LUCRARI HIDROTEHNICE SUBTERANE

1 Clasificare. Functii.

Lucrarile hidrotehnice subterane pot fi:

galerii hidrotehnice - constructii pentru transportul apei, executate prin excavarea sectiunii lor in scoarta pamantului, fara indepartarea terenului de deasupra si care au pante longitudinale mici (maximum 10%);

galerii hidrotehnice fortate (suitoare) cand au pante longitudinale mari (20-45

puturi cand sunt verticale;

caverne(excavatii de sectiune transversala relativ mare si de lungime de acelasi ordin de marime cu latimea).

La o amenajare hidroenergetica pot sa apara toate aceste tipuri de lucrari subterane ca in exemplul din figurile 6-1 si 6-2 in care se prezinta schema Amenajarii Bistra Poiana Marului si respectiv schema U.H. Arges.

Functiile pe care galeriile le pot indeplini in cadrul unei amenajari hidrotehnice sunt:

galerii de derivatie - cand aductiunea de apa de la priza la centrala este realizata sub forma de galerie;

galerii de deviere a apelor in timpul constructiei barajului;

galerii amenajate ca goliri de fund sau ca descarcatori de ape mari

galerii de evacuare (de fuga) in cazul centralelor subterane;

galerii tehnologice pentru acces, cabluri, ventilatie etc.

galerii de drenaj;

galerii purtatoare de conducte

galerii sau puturi fortate care asigura legatura de la camera de echilibru la uzina;

galerii de alimentare cu apa.

Puturile pot fi fortate sau de acces. Cavernele sunt folosite pentru:

adapostirea unor echipamente (casa de vane, camera batardourilor);

amplasarea in subteran a echipamentelor centralei electrice (sala masinilor, sala transformatorilor etc.)

-amplasarea unor instalatii de supraveghere si comanda (camera de comanda a centralei).

Fig. 6-1 Schema Amenajarii Bistra Poiana Marului

Fig. 6-2 Lucrari subterane la U.H.Arges:

1-galeria de aductiune;2-galeria de acces la casa vanelor;3-castel de echilibru D = 7,2 m, H = 173 m;4-camera inferioara la castelul de echilibru;5-put fortat H = 180 m, D = 4,10 m; 6-caverna centralei subterane;7-galeria de fuga; 8-puturi de acces pentru executia galeriei de fuga;9-galeria de acces la casa vanelor de pe conducta fortata 10-caverna camerei batardourilor de pe galeria de fuga.

Dupa regimul hidraulic de functionare galeriile pot fi:

galerii cu scurgere libera

galerii sub presiune

galerii cu regim mixt galerii secundare, de fuga, de deviere

2 Generalitati despre alegerea traseului unei galerii.

Alegerea traseului si cotele profilului in lung ale unei galerii hidrotehnice se aleg pe considerente functionale si tehnico-economice din compararea mai multor variante posibile, tinand cont de mai multi factori.

Fig. 6-3 Traseul galeriilor hidrotehnice: F1F5 ferestre de atac la galerie.

Factori topografici. Traseul ideal ar fi o linie dreapta. Aceasta solutie nu este intotdeauna rationala, deoarece pe traseu exista vai care ar trebui traversate cu apeducte sau prin sifonare.

In general traseul urmeaza o linie franta astfel ca galeria sa fie intotdeauna cu acoperire suficienta de roca - de minimum 5 diametre la galeriile cu nivel liber si ceva mai mult la galeriile sub presiune.

Factori geologici. Se recomanda ca galeria sa strabata roci cat mai rezistente si cat mai etanse; sa se evite zonele de roca slaba cu pericol de surpari, zonele de accidente tectonice, zonele cu infiltratii mari de apa sau cu eruptii de gaze care, scumpesc mult costul specific al galeriei. De asemenea se recomanda ca unghiul dintre axa longitudinala a galeriei si directia stratificatiei rocilor strabatute sa fie cat mai apropiat de 90 , reducanduse astfel valorile impingerii muntelui.

Factori de executie. Lucrarea este inceputa din mai multe puncte prin ferestre de atac, amplasate de obicei in aval de afluienti pentru ca apele din infiltratii sa poata fi evacuate gravitational prin fereastra (fig. 6-3). Lungimea unui tronson de atac, in tara noastra, a crescut de la cateva sute de metri la nivelul anilor 60, la cativa km in prezent.

Termenul de executie depinde de numarul ferestrelor de atac si parcul de utilaje de lucru disponibil. Stabilirea ferestrelor de atac depinde de posibilitatile de acces, de amplasare a unor instalatiii ca: statii de compresoare, ventilatie, epuismente, alimentare cu energie electrica, fabrica de betoane, colonie muncitoreasca, necesare in general la fiecare fereastra de atac. Tendinta moderna este de reducere la minimum a numarului de ferestre de atac, sporind viteza de avansare prin folosirea unor utilaje de mare productivitate.

Factori ce depind de tipul si destinatia galeriei. La galeriile sub presiune trebuie sa se asigure si in cazul miscarii nepermanente 1.50-2.00 m coloana de apa peste cheie.

La galeriile cu nivel liber trebuie sa ramana la cheie un spatiu de aerare de minimum 40 cm sau 0.15 h (h - inaltimea galeriei). Panta longitudinala a galeriilor se ia constructiv de 2 -5. La galeriile energetice se recomanda ca traseul intre coturi sa nu devieze mai mult de 60, iar raza de curbura sa fie de minimum 5 diametre sau latimi ale sectiunii.

3 Alcatuirea sectiunii transversale a galeriilor

Forma sectiunii transversale se alege din considerente:

hidraulice - de a asigura debite maxime cu o suprafata de curgere minima;

statice - de preluare in conditii optime a solicitarilor exterioare;

functionale - indeplinirea conditiilor de gabarite impuse la executie, si in exploatare.

Pe baza acestor considerente au fost stabilite mai multe tipuri de sectiuni pentru galerii cu nivel liber (I, II, III, IV si in conditii speciale V figura 6-4) Pentru galerii sub presiune aproape intotdeauna se adopta forma circulara V,a.

Tipul I - sectiune dreptunghiulara cu bolta pleostita sau dreapta se aplica in cazul unor roci foarte rezistente si a unor sectiuni mici ale galeriilor.

Tipul II maner de cos se aplica in cazul sectiunilor de dimensiuni medii in roci rezistente cu impingeri verticale moderate.

Tipul III alungit, se aplica in roci moi cu impingeri mari pe verticala si moderate pe orizontala.

Tipul IV potcoava se aplica in roci moi cu impingeri mari pe toate directiile, inclusiv in radier.

Fig. 6-4 Sectiuni uzuale pentru galerii cu nivel liber si sub presiune

Tipul V circular se aplica in roci moi atunci cand se inainteaza cu scutul; in cazul rocilor la care apar fenomene de umflare si cu impingeri uniforme pe toate directiile.

La galerii cu nivel liber cu variatii mari de nivel al apei se considera H = 1,31,5B. Gabaritele minime impuse (fig. 6-5) rezulta din: schemele tehnologice de executie, respectarea normelor de protectie a muncii si de exploatare si intretinere.

Gabaritele minime sunt: inaltime 1.80 m, latime 1.50 m la sectiuni necirculare si diametrul de 1.90 m la sectiuni circulare.

Fig. 6-5 Gabarite minime la galerii excavate sau betonate: 1-conducta de ventilatie; 2-conducta de epuisment; 3-conducta de aer comprimat; 4-masina de incarcat steril; 5-locomotiva electrica (LAM); 6-cofraj.

4 Alcatuirea captuselilor galeriilor si puturilor hidrotehnice

Functiile captuselilor sunt:

in roci tari si stabile, sa reduca rugozitatea peretilor prin netezirea suprafetei;

in roci fisurate dar rezistente, sa asigure etanseitatea sectiunii;

in roci moi cu pericol de surpare, sa asigure stabilitatea sectiunii.

Intr-o conceptie relativ recenta la cavernele si galeriile executate in roci rezistente si impermeabile exista tendinta de a se renunta la captuseala. Este mult mai economic sa se mareasca cu cateva procente sectiunea transversala a galeriei pentru compensarea rugozitatii marite a peretilor de stanca.

Dupa modul de realizare constructiva exista urmatoarele tipuri de captuseli:

a)      captuseli de egalizare alcatuite din torcret simplu cu grosimea de 5-10 cm, aplicat uneori numai pe conturul udat al sectiunii - se aplica in zonele cu roci rezistente la galerii cu curgere libera sau presiuni interioare reduse (p_i < 4 at.).

b)      captuseli de rezistenta dintr-un singur strat, din moloane de piatra - se aplica rar numai la galerii cu curgere libera, la sectiuni mici si mijlocii;

c)      captuseli din beton simplu - se aplica la galerii cu curgere libera in roci de tarie mijlocie sau mica si la galerii sub presiune in roci rezistente;

d)      captuseli din beton armat - se aplica in zone de roca slaba;

e)      captuseli de rezistenta din mai multe straturi se folosesc de obicei in zona de roca slaba la presiuni interioare mari - pot fi alcatuite dintr-un inel exterior monolit pentru preluarea impingerii muntelui si un inel interior pentru preluarea presiunii interioare a apei si etanseitate; in alte variante inelul exterior poate fi executat din boltari de beton, zidarie de piatra, tubaje de fonta sau otel, iar inelul interioar este monolit si executat din beton armat de marca superioara, torcret armat, tola metalica.

f)        captuseli de rezistenta de tip special (precomprimate, prefabricate postcomprimate).

5 Alcatuirea constructiva a galeriilor cu nivel liber

Pentru exemplificare se prezinta galeria cu nivel liber Topolog-Cumpana de la U.H. Arges (fig. 6-6). Galeria transporta apele raului Topolog spre lacul de acumulare Vidraru al uzinei Arges. Debitul instalat Q_I, este de 8.5 m³/s. Inainte de a ajunge in lacul Vidraru, apele Topologului si Cumpanii sunt reuzinate in centrala Cumpanita (P_i = 5000 kW).

Fig.6-6 Sectiuni aplicate la galeria cu nivel liber Topolog-Cumpana a-necaptusita; b-cu torcret sau cu torcret armat; c-cu beton simplu; d-cu beton armat. 1-stanca bine copturita; 2-radier betonat; 3-rigola; 4-torcret armat; 4-beton simplu; beton armat

Pe traseul galeriei, in lungime de 7687 m, s-au aplicat patru tipuri de sectiuni in functie de taria rocii strabatute. Roca de baza este gnais de Cumpana.

Excavarea s-a facut la sectiune plina cu betonarea concomitenta sau torcretarea sectiunilor slabe. Atacarea galeriei s-a facut numai de la cele doua capete, ferestrele de atac fiind printre cele mai lungi tronsoane de galerie executate in tara noastra.

Zonele surpate, numite prucuri au fost umplute cu piatra nu cu lemn. Apele de infiltratie au fost drenate in galerie deoarece contribuie la cresterea debitului pe galerie. In zonele betonate ale galeriei s-au executat injectii de umplere cu mortar de ciment, raportul ciment nisip apa fiind 1-3-1. In zonele slabe, suplimentar, au fost executate si injectii de consolidare cu lapte de ciment.

6 Alcatuirea constructiva a galeriilor sub presiune.

Alcatuirea constructiva a galeriilor sub presiune va fi exemplificata prin descrierea Aductiunii principale a UH Arges.

Galeria are o lungime de 2128 m, panta longitudinala i = 4.8 , debitul instalat Q_i = 92 m³/s, viteza in situatie de regim v = 4.4 m/s, presiunea interioara p_int = 11.2 - 12.2 at.

Pe traseul galeriei s-au aplicat trei tipuri de sectiuni (fig 6-7):

tipul a - in zonele de roca buna caracterizata prin: coeficient de tarie al rocii, f 106, coeficient de rezistenta elastica specific K₀ 1500 kg/cm³ 1ml;

tipul b - in zonele de roca medie si in zonele de intrare si iesire;

tipul c in zonele de roca slaba.

Captuselile au fost precomprimate prin injectarea in etape succesive la presiuni pana la 22 at a coroanei de roca din jurul galeriei. Aceasta tehnologie noua a permis reducerea la minimum a grosimii captuselii si o mai buna conlucrare captuseala-masiv, masivul preluand o cota parte mai insemnata din solicitarile captuselii.

Fig.6-7 Sectiuni aplicate pe aductiunea principala UH Arges: a-beton armat; b-beton armat plus torcret; c-beton simplu cu tola metalica; 1- beton armat; 2- beton simplu; 3-armatura OB 7Ø14/ml; 4-torcret armat de 7,5 cm grosime cu 10Ø10/ml; 5-tola metalica de 10 mm grosime.

La executarea galeriei s-a aplicat sprijinirea excavatiei cu ancore Ø20, L = 1-2m si plasa de sarma; iar betonarea s-a facut cu cadre telescopice mobile. Injectiile pe galerie au fost de trei tipuri:

de umplere

de consolidare

de precomprimare a captuselii

Ultimile doua tipuri de injectii se pot executa concomitent.

Drenarea apelor de infiltratie s-a facut in functie de presiunea interioara. La presiuni de p > pint acestea sunt admise in galerie, iar in cazul unor presiuni ale acestora mai mici decat presiunea interioara acestea au fost drenate la exteriorul captuselii prin filtre si tuburi de drenaj.

7 Impingerea muntelui. Coeficientul de tarie al rocii

Impingerea muntelui consta din presiunile care apar in masiv in jurul golului creat prin excavarea galeriei. Aceasta presiune este declansata de fenomene ca: relaxarea rocii ca urmare a redistribuirii eforturilor in masiv; curgerea plastica a rocilor slabe, fenomene fizico-chimice de natura sa degradeze roca in jurul golului excavat. Aceste impingeri apar instantaneu dupa deschiderea profilului numai la rocile curgatoare. Astfel ele se dezvolta in timp functie de natura rocii si a altor factori care intervin pe parcurs precum: apa, degradari in contact cu aerul, natura sprijinirilor etc.

In figura 6-8 se prezinta schema de calcul a impingerii verticale si orizontale a muntelui propusa de Protodiakonov.

Fig. 6-8 Schema pentru calculul impingerii muntelui: a-vericala; b-orizontala

Determinarea impingerii verticale sau a presiunii litostatice verticale se bazeaza pe ipoteza formarii boltii de echilibru natural, considerata ca o curba parabolica de gradul al doilea. Greutatea masei de roca din interiorul acestei bolti reprezinta ca valoare presiunea litostatica verticala.

Se admite parabola ca forma de coincidenta a boltii de echilibru pentru o sarcina verticala uniform distribuita p:

(1)

unde:

p-incarcarea uniform distribuita pe orizontala,

H-reactiunea orizontala la nasterea boltii.

Pentru ca bolta sa fie stabila trebuie ca nasterile ei sa nu alunece lateral:

(2)

unde:

f-coeficient de tarie al rocii (Protodiakonov)

P-reactiunea verticala la nasterea boltii.(P = 1/2pb).

Se considera un coeficient de siguranta la alunecare laterala egal cu 2 si rezulta:

(3)

Inlocuind pe H in relatia (6-1), se gaseste inaltimea boltii de surpare h (la x = b/2, y = h) si se determina in final valoarea totala a impingerii verticale a muntelui cu relatia:

(4)

La rocile slabe trebuie considerata si impingerea orizontala care se determina dupa teoria materialelor necoezive. Marimea unghiului de frecare aparent este:

(5)

Prismele de alunecare se formeaza dupa plane inclinate la 45 .

Asupra prismelor actioneaza la partea superioara greutatea proprie cuprinsa intre boltile A₁O₁B₁ si AOB (fig. 6-8).

Deschiderea noii bolti devine:

(6)

Greutatea masei de roca, Q₀ cuprinsa in aceasta zona va fi:

(7)

iar sarcina uniform distribuita pe cele doua prisme devine:

(8)

Impingerea laterala totala se va calcula cu relatia:

(9)

Impingerea laterala este mult mai mica decat presiunea verticala a rocii. Coeficientul de tarie al rocii, f se determina experimental si are valori de 24 pentru roci foarte slabe si valori 25 pentru roci foarte dure.

Se poate calcula cu relatia empirica ce leaga valoarea lui de rezistenta la compresiune a rocii R_c exprimata in kg/cm³:

(10)

8 Coeficientul de rezistenta elastica a rocii

Coeficientul de rezistenta elastica reflecta capacitatea masivului de a se opune deformatiilor captuselii spre masiv, preluand o cota parte din solicitari

Daca intr-un masiv se considera un gol circular de raza r₀, actionat de presiunea radiala p care produce peretilor golului o deplasare radiala r₀ atunci raportul, exprimat in kgf/cm³, se numeste coeficient de rezistenta elastica a rocii.

Daca se noteaza cu E-modulul de elasticitate al rocii si cu m - coeficientul lui Poisson conform teoriei elasticitatii rezulta:

(11)

In practica pentru a caracteriza diverse roci, se foloseste notiunea de coeficient de rezistenta elastica specific K₀ , care este coeficientul ce corespunde unei galerii cu raza r₀ = 100 cm.

(kgf/cm³ _* 1 m) (12)

Legatura intre K₀ si K: este data de relatia:

in m) (kgf/cm³) (13)

Valorile lui K₀ exprimate in (kgf/cm³) variaza de la 1020 pentru roci foarte slabe la 30004000 pentru roci foarte dure.

Practica nu confirma intotdeauna relatia (12) - masivul de roca nu se comporta ca un corp elastic, omogen, izotrop. K este recomandabil sa se determine experimental in amplasament. Valorile sale variaza datorita deformatiilor plastice ale rocii si depind de modul de incarcare (incarcare continua, incarcari-descarcari repetate) precum si de marimea presiunii de incercare p.

Coeficientii de rezistenta elastica se admit ca medie aritmetica a deplasarilor maxime obtinute la incarcari repetate in zona corespunzatoare presiunilor din exploatare. Determinarile lor se fac experimental in galerii de orientare, dimensiuni si solicitari cat mai apropiate de situatia reala. Intre coeficientul de pat (considerat in calculul constructiilor pe mediul elastic) si coeficientul de rezistenta elastica exista o analogie. In fig. 6-9 sunt reprezentate curbele de deformatie-efort pentru cateva categorii de roci de la noi din tara:

Fig.6-9 Curbe de deformabilitate la roci stancoase din tara noastra: a-roci cu caracter plastic (gnaise biotitice, cuartitice-Portile de Fier); b-roci fisurate cu caracter plastic (paragnais cuartitic-sistos, Lotru-Jidoa); 1-cicluri de incarcare;2-cicluri de descarcare;3-curba de deformatie la incarcari repetate.

8 Metode generale de dimensionare a captuselilor galeriilor hidrotehnice

8.1 Incarcarile considerate in calcul

Incarcarile se pot grupa dupa cum urmeaza:

1. Incarcari principale:

impingerea muntelui, verticala si orizontala (F₁);

greutatea proprie a captuselii (F₂);

presiunea hidrostatica interioara corespunzatoare nivelului de retentie maxim normal (F₃);

presiunea hidrostatica a apelor din exterior (F₄);

suprapresiunea dinamica a apei din galerie (F₅);

incarcari din precomprimarea captuselii (F₆);

solicitari din variatiile de temperatura, contractia si umflarea betonului(F₇);

reactiunea elastica a rocii (F₈);

2. Incarcari secundare:

presiunea hidrostatica interioara la nivelul de retentie catastrofal (F₃);

presiunea hidrostatica exterioara a apelor subterane in cazul functionarii defectuase a sistemului de drenaj (F₄);

forte tehnologice(F₉);

3. Incarcari extraordinare:

forte seismice.

Incarcarile se combina in situatiile cele mai defavorabile functie de probabilitatea de aparitie simultaneitatea lor. Combinatiile uzuale sunt:

cazul I de exploatare: F₁+F₂+F₃+F₄+F₅+F₆+F₇+F₈

cazul II de exploatare: F₁+F₂+F₃+F₄+F₅+F₆+F₇+F₈+F₃+F₄

ipoteza de constructie: F₁+F₂+F₄+F₆+F₈+F₉

8.2 Calculul captuselilor galeriilor cu curgere libera sau cu presiune redusa

Solicitarile care produc momente incovoietoare sunt de acelasi ordin de marime cu solicitarile axial simetrice, ambele tipuri fiind necesar sa se considere.

Reactiunea elastica K se considera nula la rocile moi; camasuiala are o deplasare rigida spre masiv sub actiunea incarcarilor. In cazul rocilor mai tari camasuiala se deformeaza, luand o forma eliptica

Solicitarile sectionale M si N se calculeaza cu relatii de forma:

(14)

unde:

(15)

unde:

q     - legea de distributie a incarcarii,

j - pozitia sectiunii;

E_b si I_b - caracteristicile elastice ale sectiunii;

K - caracteristicile elastice ale masivului.

8.3 Calculul captuselilor galeriilor circulare sub presiune.

Se accepta in mod uzual ipotezele teoriei elasticitatii.

Solicitarea principala este data de presiunea interioara care conduce la deformatii axial simetrice.

Se considera fenomenul de conlucrare masiv-captuseala.

Figura 6-10 prezinta schematic interactiunea camasuiala masiv caracterizata prin urmatoarele trei fazede lucru:

Faza I - apare un interspatiu m datorat tehnologiei de lucru, contractiei betonului;

Faza II - din actiunea presiunii hidrostatice captuseala se deformeaza liber fara conlucrare cu masivul ;

Faza III - masivul se opune deformarii libere a captuselii si preia o cota parte din presiunea interioara.

Fig. 6-10 Fazele de lucru ale captuselilor galeriilor sub presiune

Metodele de calcul s-au dezvoltat dupa doua conceptii:

a)      scoala vest europeana ce considera in calcule E_roca, si m_roca distincti conform teoriei elasticitatii

b)      scoala ruseasca - in locul lui E_roca si m_roca considera un singur coeficient, coeficientul de rezistenta elastica, K:

(6-16)

Calculul stabileste cota parte din incarcari pe care o preia captuseala:

(17)

unde:

E_b, m_b caracteristici elastice camasuiala

E_r, m_r caracteristici elastice roca

p_i, p_e presiunea interioara si exterioara

m interspatiu initial intre camasuiala si masiv

E_r este influentat de starea de eforturi primara din masiv (p₀), deformatia masivului (d_m), presiunea de injectare a spatiului din jurul galeriei (p_j), curgerea lenta a masivului (m_c):

(18)

Masurile constructive si tehnologice urmaresc preluarea de catre masiv a unei cote cat mai mari din solicitarile (p_i).

8.4 Calculul captuselilor blindate la interior

Se admit urmatoarele ipotezele de calcul:

eforturile sunt in limitele elastice;

contactul tola-beton si beton-roca nu este intotdeauna realizat;

nu se fac sprijiniri temporare cu ancore;

betonul fisureaza cand eforturile in tola de otel ating 300 kg/cm².

Se noteaza cu p presiunea interioara, cu p₁ presiunea preluata de catre masiv si cu e raportul p₁/p (figura 6-11)

Eforturile tangentiale s_f in virola de otel conform formulei cazanelor au expresia:

(19)

Fig. 6-11 Schema de calcul pentru captuseli blindate la interior

Deformatia specifica a virolei este data de relatia :

(20)

Deplasarea virolei de otel catre masiv conform legii lui Hooks este:

(21)

unde E_f este modulul de elasticitate al otelului.

Presiunea p₂ transmisa masivului este:

(22)

Micsorarea D_b grosimii captuselii de beton este:

(23)

unde E_b este modulul de elasticitate al betonului.

Deplasarea Dr a captuselii de beton spre roca are expresia:

(24)

Intre dimensiunile radiale, deplasarile si deformatiile captuselii exista urmatoarea relatie de legatura:

(25)

Rezulta in final:

(26)

Daca:

nu este necesara captuseala de otel

presiunea interioara este preluata in intregime de captuseala de otel.