TEORIA SI PRINCIPIILE REGULARIZARII ALBIILOR

TEORIA SI PRINCIPIILE REGULARIZARII ALBIILOR

1.1 Clasificarea lucrarilor de regularizare

Dupa functia lucrarilor

lucrari de aparare - protejarea zonelor amenintate fara modificarea substantiala a caracteristicilor scurgerii (consolidari de maluri, diguri longitudinale de aparare, diguri de protectie contra inundatiilor)

lucrari de aparare - regularizare - apara zonele amenintate prin modificarea structurii curentului (epiuri de aparare, sisteme permeabile, panouri plutitoare)

lucrari de regularizare - modifica structura curentului pentru a impiedica patrunderea debitului solid si a ghetii la captarile de apa, asigura inaltimea de navigatie, asigura captarea apei la nivele scazute (epiuri submersibile, panouri plutitoare, praguri de fund, etc.)

Dupa actiunea asupra curentului

lucrari pasive - protejeaza albia de efectele daunatoare ale curentului (lucrari de aparare)

lucrari active - remediaza actiunea daunatoare a apei prin modificarea structurii hidrodinamice a curentului (lucrari de aparare-regularizare si lucrari de regularizare)

Dupa pozitia crestei lucrarilor fata de nivelul apelor mari

submersibile

insubmersibile

Dupa durata de serviciu

definitive (de lunga durata; se fac din piatra, beton, gabioane)

provizorii (temporare; din nuiele, stuf, panouri)

Dupa permeabilitate

impermeabile (masive) - din beton, piatra, pamant

permeabile (filtrante) - garduri de nuiele, piatra, gratare din prefabricate de beton

Tipuri de regularizari

Dupa regimul de scurgere in care se face regularizarea:

in curent liber - nu se modifica esential regimul natural de scurgere,

in curent barat - se modifica scurgerea prin executarea retentiilor (lucrarilor de barare); profilul longitudinal al raului capata aspectul ,,in trepte".

Nodurile hidrotehnice pot cuprinde, pe langa baraje si ecluze de navigatie. Exista noduri hidrotehnice cu retentii: de joasa cadere (NNR nu depaseste malurile albiei medii), de medie si mare cadere. Retentiile de joasa cadere se folosesc pentru navigatie si pentru captari fara regularizarea debitului. La retentiile de medie si mare cadere se face si regularizarea debitului. La orice tip de retentie se urmaresc folosinte complexe si in primul rand hidroenergia.

Dupa rolul pe care il indeplinesc:

regularizari cu caracter nespecific - prevenirea efectelor distructive ale apei,

regularizari cu caracter specific pentru anumite folosinte.

Dupa lungimea sectorului de rau regularizat:

regularizari locale (la captari, ramificatii, confluente, poduri),

regularizari generale (fixarea albiei pe lungimi mari).

Dupa albia si nivelul de apa la care se urmaresc transformari:

regularizari pentru ape mari (in albia majora) - pentru evitarea necoincidentelor intre directia apelor mari si medii, pentru dirijarea viiturilor,

regularizari pentru ape medii (in albia medie) - pentru inlaturarea efectelor negative ale scurgerii: meandrare, divizare in brate, impotmoliri, fixarea unui nivel dorit pentru apele freatice de pe terenurile vecine,

Regularizarea pentru ape mici - fixarea albiei si imbunatatirea scurgerii la nivele mici (pentru navigatie, captari, etc.).

Dupa gradul de folosire a vechiului traseu:

regularizare conservativa - se urmareste utilizarea in cat mai mare masura a vechiului traseu al raului,

regularizare radicala - inclusiv realizarea de portiuni de albie noua.

Albii stabile si nestabile

In urma studierii dinamicii albiilor (adica a proceselor de albie) s-a constatat ca exista albii cu transformari: lente si rapide.

Dupa sensul de manifestare a acestor transformari se poate spune ca unele dintre ele sunt reversibile iar altele sunt ireversibile (permanente).

Transformarile permanente sunt limitate de adancime, de baza de eroziune a raului iar in lateral de caracterul malurilor.

Dupa caracterul deformatiilor care se manifesta putem avea:

albii stabile - eroziunile sunt egale cu depunerile:

- de mare stabilitate - in teren stancos,

- de stabilitate mijlocie - transport mare de aluviuni la viitura; variatii reversibile ale adancimii in puncte relativ fixe

albii instabile - sufera deformatii permanente:

- de instabilitate mijlocie - au deformatii ireversibile pe verticala,

- de instabilitate mare - deformatii ireversibile atat in adancime cat si in plan.

albii divagante - de maxima instabilitate - au deformatii mari, bruste si neprevazute (uneori la viituri, isi schimba radical traseul pe anumite sectoare).

Criteriu de evaluare a gradului de stabilitate a albiilor

In 1897, Lohtin a studiat deplasarea particulelor de pe fundul albiilor si a aratat ca exista doua categorii principale de forte care intervin in acest fenomen:

forte rezistente - care se opun deplasarii (functie de greutatea particulelor de aluviuni sub apa G₀), F_r

fortele active (de izbire frontala a particulei) - care tind sa deplaseze particulele, F_f

1

Lohtin a apreciat stabilitatea albiilor prin raportul:

2

f - coeficientul lui Lohtin (sau coeficientul de stabilitate al profilului longitudinal)

d - diametrul mediu al particulei [mm]

i - panta medie a sectorului de rau [%]

Dupa criteriul Lohtin, albiile se clasifica astfel :

albii stabile - f = 30-80

albii nestabile - f =3-12

albii divagante - f =1-2

3 Studii si materiale necesare elaborarii proiectului de regularizari

Documentatia tehnica preliminara va cuprinde:

cadastrul raului (harti, materiale grafice, tabele, descrierea bazinului raului),

harti 1:25000 si 1:50000 obtinute prin aerofotogrametrie,

ridicari topografice periodice (1:50000 si 1: 10000)care prin suprapunere arata sensul si intensitatea proceselor de transformare,

inregistrari hidrometrice; diagrame de viteze,

harti geologice si foraje hidrotehnice,

descrieri privind clima si vegetatia.

Studii si prospectiuni de teren:

cadastrul se completeaza cu ridicari topografice noi, relieful albiei, datele inregistrate la posturi hidrometrice noi,

se urmareste perioada cu cea mai intensa miscare a aluviunilor de fund si se determina debitul de formare,

se executa noi foraje in albie si pe maluri.

Studii si cercetari - se elaboreaza proiectul pe baza calculelor hidraulice. La lucrari mari se verifica aceste calcule prin modelare, in laborator sau pe calculator, a situatiei din natura.

Stadiile de intocmire a proiectelor de regularizari sunt:

studiul tehnico-economic (de fezabilitate) - pe baza temei de proiectare se evidentiaza necesitatea si eficienta economica a lucrarii; se arata posibilitatile de realizare a lucrarii si se evalueaza pretul pe baza de indici pentru minim 2-3 variante,

proiectul de executie - pentru varianta care, in urma studiului de fezabilitate, s-a dovedit cea mai avantajoasa .

Principiile proiectarii traseelor de regularizare

4.1 Traseul de regularizare

Prin regularizare, albia capata forma si dimensiuni noi, corespunzatoare scopului regularizarii si este stabila.

Traseul de regularizare este fasia de albie proiectata pentru a corespunde cerintelor impuse de regularizare.

Se traseaza axa traseului de regularizare prin linia mijlocie a traseului.

Operatiile de proiectare au urmatoarele faze :

determinarea sectiunii de regularizare (B, H).

trasarea pe planul de situatie a pozitiei noului traseu,

cercetarea profilului longitudinal si a profilelor transversale si amplasarea lucrarilor de regularizare.

Toate cele trei faze se executa in corelatie.

Fig.

Debitele de formare; debite si nivele de calcul

O caracteristica a cursurilor de apa este neregularitatea regimului hidrologic. Fiecare debit, mare sau mic, participa la formarea (modelarea) albiei. Toate sunt debite de formare. In calcule nu se pot lua in considerare toate valorile debitelor si de aceea se determina un debit de formare echivalent, care are aceeasi actiune modelatoare cu succesiunea de debite reale.

Debitul de formare este debitul constant care poate crea in albie aceleasi transformari cu sens mic de manifestare ca si succesiunea debitelor naturale neuniforme.

Debitul de formare se determina separat pentru fiecare sens de manifestare a proceselor de albie in functie de scopul urmarit.

Pentru stabilitatea albiei ne intereseaza debitul din perioada cu cea mai intensa miscare a aluviunilor de fund.

Debitele se calculeaza pentru anumite asigurari:

pentru raurile de munte si deal, debitul cu asigurarea (probabilitatea de producere) de 3 10 %,

pentru raurile de ses: debitul care corespunde nivelului de apa din albia principala la coborarea nivelului apei dupa viitura.

In calcule se pot avea in vedere doua debite: debitul de dimensionare si debitul de exploatare.

Nivelul de calcul al lucrarilor de regularizare este cota pana la care se va ridica coronamentul lucrarilor de regularizare pentru a obtine in albie nivelul de apa dorit.

La regularizarea apelor mari, nivelul de calcul se alege deasupra nivelului maxim al apelor cu o anumita rezerva (0,5-1m).

La regularizarea exclusiva a albiei medii si minore lucrarile de regularizare vor fi submersibile la ape mari.

Nivelul proiectat al apei este nivelul fata de care trebuie asigurata adancimea proiectata sau inaltimea proiectata (gabaritul de aer sub lucrarile traversare).

Fig. 2

Sectiunea de regularizare

Sectiunea de regularizare se caracterizeaza prin latimea la oglinda apei (B) si adancimea medie (H). Ea trebuie sa asigure gabaritul necesar pentru navigatie, nivelul pentru desecarea unor terenuri agricole vecine si nivelele necesare la prizele de apa.

Sectiunea transversala se poate face unica, cu un etaj sau cu doua etaje.

Sectiunea unica poate fi sub forma de trapez sau parabolica.

La rauri de munte si de deal cu variatii mici de nivel (12m), la care Q_formare = Q_3-6%, se realizeaza sectiunea prin epiuri si alte lucrari.

Fig. 3

Pe cursul mijlociu si de ses al raurilor, in zone cu variatii mari de nivel, se adopta sectiunea cu un etaj. In acest caz executarea unei sectiuni unice ar duce la impotmoliri la ape mici.

Se regularizeaza separat albia medie (Q_m) si separat albia majora (Q_M).

Fig. 4

Sectiunea cu doua etaje se foloseste atunci cand se face si regularizarea albiei minore pentru navigatie sau pentru a putea avea nivele suficiente la prizele de apa la ape mici.

Fig. 5

Axa traseului de regularizare

Se recomanda ca axa traseului regularizat sa aiba raze continuu variabile (intre R_min si R_max). se pot obtine trasee sub forma de sinusoida, trasee formate din arce de cerc sau din arce de elipsa.

In urma observatiilor din teren s-a concluzionat ca raurile curg cel mai aproape de traseul sinusoidal dar fiind greu de transpus pe teren, acest traseu se substituie cu o succesiune de arce de cerc si aliniamente scurte.

Altuin a propus urmatorul traseu:

Fig. 6

In figura de mai sus: R₁ = (7-8)B_m, R₂ = R₁/2, R_min = 3B_m, R_max = 8B_m.

Acest tip de traseu a fost folosit la regularizarea Siretului la Cosmesti.

Fig. 7

Bousinesque:

3

si :    B_c = (0,5 + 0,75)B 4

Daca traseul regularizat ar avea raze sub R_min = 3B_m vor apare eroziuni in malul concav.

Daca se adopta raze de curbura peste R_max = 8B_m, raul se va comporta ca si cand ar exista aliniamente foarte lungi, aparand tendinta de oscilare a axei dinamice a curentului si de serpuire a albiei.

Fig. 8

Pentru alcatuirea si proiectarea traseelor regularizate trebuie avute in vedere urmatoarele indicatii:

se determina: B (latimea medie a albiei), H (adancimea medie a albiei) si razele de curbura,

se traseaza pe planul de situatie traseul regularizat, cu respectarea urmatoarelor recomandari:

lungimea traseului se va alege astfel incat panta ce rezulta sa fie panta stabila din calcule,

se va face o regularizare conservativa, urmarindu-se in primul rand malurile concave,

traseul se stabileste pornind de la studiere sensului, directiei si cauzelor proceselor de albie,

se vor respecta tendintele naturale de curgere ale raului,

se vor evita strapungerile abuzive de coturi,

se vor evita malurile permeabile, cu terenuri curgatoare,

capetele sectorului regularizat se vor prelungi pana la sectoare stabile si cu cote fixe,

la raurile cu variatii mari de nivel, traseul regularizat se va inscrie cat mai aproape de directia de curgere a apelor mari de viitura,

traseele cu aliniamente lungi sau raze de curbura mari nu sunt stabile

includerea bratelor secundare se face pentru ape medii, lasand posibilitatea de evacuare a apelor de viitura,

lucrarile de pe sectoarele de rau se vor inscrie in planul general de amenajare a bazinului,

lucrarile vor fi estetice.

c) se amplaseaza constructiile de regularizare care vor fixa traseul propus.

5 Metode de detreminare a elementelor albiei stabile

Evolutia metodelor de calcul

Dea lungul anilor au existat mai multe pareri si metode privind regularizarea raurilor:

scoala paralelismului curentilor - se va baza pe principiile hidraulicii canalelor artificiale - lucrarile excedente au esuat,

metoda stramtorarii curentului - se executau albii cu B constant si rectilinii - lucrari esuate,

metoda normalizarii albiei - se considera ca profilul normal al raului este in forma de trapez iar traseul in plan trebuie sa fie sinuos,

metoda fixarii patului mijlociu (Farque),

metoda conservarii pragurilor (Girardon).

5.2 Metoda analogiilor naturale

S-a constatat ca raurile care au albia sapata in terenuri aluvionare formeaza sectoare stabile, cu anumite insusiri naturale favorabile. Acestea au fost numite sectoare model.

Un sector model nu sufera modificari importante timp indelungat (sector stabil), albia este neramificata, razele de curbura au variatie lina, R>3B; aliniamente scurte (aproximativ egale cu latimea B), sectiunea transversala pe prag este simetrica si mai lata decat in curba, diferente mici intre adancimea medie pe prag si in curbura; panta superficiala relativ uniforma.

Metoda analogiilor naturale consta in reproducerea caracteristicilor sectoarelor model pe alte sectoare ale aceluiasi rau (cu proprietati geologice si hidrogeologice asemanatoare).

In unele conditii se pot folosi sectoarele model de pe un rau la regularizarea altui rau din acelasi bazin si cu regim hidrologic si proprietati geologice apropiate.

Metoda analogiilor naturale, bine aplicata, da rezultatele cele mai sigure.

Metoda relatiilor morfometrice

Lipsa sectoarelor model sau a conditiilor de similitudine hidrologica si geologica pentru sectoarele aceluiasi rau a dus la necesitatea exprimarii matematice a legaturii intre dimensiunile albiei si factorii hidraulici ai curentului de pe sectorul model pentru folosirea pe rauri asemanatoare din acelasi bazin. Acestea au fost numite relatii morfometrice. Folosirea lor a dus la aparitia metodei relatiilor morfometrice.

Primele relatii s-au stabilit empiric:

5

unde k₀ este coeficient ce depinde de sectorul de rau (munte, ses, deal).

Perfectionand aceasta relatie, Altunin si Buzunov au ajuns la forma:

6

unde:

B - latimea albiei

H - adancimea apei in albie

m = 1 pentru rauri de munte

m =0,5 pentru rauri de ses

Cu timpul, relatiile morfometrice au corelat si au capatat si o baza teoretica. Tot Altunin a dat si relatia:

[m] 7

unde:

A - parametrul latimii stabile a albiei (in functie de sectorul de rau si natura malurilor: erodabile sau neerodabile)

Q - debitul de formare

i - panta longitudinala a suprafetei apei

Tab. 1 Parametrul latimii stabile a albiei - dupa S.T.Altunin si I.A.Buzunov

In care : m - exponentul din formula 6

Metoda morfometrico-hidraulica

Pentru eliminarea coeficientilor empirice din metoda relatiilor morfometrice se considera ca stabilitatea sectiunii transversale in ansamblul ei va fi asigurata dacs se realizeaza stabilitatea in latime (dedusa morfometric) si stabilitatea in adancime (dedusa hidraulic).

Stabilitatea in latime este data de relatia 7:

Pentru stabilitatea in adancime:

8

in care :

α = 1/5 pentru albia majora,

α = 1/4 pentru albia medie,

α = 1/3 pentru albia minora,

a = 11,5

v₁ - viteza critica de antrenare determinata pentru diametrul mediu al aluviunilor existente in albie (determinata pentru adancimea apei de 1m).

Pentru albiile raurilor se admite H R.

9

Folosind consideratiile de mai sus S.T.Altunin si I.A.Buzunov au alcatuit un tabel (2) cu formulele elmentelor medii ale albiei stabile: i_stabil, B_st, H_st si v_st.

Tab. 2

Daca i_{stabil calculat} > i_nat atunci raul va fi mai sinous decat cel natural. Analiza pantei se face cu planul de situatie in fata, apoi se recalculeaza v₁.

Adancimea in curba se determina cu formula Bousinesque iar latimea in curba va fi :

B_c = (0,5 -0,75) B 10

Metoda a fost folosita la regularizarea Siretului la Cosmesti.

Metoda ecuatiilor de regim

Este o metoda preponderent in tarile anglo-saxone. S-au facut numeroase masuratori pe rauri si mari canale de irigatii in India si Pachistan (Lacey, Blench, Kenedy si Simons).

Prin prelucrarea inregistrarilor s-a dedus ca exista o legatura intre parametrii albiei stabile ti debitul lichid al raului.

Echilibrul dinamic intre albie si debitul lichid este numit echilibru de regim. Albia stabila este numita albie de regim iar debitul corespunzator este numit debit de regim.

Ecuatiile de regim sunt 6 functii exponentiale de debit:

perimetrul udat: 11

raza hidraulica: 12

panta albiei: 13

viteza medie: 14

coeficientul de rugozitate:

transportul solid: 16

Pe rauri se admite P_u = B si R = H. Primele 4 ecuatii dau dimensiunile geometrice ale albiei si viteza ; pentru dimensionare sunt suficiente daor 3 iar una o folosim la verificare.

Valoarea exponentilor ramane constanta pentru toate albiile de regim (independent de conditiile sau caracteristicile scurgerii). Ca urmare:

b = 0,460,52

f = 0,30,42 17

m = 0,10,2

z = -(0,08330,1)

Coeficientii ,,A" sunt legati de caracteristicile cursului respectiv de apa si includ caracteristicile morfologice si regimul aluviunilor.

Exista in literatura formule pentru coeficientii A, formule care variaza de la autor la autor.

Pentru deducerea lor s-au folosit reprezentari dublu logaritmice.

Fig. 9

Daca se scrie ecuatia de continuitate se obtine:

18

Coeficientii A si de exponentii debitului Q trebuie sa indeplineasca relatiile :

19

La noi in tara metoda a fost folosita la regularizarea Jiului la Rovinari (pentru protectia exploatarii carbonifere la zi s-a sapat o albie noua; s-au instalat chiar si doua posturi hidrometrice la Carbesti si Moii). Cele mai sensibile parti ale metodei sunt tot cele legate de panta stabila.

5.6 Metoda indicatorilor de stabilitate

A fost elaborata de profesorul Radu Pop de la Facultatea de Hidrotehnica din Bucuresti. Metoda se bazeaza pe ecuatia de continuitate si indicatori de regim.

20

in care:

n -

d_r = 0,75d₉₀ - diametrul reprezentativ

Metoda disiparii minime a energiei curentului

Se considera ca stabilitatea albiei este asigurata atunci cand capacitatea de transport a curentului corespunde cu cantitatea de aluviuni transportate (tarate).

Fig. 10

Daca:

T₂ > T₁ - s-au produs eroziuni

T₂ < T₁ - s-au produs depuneri

T₂ = T₁ - stabilitate a albiei

Sau:

21

T - transportul de aluviuni - este functie de b, h, i, d, k_r (d - diametrul aluviunilor tarate; k_r - caracteristica a rugozitatii albiei).

Pentru transportul solid T se foloseste formula Mayer - Peter - Muler.

Se poate face o reprezentare grafica sugestiva :

Fig. 11