Capitolul 2

68Prepeli Dan

69Amenajri hidroameliorative

CAPITOLUL 6 Construcii hidrotehnice I INSTALAII SPECIFICE SISTEMELOR DE IRIGAII CANALE DESCHISE6.1. Particularitile construciilor hidrotehnice

Construciile hidrotehnice n cadrul lucrrilor de mbuntiri funciare, sunt lucrri inginereti proiectate i executate dup anumite principii tehnice, care vin n contact direct sau indirect cu apa, avnd n vedere folosirea apei pentru agricultura irigat, alimentarea cu ap a centrelor agro-zootehnice, sau evacuarea apei n exces de pe terenurile desecate-drenate .a.

Apa deine un rol deosebit n economia naional, fiind necesar vieii omului, animalelor i plantelor. Folosirea surselor de ap corespunztor cerinelor societii trebuie s satisfac scopuri multiple: lucrri de mbuntiri funciare, hidroenergetic, alimentarea cu ap a centrelor populate i agriculturii, navigaia, amenajrile piscicole.

Construciile hidrotehnice n lucrrile de mbuntiri funciare au urmtoarele scopuri principale: preluarea i dirijarea unei pri a debitului sursei de ap ctre folosine prin intermediul reelelor de canale i conducte, stocarea apei, modificarea (reglarea) debitului, nivelului i vitezei apei conform necesitii i msurarea acestora, adaptarea la condiiile specifice ale terenului de construcie, asigurarea proteciei / siguranei lucrrilor, a cerinelor de calitate a apei, evacuarea apei etc.

n cadrul gospodririi apelor, construciile hidrotehnice trebuie astfel proiectate i executate, nct s satisfac folosirea multilateral a apei.

Construciile hidrotehnice prezint anumite particulariti care le deosebesc de alte construcii inginereti, ca de exemplu:

Se execut n condiii mult mai dificile dect construciile obinuite, de cele mai multe ori sub nivelul apelor de suprafa sau subterane.

Unele construcii au o pondere foarte mare n cadrul unei amenajri hidrotehnice, sunt rspndite pe un teritoriu vast, la distane relativ mari unele de altele, greu de monitorizat, lipsite de protecie la distrugeri intenionate i cu acces dificil n cazul interveniilor.

Avarierea sau distrugerea construciilor hidrotehnice, din diferite cauze, poate s produc efecte dezastruoase.

Construciile hidrotehnice sunt supuse continuu unor aciuni exterioare i interioare distructive n timp:

aciunea mecanic a apei ce se manifest sub forma presiunii hidrostatice i hidrodinamice;

stabilitatea precar specific terenurilor pe care aceste construcii sunt executate (alunecare, erodare);

aciunea fizico-chimic ce se manifest prin erodarea suprafeelor construciei i coroziunii prilor metalice;

aciunea biologic ce se manifest prin activitatea unor organisme din ap, cu un puternic efect distructiv.

Particularitile construciilor hidrotehnice conduc la necesitatea unor msuri deseori complicate, pentru a elimina sau a ameliora efectele distructive.

6.2. Clasificarea construciilor hidrotehnice din amenajrile hidroameliorative

n amenajrile hidroameliorative, diferite tipuri de construcii hidrotehnice trebuie s ndeplineasc o serie de funcii corespunztoare scopului urmrit: captarea, transportul i distribuia apei n sistemele de irigaii, colectarea i evacuarea apei din sistemele de desecare, traversarea digurilor, regularizarea scurgerii apei n bazinele hidrografice etc.

Principalele condiii pe care trebuie s le satisfac construciile hidrotehnice din sistemele hidroameliorative sunt urmtoarele:

s asigure trecerea apei prin folosirea unor instalaii ct mai simple, care s nu produc efecte hidraulice perturbatoare;

s permit o funcionare simpl, sigur i permanent;

s fie asigurat o etanare ct mai bun;

s fie rezistente i durabile;

s poat fi tipizate i realizate din prefabricate.

Se pot pune n eviden diferite criterii de clasificare a construciilor.

Un criteriu de clasificare a construciilor hidrotehnice din cadrul sistemelor hidroameliorative, l constituie scopul / funcia ndeplinit:

construcii pentru transportul apei, care cuprind canalele deschise i construcii speciale de aduciune ca jgheaburile, conductele etc.;

construcii pentru captarea apei, care pot preleva apa pe cale gravitaional (prize de ap fr baraj, prize de ap cu baraj, prize de ap cu pinten) sau prin pompare;

construcii pentru reglarea nivelului apei, care cuprind stvilarele de remuu de pe toate tipurile de canale deschise;

construcii pentru distribuia apei, care cuprind stvilarele de priz, stvilarele de derivaie de pe canalele de aduciune sau de distribuie, nodurile de distribuie din reeaua de aduciune principal i vanetele de distribuie a apei n rigole (la brazde) sau n parcele (la orezrii);

construcii pentru evacuarea apei i splare, care cuprind stvilarele de evacuare din nodurile de distribuie i stvilarele de splare la prize;

construcii de traversare, care cuprind podurile, podeele, podurile i podeele stvilar, apeductele, sifoanele, conductele de traversare;

construcii de retenie a apei, cu referire ndeosebi la baraje i diguri;

construcii pentru racordarea biefurilor, care cuprind cderile cu trepte, instalaiile de curent rapid (jilipuri), trambulinele i profilele etc.

construcii de descrcare, de suprafa i de fund (auxiliare la baraje);

construcii de siguran, pentru evacuarea volumelor de ap excedentare(n surplus, n caz de avarie), care cuprind conductele de evacuare cu plnie orizontal, deversoarele, sifoanele etc.

construcii de automatizare, pentru canale, stvilare, baraje .a.

construcii de apometrie, pentru msurarea debitelor sau volumelor de ap pe canale, care cuprind aparate specializate ca debitmetrele cu ajutaj, debitmetrele cu deversor, debitmetrele cu salt hidraulic, modulele cu masc, sau diferite construcii tarate echipate cu instalaii de apometrie (stvilare, podee tubulare, cderi, praguri deversoare etc.).

Un alt criteriu de clasificare a construciilor din sistemele hidroameliorative, l constituie amplasamentul i ponderea acestora pe componentele schemei hidrotehnice:

construcii pe reelele de canale deschise, cu referire la construciile pentru reglarea nivelului apei (stvilarele de remuu) i de reglare a debitului apei (stvilarele de priz, stvilarele de derivaie, nodurile de distribuie, vanetele etc.), construciile de traversare (poduri i podee, apeducte, sifoane cobortoare etc.), construciile pentru racordarea biefurilor (cderi n trepte, jilipuri etc.), construciile de automatizare, construciile de siguran (deversoare, sifoane etc.) i construciile de apometrie (specializate i adaptate - tarate);

construcii de captare, transport, evacuare i splare, cu referire la prizele de ap (fr baraj, cu baraj, cu pinten), la construciile speciale de aduciune (canale i linii de jgheaburi, galerii hidrotehnice, conducte diverse etc.) i la stvilarele de splare (la prize) i evacuare (la NHD);

construcii de retenie, cu referire la barajele de joas cdere i diguri.

Conform acestui criteriu de clasificare, vor fi prezentate n cele ce urmeaz, construciile hidrotehnice specifice sistemelor hidroameliorative (lucrri de IF).

Aceste categorii de construcii vor fi analizate din punct de vedere structural (alctuirea general), din punct de vedere al soluiilor constructive de execuie i al condiiilor de exploatare, din punct de vedere al schemei funcionale i al dimensionrii hidraulice i, dup caz, statice i de rezisten, cu exemple reprezentative.

6.3. Construcii pentru distribuia apei pe canale (de reglare)Distribuia apei este asigurat fie n zona frontal a canalelor de ordin superior (magistrale, de aduciune), unde construciile de captare includ stvilarele de priz, fie pe traseul canalelor sub form de stvilare de derivaie (care pot fi prevzute cu regulatoare de diverse tipuri). Diferite tipuri de stvilare se pot grupa n anumite seciuni de pe canale, n cadrul unor construcii complexe cu ramificaii, numite noduri hidrotehnice. Stvilarele pot fi echipate cu stavile acionate manual sau automatizate.6.3.1. Stvilarele de priz

Pentru prelevarea debitelor de ap dintr-o surs (ru) se folosesc stvilare de priz, n cadrul construciilor de captare fr baraj i cu baraj.

Stvilarul de priz la o captare fr baraj (Fig.6.1) este alctuit dintr-un radier (1) care reprezint elementul de sprijin (fundaia) construciei, doi perei laterali (2) care alctuiesc culeele, n care sunt profilate niele pentru ghidarea stavilei (3) i a grinzilor de batardou (3) (pozate n amonte i n aval, pentru intervenii la stavil n exploatare). Pentru reducerea nlimii stavilei, ntre culei este realizat timpanul (4).

Accesul personalului de exploatare (ageni hidro) la mecanismele stavilei (stavilelor) este asigurat de pasarela (5) prevzut cu balustrade de protecie. Pentru a mpiedica ptrunderea plutitorilor n orificiul (orificiile) de captare, se prevd grtare (6) metalice.

n amonte i aval de culei, stvilarul se racordeaz cu terasamentele canalului prin aripi de racordare (7) profilate corespunztor. ntre aripile amonte se prevede o consolidare a fundului albiei cu o cptueal din beton, care constituie anteradierul (8) stvilarului.

Consolidarea de fund din aval de stavil, n care este amenajat disipatorul de energie, constituie radierul de amortizare (9). Albia canalului n aval de disipatorul stvilarului, se consolideaz cu o cptueal permeabil i elastic denumit rizberm (10), realizat dintr-un pereu aezat pe un filtru invers (11). Reducerea presiunii curentului de infiltraie se realizeaz printr-un perete de palplane (12), executat pe linia pragului stvilarului.

Stvilarul de priz la o captare cu baraj (Fig.6.2) este alctuit dintr-o gur de captare (1) prevzut cu un prag la intrare (2). Racordarea cu malurile rului i taluzurile canalului se realizeaz prin aripi riglate (3).

n amonte, culeele (4) stvilarului de priz se racordeaz cu aripa riglat amplasat pe malul stng al rului i cu un perete vertical care face legtura cu culeea barajului. n aval, culeele stvilarului se racordeaz cu canalul prin aripi riglate.

n aval de stvilar este prevzut un bazin disipator de energie (5), care n captul aval se termin cu un prag dinat (6). Accesul la stavile se realizeaz prin intermediul unei pasarele (7), iar n faa construciei este montat un grtar (8) metalic care mpiedic ptrunderea n priz a plutitorilor.

Fig.6.1. Stvilar de priz la o captare fr baraj

Fig.6.2. Stvilar de priz la o captare cu baraj

6.3.2. Stvilarele de derivaie

Ponderea cea mai mare n sistemele hidroameliorative o prezint stvilarele de derivaie, care sunt amplasate pe canalele de aduciune i pe canalele de distribuie din care se realizeaz alimentarea consumatorilor de ap de pe canalele de ordin inferior.

Dup mrimea debitului derivat, aceste stvilare se pot realiza sub form de construcii monolit (n cazul debitelor mari) sau din elemente prefabricate (n cazul debitelor mici) atunci cnd frecvena mare de aplicare a unor asemenea lucrri (ponderea construciilor de acelai tip) permite tipizarea i industrializarea tehnologiei de execuie.

n fig.6.3 se prezint un stvilar de derivaie prevzut cu stavile plane, iar n fig.6.4 este prezentat un stvilar regulator dotat cu stavile segment, elementele componente fiind detaliate ntr-o vedere n plan, n seciune longitudinal i n vederi din amonte i din aval.

Structura acestor construcii este asemntoare cu a stvilarelor de priz prezentate, unele elemente fiind adaptate ca form la noile condiii. n primul caz, stvilarul este prevzut cu trei stavile plane (1) care culiseaz n niele de ghidare verticale practicate n cele dou culei (2) i n pereii laterali ai celor dou pile (3) intermediare, pe care se sprijin pasarela de acces (4).

Culeele sunt de fapt ziduri de sprijin al malurilor (fig.2.3, seciunea a b). n al doilea caz, stvilarul este prevzut cu dou stavile segment (1) montate n cele dou deschideri rezultate n urma amplasrii unei pile intermediare (2).

Fig.6.3. Stvilar de derivaie cu stavile plane

Fig.6.4. Stvilar regulator cu stavile segment.

6.3.3. Nodurile de distribuie

n anumite seciuni de pe traseul canalelor de alimentare pot exista ramificaii pentru distribuia apei n proporiile cerute de consumatori, distribuia de debit fiind necesar de obicei la canalele pentru irigaii i alimentri cu ap.

Construciile care asigur cantitatea de ap necesar n asemenea ramificaii sunt de tipul stvilarelor regulatoare.

Alctuirea lor constructiv este asemntoare cu aceea a stvilarelor de derivaie, pragul stvilarului fiind amplasat fie la cota fundului canalului, fie peste patul canalului. Stavilele asigur distribuia debitelor sau nchid complet una din ramificaii.

Se ntlnesc stvilare la ramificaiile simple (fig.6.5 a) sau pot exista noduri de distribuie cu ramificaii multiple (fig.6.5 b), n care caz se amplaseaz stvilare att pe canal ct i pe ramificaii. Racordrile sunt suple, realizate cu ziduri de sprijin (culei) i aripi riglate.

Fig.6.5. Nod cu ramificaie simpl (a) i nod de distribuie (b)

n fig.6.6 se prezint diferite scheme de realizare a nodurilor hidrotehnice de distribuie cu ramificaii multiple. Ramificaiile pot fi la diferite unghiuri n raport cu axa longitudinal a canalului, de obicei la 900 sau la 450. n funcie de profilul n lung ntre canal i derivaii se pot admite sau nu cderi. Dac exist un raport constant ntre debitul ce trece pe canal i cel de pe ramificaii, stvilarele de reglaj nu mai sunt necesare, n acest caz fiind prevzute simple praguri deversante.

Fig.6.6. Scheme de realizare a nodurilor de distribuie

6.3.4. Dimensionarea hidraulic a stvilarelor de derivaie

Pentru dimensionarea hidraulic a stvilarelor, se utilizeaz formulele generale ale deversoarelor cu prag lat, fr treapt de fund. Formula de calcul se alege innd seama de mrimea adncimii apei din bieful aval (hav), n comparaie cu adncimea critic (hcr).

1) n cazul n care hav < hcr se obine deversorul nenecat, cu curgere liber, iar debitul se determin cu formula urmtoare:

(6.1) Q = (.m.b. . H

n care:

(- coeficient de contracie lateral;

m - coeficient de debit;

b - limea seciunii de curgere;

H - sarcina total (H0 = H + ).

2) n cazul n care hav > hcr se obine deversorul cu curgere necat, iar debitul se determin cu urmtoarea formul:

(6.2) Q = (.(.b.h.

n care:

( - coeficient de contracie lateral;

( - coeficient de vitez;

b i h - limea i respectiv nlimea seciunii de curgere;

z0 - diferena de nivel dintre cota apei din bieful amonte i cota apei din bieful aval, corectat cu sarcina cinetic (z0 = z + ).

n formula de mai sus, coeficientul de contracie lateral se determin cu formula:

(6.3) ( = 1 0,2.n.(.

Dac debitul este mai important ca mrime (Qd > 0,2.Qa), se introduce n calcule un coeficient de reducere ( formula devenind:

(6.4) Q = (.(.(.b.h.

Valorile coeficientului ( variaz n funcie de unghiul de derivaie ( aa cum se poate observa din tabelul 6.1:

(00300450600750900

(1,000,970,950,930,900,86

Pentru coeficientul de vitez ( se vor considera urmtoarele valori:

racordri sub form de plnie cu aripi riglate: ( = 0,95

racordri cu aripi ntoarse i sferturi de con: ( = 0,93

racordri cu aripi necate, fr prag: ( = 0,91

n cazul curgerii apei pe sub stavil este necesar s se stabileasc mai nti regimul de curgere.

1) Pentru curgerea liber nenecat a apei pe sub stavil, se utilizeaz formula urmtoare:

(6.5) Q = (.(.(.b.hv.

n care valorile coeficientului de contracie vertical ( sunt nscrise n tabelul 6.2, n funcie de raportul hv / H :

hv / H0,10,20,30,40,50,60,7

(0,6150,6200,6250,6300,6450,6600,690

2) Pentru curgerea necat a apei pe sub stavil, debitul depinde de diferena de nivel dintre bieful amonte i bieful aval n seciunea contractat:

(6.6) Q = (.b.a.

Adncimea de necare hz n seciunea contractat se determin cu formula:

(6.7) hz =

n care: M = 4.(2.a2.

6.4. Construcii hidrotehnice de traversare

n aceast categorie sunt cuprinse lucrrile hidrotehnice care asigur continuitatea cilor de comunicaie (drumuri de exploatare, ci ferate .a.) i permit trecerea peste sau pe sub diferite obstacole naturale sau artificiale (canale, cursuri de ap, vi, drumuri etc.).

n cadrul amenajrilor hidroameliorative, ponderea cea mai mare o au podurile, podeele, apeductele i sifoanele cobortoare (sifoane inverse sau dkere).

6.4.1. Podurile din beton armat

Podul este lucrarea de art care susine o cale de comunicaie peste un obstacol din sistemul hidrotehnic / hidroameliorativ (ru, canal, vale, cale de comunicaie etc.), asigurnd continuitatea att pentru cale, ct i pentru obstacolul traversat.

Podurile se pot realiza din diferite materiale de construcii, respectiv din zidrie de piatr, beton simplu, beton armat sau beton precomprimat, fiind caracterizate prin greutatea proprie foarte important, motiv pentru care sunt denumite i construcii masive.

Deoarece podurile din beton armat i din beton precomprimat prezint o serie de avantaje, au fost folosite n sistemele hidroameliorative cu prioritate fa de alte soluii constructive. Principalele avantaje sunt:

simplitatea realizrii, rezultnd importante avantaje constructive;

prezint o mare durabilitate;

sunt caracterizate prin monolitismul structurilor;

folosesc materiale locale, din apropierea locului de execuie;

utilizeaz cantiti reduse de oel;

n general, lucrrile nu reclam for de munc superior calificat;

operaiunile de ntreinere sunt relativ simple;

costurile pe ansamblu sunt reduse, n special n cazul prefabricrii.

Se pot evidenia totui i o serie de dezavantaje:

executarea podurilor de tip monolit are un caracter sezonier;

greutatea proprie este mare i execuia este de durat;

necesit construcii auxiliare, provizorii (eafodaje, cintre) cu consumuri mari de lemn i metal.

Unele dezavantaje pot fi ns nlturate prin anumite msuri speciale, de exemplu prin folosirea prefabricatelor, sau prin refolosirea unor elemente auxiliare n cazul unor construcii tipizate, cu o pondere mare n amenajare.

Podurile de beton armat pot fi clasificate dup diferite criterii: schema static a structurii de rezisten, natura solicitrilor din elementele de rezisten, modul de execuie .a.

1) Dup schema static a structurii de rezisten, podurile de beton armat se pot realiza din:

dale sau grinzi simplu rezemate;

dale sau grinzi cu console i articulaii;

dale sau grinzi continue;

arce sau boli;

cadre cu stlpi verticali sau nclinai.

2) Dup natura solicitrilor din elementele de rezisten, se deosebesc urmtoarele tipuri de poduri de beton armat:

poduri pe dale sau grinzi drepte, la care solicitarea predominant este cea de ncovoiere;

poduri pe arce sau boli, la care solicitarea principal este compresiunea;

poduri pe cadre, la care elementele de rezisten sunt solicitate att la ncovoiere ct i la fore axiale;

3) Dup modul de execuie, podurile de beton armat se clasific astfel:

poduri de tip monolit, executate n amplasamentul definitiv, prin turnarea betonului sau executarea zidriei n cofraje susinute de construcii auxiliare provizorii realizate din lemn sau metal, care se numesc eafodaje n cazul dalelor, grinzilor sau cadrelor i cintre n cazul arcelor sau bolilor;

poduri cu elemente preturnate, la care unele elemente de rezisten se confecioneaz pe antier (n apropierea amplasamentului definitiv al podului), montndu-se ulterior n poziia prevzut n proiect; elementele suprastructurii se realizeaz n mod curent ca elemente preturnate;

poduri cu elemente prefabricate, la care se utilizeaz elemente confecionate n fabrici sau n poligoane special amenajate, care se transport i se monteaz apoi n amplasamentul prevzut.

6.4.2. Podeele

n lucrrile de mbuntiri funciare, se ntlnesc n afar de poduri i podeele care dein o pondere foarte ridicat, fiind construcii ce asigur continuitatea cilor de comunicaii (n principal, drumuri de exploatare) n seciunile n care se intersecteaz cu canalele din sistemele de irigaii sau de desecare.

Podeele sunt lucrri de traversare a canalelor deschise, care au - n general - deschiderea seciunii de curgere a apei mai mic de 10 m.

Podeele pot fi clasificate dup diferite criterii, de exemplu dup modul de alctuire, sau dup modul de realizare a structurii.

1) Avnd n vedere modul de alctuire, podeele se pot clasifica astfel:

podee tubulare;

podee dalate;

podee n cadru;

podee de grinzi.

2) Avnd n vedere modul de realizare a structurii, podeele sunt:

podee deschise (dalate, de grinzi);

podee nchise (tubulare, n cadru).6.4.2.1. Tipuri uzuale de podee.

Podeele tubulare, se execut de regul din tuburi cu seciune circular, prefabricate din beton simplu (Fig.6.7) sau din beton armat (Fig.6.8). Se mai pot executa i din beton armat turnat monolit, n cazul unor seciuni mari de curgere care depesc seciunile curente ale tuburilor prefabricate.

n cazul utilizrii tuburilor prefabricate din beton simplu, este necesar s se asigure deasupra acestora o umplutur de pmnt de minimum 0,70 0,80 m, pentru a se realiza o repartizare mai uniform a ncrcturilor n adncime. n cazul tuburilor din beton armat, aceast nlime se poate reduce pn la 0,40 0,50 m.

Racordarea conductei de curgere cu terasamentele se face prin timpane n trepte, a cror fundaie se va cobor sub adncimea de nghe.

Podeele deschise, au deschiderea sub 10 m, iar suprastructura se execut din dale (Fig.6.9) sau din grinzi prefabricate din beton precomprimat.

Sprijinirea dalelor sau a grinzilor se face pe culei realizate din zidrie de piatr, din beton simplu sau din beton armat, iar racordarea acestora cu terasamentele se realizeaz cu aripi necate sau cu aripi ntoarse.

Fig.6.7. Pode tubular prefabricat din beton simplu

Fig.6.8. Pode tubular din beton armat D = 80 150 cm

Fig.6.9. Pode deschis dalat

n cazul n care podeul nu este situat pe albia unui canal, aripile ntoarse se racordeaz cu terasamentele rambleului prin sferturi de con.

Limea podeului, ntre culei, se ia n concordan cu lrgimea cursului de ap (sau cu deschiderea la gur a canalului) pe care este amplasat. Lungimea podeului se ia n funcie de lrgimea drumului pe care este instalat. n cazul drumurilor de exploatare, se ine seama i de gabaritul maxim al utilajelor agricole folosite.

n cazul podeelor tubulare, tuburile de beton se pot aeza n funcie de natura terenului de fundaie, astfel:

direct pe pmnt, n cazul terenurilor formate din pietriuri sau prundiuri compacte;

pe un pat de pietri bine compactat, n cazul terenurilor uor compresibile, n cazul terenurilor argiloase i n cazul terenurilor nisipoase;

pe un radier de beton prevzut cu rigole de colectarea apei, aezat pe un amestec de 2/3 pmnt frmntat i amestecat cu 1/3 piatr spart, n cazul fundrii pe loessuri;

pe beton de egalizare B50, n cazul fundrii pe marne i argile compacte.

6.4.2.2. Dimensionarea hidraulic a podeelor tubulare.Podeele tubulare se dimensioneaz ca o conduct scurt.

Regimul de curgere n conduct se stabilete n funcie de adncimea apei n bieful aval, rezultnd fie curgere liber, fie curgere necat.

Avnd n vedere poziia apei n bieful amonte n raport cu generatoarea superioar a conductei, se pot considera urmtoarele situaii mai importante din punct de vedere hidraulic:

podee tubulare fr presiune (curgere liber);

podee tubulare cu curgere semiforat;

podee tubulare sub presiune.

Calculul hidraulic al podeelor tubulare const n determinarea conturului suprafeei libere a apei pe traseul conductei, n determinarea seciunii de curgere, a adncimii i vitezei curentului de ap n conduct i la ieirea din conduct, precum i n determinarea adncimii apei nainte de pode i respectiv a remuului creat.

Principalele probleme de dimensionare se difereniaz pentru podee tubulare fr presiune cu curgere nenecat, pentru podee cu seciune dreptunghiular i cu seciune circular.

n cazul podeelor tubulare cu curgere sub presiune se impune viteza apei n conduct, n funcie de care se determin diametrul d i apoi se calculeaz panta optim ih necesar pentru ca viteza de ieire s fie egal cu viteza din interiorul conductei.

Prin coborrea conductei sub fundul canalului cu circa 0,25 m i prin adoptarea unor racordri hidrodinamice, se obine o pierdere de sarcin ct mai redus.

Mrimea acestei pierderi de sarcin se stabilete din ecuaia lui Bernoulli scris n seciunile de intrare i de ieire:

(6.8) i

(6.9)

n care: vc este viteza apei n conduct, iar:

6.4.3. Apeductele

Apeductele sunt canale speciale de transport al apei, incluse n clasa lucrrilor de traversare deoarece sunt folosite ndeosebi pentru trecerea peste diferite obstacole cu deschidere mare (vi, cursuri de ap etc.).

6.4.3.1. Tipuri de apeducte.

Elementele componente ale unui apeduct sunt: jgheabul de transport al apei (alctuit din mai multe tronsoane cu seciune dreptunghiular), sistemul de susinere i de rezisten, gurile de racordare cu terasamentele (respectiv, gura de intrare i gura de ieire). O deosebit importan din punct de vedere hidraulic o au gurile de racordare, care contribuie la reducerea pierderilor de sarcin i la reducerea infiltraiilor.

n fig.6.10 se prezint profilul longitudinal (seciune vertical n ax cu vedere) i o vedere n plan a unui apeduct realizat din beton armat pe stlpi (a), a unui apeduct din beton armat pe estacade (b) i a unui apeduct realizat din cadre (c).

n fig.6.11 sunt redate unele detalii privind intrarea n apeduct (a) (gura de acces) i ieirea din apeduct (b) (seciune n ax i vedere n plan).

Fig.6.10. Diferite tipuri de apeducte

a) din beton armat cu susinere pe stlpi;

b) din beton armat cu susinere pe estacade;

c) din cadre (1-rost etanat, 2-zone de racordare, 3-pile, 4-reazem intermediar).

Fig.6.11. Gurile de racordare a apeductului cu terasamentele

n fig.6.12 se prezint diferite scheme utilizate curent pentru realizarea etanrilor la rosturile dintre jgheaburile apeductelor.

n fig.6.12 a se prezint metoda cea mai simpl, de etanare cu o eclis din tabl ncastrat n capetele tronsoanelor din beton.

n fig.6.12 b se prezint o soluie mai complicat dar eficient, cu eclis flexibil din tabl cu o form corespunztoare care permite o mare flexibilitate la deplasarea tronsoanelor i etanarea cu bitum sau un mastic elastic. Un sistem cu buloane i o pies metalic permite fixarea acestui ansamblu.

n fig.6.12 c se prezint o soluie bazat pe o membran elastic, fixat cu buloane n beton.

Fig.6.12. Soluii de etanare a rosturilor la jgheaburile apeductelor (a cu eclis metalic dreapt; b cu eclis i bitum; c cu membran; 1 eclis; 1 membran; 2 bitum)

6.4.3.2. Dimensionarea hidraulic a apeductelor.

Calculul hidraulic al apeductelor const n determinarea seciunii de curgere i a pantei longitudinale a apeductului.

De obicei, seciunea canalului este trapezoidal iar seciunea apeductului este dreptunghiular, trecerea de la o form la alta realizndu-se prin modelarea aripilor de la gurile de racordare, astfel ca la gura de acces s se obin pierderea de sarcin z admis.

Cunoscndu-se elementele hidraulice ale canalului (Q, H, B, m) se determin seciunea de curgere A = H (B + m H) i viteza v0 = Q / A .

Considerndu-se pierderea de sarcin z admis la intrarea n apeduct, se calculeaz pierderea de sarcin total (pentru v0 > 0,81,0 m/s):

(6.10) i se determin adncimea apei n apeduct: h = H z

Se determin de asemenea limea seciunii de curgere a apeductului:

(6.11)

Din relaia debitului Q se determin panta apeductului:

(6.12) unde

Viteza apei n apeduct trebuie s fie limitat ca valoare minim la 1,0 m/s i ca valoare maxim la 2,5 m/s. n majoritatea cazurilor (condiii normale) se admite o pierdere de sarcin z de maxim 0,100,15 m.

6.4.4. Sifoanele cobortoare

Sifoanele cobortoare se mai numesc i dkere sau sifoane inversate i funcioneaz pe principiul vaselor comunicante ca element de legtur, realiznd trecerea (subtraversarea) debitului unui canal pe sub diferite obstacole naturale sau artificiale.

Pentru trecerea apei din canalul de aduciune pe sub drumuri sau canale de evacuare n sistemele de irigaii, se folosesc sifoane cobortoare (Fig.6.13) alctuite din gura de intrare i gura de ieire, dou puuri verticale sau nclinate i o conduct de legtur. Cnd sifonul inversat trece pe sub un canal, aezarea conductei se va face la minim 1,0 m sub fundul canalului. Dac sifonul trece pe sub cursuri de ap, conducta se va aeza cu 0,50 0,70 m sub cota probabil de eroziune a fundului rului.

Fig.6.13. Alctuirea sifonului cobortor (1 grtar)

6.4.4.1. Tipuri de sifoane inversate.

n cazul debitelor mari i foarte mari, conducta sifonului se prevede cu mai multe compartimente sau mai multe fire (Fig.6.14), pentru a nu se ntrerupe complet alimentarea sistemului de irigaii (siguran maxim de funcionare, n caz de revizie sau reparaii) sau pentru a permite viteze sporite de nennmolire n cazul alimentrii sistemului la debite mici, cnd este indicat s funcioneze o singur conduct (pentru a crete viteza apei).

Fig.6.14. Sifon cobortor din beton armat cu dou fire (1 grtar; 2 ni pentru anduri; 3 pil)

n cazul n care conducta este realizat din beton armat monolit, iar lungimea conductei este mai mare de 30 m, se prevd rosturi de contracie.

n fig.6.15 se prezint un sifon cobortor realizat din tronsoane de tuburi de beton armat. Diferite aliniamente ale conductei se pot racorda prin coturi curbe, n care caz se prevd masive de ancoraj la fiecare schimbare de aliniament.

Fig.6.15. Sifon cobortor din tronsoane de tuburi de beton armat

6.4.4.2. Calculul hidraulic al sifonului cobortor.

n dimensionarea sifoanelor cobortoare, se ntlnesc n mod frecvent urmtoarele probleme de calcul hidraulic:

1o. Stabilirea diferenei z dintre nivelul apei din bieful amonte i nivelul apei din bieful aval i determinarea vitezei vc de curgere prin conducta sifonului:

(6.13) i

(6.14)

Pentru determinarea denivelrii z sau a vitezei de curgere vc prin conducta sifonului, este necesar s se cunoasc elementele Q, , L i profilul longitudinal prin canal i prin sifon:

(6.15)

2o. Stabilirea seciunii conductei sifonului (, n care scop este necesar s se cunoasc elementele Q, z, L i profilul n lung prin canal i sifon. Se utilizeaz urmtoarele formule:

(6.16) i Q = vc.

3o. Stabilirea capacitii de transport Q a sifonului, n care scop este necesar s se cunoasc elementele , z i profilul n lung prin canal i sifon. Se utilizeaz formula urmtoare:

(6.17)

EMBED Equation.3 n cazul sifoanelor lungi (L > 200300 m), este necesar s se fac verificarea i pentru trecerea debitului minim. Considernd canalul amonte identic ca form i mrime cu canalul aval, pentru trecerea debitului minim va rezulta o denivelare z mult mai mic dect n cazul debitului maxim. Ca urmare, n sectorul de intrare al sifonului are loc o cdere cu o strangulaie, care genereaz un salt hidraulic la nivelul z1 (Fig.6.16).

Fig.6.16. Schema de calcul a sifoanelor lungi

Avndu-se n vedere diferite cauze, cum ar fi pulsaia debitelor i efectul vntului, saltul nu va avea n permanen aceeai poziie (salt cltor) i va fi nsoit de ocuri n conduct, ce au un efect nefavorabil asupra rosturilor, producnd degradarea acestora n timp.

Se pot aplica diferite moduri de racordare ale gurii de ieire a sifonului i/sau ale gurii de intrare, care au ca efect mpiedicarea formrii saltului n conducta sifonului cobortor i degradarea acestuia, prezentate n fig.6.17:

a. - La gura de ieire a sifonului se monteaz vane aciculare, ce menin un nivel constant de la intrarea n sifon pn la ieirea n bieful aval.

b. La gura de intrare a sifonului, se coboar radierul i se prevede un pu de amortizare, urmrindu-se ca saltul ce are loc n pu s fie necat de nivelul apei din partea iniial a sifonului.

c. La gura de acces a sifonului se coboar radierul i se prevede o van, care este nchis parial n cazul unor debite mici ce pot produce efecte periculoase, ceea ce permite necarea saltului de ctre nivelul apei din sifon, iar la debite maxime nepericuloase vana se deschide complet.

d. La intrarea n conducta sifonului se prevede doar o mic coborre a fundului, soluie aplicabil n cazul n care nivelul apei n zona iniial a conductei este apropiat de nivelul apei din canalul de aduciune.

e. La gura de ieire a sifonului la o anumit distan n aval, se monteaz stavile electrice (1) sau stavile hidraulice automate cu nivel amonte constant (2), ce menin conducta sifonului plin cu ap n orice situaie.

Fig.6.17. Moduri de racordare la gurile de intrare i de ieire ale sifoanelor cobortoare

6.4.4.3. Sifon cobortor cu instalaie hidraulic de curire a aluviunilor.

Capacitatea de transport a sifonului cobortor Q poate fi afectat n unele cazuri i datorit strangulrii seciunii transversale a sifonului pn la obturarea sa complet. Acest fenomen se datoreaz unor dopuri de aluviuni (colmatarea seciunii sifonului), depuse n zona coturilor sau a seciunii de la cea mai joas cot de pe traseul firelor. Colmatarea are loc n timpul exploatrii canalelor de irigaie n cazul anumitor regimuri hidraulice n sifon, la debite minime de consum n canalul pe care este amplasat sifonul, sau la stagnri prelungite ale curgerii, atunci cnd coninutul de aluviuni al apei (turbiditatea apei) este apreciabil.

Pentru prevenirea nnmolirii i curirea (decolmatarea) dinamic a materialului aluvionar depus n tuburile (conductele) construciei hidrotehnice de tip sifon cobortor, se poate aplica metoda i instalaia propus n brevetul de invenie OSIM nr. 109566 C1 (autori dr.ing. Dan Prepeli, dr.ing. Al. Chiril i colab.).

n mod obinuit sifoanele se pot realiza cu conducte metalice avnd seciunea circular, sau cu tuburi din beton armat avnd seciunea dreptunghiular sau circular. n ultima vreme, datorit mbuntirii tehnologiilor i a avantajelor oferite de prefabricate, s-a impus utilizarea tuburilor dreptunghiulare din beton armat.

Metoda conform inveniei se poate aplica la sifoanele inversate care au n componen cel puin dou tuburi din beton, soluie uor de ndeplinit prin proiectare. Se mai poate aplica i altor construcii hidrotehnice ce conin tuburi (podee, stvilare etc.) care lucreaz sub presiune cu funcionare n regimuri de sifon cobortor.

Procesul de colmatare este puternic pe tronsonul orizontal i respectiv pe poriunea ascendent a tubului (la configuraia longitudinal n form de U). nnmolirea este favorizat de coninutul mare de aluviuni al apei n perioada viiturilor i de funcionarea / exploatarea deficient a instalaiilor de protecie (decantoare) din centrele de priz. Fenomenul este amplificat de vitezele de circulaie a apei n canal i n construcie, mult reduse fa de valorile admisibile, datorit unor situaii curente de exploatare a canalelor. De exemplu, cnd se reduce debitul tranzitat (funcionare la debit minim) sau n cazul unor canale biefate prin dispozitive de automatizare amplasate n cascad, cnd pe anumite perioade regimul hidraulic devine aproape staionar (cu efect de accelerare a depunerii aluviunilor din tuburile sifoanelor ce sunt sub cota fundului canalului, respectiv cimentarea acestor depuneri sub aciunea presiunii mari, formnd dopuri greu de nlturat).

n mod obinuit, curirea sifoanelor nnmolite necesit operaii complexe, respectiv scoaterea din funciune a canalului, izolarea construciei prin batardouri, evacuarea apei din instalaii i efectuarea lucrrilor de decolmatare prin mijloace manuale (cu att mai dificil de aplicat cu ct diametrul tuburilor este mai mic i dopul de aluviuni este mai vechi i deci mai cimentat).

Principalele dezavantaje ale interveniilor n exploatare n situaia prezentat, pentru reintroducerea n circuitul funcional al sifoanelor afectate de colmatare i al canalelor pe care sunt acestea amplasate, sunt: necesitatea ntreruperii alimentrii (funcionrii) canalului sau a sistemului de irigaii, durat relativ mare a ntreruperii, for de munc mult i experimentat n astfel de intervenii cu aplicarea unor msuri speciale de protecia muncii, mari eforturi energetice, efecte indirecte (de exemplu asupra produciei sau relaiilor cu beneficiarii de ap).

Construcia hidrotehnic de tip sifon cobortor prevzut cu instalaii de curire a aluviunilor ncorporate, permite aplicarea simpl i eficient a unei metodologii adecvate, prin crearea periodic a unui regim hidraulic convenabil n conducte, cu efect de afuiere i antrenare a aluviunilor. Este mpiedecat / prevenit depunerea i cimentarea i/sau se efectueaz curirea hidraulic a seciunii la partea inferioar pe toat lungimea luat n considerare.

Corpul sifonului cobortor se realizeaz din casete prefabricate din beton armat bitubulare (cu 2 fire), cu seciune dreptunghiular i cu un perete despritor de mic grosime, avnd practicate la partea inferioar un numr de mici fante cu o anumit dispunere, form i mrime, pe lungimea tronsonului orizontal i ascendent.

Aceste elemente realizeaz interconectarea permanent a tandemului tubular, la baz, pe toat lungimea interesat. La capetele fiecrui tub, n dreptul fiecrei intrri i ieiri, se prevd nite nie de ghidare care vor permite introducerea ulterioar a unor obturatoare.

Metoda de curire a construciei permite, cnd se dorete, curirea aluviunilor depuse ntr-unul din tuburile casetei, prin introducerea unui obturator (elemente de batardou, stavile acionate manual sau electric) n niele de ghidare de la captul de intrare al respectivului tub i un alt obturator n niele de la captul de ieire al celuilalt tub, obinndu-se n acest fel trecerea forat a apei dintr-un tub n cellalt, prin fantele practicate la baza peretelui despritor dintre tuburi.

n conducta nchis n amonte i deschis n aval se genereaz n acest fel un curent elicoidal, ce are ca efect smulgerea i antrenarea forat a aluviunilor depuse.

Micarea elicoidal complex se compune, n principiu, dintr-o micare de rotaie exprimat prin relaia vitezei vr :

(6.18)

ct i dintr-o micare de translaie longitudinal exprimat prin viteza v :

(6.19)

unde: vx, vy i vz sunt componentele micrii complexe ntr-un tub de curent.

Prezena fantelor (orificiilor) nu influeneaz curgerea apei prin tuburi (la funcionarea normal a sifonului), cnd cele patru capete nu sunt obturate.

Pentru curirea celui de-al doilea tub al casetei se procedeaz invers, respectiv se obtureaz acest tub la intrare (n amonte), ieirea sa fiind lsat liber, apoi se obtureaz cellalt tub din tandem la ieire (n aval), intrarea sa fiind lsat liber.

Deci, efectul de curire / prevenire se poate obine prin aplicarea unui program prestabilit, n dou faze pentru fiecare caset bitubular din componena unei construcii tip sifon cobortor avnd n = 2.K tuburi, asupra elementelor ce compun construcia.

Programul se poate aplica manual, dup un grafic sau conform necesitilor, ct i n mod automat, printr-un dispozitiv de automatizare ataat unui sistem de patru electrostavile ca elemente de execuie ale unui sistem de reglare automat cu senzori (de turbiditate, de micare, de presiune), sau prin acionare cu telecomand local sau de la un centru dispecer.

Alctuirea sifonului cobortor prevzut cu instalaia de curire descris, este prezentat n fig.6.18, dup cum urmeaz:

a seciune longitudinal prin construcia hidrotehnic de tip sifon cobortor;

b vedere n plan a construciei hidrotehnice de tip sifon cobortor;

c seciune transversal prin tuburile construciei, ntre orificiile de curire;

d seciune transversal prin tuburi, n dreptul orificiilor de curire;

e vedere de detaliu a capetelor tuburilor;

f seciune longitudinal n plan orizontal prin tuburile construciei sifonului, cu obturatoarele montate pentru curirea unui tub (T1);

g seciune transversal redat schematic, n care este marcat curgerea apei ce produce curirea unui tub (T1);

i seciune longitudinal (idem f), cu batardourile montate pentru curirea celuilalt tub al sifonului (T2);

j seciune transversal (idem g), redat schematic, n care este redat curgerea apei ce produce curirea celuilalt tub (T2).

Construcia hidrotehnic de tip sifon cobortor, are n componen dou tuburi T1 i T2 ale unei casete A prefabricat din beton armat, prin care se continu curgerea apei ntr-un canal deschis B.

La baza unui perete despritor 1 sunt prevzute fantele a pe tronsonul orizontal i ascendent, ale cror dimensiuni, form, numr i poziie, sunt stabilite prin proiectare. La capetele amonte i aval ale fiecrui tub T1 i T2, n dreptul fiecrei intrri i ieiri, se prevd niele de ghidare 2 n care se vor introduce obturatoarele 3 atunci cnd se dorete curirea aluviunilor decantate i cimentate n tuburile sifonului.

Obturatorul 3 poate fi o plac dintr-un material rezistent (lemn, metal etc.) sau elemente de batardou, dulapi din lemn introdui pe rnd pn la o obturare complet, sau stavile plane, soluia de obturare fiind aleas dup posibiliti i n funcie de mrimea seciunii tubului. Nu este obligatorie realizarea unei etaneiti perfecte.

Fig.6.18. Sifon cobortor cu instalaie hidraulic de curire a aluviunilor

Metoda de curire const n aplicarea ori de cte ori se dorete curirea aluviunilor depuse n tuburile sifonului T1 i T2 sau periodic n scopul prevenirii unor depuneri prea mari i prea cimentate unui program n dou faze care se stabilete modul n care trebuie s se introduc obturatoarele 3 n anurile de ghidare 2 (sau s se nchid anumite intrri / ieiri).

ntr-o prim faz, pentru curirea tubului T1 prin crearea curentului elicoidal reprezentat n acest tub (curent ce acioneaz ca un nek, smulgnd i antrennd forat aluviunile depuse), se introduce un obturator 3 n niele 2 de la intrarea (amonte) tubuklui T1 i un obturator 3 n niele 2 de la ieirea (aval) tubului T2. Datorit diferenei de presiune, apa circul forat prin fantele a dinspre tubul T2 spre tubul T1, producnd efectul de afuiere i mrire a capacitii de transport a aluviunilor, fiind antrenate chiar i particulele grosiere.n faza a doua, pentru curirea tubului T2 (dup terminarea curirii tubului T1) se procedeaz invers, introducnd un obturator 3 n niele 2 de la intrarea (amonte) tubului T2 i un obturator 3 n niele 2 de la ieirea (aval) tubului T1. Curentul elicoidal prezentat prin liniile b i efectul de curire se obin n tubul T2.

La terminarea operaiilor de curire la o caset, se repet operaiile la urmtoarea caset bitubular din componena sifonului multitubular, sau a unui alt sifon de pe traseul unui canal.

Perechea de obturatoare se poate reutiliza la celelalte sifoane de pe un canal, dar dac este posibil se vor prevedea mai multe obturatoare, ealonate pe mrimi ale seciunii tuburilor. La reluarea funcionrii normale, dup curirea sifoanelor i nlturarea obturatoarelor, regimul de curgere prin tuburi nu este influenat de prezena orificiilor a (n aceast ipotez funcional, debitul tranzitat prin orificii ntre tuburi este nensemnat). n cazul funcionrii automate, echiparea construciilor cu toate elementele necesare este complet.

Avantajele principale ale acestui tip de construcie sunt urmtoarele:

nu se ntrerupe funcionarea canalului n timpul curirii aluviunilor, intervenia fiind de scurt durat;

permite att curirea aluviunilor depuse, ct i prevenirea colmatrii, n mod simplu i dinamic, cu efect sigur;

elementele statice de curire sunt incluse n construcia tuburilor, fiind realizate uor prin prefabricare;

proiectarea este simpl, fiind posibil tipizarea construciilor (elementelor);

randamentul curirii este ridicat, cu cheltuieli de exploatare reduse;

necesit for de munc minim (1 2 muncitori necalificai);

se poate realiza automatizarea complet a operaiunilor.

6.5. Construcii pentru racordarea biefurilor

Construciile pentru racordarea biefurilor au de asemenea o pondere foarte mare pe canalele din cadrul sistemelor hidroameliorative, fiind amplasate la schimbrile de pant longitudinal de pe traseu.

Din punct de vedere hidraulic, racordarea biefurilor albiilor prismatice poate avea loc fr salt sau cu salt:

racordarea fr salt la schimbarea de pant apare n urmtoarele situaii (fig.6.19): cnd se face trecerea de la o micare lent n amonte la o micare rapid n aval (a), cnd micarea este lent i n amonte i n aval (b), sau cnd micarea este rapid n ambele biefuri (c). n aceste cazuri trecerea se face fr construcii speciale de racordare a biefurilor.

racordrile cu salt au loc numai cnd se face trecerea de la o stare rapid a curentului de ap n bieful amonte, la starea lent a curentului de ap n bieful aval. n acest caz sunt necesare construcii de racordare a biefurilor, respectiv: cderi cu o treapt sau cu mai multe trepte, cderi n consol i canale cu curgere rapid (jilipuri).

Fig.6.19. Tipuri de racordare fr salt hidraulic

6.5.1. Cderile cu o treapt

Acest tip de racordare se realizeaz cnd pe canalele de irigaii sau de desecare apar diferene mici de nivel, de circa 1,0 1,5 m. O astfel de cdere este alctuit dintr-o zon de intrare de forma unui deversor cu prag lat i dintr-un bazin de disipare a energiei.

6.5.1.1. Dimensionarea hidraulic a cderii cu o treapt.

Calculul hidraulic const n dimensionarea prii de intrare a treptei i n dimensionarea bazinului disipator de energie.

Partea de intrare funcioneaz de obicei ca un deversor cu prag lat, dar uneori poate fi un deversor cu profil practic.

Calculul prii de intrare const n determinarea fie a limii sale b fie a sarcinii H , folosindu-se relaiile cunoscute de la deversoare. Astfel, n cazul cnd partea de intrare este de forma unui deversor cu prag lat nenecat, se folosete relaia urmtoare:

(6.20) n care:

unde: k = 0,667 0,590

La alegerea tipului de deversor trebuie s se aib n vedere evitarea apariiei unei micri gradual variate, care poate conduce la aluvionare n cazul unui remuu pozitiv, sau la erodare n cazul unui remuu negativ.

Aceste neajunsuri pot fi evitate prin construirea unei cderi prevzut cu un deversor cu fante (fig.6.20), la care numrul deschiderilor se calculeaz cu urmtoarea formul empiric:

(6.21)

n care:b = limea la fund a canalului;

hmax = adncimea corespunztoare debitului maxim, n regim uniform.

Fig.6.20. Intrare cu deversor cu fante la o cdere cu o treapt

Calculul bazinului disipator const n determinarea adncimii i lungimii sale.

6.5.2. Cderile cu mai multe trepte

Se folosesc n cazul unei nlimi mari de cdere, cnd o simpl treapt de cdere ar deveni dezavantajoas din punct de vedere tehnico-economic. Disiparea energiei cinetice a apei se realizeaz prin pragurile din avalul fiecrei trepte, cu ajutorul crora se obin bazinele de disipare.

Cel mai utilizat tip de cdere cu trepte multiple este cderea cu grinzi prezentat n fig.6.21, la care energia este parial amortizat de un perete transversal situat n spatele deversorului.

Fig.6.21. Cdere cu trepte multiple cu grinzi

6.5.2.1. Dimensionarea hidraulic a treptelor multiple.

Calculul hidraulic al cderii cu mai multe trepte const n determinarea nlimilor de cdere ale treptelor i a lungimii lor, precum i n dimensionarea bazinului de pe ultima treapt. Treptele se calculeaz pentru viteza maxim admisibil a apei, n funcie de natura materialului de construcie a cderii.

nlimea de cdere pentru fiecare treapt p se determin prin mprirea nlimii totale de cdere P la numrul de trepte n.

Ca i n cazul unei singure trepte de cdere, trebuie s se determine lungimea i adncimea bazinului disipator, care n cazul unor trepte egale, se vor calcula pentru prima, a doua i ultima treapt.

6.5.3. Canalele cu curgere rapid

Aceste construcii denumite i jilipuri, permit racordarea continu a biefului amonte cu cel aval, avnd seciune constant sau variabil i rugozitate obinuit sau macrorugozitate. n fig.6.22 se prezint un jilip de beton, cu gur de intrare, rugozitate normal i bazin de disipare la ieire.

Panta fundului canalului cu curgere rapid se stabilete astfel nct s fie mai mare dect panta critic. Racordarea jilipului cu canalul n aval trebuie fcut cu mult atenie, deoarece de la o vitez de circa 6 m/s se trece n aval la o vitez de 0,6 1,0 m/s. Pentru a asigura o intrare linitit a apei n canal, racordarea se face fie sub forma unei plnii alungite, fie sub forma unei plnii scurte cu bazin de disipare.

Fig.6.22. Canal cu curgere rapid (jilip), de beton

6.5.3.1. Dimensionarea hidraulic a jilipului.

Calculul hidraulic al jilipului const n determinarea dimensiunilor fiecrei pri componente: partea de intrare, canalul propriu-zis, ieirea.Partea de intrare funcioneaz ca un deversor cu prag lat, dimensionarea fcndu-se cu formulele cunoscute.

n calculul hidraulic al canalului propriu-zis intereseaz determinarea pantei I, care trebuie s fie mai mare dect panta critic:

(6.22) ;

n continuare, se verific dac viteza pe jilip este mai mic dect cea admisibil pentru materialul de construcie folosit, n caz contrar intervenindu-se cu macrorugozitate artificial pentru micorarea vitezei.

Partea de ieire a construciei de curent rapid se dimensioneaz ca un disipator de energie obinuit.

6.6. Construcii de automatizare i siguran

Pentru asigurarea funcionrii corespunztor cerinelor beneficiarilor de ap (distribuie reglare debite, niveluri), fr intervenia sau cu intervenia parial a personalului de exploatare, canalele sunt mprite ntr-un numr de biefuri serie, prin amplasarea n anumite seciuni a construciilor de automatizare specifice, de tipul stvilarelor sau podeelor stvilar automatizate. Biefurile automatizate i neautomatizate sunt protejate la aciunea distrugtoare a deversrii necontrolate a apei peste coronamentul canalelor (n caz de avarii, debite n surplus), prin amplasarea n anumite seciuni a construciilor automate de siguran.

6.6.1. Construcii de automatizare

Construciile de automatizare a canalelor sunt alctuite din instalaia (dispozitivul, aparatul) de automatizare i construcia propriu-zis.

Instalaia automat are o structur adecvat scopului ndeplinit i tipului de automatizare adoptat, fiind n general realizat din componente metalice simple (stavile cu flotori i dispozitive mecanice de comand, module etc.) n cazul automatizrii de tip hidraulic i cu componente diverse mai complexe (electrostavile, dulapuri electronice, cabluri, doze etc.) n cazul automatizrii de tip electric.

Construcia propriu-zis este clasic, alctuit dintr-un radier din beton terminat adeseori n aval cu un bazin disipator de energie, culei prevzute cu aripi de racordare amonte i aval (riglate, drepte etc.) i alte elemente auxiliare (supori-reazeme, nie .a.), punte de manevr cu balustrade. n situaia montrii alturate n aceeai construcie a unui numr mai mare de dispozitive de acelai fel (baterii), se prevd pile ntre dispozitive, pe care se sprijin puntea de exploatare. Problemele constructive sunt asemntoare cu ale construciilor de distribuie a apei.

6.6.1.1. Instalaia de automatizare pe canale.

Dup natura mrimii reglate pe biefurile canalelor deschise de irigaie, automatizarea se refer: fie la nivelul apei, fie la debit, fie la debit i nivel (respectiv volume de ap), dispozitivele regulatoare primind denumirea corespunztoare: regulatoare de nivel, regulatoare de debit etc.

Dup natura energiei care se consum la realizarea reglajului (natura semnalului de acionare utilizat n bucla de reglare), automatizarea poate fi: cu acionare hidraulic, acionare electric sau mixt, referindu-se la debite i niveluri, separat sau combinat.

Dup modul de utilizare a informaiei n cadrul sistemului, se disting:

- automatizri locale - la care informaia este transformat local i starea sistemului este afiat local-n fiecare seciune, independent;

- automatizri dispecerizate - la care funciile automatizrii sunt ndeplinite ntr-o reea de dispecerizare prin intermediul unui centru dispecer, care elaboreaz deciziile n urma prelucrrii informaiilor colectate i teletransmise;

- automatizri mixte - ncercnd s mbine avantajele tehnice prin combinare dup caz a automatizrii locale i cu dispecer, rezultnd diferite situaii: cu centralizare, ierarhizate .a.

n cadrul automatizrii hidraulice locale, dup modul n care se realizeaz regularizarea nivelurilor, se ntlnesc urmtoarele tipuri de comand: din amonte, din aval i mixt (de exemplu, din aval deservit din amonte).

n cazul distribuiei dup program cu comand din amonte (Fig.6.23 a), reglarea debitelor se efectueaz n capetele amonte ale biefurilor canalului de aduciune, pe acelai principiu pe care se bazeaz i distribuia apei n cadrul canalelor prevzute cu stvilare neautomatizate (stvilarele de distribuie cu acionare manual). Acest tip de automatizare implic meninerea constant a nivelului amonte de construciile regulatoare de nivel de pe canalele de aduciune. Acest lucru se realizeaz cu ajutorul construciilor de reglare a nivelului amonte, ce includ stavile AMIL prevzute cu flotoare care urmresc variaiile nivelului din amonte de acestea i care obtureaz seciunea de curgere din ce n ce mai mult odat cu scderea nivelului amonte, adic cu creterea consumului n bieful reglat. Datorit multiplelor dezavantaje, acest sistem de semiautomatizare este rar utilizat n practic.

Fig.6.23. Tipuri de automatizare hidraulic pentru niveluri i debite

n cazul distribuiei la cerere cu comand din aval (Fig.6.23 b), reglarea debitelor se efectueaz n capetele aval ale biefurilor canalului de aduciune, construciile regulatoare de nivel meninnd niveluri constante n aval de amplasamentul lor, ceea ce rezolv n majoritatea cazurilor funcionale problemele tehnice impuse, dar necesit investiii suplimentare n terasamentele canalului (care este supradimensionat) i impermeabilizarea seciunii canalelor, fiind limitat utilizarea la canale cu panta longitudinal mai mic de 0,3 %0 (obinuit 0,1 %0).

Construciile de reglare a nivelului aval includ stavile AVIS (T) sau AVIO (D), prevzute cu flotoare ce urmresc variaia nivelului din aval de acestea i care obtureaz seciunea din ce n ce mai mult, odat cu creterea nivelului aval, adic cu scderea consumului de ap n bieful reglat.

Datorit avantajelor multiple, acest sistem este foarte folosit n prezent, motiv pentru care se va insista n continuare asupra alctuirii instalaiilor i construciilor prevzute cu regulatoare cu nivel aval constant.

n cazul sistemului mixt de distribuie cu comand din aval deservit din amonte, sunt combinate avantajele tehnice i economice ale celor dou moduri de comand prezentate, realiznd reglaje multiple i cu precizie ridicat, integrndu-se relativ simplu att n sistem local ct i centralizat, fiind adecvate att n cazul deficitului ct i a surplusului de ap la surs (livrare la cerere cu restricii periodice). n cadrul acestui sistem aduciunea este mprit n biefuri de regulatoare mixte (de tip RHN-1, Neyrpic), influenate att de nivelul din aval (n mod normal) ct i de nivelul din amonte, maxim sau minim (la restricii).

Acest tip de regulator automat se preteaz cel mai bine la modernizarea canalelor automatizate din sistemele de irigaii existente, prin nlocuirea stavilelor clasice (AVIS, AVIO, AMIL) cu minimum de efort financiar i cu minime modificri ale construciei hidrotehnice.

n cadrul automatizrii electrice locale, posibilitile de reglare sunt multiple, prin folosirea unui dispozitiv de automatizare ce include regulatoare de tip P.I.D. care au implementate anumite legi (algoritmi) de funcionare. Elementul de execuie al regulatoarelor electrice este constituit din stavile plane metalice echipate cu servomotoare electrice conectate la dispozitivul de automatizare.

Stavilele plane sunt nglobate n construcii hidrotehnice asemntoare cu cele de la stvilarele de distribuie obinuite (cu acionare manual) de pe canalele deschise, n apropiere fiind amplasat dulapul de automatizare i alimentare cu energie electric.Pentru derivarea unor debite cvasiconstante, reglabile dup cerine, pe canalele de distribuie se utilizeaz modulele cu masc, amplasate n seciunea frontal a canalelor de distribuie (sau de aduciune) n diferite situaii funcionale, singulare sau n asociere cu dispozitivele cu autoreglare hidraulic a nivelurilor.

Debitul este reglat discret (n trepte) prin deschiderea-nchiderea unor vanete din faa orificiilor de curgere, mrimea debitului corespunznd unei anumite combinaii de orificii ce a fost aleas. Constana debitelor aval este asigurat de combinaia dintre un prag deversor (ce permite crearea unui regim de curgere rapid n aval) i o masc metalic ce limiteaz fiecare orificiu la partea sa superioar (muchia mtii introduce o pierdere de sarcin suplimentar variabil n oponen, de control a efectului variaiei nivelului amonte asupra debitului livrat folosinelor).

Modulele cu masc (cu o masc, cu dou mti) sunt nglobate n construcia hidrotehnic de reglare automat, sub urmtoarele forme: monobloc, monobloc i complement, baterie de monoblocuri standardizate de aceeai tipodimensiune, separate prin pile. La capetele construciei, legtura cu taluzurile canalului se asigur prin culei.

6.6.1.2. Construcia hidrotehnic a instalaiei automatizate.

n fig.6.24. se prezint pentru exemplificarea alctuirii instalaiei de automatizare, stavila hidraulic automat AVIS (T), cea mai folosit n prezent pe canalele sistemelor de irigaii aflate n exploatare. Aceast stavil constituie dispozitivul de reglare din componena construciei specifice automatizrii hidraulice cu comand din aval i curgere liber. Menine automat la o cot constant nivelul apei din aval de amplasament (Hav = const.), indiferent de mrimea debitului care trece prin construcie, debit care este dependent de mrimea debitului total consumat la derivaiile din bieful reglat. Se amplaseaz pe canale de aduciune sau n asociere cu modulele cu masc pe canalele de distribuie cu curgere liber.

Fig.6.24. Alctuirea stavilei hidraulice automate de tip AVIS (T)

Elementele componente ale stavilei AVIS (T) sunt urmtoarele (Fig.2.24):

1. Obturator curb (plac obturatoare, stavil curb sau tablier);

2. amortizor hidro-pneumatic;

3. fanta submersat a amortizorului hidraulic;

4. duza de 1 4 mm diametru de legtur a amortizorului cu atmosfera;

5. Contravntuiri de rigidizare a tablierului stavilei;

6. Bride de fixare i centrare a tablierului fa de axul de rotaie al stavilei;

7. arpant brae de rigidizare;

8. Capacitate secundar de echilibrare a stavilei;

9. Suporii contragreutii 8;

10. Tirani;

11. Eclise;

12. Flotorul (segment de tor cilindric) - plutitorul;

13. Capacul flotorului;

14. Bacul flotorului;

15. Fant cu van pentru admisia apei n bac filtru hidraulic;

16. Orificiu cu capac pentru curirea bacului;

17. Axul orizontal al stavilei;

18. Reazeme (cu rulmeni sau cuite triunghiulare) la cota de consemn;

19. Limitatori de curs maxim, solidari cu flotorul 12;

20. Prag de sprijin a tablierului n poziia nchis complet;

21. Ram (nie) de ghidare a cursei tablierului stavilei;

22. Pasarel de exploatare, solidar cu bacul 14;

23. Balustrad de protecie;

24. Bazin disipator de energie (numai la stavile mari) n continuarea radierului.

Stavilele de tip AVIS, ca i celelalte tipuri de stavile, sunt nglobate n construcii ce poart denumirea general de stvilare automate (SA), care de cele mai multe ori se combin cu podeele constituind aa numitele podee stvilar automate (PSA).

n fig.6.25. se prezint o seciune longitudinal, o vedere n plan i seciuni tranversale prin construcia hidrotehnic de tip pode stvilar automatizat (PSA).

Semnificaia notaiilor din figur este urmtoarea:

1. Radierul construciei i radierul de amortizare;

2. Anteradier;

3. Beton de egalizare (circa 10 cm grosime);

4. Rost de etanare cu teac i tol metalic;

5. Culee;

6. aripi de racordare a construciei cu canalul (amonte) profilate;

7. Aripi de racordare a construciei cu canalul (aval) drepte;

8. Protecie amonte i aval cu dale sau pereu din beton simplu,

9. Ram (nie) de ghidare;

10. Prag de sprijin;

11. Ni pentru grtar de protecie i batardou;

12. Scar de acces;

13. Balustrad metalic;

14. punte de exploatare, din beton armat;

15. Punte de exploatare, din tabl striat;

16. Suport reazem pentru axul stavilei;

17. Reazem pentru bacul stavilei;

18. pern de loess sau nisip argilos (umplutur);

19. Pereu din piatr brut, pe un strat de nisip;

20. Canalul de irigaie /de aduciune) cu seciunea trapezoidal.

Funcionarea stavilei AVIS se bazeaz pe urmtorul principiu: modificrile de nivel din bieful aval de stavil, care apar ca urmare a neconcordanei ntre debitul admis n bief i debitul consumat la derivaiile laterale din bief, acioneaz asupra flotorului, determinnd deschiderea sau nchiderea oblonului stavilei.

Cota axului stavilei coincide cu cota la care este necesar a se menine nivelul apei constant n aval de amplasament (adic cota reazemelor axului consemn fix).

n avalul stavilei din cadrul P.S.A. este prevzut un disipator de energie, care are rolul de a permite formarea saltului hidraulic i a menine saltul n zona dintre tablier i bacul flotorului, pentru ntreaga gam de variaie a debitelor i a nivelurilor. Meninerea saltului hidraulic n aceast zon i necarea saltului sunt hotrtoare pentru funcionarea stabil a dispozitivului de reglare a nivelului n canal cu comand aval.

Fig.6.25. Pode stvilar automatizat cu stavil AVIS (T) (a seciune longitudinal, b vedere n plan; c seciuni transversale)

6.6.1.3. Dimensionarea i verificarea construciei hidrotehnice (PSA).

Dup cum s-a artat, pentru fiecare dispozitiv de automatizare avnd o anumit tipodimensiune, corespunde o construcie din beton cu o anumit form i dimensiuni standardizate (ce se extrag din tabele). Totui, sunt necesare unele calcule de verificare a anumitor elemente din componena construciei hidrotehnice.

Deosebit de important pentru corecta funcionare a dispozitivului automat este racordarea taluzurilor canalului cu seciune trapezoidal, la construcie n aval i ndeosebi n amonte. Din acest punct de vedere, este deosebit de important i absolut necesar operaia de verificare a pierderilor de sarcin ((h) prin construcia care tranguleaz seciunea canalului (Fig.6.26).

Fig.6.26. Verificarea pierderilor de sarcin prin construcie (P.S.A.)

Se va ine seama de urmtoarele:

condiia de verificare este:

(6.23) (h ( Jmin. necesar

n general pierderea de sarcin la ieirea din stvilar (racord aval) se neglijeaz, ntruct aceasta este redus parial sau total de transformarea energiei cinetice n energie potenial;

la intrarea n stvilar (racord amonte), pierderea de sarcin se determin cu relaia:

(6.24) (h = (h1 + (h2n care (v. fig.5.26): (h1 = 1 - ( i (h2 = ( . h2

unde:

( = f (( , () ; B = b1 + m . h1 ;

b1 limea la fund a canalului la intrarea n construcie;

m panta taluzului canalului;

h1 nlimea apei n canal n amonte la NHd;

(6.25) ( = v2 / 2.g.h2 ; ( = b2 / B ;

b2 limea la baz a tablierului stavilei;

h2 nlimea apei n aval de pragul stavilei la NHd;

(6.26) v = Qmax / B.h1 i ( = f (( , () ; ( = 0,95 (racord convergent la 45o)

Exemplu de calcul de verificare (simplificat)Pentru o stavil hidraulic automat de tip AVIS 140/285 (unde 140 cm reprezint raza exterioar a flotorului i 285 cm reprezint limea la baz a tablierului) se cunosc urmtoarele elemente: h1 = 1,60 m ; b1 = 2,50 m ; m = 1,5 ; h2 = 1,50 m ; Jmin = 0,10 m

Rezult: B = 2,50 + 1,5 . 1,60 = 4,90 m ; v = 0,77 m/s ; ( = 0,02 ; ( = 285 / 490 = 0,59 ; ( = 0,975 i ( = 0,004 (pentru ( = 0,95 )

(h1 = 1 0,975 = 0,025 i (h2 = 0,004 . 1,50 = 0,006 m

(h = (h1 + (h2 = 0,025 + 0,006 = 0,031 m ( Jmin = 0,10 mn cazul orificiului din cadrul timpanului corespunztor unei construcii cu stavil hidraulic automat de tip AVIO , pierderea de sarcin la debit maxim se determin cu relaia:

(6.27) (h = Q2max / 2g . ( . s

unde: ( = 0,85 i s seciunea orificiului (m2) ;

Dac rezult (h ( Jmin se va adopta tipul de stavil AVIO imediat superior pentru care se verific condiia (h ( Jmin .

Alte verificri se refer la calculul static al culeei (ziduri de sprijin), grosimea i lungimea minim a radierului;

O problem deosebit o constituie dimensionarea corect a disipatorului de energie dispus aval de stavil, n special la stavilele de tip AVIO , astfel ca s se asigure o curgere necat.

Volumul disipatorului minim necesar, depinde de energia maxim ce trebuie disipat i este dat de relaia:

(6.28) V = l . b . h = 21,2 . Qmax . J1/2max (m3)

Proporiile optime ntre cele trei dimensiuni ale bazinului de disipare (l , b , h) sunt: l = 3.b = 4,5 . h i l = 13,51/3. V1/3n cazul unor sarcini mari i a unor debite importante tranzitate, bazinul de disipare se calculeaz cu prag de necare i eventual cu redane.

n legtur cu profilul transversal i longitudinal al canalelor cu funcionare automatizat i comand din aval se fac urmtoarele precizri:

panta longitudinal a canalului trebuie s fie cuprins ntre 0,0001 i 0,002 (foarte des 0,0015), pentru ca, n vederea asigurrii orizontalitii coronamentului volumele de terasamente i respectiv lucrrile de impermeabilizare s fie ct mai mici;

raportul ( = b/h trebuie s fie cuprins ntre 2 i 4, pentru a se asigura un volum de acumulare ct mai mare i investiia specific (lei/mc acumulat) ct mai mic;

lungimea tronsoanelor cu funcionare automat (biefuri) se impune iniial de circa 4 6 km, determinndu-se n final pe baza calculelor tehnico-economice (dac numrul de tronsoane este mic, se consider numai investiiile suplimentare pentru cptueli, iar dac numrul de tronsoane este mare, se consider i investiiile suplimentare n terasamente i n construciile stvilarelor);

dac pe traseul biefului, n afara construciilor de automatizare exist i alte construcii hidrotehnice serie, se va ine seama de pierderea de sarcin introdus de fiecare construcie (sunt excluse construciile de obturare total a seciunii de scurgere, care sunt contrare funcionalului n regim automatizat);

impermeabilizarea canalelor de aduciune este obligatorie, pentru a se reduce pierderile de ap prin nfiltraie i modificarea important a volumelor de ap din biefuri.

6.6.2. Construcii de siguran

Protecia canalelor la deversarea apei peste coronamente este asigurat de construcii de siguran de tipul deversoarelor laterale cu prag lat sau cu perete subire i de sifoane autoamorsabile de securitate amplasate n baterii.

Sifonul autoamorsabil de securitate , este un dispozitiv obligatoriu pe biefurile canalelor de aduciune automatizate, avnd rolul de descrcare rapid a debitelor n surplus i meninerea nivelului maxim al apei sub cota coronamentului canalului, n cazul apariiei unor defeciuni la dispozitivele de reglare automat a nivelului pe bief (blocarea stavilelor cu plutitori etc.).

Este un dispozitiv de siguran, ca i deversoarele laterale, dar are avantajul descrcrii rapide a unor debite mult mai mari la o variaie mai mic a nivelului apei i la un front mai restrns (mai scurt, mai concentrat) de deversare.

Funcionarea are loc n trei faze: deversor (debit mic, antrenare de aer mult); sifon parial amorsat (debit mediu, aer puin) i sifon complet amorsat (debit maxim, fr aer). Sifonul intr i iese automat din funciune, datorit unor elemente speciale (5, 6, 7) din alctuire. Pentru debite foarte mari, sifoanele sunt nglobate n construcia hidrotehnic sub form de baterii de descrcare.

Prile componente ale sifonului i construciei sunt urmtoarele (Fig.6.27):

1. Corpul sifonului (metalic) capota sau carcasa;

2. Plnie gur de admisie a apei;

3. Gura de evacuare a apei;

4. Creasta deversorului (profil practic);

5. Nas cioc de amorsare;

6. Fanta de admisie a aerului;

7. Orificiu de dezamorsare,

8. Gril de protecie grtar;

9. aripi de racordare amonte;

10. Cuneta cuva de etanare aval;

11. pragul cunetei din beton;

12. Perete de susinere din beton (racordare aval);

13. Golirea de fund a canalului.

n tabelul din figur, se prezint informativ caracteristicile principale normalizate, pentru sifonul Si 60.

Fig.6.27. Sifon autoamorsabil de siguran

6.7. Infiltraia apei pe sub construcii hidrotehnice

Stabilirea conturului subteran al construciei i evidenierea aciunii fenomenului de infiltraie, implic urmtoarele: alegerea judicioas a metodei de determinare a elementelor hidraulice caracteristice ale curentului de infiltraie, stabilirea criteriilor de rezisten a conturului subteran i ndeosebi considerarea condiiilor de exploatare a construciei hidrotehnice.

Alegerea celei mai potrivite metode de calcul a elementelor hidraulice ale curentului de infiltraie se face n raport cu importana construciei i cu gradul de precizie dorit, cunoscndu-se metode mai simple i metode mai complicate:

metoda electrometric (A.E.H.D. sau E.G.D.A. = analogie electro-hidrodinamic), este indicat pentru construcii mari i complexe, fiind cea mai exact i uor de aplicat, dar necesit realizarea modelului hidraulic al construciei la scar redus;

metoda grafic a reelelor de micare, acceptabil n multe situaii;

metoda infiltraiei liniare pe contur (Bligh), potrivit pentru cazurile cele mai simple i construcii de importan redus.

Aceste metode permit s se determine suficient de exact elementele conturului subteran, mrimea gradientului de presiune n lungul conturului construciei i mrimea gradientului hidraulic la ieire (n bieful aval).

Criteriul de rezisten a conturului subteran l constituie valoarea I a gradientului hidraulic (valoarea calculat este gradientul efectiv). Gradientul mediu pe ntreaga lungime a conturului subteran determin rezistena conturului; de exemplu, n cazul metodei Bligh, cea mai simpl, gradientul mediu este:

(6.29) I med = H / L = 1 / C

Pentru un plus de siguran se respect condiia: I ef ( I adm

Gradientul hidraulic admisibil (Iadm) se stabilete n funcie de urmtoarele criterii:

clasa de ncadrare a construciilor: determin importana construciei n raport cu specificul de folosin n funcie de importana economic i social, cu durata de funcionare i cu ncadrarea construciei n amenajarea hidrotehnic complex;

durata i regimul de funcionare: prezint diferite particulariti pentru fiecare caz n parte, de care trebuie s se in seama pentru a se asigura o rezisten egal (acoperitoare) a conturului subteran pentru toate construciile; calculul hidrotehnic al radierului trebuie s se fac n dou variante: cazul normal (de lung durat) i cazul excepional (de scurt durat);

gradul de rezisten a conturului subteran: este puternic influenat de existena unor elemente de construcie n anumite seciuni. Astfel, prezena rosturilor determin scderea puternic a gradului de rezisten a conturului subteran (cunoscndu-se sarcinile la care se va supune construcia, se pot determina tasrile viitoare i se poate stabili gradul de siguran pe care l vor avea rosturile), iar prezena filtrelor inverse la ieirea curentului subteran permite o mrire de 1,5 2,0 ori a gradientului hidraulic admisibil; alctuirea conturului subteran este de o deosebit importan, anumite elemente avnd o aciune puternic de reducere a presiunii curentului de infiltraie: se recomand cel puin 40 % trasee de infiltraie vertical, ce se realizeaz prin palplane, pinteni sau diafragme laterale, care ofer un contur de o rezisten mai puternic la aciunea hidrodinamic a curentului subteran;

evidena condiiilor de execuie a construciei: nerespectarea unor prescripii de execuie influeneaz asupra slbirii conturului subteran de infiltraie, fiind necesar a se considera aceste lucruri ntotdeauna n calculele efectuate.

6.7.1. Elementele curentului de infiltraie

Este necesar s se cunoasc elementele curentului de infiltraie, care permit evidenierea fenomenelor hidromecanice ce au loc sub radierul construciilor i n zona de ieire a curentului de infiltraie, n bieful aval:

traiectoria curenilor de infiltraie (reeaua hidrodinamic);

presiunea pe elementele de construcie subterane;

gradientul hidraulic I;

viteza de infiltraie v;

debitul de infiltraie q.

Pentru determinarea facil a acestor elemente este necesar s se cunoasc reeaua hidrodinamic a scurgerii curentului subteran, avndu-se n vedere o serie de consideraii cu privire la amplasamentul construciei: terenul este omogen, lichidul este incompresibil, micarea apei este plan, permanent i continu, avnd loc dup legea lui Darcy ( v = k * I ), unde k este coeficientul de permeabilitate a terenului.

Legea lui Darcy se mai poate scrie (n planul xOy) i sub form diferenial:

(6.30) vx = - k ; vy = - k

Continuitatea micrii curentului de infiltraie se exprim prin ecuaia Laplace, a crei rezolvare reprezint o problem matematic dificil:

(6.31) + = 0

6.7.1.1. Construirea reelei hidrodinamice.

- Traiectoria curenilor de infiltraie.

Se pot utiliza mai multe metode: metoda teoretic (analitic), metoda experimental (AEHD EGDA), metoda grafic.

Metoda teoretic stabilete pe cale analitic cu ajutorul ecuaiilor curbelor echipoteniale i ale liniilor de curent, configuraia spectrului hidrodinamic alctuit din linii echipoteniale i linii de curent.

Din analiza acestor curbe se constat c liniile echipoteniale i liniile de curent sunt ortogonale, iar poziia liniilor reelei hidrodinamice nu depinde de coeficientul de permeabilitate k al terenului, reeaua fiind aceeai pentru un teren nisipos, argilos etc.

Metoda experimental sau a analogiei electro-hidrodinamice (AEHD) propus de acad. N.N. Pavlovski se bazeaz pe analogia dintre scurgerea potenial a curentului subteran de infiltraie i scurgerea potenial a curentului electric.

Metoda const n realizarea profilului subteran al construciei hidrotehnice la scar redus (Fig.6.28), pe o plac izolatoare (plastic, plexiglas), o foi conductoare (staniol, aluminiu) tiat dup acelai contur sau cel mai adesea un electrolit cu caracteristici bine determinate, reprezentnd terenul de fundaie permeabil.

Presiunea apei este reprezentat prin fora electromotoare a curentului electric (diferena de potenial), curentul de ap fiind simulat prin curentul electric. Linia fundului biefului amonte i a biefului aval este reprezentat prin nite bare (tblie) de cupru, iar linia suprafeei stratului impermeabil care se afl sub terenul de fundaie permeabil, este format de peretele din plastic al vasului (0 0). De-a lungul liniilor amonte i aval prin care intr i respectiv iese apa de infiltraie, se fixeaz electrozii E1 i E2 conectai la sursa de energie electric.

Circuitul electric este astfel alctuit din sursa - bateria (2), instrumentul de msur ampermetrul sau galvanometrul (3), reostatul (4), conductorii electrici i foaia de staniol sau electrolitul (1). La electrozi se menin potenialele E1 i E2 cu diferena E corespunztoare presiunii dintre biefuri H la care este supus construcia. Cursorul unui poteniometru gradat (5) intercalat n circuitul electric, este conectat printr-un conductor la un ac creion styl (8).

Fig.6.28. Metoda experimental AEHD: instalaia i modelul analogic

Msurarea potenialelor se bazeaz pe principiul punii Wheaststone cunoscut din fizic (elementele prezentate sunt astfel conectate, nct s formeze ramurile unei puni, anumite repere ajustabile permind stabilirea exact a mrimilor de referin).

Dac exist urmtoarea relaie ntre rezistenele ce formeaz cele 4 brae ale punii R1 / R2 = R3 / R4 , sau ntre diferenele de potenial pe aceste poriuni care sunt proporionale cu aceste rezistene, nu va trece curent prin circuit i galvanometrul va indica zero.

Considernd fora electromotoare total E ca unitate (respectiv H = 1) i mprind reostatul (5) n n pri egale (de exemplu 10, 20), se pot depista n electrolit (sau pe foia de staniol 1) puncte cu diferite poteniale intermediare. Unind punctele cu poteniale egale prin linii continue, se obin linii echipoteniale trasate la intervalele E/n sau H/n .

n continuare se construiete reeaua de linii de curent, sub form de curbe normale pe liniile echipoteniale n punctele de intersecie cu acestea, astfel nct s se formeze dreptunghiuri curbilinii asemenea.

Metoda AEHD folosete o instalaie foarte simpl, rezultatele se obin imediat, iar precizia este foarte mare (erorile sunt sub 0,1 0,2 %).

Metoda grafic se bazeaz pe caracteristicile principiale ale reelei hidrodinamice, de a avea o continuitate a liniilor, liniile echipoteniale fiind ortogonale cu liniile de curent, iar forma ochiurilor reelei conservndu-se ca dreptunghiuri curbilinii cu un raport constant ntre laturi (numit modulul reelei).

Pe un desen care reprezint seciunea longitudinal a construciei, se consider c prima linie de curent este nsui conturul subteran al construciei (Fig.6.29). Dac terenul impermeabil se afl la o adncime mare, atunci ultima linie de curent se construiete trasnd un semicerc cu centrul la jumtatea conturului subteran i cu o raz egal cu 2,0 2,5 ori lungimea proieciei orizontale a conturului. A doua linie de curent se traseaz astfel nct s urmreasc inflexiunile conturului subteran la o oarecare distan. Fia obinut se mparte apoi n ptrate curbilinii, obinndu-se astfel liniile echipoteniale n aceast fie. n continuare se traseaz o alt linie de curent, orientndu-se dup forma ptratelor curbilinii i se continu mai departe n jos liniile echipoteniale, respectndu-se regulile enunate. Se corecteaz n msura n care este vizibilitate, linia de curent anterioar i liniile echipoteniale, pn la ultima linie de curent care este un semicerc.

Fig.6.29. Metoda grafic de construire a reelei hidrodinamice

6.7.1.2. Determinarea elementelor hidraulice

ale curentului de infiltraie.

- Presiunea apei.

Cunoscnd reeaua hidrodinamic a curentului de infiltraie, se poate determina presiunea apei ntr-un punct de pe talpa radierului, fcnd interpolarea ntre cele dou echipoteniale ce delimiteaz punctul respectiv. Prin determinarea presiunilor n mai multe puncte de pe talpa radierului, se poate obine diagrama de presiune a curentului de nfiltraie corespunztoare radierului. Deoarece reeaua hidrodinamic se traseaz pentru presiunea H = 1,0 m (deci toate elementele derivate sunt reduse n raportul 1 / H ), este necesar ca rezultatele obinute s fie multiplicate cu valoarea H.

- Gradientul hidraulic.Fcnd diferena presiunilor din dou puncte situate pe dou linii echipoteniale vecine i raportnd-o la distana (l dintre cele dou linii echipoteniale, se obine pentru presiunea H = 1,0 m, valoarea gradientului hidraulic mediu:

(6.32) I med = =

n care:

(l - este lungimea liniei de curent cuprins ntre dou linii echipoteniale vecine;

n - reprezint numrul de linii echipoteniale din reeaua hidrodinamic.

- Viteza de infiltraie.n formula v = k * Imed se introduce valoarea lui Imed de mai sus:

(6.33) v =

- Debitul de infiltraie.Se determin pentru o seciune, printr-o linie echipotenial oarecare. n punctele de intersecie ale liniilor de curent cu echipoteniala respectiv, se deseneaz vectorii vitezei v pe tangentele la liniile de curent.

Curba care unete extremitile vectorilor, delimiteaz o suprafa (haurat pe desen), a crei arie determin debitul specific redus, adic debitul pe o unitate de lungime a construciei:

(6.34) q =

Dac reeaua se construiete prin metoda grafic, debitul q (pentru valoarea H = 1) se poate determina cu ajutorul formulei:

(6.35) q = (pentru reeaua ptrat, ),

n care m este numrul fiilor de debit dintre liniile de curent.

6.7.2. Determinarea presiunii de infiltraie pe radierul construciei hidrotehnice

Talpa radierului unei construcii hidrotehnice este supus unei presiuni dirijate de jos n sus (subpresiune), compus din:

presiunea hidrostatic de plutire, uniform pe toat suprafaa radierului, a crui mrime este dat de presiunea coloanei de ap avnd nlimea egal cu adncimea punctului respectiv fa de nivelul apei din bieful aval (Fig.1.8 a);

presiunea hidrodinamic de infiltraie, variabil de-a lungul radierului de la presiunea H h pn la zero la ieirea curentului de infiltraie (Fig.1.8 b, c).

Pentru determinarea presiunii hidrodinamice de infiltraie se pot utiliza urmtoarele soluii:

soluii analitice exacte;

soluii hidromecanice aproximative;

soluia reelelor hidrodinamice:

metoda infiltraiei pe contur;

metoda dreptei echivalente.

a) Soluii analitice exacte.

Acestea au la baz rezolvarea matematic a ecuaiei lui Laplace prin metoda reprezentrilor conforme, o metod deosebit de dificil chiar pentru schemele cele mai simple (de exemplu, radier plan fr palplane, radier plan cu un rnd sau cu dou rnduri de palplane). Scheme mai complicate nu se pot rezolva pe aceast cale.

b) Soluii hidromecanice aproximative.

Se pot aplica n cazul unor scheme mai complicate ale conturului subteran al radierului, unde soluiile exacte sunt dificil de utilizat.

O soluie cu mare aplicabilitate este metoda fragmentrii conturului subteran (N.N. Pavlovski), n cteva fragmente cu scheme mai simple care se pot rezolva prin soluiile exacte cunoscute.

Au fost elaborate de asemenea tabele de calcul (P.F. Filceacov) care permit determinarea rapid i exact a presiunii de infiltraie n punctele caracteristice ale radierului cu unul sau doi perei de palplane, metod bazat pe ipoteza desfurrii succesive a palplanelor prin reprezentri conforme simple, prin scheme de calcul reduse la forma unui radier plan.

c) Soluia reelelor hidrodinamice.

Soluia reelelor hidrodinamice se refer la dou metode simple: metoda infiltraiei pe contur (Bligh) i metoda dreptei echivalente (Lane).

6.7.2.1. Metoda infiltraiei pe contur (Bligh).

Se transpune la scar redus conturul subteran al construciei n lungul unei semidrepte, n captul amonte raportndu-se presiunea H din bieful amonte, iar n captul aval valoarea zero (lips ap) sau presiunea h din bieful aval. Se unesc cele dou puncte extreme considerndu-se c presiunea se amortizeaz pe traseul conturului subteran al radierului, iar linia dreapt obinut reprezint variaia presiunilor pe radier (Fig.1.8 b).

Aceast variaie este liniar i exprim faptul c pierderea de presiune pe conturul subteran este proporional cu drumul parcurs.

Se consider ipoteza c poriunile verticale ale conturului subteran de infiltraie (de exemplu o palplan) au aceeai eficacitate n reducerea presiunii de infiltraie ca i poriunile orizontale, ipotez care nu este corect (realist).

Presiunea curentului subteran ntr-un punct oarecare x este dat n situaia prezentat de relaia:

(6.36) h x =

Dei este deosebit de simplu de aplicat, aceast metod d rezultate bune numai n cazul radierelor fr palplane (elemente verticale) i numai atunci cnd stratul impermeabil se afl la o adncime mic. n cazul unor elemente verticale, valorile presiunilor determinate prin aceast metod difer cu 20 40 % (i uneori chiar cu 70 80 %) fa de presiunile reale.

6.7.2.2. Metoda dreptei echivalente (Lane).

Aceast metod a luat n considerare faptul c terenurile sunt n realitate anizotrope (n special terenurile aluvionare), artnd c infiltraia are loc mai greu pe poriunile verticale dect pe cele orizontale. Aceast ipotez se traduce n construirea diagramei presiunilor de infiltraie pe radier, prin mprirea lungimii poriunilor orizontale cu un coeficient m i meninerea poriunilor verticale n mrime real.

Valoarea coeficientului m variaz dup schema conturului subteran de infiltraie, respectiv:

m = 1,3 1,7 pentru radiere adncite fr perei de palplane sau pentru radiere cu un singur perete de palplane;

m = 2,0 3,0 pentru radiere cu doi sau trei perei de palplane.

n mod practic, se raporteaz succesiv pe o semidreapt lungimile echivalente ale poriunilor orizontale i verticale, apoi n captul amonte al dreptei se raporteaz la scar presiunea H din bieful amonte i se unesc punctele extreme ale presiunii curentului de infiltraie ca i la metoda precedent. Se obine dreapta echivalent, care reprezint variaia presiunilor curentului de infiltraie asupra radierului construciei (Fig.6.30. c).

Presiunile obinute prin aceast metod, de asemenea deosebit de simpl, sunt mult mai apropiate de realitate dect n cazul metodei prezentate anterior.

6.7.3. Efectele mecanice ale infiltraiei

Consecinele infiltraiei apei pe sub radierul construciilor hidrotehnice sunt n principal urmtoarele:

are loc o pierdere de ap din bieful amonte n cel aval;

apa de infiltraie exercit o presiune asupra tlpii construciei, dirijat de jos n sus (subpresiune) i descrescnd treptat spre aval.

Pierderea de ap pe sub construcie din amonte n aval, produce n anumite condiii dislocarea materialului din fundaie i antrenarea particulelor cu o anumit mrime (fenomenul de sufozie), ct i ridicarea masei de pmnt afnat n zona din aval (fenomenul de refulare, afuiere).Presiunea de infiltraie (subpresiunea) se opune forelor de gravitaie, reducnd aparent greutatea construciei i rezistena sa la forele orizontale de alunecare, favoriznd aa numitul fenomen de plutire a construciei.

Efectul acestor fenomene n timp este de producere a deformaiilor inadmisibile ale terenului de fundaie i construciei, respectiv avarierea sa.

Fig.6.30. Soluia reelelor hidrodinamice (a Presiunea de plutire; b m. Bligh; c m. Lane)

6.7.3.1. Fenomenul de sufozie

Fenomenul de dislocare i antrenare a pmntului din terenul de fundaie se numete sufozie. Sufozia poate fi chimic i mecanic.

- Sufozia chimic: se manifest cnd apa de infiltraie provoac dislocarea i antrenarea substanelor solubile din teren (acest fenomen are loc n terenurile care conin sare, ghips, carbonat de calciu etc.). Sunt dizolvate srurile coninute n roci i sunt transportate n bieful aval, fiind create astfel ci noi de infiltraie, ceea ce conduce la creterea debitului de infiltraie. Gurile care se formeaz astfel n roc o slbesc treptat i micoreaz capacitatea portant a terenului de fundaie.

- Sufozia mecanic: se manifest cnd apa de infiltraie la anumite viteze, provoac antrenarea particulelor fine din terenurile necoesive n direcia liniilor de curent ctre bieful aval, contribuind astfel la slbirea terenului de fundaie i la tasarea acestuia i a construciei. Eliminarea particulelor mici din terenul de fundaie face ca acesta s devin mai permeabil, vitezele de infiltraie s creasc, curentul de infiltraie s devin capabil s antreneze particule din ce n ce mai mari. Deci odat cu antrenarea particulelor fine, volumul porilor crete i crete i viteza de infiltraie care ncepe s antreneze i particule mai grosiere i astfel fenomenul de sufozie se amplific prin formarea de caverne tot mai mari, pn are loc distrugerea construciei prin prbuire. Atunci cnd acest fenomen continu s se dezvolte, se poate termina n majoritatea situaiilor cu degradarea terenului de fundaie i avarierea construciei.

n evoluia procesului de sufozie, ndeosebi a sufoziei chimice, un rol important l joac i aerul sau gazele ce se gsesc n ap sau n pmnt.

Din cercetrile experimentale s-a constatat c vitezele i gradienii hidraulici la care ncepe s se dezvolte procesul de sufozie mecanic (Fig.6.31) sunt n funcie de coeficien