrdých hornín,
• dodávateľ Herrenknecht (prevzatie a úprava Marti Technik),
• priemer vrtu 9,45 m,
• vrtná hlava je vybavená 55 kusmi jednoduchých valivých dlát s priemerom 43 mm, a rozpätím 9 cm, posuvná sila 18 000 kN,
• pohon vrtnej hlavy: 10 × 350 kW s reguláciou otáčok,
• otáčky vrtnej hlavy: 0 až 6 RpM,
• transport rúbaniny pomocou pásového dopravníka,
• celková dĺžka TBM s prívesom je 142 m,
• celková hmotnosť stroja je 1 450 t.

Montáž TBM stroja sa začala v auguste 2009 zostavením prívesu na koľajach. Samotná montáž TBM prebiehala od polovice októbra do konca novembra. Stroj začal razenie hlavného prístupového tunela v januári 2010 a ukončil ho 22. augusta 2012 v strojovej kaverne KMA. Výkony razenia boli v rôznych geologických zónach rozdielne. V granitoch sa dosiahol priemerný výkon 15 m/deň, v rule 20 m/deň, v metamorfovaných kvarcitoch sa dosiahlo dokonca 25 až 35 m/deň. Z tohto dôvodu sa v októbri 2011 dosiahol špičkový výkon 727 m. Prieskumnými vrtmi sa pred hlavou TBM indikovali veľmi zhoršené horninové pomery. Na základe týchto nových poznatkov sa rozhodlo spevňovať horninu injektážou. Tá sa vykonávala so zvýšeným počtom vrtov. Spravidla sa vŕtalo 60 vrtov na každý dáždnik. Na injektáž sa používali mikrocementy. Tieto skutočnosti viedli k podstatnému spomaleniu raziacich prác stroja TBM, čo si vyžiadalo v roku 2011 pre hroziace lavíny zimné prerušenie prác na štôlňach a kavernách budovaných konvenčne zo západného portálu, ku ktorým bol prístup len po vonkajších komunikáciách cez zimu zasypaných lavínami.
Pôvodne sa plánovalo vyvážať vyrúbaný materiál už hotovým hlavným prístupovým tunelom ZTH cez drvič a pásový dopravník. Spomalenie prác v tuneli ZTH viedlo aj k nutnosti nájsť a vytvoriť alternatívnu depóniu výrubového materiálu. Hlavný prístupový tunel ZTH sa podarilo ukončiť 22. augusta 2012. Prerážka s konvenčne razeným systémom štôlní sa uskutočnila následne 6. septembra, takže sa vytvorili predpoklady na kontinuálny priebeh stavebných prác, neobmedzovaný ďalej zimnými poveternostnými vplyvmi. Na trase ZTH tunela sa asi 250 m od jeho konca konvenčným spôsobom vyrazila kaverna KBA, v ktorej sa najskôr demontoval raziaci stroj TBM. Momentálne sa do kaverny montuje technológia betonárky. Z toho plynie aj názov kaverny, skratka KBA – z nemeckého Kaverne–Betonanlage. Produkcia betónových zmesí by sa mala začať od októbra 2013.

Vtokovo-výtokové objekty
Pôvodne sa predpokladalo, že priehrada Emosson bude celú sezónu 2011 vypustená a bude možné vyraziť prvé metre tlakových štôlní a vybudovať pred nimi železobetónové vtokovo-výtokové objekty. Znamenalo by to však výpadok produkcie elektrickej energie jestvujúcich elektrární. Priehrada sa napúšťa od apríla do septembra vodou z topiaceho sa snehu a zo zrážok. Keby zostala v tomto období vypustená, nebola by možná dôležitá produkcia elektrickej energie v zimných mesiacoch. Preto sa na strane investorov zrodila myšlienka rozložiť výstavbu týchto objektov na viac rokov a obmedziť ju na krátke intervaly od začiatku marca do konca mája, aby sa stihla priehrada od júna ešte naplniť a nedošlo k žiadnym výpadkom produkcie elektrickej energie. Táto zmena v priebehu výstavby mala závažný dosah na celú organizáciu prác.
Realizácia raziacich a betonárskych prác vtokovo-výtokových objektov si vyžiadala viacnásobné zriadenie a zrušenie staveniska z dôvodu opätovného zaplavovania.

Na jar roku 2009 sa vykonal prieskum podložia na optimalizáciu polohy vtokovo-výtokových objektov, v roku 2010 sa vystavala stavebná prístupová cesta a stavebná plošina na výkon ďalších stavebných prác v priehrade Emosson vrátane predzárezu na vtokovo-výtokové objekty. Na jar roku 2011 sa začalo konvenčné razenie prvých 50 m oboch tlakových štôlní a betonáž základu vtokovo-výtokových objektov. V lete toho istého roku sa zhotovil prvý železobetónový vtokovo-výtokový objekt na vyššie položenej plošine. Táto plošina sa nachádza vo výške 1917 m n. m. a je zaplavovaná až pri dosiahnutí maximálnej hla­diny priehrady. Zostával teda dostatok času na debniace, armovacie a betonárske práce. Rámový objekt má pôdorysné rozmery 22 × 25 m a výšku asi 11 m, čo zodpovedá objemu 6 000 m³. Koncom septembra 2011 dosiahla hladina priehrady dostatočnú výšku a celý objekt bol pomocou vzduchového van­kúša a plávajúceho pontónu preplavený po ja­zere na miesto jeho uloženia. Na jar roku 2012 sa vybetónovalo vnútorné ostenie klenby a dna tlakovej štôlne a prechodový úsek medzi ústím štôlne a týmto rámovým vtokovo-výtokovým objektom. Podobným postupom sa v tomto roku postavil a prepravil aj druhý objekt.

Prístupové tunely od Emossonu
Raziace práce prístupových tunelov sa začali v polovici augusta roku 2009. Kaverna rozvetvenia tunelov s nadložím len 15 m bola vytvorená bez väčších ťažkostí, razenie oboch štôlní ZTE a ZTVE tak mohlo pokračovať do konca novembra 2009. V roku 2010 bolo možné pracovať od začiatku apríla do konca novembra, pričom sa vyrazilo 1 558 m stúpajúcej štôlne ZTVE a 1 342 m klesajúcej ZTE. V roku 2011 sa obe prístupové štôlne dokončili. Z klesajúcej štôlne ZTE sa vyrazil v roku 2011 tunel BDSO-2 a kaverna BKOW neďaleko ústia dvoch vertikálnych šácht, prístupové tunely k strojovej kaverne ZSK a BKMA a kalota strojovej kaverny KMA. V horných priestoroch sa pokračovalo razením prístupovej štôlne k päte hornej hrádze Vieux Emosson ZSVE, ktorej prerážka dňa 5. júla 2011 bola prvým veľkým míľnikom stavby v jej časovom harmonograme. Táto štôlňa sa využíva na materiálovú logistiku betonárne, postavenej na navýšenie priehradného múru hornej nádrže o 23 m.

Kaverny KDSV a KSO
Výrub týchto kaverien sa členil na kalotu a dve úrovne lavice, pričom primárne zaistenie výrubu sa vykonalo striekaným betónom a kotvami typu Swellex. Následne sa zabudovávali ďalšie vrstvy striekaného betónu vystužené oceľovými sieťami a na záver sa výrub definitívne zaistil 6-metrovými a 8-metrovými maltovanými kotvami. Kaverny KDSV 123 a KDSV 456 budú slúžiť ako štartovacie kaverny na razenie dvoch asi 440 m dlhých vertikálnych šácht. Z každej kaverny sa bude realizovať jedna vertikálna šachta. Systémom raise drilling s priemerom korunky 381 mm sa najskôr vyvŕta pilotný vrt až na dno šachty. Spätne, smerom zdola nahor, sa vrt rozšíri korunkou s priemerom 2 440 mm. Následne sa vertikálne šachty vrtno-trhacími prácami rozšíria na vonkajší priemer 8,2 m. Maximálna dĺžka záberu pri rozširovaní by mala dosiahnuť 2,5 m. Smer razenia bude zhora nadol. Práce na vertikálnych šachtách sa začali v júni 2012. Momentálne sa vŕta pilotný vrt v šachte DSV 456. V šachte DSV 123 prebieha betonáž definitívneho ostenia. Betónuje sa nepretržite s posuvným debnením.

Strojová kaverna KMA
Razenie strojovej kaverny kladie vzhľadom na jej odľahlosť od portálov vysoké nároky na plánovanie, logistiku a bezpečnosť. Plánuje sa vyraziť ju v deviatich etapách od kaloty smerom dolu (v deviatich výškových úrovniach). Celková dĺžka kaverny bude 195 m, výška 52 m, šírka 32 m. Profil kaloty bol členený na tri časti. Strednú časť, takzvanú pilótnu štôlňu, s plochou výrubu 83 m² a bočné rozšírenia s plochou výrubu 44 m², ktoré sa razili s rozstupom do maximálne 25 m medzi sebou. Primárne zaistenie kaloty pozostáva z 20 cm hrubej vrstvy striekaného betónu vystuženého jednou vrstvou oceľových výstužných sietí s maltovanými kotvami s priemerom 32 mm a dĺžkou 6 m v rastri 1,5 × 1,5 m. Sekundárne ostenie hornej klenby kaverny tvoria železobetónové rebrá uložené na železobetónových úložných prahoch slúžiacich zároveň ako opora dočasnej stavebnej žeriavovej dráhy. Tieto úložné prahy sú ukotvené 20 m dlhými predpätými kotvami o stenu horniny v úrovni prvej lavice kaverny. Momentálne prebiehajú raziace práce v piatej výškovej etape kaverny KMA. Raziace práce v strojovej kaverne KMA by mali byť ukončené v apríli roku 2014. Od 1. 5. 2014 by sa malo začať s montážou technológie.

Logistika
Vzhľadom na komplexnosť stavby zohráva logistika kľúčovú úlohu. Podzemná betonáreň s dvoma miešacími jednotkami umiestnená v kaverne KBA je potrebná na kontinuálne dodávky striekaného betónu na zaisťovanie výrubu razených priestorov a tiež na betonáže konštrukcií ostení. Keďže na raziace, ako aj betonárske práce je potrebné veľké množstvo betónu, predstavuje podzemná betonáreň kľúčové zariadenie stavby. Na zásobovanie tejto betonárne sa využije pásový dopravník hlavného prístupového tunela ZTH, aby sa redukoval počet nákladných áut v tuneli. Plánovaná kapacita dopravníka je 3 000 t kameniva denne. Kamenivo bude uskladnené v silách pri centrálnej podzemnej betonárni. Okrem kameniva sa musia zo Châtelardu cez hlavný prístupový tunel ZTH transportovať k centrálnej podzemnej betonárni aj cement, popolček, prísady, prímesy a oceľové vlákna do striekaných betónov. Betón sa bude vyrábať v dvoch oddelených miešacích jednotkách. Od betonárne sa bude ďalej transportovať domiešavačmi betónu. Popri zásobovaní betonárne musí byť rovnako zabezpečený odvoz výrubového materiálu. Pásový dopravník sa bude preto využívať striedavo na vývoz vyrúbaného materiálu z razenia, ktorý je preddrvený v drviči, ako aj na navážanie kameniva pre betonárku. Na organizáciu logistiky je zriadená centrála s pracovníkmi, ktorí sú detailne oboznámení s celou stavbou a rozhodujú, ktoré stavenisko dostane potrebné druhy betónov a stavebného materiálu. Centrála je zodpovedná aj za vstup do tunela a rozhoduje, kto, kam a kedy môže ísť.
Zvyšovanie priehradného múru Vieux-Emosson sa bude realizovať počas letných mesiacov roku 2013 a 2014. Celková kubatúra betónov potrebných na zvýšenie priehradného múru o už spomínaných 23 m predstavuje množstvo asi 62 000 m³. Na tento účel sa vybudovalo aj zariadenie staveniska, ktorého časťou je ďalšia betonárka. Zásobovanie tejto betonárky všetkými potrebnými prísadami na výrobu betónou takisto podlieha oddeleniu logistiky. Zásobovanie sa zabezpečuje cez spomínané tri hlavné logistické štolne (ZTH, ZTE a ZTVE), nákladnými automobilmi.

Záver
Projekt Nant de Drance je jedným z prvých projektov v začatej epoche výstavby veľkých alpských vodných prečerpávacích elektrární, ktoré sú budúcnosťou v produkcii elektrickej energie, a spolu s rozvíjajúcimi sa technológiami využívajúcimi ďalšie obnoviteľné energetické zdroje ukazuje smerovanie švajčiarskej energetickej politiky.

TEXT: Ing. Martin Magdolen
FOTO: TuCon

Martin Magdolen je manažérom stavby v spoločnosti TuCon, a. s., Žilina.

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske Stavby/Inženýrské stavby