Kam odvést vodu z dálnice, aby mohli řidiči bezpečně projet? A co teprve, když je přímo pod ní obří sráz? Výzkumný tým z FAST VUT pod vedením Michala Žoužely navrhuje zcela unikátní kanalizační spadiště pro připravovaný úsek Pražského okruhu. Voda v něm bude padat do Vltavy z výšky téměř 80 metrů pomocí řízeného víru. Jeho chování odborníci testují na sedmimetrovém fyzikálním modelu před budovou F.

Při silném dešti je třeba z dálnice bezpečně odvádět obrovské množství vody. Pokud by se na vozovce začala hromadit, představovala by pro řidiče vážné nebezpečí. Jenže co když je potřeba vodu odvést do Vltavy, která leží téměř o 80 metrů níž?

Této výzvy se ujal výzkumný tým Laboratoře vodohospodářského výzkumu Ústavu vodních staveb FAST VUT pod vedením Michala Žoužely. Pro připravovaný úsek dálnice D0 mezi Ruzyní a Suchdolem, který je součástí budoucího Pražského okruhu, navrhují jedno z největších kanalizačních spadišť v Evropě. Výzkum probíhá v rámci hospodářské činnosti fakulty pro společnost AMBERG Engineering Brno, a.s.

Funkčnost návrhu tým testuje pomocí unikátního fyzikálního modelu v délkovém měřítku 1:13,33. Na výšku měří kolem sedmi metrů – a jelikož se do laboratoře nevměstnal, můžete si ho prohlédnout při procházce areálem fakulty u budovy F.

Kanalizační spadiště

Kanalizační spadiště je stavební konstrukce, která umožňuje bezpečně převést vodu mezi dvěma místy s výrazným výškovým rozdílem. Voda do něj přitéká ve vyšší úrovni, klesá svislou šachtou a následně pokračuje do navazující kanalizace. Konstrukce spadiště zajišťuje, aby voda při pádu nezpůsobovala nadměrné namáhání nebo poškozování potrubí.

Roztočíme vodu – jako při vypouštění láhve

Základem navrhovaného řešení je vírové spadiště, které využívá přirozeného pohybu vody. Jeho princip si lze představit na obyčejné láhvi.

„Představte si, že odšroubujete a vypustíte láhev. Nejrychlejší a nejefektivnější způsob, jak to udělat, je vodu roztočit,“ vysvětluje Michal Žoužela.

Podobně bude fungovat i samotné spadiště. Voda nejprve vstoupí do speciálně tvarované vírové komory se spirálovitým půdorysem připomínajícím šnečí ulitu, která proud vody roztočí. Voda začne sestupovat svislou šachtou a díky odstředivým účinkům vířivého pohybu se drží při stěnách potrubí, zatímco jeho středem může proudit vzduch.

Po překonání přibližně osmdesátimetrového výškového rozdílu voda dopadne do tzv. vývarové komory, kde se její proudění zklidní. Teprve poté může pokračovat odpadní štolou směrem k Vltavě.

Sedmimetrový model se nevešel do laboratoře

Aby výzkumníci zjistili, jak bude voda v plánovaném objektu proudit, postavili před budovou F jeho fyzikální hydraulický model v měřítku 1:13,33. I přes výrazné zmenšení dosahuje model výšky přibližně sedmi metrů.

„Řada pracovišť by nebyla schopná takový model vůbec postavit kvůli jeho velikosti – do běžné laboratoře se nevejde. Ale my máme tu možnost jej umístit ven,“ říká Žoužela.

Model představuje zmenšenou podobu navrhovaného objektu, v níž lze sledovat skutečné chování vody při průtoku a ověřovat funkčnost jednotlivých částí objektu. Voda je do něj přiváděna čerpadly ze zásobních nádrží, protéká celou konstrukcí a následně se vrací zpět.

Vzniká tak uzavřený okruh, který umožňuje experimenty opakovat při různých průtocích. Výsledky měření jsou následně přepočítány na skutečnou velikost stavby podle zákonů modelové podobnosti.

„Navenek jde často vidět jen to, že si na modelech pouštíme kačenky. Ale právě díky názorné vizualizaci třeba během 10 minut zjistíme, že něco nefunguje – a můžeme to hned řešit,“ popisuje Žoužela.

Stavba podobně rozsáhlého modelu ovšem není jednoduchá. Zabere několik měsíců a vyžaduje spolupráci několika odborníků. „U takových modelů je odvaha se do stavby vůbec pustit. Je to skutečně velká stavební konstrukce, která představuje značnou výzvu. Ale my tu odvahu u nás máme,“ dodává Žoužela.

6 500 litrů vody za sekundu

Jedním z hlavních úkolů výzkumného týmu je ověřit, zda spadiště bezpečně zvládne i mimořádně silné deště. K tomu je třeba spočítat návrhový průtok.

Návrhový průtok

Návrhový průtok udává množství vody, se kterým se musí vodohospodářská stavba bezpečně vypořádat. Vyjadřuje se nejčastěji v metrech krychlových za sekundu (m³/s).

V případě spadiště pro dálnici D0 činí 6,64 m³/s. To znamená, že konstrukce musí být schopna převést více než šest tisíc litrů vody každou sekundu. Pro představu jde zhruba o objem jedné větší automobilové cisterny.

Voda padá dolů, vzduch letí nahoru

Přestože je spadiště vodní stavba, zásadní roli zde hraje i vzduch. Při pádu potrubím voda totiž spolu s sebou stahuje dolů i značné množství vzduchu, který by po dopadu mohl způsobit nekontrolovatelné víření vody do všech stran. 

Vedle samotného spadiště tak výzkumníci navrhují i samostatné vzduchové potrubí, které bude po dopadu do spodní komory odvádět vzduch zpět do horní části spadiště. Vznikne tak recirkulační systém, v němž voda proudí dolů a vzduch se vrací nahoru.

Za rok na druhém břehu?

Zkušenosti z technicky náročného návrhu se možná budou týmu v brzké době hodit. Na opačném břehu Vltavy se v dohledné době chystá výstavba další části Pražského okruhu. I pro ni bude třeba navrhnout podobné spadiště.

Výsledky současného výzkumu tak mohou pomoci při návrhu obdobných vodohospodářských objektů.

 

Michal Žoužela

Na Fakultě stavební VUT působí od roku 2001. Ve své disertační práci se věnoval posouzení metod pro měření a vyhodnocení rychlostních polí v profilech s volnou hladinou. V současnosti je vedoucím Laboratoře vodohospodářského výzkumu Ústavu vodních staveb FAST VUT.

Ve své odborné činnosti se již 30 let věnuje fyzikálnímu modelování hydrotechnických staveb a úřednímu měření průtoku. Podílel se na návrhu významných českých vodních děl včetně nového bezpečnostního přelivu přehrady Orlík a na posuzování bezpečnosti přelivů celé řady dalších přehrad.

Vedle výzkumu se dlouhodobě zabývá také návrhem vodohospodářských laboratoří a technologických výzkumných celků pro jiné univerzity a výzkumné organizace.