Stăvilare Capitolul 1

Stăvilare 1

1. STĂVILARE

1.1. Definiţie, clasificări

Stăvilarele sunt baraje de mică înălţime ce se construiesc pe cursurile de

apă în scopul ridicării nivelului natural şi eventual al realizării unei acumulări. Mai sunt cunoscute şi sub denumirea de evacuatori de ape mari sau baraje

mobile. Funcţiile stăvilarului sunt:

− asigurarea captării sau derivării debitelor pentru uzine hidroelectrice, pentru alimentări cu apă potabilă sau industrială, pentru irigaţii sau menţinerea în sectorul barat a adâncimii necesare pentru navigaţie;

− asigurarea capacităţii de evacuare a apelor fără a depăşi nivelul maxim admis în amonte;

− menţinerea unui nivel constant în aducţiunile cu nivel liber, care să le ferească de variaţiile nivelului apei din albia naturală a râului;

− evacuarea în aval a aluviunilor depuse, la anumite intervale de timp, fără a se pierde însă cantităţi prea mari de apă;

− evacuarea cu uşurinţă a corpurilor plutitoare, aduse mai ales de apele mari, precum şi a gheţurilor ce apar în perioada de primăvara.

2 Stăvilare

1.2. Alcătuire structurală generală

Din punct de vedere structural barajele mobile sunt alcătuite din două părţi:

1 partea fixă - compusă din corpul deversor, pile şi culei; 2 partea mobilă - constituită din stavile şi batardouri.

Corpul deversor împreună cu elementele mobile asigură crearea retenţiei şi descărcarea debitelor de apă în aval. Prin manevrarea stavilelor secţiunea barată poate fi deschisă în întregime sau parţial. Concepţia generală de alcătuire depinde în primul rând de condiţiile de fundare (natura terenului) dar şi de modul de operare, transportul de aluviuni, plutitori şi gheaţă. În principal pot fi definite trei sisteme structurale. 1. Cu profil deversant plus stavile de dimensiuni mici sau cel mult

mijlocii (figura 4.3). Înălţimea de retenţie este realizată mai ales de corpul deversor şi într-o măsură mai mică de stavile. Acest sistem este adoptat în cazul unor condiţii de fundare foarte bune şi al unui transport de aluviuni redus sau nesemnificativ în comparaţie cu dimensiunile acumulării realizate.

Figura 4.3 Baraj cu prag deversant înalt (Porţile de Fier I)

Dezavantajele acestui sistem constau în capacitatea redusă de evacuare a debitelor foarte mari. Din punct de vedere economic însă este avantajos în comparaţie cu urmatoarele doua sisteme. 2. Cu prag deversant lat şi stavile de deschideri si înălţimi mari. Acest sistem este adoptat în cazul unor condiţii de fundare de calitate medie şi de

Stăvilare 3

transport important de aluviuni. Pragul nu depăşeşte cota albiei minore, înălţimea de retenţie fiind realizată de stavile (figura 4.4). Un asemenea sistem reclamă deschideri foarte mari impuse de raportul optim între dimensiunile stavilelor. Din punct de vedere economic este cel mai costisitor. Principalul avantaj este acela cǎ evacuează în caz de viitură apele mari în condiţii de regim natural.

Figura 4.4 Baraj mobil cu stavile şi deschideri foarte mari 3. Cel de al treilea tip constructiv este alcătuit dintr-un profil deversant

care adăposteşte vane de fund şi stavile de coronament. Acest tip de alcătuire este specific zonelor de pe cursul inferior caracterizate printr-un transport foarte mare de aluviuni. Profilul deversant se compune dintr-un timpan şi o copertină care profilează camera mecanismelor (Figura 4.5). Sistemul se caracterizează printr-o funcţionare hidraulică elastică. Vana de fund funcţionează ca un orificiu, evacuând debite importante.

Figura 4.5 Baraj cu profil deversant ce adăposteşte vane de fund şi stavile de suprafaţă

Pentru manevre de intensitate mai mică sunt prevăzute stavile clapete la partea superioară. Prezenţa vanei de fund corectează şi deficienţele legate de

4 Stăvilare

capacitatea evacuării unor debite mari. Un alt avantaj, de ordin economic al acestui sistem, îl reprezintǎ costurile mai mici decât în cazul precedent. Principalul dezavantaj îl reprezintă complicaţiile constructive mari. 1.2.1 Alcătuire în plan

În unele cazuri stăvilarul se extinde numai pe o parte din secţiunea barată

a râului, restul fiind ocupat de construcţii de alt tip: diguri de pământ, centrale hidroelectrice, ecluze, deversoare fixe, scări de peşti, etc.

În figura 1-1 este ilustrată alcătuirea în plan a unui stăvilar de tip Olt inferior.

Deoarece aceste lucrări se realizează în general în zonele de deal şi de şes, închiderea în versanţi ar fi imposibilă în unele cazuri sau ar conduce la inundarea unor zone întinse de terenuri agricole sau locuite.

Barajul stăvilar este completat lateral cu diguri (baraje) de contur paralele cu albia. Se limitează în acest mod lăţimea de barare şi se asigură protecţia împotriva inundaţiilor a zonelor adiacente. Cota coronamentului digurilor laterale se află deasupra nivelului din lac cu o anumită gardă iar spre coada înălţimea de gardă se stabilişte în funcţie de cota curbei de remuu.

dig mal stâng

dig maldrept

baraj lateral

baraj

CHE

0 1 2 km

principal

pereu

rigola

barajlateral

CHE

stavilar

baraj principal

0 50 100 m

albie regularizata

Stăvilare 5

câmp

deversor

pilaculee

bazin disipator

albie regularizata

zid de sprijin

STAVILAR

CHE

bazin de linistire

zid de racordbaraj

pereu din b. a.

de pamânt

Figura 4.1 Alcătuirea în plan a unui stăvilar de tip Olt inferior: a-plan de ansamblu al amenajării; c şi d-detalii.

Digurile sau barajele de pământ de contur se întind pe lungimi de ordinul

a 3 - 10 km. În timp, aceste lacuri se colmatează, colmatarea începând dinspre coada

lacului. Ca urmare în timpul viiturilor inundaţiile se produc tocmai în această zonă. Se impune de aceea, majorarea gărzii spre coada lacului, în zona de remuu. De asemenea este necesar un sistem eficient de drenaj, pentru menţinerea nivelului pânzei freatice în limite nepericuloase pentru terenurile laterale.

La piciorul paramentului exterior al digurilor de contur sunt prevăzute contracanale sau rigolele. Acestea asigură evacuarea în râu a apelor provenite din infiltraţiile ce se produc prin corpul digurilor şi a apelor pluviale ce se scurg pe paramentul exterior, împiedicând astfel propagarea acestora spre zonele adiacente. Pentru a fi eficiente rigolele trebuie menţinute necolmatate printr-o întreţinere permanentă.

Umplutura din corpul digurilor se realizeză din materialele care provin din zonă, fiind în general alcătuite din balast şi nisip. Taluzul dinspre lac este protejat de regulă cu peree din dale de beton armat, iar taluzul exterior este în general înierbat.

1.2.1. Pilele şi culeele

Pilele şi culeele sunt principalele elemente structurale ce alcătuiesc

partea fixă. Pilele împart câmpul barat în deschideri deversante. Culeele asigură legătura cu celelalte structuri prezente în câmpul barat (ecluze, centrale

6 Stăvilare

hidroelectrice, diguri) sau realizează închiderea în versanţi. În prelungirea culeei de racord cu centrala se află zidul de separaţie dintre bazinul de disipare a energiei şi bazinul de liniştire al centralei. Pilele şi culeele au rolul de a asigura reazemul pentru stavile, batardouri, poduri de serviciu sau rutiere, echipamentele de acţionare a stavilelor, pentru camera de comandă şi de a transfera fundaţiei solicitările la care sunt supuse. Grosimea lor este dictată de tipul stavilelor utilizate şi de deschiderea câmpului deversant. Conturul în secţiune orizontală poate cuprinde nişele pentru batardouri sau stavile, ghidajele pentru stavile sau scuturi metalice, reprezentând piese metalice înglobate în beton. Din punct de vedere hidraulic nişele constitue un factor perturbator care afectează curgerea în dreptul pilelor şi care influenţează de asemenea manevrele de închidere şi sistemul de etanşare. De aceea dimensiunile acestor nişe trebuie să fie cât mai reduse. Lungimile pilelor şi culeelor depind de tipul de stavilă. Astfel în cazul stavilelor verticale lungimile sunt minime. În cazul stavilelor segment aceste lungimi depind de poziţia articulaţiei în raport cu cele două biefuri, în amonte sau aval. Forma şi configuraţia în plan a pilelor şi culeelor afectează capacitatea de descărcare şi performanţele unui baraj mobil. Pe lânga o forma statică corespunzătoare, pilele trebuie sa aibă şi o formă hidrodinamică. Alegerea profilului se face între forma rectangulară, cea mai simplă şi profilul hidrodinamic ce oferă rezistenţa minimă la curgere. În practică este frecvent adoptată forma circulară sau eliptică pentru capul amonte al pilei şi forma rectangulară pentru capul aval.

1.2.2. Pragul deversant şi lucrările de disipare a energiei

Structura fixă din beton este completată de pragul deversant care asigură şi etanşarea la partea inferioară a barajului. Pragul este o construcţie masivă din beton a cărei înălţime poate fi apropiată de nivelul albiei sau cu mult peste acesta. Principala funcţie din punct de vedere structural este cea de suport pentru stavile batardouri, fundaţie pentru pile şi culee în anumite configuraţii de alcătuire. Din punct de vedere hidraulic poate fi deversor cu profil practic sau deversor de tip prag lat. Lucrările de disipare a energiei se compun din: bazin disipator şi rizbermă. Bazinul disipator se poate realiza într-o singură treaptă sau în două trepte. Disipatoarele într-o singură treaptă, datorită adâncimii mari a bazinului impun coborârea cotei de fundare a radierului bazinului ceea ce conduce la volume suplimentare de excavaţii şi de beton.

Stăvilare 7

La noi în ţară, în cazul unor baraje mobile cu înălţimi de pânǎ la 35 m, având căderi de 10…25 m şi debite specifice de 50…80 m3/s fundate pe terenuri slabe, erodabile s-a adoptat soluţia de disipator cu două trepte. Avantajele acestei soluţii în comparaţie cu cea într-o singură treaptă sunt:

− costuri mai mici ca urmare a unor volume mai reduse de excavaţii şi betoane;

− asigurarea unei stabilităţi hidraulice mai bune în exploatare datorită înecării saltului în prima treaptă indiferent de condiţiile de conjugare cu bieful aval;

− realizarea unui salt-undă în cea de a doua treaptă de disipare şi înecarea lui chiar în condiţiile coborârii nivelului din aval;

− posibilitatea realizării după cea de a doua treaptă, a unui regim de suprafaţă, cu eroziuni reduse în aval de prag.

Radierul disipatorului trebuie să fie suficient de greu pentru a echilibra subpresiunea. Grosimea radierului poate varia între 2-5 m, în cazul terenurilor nestâncoase şi între 1-2 m în cazul terenurilor stâncoase. În zona de racord cu barajul grosimea radierului este mai mare iar în zona aval se prevede, de regulă, un pinten de încastrare. Pentru reducerea subpresiunii sub radierul disipatorului se prevăd drenuri. Radierul disipatorului se armează la faţa superioară şi se acoperă cu un strat de uzură de 15-25 cm. Disipatorul este separat de baraj printr-un rost care permite tasarea independentă a celor două construcţii. Lungimea bazinului de disipare este de ordinul zecilor de metri. În cele mai multe cazuri adâncimea bazinelor nu depăşeşte 5 m. Bazinele disipatoare sunt prevăzute de asemenea cu praguri terminale continue şi şicanate, de regulă de aceeaşi înălţime cu a dinţilor deflectori. Pragurile au rolul de a modifica distribuţia vitezelor pe verticală, reducând astfel acţiunea de eroziune a curentului în aval. Rizbermele se pot executa din anrocamente atunci când acestea se găsesc în zonă. Se utilizează de asemenea dale sau blocuri din beton dispuse pe un strat de filtru invers de 0,5 m grosime. Vitezele admisibile sunt cuprinse între 3,5 - 4 m/s, ajungând pâna la 6 m/s în cazul rizbermelor realizate din dale de beton. Pentru a preveni afuierile locale la capătul aval al rizbermelor se prevede o protecţie terminală realizată din palplanşe, pinteni de beton adânci, din masive de piatră spartă sau din fascine. O parte din elemente constructive descrise mai sus se regăsesc în exemplul prezentat în figura 4.6.

8 Stăvilare

Figura 4.6: Barajul Porţile de Fier II 1- avant radier; 2- zid de racord; 3 – galerie de injecţii şi drenaj; 4 – nişă batardou amonte;

5 – stavilă clapetă; 6 – stavilă segment; 7 - nişă batardou aval; 8 – radier; 9 - pilă; 10 – disipator; 11 - dinţi deflectori; 12 – rizbermă; 13 – strat filtrant; 14 - zid de gardă aval.

1.2.3. Numărul şi lungimea deschiderilor deversante

Numărul şi lungimea câmpurilor deversante se determină pe baza unor analize multicriteriale luînd în considerare impactul hidraulic, procesul de colmatare, tipul de stavilă şi echipamente de acţionare şi mentenanţa acestora.

Numărul deschiderilor depinde în primul rând de lăţimea barată a cursului de apă şi de lungimea aleasă pentru o deschidere deversantă. Mărimea deschiderii depinde de tipul de stavilă. Valorile maxime ale dimensiunilor sunt: înălţimea de 6-7 m şi lungimea de 30-35 m. Dimensiunile economice sunt practic apropiate de 15-20 m. Economicitatea stavilei este direct influenţată de raportul între dimensiuni sale: Hstavilă/Lstavilă. În cazul stavilelor segment unele studii au arătat că raportul optim tinde spre 1 sau chiar valori supraunitare. În cazul unor lungimi mari şi înălţimi mici se ajunge de multe ori la o folosire incompletă a materialului din grinzile principale. Pentru stavilele clapetă raportul optim este cuprins între 1/4...1/6. La stabilirea lungimii câmpului deversant trebuie ţinut cont şi de dimensiunile maxime ale batardoului, mentenanţa acestuia şi funcţionarea rapidă în cazuri de urgenţă. Se recomandǎ adoptarea a cel puţin 3 deschideri deversante pentru asigurarea condiţiilor de funcţionare în siguranţă.

Stăvilare 9

1.3. Etanşarea şi drenarea fundaţiilor

Ridicarea nivelului în amonte, favorizează infiltrarea apei prin straturile permeabile din fundaţia barajului. Aceste infiltraţii conduc la creşterea presiunii pe talpa barajului sau la baza straturilor impermeabile (de marnă) din fundaţie, precum şi la antrenarea particulelor fine din straturile nisipoase, punând în pericol siguranţa barajului. Pentru reducerea infiltraţiilor în fundaţie, la piciorul amonte al barajului se realizează un ecran de etanşare din beton care străbate straturile nisipoase şi se încastrează în roca de bază (figura 4.7, c). Acest ecran este dispus pe latura amonte a barajului şi se poate continua sub digurile laterale de pământ atunci când sunt prevăzute şi asemenea lucrări. Latura aval poate rǎmâne deschisă pentru a permite drenarea liberă a infiltraţiilor. Ca măsuri suplimentare de reducere a presiunii pe talpa barajului sau la baza straturilor de marnă din fundaţie, mai ales în cazul unor terenuri alcătuite din straturi nisipoase fără drenare liberă în aval, se prevăd drenuri verticale. Aceste drenuri verticale, dispuse pe şiruri paralele cu axul barajului, sunt realizate din tubaţii metalice perforate, protejate cu filtre inverse. Apele drenate sunt descărcate în galeriile de vizitare şi drenaj din corpul barajului, iar de aici sunt evacuate gravitaţional sau prin pompaj în aval de baraj. Drenurile sunt echipate cu robinete de descărcare şi manometre ce permit măsurarea debitelor drenate şi citirea presiunii apei din straturile de nisip. Pentru îmbunătăţirea stabilităţii la alunecare se aplică o serie de măsuri constructive precum: prevederea unor pinteni de încastrare în rocă, tratarea specială a suprafeţei de fundaţie, injecţii de legătură şi consolidare (figura 4.7, a, d). Injecţiile se realizează din galerii special prevăzute în corpul pragului.

Figura 4.7 Măsuri de etanşare a terenului de fundaţie

10 Stăvilare

1.4. Alcătuirea părţii fixe

Partea fixă a barajului se realizează din elemente sau unităţi structurale monolite, conectate între ele prin intermediul rosturilor şi care acţionează în ansamblu ca o structură continuă. Sursa discontinuităţilor într-o structură de beton masivă o reprezintă condiţiile de turnare a betonului, precum şi cerinţele de flexibilitate ale structurii. Configuraţiile structurale posibile ce depind de caracteristicile terenului de fundare sunt:

- sitemul cu radier general; - sistemul cu pile independente; - sistemul cu cuve; - sisteme mixte.

Câteva exemple ale acestor configuraţii sunt prezentate în figura 4.8.

Figura 4.8 Sisteme de alcătuire a părţii fixe

1.4.1. Sistemul cu radier general

Radierul general este alcătuit dintr-o placă de fundaţie, continuă de-a lungul întregului front de retenţie, în care sunt încastrare pilele (figura 4.8, a). De obicei în acest sistem pilele nu au fundaţii proprii. Ele trasmit încărcările la terenul de fundaţie prin intermediul radierului. Radierul lucrează practic ca o placă continuă pe toată ampriza barajului.

Stăvilare 11

Sistemul cu radier general impune ca săpăturile la fundaţie să se execute într-o singură etapă, iar betonarea să înceapă după terminarea tuturor săpăturilor. Aceasta conduce la realizarea unor incinte mari de lucru, la dificultăţi de deviere a apelor şi la un ritm susţinut de execuţie. Terenul de fundare trebuie să fie suficient de omogen în lungul axului barajului pentru ca eventualele tasări inegale să nu producă fisurarea radierului.

1.4.2. Sistemul cu pile independente

În acest sistem constructiv pilele sunt separate de radier prin rosturi permanente. Ele preiau încărcările datorate stavilelor, podurilor de la coronament şi mecanismelor de ridicare şi le transmit direct terenului de fundare (figura 4.8, b). Deoarece în acest sistem pilele preiau sarcini importante, fundaţiile lor se lărgesc şi se adâncesc faţă de restul barajului.

Pilele se dimensionează punând condiţia de stabilitate la alunecare în secţiunea de fundaţie şi verificându-se ca eforturile transmise terenului să fie mai mici decât cele admisibile. Pilele au o bună comportare la alunecare deoarece suma sarcinilor verticale provenite din greutatea proprie şi cea a echipamentelor este mai mare decât suma sarcinilor orizontale transmise de stavile şi de presiunea hidrostatică aferentă pilei. Rolul radierul la acest sistem constructiv este de etanşare a barajului la partea inferioară, de reazem pentru stavile şi de disipare a energiei apei deversate. Condiţia de stabilitate la alunecare a radierului este mai greu de îndeplinit deoarece subpresiunea apei acţionează pe o suprafaţă mare, iar presiunea hidrostatică are valori mari. Rosturile dintre pile şi radier trebuie să asigure tasarea independentă a acestor elemente. La lucrări importante rosturile se etanşează. Pentru îmbunătăţirea conlucrării între radier şi pile se pot adopta diferite măsuri constructive precum: realizarea unui rost şicanat între pilǎ şi radier, sau articularea cu fundaţia pilei prin intermediul mustăţilor de armătură. Acest sistem are urmǎtoarele avantaje:

- permite etapizarea lucrărilor, simplificând astfel problema devierii apelor;

- permite alegerea oricărui sistem de lucru şi executarea simultană a lucrărilor de excavaţii, betonare şi montaj la deschideri diferite ale barajului;

- momentele încovoietoare în radier fiind mici şi pilele fiind solicitate în special la compresiune, rezultă economii prin reducerea cantităţii de armătură.

12 Stăvilare

Datorită încărcărilor mari preluate de pile, fundaţiile acestora trebuie adâncite şi lărgite astfel încât eforturile unitare transmise terenului să fie mai mici decât cele admisibie. În cazul terenurilor neomogene, tasarea neuniformă a pilelor poate provoca blocarea stavilelor prin deformarea geometriei, punînd astfel în pericol siguranţa barajului. Toate aceste aspecte constituie principalele dezavantaje ale sistemului cu pile independente.

1.4.3. Sistemul cu cuve

La acest sistem pilele sunt secţionate de rosturi în lungul lor. În acest mod fiecare deschidere lucrează independent, placa radierului (sau pragul deversor) şi două semipile adiacente alcǎtuind un sistem monolit sub forma unei cuve (figura 4.8, c). Sistemul se poate aplica în cazul terenurilor de fundaţie compresibile şi neomogene, pentru care sistemul cu pile independente poate conduce la dificultăţi în exploatarea barajului din cauza tasărilor mari şi inegale dintre pile şi radier.

În unele cazuri rosturile de tasare pot fi practicate din douǎ în douǎ sau din trei în trei pile, sistem care permite o adaptare mai bunǎ a construcţiei la terenurile cu structură geologică neomogenă. Sistemul cu cuve are urmǎtoarele avantaje:

– reduce valoarea presiunilor pe teren prin mărirea suprafeţei de rezemare, conducând astfel la micşorarea tasărilor;

– elimină efectele defavorabile ale tasărilor inegale; – pilele nu au fundaţii proprii şi de aceea adâncimea lor de fundare este

mai mică; – permite execuţia etapizată a lucrării.

Sistemul cu cuve are urmatoarele dezavantaje: – necesită armarea pilelor şi a radierelor; – grosimea totalǎ a semipilelor creşte în detrimentul secţiunii de

curgere, deoarece grosime minimă a unei semipile este limitată din considerente constructive, de prezenţa nişelor.

1.4.4. Sistemele combinate

Soluţia cu cuve poate fi aplicatǎ în combinaţie cu un radier independent (figura 4.8, d) sau cu un deversor independent, alcǎtuind astfel un sistem combinat. Acest sistem constructiv îmbină avantajele sistemelor descrise mai sus.

Stăvilare 13

1.5. Stavile

1.5.1. Clasificarea stavilelor

Stavilele pot fi clasificate după numeroase criterii. În funcţie de orificiile pe care le comandă pot exista:

− stavile de suprafaţă, care comandă închiderea părţilor deversante; − stavile de adâncime sau vane, care comandă închiderea orificiilor de

adâncime. Dupa destinaţia lor stavilele pot fi:

− stavile principale de serviciu; − stavile de reparaţii şi de avarii care dublează stavilele principale.

După forma şi alcătuirea constructivă se deosebesc: − stavile plane; − stavile segment; − stavile cilindrice; − stavile sector; − stavile clapete; − stavile ferme hidraulice; − alte tipuri mai puţin uzuale.

După modul de transmitere a împingerilor către partea fixă din beton a barajului stavilele se pot clasifica în:

− stavile ce transmit împingerea din presiunea hidrostatică pilelor şi culeelor, lucrând ca o grindǎ simplu rezemată;

− stavile ce transmit împingerea din presiunea hidrostatică corpului deversant (radierului), lucrând ca o grindǎ în consolă.

Pentru fiecare dintre cele două categorii, stavilele diferă şi după modul lor de mişcare şi anume: cu mişcare de translaţie, cu mişcare de rotaţie, cu mişcare de rostogolire, stavile plutitoare sau combinate.

După modul de acţionare stavilele pot fi: − acţionate manual (stavile plane de lemn, sau metalice, de dimensiuni

mici); − acţionate mecanic (majoritatea stavilelor); − acţionate hidraulic (sector, clapete, ferme hidraulice).

1.5.2. Condiţii de exploatare

Stavilele unui baraj trebuie să asigure funcţiile descrise mai sus, atât în condiţii normale de exploatare cât şi în condiţii speciale. Reglarea nivelului apei şi evacuarea apelor mari, se realizează prin

14 Stăvilare

deschiderea gradualǎ a stavilelor. La stavilele de tip ridicător scurgerea apei se face pe sub corpul lor, iar la cele de tip coborâtor prin deversare. Manevrarea stavilelor poate fi uşurată dacă sunt prevăzute două componente, puse în mişcare în mod independent. Astfel de configuraţii de stavile compuse sau stavile duble pot fi formate din stavile plane sau segment. Ele asigurǎ evacuarea apei atât pe la partea superioară cât şi pe la partea inferioarǎ. Stavilele manevrate prin ridicare sunt prevăzute de obicei la partea superioară cu clapete, care permit reglarea fină a nivelului şi evacuarea plutitorilor. În cazul stavilelor clapetă, o atenţie deosebită trebuie acordată pericolului vibraţiilor în timpul deversării. Evitarea acestui fenomen se poate face prin aerarea spaţiului de sub lama deversantă cu ajutorul conductelor de aerisire amplasate în pile, sau prin fragmentarea lamei deversante cu ajutorul unor profile speciale, prevǎzute pe creasta clapetei (Figura 4.9).

Figura 4.9 Aerarea spaţiului de sub lama deversantă la o stavilă clapetă (2)

Evacuarea gheţurilor şi a corpurilor plutitoare (buşteni, crengi, etc.) se realizează în condiţii mai uşoare la stavilele de tip coborâtor, la care se poate crea o lamă deversantă de grosime corespunzătoare. La stavilele de tip ridicător este necesară eliberarea întregii deschideri prin ridicarea completă a stavilei, situaţie care conduce la importante pierderi de apă. Evacuarea aluviunilor şi a corpurilor târâte pe fund se face mai uşor în cazul echipării cu stavile ridicătoare, doar prin deschiderea lor parţială. Manevrarea stavilelor coborâtoare poate fi afectată de aluviunile care pătrund în nişele din radier sau în spaţiile situate între stavile şi pile. Ca urmare, echiparea cu stavile coborâtoare este recomandată în cazul barajelor cu praguri înalte, la care posibilitatea de pătrundere a aluviunilor este mai redusǎ. Pentru asigurarea etanşeitǎţii barajului, stavilele nu trebuie să permită scurgeri de apă pe conturul lor, nici la fund (la contactul cu radierul) şi nici lateral (la contactul cu pilele sau culeele). Pentru a fi eficace, sistemul de etanşare trebuie să fie simplu, rezistent, neafectat de variaţiile de temperatură şi umiditate şi uşor de înlocuit.

Stăvilare 15

În Figura 4.10 sunt ilustrate diverse faze de manevrare a stavilelor în funcţie de debit şi de condiţiile de exploatare, la un baraj mobil de pe Meusa superioară (Belgia).

Figura 4.10 Noul baraj pentru navigaţie de pe Meusa superioară (Belgia): a – stavila clapetă în poziţie uşor coborâtă la debite mici; b – stavila clapetă în poziţie complet coborâtă la evacuarea

debitelor principale; c – deschiderea totală a stavilelor segment şi clapetă la ape mari (1).

a)

b)

c)

16 Stăvilare

Durata de viaţa a echipamentelor hidromecanice fiind mai mică decât a barajului din beton, ele vor fi supuse unui control periodic şi întreţinute şi reparate atunci când este cazul. În timpul reviziilor sau reparaţiilor deschiderile respective sunt puse la uscat prin lansarea batardourilor amonte şi aval. Pentru situaţia în care alimentarea cu energie electrică curentă a mecanismelor de manevră ar fi întreruptă din diverse motive, este prevăzută o a două sursă de energie, de obicei motor termic situat în apropiere. La stavilele mai puţin importante în locul acestei surse de rezervă se poate adopta un sistem de acţionare manual, care însă este mai lent si de aceea mai puţin prompt. Funcţionarea pe timp de iarnă trebuie asigurată prin măsuri speciale de evitare a blocării stavilelor prin îngheţare. Aceste măsuri constau în încălzirea stavilelor, agitarea apei cu aer comprimat în amonte de stavile, spargerea gheţii ş.a.

1.5.3. Tipuri de stavile

1.5.3.1.Stavile segment

Stavila segment este alcătuită dintr-un panou metalic de formă circulară (segment de cilindru) rigidizat, susţinut la extremităţi de braţe metalice ce rotesc în jurul unui ax orizontal prin intermediul unor articulaţii înglobate în corpul pilelor (figura 4.11). Rezultanta din presiunea exercitată de apă asupra suprafeţelor amonte şi aval este orientată către centrul cercului, manevrarea stavilei depinzând doar de greutatea ei. Poziţia articulaţiei trebuie astfel aleasă încât să se afle mereu deasupra nivelului maxim al apei. Stavilele segment sunt cel mai răspândit tip de stavilă ce echipează barajele mobile pentru navigaţie, datorită simplităţii structurale, greutăţii relativ reduse şi necesităţii unor echipamente de acţionare de capacitate redusă. Sunt de altfel şi cel mai economic tip de stavilă. Un alt avantaj îl reprezintǎ timpul de manevră foarte mic. În funcţie de poziţia pe care o are faţă de bieful amonte stavila segment poate fi normalǎ sau inversǎ. Stavilele segment inverse (figura 4.12) pot fi întâlnite în special la baraje din Europa. Principalul avantaj este acela că sub acţiunea presiunii hidrostatice braţele sunt supuse la întindere, inducând astfel o solicitare de compresiune în pile. Principalele dezavantaje constau în lungimea mare a pilei, poziţia înecată a articulaţiei şi dificultăţile legate de evacuarea gheţii şi plutitorilor.

Stăvilare 17

Figura 4.11 Stavilă segment normală (2)

Figura 4.12 Stavilă segment inversă (2)

Echipamentele de acţionare a stavilelor sunt amplasate pe pile şi pot fi de tip mecanic sau hidraulic. Acţionarea mecanică a stavilelor se poate face prin intermediul tijelor, sau a lanţurilor Gall. În cazul echipamentelor hidromecanice sunt folosite servomotoare acţionate de ulei sub presiune. Principalul dezavantaj îl reprezintǎ necesitatea unor pile de dimensiuni mari.

18 Stăvilare

1.5.3.2. Stavile plane

Stavilele plane sunt alcătuite din panouri metalice rigidizate ce se deplasează vertical în nişele prevǎzute în corpul pilelor. Panourile sunt montate pe role ce permit deplasare sub apă. Acţiunea apei este transmisă pilelor. Acţionare stavilei se face cu echipamente mecanice prin intermediul lanţurilor sau cablurilor, prinse la ambele capete. Principalul dezavantaj al acestui tip de stavilă îl constitue înălţimea mare a pilei, ce rezultǎ din condiţia de asigurare a ridicǎrii complete a stavilei deasupra nivelului apei. Pentru a permite evacuarea plutitorilor fără pierderi mari de apă, se folosesc stavile duble alcătuite din două stavile independente. Există diferite tipuri de stavile plane duble. Stavila dublă cârlig (figura 4.13) la care stavila superioară are forma unui cârlig, este utilizată pentru înălţimi de retenţie mari. Acest tip de stavilă este avantajos atât din punct de vedere static prin îmbunătăţirea condiţiilor de rezemare a stavilei superioare pe cea inferioară, cât şi hidraulic datorită profilării hidraulice pentru deversare a elementului cârlig. Stavila dublă cârlig a fost folosită la noi în ţară la echiparea barajului Porţile de Fier I.

Figura 4.13 Stavilă plană dublă cârlig (2)

Stăvilare 19

1.5.3.3.Stavile cilindrice

Stavila cilindrică este alcătuită dintr-un corp cilindric confecţionat dintr-o tolă metalică rigidizată la interior prin cadre transversale şi rezemat la cele două extremităţi (figura 4.14). Mişcarea stavilei se face prin rostogolire pe cremaliere montate în nişele din pile.

Figura 4.14 Stavilă cilindrică

Datorită rezistenţei mari la torsiune acţionarea se poate face de la un singur capăt pentru stavile cu o deschidere până în 20 m. Peste această dimensiune acţionarea se face de la ambele extremităţi. Stavilele cilindrice au avantajul unei rigidităţi mult mai mari decăt a celorlalte tipuri de stavile şi de aceea pot fi folosite la deschideri mari, de ordinul a 50 m. Greutatea mare, montajul dificil şi imposibilitatea automatizării sunt principalele dezavantaje ale acestui tip de stavilă.

1.5.3.4.Stavile clapetă

Stavila clapetă este constituită dintr-un panou metalic drept sau curb articulat la partea inferioară în radier. În poziţie coborâtă creează un profil deversant. Acest tip de stavilă poate fi folosit în echiparea deschiderilor navigabile. În funcţie de modul de transmitere a încărcărilor exterioare prin corpul stavilei există:

20 Stăvilare

- clapete plane; - clapete cu tub de rigidizare, rezistent la torsiune; - clapete dublu bordate cu manta amonte şi aval, rigidizate sub formă de

burtă de peşte.

Figura 4.15 Stavilă clapetă cu acţionare mecanică (lanţ Gall)

Manevrarea stavilelor se poate face cu echipamente mecanice sau hidraulice. Clapetele pot fi echilibrate sau neechilibrate după cum momentul dat de greutatea şi presiunea apei este sau nu echilibrat. Acţionarea mecanică a stavilelor clapetă se poate face mecanic prin lanţuri Gall (figura 4.15), prin tije cu bolţuri, sau hidraulic cu cilindru servomotor (figura 4.16). Prinderea stavilei se poate face la un sigur capăt sau la ambele capete (figura 4.17). 1.5.3.5. Stavile ridicătoare

Cunoscută sub denumirea de wicket gate în engleză sau vanne à hausse în franceză, stavila ridicătoare este folosită de peste 100 de ani în echiparea barajelor navigabile. Stavila este alcătuită din panouri metalice sau din lemn de

Stăvilare 21

Figura 4.16 Stavilă clapetă acţionată hidraulic

Figura 4.17 Stavile clapetă la barajul pentru navigaţie Bremen de pe râul Weser (Germania)

22 Stăvilare

1-3 m lungime, ce barează cursul de apă pe toată înălţimea lor. Panourile sunt articulate la partea inferioară de radier (figura 4.18). Acest tip de stavilǎ poate fi utilizat şi pentru echiparea deschiderile nenavigabile. Coborârea stavilei se face cu ajutorul unei prese hidraulice sau cric, prin aplicarea unei forţe la faţa amonte, sau prin alte mijloace mecanice. Stavila poate fi menţinută în poziţia ridicată prin intermediul unui arc de susţinere, ce permite astfel retragerea cilindrului şi acţionarea lui doar în timpul manevrelor. La acest tip de stavilă se remarcă absenţa pilelor. Principalul dezavantaj îl constitue dificultăţile de întreţinere a echipamentelor.

Figura 4.18 Stavilă ridicătoare (2)

1.5.3.6. Stavile ferme hidraulice

Stavilele de tip ferme hidraulice sunt alcătuite din două panouri articulate în radier. În poziţie ridicată cele două elemente alcătuiesc un acoperiş iar în poziţie coborâtă sunt adăpostite într-o cameră de echilibru special realizată în corpul radierului (figura 4.19). Manevrarea stavilei se face hidraulic, prin reglarea nivelului apei în camera de echilibru. Alimentarea cu apă şi evacuarea apei din cameră se realizeză prin intermediul a două galerii ce comunică cu amontele şi respectiv avalul şi care sunt echipate cu vane.

Stăvilare 23

Există două tipuri principale de stavile fermă hidraulică: - ferme tip capcană de urs sau americane; - ferme tip acoperiş sau europene.

În cazul fermei de tip capcană de urs unghiul dintre cele două panouri este în general de 110°. Mişcarea se face prin alunecarea clapetei aval pe clapeta amonte prin intermediul unei role. La ferma tip acoperiş unghiul dintre cele două panouri este de 90° datorită prelungirii clapetei amonte. Avantajul acestui tip de stavilă în raport cu cel de tip capcană de urs este dat de sensibilitatea hidraulică mai mare.

Principalul dezavantaj îl reprezintă necesitatea unei camere de echilibru mult mai adînci în radier. Un alt dezavantaj al stavilelor de tip fermă hidraulică este dat de pătrunderea aluviunilor sub cele două stavile, care impiedicǎ coborârea sau ridicrea completǎ.

Figura 4.19 Stavilă fermă hidraulică (2)

1.5.3.7. Stavile sector

Stavila sector are forma unui sector de cerc şi este adăpostită în poziţie coborâtă într-o cameră de echilibru prevǎzută în radierul barajului (figura 4.20). Manevrarea stavilei se face hidraulic prin presiunea apei ce pătrunde în cameră. Forţa de ridicare poate fi suplimentată prin ataşarea unor flotori sau utilizarea unor cilindri hidraulici.

Stavila poate fi închisă doar pe două dintre cele trei feţe (stavilă înecată), sau pe toate cele trei feţe (stavilǎ plutitoare). Există şi stavile semiînecate la

24 Stăvilare

care faţa aval este parţial etanşă, apa putând pătrunde în interiorul stavilei în timpul deversării. Stavilele sector sunt stavile de tip coborâtor cu axa de rotaţie amplasată în amonte sau în aval.

Figura 4.20 Stavilă sector (2)

Avantajele acestui tip de stavilǎ în raport cu celelalte sunt următoarele: funcţionarea automată; construcţia simplă şi robustă; evacuarea cu uşurinţă a gheţurilor şi plutitorilor; mult mai economicǎ în cazul deschiderilor foarte mari. Dezavantajele constau în: necesitatea realizării unor fundaţii importante, datorită dimensiunilor mari ale camerei de echilibru; pericolul colmatării camerei; dificultăţi de montaj; probleme de funcţionare la îngheţ. 1.5.3.8. Stavile în arc

Stavile în arc de tip vizieră special concepute pentru echiparea a trei baraje mobile, construite pe Rin în Olanda în anii 60, reprezintă şi azi o soluţie novatoare (figura 4.21). Barajele fac parte dintr-un amplu proiect de canalizare a fluviului care include de asemenea ecluze navigabile. Denumirea de vizieră provine de la asemănarea cu viziera unui coif de cavaler, atât ca formă cât şi ca mod de funcţionare. Regularizarea debitelor este realizată prin controlul deschiderii acestor stavile, precum şi prin intermediul unor vane cilindrice situate în pila centrală. Lungimea câmpurilor controlate de aceste stavile este de 54 m. Stavilele

Stăvilare 25

rămân în poziţia ridicată câteva săptămâni în timpul iernii pentru evacuarea rapidă a zăpezii topite. În această poziţie stavila este înclinată la un unghi de 60° faţă de nivelul apei. În poziţie coborâtă, ce corespunde stării curente de exploatare, este lǎsat un spaţiu doar de câţiva centimetri faţă de cota superioară a pragului.

Figura 4.21 Stavile în arc de tip vizieră la barajul Hagestein de pe Rin (Olanda)

1.5.3.9. Stavile gonflabile

Stavila gonflabilă se referă la o structură elastică închisă, sub forma unei anvelope cilindrice orizontale, fixată etanş pe o fundaţie din beton. Structura elastică este realizată dintr-o membrană de cauciuc armat cu ţesătură textilă, capabilă să preia eforturile provenite atât de la presiunea realizată artificial în interior, cât şi de la presiunea hidrostatică exercitată pe suprafaţa exterioară. Prin introducerea aerului în interiorul anvelopei, aceasta îşi măreşte volumul şi barează secţiunea de curgere a apei, astfel încât se poate realiza o acumulare de apă sau o creştere a nivelului în bieful amonte. Anvelopa elastică se fixează cu buloane (Figurile 4.22, 4.23) pe un radier de beton amplasat la cota albiei. Sistemul de fixare pe radier permite realizarea unor deschideri foarte mari, de ordinul zecilor de metri. Cea mai mare deschidere cunoscută măsoară 135 m. Lungimea acestor deschideri este limitată în practică de o serie de factori precum: condiţiile de fabricaţie, de transport, punere în operă, sitemul de umflare şi dezumflare, posibilităţile de aerare a lamei deversante şi de înlocuire a anvelopei în cazul deteriorării.

26 Stăvilare

Figura 4.22 Stavilă gonflabilă (2)

Înălţimile uzuale sunt cuprinse între 1,50 – 3,00 m, chiar dacă există şi baraje cu înălţimi de 6 m. În imaginile din figura 4.23 sunt prezentate secvenţele de montare a anvelopei.

Figura 4.23 Secvenţe ale montării anvelopei Anvelopele pot fi umflate cu aer sau cu apă (figura 4.24). Primele baraje gonflabile foloseau apa, a cărei masă asigura stabilitatea la deversare. În prezent este tot mai utilizat sistemul cu aer datorită simplităţii. În radierul de beton se amplasează circuitul de ţevi care permite introducerea aerului sub presiune în interiorul camerei elastice de la suflantele amplasate într-o cameră situată pe malul apei. Prin umflare, camera asigură retenţia apei între cota radierului şi cota superioară realizată de cameră în stare umflată.

Stăvilare 27

Figura 4.24 Sisteme de umplere a anvelopei (9)

În ambele cazuri, cu apǎ sau aer, controlul nivelului amonte se realizeazǎ cu ajutorul unor captori de nivel legaţi la pompe şi vane, ce permit umflarea sau dezumflarea automată a anvelopei. Realizarea barajelor gonflabile este în general rapidă şi fără dificultăţi tehnologice deosebite. Durata cea mai lungă de execuţie o reprezintă pregătirea radierului din beton. Dintre cele mai importante avantaje pot fi enumerate:

- costul global mic al lucrării; - durata de execuţie redusă; - securitatea sistemului din punct de vedere al manevrării în condiţii

de viitură este superioară sistemului cu elemente metalice; - timpul de manevră scurt; - uşor de pus în operă şi adaptabilă la lucrări existente; - anvelopa nu este sensibilă la coroziune sau poluare; - se adaptează uşor la deformaţiile din fundaţie sau la eforturile

datorate gheţii. Principalele dezavantaje sunt:

- fragilitatea anvelopei la abraziune şi contact cu betonul; - vulnerabilitatea la actele de vandalism; - durata de viaţă limitată, între 20 şi 40 de ani; - instabilitatea lamei de apă în timpul deversării, fenomen cu atât

mai accentuat cu cât înǎlţimea lamei este mai mare.

28 Stăvilare

1.5.3.10. Stavile clapetă acţionate pneumatic - Obermayer

Acest tip stavilǎ este alcătuit din panouri metalice articulate în radier, acţionate pneumatic prin intermediul unor saci sau anvelope gonflabile amplasate sub ele (figurile 4.25, 4.26). Umflarea anvelopelor se face cu aer. Nivelul amonte este menţinut cu precizie prin controlul presiunii aerului din anvelope.

Figura 4.25 Principiul de funcţionare a stavilei Obermayer (10)

Figura 4.26 Poziţiile stavilei Obermayer (1)

Concepţia modulară simplifică atât instalarea cât şi întreţinerea stavilelor înlăturând totodată necesitatea pilelor intermediare. Un alt avantaj al acestui sistem de alcătuire este acela că în cazul unei avarii trebuie înlocuit doar modulul avariat şi nu întreg câmpul de stavile. Spre deosebire de stavilele cu tub de torsiune stavilele Obermayer reazemă pe întreaga deschidere pe anvelopele gonflabile ceea ce conduce la o simplificare a fundaţiei şi o

Stăvilare 29

eficientizare a întregii structuri. Profilul zvelt permite evacurea cu uşurinţă a plutitorilor. Spre deosebire de stavilele gonflabile clasice, în cazul stavilelor Obermayer panourile metalice constituie un mijloc de protecţie suplimentar al anvelopelor împotriva acţiunii distructive a gheţii sau a altor plutitori. Lăţimile uzuale ale panourilor metalice şi anvelopelor aferente sunt cuprinse între 1,5 – 3 m pentru înǎlţimi până la 2 m. Pentru înălţimi mai mari care pot ajunge până la maximum 10 m, dimensiunile variază în limita unui raport subunitar între înălţime şi lăţime. Spaţiul între panourile învecinate este acoperit prin intermediul unor garnituri de etanşare armate, fixate pe marginile panourilor. O garnitură de etanşare specială cu frecare scăzută este prevăzută de asemenea la marginea panourilor dinspre culei. În zonele cu climat rece panourile metalice sunt prevăzute cu instalaţii de încălzire pentru a împiedica formarea gheţii. Panourile metalice sunt realizate din oţel de înalţă rezistenţă, protejat împotriva coroziunii. Anvelopele gonflabile sunt realizate din cauciuc protejat cu straturi rezistente la îmbătrânire şi agenţii atmosferici. Stavilele pot fi adaptate la orice formă de deversor, oferind o soluţie eficientă în reabilitarea vechilor baraje.

Figura 4.27 Barajul Sinnissippi (Statele Unite) (1)

În figura 4.27 este ilustrat un exemplu de aplicare a acestui tip de stavilă la barajul Sinnissippi, situat pe Rock River în Illinois Statele Unite, construit între anii 2000-2002. Barajul Sinnissippi înlocuieşte un vechi baraj realizat la începutul secolului XIX în amonte de actualul amplasament. Principalele folosinţe deservite sunt: navigaţia prin asigurarea unei adâncimi corespunzătoare în amonte, derivarea apelor în canalul Illinois-Mississippi şi cea energetică. Barajul este prevăzut cu un deversor convenţional cu o lungime

30 Stăvilare

de 168 m, şi 7 deschideri echipate cu stavile de tip Obermayer cu o lungime totală de 176 m. Înălţimea maximă a coloanei de apă creatǎ în amonte, măsurată la cota crestei stavilei în poziţie ridicată, este de 3,2 m. Fiecare stavilă este compusă din trei arce cilindrice articulate ce alcătuiesc un sistem static determinat care nu este vulnerabil la eventuale tasări diferenţiate ale fundaţiei. Forma asigură de asemenea o bună preluare a presiunii hidrostatice fără momente încovoietoare.

1.6. Elemente de calcul hidraulic

În funcţie de parametrii locali ai curgerii, barajul poate funcţiona în regim neînecat sau înecat (figura 4.28).

Figura 4.28 Regimul de curgere (2)

Curgerea în regim neînecat corespunde unei diferenţe de nivel pronunţate între bieful amonte şi bieful aval, şi unei disipări importante a energiei apei în aval de baraj. Curgerea se caracterizează prin formarea saltului hidraulic în bieful aval. În regim neînecat nivelurile amonte şi aval sunt independente, ceea

Stăvilare 31

ce înseamnă că o modificare a nivelului în aval pentru un debit dat, nu va influenţa nivelul din amonte. Regimul de curgere înecat corespunde unei uşoare denivelări între cele două biefuri amonte şi aval având ca rezultat o accelerare a curgerii în vecinătatea cotei de deversare (CS), care produce o coborâre a nivelului şi apoi o decelerare în aval de stavilă conducând la o creşterea a nivelului aval. Barajul se comportă ca un obstacol de mică înălţime nivelurile amonte şi aval fiind dependente între ele, pentru un debit dat o modificare a nivelului din aval fiind resimţită în amonte. Pentru o lăţime deversantă dată, parametrii determinanţi pentru modul de funcţionare a lucrării sunt: debitul Q, nivelul aval Nav, cota de deversare, corespunzătoare în exemplul din figură cotei crestei stavilei şi lungimea câmpului deversant B. Din punct de vedere teoretic, trecerea de la regimul înecat la cel neînecat se poate produce în următoarele situaţii:

- creşterea cotei de deversare CS, de exemplu prin ridicarea clapetei; - reducerea lăţimii câmpului deversant, de exemplu prin blocarea

unei stavile în poziţia închisă; - coborârea nivelului aval, de exemplu ca urmare a efectului de

eroziune regresivă a albiei. În general barajele mobile funcţionează în regim neînecat atunci când nivelul amonte este controlat prin deschideri parţiale ale stavilelor şi în regim înecat în timpul viiturilor atunci când câmpurile deversante sunt complet deschise. În marea majoritate a cazurilor, nu este posibilă dimensionarea lucrării din punct de vedere hidraulic astfel încât să funcţioneze doar în regim înecat, deoarece acest lucru ar conduce fie la o lungime prea mare a câmpului deversant fie la o cotă de deversare incompatibilă cu nivelurile admise în aval.

1.6.1. Dimensionarea câmpului deversant

Curgerea în regim neînecat va fi luată în considerare la dimensionarea bazinului disipator, iar cea în regim înecat la dimensionarea protecţiei aval. Lungimea totală a câmpului deversant poate fi definită pe baza notaţiilor din figura 4.29 astfel:

bnB ××= ε unde: n = numărul câmpurilor deversante; ε = coeficient de contracţie laterală a lamei deversante;

32 Stăvilare

b = lungimea unui singur câmp deversant.

Figura 4.29 Lungimea câmpului deversant Pierderi de sarcină locale

Pentru un debit dat parametrii fizici ce determină pierderea de sarcină sunt:

- coeficientul de debit notat cu m care depinde de poziţia şi forma geometrică a stavilelor:

- pentru un baraj deversat la partea superioară, clapeta în poziţie ridicată se comportă ca un deversor cu perete subţire, în timp ce în poziţie coborâtă condiţiile de deversare corespund unui deversor cu perete gros sau prag lat;

- pentru un baraj cu evacuare pe la partea inferioară (de exemplu în cazul echipării cu vane sector), coeficientul de debit va depinde de grosimea vânei de apă;

- lungimea câmpului deversant notată cu B; - cota pragului CP; - forma hidraulică a pilelor şi culeelor (ce condiţioneazǎ

desprinderea lamei deversante); - condiţiile de curgere amonte – unghiul de incidenţă al direcţiei

curentului în raport cu axa barajului. Limita între deversorul de tip perete subţire şi cel cu perete gros nu este întotdeauna clar definită. De aceea aplicarea nepotrivită a relaţiilor de calcul poate conduce la rezultate eronate. Este cazul, de exemplu, al stavilelor clapetă în poziţie ridicată, intermediară sau coborâtă.

Stăvilare 33

Pentru un deversor cu perete gros se consideră în mod obişnuit că va rămâne în regim neînecat atât timp cât Hav/Ham < α, unde α poate lua valori între 0,66...0,82. Pentru deversoarele cu perete subţire, uzual se consideră că deversorul este neînecat dacă hc < 0. Pierderea de sarcină în timpul viiturii este de asemenea un element important în dimensionarea lucrării. Pentru o predimensionare hidraulică rapidă sunt date în continuare câteva relaţii de calcul, în care se notează sarcina amonte cu Ham iar cea aval cu Hav. Calculate în raport cu cota de deversare sarcina are expresia:

g

vhH amam 2

21+=

unde: cu h s-a notat adâncimea apei în amonte respectiv aval iar cu v1 s-a notat viteza curentului în amonte, respectiv în aval. Deversoare cu curgere neînecată

Relaţia de dimensionare pentru deversorul dreptunghiular cu perete subţire este:

2/32 amHgmBQ =

unde coeficientul de debit m are valoarea 0,43 fără contracţie laterală a lamei deversante şi 0,40 în cazul contracţiei laterale a lamei deversante. Pentru deversoare cu perete gros dreptunghiulare, cu muchii vii, se poate obţine o bună aproximare a debitului pentru m = 0,385. În cazul deversoarelor cu profil rotunjit valoarea lui m se poate calcula cu următoarea relaţie, valabilă pentru Ham/r < 3, unde r este raza profilului crestei deversorului:

( ) ( )2/01.0/085.0385.0 rHrHm amam −+= Deversoare cu curgere înecată

Notând cu Qn debitul în regim neînecat cu Qi debitul în regim înecat se defineşte coeficientul de reducere Qn/ Qi cu formula lui de Villemonte (2):

34 Stăvilare

385.0

1

−=

n

am

c

i

n

h

h

Q

QK

unde: n = 1,45 în cazul unui deversor fără contracţie laterală a lamei deversante (L = B); n = 1.50 în cazul unui deversor cu contracţie laterală a lamei deversante (L < B).

În cazul deversorului cu perete gros se poate utiliza expresia:

( )( ) 2/12ghhCBhQ camc −= unde: C este un coeficient ce variază în funcţie de forma deversorului putând lua valori cuprinse între între 0.5 şi 1 (valori furnizate de abace, în general destul de apropiate de 1). Pentru barajele având câmpurile deversante complet deschise, cu curgere înecată, se poate utiliza formula lui De Marchi (2):

( )( ) 2/12ghHnBhQ camc −= cu n = 0,92. Această formulă neglijează efectele vitezelor în aval de baraj presupunându-se ca şi în cazurile precedente că întreaga energie cinetică se pierde în aval. Cazul vanelor de fund

Vane plane

În general curgerea neînectă în acest caz este similară cu curgerea prin orificii, relaţia de calcul pentru debit având forma:

2/1)2( gHmBeQ = unde H reprezintă sarcina pe vană iar e deschiderea. Neglijând contracţia de fund şi cea laterală putem aplica formulele lui Poncelet pentru calculul coeficientului m

(2): - m = 0,70 pentru vană verticală; - m = 0,74 pentru vană cu înclinaţia de 2:1;

Stăvilare 35

- m = 0,70 pentru vană cu înclinaţia de 1:1. Pentru curgere înecată debitul poate fi calculat într-o primă aproximaţie cu formula:

( )( ) 2/12ghHBeQ av−= Vane sector

În cazul unei vane sector situate la nivelul patului albiei pentru curgerea neînecată relaţia de calcul a debitului are forma:

( ) 2/10 2 amghBeCQ =

C0 se poate exprima în funcţie de coeficientul de contracţie sub vană δ astfel:

amh

eC

δ

δ

+

=

10

Coeficientul δ poate fi calculat cu formula lui Henderson (1):

2

9036.0

9075.01

+

−=

oo

θθδ

unde θ este unghiul făcut de tagenta la parte inferioară a stavilei cu orizontala. Pentru curgerea înecată se poate aplica într-o primă aproximare o relaţie de tip analog celei din cazul vanei plane.

1.7. Elemente de calcul structural

1.7.1. Evaluarea încărcărilor ce acţionează asupra barajelor mobile

Încărcările ce acţionează asupra barajelor mobile (figura 4.30) sunt:

– greutatea proprie G ce include greutatea pilelor, radierului, stavilelor, podului şi a celorlalte echipamente mecanice;

– presiunea hidrostatică orizontală Ph şi verticală Pv; – subpresiunea statică Ss şi dinamică Sd; – presiunea gheţii Hg;

36 Stăvilare

– presiunea aluviunilor Pal şi împingerea pământului amonte Eam şi aval Eav;

– presiunea valurilor W; – încărcările din cutremur - componenta inerţiala Cg şi cea

hidrodinamică Ca; – încărcări datorate variaţiilor de temperatură; – acţiunea vântului; – forţele provocate de tracţiune sau frânare pe căile de rulare.

În funcţie de importanţa lor şi de frecvenţa cu care apar aceste încărcări se grupează în încărcări fundamentale şi încărcări extraordinare.

Figura 4.30 Încarcări ce acţionează asupra barajului

1.7.2. Ipoteze de calcul

Încărcările descrise mai sus pot fi grupate în următoarele ipoteze de calcul:

– ipoteza de construcţie în care se consideră încărcările verticale provenite din greutatea proprie;

– ipoteza de exploatare normală: toate câmpurile sunt închise de stavile; în bieful amonte nivel normal de retenţie, în bieful aval nivel minim; se fac verificări şi pentru nivelul critic cuprins între cel maxim şi cel minim, pentru care coeficientul de stabilitate la alunecare este minim;

– ipoteza de reparaţie: un câmp este închis cu batardourile de intervenţie în timp ce câmpul vecin deversează;

– ipoteza de regim catastrofal sau evacuarea unei viituri maxime care înseamnă că toate câmpurile sunt deschise, nivelurile amonte şi aval

Stăvilare 37

corespunzând nivelurilor necesare evacuării viiturii de calcul; se consideră de asemenea şi funcţionarea parţială a sistemului de drenaj, ceea ce conduce la subpresiuni mari.

Calculul se poate face pe o unitate modulară: o cuvă, o pilă intermediară, radier general, sau pe metru liniar de structură. Etapele premergǎtoare calculelor statice constau în:

– adoptarea celui mai adecvat sistem constructiv, compatibil cu condiţiile geotehnice ale amplasamentului;

– evaluarea încărcărilor în cadrul schemei de calcul considerate; – stabilirea simultaneităţii încărcărilor, cu coeficienţii de siguranţă

corespunzători. Indiferent de sistemul constructiv adoptat, în calcule se verifică: condiţia de stabilitate la alunecare, condiţia de stabilitate la plutire, precum şi condiţia ca eforturile transmise terenului de fundare să fie mai mici decât cele admisibile.

1.7.3. Calcule la sisteme cu pile independente

Pilele se verifică la stabilitatea la alunecare, la solicitări maxime în suprafaţa de fundaţie şi în corpul lor, în două ipoteze principale (figura 4.31):

1 ipoteza de exploatare normală; 2 ipoteza de reparaţii.

Figura 4.31 Ipoteze de calcul pentru pile independente

Armarea se face pe baza eforturile calculate în diverse secţiuni ale pilei. Verificarea eforturilor se face cu relaţia:

38 Stăvilare

y

y

x

x

w

M

w

M

A

N±±=

∑σ

unde:

∑N = suma forţelor normale pe secţiunea de calcul;

A = suprafaţa secţiunii considerate; Mx, My = momentele încovoietoare faţă de cele două axe rectangulare care trec prin centrul de greutate al secţiunii; wx, wy = modulii de rezistenţă după cele două direcţii.

Se recomandă ca verificarea eforturilor să se facă şi prin alte metode teoretice sau experimentale.

1.7.4. Calculul pilelor prevăzute cu nişe

În cazul pilelor prevăzute cu nişe pentru batardouri sau stavile plane, se

verifică eforturile de întindere şi forfecare ce apar în secţiunea verticală ce trece prin muchiile aval ale nişelor (figura 4.32). Pentru aceasta se determină mai întâi distribuţiile de eforturi normale σ şi tangenţiale τ din fundaţia pilei. Se consideră un plan vertical ce trece prin muchia aval a nişei împărţind pila în două zone I şi II. Din ecuaţiile de echilibru aplicate pentru una dintre cele două zone se determină forţele secţionale M, N, şi T care acţionează în centrul de greutate al planului.

Figura 4.32 Schema de calcul pentru pile prevăzute cu nişe

Stăvilare 39

Pe baza acestor eforturi se pot determina apoi eforturile de întindere din secţiune:

W

M

A

Nt ±=σ

şi efortul de forfecare mediu:

A

Tmediu =τ

Aceste eforturi sunt în general mai mici decât cele admisibile. În dreptul nişelor se prevăd totuşi armături de siguranţă, de regulă orizontale şi mai rar înclinate. În situaţia unor solicitări mari în nişă, în zona de rezemare a stavilei sau batardoului, se prevede armătura ca în cazul cuzineţilor.

1.7.5. Calculul pilelor barajelor echipate cu stavile segment

La barajele echipate cu stavile segment, în articulaţiile stavilei acţionează forţe concentrate mari. De aceea zona situată în aval de articulaţie se ancorează de zona amonte a pilei prevǎzându-se o armare corespunzǎtoare. Efortul de întindere este preluat de regulă prin armătură dispusă în evantai care în funcţie de geometria pilei, se prelungeşte mai mult sau mai puţin în amonte. La unele baraje se aplică precomprimarea pilei prin ancore, în zona de preluare a forţei transmise în articulaţie (figura 4.33).

Figura 4.33 Precomprimarea pilei în zona articulaţiei stavilei (8)

40 Stăvilare

1.7.6. Calculul radierului

La sistemele cu pile independente se verifică stabilitatea radierului la alunecare şi la plutire. Deoarece radierul preia încărcări verticale mici în raport cu cele orizontale, condiţia de stabilitate la alunecare este dificil de îdeplinit. Ipotezele de calcul cele mai dezavantajoase sunt:

1. ipoteza regimului normal de exploatare şi ipoteza de reparaţii, care conduc la împingeri orizontale mari;

2. ipoteza de regim catastrofal, care afectează în special stabilitatea la plutire.

Teoretic cedarea barajului se poate produce prin alunecarea sau răsturnarea spre aval, sau ca urmare a plutirii sub acţiunea subpresiunii. Verificarea stabilităţii la alunecare este în general suficienta în cazul barajelor mobile. Condiţia de stabilitate la alunecare este dată de relaţia:

fV

H≤

∑∑

unde:

∑H - suma forţelor orizontale care acţionează asupra barajului;

∑V - suma forţelor normale;

f - coeficientul de frecare statică a betonului cu roca de fundare. În practica proiectării de la noi din ţară coeficientul de siguranţă la alunecare exprimat ca raport între coeficientul de frecare şi coeficientul de alunecare a barajului are valori cuprinse între 1,0-1,1 pentru baraje fundate pe terenuri stâncoase şi 1,3-1,5 pentru baraje fundate pe terenuri nestâncoase. Stabilitatea la alunecare poate fi îmbunătăţită prin aplicarea unor măsuri constructive precum: pinteni de încastrare în rocă, tratarea specială a suprafeţei de fundaţie, injecţii de legăturǎ şi consolidare. La radierele prevăzute cu pinteni, verificarea stabilităţii la alunecare se face după un plan ce trece la cota inferioară a pintenilor (figura 4.34). În acest caz se va lua în calcul şi greutatea volumului de pământ cuprins între radier şi planul de alunecare, precum şi rezistenţa totală la tăiere a pământului. În ipoteza stabilităţii la alunecare pe suprafeţe plane, condiţia de stabilitate a barajului trebuie asigurată fără a ţine cont de contribuţia radierului.

Stăvilare 41

Figura 4.34 Verificarea stabilităţii la alunecare după un plan orizontal la baza celor doi pinteni În cazul în care roca de bază se găseşte la adâncimi mari, stabilitatea la alunecare se verifică pe suprafeţe cilindrice în masa terenului de fundaţie (figura 4.35), precum şi pe suprafeţele de contact între straturi în situaţia unor stratificaţii pronunţate cu înclinare spre aval (figura 4.36).

Figura 4.35 Verificarea stabilităţii la alunecare după o suprafaţă de alunecare cilindrică

Figura 4.36 Verificarea stabilităţii la alunecare după un plan de separaţie a două straturi cu proprietăţi diferite

42 Stăvilare

În cazul sistemelor cu pile independente şi al bazinului disipator, radierul se verifică şi la plutire. Coeficientul de stabilitate la plutire se determină cu relaţia:

S

GK t

p =

unde:

Gt = greutatea totală a radierului şi a apei aflată pe radier; S = subpresiunea.

1.7.7. Calcule la sisteme tip cuvă

În cazul sistemelor tip cuvă, pilele sau semipilele se consideră încastrate în radier, momentul din încastrare fiind dat de următoarele forţe (figura 4.37):

− presiunea hidrostatică pe faţa interioară a pilelor, componentă ce nu mai este echilibrată de presiunea care se manifesta la faţa dinspre rost Ph;

− presiunea gheţii Pg; − încărcările din frânare sau tracţiune în grinzile podului şi care se

transmit semipilelor Ft; − încărcările din variaţiile de temperatură ce apar în grinzile podului.

Figura 4.37 Schema de încărcare pentru sisteme de tip cuvă

Situaţia cea mai defavorabilă este cea în care se consideră nivelul apei în

Stăvilare 43

amonte până la zona de etanşare, iar în aval de etanşare cel din bieful aval. Intre cele două niveluri se face o racordare treptată. Rostul se poate închide din cauza tasărilor împiedicând curgerea apei, situaţie defavorabilă, deoarece în cazul unei goliri rapide a cuvei pe faţa exterioară a semipilei va acţiona o forţă neechilibrată. Această situaţie trebuie evitată printr-o drenare eficientă a rostului dintre semipile. Ipoteza deformaţiilor plane nu este îndeplinită în realitate, mai ales în zona capetelor amonte şi aval, datorită schimbărilor bruşte de secţiune ale pilelor. În calculele curente se consideră o zonă cuprinsă între liniile înclinate la 45°…60° ce pornesc din muchia fundaţiei, zonă pe care se poate accepta în mod aproximativ ipoteza deformaţiilor plane (figura 4.38).

Figura 4.38 Limitarea zonei de calcul a pilelor În cazul pilelor şi al semipilelor de înălţime mare un calcul mai exact se poate face considerând că acestea lucrează în plan longitudinal ca nişte grinzi pereţi cu talpă inferioară.

1.7.8. Calcule de rezistenţă la radier

Radierul poate fi considerat în calcul ca o placă sau ca un sistem de grinzi pe mediu elastic. În funcţie de grosimea radierului rezultă o rigiditate finită sau infinită în raport cu terenul de fundare. Etapele de calcul sunt:

a) determinarea diagramei de presiune pe terenul de fundare, presiunea reactivă ce trebuie să satisfacă condiţia de echilibru pe verticală;

b) determinarea eforturilor secţionale, moment încovoietor M şi forţă tăietoare T;

c) armarea radierului - determinarea coeficientului de armare µ%. Ipotezele admise în mod uzual în calculul construcţiilor pe mediu elastic sunt:

44 Stăvilare

1 ipoteza lui Winkler, care considerǎ proporţionalitatea între deformaţie şi presiune pe mediu elastic

kyp −=

unde: p reprezintă presiunile pe teren; y reprezintă tasările terenului; k este un coeficient de proporţionalitate.

2 ipoteza lui Boussinesq, care asimilează terenul cu un semispaţiu elastic, omogen şi izotrop.

Ipoteza lui Winkler are o serie de deficienţe şi anume:

– nu ţine seama şi de tasările produse în punctele vecine, neglijând influenţa suprasarcinilor laterale asupra diagramei presiunilor de pe teren;

– nu ţine seama de variaţia coeficientului de pat cu caracteristicile geometrice şi structurale ale fundaţiei, precum şi mărimea sarcinii.

Ipoteza lui Boussinesq înlătură toate aceste deficienţe. În această ipoteză se pune condiţia ca în orice punct al fundaţiei, deformaţiile acesteia să fie egale cu cele ale mediului elastic. Ecuaţiile lui Boussinesq permit determinarea deformaţiei într-un punct oarecare al terenului sub influenţa unei sarcini concentrate de la suprafaţa terenului. Pentru determinarea reacţiunilor elastice se exprimă atât deformaţiile terenului cât şi cele ale radierului în funcţie de acestea şi se rezolvă ecuaţiile corespunzătoare. Calculele comparative au arătat că atunci când roca de bază se află la o adâncime H≤(1/4-1/2)L, unde L este lungimea radierului, oricare dintre cele două metode poate fi aplicată, rezultatele fiind identice. În cazul în care stratul incompresibil se află la o adâncime mai mare decât această limită, metoda coeficientului de pat conduce la rezultate eronate şi de aceea se va aplica medota Boussinesq.

1.8. Aspecte privind tehnologia de execuţie a barajelor

Execuţia barajului prin mijloacele tradiţionale presupune asigurarea unei incinte uscate în care să se desfăşoare lucrările de construcţie. Există mai multe variante de punere la uscat în funcţie de condiţiile din amplasament. O primă variantă constă în construirea unui batardou ce barează provizoriu o porţiune a cursului de apă, punând la uscat doar o parte a incintei viitorului baraj (figura 4.39).

Stăvilare 45

Figura 4.39 Execuţia barajului prin punerea la uscat succesivă a incintei (2)

În afara batardoului se folosesc şi alte elemente constructive de etanşare, provizorii, sau care pot fi înglobate în lucrare, precum pereţi mulaţi sau perdele de palplanşe. Un alt mod de punere la uscat constă în devierea apelor prin intermediul unei galerii sau al unui canal, ce va ocoli amplasamentul viitorului baraj (figura 4.40). Atât în amonte cât şi în aval se execută câte un batardou provizoriu. În felul acesta se va pune la uscat întreaga incintă permiţând astfel o mai bună organizare şi inspecţie vizualǎ a lucrărilor.

Figura 4.40 Execuţie cu devierea apelor (2)

În funcţie de condiţiile locale, barajul poate fi executat la uscat în afara cursului de apă, pe un canal de derivaţie ce poate poate tăia de exemplu un cot al cursului navigabil (figura 4.41). După terminarea execuţiei barajului, râul va

46 Stăvilare

fi deviat prin acest canal.

Figura 4.41 Execuţie pe derivaţie (2)

Batardourile sunt construcţii provizorii executate în general din materiale locale care se găsesc în amplasament. Ele trebuie să fie impermeabile pentru a asigura etanşeitatea incintei. Galeriile sau canalele executate pentru devierea apei pot fi folosite ulterior în cadrul lucrării ca aducţiuni sau goliri. Un aspect importantal al proiectării lucrărilor de deviere îl reprezintă selectarea debitului de calcul astfel încât să fie asigurate continuitatea navigaţiei şi controlul corpurilor plutitoare. Înălţimea efectivă a batardoului se raportează la riscul deversării peste coronament şi la costurile suplimentare.

1.9. Baraje din elemente prefabricate

O alternativă la mijloacele tradiţionale de execuţie o reprezintă soluţia prefabricării. Prin folosirea elementelor prefabricate se elimină necesitatea punerii la uscat a amplasamentului. Noţiunea de prefabricare se referă aici doar la partea din beton, echipamentele mecanice fiind oricum realizate în uzinǎ. Principalii parametri de care depinde adoptarea soluţiei cu prefabricate sunt:

- dimensiunile cursului de apă; - configuraţia amplasamentului; - condiţiile hidraulice; - spaţiul disponibil în amplasament;

Stăvilare 47

- posibilităţile de acces; - prezenţa unei uzine de prefabricare în zonă; - condiţiile de navigaţie: ecluze, poduri, adâncime de navigaţie.

Materialele de bază folosite pentru structura de rezistenţă a prefabricatelor sunt oţelul, betonul armat şi aluminiul. Ca material de umplutură se utilzeazǎ betonul. Se poate utiliza de asemenea şi nisipul doar pentru lestarea elementelor. Utilizarea metalului are avantajul înlocuirii armăturii prin înglobarea acestuia în betonul de umplere. Elementele metalice pot fi confecţionate şi în şantierele navale. Utilizarea aluminiului pentru elemente prefabricate a făcut obiectul unor studii realizate în laboratoarele Universităţii din Liège (Belgia). Soluţia nu a fost încă aplicată în practică. Transportul elementelor se face pe apă. Soluţia prefabricării a fost deja aplicată în Franţa, Statele Unite şi alte ţări ale lumii pentru lucrări de diverse grade de importanţă. În figura 4.42 este ilustrat un exemplu din Franţa, barajul Denouval pe Sena, în aval de Paris. Dimensiunile unui singur element sunt de 75 m x 6 m. Transportul s-a făcut cu docuri plutitoare iar punerea în operă a durat o săptămână.

Figura 4.42 Elementele unui baraj prefabricat (2)

48 Stăvilare

Un alt exemplu, ilustrat în figurile 4.43 şi 44 este barajul Braddock din Statele Unite, amplasat pe fluviul Monongahela în amonte de Pittsburgh.

Figura 4.43 Elemente prefabricate la barajul Braddock (Statele Unite) (1)

Figura 4.44 Montarea elementelor în amplasament la barajul Braddock (Statele Unite) (1)

Pregătirea fundaţiei se poate face fie prin punerea la uscat provizorie a amplasamentului cu ajutorul batardourilor şi devierea apei, fie prin mijloace subacvatice. După ce au fost aduse pe poziţie, elementele prefabricate ce compun barajul sunt lestate cu apă, sau cu alte materiale. În figura 4.45 este prezentată o schemă de principiu de betonare sub apă a barajelor din prefabricate.

Stăvilare 49

Figura 4.45 Schema de principiu a betonării unui baraj din elemente prefabricate (2)