Zapory ziemne - wykłady - semestr I
20.X.98.
Zapora i zbiornik wodny w Głębinowie.
Retencyjny zbiornik wodny w Głębinowie wykonany został w latach 1966 - 71. Powstał w wyniku przegrodzenia doliny koryta Nysy Kłodzkiej w km 62 + 950 odległości 1.5 km powyżej miasta Nysy. Długość cofki zbiornika wynosi 12km i sięga ona do wykonanego w 1932r zbiornika wodnego w Otmuchowie. Powierzchnia zlewni w przekroju zapory wynosi 3.246km2 co stanowi 72% powierzchni całej zlewni rzeki Nysy Kłodzkiej. Opady roczne zawierają się w granicach 600 - 966mm.
Przepływy charakterystyczne:
średni niski - 9.2 m3/s
średni roczny - 27.2 m3/s
średnia wielka woda - 286.0 m3/s
woda 1% (100 letnia) - 1160 m3/s
woda 0.1% (1000 letnia) - 2270 m3/s
zbiornik retencyjny ma pojemność 111 Mm3
pojemność powodziowa 28 Mm3
pojemność użyteczna 78 Mm3
pojemność martwa 5 Mm3
powierzchnia zalewu 22.00 ha
Cele budowy zapory
Zasilanie rzeki Odry dla całkowitego wyeliminowania przerw okresu żeglowego w latach średnich oraz zmniejszenie ich do 13-32 dni w latach suchych i średnio suchych.
Zmniejszenie fali powodziowej o prawdopodobieństwie występowania 0.01% której przepływ wynosi 2270 m3/s. Zbiornik w Otmuchowie zmniejsza ten przepływ do 2030 m3/s ( o 11%) a następnie zbiornik w Głębinowie zmniejsza go do 1575 m3/s ( o ponad 31%).
Intensyfikacja rolnictwa w dolinie rzeki nysy na obszarze 14000 ha.
Produkcja energii elektrycznej o wielkości 14.7 MKWh rocznie.
Rozcieńczenie ścieków (ma to znaczenie dla hodowli bydła oraz ryb).
Zwiększenie przepływów niżowych na Odrze wpłynęło dodatnio na zjawisko zasolenia, które w wyniku rozbudowy kopalni ROW-u (Rybnicki Okręg Węglowy) stanowiło poważny problem.
Wyrównanie przepływu dla polepszenia warunków poboru wody do celów komunalnych
i przemysłowych w miejscowościach położonych nad Nysą Kłodzką i Odrą.
Rozwój rekreacji nad zalewem.
Eksploatowanie kruszywa dla potrzeb budownictwa z dna zbiornika już po spiętrzeniu wody.
Warunki geologiczno - inżynierskie
Od powierzchni terenu zalegają utwory czwartorzędowe, do głębokości około 3.0 - 3.50m. są to mady tj. grunty mineralne z domieszką części organicznych. Stanowią je gliny, gliny pylaste, iły
i pyły o konsystencji półzwartej do miękkoplastycznej. Głębiej tj. do 12m. zalegają warstwy żwirów charakteryzujących się współczynnikiem. k = 2.7*10-2 cm/s i kątem tarcia ziaren = 35o. Niżej występują piaski drobne o współczynniku filtracji k = 3*10-2 cm/s. Lokalnie występują piaski pylaste i pyły na głębokości około 32m. Charakteryzujące się wartościami kąta tarcia wewnętrznego w dość szerokim zakresie od 5 -36o, zależnie od zagęszczenia oraz współczynnikiem filtracji k = 1.1*10-3 cm/s. Głębsze podłoże stanowią iły trzeciorzędowe których k = 1*10-7 cm/s. Zwierciadło wody gruntowej występuje na głębokości ok. 2m. pod powierzchnią terenu.
Opis obiektów
Długość zapory wynosi 5750mb, a maksymalna wysokość 14m. szerokość w koronie 5m., nachylenie skarp 1:2.5 odwodnej i 1:2 do rzędnej 196.00 na której występuje ławeczka o szerokości 1.50m niżej 1:2,5
Ubezpieczenie skarpy odwodnej płytami żelbetowymi o grubości 5cm na podłożu suchego betonu grubości 5cm. Stanowi to ekran żelbetowy. W górnej części jako zabezpieczenie przed falowaniem wykonano próg odbojowy prefabrykowany.
Skarpa odpowietrzna. W części górnej obsypana jest humusem o grubości 20cm z obsiewem trawami, poniżej rzędnej 190.00 zastosowano ubezpieczenie z płyt sześciokątnych (trylinki) 12 cm. grubości.
Korpus zapory o objętości 2000 m3 wykonano z materiałów żwirowego. Odwodnienie korpusu zapory stanowi drenaż z rur kamionkowych prefabrykowanych 250mm długości 210mb ułożonych w dnie warstwy tłucznia i grysu (każda warstwa 30cm) z odprowadzeniem z rur kamionkowych 150cm. Na całej długości zapory, poniżej skarpy odpowietrznej wykonano rów opaskowy ze spadkiem w kierunku rzeki. Ubezpieczenie rowu wykonano z kamienia pokładowego łamanego grubości 20cm na podsypce żwirowej. Jako zabezpieczenie przed filtracją wykonano przeponę iłową o powierzchni ok. 72000 m2 i objętości 92000 m3 - materiału weszło sporo. Przy głębokości 6-31m średnia głębokość 13.5m oraz szerokość 1,2 - 1,4m, zagłębiona w iły ± 1m ale sięga do 4m. Niezależnie od tego przy przekroczeniu starego koryta rzeki na długości 155mb oraz odcinka obwałowania 114mb wykonano ekran ze ścianek szczelnych Larsena grubości 1m.
Jaz z elektrownią. Do regulacji i przepuszczania wody służy jaz z czterema przęsłami po 13m
i zamknięciach segmentowych o szerokości 5,8m sterowanych hydraulicznie. Wymiary bloku jazu wynoszą 27x69m następnie poszur betonowy na długości 10m z niecką wypadową długości 30m oraz poszurem długości 55m, następnie z biegiem rzeki ubezpieczenie materacami i narzutem kamienny na długości 30m.
Elektrownie wodną wybudowano w dwóch filarach jazu z turbinami rurowymi poziomymi o mocy po 1,64MW. Zdolność przerzutowa jazu wynosi 2240m3/s. Przełyk turbin nominalnych 2x20 m3/s przy spadzie 9,5m. Nad filarami wybudowano most drogowy II klasy . Pod mostem zlokalizowano pomieszczenia dla obsługi, mechaników itp.
W trakcie wykonawstwa dół fundamentowy był odwadniany przez 16 sztuk studni wierconych i cięgów igłofiltrów o długości 50-120m oraz cięgiem drenaży z rur kamionkowych układanych w filtrze odwadniającym (depresja).
Wykład 3 - 3.XI.98.
Zapora boczna w Siestrzechowicach - Dla zabezpieczenia wsi Siestrzechowice przed zalewem wykonano zaporę o długości 2km. Szerokość korony 3.00m, nachylenie skarp 1:2.5, wysokość zapory - 8.6m. Ubezpieczenie od strony odwodnej - wykonano szczelny ekran żelbetowy o grubości 15cm i szerokości 6.0m. Fugi dylatacyjne - od dołu deską drewnianą o grubości 18mm, w osi obojętnej taśma PCV o szerokości 2.0 cm, dalej zalewka cementowa. W górnej partii zapory wykonano próg odbojowy jako zabezpieczenie przed falowaniem. Dla przechwycenia ewentualnych przecieków przez korpus i ekran wykonano drenaż z rur perforowanych 200 z podwójnym filtrem odwrotnym i odprowadzeniem do rowu opaskowego. Rów zabezpieczony jest kamiennym narzutem grubości 15cm. Dla zabezpieczenia przed filtracją w podłożu wykonano przeponę iłową o długości ponad 2km i głębokości 5.9m - 13.6 m szerokości 0.9m. Przepona iłowa została połączona z ekranem żelbetowym za pomocą fartucha iłowego o grubości 0.6 - 0.9m.
Kanał odpływowy - jaz z elektrownią został wykonany na prawym brzegu Nysy kłodzkiej poza jej korytem. Dla odprowadzenia wody do jazu wykonano kanał górny długości 280m. doprowadzający wodę do jazu bez ubezpieczenia skarp. Poniżej jazu za ubezpieczeniem wykonano kanał o długości 1140mb i szerokości 4.8m ze skarpami ubezpieczonymi mat. faszynowymi, z narzutem kamiennym i płytami betonowymi (trylinka)
Sposób wykonania przepony iłowej - Przepona iłowa została wykonana w wykopie wąsko przestrzennym pod osłoną zawiesiny tiksotropowej. Zawiesina tiksotropowa - zjawisko przechodzenia żelów w zole i odwrotnie na skutek mechanicznego oddziaływania nazywamy tiksotropem. Może być ono spowodowane przez mieszania, drgania, wstrząsy, wibracje, fale elktrodźwiękowe. Własności tiksotropowe wykazują grunty posiadające cząstki koloidalne o 0.002 m. Klasycznym gruntem tiksotropowym jest bentonit.
Warunki do spełnienia:
wytrzymałość strukturalna - > 0.1 g/cm2,
lepkość (pomiar wiskozymetrem) 30-60s (w tym aparacie),
niski ciężar objętościowy.
Przykład:
bentonit stosowany w wierceniach (Polski)
180 - 200 kg/m3 zawiesiny przy ciężarze objętościowym 1.11 - 1.15 g/cm3
bentonit angielski „Berkbent C”
60 kg/m3 zawiesiny przy ciężarze objętościowym 1.03 g/cm3
stosowane różne ciężary w zależności od głębokości przepony, warunków wodnych, opadów atmosferycznych:
ciężar 1.14 - 1.18 g/cm3
ił - 0.173m3 - 252 kg suchej masy na 1m3 zawiesiny - ciężar objętościowy iłu - 1.98 G/cm3, ciężar objętościowy iłu w stanie suchym - 1.426 G/cm3
H2O - 0.826m3
soda techniczna Na2CO3 - 8.8 kg - 3.5% (w stosunku do suchej masy iłu)
Wykonawstwo przepony opierało się na metodzie wykonania głębokich wykopów wąsko przestrzennych bez obudowy ścian. Nie umocniony wykop w czasie drążenia jest napełniony zawiesiną bentonitu z wodą. Mieszanina ta o właściwościach tiksotropowych jest wystarczająca do zrównoważenia parcia gruntu i wody gruntowej.
Wykopy w gruntach piaszczystych i żwirowych do głębokości około 35m wykonuje się przy zastosowaniu zaadaptowanych zwykłych koparek wieloczerpakowych lub chwytakowych o chwytakach swobodnie spadających lub też koparek specjalnych o wąskich chwytakach poruszanych w prowadnicach. Wykonywane takim sprzętem wykopy mogą mieć szerokość 0.4 - 1.5m.
Przy wykonywaniu wykopów o większych szerokościach i gruntach trudno urabialnych stosowane są specjalne wiertnice różnych typów które pozwalają na wykonanie wykopów o minimalnej szerokości 0.25m - 0.40m przy głębokościach sięgających 80m. W takim wykopie można wykonać przesłony wodoszczelne lub ściany nośne. Aby wykonać ścianę nośną do wykopu wprowadzamy prefabrykowany szkielety zbrojeniowe, poczym wykop zabetonowujemy wybierając zawiesinę tiksotropową masą betonową. W celu wykonania przesłony wodoszczelnej konstrukcja zbrojeniowa nie jest potrzebna. W takich przypadkach wykop wypełnia się gliną, mieszaniną glino-cementową lub betonem niezbrojonym. Materiał wypełniający wsypuje się bezpośrednio do wykopu lub wprowadza się przez konstrukcję z rur która początkowo sięga dna wykopu a następnie, stopniowa jest podnoszona w miarę wypełniania wykopu. Wprowadzony pod osłoną zawiesiny materiał opada na dno wykopu gdzie wnika w materiał wcześniej ułożony. Stopniowo wypełniając wykop od dołu ił, glina lub beton wypiera zawiesinę i ostatecznie wypełnia całkowicie wykop.
Wytworzenie zawiesiny tiksotropowej na budowie w specjalnych mieszalnikach w ilości niezbędnej do dłuższych i głębszych przesłon byłoby pracochłonne i kosztowne, dlatego stosuje się wyłącznie odcinkowe wykonanie przepon, przy czym zawiesina wyparta z wykopu może być użyta wielokrotnie. Powtórnie wykorzystuje się również zawiesinę odsączającą się z materiału wybieranego przy wykonywaniu wykopu. Przy zastosowaniu takich metod zostały wykonane przesłony zapór w Głębinowie na Nysie kłodzkiej i w Rybniku na Rudzie. Wykop w Głębinowie był wykonany przez adaptowaną koparkę a w Rybniku przez wiertnicę frezującą.
DEKLARACJA ICOLD
International Commission On Large Dams - Międzynarodowa Komisja Wielkich Zapór - MKWZ
PNCICOLD - Polish Nation Committed of ICOLD
ZAPORY WODNE A ŚRODOWISKO -
Rola ICOLD - MKWZ powstała w 1928r - zajmuje się ona wymianą wiedzy i doświadczeń w dziedzinie budowy zapór dla inż. i innych specjalistów w dziedzinie zabudową hydrologiczną. Celem jej jest rozwijanie wiedzy technicznej w dziedzinie zapór we wszystkich aspektach i wszystkich etapach planowania, projektowania, budowania i eksploatowania zapór oraz związanych z nimi budowli. Komisja gromadzi informacje oraz analizuje problemy techniczne, ekonomiczne, społeczne i ekologiczne budowy zapór ze szczególnym uwzględnieniem bezpieczeństwa budowli i ochrony środowiska. Już w 1973 zaangażowanie komisji wyrażono w następujący sposób.
Podstawowym problemem jaki należy rozwiązać jest odpowiedź na pytanie czy zapory są pożyteczne czy szkodliwe. Czy w ostatecznym rozrachunku przyczyniają się do poprawy warunków środowiska i warunków życia człowieka czy też degradują środowisko. A także w każdym indywidualnym przypadku ocena czy należy je budować, a jeżeli tak jakie dobrać parametry.
Uwagi ogólne.
Życie bez wody byłoby niemożliwe. Obok powietrza i gleby stanowi ona najważniejszy z zasobów naturalnych. W ciągu ostatnich 300 lat zużycie wody słodkiej wzrosło trzydziestopięciokrotnie, podczas gdy liczba ludności tylko osiem razy. Przyjmując że utrzyma się obecne tempo przyrostu ludności (90 mln. rocznie) przy globalnej populacji 5.6 mld należy się spodziewać że w ciągu najbliższych dziesięcioleci zapotrzebowanie będzie wzrastało co rocznie o 2-3%. Zasoby słodkiej wody są ograniczone i rozłożone nierównomiernie. Nie można w nieskończoność powiększać eksploatacji tych zasobów aby pokryć zapotrzebowanie. W krajach o wysokim zużyciu, dużych zasobach i rozwiniętej infrastrukturze można w mniejszym lub większym stopniu zahamować dalszy wzrost zapotrzebowania. Sposobami mogą być - zmniejszenie strat, stosowanie obiegów zamkniętych, ponowne stosowanie wody. Jest jednak wiele regionów gdzie woda jest czynnikiem decydującym o warunkach życia, a nawet o przetrwaniu ludzi.
W celu zagwarantowania zaopatrzenia w wodę konieczna jest budowa nowych zapor i zbiorników wodnych.
Rola zapór i zbiorników retencyjnych.
Są integralnymi elementami środowiska na które oddziaływają. Przy czym okres tego oddziaływania jest dla każdego inny. Panuje przekonanie że budowa zapór jest w sprzeczności z ochroną środowiska. Choć nie zawsze jest to sprzeczność nie do pogodzenia. Powiązania między nimi są bardzo złożone. Projektowanie zapór jest zadaniem bardzo trudnym gdyż w każdej sytuacji należy osiągnąć kompromis między często przeciwstawnymi celami. Z punktu widzenia rozwoju gospodarczego zapory tworzone zbiorniki są potrzebne ponieważ można w nich gromadzić wodę gdy występuje w nadmiarze i wykorzystywać w okresie niedoborów. Dzięki zaporom można unikać skutków niszczących powodzi i katastrofalnych susz. Ochrona przed powodzią była zawsze jednym z najważniejszych celów budowy zapór a często celem podstawowym.
Podobnie będzie w przyszłości gdyż około 40% ofiar klęsk żywiołowych to ofiary powodzi - blisko 100.000 ludzi rocznie. Zapory umożliwiają również wyrównanie naturalnych przepływów których wielkość zmienia się w zależności od pory roku i losowych czynników klimatycznych a tym samym zapewnia pokrycie zapotrzebowania na potrzeby rolnicze. W wielu krajach wzrost produkcji żywności może nastąpić tylko w wyniku rozwoju nawodnień. Obecnie na ziemi nawadnia się 250mln. ha - niespełna 1/5 powierzchni ziemi uprawnej daje 1/3 światowej produkcji żywności, zużywając do tego ¾ pobieranej wody. Prowadzone są badania nad sposobami ograniczenia strat wody w sieciach doprowadzających, wydatniejszymi technikami nawadniania dążąc do 3% wzrostu powierzchni nawadnianych wciągu najbliższych 10lat co pozwoli zapewnić żywność dla kolejnego miliarda ludzi. Ponieważ zasoby wód powierzchniowych z których obecnie jest pokrywana w przybliżeniu połowa potrzeb rolnictwa, ludności i przemysłu są w wielu regionach poważnie zagrożonych jedynym rozwiązaniem problemu zaopatrzenia w wodę na większą skalę (oprócz oszczędności) jest zwiększenie udziału wód powierzchniowych po przez budowę zbiorników retencyjnych.
Wykład 4 - 17.XI.1998
Zapory wodne a energetyka wodna
Zapory wodne umożliwiają pokrycie potrzeb dla energetyki wodnej. Biorąc pod uwagę prognozy wyczerpywania się zasobów paliw mineralnych z których pozyskiwane jest obecnie ¾ energii, konieczne jest zastępowanie ich innymi technologiami produkcji energii nie powodującymi emisji CO2 oraz par rtęci (w przypadku elektrowni atomowych) do atmosfery. Bazując na odnawialnych źródłach energii w najbliższych latach zanim upowszechnią się nowe technologie np. bezpośrednie wykorzystanie energii słonecznej w ogniwach fotoelektrycznych głównymi źródłami energii odnawialnej wykorzystywanej na skalę przemysłową będą energia biomasy i energia wodna. Energię wodną można wykorzystać przy stosowaniu znanych i sprawdzonych technik z bardzo dużą sprawnością, nie uszczuplając zasobów dla przyszłych pokoleń i nie produkując zanieczyszczeń i odpadów. W wielu krajach rozwijających jest to jedyne źródło energii naturalnej. Obecnie elektrownie wodne produkują 2.1 mln GW/h - 20% produkcji energii elektrycznej i 7% globalnej produkcji. Nawet przy najniższych szacunkach zasoby energii są co najmniej sześciokrotnie większe niż ich obecne wykorzystanie.
Zaopatrzenie w wodę ludności i przemysłu oraz żeglugi
Stwarzają one także warunki do rekreacji, turystyki, rozwoju wędkarstwa i gospodarki rybackiej, mogą poprawić warunki środowiskowe. Zapory i zbiorniki retencyjne są więc niezbędnym elementem infrastruktury tworzonej dla zaspokojenia potrzeb człowieka. Jednocześnie w coraz większym stopniu uświadamiamy sobie potrzeby ochrony środowiska naturalnego które stanowi podstawę życia na ziemi. Szeroko rozumiane środowisko obejmuje też aspekty społeczne (ludzi, mienie, tradycje). Wpływ zapór i zbiorników wodnych na środowisko jest oczywisty i nieunikniony. Wypływa to z faktu że zalewane są niektóre tereny, ludność jest przesiedlana, naruszona jest ciągłość życia wzdłuż rzeki, zmieniony zostaje reżim hydrologiczny, zmniejszają się odpływy na wskutek przerzutów wody. W związku z czym hydrotechnicy muszą rozwiązać problemy nierozerwalnie związane z przekształceniem środowiska naturalnego w środowisko przyjazne człowiekowi. Należy przy tym dołożyć wszelkich starań aby zapobiec takim przekształceniom którym można unikać. Musimy świadomie wykorzystać naturalną żywotność przyrody nie przeceniając jej możliwości adaptacji w nowych warunkach równowagi ekologicznej. Ludziom którzy będą w jakikolwiek sposób poszkodowani w wynik budowy zapory należy udostępnić w pierwszej kolejności udział w zdobywanych dzięki inwestycji korzyściach.
Kształtowanie zasobów wodnych zgodnie z zasadami ekorozwoju poprzez budowę zapór i zbiorników wodnych jest metodą sprawdzoną o czym świadczy ponad 36000 dotychczas zbudowanych zapór (zapora wielka - wysokość >15m lub wysokości >10m jeżeli korona >5m lub jeżeli tworzy ona zbiornik o powierzchni > 1 mln. m3 lub urządzenia spustowe mogą przepuścić ponad 2000m3/s), jeśli długość korony jest większa niż 500m.
Problemy oddziaływań ekologicznych i społecznych zapór i zbiorników wodnych powinny mieć rangę pierwszorzędną na równi z zapewnieniem bezpieczeństwa budowli. Należy osiągnąć kompromis pomiędzy zwiększaniem zasobów wody dyspozycyjnej a ochroną środowiska nie stwarzając zagrożenia dla następnych pokoleń. Poszukując takich rozwiązań kompromisowych w swojej deklaracji ICOLD zaleca kierować się następującymi zasadami polityki ekonomicznej.
Problematyka ekologiczna i społeczna musi być rozpatrywana począwszy od studiów przed projektowych przez wszystkie etapy projektowania, realizowania i eksploatowania takich budowli. Należy mieć świadomość że chociaż zbiorniki retencyjne stanowią największe źródło zaspokajania zapotrzebowania na wodę powierzchniową są jednak inne metody umożliwiające wzrost wykorzystania wody które mogą być stosowane w zamian zbiorników wodnych lub jako ich uzupełnienie - są to:
pobór, z ewentualnym ich uzupełnieniem, wód podziemnych;
odsalanie wód morskich.
Ponadto należy poświęcić więcej uwagi racjonalnemu zapotrzebowaniu na wodę poprzez zwiększanie wykorzystania wody w nawodnieniach i przemyśle, zmniejszeniu strat w sieci, oczyszczaniu ścieków itp.
A zatem już w trakcie opracowywania zapory należy sprawdzić możliwości zastosowania metod alternatywnych które mogą pozwolić osiągnąć te same cele przy mniejszych stratach społecznych i ekologicznych.
Najlepsi hydrotechnicy już dawno czuli się odpowiedzialni za stan środowiska. Taki stan rzeczy spowodował że większość starych zapór zasymilowała się ze środowiskiem. Skok w nauce, zwłaszcza w naukach ekologiczno-przyrodniczych spowodował że do jej wykorzystania należy zatrudnić cały zespół specjalistów.
Im większa jest planowana budowla tym większy jest jej zasięg oddziaływania na środowisko naturalne i społeczne. A zatem większy powinien być zasięg badań kompleksowych
i intredysyplinarnych badań. Dla większych zapór przed przystąpieniem do opracowania projektu jest konieczne opracowanie kompleksowego planu gospodarki wodnej w zlewni. Jeżeli granice zlewni wykraczają poza granice kraju opracowanie takiego planu wymaga współpracy zagranicznej.
Projekty należy oceniać z uwzględnieniem najnowszych osiągnięć techniki budowy zapór. Należy przeanalizować wszelkie możliwości ograniczenia szkodliwego wpływu - rozwiązania alternatywne, dostosowanie do warunków itp.
Państwa gdzie nie istnieją konieczne normy prawne i instytucjonalne powinny uzyskać pomoc od państw gdzie ustawodawstwo jest już rozwinięte oraz posiadają doświadczenie - metody techniki, badania, wnioski ze szczególnym uwagą należy odnosić się do oddziaływania na bioróżnorodnośc oraz siedliska gatunków rzadkich i zagrożonych.
Decyzja o podjęciu tak znaczącej inwestycji musi opierać się na jednoznacznym, rzeczywistym rachunku ekonomicznym. Dotyczy to przede wszystkim dużych budowli - zamrożenie na wiele lat dużych nakładów finansowych. Należy unikać przeceniania korzyści oraz zaniżania kosztów.
W rachunku tym należy uwzględnić oddziaływanie na środowisko naturalne i społeczne. Niektóre z nich trudno jest określić ilościowo, finansowo. Dlatego należy włączyć kryteria poza ekonomiczne a inwestor powinien wyjaśnić jaki był ich wpływ na podjęcie decyzji. Ważnym czynnikiem jest czas użytkowania zbiornika - rzeczywistą pojemność zbiornika należy określić biorąc pod uwagę sprawdzone dane o transporcie rumowiska z jeden strony oraz wiarygodne hipotezy przebiegu procesu sedymentacji w zbiorniku i wpływu działań zapobiegawczych z drugiej strony aby wydłużyć maksymalnie jej czas wykorzystania zbiornika. Zmniejszenie zamulenia czaszy zbiornika przez bagrowanie lub wymywanie powinno być wymagane ograniczeniem erozji w zlewni. Dodatkowo pośrednie korzyści które nie będą przynosiły dochodu inwestorom powinny być uwzględnione podczas projektowania oraz analizy porównawczej projektów, powinny obejmować ekologiczny energetycznego wykorzystania spiętrzenia w porównaniu z elektrowniami cieplnymi.
Ze szczególną dbałością należy przygotować proces przesiedlenia ludności zarówno organizacyjnie jak i politycznie. Koszty przesiedlenia należy włączyć do analiz ekonomicznych rozwiązań projektowych, ale kwoty te powinny być wyodrębnione z pozostałych środków
i powinny zostać przeznaczone tylko na przesiedlenie. Warunki życia przesiedlanych powinny się wyraźnie polepszyć, gdyż Ci których byt ucierpiał z powodu inwestycji powinni na niej zyskać.
Jeżeli nie występuje problem przesiedleń wpływ inwestycji na społeczność lokalną może być istotny zarówno podczas budowy jak i eksploatacji. Budowa i projektowanie musi uwzględniać interesy społeczności lokalnej. Dla tego do procesu projektowania inwestycji już na wstępie należy włączyć wszelki grupy społeczne nawet jeżeli obowiązujące prawo tego nie wymaga. Aby to było możliwe konieczne jest przekazywanie ciągłe i pełne informacji o inwestycji wszystkim zainteresowanym a zwłaszcza ludziom na których życie wpłynie bezpośrednio lub pośrednio oraz ich przedstawicielom. Główną rolę w przekazywaniu informacji powinni odgrywać inżynierzy hydrotechnicy. Powinni ułatwić zrozumienie rzeczowych faktów oraz ułatwić prowadzenie rzeczowej dyskusji opartej na tych faktach a nie na emocjach.
Obok trzech klasycznych możliwości realizacji tj. technicznego, ekonomicznego oraz finansowego projekty nowych zapór muszą spełnić czwarty - bezwzględnej akceptacji społecznej i politycznej. Obecnie czynnikiem decydującym o takiej akceptacji jest bezpieczeństwo środowiska.
Po oddaniu obiektu do eksploatacji jego wpływ na środowisko powinien być oceniany w porównaniu do sytuacji przed inwestycją na podstawie danych monitoringowych. W zależności od warunków lokalnych należy organizować badania aby umożliwić analizę funkcji budowli, jej wpływu, co pozwoli lepiej poznać wzajemne odziaływania budowli i srodowiska.
Po zakończeniu budowli należy wykonać pełną analizę oddziaływania aby określić w jakim stopniu zostały osiągnięte cele ekologiczne i jaki jest efekt działań zapobiegawczych. Wyniki takiej oceny powinny zostać opublikowane jako istotne źródło wiedzy, a także aby umożliwić ich wykorzystanie przy następnych projektach.
Konieczne jest prowadzenie badań ekologicznych zapór i zbiorników wodnych od dawna już eksploatowanych. Można będzie uniknąć wielu błędów, ciągle powracających dyskusji o wpływie zapór na środowisko oraz wyjaśnić i rozwiązać wiele problemów z tym związanych jeżeli będą prowadzone odpowiednie badania obejmujące zbieranie, przetwarzaniem analizę i publikowanie badań prowadzonych przez wiele lat na istniejących obiektach. Takie prace badawcze powinny stać się podstawą strategii pogłębiania współpracy ekologów w różnych dziedzinach.
Wykład 4 - 17.XI.1998
Geotechnika w budowie zapór ziemnych
W budownictwie zapór ziemnych mają zastosowanie prawie wszystkie działy geotechniki. Można jednak stwierdzić że w warunkach naszego kraju trzy z nich zajmują główne miejsce w warunkach projektowania i realizacji:
filtracja i zjawiska z nią związane
stateczność i odkształcanie nasypów w szczególności na gruntach słabych
geotechniczne zagadnienia technologii robót ziemnych.
Problematyka filtracji jest najbardziej szeroka, obejmuje zagadnienia ruchu wód jak
i praktyczne (obliczenie dopływu do wykopów fundamentowych) zagadnienia w skali laboratoryjnej (wyznaczenie wskaźnika filtracji dla gruntów słabo przepuszczalnych). Wpływ zbiornika na tereny przyległe.
Do zjawisk bezpośrednio związanych z filtracją należy: odkształcenie a także wypór z jakim przesiąkająca woda oddziaływuje na budowlę. Za jedno z najbardziej wygodnych
i uniwersalnych charakterystyk filtracji uważa się ciśnienie wody w porach. Szczególnie ważne jest to w przypadku obliczenia stateczności podłoża, nasypów zapór a także odporności filtracyjnej. Ma istotne znaczenie dla bezpieczeństwa budowli, prognozy jej zachowania, decyduje o tempie i technologii budowy itp.
Rozwój metod obliczeniowych stateczności parametrów wytrzymałościowych oraz metod
w badaniach i oceny odkształceń wynika przede wszystkim z badań zapór ziemnych które budowane są o coraz większych wysokościach a posadowione są na coraz słabszych podłożach. Elektroniczna technika obliczeniowa pozwala na wprowadzenie doskonalszych technik obliczeniowych (elementów skończonych) ciągle jednak występuje pewna granica
z powodu nie jednorodności gruntu.
„Grunt jest niestety dziełem natury a nie człowieka, a dzieła natury są bardzo skomplikowane” - stwierdzenie Terzagiego (ojciec mechaniki gruntów).
Wysiłek geotechników jest skierowany przede wszystkim na dobór odpowiednich parametrów do obliczenia stateczności. Problem odpowiedniego wymodelowania warunków gruntów odtwarzającego przewidywane rzeczywiste warunki pracy gruntów bardziej interesuje geotechników niż wprowadzenie nowych metod.
Wykład 5 - 1.XII.1998
Geotechniczne zagadnienia technologii robót ziemnych dotyczą w budownictwie wodno-melioracyjnym nasypów, przy czym coraz częściej musimy się zajmować poza gruntami naturalnymi także nasypami z gruntów antropogenicznych tj. odpadami z kopalni węgla kamiennego, osadami, żużlami, popiołami itp. Zainteresowania geotechników dotyczą
w głównej mierze problemów zmian materiałów jakie następują w wyniku technologicznego procesu zagęszczenia. Ze względu na to że do budowy nasypów hydrotechnicznych stosowane są coraz częściej grunty do niedawna uznawane za nie nadające się do tego celu
a także wyżej wymienione grunty antropogeniczne konieczne jest z jednej strony badanie ich właściwości a z drugiej ulepszanie i dostosowywanie metod kontroli jakości nasypu.
Zadania geotechników w budownictwie zapór.
Badania właściwości gruntu - zadanie najważniejsze. Należy zdawać sobie sprawę że istniejący system opisów gruntów nie jest dokonały i wymaga dalszego rozwijania i uściślania.
Badania procesów występujących w zrealizowanych obiektach - badań tych jest ciągle zbyt mało. Poznanie jak zachowuje się grunt budowli oraz w budowli, jak zachowuje się sama budowla jest podstawowym elementem weryfikacji teorii i praktyki geotechnicznej w budownictwie wodno-melioracyjnym.
Ocena nośności gruntów organicznych - struktura gruntów organicznych, w szczególności torfów ogranicza możliwości oceny mechanicznych właściwości tego utworu. Stąd konieczne jest wprowadzenie empirycznych współczynników w metodach służących do wyznaczenia stateczności gruntów słabych. Współczynniki te powinny być między innymi zależne od rodzaju torfu, stopnia rozkładu itp.
Weryfikacja minimalnych, dopuszczalnych współczynników pewności w obliczeniach stateczności. Współczynniki te powinny być uzależnione od dokładności stosowanej metody obliczeniowej. Oraz od sposobu wyznaczenia przyjętych do obliczenia parametrów wytrzymałościowych gruntu. Trudność polega na zróżnicowanej metodyce badań stosowanej przez różne laboratoria. Dość często parametry są wyznaczone w sposób niewłaściwy.
Analiza zjawisk filtracji na dużych obszarach - zasilanie dolin rzecznych jak również wpływ spiętrzenia w zbiornikach na tereny przyległe wymaga wprowadzenia obserwacji filtracji na dużych obszarach w nawiązaniu do przestrzennej budowy geologicznej.
Oceny możliwości gruntów antropogenicznych: grunty antropogeniczne (odpady przemysłowe) w większości przypadków nie mogą być badane metodami klasycznymi. Konieczne jest zatem opracowanie ich modyfikacji dla poszczególnych odpadów.
Ulepszanie technologii wykopów - pomimo dużego postępu w technologii odwadniania wykopów nadal występują duże trudności wynikające z trudności określenia właściwości podłoża (współczynnik filtracji).
Ulepszanie kontroli robót - stosowane są do budowy nasypów, zapór i obwałowań grunty o coraz gorszych właściwościach w tym również grunty antropogeniczne. Uzyskanie budowli o wymaganych właściwościach powinno być szczególnie systematycznie kontrolowane. Z drugiej strony metody klasyczne nie zawsze mogą być stosowane ze względu na zawartość w gruncie bardzo dużych frakcji.
Dobór parametrów geotechnicznych przy projektowaniu zapór ziemnych
Zapora ziemna jest budowlą której konstrukcja i podłoże z budowane z gruntu poddane jest działaniu filtracji wody. Z tego powodu geotechnika jest dyscypliną która decyduje o prawidłowości rozwiązania zapory w stopniu niespotykanym przy realizacji innych budowli.
Dobór parametrów geotechnicznych jest podstawowym składnikiem projektu zapory ziemnej i trwa nie tylko przez okres projektowania lecz także w czasie wznoszenia budowli jak również na początku jej eksploatacji. Geotechniczna część projektu zapór ziemnych rozpoczyna się przed przystąpieniem do badań geologiczno-inżynierskich a kończąca się po pierwszym napełnieniu zbiornika powinna być wykonana pod kierunkiem tego samego projektanta geotechnika. Jest to podstawowy warunek prawidłowego projektowania zapory ziemnej.
Prawidłowe przygotowanie geotechnicznej części projektu zapory ziemnej powinno obejmować:
Uczestniczenie w opracowaniu programu badań geologiczno-inżynierskich w nawiązaniu do warunków pracy budowli i przewidzianych metod obliczeniowych.
Zapoznanie się na bieżąco z wynikami badań terenowych i w miarę potrzeb rozszerzenie lub zmniejszenie ich zakresu.
Selekcja próbek gruntu do badań laboratoryjnych.
Weryfikacja wyników badań i dobór parametrów geotechnicznych do obliczenia.
Wykonanie obliczeń geotechnicznych dotyczących odkształceń, stateczności, filtracji.
Uczestniczenie w odbiorach podłoża i poszczególnych faz budowy nasypu - porównanie parametrów przyjętych do obliczeń z występującym w budowanym obiekcie. W przypadku stwierdzenia istotnych różnic przeprowadzenie kontrolnych obliczeń a w razie potrzeby korekty rozwiązań konstrukcyjnych.
Uczestniczenie w obserwacji podczas pierwszego napełnienia i analiza wyników obserwacji.
Dobór parametrów geotechnicznych podłoża zapór ziemnych.
Podstawowe parametry:
gęstość objętościowa,
współczynnik filtracji,
moduł ściśliwości,
spójność i kont tarcia wewnętrznego.
Wymienione parametry powinny być dobierane na podstawie wymienionych warunków jedynie dla zapór klasy IV na gruntach niespoistych lub gruntach spoistych półzwartych, gęsto plastycznych oraz w obliczeniach orientacyjnych dopuszcza się projektowanie na podstawie cech wskaźnikowych.
Ze względu na złożone warunki pracy podłoża budowli hydrotechnicznej dla uzyskania wartości zbliżonych do rzeczywistych badanie wytrzymałości gruntu musi być przeprowadzone
w sposób możliwie ścisły oddający warunki pracy podłoża. Rodzaj pracy podłoża będzie zależeć od wielu czynników z których najważniejsze to:
rodzaj gruntów występujących w podłożu,
rozpatrywany przypadek obliczeniowy (budowa, eksploatacja, opróżnianie zbiornika),
metoda obliczeniowa,
postęp robót w trakcie budowy,
poziom zwierciadła wody w podłożu przed spiętrzeniem,
w przypadku występowania z podłoża gruntów sypkich obliczenia mogą być wykonywane na podstawie parametrów uzyskanych w aparacie bezpośredniego ściskania lub w aparacie trójosiowym bez pomiaru ciśnienia wody w porach. Na podłożu gruntów spoistych badania powinny być prowadzone w aparacie trójosiowym z możliwością pomiaru ciśnienia wody w porach lub w szczególnym przypadku (bardzo słabe podłoże) przy zastosowaniu polowej sądy obrotowej.
Zasady doboru parametrów wytrzymałościowych podłoża dla różnych przypadków obliczeniowych
Przypadek budowlany
Jeżeli przewiduje się szybkie wznoszenie zapory do obliczeń należy przyjmować wyniki z badań bez konsolidacji i odpływu. Obliczenia w tym przypadku ze względu na trudności w określeniu przewidywanych ciśnień w porach podłożu zapory przeprowadza się na ogół w naprężeniach całkowitych a więc na podstawie parametrów całkowitych, u, Cu (nie uwzględnia się ciśnienia w porach) Jeżeli przewiduje się prowadzenie w trakcie budowli pomiaru ciśnienia wody w porach podłoża zapory pomiary powinny być prowadzone w naprężeniach efektywnych
Pomiary ciśnienia wody w porach umożliwiają dokładna ocenę stateczności i takie sterowanie postępem budowy przy którym zapewnione jest bezpieczeństwo budowy. Jeżeli przewiduje się powolny postęp budowy co pozwala przyjąć że podłoże ulega powolnej konsolidacji w trakcie sypania kolejnych warstw do obliczeń należy przyjmować parametry z badań po konsolidacji bez odpływu a obliczenia wykonywać w naprężeniach efektywnych na podstawie ” i C' (uwzględnienie ciśnienia wody w porach). Niezbędne jest wówczas wyznaczenie wielkości ciśnienia w porach jakie występuje w trakcie budowy.
Przypadek eksploatacyjny
Do obliczeń statycznych należy przyjmować parametry ' i C' wyznaczone z metod badania po konsolidacji z odpływem. Jeśli rozpatrywana warstwa gruntu znajduje się przed spiętrzeniem powyżej zw.w.gr. w badaniach powinna być uwzględniona możliwość spęcznienia gruntu po zawilgoceniach. Ponieważ w wyniku pęcznienia wyraźnie obniża się spójność gruntu a kąt tarcia wewnętrznego zmienia się nieznacznie w przypadku braku wielkości parametrów uwzględniających spiętrzenie należy przyjmować C' = 0.
Przypadek szybkiego obniżenia zwierciadła wody w zbiorniku
Ze względu na dodatkowe obciążenie podłoża występujące przy obniżeniu wody w zbiorniku. Obliczenia powinny być wykonywane na podstawie wyników badania metą po konsolidacji bez odpływu wykorzystując parametry ' i C'.
We wszystkich przypadkach parametry powinny być dobierane na podstawie wyników badań wytrzymałościowych przeprowadzonych przy naprężeniach zbliżonych do występujących w podłożu.
Dobór parametrów geotechnicznych grutów wbudowanych w korpus zapory.
Dla gruntów przewidzianych do wbudowania w nasypie ziemnym parametry geotechniczne należy dobierać na podstawie badań przeprowadzonych na próbkach o wilgotności przy której grunt zostaje wbudowany w nasyp i zagęszczony do gęstości objętościowej odpowiadającej zagęszczeniu nasypu. Badania powinny być zatem wykonywane na próbkach zagęszczonych w aparacie Proctora
a przy doborze parametrów należy uwzględniać te same zasady jak przy doborze parametrów gruntu w podłożu.
Przy doborze parametrów wytrzymałościowych nieprzepuszczalnej części korpusu zapory ze względu na trudności w ustaleniu warunków układu gruntów w korpusie celowe jest przeprowadzenie serii badań przy różnych wilgotnościach w przedziale dopuszczalnych odchyleń co pozwala ustalić zakres wahań parametrów.
W obliczeniach dotyczących przypadku po spiętrzeniu wody należy przyjmować parametry z uwzględnieniem pęcznienia gruntu po zawilgoceniu.
Dobór parametrów gruntu w przypadkach specjalnych
W projektowaniu zapór występują często przypadki wymagające specjalnych obliczeń - sprawdzeń:
odporności filtracyjnej gruntów przeznaczonych na uszczelnienia gruntowe;
stateczności przy założeniu poślizgu po powierzchni uprzywilejowanej wzdłuż styku podłoża
zsuwów warstwy przykrywającej po uszczelnieniu (folia, uszczelnienie gruntowe).
Dobór niezbędnych obliczeń do takich parametrów gruntowych wymaga przeprowadzenia odpowiednich badań.
Dla oceny odporności filtracyjnej gruntów uszczelniających dla zapór I i II klasy niezbędne jest wykonanie badań modelowych. Dla zapór niższych klas mogą być wykorzystane zależności korelacyjne.
Parametry wytrzymałościowe styków warstw mają istotne znaczenie i ich wartość może decydować o wymiarach warstw. Z tego powodu zaleca się przeprowadzenie badań. Przy czym najczęściej badania przeprowadzane są w aparacie trójosiowego ściskania w ten sposób aby przewidywana powierzchnia ścięcia przebiegała po styku warstw. Dla zapór niższych klas, w obliczeniach orientacyjnych parametry wytrzymałościowe styków mogą być przyjmowane na podstawie wzorów przybliżonych podawanych w literaturze.
Do obliczeń stateczności warstw przykrywającej uszczelnienie z folii wykorzystywany jest współczynnik tarcia gruntu po folii.
Wykład 5 - 15.XII.1998
Uszczelnienia zapór ziemnych
Uszczelnienia korpusu zapory
- ze względu na rodzaj materiału
Rdzenie z gruntów spoistych - są one najczęściej stosowane ponieważ uważane są za najbezpieczniejsze, grunty spoiste stosowane do wykonywania rdzeni powinny się charakteryzować uziarnieniem frakcji drobnych (rys.1)
Krzywa Talbota - idealne uziarnienie dla uszczelnienia określa się z krzywej Talbota
- p - procentowa zawartość cząstek gruntu przechodzących przez sito do wymiarów oczek d 
średnica zastępcza sita w mm - d
średnica ziarna maks. W mm - D
n → 0.25 ÷ 0.40
Stosowane są również rumosze gliniaste w których zawartość frakcji kamienistej może dochodzić do 50% masy gruntu. Przy czym w niektórych wykonanych uszczelnieniach średnia masa ziarna dochodziła do 250mm (Mattmal - Szwecja, Oroville - USA).
W przypadku gdy w gruntach średnica d25 jest mniejsza od 0.05mm to uważa się, je za nieprzepuszczalne, niezależnie od udziału % innych frakcji.
Na rdzenie nie dopuszcza się stosowania gruntów w których zawartość części organicznych jest większa od 3% i rozpuszczalnych soli większa od 6%. Wymiary i konstrukcja rdzenia zależne są od przepuszczalności gruntu i możliwości wykonawczych. W przypadku gruntów słabo przepuszczalnych o k = 10-6 ÷ 10-7m/s wymiary rdzenia należy sprawdzać ze względu na straty przepuszczalne. W przypadku gruntów praktycznie nieprzepuszczalnych k ≤ 10-8 m/s rdzenie wymiaruje się ze względu na odporność filtracyjną lub konstrukcyjnie. Natomiast straty filtracyjne przez rdzeń można pominąć. Wymiary poprzeczne rdzenia powinny umożliwić swobodną pracę sprzętu transportowego i zagęszczającego.
Konstrukcja rdzenie zależy od ilości materiałów przeznaczonych na budowę zapory. Jeżeli dostępne są duże złoża gliny a brak materiałów na nasyp, cześć szczelna zostaje rozbudowana znacznie powyżej potrzeb wynikających z warunków zapobiegania filtracji. W skrajnych przypadkach (Lukačowice na Morawach) cały nasyp zapory wykonuje się z gruntów gliniastych stosując jedynie odpowiednie ubezpieczenie skarp i drenaż.
Grunt na skarpie odwodnej przeciwdziała ciśnieniu spływowemu przy nagłych wahaniach zwierciadła wody.
W normalnej sytuacji dąży się do minimalnych wymiarów rdzenia - jest to najdroższy rodzaj prac budowlanych, ziemnych. Rdzenie stanowią zasadniczy element konstrukcyjny, decydujący
o bezpieczeństwie obiektu. Szerokość korony rdzenia przyjmuje się minimum 1m w zaporach niskich
a w wysokich i średnich 2-3m.
Smukłość - wysokość piętrzenia do szerokości podstawy na poziomie zwierciadła wody dolnej powinna być większa od 3 jednak nie większa niż 10. Co wynika ze względów ekonomicznych.
Od smukłości rdzenia w pewnym stopniu zależy rozwiązanie korpusu zapory. Rdzenie szerokie czyli o małej smukłości stanowią znaczną część przekroju zapory, wpływając w sposób istotny na jej stateczność. A w mniejszym stopniu podlegają działaniu sił filtracji. Rdzenie wąskie - o większej smukłości zajmują mały wycinek przekroju poprzecznego zapory wpływając nieznacznie na jej stateczność. W wąskich rdzeniach w okresie budowy ciśnienie wody w porach ulega szybkiemu rozproszeniu dzięki małej szerokości rdzenia i krótszej w związku z tym drogi filtracji. Cechą niekorzystną rdzeni wąskich jest występowanie dużych gradientów hydraulicznych oraz większa możliwość powstawania szczelin. W praktyce częściej stosowane są rdzenie wąskie gdyż są one na ogół bardziej ekonomiczne.
Niektórzy autorzy uważają że rdzenie o smukłości 2 - 3.5 można stosować w zaporach o dowolnej wysokości, wykonanych z różnych gruntów. W pewnych szczególnie korzystnych warunkach tj. gdy są bardzo dobre grunty rdzenia i filtrów odwrotnych można stosować rdzenie o smukłości 5 - 5.5 a nawet większej. Przy czym większe smukłości zalecane są dla rdzeni pochylonych.
Korona rdzeni zapór klasy I i II powinna się wznosić 0.5m a III i IV - 0.3m nad maksymalny poziom piętrzenia w zbiorniku i nie powinna być niższa od poziomu wody przy przepływie miarodajnym. Należy uwzględnić że korona rdzenia powinna być ustawiona na wysokości równej co najmniej podsiąkowi kapilarnemu w gruncie nasypu statycznego przy maksymalnym stanie wody w zbiorniku. W przypadku wysokiego podsiąkania należy zastosować grunt filtracyjny jako obsypkę korony rdzenia przy czym nad koroną grubość gruntu sypkiego nie powinna być mniejsza od głębokości przemarzania. Rdzenie z gliny powinny być obustronnie zabezpieczone.
Rozwiązania konstrukcyjne
rdzenie poziome przykłady:
zapora w Tresnej (rys. 3) - rdzeń wykonany został z glin deluwialnych na podłożu gliny te zawierały do 10% ziaren zwietrzałego piaskowca o do 100 mm. Smukłość 3-2. Rdzeń zabezpieczony obustronnie przejściowym materiałem filtracyjnym. Połączenie rdzenia z podłożem jest poszerzone i obejmuje galerię kontrolno-zastrzykową. Glina przywożona ze złoża bezpośrednio samochodami, rozkładana i zagęszczana warstwami 25cm.
Zapora w Korycanach CSR (rys. 4) - rdzeń wykonany z glin aluwialnych układanych warstwami
o grubości 15cm. Zagęszczony 8 - 10 przejazdami gładkiego walca o masie 1.7t. w 18 21%. Budowla charakterystyczna dla fliszu karpackiego oraz ze względu na proste środki wykonawstwa.
Zapora w Geshoredy Szwajcaria (rys. 5) - rdzeń o wysokości ponad 150m wykonany został z gruntów gruboziarnistych, morenowych, mieszanych mechanicznie z mieloną glinką bentonitową. Proporcja geometryczne rdzenia zbliżone są do rdzenia w Tresnej
rdzenie pochyłe - są mniej korzystne pod względem statycznym jednak znacznie ułatwiają organizację robót ziemnych.
Zapora Mont Ceris (rys. 6) - rdzeń wykonano jako pochyły o szerokości podstawy około 70m przy maksymalnym wysokości zapory 120m. Materiały stanowiły gliny zwietrzelinowe. Grunt układany warstwami o grubości 40 cm i zagęszczany czterema przejściami walca wibracyjnego o masie 8.5t.
Šarce CSRS (rys. 7) - wykonano w niej smukły rdzeń z glin pylastych i częściowo z glin pylastych o właściwościach gruntu z Tresnej.
Ekrany gruntowe
W przypadku gdy nachylenie rdzenia zbliża się do nachylenia skarpy odwodnej nazywane jest ekranem gruntowym. Ekran taki powinien być przykryty warstwą z gruntów filtracyjnych o grubości 1.5 - 2m. Ekrany gruntowe stosowane są w zaporach niskich przy niewielkich wahaniach wody górnej i możliwości stosowania lekkich ubezpieczeń części skarpy odwodnej. Tego typu ekrany zostały wykonane w części zapory w Goczałkowicach
Ekrany żelbetowe i asfaltowe - ekrany z gruntów spoistych są czasem trudne do zrealizowania powodu braku materiałów, zbyt dużych kosztów lub skomplikowanej organizacji robót np. warunki klimatyczne pozwalają na prowadzenie robót przez kilka miesięcy w roku. W takich przypadkach stosuje się ekrany nie gruntowe które są często bardziej ekonomiczne gdyż stanowią jednocześnie umocnienie skarpy odwodnej. Materiały z których wykonuje się ekrany to beton, żelbeton, masy asfaltowe, metale, folie z materiałów syntetycznych. Najczęściej mają zastosowanie płyty żelbetowe i asfaltowe. Mniej korzysta się z ekranów betonowych które pękają przy nieznacznym osiadaniu podłoża a także ulegają szybszemu niszczeniu w strefie spękań w skutek przemarzania, filtracji, falowania wody itp. Ekrany nie gruntowe stosowane były głównie przy wykonywaniu zapór naturalnych i ziemnonarzutowych które charakteryzują się wąskim przekrojem poprzecznym co wymagało wykorzystania całej masy korpusu zapory dla zapewnienia ogólnej stateczności nasypu.
- ogólne zasady projektowania ekranów żelbetowych - wymiary płyt ekranów powinny być duże - około 10-20m Stosowana mniejszych płyt jest niecelowe z uwagi na wzrost długości dylatacji, utrudniających wykonanie uszczelnienia i stanowi jego słaby punkt. Grubość powinna wynosić około 1% wysokości zapory. W przypadku zapór czołowych poddanych stałemu ciśnieniu wody nie powinna być ona mniejsza od 200cm. Rozstaw dylatacji powinien ogólnie mieścić się w granicach wymiarów płyt. Dylatacje termiczne prostopadłe do osi zapory rozstawione w odległości nie większej od 6m narzucają wykonanie płyt w dwóch fazach rozdzielonych równoległym do dylatacji szwem roboczym. Dylatacje równoległe do korony zapory należy zagęszczać w przypadku spodziewanych, znacznych osiadań podłoża i nasypu ze względu na przewidywane odkształcenia ekranu wskutek osiadań.
Płyty ekranów mają najczęściej kształt prostokątny o którymś z boków równoległym do korony zapory. Zapory o nachyleniu od 1:2,5 bez podbudowy powinny być sprawdzone ze względu na stateczność na zmiany przy nagłym obniżeniu zwierciadła wody w zbiorniku.
Zbrojenie powinno być obliczone na moment łamiący jak dla płyt betonowych a o tej samej grubości całkowitej. Należy uwzględnić że przy umieszczaniu zbrojenia w osi przekroju płyty wysokość obliczeniowa przekroju żelbetowego stanowi połowę grubości płyty. Minimalna ilość stali powinna wynosić 0.2% przekroju gotowego. Beton przeznaczony na ekran powinien być starannie opracowany technologicznie o odpowiedniej wytrzymałości, mrozoodporności itp., itd.
Ekrany grubości 40cm wykonuje się jako kilku warstwowe z przesuniętymi dylatacjami. W zaporach wysokich zalecane jest stosowanie folii polimerowych między płytami uszczelniającymi. Podłoże skarpy przed położeniem ekranu powinna być odpowiednio przygotowana i zagęszczona. W przypadku zapór niskich i średnich przed ułożeniem płyt wymagane jest umocnienie skarp chudym betonem.
- przykłady
W Polsce ekrany żelbetowe były dość często stosowane jako uszczelnienie niskich zapór i obwałowań zbiorników. Były to konstrukcje złożone z jeden warstwy płyt żelbetowych na podsypce z uszczelnieniem dylatacjami. Zapory Głębinów, Przeczyce, Ćzaniec, na obwałowaniach w cofce zbiornika w Tresnej.
W zaporze w Przeczycach do uszczelnienia dylatacji ekranu zastosowano taśmę PCV produkcji krajowej (rys. 8) na obwałowaniach bocznych ekrany miały prostszą konstrukcję. Stosowano w nich płyty grubości 12-15cm zbrojone w osi przekroju siatką z prętów. Dylatacja uszczelniona była deską pozostawioną między płytami podczas betonowania dochodzącą do poziomu zbrojenia tj. do połowy grubości płyty. Górne części szczeliny zalewano bitumem. Tak proste rozwiązanie można było dopuścić przy braku odpowiedniejszych materiałów uszczelniających i braku specjalistycznego sprzętu dla zapór o bardzo małym poziomie piętrzenia. Wnioski: bitumy są niszczone w strefie falowania.
Bardziej skomplikowane konstrukcje mają ekrany żelbetowe dwu warstwowe, ułożone na warstwie drenażowej odwodnionej przez galerię kontrolno zastrzykową rys 9. Wylot drenaży tak został skonstruowany by umożliwić pomiar ciśnienia wody pod ekranem.
W zaporach wysokich konstrukcje ekrany żelbetowego jest bardziej złożona np. zapora narzutowa Cartright w USA o wysokości 97m ma ekran wielowarstwowy o sumarycznej grubości 30-85cm (rys 10) wykonany został z płyt o wymiarach 9,15x9,15x0,15 w betonowanych na skarpie w 2-5 warstwach w zależności od głębokości wody. Najniższe warstwy były wykonane z płyt o grubości17cm, między poszczególnymi warstwami układano na gorąco warstwy 4-5mm asfaltu, który stanowi uszczelnienie i zmniejsza tarcie podczas wzajemnego ruchu warstw przy odkształcaniu się ekranu. Ekran wykazał szczelność nawet przy znacznych odkształceniach korpusu zapory i pracy w warunkach sejsmicznych. Szczeliny dylatacyjne płyt w ekranach zapór uszczelnione były blachą i taśmami PCV lub z innych tworzyw sztucznych, zbrojenie płyt w osi, wystające kotwy, aby płyty nie zjeżdżały.
Ekrany i rdzenie z hydrotechnicznych mas asfaltowych (ekrany i rdzenie bitumiczne z asfaltobetonu)
Hydrotechniczne masy asfaltowe wyróżniają się np. walorami technicznymi:
praktycznie całkowitą wodoszczelnością,
dużą podatnością czyli zdolnością do odkształceń bez utraty wodoszczelności,
odpornością na agresję chemiczną,
mrozoodpornością,
łatwością napraw uszkodzeń i konserwacji,
bezdylatacyjną monolityczną konstrukcją uszczelnień,
w większości wypadków z powodzeniem zastępują betony i żelbetony, w niektórych rozwiązaniach są znacznie korzystniejsze.
Rozwiązania konstrukcyjne
W zależności od rodzaju materiału z którego wykonana jest zapora, jej wymiarów i sposobu posadowienia na podłożu wyróżniamy:
ekrany zewnętrzne jedno i dwu warstwowe,
rdzenie wewnętrzne, pionowe i pochyłe (rys. 1)
Ekrany zewnętrzne jedno warstwowe są opłacalne przy zaporach niskich do 15m wysokości. Ekrany zewnętrzne wielowarstwowe lub rdzenie zewnętrzne stosowane są gdy:
zapory o dużej klasie bezpieczeństwa posadowione na podłożu na niekorzystnych warunkach geologicznych,
zapory budowane z gruntów zmieniających podstawowe właściwości mechaniczne i fizyczne
w warunkach nadmiernego zawilgocenia np. przewarstwienia z glin i iłołupków,
uszczelnienia narażone na częste i znaczne poziomy wody w zbiorniku np. uszczelnienie czaszy w górnych zbiorniku akumulacyjnym, w elektrowni pompowo-szczytowych.
Rdzenie wewnętrzne są łatwe w wykonawstwie i skutecznie uszczelniają zapory narzutowe dochodzące do 120m wysokości. Ubezpieczenie z hydrotechnicznych mas asfaltowych na skarpach lub w rdzeniu zapory są bardzo skuteczne i (1,5-3) - krotnie tańsze od odpowiednich uszczelnień,
z tradycyjnych materiałów tzn. z glin lub żelbetu.
Uszczelnienie zewnętrzne - ekrany jednowarstwowe - stosowane są do uszczelniania niskich zapór o wysokości piętrzenia do 15m budowanych z materiałów sypkich np. żwiry, grube piaski
o współczynniku filtracji k ≥ 10-1 m/s.
Jedno warstwowy ekran tworzy hydrotechniczna masa asfaltowa typu szczelnego układ bezpośrednio na podbudowie grubości 15-20cm, z miejscowych gruntów stabilizowanych cementem lub emulsjami asfaltowymi rys. 2
Zalecane grubości warstw uszczelniających w zależności od wysokości zapory i nachylenia zboczy (zest. tab.1). W niektórych przypadkach dla uniknięcia niedokładności i zasklepienia porów zwłaszcza na stykach roboczych warstwy szczelniej oraz dla opóźnienia warstwy sterowane powierzchniowe zamknięcie wykładziny warstwami asfaltu lub asfaltu na gorąco.
W ekranach zewnętrznych znajduje zastosowanie hydrotechniczne asfalty lane lub betony asfaltowe o strukturze zamkniętej. Asfalty lane rozkładane są ręcznie i nie wymagają zagęszczania, asfaltobetony są rozścielane mechanicznie i zagęszczane walcami wibracyjnymi lub statycznymi. Do tego celu można zastosować sprzęt drogowy np. zestaw dwóch koparek, układarki drogowe, walców wibracyjnych i ciągnika.
Zestawem takim można uszczelniać zapory o nachyleniu niewiększym niż 1:2 i szerokości skarpy liczonej po zboczu do 6m
Ekrany zewnętrzne dwuwarstwowe - mają zastosowanie w uszczelnianiu zapór o wysokości dochodzącej do 25m, budowanych z gruntów statycznych w warunkach nadmiernego uwilgotnienia. Stosowane są następujące ekrany dwuwarstwowe:
Warstwa szczelna z hydrotechnicznych asfaltobetonów o strukturze zamkniętej jest układana na warstwie drenującej z hydrotechnicznego asfaltobetonu o strukturze otwartej, obie warstwy są ułożone na warstwie filtracyjnej z tłucznia, grysów lub żwirów powierzchniowo stabilizowanych lepiszczem asfaltowym rys3a.
Warstwa szczelna jak wyżej, jest ułożona na warstwie przejściowej z hydrotechnicznego asfaltobetonu o strukturze częściowo zamkniętej, obie warstwy są ułożone na warstwie filtracyjnej z tłucznia, grysów, żwirów powierzchniowo stabilizowanych lepiszczem asfaltowym rys3b.
Warstwa szczelna - grubość jej jest uzależniona od parametrów zapory (tab1), wymagany współczynnik filtracji k = 10-6 - 10-8 cm/s.
Warstwa drenażowa - spełnia w ekranie uszczelniającym kilka funkcji:
pozwala na przechwycenie i kontrolę ewentualnych przecieków wody przez ekran
pozwala na przechwycenie wody napływającej od strony korpusu zapory.
Grubość warstwy drenażowej wynosi 5-10cm, a współczynnik filtracji nie może być mniejszy niż
k=10-1 - 10-2 cm/s.
Warstwa przejściowa - jest nośną podbudową o module przydatności E>300 kG/cm2, zapewniającą optymalne zagęszczenie warstwy szczelnej, dodatkowo wiąże warstwę szczelną
z drenażową. Grubość warstwy przejściowej 5-10cm, a wymagany współczynnik filtracji
k=10-2 - 103cm/s
Warstwa filtracyjna - w ekranie uszczelniającym pełni następujące funkcje:
wyrównanie podłoża gruntu;przenosi na korpus zapory obciążenia wynikające z parcia hydrostatycznego wody zgromadzonej w zbiorniku, a także obciążenia dynamiczne powstające w czasie pracy sprzętu na zboczu;
chroni warstwę drenażową przed zakolmatowieniem drobnymi cząstkami gruntu, które mogą być przemieszczone wraz z napływającą od korpusu zapory wodą.
W zaporach ziemnych grubość warstwy filtracyjnej wynosi 5-15cm. w zaporach narzutowych wybudowanych z grubych kamieni dochodzą do kilku metrów. Przecieki wody zostają przechwycone
w warstwie drenażowej i następnie odprowadzone na zewnątrz korpusu zapory głównym zbieraczem
(rys. 4a) lub galerię drenażową biegnącą po stronie odwodnej w stopie zapory (rys. 4b). Lepszym
i częściej stosowanym rozwiązaniem jest galeria drenażowa, która ułatwia kontrolę konstrukcji uszczelniającej podczas jej eksploatacji, a także lokalizację uszkodzeń ekranu.
Ekrany zewnętrzne wielowarstwowe - stosowane są do uszczelnienia zapór o dużej klasie bezpieczeństwa, pracujących w trudnych warunkach. Konstrukcja ekranów wielowarstwowych zapewnia bezpieczne odprowadzenie przecieków do galerii drenażowej bez możliwości przedostania się wody do wnętrza korpusu zapory. W tym celu ekran uszczelniający jest zbudowany z dwóch warstw szczelnych oddzielonych między sobą wkładką drenażową (rys5). Przedostające się przez zewnętrzną warstwę przecieki zostają przechwycone w warstwie drenażowej i odprowadzone do galerii.
Hydrotechnicznym masom asfaltowym w wielowarstwowych ekranach stawiane są następujące wymagania techniczne:
asfaltobetony o strukturze zamkniętej tworzącej warstwy szczelne muszą być podatne na odkształcenia bez utraty wodoszczelności, zawierać mniej niż 3% wolnych przestrzeni, posiadać współczynnik filtracji k = 10-7 - 10-8 cm/s, całkowitą odporność na spływnosć po zboczu, stabilność wg. Zmodyfikowanego Marschalla, większego od 900kg;
beton o strukturze otwartej tworzący warstwę drenującą musi zawierać nie mniej niż 15-20% wolnych przestrzeni, współczynnik filtracji rzędu k = 10-1 - 10-2 cm/s, stabilność wg zmodyfikowanego Marschalla 700kg, podatność na odkształcenia.
W ekranach uszczelniających wymagane jest zapewnienie dobrej przyczepności pomiędzy poszczególnymi warstwami, co ma zasadniczy wpływ na bezpieczeństwo konstrukcji. Ze względu na znaczą wysokość zapór uszczelnienie wielowarstwowe jest rozściełane specjalnym sprzętem skarpowym, a od wykonawcy jest wymagane duże doświadczenie.
Uszczelnienie wewnętrzne - rdzenie - zastosowanie mają rdzenie pionowe, pochyłe i strome (rys 1c,d,e). Dwa pierwsze rdzenie uszczelniające wewnętrzne znajdują zastosowanie w zaporach niskich oraz średnich o wysokości do 60m, natomiast w zaporach wysokich stosuje się rdzenie strome.
Rdzenie pionowe stanowią najmniejszą powierzchnię wodoszczelną w zaporze - do czego zreguły się zmierza. Ma to istotne znaczenie szczególnie wówczas, gdy spodziewane jest znaczne osiadanie podłoża pod zaporą oraz przy występowaniu nadmiernego osiadaniu korpusu statecznego. Przykładem zastosowania rdzeni pionowych jest zapora ziemno-narzutowa Wiehl w Niemczech
o wysokości 55m, rdzeń asfalto-betonowy wykonano w dwustronnej osłonie warstw przejściowych. Grubości rdzenia zmieniają się skokowo do głębokości 15m (licząc od korony) wynosi 40cm,
15 - 35 cm (50cm), poniżej 60cm. U podstawy zapory wykonano galerię kontrolno-zastrzykową (rys 6).
Rdzenie pochyłe - wykonywane są ze skłonem pod 1:1 do 0.4:1, nachylenia w stosunku do poziomu = 45o - 76o. Rdzenie pochyłe stanowią korzystniejsze rozwiązanie konstrukcyjnie uszczelnienia ze względu na stateczność zapory.
Rdzenie strome - są stosowane szczególnie w zaporach narzutowych o wysokości ponad 100m. konstrukcja rdzenia w dolnej części pionowa, w środkowej posiada podgięcie o promieniu ok. R=65m w stronę odpowietrzną, natomiast w górnej części posiada nachylenie 0.23:1. Takie rozwiązanie zastosowano w dwóch zaporach kamienno-narzutowych Haj-Ajenol, gdzie zbudowano zbiornik wody pitnej dla Hong-Kongu.
SPIS TREŚCI - SEMESTR I
Zapora i zbiornik w Głębinowie...................................................... |
1 |
Zapora boczna w Siestrzechowicach............................................... |
4 |
Sposób wykonania przepony iłowej................................................ |
4 |
Deklaracja ICOLD........................................................................... |
7 |
Geotechnika w budowie zapór......................................................... |
14 |
Zadania geotechników w budowie zapór........................................ |
15 |
Dobór parametrów geotechnicznych............................................... |
16 |
Dobór parametrów dla podłoża zapór ziemnych........................... |
17 |
Zasady doboru parametrów wytrzymałościowych podłoża dla różnych przypadków obliczeniowych............................................. |
18 |
Dobór parametrów geotechnicznych gruntów wbudowanych w korpus zapory.................................................................................... |
19 |
Dobór parametrów w przypadkach specjalnych........................... |
20 |
Uszczelnienie korpusu zapory.......................................................... |
21 |
Rozwiązania konstrukcyjne uszczelnień......................................... |
24 |
Rdzenie poziome............................................................................... |
24 |
Rdzenie pochyłe................................................................................. |
25 |
Ekrany gruntowe.............................................................................. |
26 |
Ekrany i rdzenie z hydrotechnicznych mas asfaltowych.............. |
30 |
SPIS TREŚCI - SEMESTR I
Zapora i zbiornik w Głębinowie...................................................... |
1 |
Zapora boczna w Siestrzechowicach............................................... |
4 |
Sposób wykonania przepony iłowej................................................ |
4 |
Deklaracja ICOLD........................................................................... |
7 |
Geotechnika w budowie zapór......................................................... |
14 |
Zadania geotechników w budowie zapór........................................ |
15 |
Dobór parametrów geotechnicznych............................................... |
16 |
Dobór parametrów dla podłoża zapór ziemnych........................... |
17 |
Zasady doboru parametrów wytrzymałościowych podłoża dla różnych przypadków obliczeniowych............................................. |
18 |
Dobór parametrów geotechnicznych gruntów wbudowanych w korpus zapory.................................................................................... |
19 |
Dobór parametrów w przypadkach specjalnych........................... |
20 |
Uszczelnienie korpusu zapory.......................................................... |
21 |
Rozwiązania konstrukcyjne uszczelnień......................................... |
24 |
Rdzenie poziome............................................................................... |
24 |
Rdzenie pochyłe................................................................................. |
25 |
Ekrany gruntowe.............................................................................. |
26 |
Ekrany i rdzenie z hydrotechnicznych mas asfaltowych.............. |
30 |
SPIS TREŚCI - SEMESTR I
Zapora i zbiornik w Głębinowie...................................................... |
1 |
Zapora boczna w Siestrzechowicach............................................... |
4 |
Sposób wykonania przepony iłowej................................................ |
4 |
Deklaracja ICOLD........................................................................... |
7 |
Geotechnika w budowie zapór......................................................... |
14 |
Zadania geotechników w budowie zapór........................................ |
15 |
Dobór parametrów geotechnicznych............................................... |
16 |
Dobór parametrów dla podłoża zapór ziemnych........................... |
17 |
Zasady doboru parametrów wytrzymałościowych podłoża dla różnych przypadków obliczeniowych............................................. |
18 |
Dobór parametrów geotechnicznych gruntów wbudowanych w korpus zapory.................................................................................... |
19 |
Dobór parametrów w przypadkach specjalnych........................... |
20 |
Uszczelnienie korpusu zapory.......................................................... |
21 |
Rozwiązania konstrukcyjne uszczelnień......................................... |
24 |
Rdzenie poziome............................................................................... |
24 |
Rdzenie pochyłe................................................................................. |
25 |
Ekrany gruntowe.............................................................................. |
26 |
Ekrany i rdzenie z hydrotechnicznych mas asfaltowych.............. |
30 |
28
Wyszukiwarka