Zatěsňování vodních děl pomocí injektáží

Vodní stavby patří mezi inženýrské stavby, které působivě ukazují, jak lze sílu přírody využívat nebo krotit. Ať jde o získávání energie či pitné vody, o ochranu pobřeží nebo o dopravní infrastrukturu – vodní stavby jsou nepostradatelnou základnou pro dodržení a vylepšení kvality života. Zachování těchto důležitých staveb pomocí efektivních opravárenských technologií patří již více než 30 let k základním kompetencím firmy MC-Bauchemie. Na příkladu referencí na objektech v ČR a v zahraničí vám chceme představit vysoce účinné injektážní hmoty na bázi speciálních hydrostrukturních a polyuretanových pryskyřic.

Speciální materiály pro konkrétní použití

Odkaz na patřičné normy

Oboru injektáží se věnuje harmonizovaná norma ČSN EN 1504-5, která rozlišuje tři základní skupiny materiálů podle účelu použití. První skupinou jsou výplně schopné přenášet silová namáhání – duromerové pryskyřice na bázi epoxidu a minerální suspenze. Druhou skupinou jsou poddajné výplně na bázi polyuretanových pryskyřic.

Třetí jsou pak bobtnavé výplně reprezentované pryskyřicemi na bázi akrylátů, tzv. hydrostrukturní pryskyřice (hydrogely). V tomto článku bych se rád věnoval zkušenostem s použitím pryskyřic na bázi polyuretanu a hydrostrukturních gelů na bázi akrylátu při zatěsňování průsaků betonových konstrukcí vodních děl.

Polyuretanové pryskyřice

Jedná se asi o nejznámější a nejpoužívanější skupinu injektážních materiálů na bázi reakčních pryskyřic. Přesto právě v této oblasti dochází během návrhů a následných aplikací k nejčastějším omylům a pochybením. Na trhu se pohybuje celá řada materiálů rozličných vlastností, a právě proto je před samotnou injektáží velmi důležitý počáteční návrh, včetně specifikace materiálu.

Ne každý polyuretan je vhodný na každý problém, a proto by nemělo být rozhodování o materiálu vedeno jeho jednotkovou cenou. Rozhodujícím faktorem je nejčastěji viskozita pryskyřice a její reaktivita v kontaktu s vodou a bez ní. Především pro tenké trhliny a pracovní spáry je zapotřebí materiál s co možná nejnižší viskozitou a spíše delší dobou reakce, pokud není přítomna tlaková voda.

Pro tyto účely je výhodné použití materiálů na bázi elastických polyuretanových pryskyřic s co nejnižší možnou viskozitou (např. MC-Injekt 2300 top se směsnou viskozitou 55 mPa.s), což činí tyto materiály velmi dobře injektovatelné. Pro porovnání – u čisté vody se uvádí viskozita 1 mPa.s. Jen tak mohou být zcela vyplněny úzké trhliny a pracovní spoje, čímž je v konečném důsledku dosaženo úplného zastavení prosakující vody.

Hydrostrukturní gely na bázi akrylátů

Přesto, že zkušenosti s těmito materiály se datují od počátku devadesátých let minulého století, jedná se o nejmladší materiálovou skupinu používanou v oboru injektáží. Využití bobtnavých výplní nacházíme především v širších stavebních spárách, jako jsou zejména dilatační spáry, nebo jako způsob opravy plošné izolace při tzv. rubové injektáži.

Asi největší výhodou těchto materiálů, kromě nízké viskozity (od 5 mPa.s), je jejich schopnost zabudovávat do své molekulární struktury sekundární vodu a tím dodatečně zvětšovat svůj objem. Díky dobré lepivosti k rozličným stavebním materiálům a více jak 150% průtažnosti jsou tyto materiály vhodné do prostor v konstrukcích, kde očekáváme pohyb většího rozsahu.

Obr. 1 Protažení a přídržnost k podkladu demonstrována na polymery zesíleném gelu (MC-Injekt GL-95 TX)

Vhodné jsou pro tyto účely především varianty „gelů“ modifikované dalšími polymery, tzv. hybridní gely. Přídržnost k betonu a protažení jsou demonstrovány na obr. 1.

Další výhodou této materiálové báze je možnost načasování reakční doby materiálu, a to především ve vztahu s teplotami vody a okolního prostředí během injektáží a případně ve vztahu k síle proudící vody. Jak jsou gely schopny do své struktury vodu zabudovávat, tak jsou schopny ji i ztrácet, a tím také ztrácet na objemu v případě nedostatku dotace vody z okolního prostředí.

Obr. 2 Graf schopnosti akrylátových gelů opakovaně přijímat vodu do své struktury po předchozím vysušení

Kvalitní gely se pak vyznačují schopností tuto vodu déle v sobě podržet, ale hlavně znovu nabýt na původním objemu v případě vyschnutí a následného smočení. Toto je znázorněno na grafu, který porovnává „klasický“ vodnatý hydrogel MC-Injekt GL-95 s hybridním polymerovým hydrogelem MC-Injekt GL-95 TX na obr. 2. Při tomto testu byla zkušební tělesa z uvedených materiálů ponechána vždy 6 dní ve vodě a následně pak vysoušena 1 den při teplotě 150 °C.

Referenční injektážní projekty v České republice

Vodorovná dilatační spára VD Slapy

Přehradní hráz, která slouží již od roku 1954, je pravidelně kontrolována a jsou zde v případě nutnosti prováděny lokální opravy nefunkčních částí. V rámci inspekce v roce 2007 bylo zjištěno, že v oblasti podélné dilatační spáry ve spodní části přehradní hráze dochází k netěsnostem, které je potřeba vhodným způsobem utěsnit, a tak zastavit průsaky vody.

Po konzultaci s projektantem a prováděcí firmou byla zvolena liniová těsnicí injektáž objektové spáry pomocí speciální, polymery zesílené hydrostrukturní pryskyřice, která je schopna přenést očekávané pohyby konstrukce. Celkem bylo zainjektováno 260 běžných metrů dilatační spáry pomocí speciálního hybridního polymerového gelu.

Svislá dilatační spára VD Žermanice

Betonová tížná hráz s celkovou kubaturou betonu 116 600 m³ je založena v prostředí složitých geologických poměrů s potřebnými konstrukčními úpravami spodní stavby i podloží. Pravidelná měření posunů (deformací) hráze a konsolidace podloží tvoří nezbytnou součást péče o bezpečný provoz vodního díla.

Dilatační spoje mezi jednotlivými hrázovými bloky byly při výstavbě zatěsněny pomocí jílového těsnění. Na těchto jílových kanálcích se ale již podepsal čas a docházelo zde k netěsnostem. V roce 2014 došlo k pokusu o dotěsnění těchto dilatačních spojů z inspekčních šachet pomocí mechanického přikotvení příložných úhelníků v kombinaci se speciální gumou. Ve spodní části dilatace, kde je spoj již lépe přístupný, byla v úseku výšky cca 2 m navržena těsnicí injektáž.

Betonová tížná hráz VD Žermanice

Jako vhodný materiál byla zvolena speciální hydrostrukturní pryskyřice na bázi akrylátu zesílena polymery. Cílem bylo proinjektovat v daném úseku 80 až 120 cm mocnou konstrukci, a to až k netěsnému jílovému korálku. Kontrolními vrty bylo zjištěno kompletní proinjektování dilatačního spoje. V prosinci 2015 byla doinjektována zbylá část dilatace na výšku 30 m.

V současné době jsou sledovány průsaky dilatační spárou v návaznosti na teplotní objemové změny konstrukce v zimním období. Z původního průsaku 5 – 6 l/s jsme v únoru 2016 zaznamenali průsak cca 0,025 l/s. Již v původním návrhu injektážních prací bylo počítáno s přeinjektováním spáry v zimním období, kdy lze předpokládat rozestoupení dilatačních celků.

Lokální průsaky během sanačních prací na sdruženém objektu VD Bílovec

Vodní nádrž Bílovec byla vybudována v roce 1969, má rozlohu 53 hektarů a slouží k rybolovu a rekreačním účelům. Součástí nádrže je také sdružený výpustní objekt, na kterém již byly patrné známky degradace.

V roce 2015 byla provedena sanace vnitřních stěn a přelivné hrany sdruženého výpustního objektu na VD Bílovec. Po odstranění nesoudržných povrchových vrstev betonu byla provedena nejprve lokální a následně celoplošná reprofilace nástřikem systému náhrady betonu opravnou maltou třídy R4 (Nafufill KM 250).

Tato malta byla zvolena také jako finální povrch v hrubé pohledové úpravě. Během provádění sanačních prací byla konstrukce v místě viditelných průsaků průběžně injektována pomocí nízkoviskózní elastomerové pryskyřice na bázi polyuretanu (MC-Injekt 2300 top).

Referenční injektážní projekty v zahraničí

Vodní elektrárna Iffezheim, Německo – dodatečné těsnění dilatačních spár

Netěsné spáry na stavbě kladou na injektážní opatření obzvláště vysoké požadavky, neboť se nacházejí v těžko přístupných místech, na stavebních dílcích vystavených povětrnosti nebo i v místech v trvalém styku s vodou.

Na rýnské elektrárně Iffezheim se sešly všechny komplikující podmínky dohromady a spolu s hloubkou poškození až 28 m vedly k úloze, která přes rozličné pokusy o řešení nemohla být doposud uspokojivě vyřešena. Několik pokusů o trvalé utěsnění této objektové spáry postupně selhalo.

Objektová dilatační spára byla plánovitě utěsněna spárovými pásy. Stávající spárovací pásy nesměly být při plánovaných injektážních opatřeních na žádný pád poškozeny. Kvůli tomuto zadání byl vyvinut speciální prvek – přetnutí dilatační spáry jádrovým vývrtem z koruny hráze, aby se tak vytvořila vedle netěsného spárového pásu nová rovina utěsnění.

Injektáž byla prováděna z vertikálního vývrtu po dvou metrech odspodu nahoru. K tomu bylo potřeba přizpůsobení nejen technického vybavení, ale i mate­riálu. Tento postup utěsňování byl umožněn vynikajícími vlastnostmi použité dvousložkové hydrostrukturní pryskyřice s elastickou vazbou, která je charakterizována extrémně krátkou reakční dobou, vysokou lepivostí a dobrými mechanickými vlastnostmi.

Sajano-Šušenská přehradní nádrž, Rusko/Sibiř – úspěšné utěsnění trhlin za výjimečných podmínek

Oprava trhlin pomocí injektážní technologie je dnes standardem a patří k dlouhodobě osvědčeným technikám pro trvalé opravy betonových staveb. Mimořádné okrajové podmínky kladou vždy nové požadavky na injektážní pryskyřice, které mohou splnit jen málokteré soustavy výrobků.

Příkladem pro tyto extrémní požadavky je největší ruská vodní elektrárna na Sajano-Šušenské přehradní nádrži blízko Sajanogorsku v Chakazii na jihu Střední Sibiře. Elektrárna připojená na síť v roce 1978 vyrábí ročně zhruba 25 miliard kWh a je nepostradatelným zdrojem pro výrobu hliníku v této oblasti, a tudíž základem pro tisíce pracovních míst.

Poté, co v pravém přetokovém tunelu došlo ke značným netěsnostem a tím podmíněným ztrátám výroby energie, byly provedeny úspěšné zkušební testy elastomerovou injektážní pryskyřicí na bázi polyuretanu ­(MC-Injekt 2300 plus). V průběhu následné opravy bylo injektováno 3000 metrů trhlin o šířce 0,05 – 0,5 mm, aby se zastavila prosakující voda.

Obzvláštní výzva spočívala v tom, že opatření se mělo provést během zhruba šesti měsíců při teplotách okolí až -40 °C, neboť pro provozovatele bylo důležité, aby opatření bylo provedeno do počátku sněhového tání v oblasti.

Přehrada Arapuni, Nový Zéland – zpevnění podloží jako podzemní ochrana hráze

Nepoškozené podloží je základem pro každou železobetonovou konstrukci. Konstrukce na něm spočívající nevychází jen ze stávající situace, i později vyžaduje stavební opatření, aby byla s to odolávat budoucím negativním změnám.

V případě přehrady Arapuni se v roce 2005 na základě propustné vrstvy zeminy projevily průtoky. Následně pak byla provedena pilotová stěna provrtáním 40 metrů betonové konstrukce a dále pak 40 metrů do podloží, což mělo eliminovat problém.

Přehrada Arapuni, Nový Zéland

Během provádění pilotové stěny však bylo zjištěno riziko nízké hodnoty pH u vody řeky Waikato v odtoku, což mohlo vést k poškození nové betonové pilotové stěny. Řešení této úlohy spočívalo v injektážních opatřeních, která zpevnila podloží a zároveň převzala funkci blokující vrstvy proti říční vodě s její nízkou hodnotou pH.

Závěr

Cílem tohoto příspěvku byla snaha přiblížit metody utěsňování průsaků v betonových konstrukcích vodních staveb a poukázat na to, že pro úspěšné dosažení cíle – těsnou konstrukci – je zapotřebí především dobrých a zkušených techniků, kteří provedou správný návrh technologického postupu, dobré injektážní zřízení a spolehlivý injektážní materiál a v neposlední řadě pár šikovných rukou, které injektáž provedou. Doufám, že pro čtenáře budou inspirativní příklady realizací v České republice i daleko za našimi hranicemi.

Sealing of hydraulic structures by means of injection

Hydraulic structures present an impressive example of using, controlling, respectively, of the strength of nature. A variety of structures is included, e.g. hydroelectric power plants, structures for potable water, protective structures at sea coast or structures related to road infrastructure. These structures represent an important contribution to the quality of human living. Therefore, these structures are worth of preserving. For more than 30 years MC-Bauchemie is using efficient repair techniques in order to take care of hydraulic structures. Based on examples from Czech Republic as well as from abroad, higly efficient solutions using of polyurethane and hydrostructural injection resins are introduced.

TEXT: Ing. Zdeněk Darebník
FOTO: MC-Bauchemie, s. r. o., isifa/Shutterstock

Zdeněk Darebník působí ve společnosti MC-Bauchemie, s. r. o.

Literatura
1. MC-BAUCHEMIE, Systémy pro opravu betonu u vodních staveb. 2015.
2. PLICKA, T.: Injektážní systémy pro vodní díla, Těsné trhliny, spáry a dutiny.

Článek byl uveřejněn v časopisu Inžinierske stavby / Inženýrské stavby 2/2017.