Υδροηλεκτρικά Έργα. 8ο εξάμηνο Σχολής Πολιτικών Μηχανικών. Φράγματα. Ανδρέας Ευστρατιάδης, Νίκος Μαμάσης, & Δημήτρης Κουτσογιάννης

Transcript

1 Υδροηλεκτρικά Έργα 8ο εξάμηνο Σχολής Πολιτικών Μηχανικών Φράγματα Ανδρέας Ευστρατιάδης, Νίκος Μαμάσης, & Δημήτρης Κουτσογιάννης Τομέας Υδατικών Πόρων & Περιβάλλοντος, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Ακαδημαϊκό έτος

2 Εισαγωγικές έννοιες Φράγμα: Τεχνικό έργο που κατασκευάζεται εγκάρσια στην κοίτη ποταμού, με σκοπό τη δημιουργία κλειστής κοιλότητας για αποθήκευση του νερού. Ταμιευτήρας: Λεκάνη κατάκλυσης που δημιουργείται ανάντη του φράγματος, τα όρια της οποίας μεταβάλλονται ανάλογα με την αποθηκευμένη ποσότητα νερού. Λεκάνη απορροής: Κλειστή επιφάνεια, δεδομένου εμβαδού, που συνεισφέρει στην παραγωγή επιφανειακής απορροής, ο υδροκρίτης της οποίας διέρχεται από τη θέση του φράγματος (ο ταμιευτήρας αναπτύσσεται στο κατάντη τμήμα της λεκάνης). Αντερείσματα: Τμήματα των πρανών της κοιλάδας στο οποία εδράζεται το φράγμα (διάκριση σε αριστερό-δεξιό, κοιτώντας στην κατεύθυνση της ροής του ποταμού). Στέψη φράγματος: Το ανώτερο υψομετρικά τμήμα του αναχώματος, χωρίς την υπερύψωση (= επιπλέον ύψος που αφήνεται για παραλαβή καθιζήσεων). Ύψος φράγματος: Κατακόρυφη απόσταση από το βαθύτερο σημείο της θεμελίωσης μέχρι τη στέψη. Υδροληψία: Τεχνικό έργο εισόδου που τοποθετείται σε κατάλληλο υψόμετρο (αρκετά ψηλότερα από τον πόδα του φράγματος) και συνδέεται με τα έργα προσαγωγής. Υπερχειλιστής: Τεχνικό έργο που τοποθετείται χαμηλότερα από τη στέψη του φράγματος και επιτρέπει την ομαλή διοχέτευση των πλημμυρικών ροών, ώστε να μην υπάρχει κίνδυνος υπερπήδησης του φράγματος (στα Υ/Η έργα συνδυάζεται με τη λειτουργία θυροφραγμάτων, οπότε χρησιμοποιείται ο όρος εκχειλιστής). Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Φράγματα 2

3 Τύποι φραγμάτων Άκαμπτα (από σκυρόδεμα ή συναφές υλικό) Βαρύτητας (συμπαγή) Συμβατικού σκυροδέματος Κυλινδρούμενου σκυροδέματος (RCC) Κυλινδρούμενου σκληρού επιχώματος (συνήθως αξονοσυμμετρικά) Αντηριδωτά (ειδική περίπτωση φράγματος βαρύτητας, με μειωμένο όγκο) Τοξωτά (σκυρόδεμα) Εύκαμπτα (γεωφράγματα, με στεγανό στοιχείο κεντρικά ή στην ανάντη παρειά) Χωμάτινα (εδαφικό υλικό) με πυρήνα (διαζωνισμένο φράγμα) με ανάντη ασφαλτική μεμβράνη ή γεωμεμβράνη Λιθόρριπτα (βραχώδες υλικό) με αργιλικό ή ασφαλτικό πυρήνα με ανάντη πλάκα σκυροδέματος με ανάντη ασφαλτική μεμβράνη ή γεωμεμβράνη Κριτήρια επιλογής: γεωλογία, υδρογεωλογία, τοπογραφία, σεισμικότητα, κόστος υλικών (συλλογή, παρασκευή, μεταφορά), κόστος εργατικών, περιβαλλοντικοί περιορισμοί Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Φράγματα 3

4 Παραδείγματα τύπων Υ/Η φραγμάτων στην Ελλάδα Λάδωνα (1955, αντιρρηδωτό) Ταυρωπού (1959, τοξωτό) Θησαυρού (1997, λιθόρριπτο) Μεσοχώρας (2009, ΛΑΠΣ) Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Φράγματα 4

5 Το πρόβλημα του νερού στα φράγματα Διήθηση νερού: Μέσα από το ίδιο το σώμα του φράγματος (διασωλήνωση, κίνδυνος κατάρρευσης του έργου) Κάτω από το φράγμα (ανάπτυξη ανωστικών δυνάμεων) Από την ευρύτερη λεκάνη κατάκλυσης (υδρολογικές απώλειες, αλλά χωρίς επιπτώσεις στο φράγμα) Τρόποι προστασίας φράγματος: Στεγανοποίηση σώματος φράγματος, με διαμόρφωση επιλεγμένων διόδων αποστράγγισης (φίλτρα) Στεγανοποίηση περιοχής θεμελίωσης (εκσκαφή μέχρι τον υγιή βράχο, ενίσχυση με τσιμεντενέσεις) Διαφραγματικός τοίχος, για μεγάλο βάθος ανάπτυξης των ποτάμιων αποθέσεων Αποσταθεροποίηση κελυφών και δημιουργία επιφάνειας ολίσθησης Εσωτερική διάβρωση και διασωλήνωση, με μεταφορά υλικού από τον πυρήνα ή στο έδαφος θεμελίωσης Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Φράγματα 5

6 Φράγματα βαρύτητας Δεν ανατρέπονται και δεν ολισθαίνουν λόγω του ιδίου βάρους τους. Δυνάμειας ευστάθειας: Ίδιο βάρος κατασκευής Υπερκείμενο βάρος νερού στην ανάντη παρειά Δυνάμεις ανατροπής: Υδροστατική πίεση (νερό ανάντη) Άνωση (περιορισμός με κουρτίνα τσιμεντενέσεων) Ωθήσεις γαιών λόγω συσσώρευσης φερτών στον πυθμένα Οριζόντια σεισμικά φορτία Τυπικές διατομές: Κατακόρυφη ανάντη παρειά, κλίση κατάντη παρειάς 1:0.80 Παρακατακόρυφη ανάντη παρειά (κλίση 10:1), κλίση κατάντη 1:0.75 Αξονοσυμμετρικά, με κοινή κλίση των δύο παρειών 1:0.70 Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Φράγματα 6

7 Τοξωτά φράγματα Κατάλληλα για στενές κοιλάδες, τύπου V, όπου αναπτύσσονται απότομη πρανή και απαιτούν φράγμα μεγάλου ύψους για τη δημιουργία ταμιευτήρα αξιόλογου όγκου. Επιβάλλουν πολύ μεγάλη φόρτιση στα αντερείσματα, που πρέπει να είναι από βραχώδη υλικά υψηλής αντοχής (υγιείς βραχόμαζες χωρίς δυσμενείς ασυνέχειες) και υψηλού μέτρου ελαστικότητας (ελάχιστη ανοχή σε μετακινήσεις). Κατασκευάζονται με σταδιακά μειούμενη καμπύλωση από τη στέψη προς τη βάση. Μεταφορά φορτίων με λειτουργία του φορέα ως τόξο στα αντερείσματα πρόβολος στη θεμελίωση κέλυφος (αντερείσματα και θεμελίωση) Φράγμα Πλαστήρα Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Φράγματα 7

8 Φράγματα κυλινδρούμενου σκυροδέματος (RCC) Κυλινδρούμενο σκυρόδεμα (roller compacted concrete, RCC): ειδικός τύπος σκυροδέματος με σημαντικά μειωμένη περιεκτικότητα σε τσιμέντο και πρόσμιξη κατάλληλων κονιών, που επιτρέπουν τη διάστρωσή του όπως το εδαφικό υλικό Πλεονεκτήματα: Υψηλή ταχύτητα κατασκευής Σημαντική μείωση κόστους, λόγω αποφυγής χρήσης ξυλότυπων και οπλισμού Ελαχιστοποίηση απαιτήσεων ψύξης, δόνησης και διάστρωσης συμβατικού σκυροδέματος Δυνατότητα χρήσης παραπροϊόντων της βιομηχανίας (ιπτάμενες τέφρες, σκωρίες υψικαμίνων, φυσικές ποζολάνες) Δυνατότητα ενσωμάτωσης του υπερχειλιστή στο σώμα του φράγματος (οικονομικά και λειτουργικά πλεονεκτήματα) Καλή συμπεριφορά σε σεισμό Φράγμα Πλατανόβρυσης Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Φράγματα 8

9 Γεωφράγματα Βασικό κριτήριο σχεδιασμού: Βέλτιστη αξιοποίηση υλικών που βρίσκονται στην ευρύτερη περιοχή ή πλησίον του έργου (οικονομικός σχεδιασμός) Χωμάτινα φράγματα: Προϊόντα εκσκαφής εδαφικού υλικού, αμμοχάλικα ποταμών, πλευρικά κορήματα Λιθόρριπτα φράγματα: προϊόντα εκσκαφής λατομείου ή εκσκαφής/απόθεσης βράχου Πυρήνας: Λεπτόκοκκο υλικό ή έντονα αποσαθρωμένος βράχος, εξαιρετικά χαμηλής διαπερατότητας (< m/s) Με την πάροδο του χρόνου αναπτύσσεται δίκτυο ροής Υψόμετρο στέψης = ανώτατη στάθμη λειτουργίας ταμιευτήρα ή πλημμύρας Πλάτος στέψης 4 m (κατασκευαστικοί λόγοι, μετακινήσεις λόγω σεισμού) Αύξηση πλάτους με αύξηση βάθους (υδραυλική κλίση 2) Φίλτρο Στραγγιστήριο: Συγκρατεί του κόκκους (προστασία από διάπλυση) του βασικού υλικού του πυρήνα Παροχετεύει τα διηθούμενα νερά μέσω του πυρήνα και της θεμελίωσης Το υλικό φίλτρου πρέπει να καταρρέει όταν είναι βυθισμένο, ώστε να διακόπτεται η ανάπτυξη των ρωγμών στον πυρήνα Κελύφη: Ποτάμιες και ποταμοχειμάρριες αποθέσεις, πλευρικά κορήματα και αποσαθρωμένος ή/και υγιής βράχος συγκρατούν τον πυρήνα και παρέχουν την απαιτούμενη ευστάθεια λόγω ολίσθησης Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Φράγματα 9

10 Τυπική διατομή χωμάτινου φράγματος με κεντρικό πυρήνα (διαζωνισμένο φράγμα) Ζώνη Ονομασία Υλικό 1 Πυρήνας Λεπτόκοκκο, χαμηλής διαπερατότητας (αργιλικό) 2 Φίλτρο Διαβαθμισμένο αμμώδες υλικό 3 Στραγγιστήριο Διαβαθμισμένο υλικό από χαλίκια ή κροκάλες 4 Κελύφη Αμμοχάλικα, κορήματα, κερματισμένος βράχος 5 Ανάντη ζώνη προστασίας Ογκόλιθοι (προστασία από κυματισμό) 6 Κατάντη ζώνη προστασίας Λίθοι, κροκάλες (προστασία από βροχή) Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Φράγματα 10

11 Παράδειγμα κατασκευής διαζωνισμένου φράγματος (φράγμα Ιλαρίωνα, Αλιάκμονας) Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Φράγματα 11

12 Δίκτυο ροής σε ομοιογενές και διαζωνισμένο φράγμα Ομοιογενές φράγμα Διαζωνισμένο φράγμα με ζώνη πυρήνα και στραγγιστήριο ποδός Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Φράγματα 12

13 Λιθόρριπτα φράγματα με ανάντη πλάκα σκυροδέματος Βασικά τμήματα φραγμάτων ΛΑΠΣ: Συμπυκνωμένο επίχωμα από λιθορριπή ή αμμοχάλικα, με μεταβατικές ζώνες, ικανό να παροχετεύσει χωρίς προβλήματα μεγάλες ροές, χωρίς ανάπτυξη πίεσης πόρων Πλάκα οπλισμένου σκυροδέματος, πάχους μεταβαλλόμενου ανάλογα με το ύψος νερού (ελάχιστο 30 cm), με ειδικά σχεδιασμένους κατακόρυφους αρμούς κατασκευάζεται σε ασύνδετες λωρίδες καθ ύψος Πλίνθος από οπλισμένο σκυρόδεμα, εδραζόμενη σε υγιή βράχο, πλάτους ανάλογα με το υδραυλικό φορτίο (στεγανοποίηση με τσιμεντέσεις ή διάφραγμα), και αρμός πλίνθου-πλάκας, για παραλαβή των παραμορφώσων. Ανάντη πλάκα φράγματος Μεσοχώρας Τομή φράγματος Μεσοχώρας και λεπτομέρεια πλίνθου Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Φράγματα 13

14 Έργα ασφάλειας κατά την κατασκευή φράγματος (1) Κατά τη φάση κατασκευής του φράγματος και των συναφών έργων (τυπική διάρκεια 2-8 έτη) εξασφαλίζεται διακοπη της ροής του ποταμού με την κατασκευή προσωρινών έργων παρεμπόδισης της ροής (προφράγματα, ανάντη και κατάντη) και διοχέτευσής της εκτός της ευρύτερης περιοχής των εργασιών. Σε ευρείες κοίτες ποταμών η εκτροπή γίνεται μέσω έργων διευθέτησης εντός της κοίτης (διώρυγα εκτροπης), ενώ η κατασκευή του φράγματος προχωρά παράλληλα στην κοίτη (συνήθως σε δύο φάσεις). Η εκτροπή εκτός της κοίτης γίνεται: μέσω επιφανειακού αγωγού που διέρχεται από τη θεμελίωση του φράγματος (ποτέ από το σώμα) μέσω υπόγειου αγωγού (σήραγγα) που διέρχεται από το αντέρεισμα (μεγάλες παροχές, υψηλό κόστος) Σήραγγα εκτροπής Έργο εξόδου Στόμιο εισόδου Βοηθητικό ανάντη πρόφραγμα Φράγμα Κύριο ανάντη πρόφραγμα Κατάντη πρόφραγμα Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Φράγματα 14

15 Έργα ασφάλειας κατά την κατασκευή φράγματος (2) Ο σχεδιασμός των προσωρινών έργων γίνεται για πλημμύρα περιόδου επαναφοράς ετών, που εξασφαλίζει ικανοποιητικό επίπεδο διακινδύνευσης κατά τη διάρκεια κατασκευής των έργων (υδραυλική λειτουργία με ελεύθερη επιφάνεια και υπό πίεση). Το κυρίως ανάντη πρόφραγμα έχει μικρό σχετικά ύψος (μικρότερο όσο αυξάνει η διατομή του αγωγού εκτροπής), εκτός και αν ενσωματώνεται στο σώμα του κυρίως φράγματος (οπότε το ύψος του ενδέχεται να είναι σχετικά μεγάλο). Μετά την ολοκλήρωση των έργων η σήραγγα εκτροπής φράζεται (προσωρινή έμφραση με δοκούς στο στόμιο εισόδου, μόνιμη έμφραξη με πώμα σκυροδέματος σε ενδιάμεση θέση, όπου τοποθετείται το πέτασμα τσιμεντενέσεων), ώστε να υλοποιηθεί η πλήρωση του ταμιευτήρα. Η σήραγγα εκτροπής (ή τμήμα της) μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως τμήμα του εκχειλιστή, ως εκκενωτής πυθμένα ή για τη διοχέτευση της περιβαλλοντικής παροχής (σε συνδυασμό με ΜΥΗΕ). Είσοδος και έξοδος σήραγγας εκτροπής φράγματος Ιλαρίωνα Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Φράγματα 15

16 Εκκενωτής πυθμένα Έργο ασφαλείας, για (βραδεία) εκκένωση του ταμιευτήρα σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης. Συνήθως αποτελεί ανεξάρτητη διάταξη ή συνδυάζεται με τη σήραγγα εκτροπής, αλλά με διαμόρφωση διαφορετικού έργου εισόδου που τοποθετείται ψηλότερα από την είσοδο της σήραγγας (η τελευταία φράσσεται, μετά την ολοκλήρωση του φράγματος). Στις σύγχρονες κατασκευές χρησιμοποιείται μόνιμα, για διοχέτευση της οικολογικής παροχής. Πρώτη δοκιμαστική λειτουργία εκκενωτή φράγματος Λούρου (1954) Έξοδος εκκενωτή φράγματος Ταυρωπού Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Φράγματα 16

17 Υπερχειλιστής / εκχειλιστής με θυροφράγματα Έργο ασφάλειας για ασφαλή απαγωγή εξαιρετικά ακραίων πλημμυρικών παροχών (περίοδοι επαναφοράς πλημμύρας σχεδιασμού 1 000, 5 000, , έως έτη). Δυνατότητα αύξησης ύψους πτώσης και ωφέλιμου όγκου ταμιευτήρα, καθώς και διαχείρισης των πλημμυρικών ροών μέσω θυροφραγμάτων (εκχειλιστές). Τοποθέτηση υπερχειλιστή ή εκχειλιστή: Μετωπικά, στο σώμα του φράγματος (δυνατότητα μεγάλου μήκους στέψης και ευνοϊκός προσανατολισμός, αλλά υψηλότερος κίνδυνος υποσκαφής και περιορισμοί στην τοποθέτηση του ΥΗΣ) Πλευρικά, στα αντερείσματα (προϋποθέσεις γεωλογικής καταλληλότητας) Μετωπικός εκχειλιστής Κρεμαστών Πλευρικός υπερχειλιστής φράγματος Καστρακίου Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Φράγματα 17