ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΔΙΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ» «ΑΞΟΝΟΣΥΜΜΕΤΡΙΚΑ ΦΡΑΓΜΑΤΑ ΚΥΛΙΝΔΡΟΥΜΕΝΟΥ ΣΚΛΗΡΟΥ ΕΠΙΧΩΜΑΤΟΣ» Αικατερίνη Α. Δημοπούλου Αθήνα, Σεπτέμβριος 2008 Επιβλέπων: Ν. Ι. Μουτάφης

2 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΔΙΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ» Φωτογραφία εξωφύλλου: Φράγμα Κόρης Γεφύρι, νήσος Χίος «ΑΞΟΝΟΣΥΜΜΕΤΡΙΚΑ ΦΡΑΓΜΑΤΑ ΚΥΛΙΝΔΡΟΥΜΕΝΟΥ ΣΚΛΗΡΟΥ ΕΠΙΧΩΜΑΤΟΣ» Αικατερίνη Α. Δημοπούλου Αθήνα, Σεπτέμβριος 2008 Επιβλέπων: Ν. Ι. Μουτάφης 1

3 Αναγνωρίσεις Για τη συμβολή τους στην εκπόνηση της εργασίας αυτής, ευχαριστώ τον κ. Κούμουλο Δ. για τις συμβουλές του, τις επισημάνσεις και τη απλόχερη διάθεση των γνώσεών του, τους κ.κ. Καρασαχινίδη Οδ. και Κρομμύδα Π. για τη διευκόλυνση με την παροχή πληροφοριακού υλικού από το Υπουργείο Αγροτικής Ανάπτυξης, τους κ.κ. Δημακόπουλο Σ. και Παπαγιάννη Ι. που μοιράστηκαν μαζί μου τις εμπειρίες τους από την κατασκευή των φραγμάτων και φυσικά τον κ. Μουτάφη Ν., που με εισήγαγε στον κόσμο αυτών των έργων πριν 6 χρόνια!! Τέλος, ευχαριστώ όσους με κάθε τρόπο και με τίμημα ώρες από το χρόνο τους, βοήθησαν στην πραγμάτωση αυτού του τεύχους. 2

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Περίληψη... 4 Extended Abstract Εισαγωγή Κατηγοριοποίηση φραγμάτων Σύντομη ανασκόπηση βασικών τεχνικών χαρακτηριστικών τους Φράγματα Βαρύτητας Ορισμός και Ιστορική Αναδρομή Χαρακτηριστικά Φραγμάτων Βαρύτητας Η Πορεία προς το Αξονοσυμμετρικό Φράγμα Κυλινδρούμενου Σκληρού Επιχώματος Συμμετρικά Φράγματα Σκληρού Επιχώματος Φιλοσοφία Σχεδιασμού Τεχνικά Χαρακτηριστικά Διαστασιολόγηση - Σχεδιασμός Υλικά Κατασκευής Τρόπος Εφαρμογής Περιπτωσιολογικές μελέτες Μαραθιάς, Μύκονος Γενικά χαρακτηριστικά Διαδικασία κατασκευής Υλικά σκληρού επιχώματος Ποιοτικοί έλεγχοι και Δοκιμές Παρατηρήσεις μετά το πέρας της κατασκευής Άνω Μερά, Μύκονος Γενικά χαρακτηριστικά Διαδικασία κατασκευής Υλικά σκληρού επιχώματος Ποιοτικοί έλεγχοι και Δοκιμές Παρατηρήσεις Στενό, Σέριφος Γενικά χαρακτηριστικά Διαδικασία κατασκευής Υλικά σκληρού επιχώματος Ποιοτικοί έλεγχοι και Δοκιμές Παρατηρήσεις Κόρης Γεφύρι, Χίος Γενικά χαρακτηριστικά Διαδικασία κατασκευής Υλικά σκληρού επιχώματος Ληθαίου, Τρίκαλα Γενικά χαρακτηριστικά Υλικά σκληρού επιχώματος Συμπεράσματα Βιβλιογραφία

5 Περίληψη Από τις πρώτες κατασκευές που πραγματοποιήθηκαν για την ταμίευση του επιφανειακού νερού ήταν φράγματα, που την ευστάθειά τους διασφάλιζε το ίδιο βάρος τους. Από την εξέλιξη της ιδέας αυτής σε συνδυασμό με την ανάπτυξη διαφόρων τεχνικών προέκυψαν οι δύο βασικοί τύπο φραγμάτων που εύκολα αναγνωρίζονται: γεωφράγματα και φράγματα βαρύτητας. Στην περαιτέρω μετεξέλιξη των φραγμάτων βαρύτητας, τα λιθόθετα φράγματα διαδέχθηκαν τα λιθόκτιστα και η εφεύρεση των κονιαμάτων τα καθιέρωσε σαν αναγκαίο υλικό των φραγμάτων βαρύτητας. Το τσιμέντο Portland ήρθε στις αρχές του 20ου αιώνα για να επιτείνει την κατασκευή τέτοιων έργων και να ξεκινήσει μία νέα επιστήμη, την τεχνολογία του σκυροδέματος. Μαζί με το σκυρόδεμα και την ανάγκη μεγάλων κατασκευών ανέκυψαν ζητήματα που οφείλονται στην ίδια τη φύση του σκυροδέματος και τα οποία φάνηκαν στην πρακτική εφαρμογή του. Η θερμική καταπόνηση από τις διαφορές θερμότητας στο σώμα του φράγματος ανάγκασε σε ανάπτυξη συστημάτων ψύξης και σε καλό προγραμματισμό. Το μεγάλο βάρος των κατασκευών αυτών απαιτεί εξίσου στιβαρή θεμελίωση, ώστε να αντέχει το βάρος αυτό, συνθήκη που δεν είναι εύκολα εφικτή. Επίσης, η οικονομική επιβάρυνση από την αυξημένη τιμή του τσιμέντου οδήγησε στην αναζήτηση τρόπων μείωσής του. Κατάληξη αυτής της πορείας εξέλιξης είναι το Κυλινδρούμενο Σκυρόδεμα (R.C.C.). Διαθέτει μειωμένη ποσότητα τσιμέντου στο μίγμα, ικανή για να το χαρακτηρίζει σκυρόδεμα αλλά τόση ώστε να επιτρέπεται ο χειρισμός του με χωματουργικά μηχανήματα, που στο μεταξύ έχουν προοδεύσει κι έχουν καθιερώσει τα γεωφράγματα. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής αναλύεται ο συνήθης τρόπος διαστασιολόγησης τέτοιων φραγμάτων, αλλά δίνεται έμφαση σε έναν συγκεκριμένο τύπο τους, που αντιμετωπίζεται πια σαν ξεχωριστή κατηγορία. Πρόκειται για τα Αξονοσυμμετρικά φράγματα Κυλινδρούμενου Σκληρού Επιχώματος. Το υλικό τους περιέχει την ελάχιστη δυνατή ποσότητα τσιμέντου και για το λόγο αυτό η κατασκευή που προκύπτει διαχωρίζεται από τα υπόλοιπα φράγματα σκυροδέματος. Η συμπεριφορά του υλικού στο επίχωμα ομοιάζει αυτή του κοινού σκυροδέματος, αλλά η συμπεριφορά του ίδιου του επιχώματος τείνει περισσότερο να 4

6 παραλληλίζεται με των εύκαμπτων γεωφραγμάτων. Η απόκριση σε σεισμικά φαινόμενα τα καθιστά ασφαλή μιας και δεν αναμένεται ανάπτυξη εφελκυστικών τάσεων παρά μόνο σε ακραίες συνθήκες. Η υδατοπερατότητά τους αντιμετωπίζεται με στεγανωτικές μεμβράνες και συστήματα αποστράγγισης στο σώμα τους. Το βάρος της κατασκευής επαρκεί για να διασφαλίσει την ευστάθειά της, αλλά δεν απαγορεύει την έδρασή της χαμηλότερης αντοχής υπέδαφος. Συνήθως τα φράγματα αυτά κατασκευάζονται υπερπηδητά με βαθμιδωτούς υπερχειλιστές επάνω στο σώμα τους. Ο δε ρυθμός κατασκευής τους είναι ιδιαίτερα γοργός, αφού οι διαδικασίες ανέγερσης του επιχώματος κωδικοποιούνται σε: παραγωγή του νωπού μίγματος, μεταφορά, διάστρωση σε παράλληλες οριζόντιες στρώσεις και συμπύκνωση. Η τεχνολογία των Α.Κ.Σ.Ε. έχει εφαρμοστεί στην Ελλάδα επανειλημμένα. Στη Μύκονο βρίσκονται δύο από τα πρώτα παγκοσμίως φράγματα αυτού του τύπου: «Μαραθιάς» και «Άνω Μερά». Αρκετά χρόνια αργότερα περατώθηκε το «Στενό» στη Σέριφο και πρόσφατα το «Κόρης Γεφύρι» στη Χίο. Ήδη αυτή τη στιγμή έχουν ξεκινήσει οι εργασίες ανέγερσης νέου φράγματος Α.Κ.Σ.Ε. στον ποταμό Ληθαίο. Οι περιπτώσεις όλων αυτών των κατασκευών παρατίθενται με στοιχεία από τις μελέτες, την κατασκευή τους και παρατηρήσεις από την παρούσα χρονική στιγμή. Extended Abstract Dams have been within the very first of the constructions that were devised to store water, their stability being based on their weight. Through the evolution of this idea and the technological developments came forward the two major types of dams that are easily recognized: embankment and gravity dams. While the gravity dams kept being under development, the use of plasters and the invention of Portland cement in the early 20th century in particularly, intensified the construction of such projects and also established a new scientific branch: concrete science. Throughout the actual use of concrete for the necessary, at the time, massive constructions, problems due to the nature and characteristics of concrete itself 5

7 occurred. Thermal stresses from the rise of temperature inside the dam s body led to the development of cooling systems as well as to the need for well scheduled construction sites. The huge weight load of this type s projects has to be founded upon equally stiff rock, which is not always available. In addition to this, cement as a needed ingredient for concrete has not always been cheap enough to use without thinking twice before sparing it. This particular course of events has led to the development of Roller Compacted Concrete. It has enough cement so as to be still able to call it concrete, however not too much so as to prevent from handling it with earthmoving equipment. After all, the evolution of this equipment lies behind the institution of embankment dams. Within this project, the common methods of designing such a dam are analysed, but with most of the interest given to a particular type of R.C.C. dams, that is now handled as a different category of dams: the Face Symmetrical Hardfill Dam. Its material contains as little cement as possible. The effects of this method are better viewed throughout the behaviour of the dam itself. The characteristics of the material resemble that of the typical conventional concrete, however, the behaviour of the whole construction seems mostly like that of the embankment dams. In case of an earthquake, tensile stresses are mostly unlikely to occur. Its permeability is confronted by placing impervious layers as well as draining systems. The weight of such a construction is enough to ensure its stability, but not too much to prevent from placing it upon less stiff foundations. As for the mode of construction, it is remarkably fast and can be encoded in the following processes: Mixing, Transferring to the plant, Placing in horizontal lifts and Compaction. F.S.H.D. projects have already been successfully undertaken in Greece: Marathias and Ano Mera in Myconos island are two of the first F.S.H.Dams which have been carried out worldwide. Steno in Serifos Island followed and only recently Koris Gefyri in the island of Chios. A new one is still under construction on the river Lithaios, near Trikala. All of these case studies are stated here, including elements from their design and construction plus observations of their behaviour at the time being. 6

8 1 Εισαγωγή 1.1 Κατηγοριοποίηση φραγμάτων Σύντομη ανασκόπηση βασικών τεχνικών χαρακτηριστικών τους Η αναγκαιότητα του νερού για την ανθρώπινη ύπαρξη υπαγόρευσε και συνεχίζει να ορίζει ακόμα και σήμερα τον τρόπο ανάπτυξης του παγκόσμιου πολιτισμού. Σε όλη την ανθρώπινη ιστορία, οι κοινωνίες αναπτύσσονται κοντά σε υδάτινους πόρους. Είναι φυσικό επακόλουθο, ιδίως όταν αυτοί παύουν να επαρκούν για την κάλυψη όλων των αναγκών των πολιτών, η πλειοψηφία των τεχνικών έργων να αποσκοπεί τόσο στη βέλτιστη εκμετάλλευσή τους όσο και στη συγκράτηση της καταστροφικής τους δράσης, όταν αυτό είναι απαραίτητο. Χαρακτηριστικό παράδειγμα τέτοιων έργων αποτελούν τα φράγματα. Ξεκινώντας από πρόχειρα αναχώματα για τη συγκράτηση των νερών, περνάμε σε πιο σύνθετες δομές, όπως λιθόθετα φράγματα, λιθοδομές, γεωφράγματα, τοξωτά φράγματα καθώς και σε συνδυασμούς της πολλαπλής χρησιμότητας αυτών των έργων: ταμίευση νερού, αντιπλημμυρική προστασία, συγκράτηση φερτών. Οποιαδήποτε κι αν είναι η σκοπιμότητα κατασκευής ενός φράγματος, το τεχνικό έργο μπορεί σε κάθε περίπτωση να κατηγοριοποιηθεί βάσει των υλικών κατασκευής του και της στατικής του λειτουργίας. ΦΡΑΓΜΑΤΑ ΜΟΝΙΜΑ Άκαμπτα ΠΡΟΣΩΡΙΝΑ Εύκαμπτα Κατακλινόμενα Βαρύτητας Χωμάτινα Αντηριδωτά Λιθόρριπτα Κατακόρυφα ανυψούμενα Τοξωτά i. Τυπική κατηγοριοποίηση φραγμάτων Κατά συνέπεια, είναι δυνατή η ξεχωριστή αναφορά σε γεωφράγματα, λιθόθετα και σκυροδέματος, όσον αφορά στα υλικά κατασκευής τους. Στην πρώτη 7

9 περίπτωση το σώμα του έργου αποτελείται από διαβαθμισμένα εδαφικά υλικά. Η στεγανότητα της κατασκευής επιτυγχάνεται με κατασκευή αδιαπέρατου εδαφικού πυρήνα μέσα στο σώμα του φράγματος, ενώ η ευστάθεια του στεγανού αυτού στοιχείου μέσω της υποστήριξής του από ογκώδη κελύφη γαιωδών ή βραχωδών υλικών. Το φράγμα του Καστρακίου, στην κοίτη του Αχελώου, με το δεύτερο σε παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υδροηλεκτρικό σταθμό έχει κατασκευαστεί με την τεχνολογία των γεωφραγμάτων με αδιαπέρατο αργιλικό πυρήνα. ii. Άποψη του φράγματος Καστρακίου Διακρίνεται ακόμη και η κατηγορία του Λιθόρριπτου φράγματος με Ανάντη Πλάκα Σκυροδέματος (Λ.Α.Π.Σ.). Κατασκευάζεται από διαβαθμισμένα εδαφικά υλικά με την ευστάθειά του να βασίζεται στο λιθόρριπτο κέλυφος, αλλά το αδιαπέρατο στοιχείο είναι η πλάκα σκυροδέματος στην ανάντη παρειά του, η οποία λειτουργεί ως στεγανή μεμβράνη. Στην Ελλάδα και στην κατηγορία των λιθόρριπτων φραγμάτων εντάσσεται το Πολύφυτο, στον ποταμό Αλιάκμονα. 8

10 iii. Άποψη του φράγματος Πολυφύτου Συνολικά, πρόκειται για εύκαμπτες κατασκευές, μεγάλου όγκου και χαμηλού σχετικά βάρους, γεγονός που διευκολύνει την εκμετάλλευση θέσεων με χαμηλής σχετικά αντοχής πέτρωμα θεμελίωσης. Με τη διαφορά της οργανωμένης παράταξης των λίθων κατηγοριοποιούνται τα λιθόθετα φράγματα, των οποίων οι απαιτήσεις ευστάθειας ικανοποιούνται από το ίδιο βάρος τους. Είναι γεγονός ότι η κατασκευή φραγμάτων αυτού του τύπου έχει σταματήσει, με εξαίρεση μικρότερα έργα σε υπό ανάπτυξη χώρες. Όσον αφορά στα φράγματα από σκυρόδεμα, οι επιμέρους κατηγορίες τους βασίζονται στα τεχνικά χαρακτηριστικά του σκυροδέματος αλλά και στη στατική τους λειτουργία. Πιο συγκεκριμένα, διακρίνονται τα τοξωτά, τα βαρύτητας και τα αντηριδωτά. Η στατική λειτουργία των τοξωτών φραγμάτων έγκειται στην παραλαβή του φορτίου από την πίεση του νερού κάθετα στην κυρτή παρειά τους και τη μεταφορά αυτού του φορτίου στη θεμελίωση υπό τη μορφή αξονικών τάσεων. Είναι προφανές ότι μια τέτοια πρακτική χρειάζεται και υψηλών αντοχών θεμελίωση. Στην Ελλάδα χαρακτηριστικό παράδειγμα αυτής της τεχνολογίας αποτελεί το φράγμα του Ταυρωπού (ή Μέγδοβα). Η κατασκευή του ήταν ιδέα του Ν. Πλαστήρα, εξ ου και η ονομασία του ταμιευτήρα, ξεκίνησε το 1925 και ολοκληρώθηκε το Το φράγμα έχει μήκος 14 km, μέγιστο πλάτος 4 km και η λίμνη μέγιστο βάθος 60 m και χωρητικότητα 400 m3. 9

11 iv. Κάτοψη (αριστερά) και Τομή (δεξιά) σε σκαρίφημα του τοξωτού φράγματος Ταυρωπού (Πηγή: ενημερωτικά φυλλάδια Δ.Ε.Η.) v. Φράγμα Ταυρωπού και άποψη της λίμνης Πλαστήρα Όμοιες αντοχές στη θεμελίωση είναι αναγκαίες και στα φράγματα βαρύτητας από συμβατικό σκυρόδεμα. Τα θετικά τεχνικά χαρακτηριστικά του δομικού υλικού τους κάνουν δυνατές τις πιο απότομες παρειές και κατά συνέπεια το μικρότερο όγκο του έργου, έχοντας όμως αυξημένες απαιτήσεις και παρενέργειες σε τομείς που εξετάζονται σε επόμενο κεφάλαιο. Το βασικό χαρακτηριστικό τους, παρ όλ αυτά, δεν παύει να είναι το μεγάλο ίδιον βάρος, που τα διατηρεί στη θέση τους. Το φράγμα στον ποταμό Λούρο, που κατασκευάστηκε το 1954 και εξυπηρετεί την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας αποτελεί αντιπροσωπευτικό δείγμα αυτού του είδους κατασκευών στην Ελλάδα 10

12 vi. Τομή φράγματος βαρύτητας σε σκαρίφημα (αριστερά) και άποψη του φράγματος στον ποταμό Λούρο (δεξιά) Η προσπάθεια μείωσης αυτού του βάρους οδήγησε στα αντηριδωτά φράγματα, όπου τα υδροστατικά και υδροδυναμικά φορτία δεν αντισταθμίζονται από το μεγάλο βάρος της κατασκευής ούτε από την αψιδωτή λειτουργία της, αλλά από τη διαμόρφωση αντηρίδων στην κατάντη παρειά τους. Το 1955 ολοκληρώθηκε στην Ελλάδα το αντηριδωτό φράγμα στον ποταμό Λάδωνα, η κατασκευή του οποίου είχε ξεκινήσει 5 χρόνια νωρίτερα, με σκοπό την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Χτισμένο σε υψόμετρο 420 m, συγκεντρώνει m3 νερού. Το μήκος του φτάνει τα 101,5 m και το μέγιστο ύψος του τα 56 m. Για την περάτωσή του χρησιμοποιήθηκε οπλισμένο σκυρόδεμα, ενώ είναι αξιοσημείωτες οι πολύ μικρές καθιζήσεις, το πολύ 7 mm, η αυξημένη δυσκαμψία και η απουσία αξιόλογων διαρροών ακόμη και μισό αιώνα μετά την περάτωσή του. vii. Αντηριδωτό φράγμα σε σκαρίφημα (αριστερά) και άποψη του φράγματος Λάδωνα (δεξιά) 11

13 2 Φράγματα Βαρύτητας 2.1 Ορισμός και Ιστορική Αναδρομή Με τον όρο φράγματα βαρύτητας περιγράφονται όλες εκείνες οι μορφές φραγμάτων που διατηρούν την ευστάθειά τους βάσει του αυξημένου ιδίου βάρους τους, χωρίς όμως να συμπεριλαμβάνονται τα γεωφράγματα τα ξεχωριστά τεχνικά χαρακτηριστικά τους τα ομαδοποιούν σε διαφορετική κατηγορία. Κατά συνέπεια, ως φράγματα βαρύτητας ορίζονται οι κατασκευές εκείνες που η δομή και το υλικό τους εξασφαλίζουν το μεγάλο ίδιον βάρος. Στα πρώτα παραδείγματα φραγμάτων βαρύτητας συγκαταλέγονται τα φράγματα Άνω και Κάτω Sennacherib στον ποταμό Κοσρ του Ιράκ, της εποχής του 700π.Χ. Κατασκευάστηκαν με σκοπό την ύδρευση της πόλης Νινευή και η καινοτομία που τα διαφοροποιεί από τα ήδη προϋπάρχοντα γεωφράγματα και λιθόκτιστα χωρίς κονίαμα φράγματα είναι η χρησιμοποίηση κονιάματος για τη σύνδεση των ασβεστολιθικών, ψαμμιτικών και κροκαλοπαγών λίθων. Και τα δύο είχαν βαθμιδωτή κατάντη παρειά και βαθμιδωτή ή κεκλιμένη ανάντη παρειά, ενώ ήταν και υπερπηδητά. Όσον αφορά στο Κάτω φράγμα, πρόκειται για τεχνικό έργο μήκους 228 m και ύψους 3 m, με αξιοσημείωτη τη μη ανίχνευση υδροληψίας καθώς και τις διαφοροποιήσεις στη δόμηση του σώματός του, πιθανότατα λόγω κατοπινών επεμβάσεων σε ζημιές λόγω της υπερπήδησης. viii. Φράγμα Κάτω Sennacherib 12

14 Επόμενο παράδειγμα εξίσου μεγάλης ηλικίας αποτελεί το φράγμα Marib της Υεμένης, η πρώτη κατασκευή του οποίου πραγματοποιήθηκε το 700π.Χ. περίπου, με μήκος στέψης 580 m και ύψος από την κοίτη 4 m. Δεύτερη ανύψωσή του κατά 7 m έλαβε χώρα το 500π.Χ. Πρόκειται για τριγωνικής κατασκευής φράγμα με ιδιαίτερα απότομες κλίσεις πρανών: 45. Η διατήρηση τέτοιας κλίσης, ιδίως στην ανάντη παρειά, καθίσταται δυνατή και λόγω της εξωτερικής επένδυσής της με λίθους και κονίαμα. Ομοίως, από λιθοδομή με συνδετικό υλικό έχουν κατασκευαστεί και τα συνοδά τεχνικά έργα. ix. Φράγμα Marib Η ευρύτερη χρησιμοποίηση της τεχνολογίας των φραγμάτων βαρύτητας άρχισε να είναι γεγονός με την καθιέρωση της χρησιμοποίησης συνδετικού υλικού κατά τη ρωμαϊκή εποχή και τη μετάβαση από τη χρήση πηλού σε αυτή του ασβεστοκονιάματος. Χαρακτηριστικά παραδείγματα κατασκευών της ρωμαϊκής εποχής, που συνεχίζουν να λειτουργούν μέχρι κι σήμερα αποτελούν τα φράγματα Cornalvo και Proserpina στην Ισπανία. Το πρώτο από τα δύο είναι το ψηλότερο, με ύψος 20 m, μήκος 194 m και πλάτος στέψης 8 m. Στο σώμα του έχουν κατασκευαστεί από λιθοδομή εσωτερικοί τοίχοι σχηματίζοντας θήκες, που με τη σειρά τους περιέχουν λίθους και εδαφικά υλικά. Η στεγανότητα επιτυγχάνεται με κτιστή λιθοδομή με κονίαμα στην ανάντη παρειά του φράγματος. 13

15 x. Φράγμα Cornalvo, Ισπανία Το φράγμα Proserpina χρονολογείται από τον 1ο μ.χ. αιώνα και κατασκευάστηκε με σκοπό την ικανοποίηση των αναγκών της πόλης Merida για ύδρευση. Το ύψος του ανέρχεται σε 12 m. Έχει μήκος 427 m και πλάτος στη στέψη 2,30 m. Εσωτερικά το σώμα του περιλαμβάνει ζώνη σκυροδέματος και εξωτερικά λιθοδομή με κονίαμα. Πρόκειται για μία από τις πρώτες εφαρμογές φράγματος σύνθετης διατομής. xi. Φράγμα Proserpina, Ισπανία, 1ος μ.χ. αιώνας Το κονίαμα, με σημείο αφετηρίας ένα μίγμα ασβέστη και ποζολάνης, συνέχισε να αποτελεί έκτοτε συνδετικό υλικό στις περισσότερες κατασκευές φραγμάτων, 14

16 δεδομένου ότι έως το 1930μ.Χ. που καθιερώθηκε ευρύτερα το σκυρόδεμα όπως το αντιλαμβανόμαστε σήμερα, το 50% περίπου των φραγμάτων ήταν από κτιστή λιθοδομή. Εξάλλου, ακόμη και σήμερα η λιθοδομή χρησιμοποιείται σε χώρες υπό ανάπτυξη, με φτηνά εργατικά χέρια. [17] Η εφεύρεση του τσιμέντου Portland το 1892 σηματοδότησε την καθιέρωση του σκυροδέματος και στην τεχνολογία των φραγμάτων βαρύτητας με την έννοια που σήμερα ορίζεται ως συμβατικό σκυρόδεμα. Η εμπειρία από τη γενικευμένη χρήση του με την πάροδο του χρόνου, σε συνδυασμό με την καλή του συμπεριφορά, αποτέλεσε και βασικό πλεονέκτημα έναντι άλλων υλικών. Η μεγάλη περιεκτικότητά του σε τσιμέντο, 250 kg/m3, εξασφαλίζει το αυξημένο βάρος της κατασκευής και κατά συνέπεια, την ευστάθειά της. Επιπρόσθετα, το συμβατικό σκυρόδεμα είναι αρκετά αδιαπέρατο ώστε να μην κρίνεται αναγκαία η προσαρμογή επιπλέον στεγάνωσης. Χαρακτηριστικό παράδειγμα τέτοιας κατασκευής στην Ελλάδα είναι το φράγμα στο Λούρο, όπως έχει ήδη αναφερθεί. Η απλή φιλοσοφία αυτών των κατασκευών τις καθιέρωσε για αιώνες, μέχρι το 1960 περίπου, οπότε η εκμηχάνιση των χωματουργικών εργασιών και η καλλιέργεια περιβαλλοντικής συνείδησης ευνόησαν την ανάπτυξη της τεχνολογίας των γεωφραγμάτων. Παρ όλ αυτά, τα φράγματα βαρύτητας συνεχίζουν να βρίσκονται στο προσκήνιο των κατασκευών, καθώς συνεχίζουν να εξελίσσονται τόσο τα υλικά όσο και τα μηχανήματα κατασκευής τους. Βιοµηχανοποιηµένες χώρες Αριθµός μεγάλων φραγµάτων Μη βιοµηχανοποιηµένες χώρες Βαρύτητας 22% 4% Τοξωτά 6% 4% Αντηριδωτά Σύνολον βαρύτητας και κτιστά Σύνολον γεωφραγµάτων 3% - 31% 8% 69% 92% xii. Κατανομή φραγμάτων ανά χρησιμοποιούμενη τεχνολογία (Πηγή: ICOLD Bulletin 117) 15

17 Συνδυάζοντας τα χωματουργικά μηχανήματα με αλλαγές στο μίγμα του νωπού σκυροδέματος και συγκεκριμένα με μείωση του τσιμέντου και ανάλογες προσαρμογές στην κοκκομετρία των αδρανών, προέκυψε το Κυλινδρούμενο Σκυρόδεμα (Roller Compacted Concrete). Αποτελεί το βασικό δομικό υλικό φραγμάτων βαρύτητας στις ανεπτυγμένες χώρες και συνεχίζει να εξελίσσεται με επιμέρους παραλλαγές, όπως θα επισημανθεί αναλυτικότερα σε επόμενο κεφάλαιο. 2.2 Χαρακτηριστικά Φραγμάτων Βαρύτητας Όπως έχει ήδη επισημανθεί, ο όρος φράγμα βαρύτητας αφορά σε φράγματα που χρησιμοποιούν το ίδιο βάρος τους για να διασφαλίσουν τη ευστάθειά τους. Όποια κι αν είναι η τεχνολογία του υλικού που χρησιμοποιείται για την κατασκευή του σώματος του φράγματος βαρύτητας, η ανάληψη των οριζόντιων ωθήσεων πραγματοποιείται από τη διατμητική αντοχή του υλικού του σώματος καθώς και από τη διεπιφάνεια σώματος εδάφους θεμελίωσης. Ταυτόχρονα, το βάρος της κατασκευής δρα αντισταθμιστικά στις ανατρεπτικές ροπές από τα επιβαλλόμενα φορτία ανά πάσα στιγμή κατά τη διάρκεια ζωής του έργου. Σε αυτό το σημείο κρίνεται αναγκαίο να υπογραμμιστεί το γεγονός ότι εξετάζοντας κάθε έναν από τους τύπους φραγμάτων βαρύτητας αφενός εξετάζεται μια παραλλαγή της ίδιας αρχικής τεχνολογίας σχεδιασμού και κατασκευής του έργου, αφετέρου πρόκειται σε κάθε περίπτωση για μια ολιστική θεώρηση ενός συστήματος με αλληλεπιδρούσες συνιστώσες, που αφορούν τόσο στην τεχνολογία των υλικών, στην καθεαυτό κατασκευή του τεχνικού έργου όσο και στη γεωμετρία του. Με άλλα λόγια, οποιαδήποτε επιλογή σε κάθε έναν από τους παράγοντες αυτούς επιφέρει τις απαιτούμενες αλλαγές και στους υπόλοιπους παράγοντες που συνθέτουν το έργο. Κατά τη διάρκεια της ιστορικής τους εξέλιξης, φαίνεται ότι προηγήθηκαν τα λιθόκτιστα φράγματα και ακολούθησαν τα φράγματα από συμβατικό σκυρόδεμα (Conventional Concrete). Με τον όρο συμβατικό σκυρόδεμα εννοείται το μίγμα αδρανών, νερού, ποζολάνων και τσιμέντου, με το τελευταίο σε περιεκτικότητα 16

18 250kg/m3 σκυροδέματος. Το σκληρυθέν μίγμα είναι ένα ομοιογενές υλικό με αυξημένο βάρος, πυκνότητα της τάξης των 2400 kg/m3 και πρακτικά αδιαπέρατο. Η συμπεριφορά του αυτή επιτρέπει την κατασκευή τριγωνικών διατομών με πολύ απότομες κλίσεις παρειών. Η κλίση στην κατάντη παρειά είναι μικρότερη του 0,67:1 (Ο:Κ), ενώ η ανάντη είναι συνήθως κατακόρυφη ή πολύ μικρής κλίσης: 0,1:1(Ο:Κ). Παραμένοντας στον παράγοντα γεωμετρία, οι παρειές τέμνονται στη στέψη, εάν νοητά προεκταθούν και η μεθοδολογία κατασκευής με συναρμογή ανεξάρτητων μονόλιθων συμπαγούς σκυροδέματος επιτρέπει την ευελιξία στη χάραξη του οριζοντίου άξονα του φράγματος: ευθύγραμμος, καμπύλος, τεθλασμένος. xiii. Τυπική διατομή φράγματος βαρύτητας με παρακατακόρυφη ανάντη παρειά Οι αρχές σχεδιασμού των φραγμάτων από συμβατικό σκυρόδεμα, που σήμερα εφαρμόζονται, καλλιεργήθηκαν από τις ανάγκες που στην πορεία εξέλιξης των κατασκευών αυτών προέκυψαν. Το αξιοσημείωτο είναι ότι οι αρχές σχεδιασμού των φραγμάτων βαρύτητας παραμένουν οι ίδιες παρ όλες τις κατά καιρούς αναπροσαρμογές τους βάσει των διαφοροποιήσεων στα υλικά και τις μεθόδους κατασκευής. Σε γενικές γραμμές συνίστανται στα φορτία που λαμβάνονται υπ όψιν κατά το σχεδιασμό, στην ανάλυση ευστάθειας, στις απαιτήσεις της θεμελίωσης και τέλος στην επιλογή καταλληλότερης διάταξης υπερχειλιστή. 17

19 Στα φορτία σχεδιασμού συμπεριλαμβάνονται η υδροστατική πίεση από το νερό του ταμιευτήρα (H) και από το νερό στη λεκάνη αποτόνωσης ενέργειας ή στη στάθμη φυγής (Ww, H2). Υπολογίζεται η άνωση (Uplift) στη θεμελίωση, στη διεπιφάνεια θεμελίωσης φράγματος αλλά και σε οριζόντιες επιφάνειες μέσα στο σώμα του φράγματος. Στην περίπτωση που δεν υπάρχουν αποστραγγιστικές στοές, γίνεται η παραδοχή της γραμμικής μεταβολής της άνωσης κατά μήκος της διατομής του σώματος του έργου. Η συσσώρευση φερτών κατά τη διάρκεια λειτουργίας του έργου οδηγεί σε επιπλέον άσκηση πίεσης στην ανάντη παρειά (S). Ο υπολογισμός αυτής της πίεσης γίνεται με τη γεωστατική σταθερά, Κ 0, Για την ιλύ, που αποτελεί συνήθως και το κυρίως υλικό των αποθέσεων, λαμβάνεται ενδεικτικά πυκνότητα kg/m3 για επιπλέουσες μάζες της και 1925 kg/m3 για συμπυκνωμένες στρώσεις της. Το σεισμικό φορτίο εξετάζεται για διάφορες καταστάσεις λειτουργίας και ανάλογα με τη σπουδαιότητα του έργου και τις ζημίες που θα προέκυπταν από πιθανή αστοχία του. Για μικρής κλίμακας έργα μπορεί να θεωρηθεί επαρκής και η ψευδοστατική ανάλυση με χωριστή εξέταση της οριζόντιας και κατακόρυφης συνιστώσας, ενώ για μεγάλης κλίμακας κατασκευές κρίνεται αναγκαία η δυναμική της ανάλυση και η προσομοίωση της απόκρισής της σε σεισμό για διάφορες φάσεις λειτουργίας. Επίσης, στα συνήθη φορτία που συνυπολογίζονται συγκαταλέγεται η αντίδραση από τη θεμελίωση. Η επίδρασή της είναι επιθυμητή στο βαθμό που εξισορροπεί το σύνολο των φορτίων που εξασκούνται στο πεδίο θεμελίωσης του έργου, έτσι ώστε σε κανένα εξασκούμενο φορτίο να μην επιτρέπεται η ανάπτυξη αστάθειας ή ροπών ανατροπής. Τέλος, ανάλογα με τις επιμέρους συνθήκες που επικρατούν στην περιοχή και οι οποίες δύνανται να επηρεάσουν τη λειτουργικότητα αλλά κυρίως την ευστάθεια του φράγματος, εξετάζονται οι φορτίσεις από παγετό, άνεμο, θερμοκρασιακές μεταβολές και ανάπτυξη υποατμοσφαιρικής πίεσης σε τμήματα της κατασκευής σαν τον υπερχειλιστή, που ίσως να οδηγήσουν μεγαλύτερα προβλήματα, όπως σπηλαίωση. 18

20 Η κυρίως σταθεροποιητική δύναμη που ανθίσταται στις δυνάμεις ολίσθησης και στις ροπές ανατροπής παραμένει το βάρος του σώματος (Wc). Σε αυτό συμπεριλαμβάνεται και το βάρος όλων των επιπλέον κατασκευών και εξοπλισμών που εδράζονται πάνω στο σώμα του φράγματος. xiv. Συνήθεις φορτίσεις φράγματος βαρύτητας με κατακόρυφη ανάντη παρειά Πηγή: Design manual for small RCC Dams, PCA 2003 Η επίδραση των φορτίων στη ευστάθεια του έργου εξετάζεται για διάφορους συνδυασμούς τους. Τα κριτήρια με τα οποία ελέγχεται η ασφάλεια της κατασκευής συνοψίζονται στην αντίσταση σε ολίσθηση, αντίσταση σε ανατροπή και τη μη υπέρβαση των μέγιστων επιτρεπόμενων τάσεων. Ιδιαίτερη σημασία λαμβάνεται σε περιοχές ασυνεχειών, όπως είναι οι διατομές που περιλαμβάνουν ανοίγματα ή στοές. Οι συνδυασμοί φορτίσεων κατηγοριοποιούνται ως ακολούθως: Συνήθεις/Κύριες φορτίσεις σε κανονική λειτουργία με ή χωρίς φορτίο παγετού κατά περίπτωση 19

21 Στάθμη νερού ταμιευτήρα στην Ανώτατη Στάθμη Λειτουργίας, Ελάχιστη στάθμη στην κατάντη λεκάνη, Άνωση, Πίεση φερτών Δευτερεύουσες φορτίσεις με διόδευση πλημμύρας Στάθμη νερού στον ταμιευτήρα στην Ανώτατη Στάθμη Πλημμύρας, Αυξημένη στάθμη στην κατάντη λεκάνη, Άνωση, Πίεση φερτών Σπάνιες φορτίσεις σε συνθήκες λειτουργίας με σεισμό Οριζόντια σεισμική επιτάχυνση στην κατάντη διεύθυνση, Στάθμη νερού στον ταμιευτήρα στην Ανώτατη Στάθμη Λειτουργίας, Ελάχιστη στάθμη νερού στην κατάντη λεκάνη, Άνωση πριν το σεισμό, Πίεση φερτών Σπάνιες φορτίσεις και Μέγιστη Πιθανή Πλημμύρα (Maximum Probable Flood) Στάθμη νερού αντίστοιχη της M.P.F., Μέγιστη στάθμη στην κατάντη λεκάνη, Άνωση, Πίεση φερτών Ο έλεγχος της ευστάθειας του φράγματος γίνεται σε κάθε μία περίπτωση χωριστά και σε διατομές καθ όλο το μήκος του έργου. Η θεμελίωση του φράγματος αποτελεί ουσιαστικό στοιχείο της μελέτης και συνήθως, ιδίως για μικρότερου ύψους έργα, εξετάζεται σε βάθος ίσο με το ύψος του φράγματος. Εφόσον πρόκειται για βραχομάζα, ερευνώνται οι αντοχές της σε ορθή και διατμητική καταπόνηση, η περατότητά της και συχνά και ο συντελεστής Poisson. Τυχούσες ασυνέχειες που διαπιστώνονται εξετάζονται ως προς την έκτασή τους, τη μορφή και πυκνότητά τους, τη θέση τους ως προς το φράγμα και τον προσανατολισμό τους. Η συνηθέστερη τεχνική βελτίωσης της ποιότητας της βραχομάζας έδρασης του φράγματος είναι οι τσιμεντενέσεις. Το όφελος από αυτή τη μέθοδο ανάγεται τόσο στη στεγανοποίηση όσο και στη βελτίωση σταθεροποίηση του πεδίου θεμελίωσης. Στην περίπτωση που η έδραση του έργου γίνει σε εδαφικό υλικό, εξετάζονται τα ενδεχόμενα διαρροής, άνωσης στη θεμελίωση και στη διεπιφάνεια θεμελίωσης φράγματος, φαινομένου διασωλήνωσης και υδραυλικής διάβρωσης, ειδικά στην έξοδο της σήραγγας εκτροπής και του υπερχειλιστή. Τέλος, αναλύεται και η κατανομή των τάσεων. Βέβαια, εξυπακούεται ότι η θεμελίωση είναι αρκετά σθεναρή ώστε να μπορεί να αναλάβει το βάρος της κατασκευής. 20

22 Οι επιλογές για το τεχνικό υπερχείλισης ποικίλουν, ξεκινώντας ήδη από το αν θα έχει θυροφράγματα ή όχι. Συνήθως είναι προσαρμοσμένοι επάνω στο σώμα του φράγματος και κατασκευασμένοι από το ίδιο υλικό. [12], [17], [18] 2.3 Η Πορεία προς το Αξονοσυμμετρικό Φράγμα Κυλινδρούμενου Σκληρού Επιχώματος Εξετάζοντας πιο προσεκτικά την πορεία εξέλιξης των φραγμάτων βαρύτητας στη σύγχρονη εποχή γίνεται κατανοητή η ανάγκη που ώθησε στα Αξονοσυμμετρικά φράγματα Κυλινδρούμενου Σκληρού Επιχώματος από ισχνό κυλινδρούμενο σκυρόδεμα. Ήδη από τις πρώτες δεκαετίες του προηγούμενου αιώνα εντοπίστηκαν τα ζητήματα καλής λειτουργίας των φραγμάτων από τοιχοποιία. Στο φράγμα Pathfinder (North Platte River, Η.Π.Α.) παρατηρήθηκε και προβλημάτισε η άκαμπτη συμπεριφορά της κατασκευής αλλά και το πρόσθετο θερμοκρασιακό φορτίο από την αντίδραση ενυδάτωσης του τσιμέντου. Παρ όλ αυτά, η ιδέα μείωσης της ποσότητάς του στο μίγμα δεν είχε έρθει ακόμα στο προσκήνιο. Αντίθετα, η υψηλή εκείνη την εποχή τιμή του τσιμέντου αντιμετωπίστηκε με τη βέλτιστη εκμετάλλευση του διατιθέμενου υλικού από εξειδικευμένους τεχνίτες. Αντίστοιχα θέματα στο φράγμα Roosevelt (Η.Π.Α.) αντιμετωπίστηκαν με την προσαρμογή χαλύβδινου οπλισμού στο άνω τμήμα του έργου, προκειμένου να αναληφθεί το θερμοκρασιακό φορτίο αλλά και με τη διάστρωση του σκυροδέματος σε στρώσεις. Επίσης, ως αδρανή στο σκυρόδεμα έχουν προστεθεί λίθοι γρανίτη σε ποσοστό 25%. 21

23 xv. Φράγμα Th. Roosevelt: ολοκληρωμένο (αριστερά), κατασκευή τοιχοποιίας (δεξιά) Ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι περιπτώσεις των φραγμάτων Arrowrock και Elephant Butte, όπου σε μια διαφορετική προσπάθεια μείωσης της χρησιμοποιούμενης ποσότητας τσιμέντου εισήχθη το μίγμα άμμου-τσιμέντου. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα και στα δύο φράγματα τη μείωση αφενός του τσιμέντου, αλλά ταυτόχρονα και τη μείωση της ανθεκτικότητας του σκυροδέματος. Οι συνέπειες αυτού του εγχειρήματος συνοψίζονται αφενός σε περιορισμένες ρωγματώσεις στο Elephant Butte, αφετέρου σε πιο εκτεταμένες ζημιές στο Arrowrock, εξαιτίας και του λιγότερου ήπιου κλίματος στην περιοχή. Οι αλλαγές παγετού-τήξης επιδείνωσαν τη μειωμένη αντοχή του σκυροδέματος και επηρεάζοντας τη λειτουργικότητα του φράγματος. Σε κάθε περίπτωση, οι εργασίες του Duff A. Abrams επάνω στα χαρακτηριστικά του σκυροδέματος και το πώς επηρεάζονται από τις αναλογίες ανάμιξης και την ποιότητα των συστατικών του, έφεραν ένα διαφορετικό τρόπο αντιμετώπισης της τεχνολογίας αυτής. Ειδικότερα, τότε παρουσιάστηκαν οι θεμελιώδεις πλέον έννοιες της αναλογία νερού-τσιμέντου και της κοκκομετρικής διαβάθμισης των αδρανών. Το 1920 η ανάγκη για οικονομία στα υλικά οδήγησε στην ανάπτυξη της θεωρίας των τοξωτών φραγμάτων. Ταυτόχρονα αναπτύχθηκαν και τα αντηριδωτά φράγματα. Η εννοιολογική αυτή προσέγγιση αφορά στη μείωση του συνολικού όγκου της κατασκευής, γεγονός που ισοδυναμεί και με μείωση του απαιτούμενου υλικού, αντικαθιστώντας τη σταθεροποιητική δύναμη της βαρύτητας με την καλύτερη κατανομή των τάσεων μέσω του τοξωτού σχήματος ή των αντηρίδων, κατά περίπτωση. Φυσικά, προέκυψε η ανάγκη για πιο εξειδικευμένους και αξιόπιστους τεχνίτες. Αξιοσημείωτη είναι η κατασκευή του φράγματος Gerber (Miller Creek, Η.Π.Α.). Στο μίγμα του σκυροδέματος χρησιμοποιήθηκαν λίθοι 22