Zapory Ziemne ( semestr II )

Wykład 23 II 1999

Wymiarowanie rdzeni.

Rdzenie wodoszczelne z materiałów mas asfaltowych nie odbiegają konstrukcją w sposób zasadniczy od rdzeni betonowo - cementowych, natomiast są od nich znacznie cieńsze.

Przy wymiarowaniu rdzeni należy kierować się wysokością zapory oraz rodzajem materiału na uszczelnienia wewnętrzne, a także rodzajem gruntu z którego zostanie utworzony korpus nasypu zapory. Zaleca się grubość rdzenia u podstawy:

q = 0,01H - 0,02H

gdzie:

q - grubość konstrukcji rdzenia u podstawy [ m ]

h - wysokość zapory [ m ]

Konstrukcja rdzenia uszczelniającego może się zwężać stopniowo w kierunku korony zapory jednak nie powinna być mniejsza od 30 cm ze względu na technologiczne wykonanie robót.

Podany sposób wymiarowania dotyczy tych przypadków gdy tworzywem konstrukcyjnym jest makrobeton asfaltowy lub asfalt lany.

Oba te materiały charakteryzują się wysokim stopniem wodoszczelności, a praktycznie można je uznać za całkowicie szczelne.

Jeżeli do budowy rdzenia zastosujemy beton asfaltowy drobno lub średnio ziarnisty o strukturze zamkniętej względnie cyklopobeton asfaltowy to wówczas jego grubość powinna wynosić 1,2 m - 2,5 m w dolnej części w kierunku korony zapory, grubość rdzenia może być stopniowo redukowana, jednak nie powinna być mniejsza niż 0,6 - 1,0 m.

Inną charakterystyką konstrukcji rdzenia jest jego smukłość wyrażona stosunkiem wysokości zapory do grubości rdzenia w poziomie podstawy

S =

Rdzenie z betonu asfaltowego charakteryzuje większa smukłość, a także grubością w stosunku do rdzeni z asfaltu lanego, makrobetonu asfaltowego.

Wpływają na to 2 przyczyny:

1. Mniejsza w porównaniu z innymi masami mineralnymi wodoszczelność betonu asfaltowego k = 1⋅10^-7 - 1 ⋅ 10^-8 cm/s

2. Technologia mechanicznego zagęszczenia i rozścielenia masy sprawia, że wymagana jest pewna minimalna szerokość konstrukcyjna rdzenia, większa niż szerokość sprzętu rozciągająco - zagęszczającego.

W uszczelnieniu zewnętrznym po obu stronach rdzenia należy zastosować warstwy przejściowe, które spełniają rolę warstw drenujących.

Wody przesączające się przez rdzeń ujmuje warstwa przejściowa od strony odpowietrznej i za pomocą odpowiedniego systemu odwodnienia odprowadza na zewnątrz korpusu zapory.

Obustronne warstwy przejściowe ograniczają i podpierają konstrukcję rdzenia.

Zadaniem warstw przejściowych jest też zespolenie i zazębienie rdzenia z korpusem zapory co ma istotne znaczenie występujące przy odkształceniach.

Warstwy przejściowe mają taką samą grubość jak rdzeń, w praktyce na strefy przejściowe używa się - żwiry grube, ale dla rdzeni utworzonych z betonów asfaltowych - tłuczeń, natomiast rdzenie z asfaltów lanych - piaski, pospółki. Należy unikać ryzyka migracji masy asfaltowej i jej penetracji pomiędzy materiał korpusu zapory.

Rodzaje mas asfaltowych

W zależności od przyjętej technologii wykonania robót oraz od zastosowanych konstrukcyjnych materiałów budowlanych wyróżniamy typy rdzeni uszczelniających:

1. Z asfaltów lotnych.

2. Z betonów asfaltowych.

3. Z makrobetonów asfaltowych.

4. Z cyklobetonu asfaltowego.

Dwa pierwsze są powszechnie znane i stosowane, makrobeton asfaltowy jest to kompozycja drobnoziarnista asfaltu lanego o temp. 180^oC zawierający znaczny nadmiar lepiszcza, do którego następnie wprowadza się kamieniwo wysuszone i otoczone asfaltem.

Kamieniwo stanowią żwiry grube, tłuczeń z kamienia naturalnego. Kamieniwo jest wprowadzane do gorącej masy za pomocą wibratorów płytowych.

Cyklopowy beton jest kompozytem dwóch podstawowych składników mastyksu asfaltowego i kamieniwa grubego, w proporcji 50% obj.

Cyklopowy beton w formach wykonanych z blach stalowych do których wylewa gorący mastyks asfaltowy, a następnie zatapia kamieniwo o wymiarach 150 - 300 mm, Uzyskana masa posiada znaczną plastyczność a także wysoką wodoszczelność.

Wymieniane materiały należą do termoplastycznych co oznacza, że cechy wytrzymałościowe są funkcją temperatury masy. Należą do konstrukcji materiałów budowlanych o strukturze mieszanej częściowo bezpostaciowej i częściowo krystalicznej.

Rekonstrukcja uszczelnień

Istnieje możliwość użycia mas do rekonstrukcji starych uszczelnień zapór uszczelnianych i narzutowych. Ogromne trudności sprawiają uszkodzenia skarp konstrukcji ekranów uszczelniających., elementy wykonane z betonów cementowych - warunki wodne, fizykochemiczne i atmosferyczne powodują, że beton pęka tworzą się wżery i ubytki, które w praktyce są trudne do naprawy. W takich przypadkach konstrukcje z betonu cementowego odpowiednio się oczyszcza i zagruntowane należy traktować jako przydatne pod budowę pod nową wykładzinę wodoszczelną, wytworzoną z hydrotechnicznych mas asfaltowych.

Rozwiązanie takie zapewni dobrą przyczepność mas asfaltowych do betonu cementowego a także gwarantuje wymaganą współpracę oraz wysoką wodoszczelność i odporność na działanie agresywnego środowiska. Do rekonstrukcji uszczelnienia mogą być wykorzystywane zarówno masy asfaltu lanego jak i drobnoziarniste betony asfaltowe o strukturze zamkniętej.

Inne sposoby uszczelniania korpusu zapory.

1.Rdzenie sztywne z betonu lub żelbetonu.

Stosuje się przy nie wysokich piętrzeniach do 30 m w zaporach na podłożu skalnym, mało odkształcalnym- duże odkształcenia podłoża mogą spowodować spękanie rdzenia.

Rdzenie sztuczne buduje się w miarę postępu robót ziemnych z wypiętrzeniem ich na wys. 3 - 4 m, znane są również przypadki wykonania całego rdzenia przed rozpoczęciem nasypu postęp robót ziemnych przy formowaniu nasypu powinien być jednakowy po obu stronach rdzenia. Podstawa rdzenia powinna być zakotwiona w podłożu skalnym. W obrębie podstawy rdzenia wykonuje się zazwyczaj galerię kontrolno - zastrzykową. Rdzeń dzieli się pionowymi dylatacjami w odstępach 10 m z uwagi na znaczną różnicę osiadań gruntu i betonu co utrudniało by współpracę materiału oraz na możliwość ścięcia rdzenia przez duże obciążenia spowodowane parciem gruntu i wody. Rdzenie tego typu są nie zbyt pewne.

2.Uszczelnienie z folii z tworzyw sztucznych

Np. zapora ziemno - narzutowa Mossion w Kanadzie - wys. 61 m z ekranem z gliny, który uległ deformacji wskutek odkształceń zapory i uszkodzenia warstw przejściowych. Celem jego zabezpieczenia było - na skarpie odwodnej o nachyleniu 1 : 3,8 ułożono uszczelnienie z folii PCW grubości 0,76 mm i przykryto warstwami ochronnymi - kolejno gliny, piasku i żwiru o łącznej grubości 2,0 m

Wykonano również zapory, w których folia została wykorzystana jako uszczelnienie podstawowe ( przykład zapora Contrada - Sabetta we Włoszech o wysokości 25 m. ) Ma ona ekran z folii o grubości 2 mm . Arkusze folii ułożono na warstwie betonu porowatego o grubości 10 cm podbudowanych na płytach betonowych o wymiarach 7,0×7,0×0,25 m. Warstwę ochronną nad folią wykonano z płyt żelbetowych o wymiarach 2,0×2,0×0,2

Zaletą uszczelnienia z folii jest niski koszt i łatwość wykonania, dla spowolnienia procesów starzeni się folii dodaje się stabilizatory. Ocenia się że przy zastosowaniu polietylenu lub PCW do zapory o wysokości do 50 m okres trwałości wynosi ok. 30 lat. Folia zabezpiecza przed dużymi zmianami temperatury i bezpośrednim napromieniowaniem promieniami słonecznymi.

Uszczelnienie podłoża zapory

Zapora wraz z podłożem powinna stanowić na tyle szczelny układ aby spełniać warunki:

- przesiąki nie mogą spowodować naruszenia zasad gospodarki wodnej zbiornika, a gradienty ciśnienia powinny zostać zmniejszone do wartości nie grożącym naruszaniu stateczności i struktury gruntu nasypu i podłoża.

W przypadku posadowienia zapory na podłożu przepuszczalnym o dużej miąższości uszczelnienie tylko korpusu nasypu prawie wcale nie zmniejsza przepływu filtracyjnego przez korpus ani nie zmniejsza ciśnienia piezometrycznego stąd też jeśli wymagane jest znaczne ograniczenie strat filtracyjnych a w podłożu zalegają grunty mieszane lub skały o jednakowej wodochłonności μ ≥ 0,01 - 0,09 l/min⋅mm należy liczyć się z koniecznością całkowitego lub częściowego uszczelnienia podłoża. Całkowite uszczelnienie podłoża stanowi ciągła przesłona łącząca konstrukcję uszczelnienia zapory z warstwa suchą zalegającą głębiej w podłożu (rys 1a-1d ).

Częściowe uszczelnienie może stanowić fartuch lub przesłona zawieszona, które wydłużają drogę filtracji w stopniu niezbędnym dla ograniczonego przecieku oraz dla zredukowania sił grawitacyjnych.

Podłoża przepuszczalne nie muszą być uszczelniane tylko w przypadku posadowienia na nich zapór bez uszczelnienia. W zaporach takich korpus projektujemy w taki sposób aby zapewnić przedłużenie drogi filtracji odpowiednio do dopuszczalnych strat wody i odporności gruntu na działanie sił filtracyjnych. Miejsce wypływu wody zabezpieczamy odpowiednim drenażem. Rozwiązania takie mogą być stosowane w zaporach niskich . Należy mieć na uwadze że „k” podłoża wpływa na ilość filtrującej wody a nie na rozkład ciśnienia i siły filtracyjnej i wielkości tych wymiarów. Stosując przesłony o wysokiej szczelności tj. gdy k_przes ≤ 10^-2 k_podł

W przypadku mało przepuszczalnego podłoża i konieczności redukcji ciśnienia i sił filtracyjnych stosuje się odpowiednie drenaże, jednak w tym przypadku należy uwzględnić właściwości filtracyjne korpusu zapory i ewentualne przewarstwienia gruntu o większej przepuszczalności.

Uszczelnienie podłoża skalnego wykonanego w formie pionowej przesłony zastrzykowej którą stanowi wąska i głęboka strefa skały, której spękania i szczeliny zostały wypełnione materiałem wtłoczonym w otwory wiertnicze.

W przypadku zapór niskich na podłożu skalnym bardzo silnie przepuszczalnym uszczelnienie zastrzykowe jest bardzo trudne i kosztowne. Można stosować uszczelnienie powierzchni w postaci pomru wykonanego z gliny, asfaltu lub folii. Uszczelnienie takie może być stosowane jeżeli charakter szczelin i położonych wód gruntowych wskazuje wyłącznie na ruch laminarny wody w podłożu. W przypadku występowania kawern, dużych spękań, kanałów np. krasu należy po niezbędnym rozeznaniu zlikwidować spękania przez zabetonowanie powierzchni stref wlotów lub zabetonować strefy podziemne betonem wprowadzanym pod ciśnieniem.

Uszczelnienie gruntu ścian wykonujemy przy zastosowaniu stalowych ścian, szczelnych przesłon betonowych lub z glinocementu wykonywany w wąskich wykopach pod osłoną zawiesin tiksotropowych, a także zastrzyk. Przesłony szczelne powinny mieć zapewnioną ciągłość projektową .

Wykład 23 III 1999

1.Uszczelnienie pionowe podłoża przesłoną zastrzykową.

Przesłona składa się z jednego lub kilku otworów wiertniczych do których wprowadza się pod ciśnieniem materiał przeznaczony do uszczelnienia podłoża. Przesłony łączy się ze stopą uszczelnienia korpusu zapory bezpośrednio lub poprzez galerię zastrzykowo - kontrolną. Głębokość przesłony powinna osiągać skałę nie zwietrzałą i mało spękaną, której wodochłonność odpowiada jednostką Lugeona q = 0,01 - 0,03 l/min⋅mm.

Odstęp między otworami w rzędzie ustala się na podstawie próbnej cementacji kilku kolejnych zastrzykiwanych otworów rozmieszczonych w kilku odstępach.

Na podstawie pomiarów wodochłonności przed i po cementacji w otworach cementacyjnych i rozmieszczonych między nimi otworach kontrolnych określa się promień rozchodu roztworu w szczelinach skały i zakres skutecznego uszczelnienia korpusu z jednego otworu.

Rozstaw otworów przyjmuje się w granicach 1,6 - 1,8K.

W praktyce rozstawy wynoszą najczęściej 1,5 - 6,0 m, przy czym rozstaw może być większy im większa jest wodochłonność skały. Liczba rzędów przesłony zależy od wymaganej grubości przesłony i od wzajemnych powiązań między otworami zależnych od rozchodzenia zawiesiny. Grubość przesłony można sprawdzać na dopuszczalny gradient filtracji w obrębie przesłony i =
( rys 2)

Wartość dopuszczalnego gradientu zależna jest od rodzaju materiału użytego do zastrzyku.

Dla zawiesin cementowych i zapraw cementowo - piaskowych przyjmuje się i = 20 - 25, roztworów cementowo - iłowych i = 10 - 15.

W miejscu połączenia przesłony z podstawą rdzenia zapory gradient nie powinien być mniejszy od smukłości rdzenia lub przesłona powinna być oddzielona od rdzenia blokami betonowymi.

Przesłony zastrzykowe wykonuje się zwykle jako pionowe. W pewnych warunkach np. przy nachyleniu stromym, konieczne jest wykonanie przesłon nachylonych tak aby kąt między osiami otworu i głównymi płaszczyznami kliwiarzu ( cios skały ) nie był od 30^o.

Średnica otworów wierceń zastrzykowych powinna być najmniejsza aby zapewnić określoną prędkość przepływu roztworu. Zastrzyk wykonuje się metodą zastępczą tj. od góry lub od dołu ( rys. 3 )

Metoda od góry pozwala na stosowania większych ciśnień a zatem większych rozstaw, a metoda od dołu jest stosowana w skałach bardziej spękanych przy większych ciśnieniach roztwór może obejść uszczelkę i zacementować otwór.

Metoda ta jest tańsza i szybsza i pozwala na oddzielenie robót wiertniczych od robót zastrzykowych. Strefy zastrzykowe w skale wynoszą zazwyczaj 3 - 5 m.

W utworach aluwialnych zastrzyki wykonuje się z otworów zarurowanych.

Rury podciąga się po zacementowaniu strefy o 20 - 30 cm Konieczne jest przy tym wykonanie najpierw cementacji powierzchni terenu, prowadzi się ją z siatki gęsto wbitą w grunt z perforowaną końcówką podciąganych w miarę wykonywania zastrzyków.

Do zastrzyków w aluwiach stosujemy rury z wentylami mankietowymi z kauczuku, które wprowadza się do otworów wiertniczych (rys 4 )

Do zastrzyków stosujemy różne substancje których klasyfikację podano w tabeli 1

Roztwory cementowo - wodne ( zawiesiny nietrwałe )

Stosowane w stosunku
, wymagają one stale dużych ciśnień, które wpływają na rozwarcie szczeliny ułatwia penetrację danej zawiesiny. Gęstość zawiesiny stopniowo się zwiększa do zlikwidowania chłonności strefy.

Zastrzyki cementowe są nie przydatne do stref aluwialnych, już przy ziarnach mniejszych niż 0,2 mm - cement nie dostaje się do porów, przy grubych - cement obejmuje bliskość otworów - niewielki zasięg uszczelnienia strefy

W zawiesinach stabilizowanych nie występuje sedymentacja materiałów więc mają one lepszą przenikalność, wielkość ciśnienia odgrywa mniejszą rolę nawet przy spękaniach, duże ciśnienia mogą być niekorzystne.

Zawiesiny stabilizowane nadają się do zastrzyków z piasków i żwirów, ich wytrzymałość mechaniczna podobnie jak betoniu jest wyższa od wytrzymałości emulsji bitumicznych.

Żywice organiczne są materiałem o lepkości bardzo małej, a więc niezwykle przenikliwymi - ich lepkość do momentu polimeryzacji jest tylko 1,5 - 2 razy większa od lepkości wody.

Można przyjąć, że przenikają przez każdy ośrodek przez który przenika woda, a więc mogą być stosowane do uszczelnień najdrobniejszych szczelin.

Rys 5 przedstawia zakres stosowania różnych materiałów w zależności od uziarnienia podłoża.

W podłożu mają powstawać wtórne próżnie na skutek sedymentacji zawiesin nietrwałych wskutek skurczu podczas wiązania. W celu ich wyeliminowania stosujemy niekiedy zawiesiny ekspansywne, które uzyskuje się przez dodanie do cementu gipsu, pyłu dymicowego, piasków aluwialnych. Mała domieszka tego materiału eliminuje wpływ skurczu, przy większej domieszce można uzyskać w podłożu określona naprężenia efektywne. Działanie domieszki gipsu i popiołu daje słabsze wyniki, lepsze wyniki dają aluwia lub mieszanina siarczanu glinu i wapnia

Przykład:

1.Zapora w Tresnej rys b

Przesłona jednorzędowa wykonana w warstwach godulskich fliszów karpackich o spękanych piaskowcu

2.Zapora Serre - Poncon rys 7

Przesłona wielorzędowa wykonana w aluwiach rzeki Purance.

Przesłona w wykopach pod osłoną zawiesiny tiksotropowej ( porów w zaporze Głiwinów)

2.Uszczelnienie poziome podłoża - fartuchy szczelne

Jeżeli podłoże szczelne występuje na bardzo dużej głębokości lub gdy budowa i właściwości filtracyjne podłoża uniemożliwiają wykonanie przesłon pionowych stosuje się uszczelnienie poziome dna zbiornika.

Zakres takich uszczelnień jest uzależniony od warunków geologicznych i wymaganego stopnia uszczelnienia - w krańcowych przypadkach uszczelnia się całkowicie dno zbiornika. Turgue w Ibicy - powierzchnia 600 ha i głębokość do 35 m - jako uszczelnienie zastosowano folię polietylenową o grubości 0,2 mm układaną paskami o szerokości 430 cm i zgrzewano na stykach. Folia została zabezpieczona warstwą ochronną gruntu grubości 0,5 m.

Przykład rozległych uszczelnień poziomych można zobaczyć na przykładzie zapory Ultinape w Turcji, której podłoże zbudowane jest z aluwiów o miąższości 30 cm zalegających na zwietrzałych i skrasowiałych wapieniach. Wykonanie przesłon zastrzykowych w takich warunkach jest bardzo utrudnione, wobec tego wykonano uszczelnienie poziome z gliny na długości 700 m powyżej zapory.

Grubość fartucha wynosi 1 m przy piętrzeniu 25 m, na zboczach zastosowano uszczelnienie betonem na płytko występującej skale. Uszczelnienie poziome w większości przypadków jest tylko częściowe i jego zadaniem jest zmniejszenie gradientu ciśnień filtracyjnych w obrębie korpusu zapory o 40 - 60 % i odpowiednie zmniejszenie strat filtracyjnych ze zbiornika.

Szerokość uszczelnienia fartucha która zapewnia uzyskanie takiego wyniku w przypadku jednorodnego materiału powinna wynosić 3 - 5K gdzie K - wysokość piętrzenia.

Dalsze zwiększanie szerokości fartuch jest coraz mniej skuteczne i ekonomicznie nie uzasadnione.

W Polsce zastosowano fartuch z gliny o ograniczone szerokości przy zaporze w Przesycach na Przemszy, Czancu na Sole rys 8 przy obwałowaniach bocznych zbiornik w Tresnej :

Grubość fartuch z gliny wynosi 1/15 - 1/25 ciśnienia wody lecz nie mniej niż 0,5 m Fartuchy muszą być zabezpieczone przed uszkodzeniami mechanicznymi, przesychaniem, przemarzaniem.

Zabezpieczenia wykonuje się w formie gruntowej w warstwie ochronnej grubości 0,5 - 1,0 m. sposób ten nie może być zastosowany w przypadku zbyt płytkiego zalegania silnie spękanego podłoża skalnego w którym występują wody szczelinowe.

Straty ciśnienia wody przepływającej w szczelinach są często znacznie mniejsze od strat w ośrodku filtracyjnym.

Ponadto w szczelinach może następować wymywanie i przemieszczanie materiału wypełniającego. Ograniczający wpływ krótkiego uszczelnienia fartucha na ruch wody w szczelinach jest bardzo mały i maleje w miar przemywania szczelin w efekcie istnieje niebezpieczeństwo wystąpienia źródeł i przebić hydraulicznych podłoża w dolnym stanowisku zapory co jest trudne do zlikwidowania i bardzo niebezpieczne dla stateczności zapory.

Połączenia uszczelnienia podłoża i korpusu.

Miejsce połączenia uszczelnienia korpusu zapory tj. rdzeń lub ekran z uszczelnieniem poziomym lub pionowym podłoża wymaga specjalnego rozwiązania tak, aby szczelność połączenia była zapewniona we wszystkich warunkach obciążenia i odkształcenia budowli.

Proste połączenie ekranu żelbetowego z glinowym fartuchem stanowi rozwiązanie zastosowane w zaporze w Przeczyczch (rys9 ).

Dla zapór niskich rozwiązanie takie jest wystarczające pod warunkiem starannego zagęszczenia gliny na styku z betonem w zaporach średnich i wysokich stosujemy bardziej skomplikowane połączenie ekranu z przesłoną. Blokiem łączącym obydwa elementy jest galeria kontrolna ( rys 10 ), rozwiązanie takie jest celowe gdyż umożliwia zainstalowanie piezometrów ciśnieniowych dla kontroli skuteczności uszczelnienia podłoża oraz pozwala na ewentualne wykonanie zastrzyków uzupełniających. Galeria ułatwia również i przyspiesza budowę zapory pozwalając na wznoszenie nasypu przed ukończeniem uszczelnienia podłoża. Uszczelnienie prowadzi się z galerii i nie hamuje to dalszych robót i innych ( uszczelnienie podłoża w zaporze w Trenszej ) - połączenie rdzenia z gliny z przesłoną cementową stanowi galerię.

Łączenie rdzenia z gliny z betonem wymaga bardzo starannego przygotowania gładkiej powierzchni betonu. Przykładem prawidłowej konstrukcji styku rdzenia z przesłoną cementową stanowi płyta stykowa rozbudowana - Sance w Czechach. W najniższej dotychczas z zapór. Nany o wysokości ponad 300 m (ZSSR) - szerokość rdzenia u podstawy najwyższej części zapory dochodzi do 60 m, rdzeń zapory posadowiony jest bezpośrednio na umocnionej zastrzykiem skale podłoża, wzdłuż połączenia znajdują się 3 równoległe galerie zastrzykowe. Galeria zastrzykowa ma wymiary w świetle 4,5×5,5, skrajne 3,5×5,5.

Aby zapobiec filtracji po kontakcie gliny z betonem wykonujemy wklęsły stop płyty, uzbrajamy powierzchnię betonem aby nie dopuścić do powstania rys, które mogłyby prowadzić wody wymywające gliny z kontaktem.

Pokryto folią PE i dwoma warstwami na materiale szklanym glejowymi żywicami epiksodowymi.

Ekrany z folii łączy się z uszczelnieniem podłoża za pomocą zęba betonowego, która folia zostaje zabetonowana.

Tworzy ona w bloku kilka fałdów wydłużających ewentualną filtracji po powierzchni styku.

Rozwiązania takie są technicznie skomplikowane, prostsze połączenie wystarczające dla ciśnienia wody do kilkunastu metrów można uzyskać przez przyklejenie folii ekranu do bloku betonowego wchodzącego w przesłonę podłoża i przez zabezpieczenie styku z gliną.

Drenaże w zaporach i podłożach.

Celem drenażu jest obniżenie ciśnienia wody w porach a przez to polepszenie warunków stateczności zapory i podłoża oraz przyspieszenie konsolidacji w trakcie budowy.

W czasie eksploatacji zapory tj. w warunkach filtracji ustalonej zmniejszenie ciśnienia wody powinno zapewnić położenie linii depresji na głębokości 1,5 m pod powierzchnią skarp.

Drenaż ma również za zadanie niedopuszczenie wody do niektórych części korpusu, gdzie grunty są zbyt mało przepuszczalne lub po nawodnieniu mało nośne oraz zmniejszenie zagrożeń spowodowanych spękaniem materiału zapory poprzez odcięcie dopływu wody do spękanej części korpusu i ograniczenie dzięki temu rozmywania szczelin.

Zadaniem drenażu jest również ujęcie i odprowadzenie wód przesiąkających przez korpus i podłoże. Jest to zadanie wynikające z głównego celu i sposobu jego technicznej realizacji ponieważ bez ujęcia wody i odprowadzenia nie jest możliwe obniżenia ciśnienia wody w porach.

Drenaż jest stosowany zawsze, a więc stanowi stały element konstrukcji zapory. Występuje on w różnej formie w zależności od konkretnego przypadku. Drenaż stosujemy najczęściej przy stopie skarpy odpowietrznej, pomija się go tylko gdy istnieje drenaż naturalny, dotyczy przypadku gdy podłoże jest bardziej przepuszczalne niż korpus gdy część odpowietrzna korpusu wykonana jest z gruntu gruboziarnistego lub gdy przesiąki są tak nieznaczne, że uznaje się je za nieszkodliwe.

Ostatni przypadek może występować wtedy gdy korpus zapory niskiej tj. o wysokości ok. 5 m wykonany jest z gruntów spoistych lub jest bardziej zabudowany np. przez zastosowanie skarp o małym nachyleniu.

Drenaż może być wykonany w każdym miejscu korpusu i podłoża zarówno od strony odpowietrznej jak i odwodnej.

Wybór lokalizacji drenażu zależy od celu zastosowania, sposobu działania oraz możliwości wykonawczych.

Rodzaje drenaży

1. Powierzchniowy (rys 1a ) wykonany jest w celu zabezpieczenia skarpy odpowietrznej przed uszkodzeniami wynikającymi z przesiąkającej wody jak również ujęcia tych wód i odprowadzenia ich do rowu, kanału a niekiedy za teren. Stosuje się go w budynkach tymczasowo lub stałych gdy przesiąki na skarpie występują w okresach wezbrań ( np. ujęciach zapór położonych na wysokich tarasach ).

Należy podkreślić, że drenaż ten nie obniża linii depresji, nie poprawia warunków stateczności ani nie chroni przed zamarzaniem wody w porach. Dlatego nie należy go stosować wtedy gdy przewiduje się stosować go w warunkach zimowych. Jeżeli jednak w wyjątkowych przypadkach został zastosowany przykrywa się go matami słomowymi, śniegiem w celu ochrony przed zamarzaniem.

Drenaż powierzchniowy jako narzuty kamienne lub żwirowe o grubości warstwy 0,3 - 0,5 m na filtrach odwrotnych, górna krawędź drenażu powinna sięgać co najmniej 0,5 m powyżej obliczeniowej rzędnej wtłaczania się fali oraz do najwyższego możliwego wytaczania się wody tj. przecięcia linii depresji ze skarpą.

Ponieważ wyniki obliczeniowe położenia krzywej depresji obarczone są dość dużym błędem zaleca się stosowanie zapasów wysokości drenażu rzędu 1,0 m.

2. Drenaż w postaci pryzmy kamiennej (1b) stosunkowo najpewniejszy typ odwodnej skarpy odpowietrznej stosowany gdy mamy do dyspozycji taki kamień z wyłomów lub gdy zastosowanie tej konstrukcji wynika z przyjętego sposobu budowli. Występuje wtedy gdy wykorzystano jako pryzmę drenażową nasyp kamienny stanowiący element przegrodzenia koryta rzeki. Drenaż ten jest wykonany w przypadku gdy skarpa odwodna narażona jest na długotrwałe podtopienia i falowania od strony dolnego stanowiska. Pryzma kamienna umożliwia obniżenie linii depresji przy czym wielkość obniżenia zależy od wymiarów i położenia pryzmy, chroni przed przemarzaniem oraz ujmuje i odprowadza wodę. Pryzma stanowi element podpierający zaporę, a więc polepsza jej warunki stateczności przy czym wpływ podparcia jest niewielki. Może mieć praktyczne znaczenie gdy pryzma ma znaczną wysokość w stosunku do wysokości korpusu. W drenaż kamienny mogą być wbudowane przewody rurowe. Pryzmy kamienne ( rys 2 ) wykonuje się z trwałego kamienia dla oszczędzenia materiału są one układane. Jednak gdy wymagają tego warunki wykonania są one sypane np. nasyp podwodny, chroni się je od strony korpusu i podłoża filtrem kamiennym Minimalna szerokość korony 1,0 m Nachylenie skarpy odwodnej 1 : 1,25 Nachylenie skarpy odpowietrznej 1 :1,5. Podane wymiary dotyczą przypadku, gdy nie jest stosowany dodatkowy drenaż powierzchniowy. Wymiary minimalne są stosowane bardzo rzadko ponieważ o wielkości pryzmy decydują względy wykonawcze. W zaporach małych tj. o wysokości do kilku metrów rolę drenażu spełniać może nasyp ze żwiru, tłucznia, pospółki, piasku. Na dużych rzekach nizinnych w końcowym etapie budowy konieczne są bardzo skomplikowane prace związane z przegrodzeniem koryta rzeki wykonane z kamienia tworzącego korpus o znacznych wymiarach, który może być wykorzystany jako pryzma drenażowa. Powoduje to jednak duże trudności np. konieczność sypania pod wodą warstw filtrów odwrotnych, które muszą być stosowane zarówno od strony odpowietrznej jak i odwodnej. Pod drenażem filtry nie muszą być wykonane na całej szerokości pryzmy kamiennej, wystarczy dać je na odcinku gdzie występują duże gradienty wyjściowe.

3. Drenaż powierzchniowy z pryzmą kamienną ( rys 1c )

Stosowany jest w przypadkach gdy mamy znaczne wahania zwierciadła wody w dolnym stanowisku i to wymagałoby stosowania pryzmy kamiennej o bardzo dużych rozmiarach a więc stosunkowo drogiej. Dla określenia proporcji pomiędzy częścią powierzchniową drenażu, a pryzmową należy przeprowadzić analizę warunków jego funkcji tj. wysokości i częstotliwości stanów wody i fali wiatrowej na dolnym stanowisku.

4. Drenaż płaski poziomy na styku korpusu i podłoża. ( 1d )

Stosowany jest głównie w celu znacznego odsunięcia krzywej depresji od skarpy odpowietrznej, dotyczy to przypadków gdy stosowanie drenażu rurowego nie jest wskazane ze względu na dużą jego głębokość lub możliwość wystąpienia znacznych nierównych osiadań. Drenaż ten stosowany jest wtedy gdy należy odwodnić powierzchniową warstwę podłoża i poprawić warunki konsolidacji nasypu. Nie należy go stosować wtedy gdy drenaż może być zatopiony tj. przy występowaniu stanów wody dolnej powyżej terenu. Odmiana płaska drenażu poziomego ( 1e ) stosowana jest gdy odwodnienie podłoża i przyspieszenie konsolidacji nie jest konieczne a dopływy do drenażu są nieduże.

Drenaż płaski wykonany jest z kamienia układanego w warstwie o grubości 0,5 - 1,0 m, a w zaporach niskich o grubości 0,3 m chronionej filtrem odwrotnym w przypadku gdy w zaporze i podłożu występują grunty spoiste drenaż ten może być wykonany z warstwy piasku średniego Pg o miąższości 0,3 - 0,5 m. W drenażu nie doprowadzonym do skarpy odpowietrznej ( 1e ) należy wykonać odprowadzenie poprzeczne w odstępach co ok. 50 m.

5. Drenaż stanowiący połączenie pryzmy kamiennej z drenażem płaskim i powierzchniowym ( 1f )

Ma on zastosowanie gdy występują znaczne wahania stanu wody dolnej a w warunkach normalnej eksploatacji wskazane jest odsunięcie krzywej depresji w głąb zapory.

6. Drenaż rurowy (rys 1g )

Stosowany najczęściej w zaporach niskich gdy głębokość założenia rury nie przekracza 3 - 4 m, gdy nie przewiduje się nierównomiernych osiadań, a także gdy woda dolna układa się poniżej osi drenażu w przypadku gdy dopływ do drenażu jest znaczny stosujemy drenaż rurowy złożony z kilku przewodów.

Drenaże rurowe stosujemy głównie ze względów ekonomicznych i wykonawczych, przy czym są one uznane za mniej pewne niż kamienne.

Drenaże rurowe (rys 4) mogą być wykonane z różnych materiałów:

• przewody perforowane betonowe

• żelbetowe

• kamionkowe

• stalowe

• z tworzyw sztucznych

Średnice rur stosowane są nie mniejsze niż 0,3 m z wyższych co najmniej 0,5 m.

W wysokich zaporach i zaporach, których działanie drenażu jest ważne stosuje się drenaże przełożone w postaci żelbetowych galerii odwadniających. Stosowanie drenażu nie perforowanego w niskich i mniej ważnych zaporach. Wynika to stąd, że woda dopływa przez styki między przewodami i może powodować zamulenie. Zamiast rur perforowanych stosowanych z betonu, przewody drenażowe chronione są filtrami odwrotnymi o grubości warstw 0,2 - 0,5 m, a niekiedy do 1,0 m.

Co 50 - 100 m wykonuje się studzienki kontrolne o średnicy co najmniej 1,0 m. rurociąg dopływowy wprowadzany jest do studzienki powyżej zwierciadła wody, a więc powyżej rurociągu odpływowego, w celu ułatwienia obserwacji kontrolnych.

Drenaż wykonany bez studzienek może być wykonany tylko w zaporach o niewielkim piętrzeniu do 5,0 m, a odpływ z drenażu wykonujemy w postaci krótkich rurociągów odprowadzających, których wyloty lokalizuje się naprzeciw studzienek kontrolnych lub co

50 m jeśli brak jest studzienek.

7. Drenaż płaski wewnętrzny ukośny lub pionowy. ( 1h )

Stosowany zwykle w celu zabezpieczenia położonego za nim klina gruntu zapory o małym współczynniku filtracji, przed przedostaniem się do wód przesiąkowych grunt taki nie byłby w stanie odprowadzić wód przesiąkowych, które obniżyłyby parametry wytrzymałościowe co mogłoby zagrozić stateczności całej konstrukcji.

8. Drenaż pionowy w osi lub w pobliżu osi ( 1i )

Stosowany w zaporach z gruntów spoistych, ma za zadanie zabezpieczenie ich w przypadku wystąpienia spękań korpusu albo poprawę jego stateczności przy gwałtownym obniżeniu zwierciadła wody w zbiorniku.

Drenaże wewnętrzne, ukośne, pionowe w korpusie zapory z gruntów spoistych wykonane są jako warstwy piaskowe, niekiedy pospółkowe o grubości co najmniej 0,3 m - drenaż poziomy, 0,5 m - drenaż ukośny i pionowy, układanych i zagęszczanych ręcznie, a 1,0 m przy stosowaniu sprzętu mechanicznego.

Drenaże wewnętrzne pionowe wprowadzone zostały do budowy zapór z iłów miejscowych zagęszczonych przy wilgotności ok. 2%, mniejszej od optymalnej w celu niedopuszczenia do powstania zbyt wysokiego ciśnienia wody w porach ( rys 3 )

Stosowane drenaże o średnicy 1,0 m. wpuszczane na ok. 5,0 m. w podłoże wykonane były z naturalnego piasku rzecznego i lokalizowano je blisko osi zapory po stronie odpowietrznej. Sposób budowy był następujący:

Drenaże ułożono i zagęszczono w nasypie iłowym, na połowie jego długości, wykonano wykop o głębokości 0,3 - 1,0 m. i następnie zasypano go mokrym piaskiem. Zagęszczono sprzętem wibracyjnym lub zwykłym, nad zakończonym pionowym odcinkiem drenu układano dalej nasyp iłowy i powstał cały tok budowy.

Rozwiązania podobne, kiedy szerokim drenażem centralnym stosowano również dla poprawienia warunków stateczności skarpy odwodnej przy nagłym obniżeniu zwierciadła wody w zbiorniku.

9. Drenaż na skarpie odwodnej ( 1j )

Stosowany jest wtedy gdy skarpa jest uszczelniona okładziną betonową, asfaltową, stalową lub inną, drenaże takie stosowane są zawsze gdy korpus pod uszczelnieniem jest niedostatecznie przepuszczalny tj. orientacyjnie przy k < 10 ^-2cm/s. Wykonany jest z warstwy żwiru lub tłucznia grubości 0,3 - 0,5 m. albo z betonu porowatego lub asfaltobetonu.

Woda z drenażu odprowadzana jest do galerii lub przewodu biegnącego u stopy skarp i odprowadza ją na stronę odpowietrzną przez cały korpus zapory.

Wykład 20 IV 1999

Poziome warstwy drenujące - płaski poziomy drenaż korpusu. Stosowane są w korpusach z gruntów spoistych lub mało przepuszczalnych zarówno w zaporach z uszczelnieniem jak i bez niego. Lokalizacja warstw drenujących może być rożna np. tylko od strony odpowietrznej i tylko od strony odwodnej lub z obu stron. Drenaże od strony odwodnej mają głównie za zadanie obniżenie ciśnienia wody w porach przy opróżnianiu wody w zbiornika i w czasie konsolidacji natomiast drenaże od strony odpowietrznej mają na celu zmniejszenie ciśnienia w okresie konsolidacji odprowadzenie przesiąków . W zaporach z obustronnymi drenażami poziomymi rolę elementu uszczelniającego spełnia środkowa część korpusu.

Drenaż podłoża ( 1 m, n )

Stosuje się gdy pod zaporą zalegają przewarstwienia wodonośne lub grunty o większym współczynniku filtracji w kierunku poziomym niż pionowym. Drenaże poziome w podłożu jako urządzenia zmniejszające ciśnienie w gruncie mogą być stosowane w przypadkach jeżeli możliwe jest przecięcie nakładu nieprzepuszczalnego zalegającego nad warstwą przepuszczalną albo w układach uwarstwionych przecięcie całej lub znacznej części podłoża, w której występuje woda pod ciśnieniem.

Pod względem konstrukcyjnym mogą to być rowy drenażowe albo gładkie galerie przejmujące wodę z dennej zasypki nad nimi.

Odwodnienie podłoża może być wykonane także poprzez wymianę gruntu pod zaporą w taki sposób aby zastąpiony przepuszczalny grunt przecinał znaczną część miąższości warstwy podłoża uwarstwionego albo charakteryzującego się większą wartością współczynnika filtracji w kierunku poziomym niż pionowym. Podłoża aluwialne zapór charakteryzują się prawie zawsze większą wartością współczynnika filtracji w kierunku poziomym niż pionowym, wynika to z występowania przewarstwień lub naprzemianległych warstw gruntów spoistych i sypkich albo gruntów jednego rodzaju albo o różnych współczynnikach filtracyjnych. W takich przypadkach ciśnienie wody w gruncie pod zaporą i terenie od strony odpowietrznej mogą być tak duże, że wystąpienie przebicia hydraulicznego powinno zostać zabezpieczone przeciwfiltracyjnie tj przepony pionowe i fartuchy po stronie odwodnej oraz drenaże płaskie po stronie odpowietrznej.

Tego rodzaju zjawiska były przyczyną zastosowania pionowego drenażu podłoża w postaci studni odciążających o średnicach 0,15 m albo większych rozmieszczonych w odstępach co 15 - 30 m.

Studnie powinny być tak głębokie, aby sięgały do spągu warstwy przepuszczalnej lub co najmniej do 75 % jej miąższości. Studnie płytsze zagłębione na głębokość mniejszą np. ok. 50% miąższości warstwy są mało skuteczne szczególnie wówczas gdy współczynnik filtracji tej warstwy wzrasta z jej głębokością. Studnie takie wymagają znacznych kosztów utrzymania a w wielu przypadkach trzeba je wymieniać co jakiś czas. Na trwałość studni obciążonych trwale wpływ ma korozja materiału, filtrów i rur. Odporne są filtry drewniane i z tworzyw sztucznych mniej metalowe. Praktyka wykazuje że wydatek studni w trakcie eksploatacji nigdzie nie jest tak duży jak bezpośrednio po ich oddaniu do użytku, wynika to z działania wielu tj. zamulanie, odkładanie minerałów na siatkach filtrów. Studnie obciążające w porównaniu z innymi mają zaletę że można powiększyć ich liczbę już w trakcie eksploatacji wiercąc dodatkowe otwory.

Stateczność zapór i podłoża

1. Zasady ogólne

Stateczność zapory wraz z podłożem powinna być zachowana we wszystkich możliwych przypadkach pracy tj.

• budowlany

• obciążenia wodą przy pierwszym napełnianiu zbiornika

• eksploatacji

W okresie budowy analizuje się warunki stateczności skarpy odpowietrznej i odwodnej zapór większych od 15 m oraz zapór namywanych i zapór posadowionych na słabych gruntach nie zależnie od ich wielkości.

W czasie namywania grubościennych elementów ściennych oblicza się stateczność ich skarp przy uwzględnieniu ciśnienia wody w porach gruntu spoistego spowodowanego konsolidacją. W okresie pierwszego napełniania zbiornika analizuje się stateczność skarpy odwodnej warstw ochronnych elementu uszczelniającego i podłoża ze szczególnym uwzględnieniu osiadań. Wzrastające obciążenie powoduje osiadania i przemieszczenia poziome gruntu prowadzące do lokalnych deformacji, stąd też prędkość podnoszenia wody w zbiorniku jest uzależniona od warunków stateczności zapory, a obciążenie od wody uwzględniane jest w obliczeniach jako zmienne.

W okresie eksploatacji uwzględnia się normalne i nadzwyczajne warunki pracy. W normalnych warunkach oblicza się tylko stateczność skarpy odpowietrznej z uwzględnieniem ciśnienia filtracyjnego. W schemacie stateczności obciążenie przyjmuje się przy napełnieniu zbiornika do rzędnej normalnego piętrzenia dna poziomu wody dolnej odpowiadającej średniemu z niskich przepływów.

Jeżeli w tych warunkach analizuje się stateczność skarpy odwodnej to ciśnienie filtracyjne uwzględnia się tylko dla zapór stanowiących obwałowanie górzystych zbiorników elektrowni pompowo - szczytowych.

W nadzwyczajnych warunkach pracy w schemacie statycznym zwierciadło wody w zbiorniku przyjmuje się na rzędnej dopuszczalnego piętrzenia, natomiast poziom wody dolnej odpowiada przepływowi miarodajnemu. Obliczenie stateczności obejmuje skarpy odpowietrzną i odwodną oraz element uszczelniający przy uwzględnieniu ciśnienia filtracyjnego, przy czym dla skarpy odwodnej zakłada się szybkie obniżenie poziomu wody w zbiorniku.

Obliczenie stateczności wykonuje się dla charakterystycznego przekroju zapory, który osiąga największą wysokość, dla odcinków w łuku, o odmiennej budowie geologicznej podłoża.

Założenie obliczenia opiera się na teorii sprężystości lub w warunkach równowagi granicznej przy czym w tym II przypadku zakłada się, że jeżeli obciążenie przekroczy nośność gruntu to ścięcie następuje jednocześnie wzdłuż całej powierzchni poślizgu.

Parametry obliczeniowe określa się albo z badań terenowych prowadzonych bezpośrednio na placach budowy albo z badań laboratoryjnych prób gruntu których ilość i sposób pobrania określa się w zależności od warunków geologiczno - inżynierskich. Do obliczeń przyjmuje się wartości średnie

Z wykonanej serii I typu określa się wartości graniczne dodając lub odejmując od średniej arytmetycznej z wszystkich wyników ± 50% jej wartości. Główne badania dotyczą parametrów mechanicznych gruntu tj. c i ϕ.

Wyznacza się je ze ścinania prób gruntu w aparacie trójosiowym, które może być przeprowadzone w różny sposób przy czym rozróżnia się 3 sposoby badania:

1. Szybkie ścinanie nieodwodnionej próby, wyniki uzyskane z badań tego typu przyjmuje się przy obliczaniu stateczności skarpy odwodnej dla przypadku nagłego obniżenia się wody w zbiorniku

2. Szybkie ścinanie próby wcześniej skonsolidowanej, wyniki ścinania wg tego typu badań przyjmuje się do obliczenia stateczności elementów szczelnych w zaporze oraz skarp wykopów w gruntach ilastych i gliniastych dla przypadku budowlanego a także pierwszego napełniania zbiornika wodą

W przypadku wykonywania skarpy w wykopie następuje obciążenie gruntu dlatego wskazane jest aby w trakcie badania próbę najpierw obciążyć wstępnymi siłami mniejszymi od ścinających następnie odciążyć i dopiero obciążyć aż do ścięcia.

3. Powolne ścinanie z konsolidacją w czasie ścinania. Wyniki uzyskane z badań tego typu wykorzystywane są w obliczeniu stateczności gruntów przepuszczalnych dobrze zagęszczonych.

Zapory ziemne posadawiane na gruntach mineralnych dlatego w obliczaniu stateczności należy uwzględnić ich współpracę z podłożem, grunt podłoża może ulec ścięciu, co powoduje odkształcenia podłoża a wraz z nim zsuw skarpy.

Deformacje mogą się ograniczyć do korpusu zapory odkształcenie podłoża może być spowodowane zapadnięciem się warstwy lub sufozją jako skutku działania sił powstających po wzniesieniu zapory i spiętrzeniu wody w zbiorniku.

Utrata stateczności skarpy może nastąpić na skutek hydraulicznego zarwania gruntu lub może być wywołane przez erozję wsteczną w wyniku wyciekania wód filtracyjnych na skarpę może to również wystąpić na skutek wzrostu ciśnienia w porach gruntu z którego wykonano rdzeń oraz w wyniku konsolidacji.

Obciążenia działające na zapory ziemne i podłoże

Dzielą się na:

1. statyczne, do których zaliczamy: ciężar właściwy korpusu zapory, parcie spiętrzonej wody, osadów (namułów ), parcie fal, wypór pod stopą, parcie lodu, podsiąk kapilarny

2. dynamiczne, do których zaliczamy: uderzenia fal, uderzenia kry lodowej, obciążenia od środków transportu, ciśnienie filtracyjne i wstrząsy sejsmiczne

Obciążenia wywołują naprężenia i odkształcenia w zaporze jej elementach i obiektach w niej zbudowanych.

Do obliczeń statycznych przyjmuje się różne układy obciążeń dla różnych okresów budowy, eksploatacji i remontu, a mianowicie: podstawowe, dodatkowe i wyjątkowe.

Ogólne zasady doboru układu obciążeń są następujące:

1. W każdym układzie uwzględnia się tylko te obciążenia, które mogą działać równocześnie na budowę jej lub elementów przy czym nie należy uwzględniać obciążeń, które w przypadku wystąpienia poprawią warunki stateczności i zmniejszą naprężenia.

Dopuszcza się nie uwzględnienia w obliczeniach obciążeń, których sumaryczny udział w całkowitym wypadku obciążeń nie przekracza 5%

2. W układzie podstawowy uwzględnia się obciążenia stałe i zmienne długotrwałe oraz jedno z możliwych obciążeń krótkotrwałych, które w rozpatrywanym okresie wywiera najbardziej niekorzystny wpływ na stateczność budowli lub stan naprężeń lub w całej konstrukcji.

3. W układzie dodatkowym uwzględnia się obciążenia: stałe, zmienne długotrwałe oraz równocześnie działające obciążenia zmienne krótkotrwałe.

4. W układzie wyjątkowym należy uwzględniać obciążenia: stałe, zmienne długotrwałe i krótkotrwałe oraz jedno z obciążeń wyjątkowych tzn. występujących w wyjątkowych warunkach.

Do obciążeń stałych zaliczą się te których wartości, kierunki działań i punkt przyłożenia nie ulegają zmianą tj:

• a) ciężar gruntu w zaporach ziemnych lub elementy konstrukcji budowlanych

b) ciężar konstrukcji budowlanych oraz urządzeń i elementów stałych.

Do obciążeń zmiennych długotrwałych zalicza się obciążenia do przeniesienia których budowla jest projektowana lub które wynikają ze sposobu użytkowania, a mianowicie:

1. parcie hydrostatyczne i hydrodynamiczne przy normalnym poziomie piętrzenia lub przy przepływie wód miarodajnych.

2. parcie wód filtracyjnych przy prawidłowo działających drenażach, normalnym poziomie piętrzenia wody górnej i najniższym obliczonym poziomie wody dolnej.

3. parcie gruntów i osadów ( namułów )

4. obciążenie falą przy normalnym poziomie piętrzenia lub przepływem dorocznym wielkich wód, uwzględnia się je przy projektowaniu skarp i falochronów

5. statyczne i dynamiczne obciążenie badanych konstrukcji polowych, filarów i innych konstrukcji podobnego typu

6. obciążenia wywołane przez zmiany temperatur i skurcz

7. obciążenia wywołane pracującymi dźwigami i środkami transportu

8. obciążenia wywołane tłumem ludzi

9. obciążenia składowanymi materiałami.

Wykład 4 V 1999

Do obciążeń zmiennych krótkotrwałych zalicza się te które występują w rzadko powtarzających się okresach i działają krótko, a mianowicie:

1. obciążenia falą wywołane przez porywisty wiatr

2. parcie filtracyjne tzw. spływowe przy nagłym obniżeniu spiętrzenia

3. parcie wody w rurach i sztolniach przy uderzeniach hydraulicznych

4. obciążenia wiatrem

5. obciążenia występujące w czasie transportu i montażu konstrukcji budowlanych.

Do obciążeń wyjątkowych zalicza się te które występują rzadko w wyjątkowych warunkach pracy lub stanach budowy, a mianowicie:

1. parcie hydrostatyczne i hydrodynamiczne przy przepływach nadzwyczajnych tj kontrolnych

2. obciążenia wywołane przez falę przy przepływie kontrolnym

3. parcie wód filtracyjnych przy nieprawidłowo działającym drenażu lub uszczelnieniu i przy normalnym poziomie piętrzenia wody górnej oraz najmniejszym obliczeniowym poziomie wody dolnej.

Metody obliczeń stateczności skarp

Metody obliczeń stateczności skarp można podzielić na 4 grupy w zależności od charakteru przyjętej powierzchni poślizgu:

1. Wyznaczona jest ona z równań na podstawie teorii równowagi granicznej

2. Przyjmowana jako płaska powierzchnia poślizgu

3. Stanowi odcinek walca kołowego

4. Ma kształt zmienny zależny od rodzaju i ułożenia warstw gruntu.

Płaska powierzchnia poślizgu

Analizując skarpę nasypu z gruntu jednorodnego o nieograniczonej wysokości przyjmuje się, że powierzchnia poślizgu jest płaska i równoległa do skarpy

Rozważamy wycinek nasypu A B C D o jednostkowej szerokości a = 1, głębokości b -= 1 ( prostopadle do płaszczyzny poprzecznego przekroju ) i dowolnej wysokości h.

Siły wynikające z ciężaru wycinka G = γ ⋅ h ⋅ cosα można rozłożyć na dwie składowe czyli styczne do powierzchni poślizgu, równoległe do skarpy T = G ⋅ cosα = γ ⋅ h ⋅ cos²α, która zostaje przeniesiona przez reakcję ( odpór gruntu )

Przesunięciu przeciwstawia się siła tarcia na powierzchni poślizgu N ⋅ tgφ aby zachowana była równowaga wycinka gruntu, siła ta musi być większa lub co najmniej równa składowej stycznej T zatem współczynnik pewności można określić

F =
=

Wynika stąd, że stateczność skarpy z jednorodnego gruntu niespoistego jest zachowana jeżeli kąt nachylenia α jest mniejszy, a w granicznym przypadku równym kątowi tarcia wewnętrznego. Stąd też warunek ten pozwala wyznaczyć graniczne nachylenie skarpy lub stateczność nieskończenie długiej skarpy. W przypadku skarpy gruntu niespoistego nasyconego wodą nachylenie jej jest mniejsze ze względu na występowanie dodatkowych sił naruszających równowagę gruntu ( ciśnienie spływowe ). Współczynnik F może być wyznaczony ze wzoru

F =

γ' -ciężar objętościowy gruntu pod wodą z uwzględnieniem wyporu

γ_sr - ciężar objętościowy gruntu nasyconego wodą wraz z ciężarem wody w porach

γ_w - ciężar właściwy wody

α - kąt nachylenia skarpy do poziomu

ϕ - kąt tarcia wewnętrznego gruntu

β - kąt między linią prądu i skarpą

W przypadku gdy linie prądu są równoległe do skarpy ( β = 0 ) jak najczęściej przyjmuje się w praktyce. Powyższy wzór uprości się do postaci

F =

Jeżeli linie prądu są poziome ( β = α )kąt nachylenia

F =

Wpływ ciśnienia spływowego na dopuszczalny kąt nachylenia skarpy można wykonać na przykładzie:

ϕ = 35^o

γ = 1,7 t/m³

otrzymujemy α < 16^o

Skarpa z gruntów spoistych to do sił utrzymujących bryłę gruntu w równowadze należy dodać spójność ( c ), w tym przypadku stateczność skarpy będzie zachowana gdy:

γ ⋅ h ⋅ cos ²α tgα +c > γ ⋅ h ⋅ cosα ⋅ sinα

tgϕ > tgα -

Rozpatrując ostatni wzór można zauważyć, że stateczność skarpy z gruntów spoistych jest zachowana nie tytko wtedy gdy kąt nachylenia α jest mniejszy od kąta ϕ lecz także w przypadkach gdy α > ϕ pod warunkiem nie przekroczenia wysokości granicznej którą można obliczyć przekształcając ten wzór:

h_max =

Jeżeli wysokość nasypu lub wykopu jest mniejsza od wysokości wyliczane z powyższego wzoru( H < h_max ) to skarpa z gruntów spoistych po nachyleniu większym od ϕ będzie także stateczna. Jest to jednak zagadnienie o stateczności skarp o ograniczonej wysokości.

Graniczne nachylenie skarpy we wszystkich przypadkach zapór niezależnie od innych metod obejmujących analizę stateczności na głęboki zsuw.

Współczynniki pewności zależą od pracy budowli i rodzaju obciążeń przy czym sprawdza się możliwość utraty stateczności przy poślizgu lub obrocie razem z częścią podłoża.

Minimalne dopuszczalne wartości współczynnika pewności różnią się w poszczególnych krajach w zależności od zalecanych metod obliczeniowych i są one zazwyczaj określone przepisami. W Polsce stosuje się wartość F do metody Falleniusa, wartość te są minimalne, która jest najczęściej stosowana.

Rodzaj obciążeń - klasa budowli

	I	II	III	IV
Zasadnicza	1,3	1,2	1,15	1,1
wyjątkowa	1,1	1,1	1,05	1,05

W pewnych przypadkach może wystąpić możliwość wypłynięcia budowli i dlatego musi być zachowany współczynnik na wypłynięcie, wartość jego nie powinna być mniejsza od 1,1 przy obciążeniach zasadniczych i 1,05 przy obciążeniach wyjątkowych.

Wpływ nagłego obniżenia zwierciadła wody w zbiorniku na stateczność skarpy odwodnej.

W normalnych warunkach pracy zbiornika woda filtruje przez korpus zapory, który porusza się ruchem laminarnym przy czym krzywa depresji stanowi swobodne strugi. Przepływ ustalony odbywa się od wody górnej do dolnej czyli od miejsca o większym ciśnieniu piezometrycznym do miejsca o większym ciśnieniu . W ruchu laminarnym i układzie płaskim wartość parcia hydrodynamicznego działającego na jednostkę objętości gruntu wynosi.

S = γ_w ⋅ i_śr ⋅ F [ kG ]

Gdzie:

γ_w - ciężar wody kg/m³

i_śr - średni gradient hydrauliczny

F - powierzchnia strugi filtracyjnej w przekroju pionowym rozpatrywanej bryły poślizgu

Kierunek działania siły przyjmuje się najczęściej jako równoległy do średniego nachylenia krzywej depresji na odcinku założonego poślizgu ( rys 4 )

Jeżeli zwierciadło w zbiorniku obniża się a korpus zapory zbudowany jest z przepuszczalnego gruntu to również krzywa depresji się obniża ( rys 5 )

Jeżeli natomiast grunty zapory są słabo przepuszczalne, a poziom wody w zbiorniku w krótkim czasie znacznie opadnie to przez pewien czas krzywa depresji będzie zalegała powyżej zwierciadła wody w zbiorniku a kierunek filtracji wody zostanie powrócony ku skarpie odwodnej natomiast wywołane nią parcie hydrodynamiczne ( filtracyjne, spływowe ) może naruszyć równowagę skarpy. Parcie oddziałuje jako siła zewnętrzna w dolną część powierzchni poślizgu i dąży do wywołania zsuwu. Wartość parcia w oparciu o siłę hydrodynamiczną wg podanego wyżej wzoru. Dla tego przypadku zalicza się przyjęcie poziomego działania kierunku wypadkowej parcia spływowego ( rys 6 )

Analiza stateczności skarpy odwodnej prowadzi do określenia krytycznej wartości ciśnienia hydrodynamicznego odpowiadającemu różnicy wysokości między krzywą depresji, a poziomem wody w zbiorniku przy którym zachowana jest stateczność skarpy.

Znając tę wartość określa się dopuszczalne prędkości obniżenia wody w zbiorniku bezpieczne dla skarpy odwodnej.

Wpływ podłużnych pęknięć wzdłuż korony zapory

Na skutek nierównomiernego osiadania podłoża lub samego korpusu zapory mogą wystąpić pęknięcia wzdłuż korony, ze względu na to, że wytrzymałość gruntu na ścinanie w obrębie pęknięć jest równe 0 zmieniają się warunki statecznej pracy zapory.

W analizie stateczności można uwzględnić szczeliny zakładając wartość φ gruntu i

c = 0 na odcinku powyżej poślizgu, który odpowiada przeciętnej głębokości szczeliny.

Głębokość przyjmowana jest w granicach 0,25 - 0,35 wysokości zapory.

Jeżeli szczelina może być wypełniona woda ( np. grunty spoiste ) uwzględnia się dodatkowe parcie wody na jej ściany. Poziom wody w szczelinie powinien być ograniczony wielkością odporu gruntu który przeciwstawia się sile parcia wody, ponieważ w przeciwny przypadku wyparcie klina odłamu nastąpiło by przed ewentualnym poślizgiem skarpy. Obliczenia zapory projektowanej z uwzględnieniem szczelin wymaga uzasadnienia, ponieważ przyjęte konstrukcje zapory oraz sposób jej wykonania powinna wykluczać możliwość wystąpienia szczelin.

Stateczność w układzie przestrzennym

Przedstawione wcześniej zagadnienia analizy warunku stateczności w płaszczyźnie nie uwzględniają natomiast wzajemnego oddziaływania sąsiednich odcinków ale długość skarpy która ulega ewentualnemu poślizgowi. Analiza przestrzennej pacy zapory może być przeprowadzona na dwa sposoby:

1. Przyjmując że poślizg skarpy nastąpi na pewnym określonym odcinku i uwzględnia się opór ścinania na jego końcach. Powierzchnia poślizgu może mieć kształt czasy kulistej lub eliptycznej albo będzie ograniczona pionowymi płaszczyznami poprzecznymi

W obydwu przypadkach efekt pracy przestrzennej maleje stosunkowo szybko wraz ze zwiększaniem długości rozpatrywanych odcinków. Określenie tej długości jest praktycznie niemożliwe i dlatego pomija się tak wiele powierzchni poślizgu.

2. Drugi sposób dotyczy przypadku wąskiej doliny gdzie poślizg obejmuje całą długość

skarpy i dlatego można uwzględnić współpracę poszczególnych odcinków zapory na których współczynnik stateczności jest różny. Odcinki zapory położone bliżej przyczółków gdzie jest niższa wysokość mają zwykle większe współczynniki pewności. Uwzględniając przestrzenną pracę zapory można „przekazać” część sił powodujących poślizg ze strefy środkowej na strefy przyczółków i brzegi doliny.

Obliczanie stateczności może być następujące

1. Zaporę dzieli się wzdłuż korony na szereg różnych odcinków

2. Dla każdego odcinka wyznacza się najbardziej niekorzystny kształt powierzchni poślizgu

3. Wyznacza się siły powodujące zsuw i przeciwstawiające w każdym przekroju i następnie sumuje się

4. Oblicza się współczynnik F na podstawie otrzymanych sum.

Jeżeli obliczenia wykonywane są metodą w której nie są wyznaczane siły utrzymujące i przesuwające współczynnik F określa się w każdym przekroju a następnie wyznacza się środek warstwy w zależności od powierzchni objętej zsuwem.

Metoda ta daje wyniki zbliżone do poprzedniego sposobu w przypadku jeżeli wpływ spójności jest nieznany.

Drugi sposób obliczania może być stosowany w praktyce jeżeli stosunek długości zapory do jej wysokości jest niewiele większy od 1

Wykład 18 V 1999

Wpływ drgań sejsmicznych na stateczność zapór

W Polsce można wydzielić mikroregion sejsmiczny który obejmuje górne i środkowe dorzecze Sanu i Dunajca.

Drgania są jednak nieznaczne i nie zachodzi konieczność uwzględniania wpływów sejsmicznych na projektowanie zapór. Praktyka wykazała że mogą występować wstrząsy powstające w wyniku eksploatacji górniczej, które wywołują drgania sejsmiczne o okresie T oraz przyspieszenie sejsmiczne τ wskutek tego zwiększa się parcie wody o wartość dynamiczną obliczaną ze wzoru:

W_s = 55 ⋅ 10^-6 ⋅ τ ⋅ γ_w ⋅ h² [ kg ]

Rozkład tego parcia przyjmuje się jako eliptyczny punkt zaczepionej siły W_s leży nad dnem na wysokości :

h_s = 0,425h [ m ]

Przy obliczaniu wysokości spiętrzenia w zbiorniku nie uwzględnia się wysokości fali wywołanej wstrząsem podłoża:

2h_f = 75 ⋅ 10^-4 ⋅ h^2/3 [ m ]

W wyniku wstrząsów podłoża masa gruntów korpusu zapory podlegająca w warunkach normalnych sile ciężkości jest poddawana dodatkowemu przyspieszeniu sejsmicznemu.

Najbardziej niebezpieczny dla zapory jest stan w którym siły bezwładności P_s wywołane w zaporze przez wstrząsy podłoża zaczepione w środku ciężkości zapory są skierowane jednocześnie pionowo do góry i poziomo zgodnie z kierunkiem parcia wody:

P_s = 0,001 ⋅ τ ⋅ a ⋅ G [ kG ]

Gdzie:

τ - przyśpieszenie sejsmiczne [ mm/s² ]

a - współczynnik uwzględniający wpływ rodzaju podłoża przyjmowany z tabeli

G - ciężar zapory wyrażony w [ kG ]

Częstotliwość drgań sejsmicznych należy porównać z częstotliwością drgań zapory ponieważ drgania sejsmiczne mogą wywołać rezonans zagrażający stateczności zapory.

Przy obliczania współczynników stateczności zapory moment dźwigający wywołany siłą P_s wprowadzony jest do mianownika dlatego dopuszcza się mniejsze wartości współczynnika do 1,05

W wyniku drgań podłoża mogą wystąpić pęknięcia i przesunięcia warstw

Techniczne kontrole zapór T K Z

Zadania służby T K Z w IMGW

• ocenianie budowli piętrzących wody

• prowadzenie pomiarów geodezyjnych dla wszystkich obiektów resortowych

• wykonywanie w miarę potrzeb i gotowych badań właściwych materiałów

• weryfikacja pomiarów geodezyjnych oraz wskazań aparatury kontrolno pomiarowej

• okresowe przeglądy i wizje lokalne budowli piętrzących wodę

• wprowadzenie banku informacji o budowlach piętrzących

• raporty o stanie technicznym budowli piętrzących złożonych z kart ocen stanu bezpieczeństwa

Zakres prac związanych z ocenami stanu technicznego budowli piętrzących

• przegląd obiektów

• pomiary geodezyjne i przemieszczenia względne

• weryfikacja pomiarów i ich analiza wraz z obróbką danych

• wykonanie opracowania zawierającego ocenę stanu technicznego obiektu w tym poszczególnych elementów budowli piętrzących, podłoża, korpusu, urządzeń przeciw filtracyjnych i drenażowych urządzeń do przepuszczania wody, skarp i otoczenia, aparatury kontrolnej oraz wnioski o stanie obiektu i zalecenia eksploatacyjno - remontowe

• znaczna ilość badań miała charakter kompleksowy tzn. oprócz pomiarów geodezyjnych przeprowadzono badanie stopnia zagęszczenia gruntów zapór ziemnych i ich podłoża

Skala oceny stanu technicznego i bezpieczeństwa ( 10 stopniowa )

- ocena stanu technicznego

1. Brak urządzeń

2. Brak oceny

3. Stan niedostateczny 3 - 4

4. Stan zadawalający 5 - 6

5. Stan dobry 7 - 8

6. Stan bardzo dobry 9 - 10

- ocena stanu bezpieczeństwa

1. Brak oceny

2. Stan zagrożenia bezpieczeństwa 2 - 4

3. Stan mogący zagrażać bezpieczeństwu 5 - 7

4. Stan nie zagrażający bezpieczeństwu 8 - 10

Ogólna ocena stanu technicznego i stanu bezpieczeństwa obiektu

Na ogólną liczbę 140 oddzielnie sklasyfikowanych obiektów lub ich budowli w 68 odnotowano niedostateczny stan techniczny jednego lub więcej elementów budowli

( 49% ), w 32 obiektach lub ich budowlach odnotowano stan mogących zagrażać bezpieczeństwu ( 23% rozpatrywanych budowli ) w 8 istnieje stan zagrożenia bezpieczeństwa (ok. 6 % )

Przyczyny wystąpienia uszkodzeń i zagrożeń budowli wodnych

Wyodrębniono subiektywne i obiektywne czynniki stwarzające zagrożenie dla bezpieczeństwa obiektów piętrowych. Do obiektywnych należy głównie występowanie coraz częstszych i większych fal wezbraniowych oraz starzenie się budowli, do subiektywnych zaliczamy niedostateczne rozpoznanie hydrogeologiczne podłoża, błędy w projektowaniu, błędy i słabą jakość wykonawstwa oraz nadzór niekonsekwencję realizacji planów budowy kolejnej budowli, niedostateczną kontrolę stanu obiektu w czasie eksploatacji i opóźnienia prac remontowych.

Wzrost wielkości przewidywanej fali powodziowej wywołane wzrostem urbanizacji zlewni lub udoskonaleniem metod obliczeń wywołał konieczność przebudowy przelewu powierzchniowego w dwóch obiektach.

Problem uszkodzeń spowodowanych starzeniem się zapór dotyczy większości rozpatrywanych obiektów.

Z pośród 53 obiektów w których stwierdzono niedostateczny stan techniczny

35 przekroczyło 50 lat a 6 - 25 lat swego funkcjonowania. W warunkach polskich z uwagi na niski poziom wykonawstwa jest to jednoczesne z wejściem z intensywnymi pracami remontowanymi spowodowanymi starzeniem się.

Niepokojący jest fakt, że zły stan techniczny odnotowanych 13 obiektów (23%) których wiek nie przekroczył 25 lat należą tu ( Hańcza, Dobrzeń Wielki, Janowice, Mietków, Zielona-Częstochowa).

Głównymi skutkami starzenia się budynków jest utrata szczelności urządzeń przeciw filtracyjnych w tym przesłon cementacyjnych, ekranów, ścian szczelnych itp. zjawiska sufozyjne, wywołane wyżej wymienionymi czynnikami , korozja zewnętrzna i wewnętrzna betonów, starzenie konstrukcyjne zamknięć w tym korozja, deformacja, starzenie techniczne urządzeń wyciągowych.

Starzenie budowli może mieć pozytywne skutki jak np. wzrost wytrzymałości i modułów sprężystości dla dobrze wykonanych betonów. Na stan techniczny podłoża oddziaływają głównie procesy filtracyjne powodujące jego stopniową degradację, dużą rolę odgrywają procesy starzenia się przesłon przeciwfiltracyjnych ich wadliwe wykonanie, brak właściwej konstrukcji urządzeń drenaży oraz słabe rozpoznanie hydrogeologiczne podłoża, a szczególnie brak analizy zmian jakie w nim następują po spiętrzeniu wody w zbiorniku i skutków oddziaływania na obiekt. Przykładem uszkodzenia podłoża są między innymi budynki piętrzące Hańcza, Wisła Czarna.

Uszkodzenia korpusu wywołane są podobnymi czynnikami co podłoże z tym, że dużą rolę odgrywa tu również niestaranne rozeznanie terenowe.

Uszkodzenia urządzeń przeciwfiltrujących

Oprócz wyników ich starzenia i niestarannego wykonawstwa odnotowano również błędy projektowe jak brak lub niewłaściwe usytuowanie przesłon, niedostateczne wymiary, kończenie ścianki równo z brzegiem koryta rzeki bez odpowiedniego wejścia w przyczółki.

Uszkodzenia urządzeń drenażowych

Uszkodzenia te są wynikiem kilku czynników: kolmatacji, niewłaściwego rozwiązania, niestarannego wykonawstwa i braku konserwacji. Odnotowuje się przypadki niewłaściwego usytuowania urządzeń drenażowych powodujące, że nieprzechwytują one wód filtracyjnych przez lub przed zaporą. Do szczególnie częstych przypadków należy brak właściwej konserwacji tych urządzeń, a szczególnie czyszczenia rowów i studzienek oraz szybką naprawę uszkodzeń.

Przyczynami uszkodzeń i zagrożeń dolnego stanowiska jest obniżanie dna koryta rzeki, zbyt słabe ubezpieczenie i przeciąganie prac remontowych. Można stwierdzić, że ubezpieczenie dna skarp poniżej budowli piętrzących są najbardziej narażone na destrukcyjne działanie wody ( powodzie, erozja, sufozja, czas )

Remonty powinny być wykonywane ze zwróceniem szczególnej uwagi na prognozę rozwoju niekorzystnych zjawisk.

Uszkodzenia przyczółków i nieprawidłowy stan obserwowany na terenach poniżej budowli piętrzących wiąże się głównie z problemem filtracji. Destruktywne działanie filtracyjne ułatwia np. pozostawienie elementów grodz budowli prostopadle do osi stopnia, nie uwzględnienie wahań wody wywołanych okresową pracą elektrowni, brak odpowiednich drenaży w rejonie przyczółków.

Brak odpowiedniej rozbudowy drenaży ma szczególne znaczenie na posadowieniu na aluwiach, a szczególnie na kredzie lub żwirach.

( Jeziorsko )

Stan urządzeń pomiarowych - wymianę uszkodzeń reperów, piezometrów, stabilność wskazań sieci pomiarowo - kontrolnej.

Wnioski

1. Stan techniczny budowli piętrzących w Polsce wymaga intensywnych działań powinno polegać na przyspieszeniu prac remontowych na podstawie właściwego technicznego rozpoznania obiektu opisującego przyczyny i zawierającego prognozy ich dalszego rozwoju oraz projektu zawierającego rozwiązania techniczne i technologiczne uwzględniającego wpływ pracy obiektu na skuteczność przyjętych rozwiązań i trwałość odpowiednio zastosowanego materiału

2. Biorąc pod uwagę fakt, że ponad połowa przekroczyła 50 lat, środki finansowe przyznawane na utrzymanie i eksploatację urządzeń piętrzących powinny zapewniać ich remonty i bieżącą efektywną konserwację co zapobiegnie dekapilizacji.

SPIS TREŚCI - SEMESTR II

Wymiarowanie rdzeni.

1

36

---