Evaluarea si siguranta in exploatare a constructiilor hidrotehnice

Constructiile si amenajarile hidrotehnice sunt executate pentru folosinta unica in rezolvarea unor necesitati locale. Odata cu cresterea cerintelor de apa, corelat cu dezvoltarea economica si sociala a tarii, s-a trecut la incadrarea lacurilor de acumulare in scheme de amenajare pe ansamblul bazinelor hidrografice.

Cu toate masurile tehnice luate pentru proiectarea, executia si exploatarea constructiilor si amenajarilor hidrotehnice, sunt posibile si s-au inregistrat distrugeri sau avarii. Prin cedarea structurii de rezistenta a digurilor si barajelor se pot genera unde de viitura de rupere care, in multe situatii, au provocat pierderi de vieti omenesti si pagube materiale insemnate.

Din studiile statistice efectuate rezulta ca riscul mediu de distrugere a unei constructii hidrotehnice de tip baraj este de circa 0,5%, iar riscurile de scoatere din functiune pe o perioada indelungata, in urma unor accidente, este de circa 2% – 3%.

Analizandu-se distrugerile de baraje inregistrate, se poate constata ca marea lor majoritate se datoreaza superficialitatii cu care au fost proiectate, executate si exploatate. Prima masura care se impune este de a supune toate barajele unui control deosebit de riguros in toate fazele de conceptie, executie si exploatare.

In al doilea rand, in cursul exploatarii, barajele si lacurile trebuie supravegheate atent pe baza de masuratori si observatii. Accidentele de rupere a barajelor nu apar brusc ci, aproape intotdeauna, exista indicii prealabile ale pericolului care ar permite luarea masurilor de limitare sau chiar de evitare a catastrofelor.

Din analiza ruperii barajelor s-a constatat ca procentul riscului de distrugere este mult mai ridicat la barajele de mica inaltime decat la barajele inalte. Explicatia este ca la marile baraje se adopta coeficienti de siguranta mai mari.

Coeficientii de siguranta trebuie sa fie adoptati nu in functie de marimea barajului ci in functie de consecintele unei ruperi, avand in vedere urmatoarele directii:

• urmarirea barajelor in functie de importanta pagu­belor care s-ar produce in aval la o eventuala rupere (urmarirea deformatiilor si a infiltratiilor);

• tratarea problemelor studiilor de teren geotehnice pentru stabilirea conditiilor de functionare avand in vedere in principal consecintele unei eventuale ruperi a barajului;

• tratarea problemei stabilitatii si rezistentei digului sau barajului dife­rentiat, in functie de consecintele unei ruperi.

Romania, conform Comitetului National Roman al Marilor Baraje (CROMB) si potrivit ultimului recensamant oficial al barajelor mari, rea­lizat de Congresul International al Marilor Baraje, ocupa locul 19 in lume si 9 in Europa ca numar de baraje mari (246), conform definitiei ICOLD. Dintre acestea, la sfarsitul lui 1998, 209 erau in exploatare, 29 in constructie si 8 in diferite stadii de proiectare. In aceasta categorie intra barajele cu o inaltime mai mare de 15 m si care stocheaza in lacurile de acumulare peste un milion de m3 de apa dar si barajele cu inaltimi cuprinse intre 5 m si 15 m si volume de apa stocate mai mari de 3 milioane de m3. Aceste baraje sunt dotate cu aparatura de urmarire si control pentru a supraveghea comportarea lor in exploatare.

Barajele care nu se incadreaza in aceste categorii sunt baraje cu inaltimi de pana la 10 metri. Ele, fiind mai numeroase, stocheaza volume mici de apa (sub un milion de m3) si asigura nevoile locale (piscicultura, alimentare cu apa, agrement, irigatii etc.). Barajele si lacurile de acumulare sunt inventariate si supuse permanent evaluarii exper­tilor desemnati de Ministerul Mediului prin filialele teritoriale ale Administratiei Nationale Apele Romane. Evaluarea starii de siguranta este reglementata printr-o legislatie adecvata din care amintim: legea nr. 466/2001 pentru aproba­rea OUG nr. 244/2000 (Legea sigurantei barajelor) si normele tehnice de aplicare aferente – NTLH, legea nr. 13/2006 pentru aprobarea OUG nr. 138/2005 (Legea micilor acumulari), norme tehnice pentru siguranta iazurilor (NTLH – 041) s.a.

Supravegherea in timp a constructiilor hidrotehnice

In vederea diminuarii factorilor de risc si pentru evitarea efectelor distructive, in cazul distrugerii unor baraje sau a altor constructii anexe (conducte fortate, canale etc.), se impune supravegherea permanenta a comportarii in timp a acestora.

Aceasta supraveghere se face vizual, prin masuratori microtopo­grafice si cu ajutorul aparatelor de masurare de control (AMC-uri).

Observatiile vizuale se fac asupra intregii lucrari si asupra fenomenelor care influenteaza stabilitatea lucrarii. De obicei, aceste observatii vizeaza: paramentii amonte si aval, drenurile, prizele de apa, peretii galeriilor de vizitare, fundatia si versantii la baraj si pe conturul acumularilor etc.; ele scot in evidenta fisurile, infiltratiile, deschide­rea rosturilor de etansare, depla­sarile de materiale, eroziunile, tasarile, des­prinderile etc.; la infiltratii se fac precizari daca apa este limpede sau prezinta suspensii, iar pentru urma­ri­rea deformatiilor se monteaza martorii.

La barajele din materiale locale ponderea maxima a observatiilor o constituie cele legate de infiltratii si alunecari. La barajele din beton se urmaresc, in special, fisurile si depla­sarile relative ale ploturilor.

Pentru zonele submerse ale barajelor se recurge la scafandrii echipati cu videocamere; anomaliile constatate la examinarea vizuala a unor zone sunt fotografiate repetat la anumite intervale de timp in functie de evolutia fata de reperii martori.

Masuratorile microtopografice

Barajele conlucreaza cu fundatia si versantii si pre­zinta deformatii permanente sub influenta presiunii apei si a incalzirii de la soare. In ele apar perioade de oscilatii zilnice si sezoniere, legate de umplerea si golirea acumularilor. La constructiile mai mari apar si miscari tectonice induse de acumulare si baraj.

Pentru urmarirea oscilatiilor si deplasarilor microtopografice, se recomanda folosirea unui sistem de refe­rinta microtopografic, cu reperi fixati in afara zonei de influenta a barajului, care sunt urmariti in raport cu reperii fixati pe constructie. Masuratorile se fac cu o frecventa mai mare in prima perioada de functionare a acumularilor, iar ulterior se fac verificari periodice.

Daca se constata abateri de la limitele deplasarilor normale stabilite de proiectant, se fac analize si interpretari ale acestora.

Masuratori topografice se fac si pentru unele zone din versantii limi­trofi barajului sau pe conturul lacului, atunci cand apar semne de depla­sari sau alunecari; dupa fiecare seism se fac masuratori de microtriangulatie.

Aparatura de masurare si control in baraj, fundatie si versanti se instaleaza simultan cu constructia, deoarece pozarea ulterioara este, practic, imposibila. Exista acte normative si recomandari de proiectare cu aparatura care trebuie instalata la diferite tipuri de baraje, in functie de natura lor si de importanta obiectivelor periclitate in caz de accident; tot din faza de proiectare sunt precizate si pragurile critice aferente si frecventa masuratorilor.

Supravegherea comportarii in timp a constructiilor hidrotehnice se bazeaza pe caracterul evolutiv al parametrilor urmariti. Acesti parametri pornesc de la o valoare incipienta cand lucrarea este pusa in functiune si se stabilizeaza la anumite valori admise de proiectant, valori cu evolutie periodica. Este necesara, deci, continuitatea observatiilor si masuratorilor si compararea permanenta a rezultatelor cu pragurile admise. Frecventa masu­ra­torilor este stabilita initial de proiectant, iar pe parcurs de catre personalul specializat in exploatare.

AMC-urile folosite cel mai frec­vent in practica sunt date de:

• aparatura piezometrica ce urmareste infiltratiile prin corpul barajelor din pamant si materiale locale si subpresiunea apei pe fundatia barajelor din beton; La barajele din pamant si materiale locale se masoara nivelul apei in piezometre, iar daca piezometrele sunt arteziene se masoara si debitul prin metoda volumetrica; La barajele din beton, daca dispare subpresiunea apei pe fundatie, acest fenomen poate fi generat de colmatarea piezometrelor cu depuneri calcaroase si, deci, este o situatie de pericol care poate duce la deplasarea unui plot;

• inclinometrele fixe sau portabile care servesc la masurarea deplasarilor pe orizontala dupa principiul nivelei; cand se urmareste monitorizarea la dispecerat se folo­sesc teleinclinometrele;

• pendulele simple directe si inverse masoara deformatiile pe verticala la barajele din beton prin deformarea firului sau prin modificarea frecventei de vibratie; se intalnesc si telependule cu afisaj digital centralizat la dispecerate;

• deformetrul simplu si cel cu teletransmisie masoara deformatiile in punctele critice, mai ales cele intalnite intre rosturile de dilatare si cele dintre ploturi;

• dilatometrele masoara deformarile date de tempe­ratura variabila si de tasarile neuniforme dintre rosturile de dilatare;

• rocmetrele urmaresc deformarile din roca de baza, din versanti si cele de la interfata cu barajul;

• seismografele urmaresc misca­rile seismice din zona barajului.

Trebuie remarcat faptul ca AMC-urile pot fi dotate cu senzori pentru masurarea continua a parametrilor si teletransmiterea lor la distanta. Se elimina, astfel, subiectivismul masu­ratorilor efectuate de personalul uman. Se pot corecta unele masuratori eronate si se poate interveni rapid cand sunt depasite pragurile critice.

Metode de evaluare a starii de siguranta in exploatare a constructiilor hidrotehnice

Observatiile vizuale, topografice si cele de determinare cu ajutorul aparaturii de masurare si control sunt completate de metode si tehnici de evaluare a unor parametri, care ofera indicii asupra stabilitatii si starii constructiilor.

Una dintre metodele utilizate, atat la diguri cat si la barajele din materiale locale, este cea a determinarii stabilitatii taluzurilor. Datele necesare sunt legate de caracteristicile geometrice ale taluzurilor, de proprietatile geotehnice ale pamantului (greutate specifica, coeziune, unghi de frecare interna etc.), de nivelul piezometric in corpul barajului si nivelul apei in lac, de eventuale incarcari care apar in baraj si forta seismica ce poate actiona asupra acestuia.

Programele de calcul pot utiliza metodele Fellenius, Bishop, Sarma sau Spencer Wright s.a. Determinarea coeficientului de stabilitate al taluzurilor necesita precizarea centrului de cedare critic, in functie de parametrii taluzului: coeziunea, inaltimea taluzului, unghiul de frecare, greutatea volumetrica si panta taluzului. Aflandu-se coordonatele cercului de cedare se poate calcula mai usor coeficientul de stabilitate.

Programele permit introducerea de: forte concentrate sau uniform distribuite, presiune hidrostatica, curba de infiltratie, straturi diferite de pamanturi sau diferite discontinuitati ale suprafetei (fig. 1).

Evaluarea starii de tensiune si de deformatie a corpului barajelor este o alta metoda prin care se poate determina starea de siguranta a acestora. Studiile de caz efectuate prin metoda elementelor finite presupun calculul tensiunilor si deformatiilor corpului barajului si a fundatiei acestuia, in diferite ipoteze: lac gol (tensiunile apar doar din greutate proprie a barajului), lac plin (tensiunile se calculeaza din greutatea proprie a barajului si incarcari datorate apei) etc.

In diagramele din figurile 2 si 3 sunt prezentate deformatiile si tensiunile rezultate la analiza unui baraj in ipoteza lac plin.

Aceste analize trebuie completate cu studii, pentru a stabili noul context hidrologic al exploatarii amenajarii hidrotehnice (debite maxime cu diferite probabilitati, caracteristicile viiturilor cu diferite probabilitati, timpi de propagare a viiturilor, hidrografe de viitura, stabilirea capacitatii de atenuare a viiturilor etc.) dar si cu analiza capacitatii instalatiilor hidra­ulice (descarcatori de ape mari, goliri de fund etc.) de a evacua apele mari din timpul evenimentelor hidrologice extreme, in special in noul context al manifestarii schimbarilor climatice.

Bibliografie

1. Bala M., Baraje din materiale locale, Ed. Tehnica, Bucuresti, 1974;

2. Craciun I., Giurma I., GiurmA-Handley C.R., TeliScA M., Integrated quantitative and qualitative monitoring system of water resources, VIth Int. Conf. on the Manag. of Technol. Changes MTC2009, Sept. 3 – 5, 2009, Alexandroupolis, Greece, Book 2, 53 – 56;

3. Giurma I., Hraniciuc T., Cercel P. Flood monitoring through hydrological and hydraulic parameters modeling using modern software, VIth Int. Conf. on the Manag. of Technol. Changes MTC2009, Sept. 3 – 5 2009, Alexandroupolis, Greece, Book 1, 629 – 632;

4. Giurma I., Craciun I., Giurma C.R., Hidrologie, Ed. Politehnium, Iasi, 2006;

5. Giurma I., Viituri si masuri de aparare, Ed. Cermi, Iasi, 2003;

6. Stematiu D., Safety and risk in hydrotechnical structures, H.G.A. Ed., Bucuresti, 2000;

7. ***, Galena-Chasm, Slope Analysis Software, Utah, USA;

8. ***, Dams and environmental – geophisical impacts, ICOLD Bulletin, 1993;

9. ***, Robot Milenium software, Autodesk Inc., 2008.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 60 – iunie 2010, pag. 56

Autori:
ing. Ioan CRACIUN – Universitatea Tehnica „Ghe. Asachi“ Iasi
ing. Marian BADIU – ICECON Bucuresti
ing. Florin TROFIN – Academia de Tehnica Militara Bucuresti