«ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ»

Transcript

1 ΑΝΩΤΑΤΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟ Ι ΡΥΜΑ ΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕ ΟΝΙΑΣ Τµήµα Μηχανικών Περιβάλλοντος & Μηχανικών Αντιρρύπανσης Κατεύθυνση Μηχανικών Γεωτεχνολογίας Περιβάλλοντος «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» DAM DESIGN. GEOTECHNICAL ENGINEERING ASPECTS. Αναπλ. Καθηγητής ρ Κώστας Σαχπάζης Πολιτικός / Γεωτεχνικός Μηχανικός & ιπλωµατούχος Γεωλόγος ιπλωµατούχος Πολιτικός Μηχανικός B.Eng (First Class Honours), Αγγλία (2013). ιπλωµατούχος Τεχνικός Γεωλόγος του Α.Π.Θ., Ελλάδα (1980). Παρακολούθηση τελευταίου έτους B.Eng. του τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών του Παν/µίου Newcastle Upon Tyne, Αγγλία (1982). ιπλωµατούχος Master (M.Sc. Eng.) Γεωτεχνικής Μηχανικής του τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών του Παν/µίου Newcastle Upon Tyne, Αγγλία (1983). ιδάκτωρ του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (Ε.Μ.Π.), Ελλάδα (1988). Μεταδιδακτορικός ερευνητής σε θέµα Carbon Critical Geotechnics στο Πανεπιστήµιο Newcastle, Αγγλία (2012). ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ 2016 «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ»

2 «. και κανένας που εµπλέκεται σε Έρευνες και Μελέτες Εδαφοµηχανικής, Βραχοµηχανικής και Γεωτεχνικής Μηχανικής δεν πρέπει να ξεχνά ότι το έδαφος ποτέ δεν µιµείται και ότι ποτέ δεν επαναλαµβάνεται από θέση σε θέση, αλλά ότι είναι απόλυτα ιδιαίτερο και µοναδικό» Κάθε εδαφικό τµήµα σε µία γεωµάζα κάποιας περιοχής είναι απόλυτα ιδιαίτερο και µοναδικό τόσο στην κοκκοµετρική του σύνθεση και στις φυσικοµηχανικές του ιδιότητες, όσο και στην εδαφοµηχανική / βραχοµηχανική του συµπεριφορά. Όσο πιο λεπτοµερής και εκτεταµένη είναι η γεωτεχνική γεωτρητική έρευνα υπαίθρου αλλά και οι εδαφοµηχανικές / βραχοµηχανικές εργαστηριακές εξετάσεις και δοκιµές τόσο µεγαλύτερη είναι και η πιθανότητα προσέγγισης της «άπιαστης» απόλυτης ακρίβειας, αλλά δυστυχώς τόσο µεγαλύτερο είναι και το απαιτούµενο κόστος και ο χρόνος προσδιορισµού των ιδιοτήτων του εδάφους. Όµως η ακρίβεια και το κόστος είναι µεταξύ τους εχθροί και πρέπει να τους συµβιβάζουµε. Η γεωτεχνική µηχανική λοιπόν είναι µία επιστήµη µάλλον της «προσέγγισης» παρά των απολύτων µεγεθών. Για τον λόγο αυτό µάλλον η εµπειρία και η κρίση του γεωτεχνικού µηχανικού παρά τα πολλά δεκαδικά ψηφία στους υπολογισµούς και στα αποτελέσµατα των υπαίθριων και εργαστηριακών δοκιµών αποτελούν το ισχυρότερο «εργαλείο» στην προσέγγιση της γνώσης και της κατανόησης των κρίσιµων ιδιοτήτων και δυνατοτήτων των εδαφών... Και η κρίση και η εµπειρία αποκτάται µόνο µε την πολλαπλή, την επαναλαµβανόµενη και την µακροχρόνια παρατήρηση και σύγκριση των εδαφικών συνθηκών και ιδιοτήτων σε σχέση µε την χωροχρονική συµπεριφορά «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 2

3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΓΕΝΙΚΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΡΙ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ Γενικά Ιστορικό φραγµάτων Σχεδιασµός - οµή - Προβλήµατα Πώς λειτουργούν τα φράγµατα Υδροηλεκτρικά φράγµατα Τα σηµαντικότερα φράγµατα στην Ευρώπη Ευθύνες του γεωλόγου και του µηχανικού (Μελετητή και Κατασκευαστή) Συνέπειες µίας αστοχίας Στατιστική προσέγγιση Σχεδιασµός Υδάτινοι πόροι - Εθνικές και ιεθνείς ιαστάσεις Χρησιµότητα του Ταµιευτήρα Ταµιευτήρες µοναδικού σκοπού Ταµιευτήρες πολλαπλού σκοπού ιάρκεια ζωής ενός φράγµατος Παράδειγµα Υπολογισµού Στερεοπαροχής των Υδρολογικών λεκανών Μάνδρας και Ελευσίνας (Σαρανταπόταµου) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις ιεπιστηµονική προσέγγιση Συναφή χαρακτηριστικά κατασκευαστικά στοιχεία των φραγµάτων Κιβωτοειδή προφράγµατα (cofferdams) Κατασκευή σκάλας διέλευσης ιχθύων (Fish ladder) Υδατοφράκτες (Gates) Εγκαταστάσεις παραγωγής υδροηλεκτρικής ενέργειας (Power Plant) Θυρόφραγµα ρυθµιστικής δεξαµενής (Gate) Αγωγός πτώσης νερού (Penstock) Υπερχειλιστές (Spillways) Σήραγγες (Tunnels) Βαλβίδες και υπόγειοι θάλαµοι βαλβίδων (Valves and valve vaults). ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΦΟΡΤΙΣΗ ΚΑΙ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ Εισαγωγή Στατική φόρτιση Οριζόντια φορτία Κατακόρυφα φορτία Άλλα φορτία στο φράγµα υναµική Φόρτιση Συντελεστής ασφάλειας - Φράγµατα βαρύτητας Συντελεστής ασφάλειας - Τοξωτά φράγµατα σκυροδέµατος Συντελεστής ασφάλειας - Χωµάτινα φράγµατα Ανάντη πρανές του χωµάτινου φράγµατος Κατάντη πρανές του χωµάτινου φράγµατος Συντελεστής ασφάλειας - Αντερείσµατα και Θεµελιώσεις. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΥΠΕ ΑΦΟΥΣ (Geotechnical Site Investigation). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 3

4 3.1. Εισαγωγή Γεωτεχνικής διερεύνησης υπεδάφους Απαιτήσεις σε χρόνο και σε χρήµατα για τις έρευνες Μελέτη βιβλιογραφίας και υπαρχόντων στοιχείων Προκαταρκτική έρευνα Γεωφυσική έρευνα Μέθοδος σεισµικής διάθλασης Μέθοδος ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης Πλεονεκτήµατα των γεωφυσικών µεθόδων Περιορισµοί ή µειονεκτήµατα των γεωφυσικών µεθόδων 3.6. Μέθοδοι Γεωτεχνικής διερεύνησης υπεδάφους Ερευνητικές Γεωτρήσεις και ειγµατοληψία Ερευνητικό πρόγραµµα γεωτεχνικής διερεύνησης υπεδάφους για την θεµελίωση ενός φράγµατος Σχεδιασµός και εκτέλεση ερευνητικών εργασιών για δανειοθαλάµους Αξιολόγηση της επιλεγόµενης περιοχής Ερευνητικές εργασίες για τις θεµελιώσεις Επιτόπιες ή υπαίθριες δοκιµές Ερευνητικές εργασίες για δανειοθαλάµους Λεπτοµερής ή οριστική έρευνα Παρακολούθηση της περιοχής µε όργανα. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΓΕΩΛΟΓΙΚΕΣ ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΥΠΕ ΑΦΟΥΣ Εισαγωγή γεωλογικών γεωτεχνικών συνθηκών Ορολογία γεωλογικών γεωτεχνικών όρων Ταξινόµηση των πετρωµάτων Τύποι πετρωµάτων Ιδιότητες του υλικού πετρώµατος και της βραχοµάζας Βραχοµηχανική και τεχνικογεωλογική περιγραφή και ταξινόµηση των ιδιοτήτων του υλικού του πετρώµατος και της βραχοµάζας Μεθοδολογία εκπόνησης περιγραφής ταξινόµησης Περιγραφή των ιδιοτήτων του υλικού του πετρώµατος. Α. Χρώµα. Β. Μέγεθος κόκκων. Γ. Ιστός.. Υφή. Ε. Κατάσταση Αποσάθρωσης και εξαλλοίωσης. Ζ. Αντοχή Περιγραφή των ιδιοτήτων της βραχοµάζας των πετρωµάτων. Α. Στρώση. Β. Ασυνέχειες (λοιπές). 1. Προσανατολισµός. 2. Πυκνότητα (ή διάστηµα ασυνεχειών). 3. Μήκος ίχνους ασυνέχειας. 4. Τραχύτητα. 5. Αντοχή Τοιχώµατος Ασυνέχειας (σ). 6. Άνοιγµα. 7. Πλήρωση. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 4

5 8. Υπεδαφικό νερό. 9. Οµάδες ασυνεχειών. 10. Μέγεθος τεµαχών πετρώµατος. Γ. Εκτίµηση της υδροπερατότητας της βραχοµάζας.. Προσεγγιστικός προσδιορισµός της Αντοχής της βραχοµάζας των πετρωµάτων Μέθοδος Ζ. Τ. Bieniawski Μέθοδος Ν. Barton et al ή Σύστηµα Q (NGI) Μέθοδος Ε. Hoek - Ε. Τ. Brown Μέθοδος ή Σύστηµα του είκτη Γεωλογικής Αντοχής (G.S.I.) των Evert Hoek, Carlos Carranza-Torres, και Brent Corkum, (2002), «HOEK-BROWN FAILURE CRITERION» Υπολογισµός των µηχανικών ιδιοτήτων της βραχόµαζας Γενικά Αντοχή και Παραµορφωσιµότητα Βραχοµάζας Αντοχή Βραχοµάζας Παραµορφωσιµότητα Βραχοµάζας Ανάλυση των χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων του υλικού πετρώµατος και της βραχοµάζας του Αντοχή σε θλίψη Περιγραφή και προδιαγραφές εκτέλεσης της δοκιµής για τον προσδιορισµό της αντοχής πετρώµατος σε ανεµπόδιστη (µονοαξονική) θλίψη Αντοχή σε σηµειακή φόρτιση Περιγραφή και προδιαγραφές εκτέλεσης της δοκιµής για τον προσδιορισµό της αντοχής πετρώµατος σε σηµειακή φόρτιση ιατµητική αντοχή Ελαστικότητα του υλικού πετρώµατος Παραµορφωσιµότητα υλικού πετρώµατος και βραχοµάζας Αποσάθρωση της βραχοµάζας Κατάσταση αποσάθρωσης Η αποσάθρωση συναρτήσει του βάθους στα Ανθρακικά πετρώµατα Η αποσάθρωση συναρτήσει του βάθους στα Πυριγενή και Μεταµορφωµένα Πετρώµατα Τεκτονικές πιέσεις Εργαστηριακές δοκιµές Επιτόπιες δοκιµές υπαίθρου ή πεδίου Χαρακτηριστικά της επιφάνειας των κοιλάδων Φράγµατα σε φαράγγια Φράγµατα σε στενές κοιλάδες Φράγµατα σε ευρείες ή ανοιχτές κοιλάδες Φράγµατα σε επίπεδες πεδιάδες Εκσκαφή και πλήρωση των κοιλάδων Εισαγωγή ιάβρωση, µεταφορά, και απόθεση από το τρεχούµενο νερό. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 5

6 Κοιλάδες Παγετώδους προελεύσεως Μορφολογικές - Τοπογραφικές και Γεωλογικές συνθήκες για τους διάφορους τύπους φραγµάτων Φράγµατα βαρύτητας Αντηριδωτά φράγµατα Τοξωτά φράγµατα πολλαπλών θόλων ή τόξων Παχιά τοξωτά φράγµατα Λεπτά τοξωτά φράγµατα Λιθόριπτα Φράγµατα Φράγµατα υδραυλικής επίχωσης Χωµάτινα αναχώµατα Σύνθετα φράγµατα Σεισµική δραστηριότητα Φυσικά γεγονότα Προκαλούµενα σεισµικά γεγονότα Γεωλογικοί κίνδυνοι Ευστάθεια των πρανών των κοιλάδων ιόγκωση κοιλάδων (Bulging) Μεταλλεία. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: Υ ΡΟΛΟΓΙΑ Εισαγωγή υδρολογίας Υδρολογικός κύκλος Ικανότητα αποθήκευσης Έξαλλο τµήµα φράγµατος (Freeboard) Προσαύξηση στάθµης λόγω πληµµύρων Επίδραση δυνάµεων λόγω ταλαντώσεων της στάθµης νερού από µεταβολές στην επιφάνεια του ταµιευτήρα (Επίδραση Seiche) Aνύψωση νερού λόγω επιρροής ανέµων στην επιφάνεια του νερού στον ταµιευτήρα (Wind Set-up) ράση κυµατισµού (Wave Action) Πληµµύρες Εκτίµηση της πληµµύρας σχεδιασµού Παροχέτευση πληµµύρων Υδροδυναµικά ίκτυα Ροής (Flow Nets) Υδρολογία ανισότροπου βραχώδους υποβάθρου Υδρολογία των πληρωµένων ταµιευτήρων. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ Εισαγωγή περί θεµελίωσης του φράγµατος Προετοιµασία της θεµελίωσης του φράγµατος Εισαγωγή Πρόγραµµα θεµελίωσης Προβληµατικά υλικά θεµελίωσης Εκσκαφή στο στρώµα του βραχώδους υποβάθρου Κατασκευή στις µη στερεοποιηµένες εδαφικές αποθέσεις Σκυρόδεµα Σχεδιασµός θεµελίωσης Πιέσεις και τάσεις που συνδέονται µε τα φράγµατα και τους ταµιευτήρες τους Πιθανοί µηχανισµοί της αστοχίας της θεµελίωσης. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 6

7 Γεωλογικές γεωτεχνικές συνθήκες και παράγοντες που επηρεάζουν την αστοχία της θεµελίωσης Φέρουσα ικανότητα του εδάφους θεµελίωσης ιήθηση νερού - Εισαγωγή Βασικά προβλήµατα διήθησης νερού Πρόληψη από αστοχίες λόγω διασωληνώσεων Αστοχίες λόγω διασωληνώσεων Κριτήρια σχεδιασµού των αποστραγγιστικών φίλτρων Προβλήµατα που συνδέονται µε τους φυσικούς σχηµατισµούς Οδηγίες και συστάσεις για την αποφυγή ανάπτυξης του φαινοµένου της διασωλήνωσης στους φυσικούς σχηµατισµούς Μέθοδοι µείωσης της διήθησης νερού Βασικές εκτιµήσεις Σιµεντενέσεις θεµελίωσης Μέθοδοι αποστραγγίσεων ιαπερατά κατάντη κελύφη Εσωτερικά αποστραγγιστικά συστήµατα Σκοπός Αποστραγγιστικά φίλτρα στο κατάντη τµήµα του φράγµατος Οριζόντιο αποστραγγιστικό κάλυµµα ή τάπητας (Horizontal drainage blanket) Μειονεκτήµατα των οριζόντιων αποστραγγιστικών καλυµµάτων ή ταπήτων Αποστραγγιστικά φίλτρα τύπου «Καµινάδας» ιαστάσεις και διαπερατότητα των αποστραγγιστικών φίλτρων Καθιζήσεις Αιτίες των καθιζήσεων Μέτρηση των καθιζήσεων Μέτρηση των καθιζήσεων στην κορυφή ή στέψη του φράγµατος Μέτρηση των εσωτερικών καθιζήσεων στο σώµα ενός φράγµατος Αποτελέσµατα και επιπτώσεις των καθιζήσεων στις κατασκευές Ολικές καθιζήσεις Απόκλιση Παραµόρφωση Στρέβλωση Καθιζήσεις λόγω µεταβολών στο περιβάλλον Μέθοδοι βελτίωσης εδαφών θεµελίωσης Προ-στερεοποίηση Συµπύκνωση των µη-συνεκτικών εδαφών υναµική συµπύκνωση Σιµεντενέσεις ή τσιµεντενέσεις (Grouting) ιαδικασίες κατασκευής σιµεντενέσεων σε στρώµατα βράχου (σε βραχοµάζα). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 7

8 Κατασκευή φραγµάτων σε µη στερεοποιηµένες εδαφικές αποθέσεις Υλικό σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος Τύποι σιµεντενέσεων και σιµεντενέµατος ιάταξη σιµεντενέσεων Καλύµµατα ή Τάπητες ή Μεµβράνες Σιµεντενέµατος ή Ρευστοκονιάµατος (Blanket Grouting) Σιµεντενέσεις τύπου κουρτίνας (Curtain Grouting) Ειδικού σκοπού σιµεντενέσεις, εκτός κανάβου κανονικής διάταξης Σύσταση σιµεντενέµατος και εφαρµοζόµενη πίεση σιµεντενέσεων. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: ΦΡΑΓΜΑΤΑ ΑΠΟ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ Περιεχόµενο των φραγµάτων βαρύτητας από σκυρόδεµα Εισαγωγή στα φράγµατα βαρύτητας Έννοιες και κριτήρια σχεδιασµού Κριτήρια φόρτισης Υποπίεση ή Ανύψωση Τάσεις Πιέσεις στα Φράγµατα βαρύτητας Αρµοί Συστολής - ιαστολής Εγκάρσιοι αρµοί ιαµήκεις αρµοί συστολής διαστολής Στοές & Σήραγγες Συναφές δοµές & κατασκευές του φράγµατος Υπερχειλιστής Προεντεταµένα φράγµατα βαρύτητας Υπολογισµός Φορτίων σε ένα προεντεταµένο φράγµατος βαρύτητας Περιεχόµενο των Τοξωτών ή Αψιδωτών φραγµάτων Εισαγωγή τοξωτά ή αψιδωτά φράγµατα Έννοιες σχεδιασµού και κριτήρια Ευστάθεια αντερεισµάτων Γεωµετρία του κελύφους Τοξωτά φράγµατα σταθερής ακτίνας καµπυλότητας Τοξωτά φράγµατα σταθερής γωνίας Τοξωτά φράγµατα µεταβλητής γωνίας Τοξωτά φράγµατα διπλής κυρτότητας - φράγµατα θόλων (Cupola Dam) Αρµοί συστολής διαστολής Προένταση Περιεχόµενο των Αντηριδωτών φραγµάτων Εισαγωγή στα αντηριδωτά φράγµατα Κατάστρωµα στέψης από πλάκα σκυροδέµατος Συµπαγής και ογκώδης κεφαλή αντηρίδας Φράγµα πολλαπλών θόλων ή τόξων Αντηρίδες Άνωση ή υποπίεση και ολίσθηση Αντηριδωτά φράγµατα υπερχείλισης Προένταση. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 8

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8: ΦΡΑΓΜΑΤΑ ΑΝΑΧΩΜΑΤΙΚΟΥ ΤΥΠΟΥ Εισαγωγή στα φράγµατα αναχωµατικού τύπου Ορολογία φραγµάτων αναχωµατικού τύπου Φράγµατα αναχωµατικού τύπου ιάταξη και σχεδιάγραµµα των έργων των φραγµάτων αναχωµατικού τύπου Περιορισµοί σχεδιασµού Θέση στεγανής ζώνης Ευστάθεια των πρανών του φράγµατος Εισαγωγή. Α. Οµοιογενές ανάχωµα. Β. Φράγµα αναχωµατικού τύπου χωρισµένο σε ζώνες. Γ. Τέλος της κατασκευής Κατάσταση σταθερής διήθησης νερού Γρήγορη ταπείνωση ή υποβιβασµός της στάθµης του νερού στον ταµιευτήρα σε χαµηλής διαπερατότητας εδάφη Γρήγορη ταπείνωση ή υποβιβασµός της στάθµης του νερού στον ταµιευτήρα σε εδάφη υψηλής διαπερατότητας Καθιζήσεις λόγω στερεοποίησης Προστασία των µετώπων των πρανών Πορείες διήθησης νερού ιασωλήνωση του εδάφους (Piping) Έλεγχος διήθησης νερού Εσωτερικά συστήµατα στραγγιστηρίων Σκοπός Στραγγιστήρια ή αποστραγγιστικά φίλτρα ποδός (Toe drains) Οριζόντια αποστραγγιστικά καλύµµατα Μειονεκτήµατα των οριζόντιων αποστραγγιστικών καλυµµάτων Αποστραγγιστικά φίλτρα τύπου «καπνοδόχου» ιαστάσεις και διαπερατότητα των αποστραγγιστικών φίλτρων Λεπτός ανάντη κεκλιµένος (αργιλικός) πυρήνας ιακόπτες µερικής στεγάνωσης νερού (Cut-offs) Αποστραγγιστικά φίλτρα και µεταβατικές ζώνες Αργιλικοί πυρήνες στεγάνωσης Έξαλλο τµήµα φράγµατος (Freeboard) Πλάτος στέψης ή κορυφής Εγκάρσιοι αποστραγγιστικοί οχετοί κάτω από τα αναχώµατα Εισαγωγή χωµάτινων φραγµάτων (Earthfill Dams) Τύποι χωµάτινων φραγµάτων Οµοιογενή χωµάτινα φράγµατα Χωµάτινα φράγµατα µε κεντρικό αδιαπέρατο πυρήνα Χωµάτινα φράγµατα µε κεκλιµένο αδιαπέρατο πυρήνα Χωµάτινα φράγµατα υδραυλικής επίχωσης οµικά υλικά Εισαγωγή στα λιθόριπτα φράγµατα (Rockfill Dams). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 9

10 Τύποι λιθόριπτων φραγµάτων Πλεονεκτήµατα της λιθόριπτης κατασκευής οµικά υλικά λιθοριπής Ποιότητα του πετρώµατος Βραχοµηχανικές εργαστηριακές δοκιµές καταλληλότητας Λ/Θ και Α.Υ Κόστος εξόρυξης του πετρώµατος Ανθεκτικότητα του πετρώµατος και της βραχοµάζας του Αντοχή του πετρώµατος Πετρογραφικά χαρακτηριστικά του πετρώµατος ιατµητική αντοχή πετρώµατος Λιθόριπτα φράγµατα µε χωµάτινο πυρήνα Λιθόριπτα φράγµατα µε πέτασµα ή κατάστρωµα. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9: ΥΠΕΡΧΕΙΛΙΣΤΕΣ Εισαγωγή ιαχείριση των νερών πληµµυρικής παροχής αιχµής Υπερχειλιστές ανεξέλεγκτης ή ελεύθερης υπερχείλισης Υπερχειλιστές ελεγχόµενης ή περιορισµένης υπερχείλισης Υπερχειλιστές µε κυλίστρα υδατόπτωσης Λεκάνη καταστροφής ενέργειας Εικόνες φωτορεαλισµού τρισδιάστατης προσοµοίωσης. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10: ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ Γενικά περί κατασκευής Ασφάλεια Προδιαγραφές Εγκαταστάσεις και εξοπλισµός Το κόστος και ο έλεγχός του Εκτροπή ποταµών Πρώτο στάδιο (A): εύτερο στάδιο (B) & (Γ) Τρίτο στάδιο (Γ) & ( ) & (Ε) Κατασκευή Φραγµάτων από Σκυρόδεµα Παραγωγή Αδρανών Υλικών ιαχείριση σκυροδέµατος, τοποθέτηση και στερεοποίησή του Ξυλότυποι σκυροδέτησης Ενσωµατωµένα στοιχεία στο σκυρόδεµα Ψύξη του σκυροδέµατος Οικονοµική κατασκευή Κατασκευή Φραγµάτων Αναχωµατικού τύπου Γενικά Φάσεις κατασκευής Ανάπτυξη λατοµείων και οδών προσπέλασης Συµπύκνωση εδαφικών υλικών Χωµάτινα φράγµατα Φράγµατα υδραυλικής επίχωσης Λιθόριπτα φράγµατα. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11: ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ - ΑΣΚΗΣΕΙΣ. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 10

11 11.1. Ερωτήσεις εδουλευµένα Παραδείγµατα. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 12: ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Ελληνικές προδιαγραφές και κανονισµοί στις Γεωτεχνικές Μελέτες Γενικές βιβλιογραφικές αναφορές. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΓΛΩΣΣΑΡΙΟ (ΟΡΟΛΟΓΙΑ) ΕΙ ΙΚΩΝ ΟΡΩΝ ΚΑΙ ΦΡΑΣΕΩΝ ΠΟΥ ΑΝΑΦΕΡΟΝΤΑΙ ΚΥΡΙΩΣ ΣΤΑ ΦΡΑΓΜΑΤΑ. Α. Ταξινοµηµένα αλφαβητικά µε βάση τους όρους στα Ελληνικά. Β. Ταξινοµηµένα αλφαβητικά µε βάση τους όρους στα Αγγλικά. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 11

12 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1. ΓΕΝΙΚΑ - ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΡΙ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ. 2. ΕΥΘΥΝΕΣ ΜΕΛΕΤΗΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΗ. 3. ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ. 4. ΣΥΝΑΦΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ ΓΕΝΙΚΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΡΙ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ Ιστορικό φραγµάτων. Τα φράγµατα χρησιµοποιήθηκαν αρχικά για να ελέγχουν τις πληµµύρες και να παρέχουν νερό για άρδευση και για ύδρευση. Η πρώτη αναφορά και καταγραφή φράγµατος έγινε από τον Έλληνα ιστορικό Ηρόδοτο. Το πρώτο φράγµα κατασκευάστηκε εγκαρσίως του ποταµού Νείλου στην Αίγυπτο το π.χ. περίπου για να προστατεύσει την πόλη της Μέµφιδος από τις πληµµύρες. Τα φράγµατα ήταν πολύ δηµοφιλή έργα κατά την Ρωµαϊκή εποχή, και δύο από τα φράγµατά τους είναι ακόµα σε χρήση µέχρι και σήµερα, δηλαδή σχεδόν χρόνια αργότερα. Οι καταγραφές για κατασκευή φραγµάτων χάθηκαν κυριολεκτικά κυρίως µετά από τους Ρωµαϊκούς χρόνους µέχρι και τον 18 ο αιώνα. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 12

13 Σήµερα υπάρχουν περίπου σηµαντικά φράγµατα στις Η.Π.Α. και συνεχίζουν να κατασκευάζονται σε όλο τον κόσµο µε αυξανόµενους ρυθµούς. Στην πραγµατικότητα, κάθε ηµέρα κατασκευάζεται παγκοσµίως και ένα νέο φράγµα που το ύψος του υπερβαίνει τα 16 µέτρα, µαζί και µε πολλά µικρότερα που δεν προσµετρούνται Σχεδιασµός - οµή - Προβλήµατα. Τα φράγµατα συνήθως ταξινοµούνται σύµφωνα µε τα υλικά που χρησιµοποιούνται για την κατασκευή τους, καθώς και τον βασικό σχεδιασµό και λειτουργία τους. Τα χωµάτινα φράγµατα έχουν ένα κεντρικό αργιλικό στεγανό πυρήνα, και ένα εξωτερικό σώµα αποτελούµενο από ισχυρό και συµπυκνωµένο έδαφος για να αντιστηρίζει και να διατηρεί στην θέση του τον µαλακό και ασταθή γενικά αργιλικό πυρήνα. Όσο διάστηµα κατασκευάζονται τα χωµάτινα φράγµατα, ο ποταµός θα πρέπει να εκτρέπεται από την πορεία του µέσω µίας σήραγγας εκτροπής ή ενός προσωρινού προφράγµατος εκτροπής. Τα χωµάτινα φράγµατα είναι µη υπερχειλιζόµενα φράγµατα, και έτσι θα πρέπει να έχουν κάποιον υπερχειλιστή (spillway) που θα προστατεύει το φράγµα από το να συµβεί κάποια σοβαρή ζηµία λόγω της υπερχειλιζόµενης πληµµύρας. Τα φράγµατα βαρύτητας από σκυρόδεµα συγκρατούν το νερό πίσω τους χρησιµοποιώντας µόνο και µόνο το µεγάλο βάρος τους. Η πλευρά που «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 13

14 αντικρίζει το νερό του ταµιευτήρια είναι κατακόρυφη ενώ η αντίθετη πλευρά του κλίνει βαθµιαία προς τα κάτω. εδοµένου ότι η µεγαλύτερη υδροστατική πίεση αναπτύσσεται κοντά στη βάση του φράγµατος, το φράγµα είναι παχύτερο στην βάση του, ενώ επειδή δεν υπάρχει και τόσο µεγάλη πίεση κοντά στη κορυφή ή στέψη του δεν είναι και τόσο παχύ στα ανώτερα τµήµατά του. Τα τοξωτά ή αψιδωτά φράγµατα από σκυρόδεµα χρησιµοποιούν τον τοξωτό ή αψιδωτό σχεδιασµό τους για να συγκρατήσουν την υδροστατική πίεση του νερού πίσω τους. Κατασκευάζονται συνήθως µέσα στα στενά και τα απότοµα φαράγγια όπου αναπτύσσονται πολύ καλές συνθήκες βραχοµάζας για την θεµελίωση της βάσης τους και των αντερεισµάτων τους. Η πλευρά που αντικρίζει το νερό του ταµιευτήρια είναι κυρτή και σχηµατίζει αψίδα ή τόξο. Όταν το νερό πιέζει ενάντια σε ένα τοξωτό φράγµα, και το φράγµα αυτό µε την σειρά του µεταφέρει τις υδροστατικές πιέσεις ωθώντας τα πρανή του φαραγγιού ή της χαράδρας επί των οποίων εδράζεται. Τα τοξωτά ή αψιδωτά φράγµατα µπορούν να κατασκευαστούν πολύ λεπτά επειδή µπορούν να συγκρατήσουν τις υψηλές αναπτυσσόµενες δυνάµεις µε τον αψιδωτό ή τοξωτό σχεδιασµό τους. (A) Συµπαγή Βαρύτητας. Η πίεση του νερού αντισταθµίζεται από το ίδιον βάρος του φράγµατος. (Γ) Λεπτά Προεντεταµένα. Ειδικού τύπου φράγµατα που αγκυρώνονται (Β) Αντηριδωτά Βαρύτητας. Οι αντηρίδες στηρίζουν το φράγµα και αντισταθµίζουν την πίεση του νερού στον ταµιευτήρα. Τα αντηριδωτά φράγµατα απαιτούν πολύ λιγότερο σκυρόδεµα για την κατασκευή τους από ότι τα συµπαγή φράγµατα βαρύτητας. ( ) Λιθόριπτα και Χωµάτινα. Κατασκευάζονται από βραχώδη ή «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 14

15 στην βραχοµάζα θεµελίωσής τους µε κατακόρυφους τένοντες ή ράβδους χάλυβα ή ειδικά συρµατόσχοινα, τα οποία στην συνέχεια προεντείνονται. γαιώδη εδαφικά υλικά, όπως δηλώνει και το όνοµά τους, µε µια αδιαπέρατη επιφάνεια ή πυρήνα από σκυρόδεµα, από άργιλο ή από χαλύβδινα ελάσµατα, κλπ. Εάν το νερό βρει κάποιο τρόπο να διαρρεύσει µέσω ενός φράγµατος, η υψηλή πίεσή του δεν θα το αφήσει να σταµατήσει. Το άνοιγµα διαρροής γρήγορα θα πάρει µεγαλύτερες διαστάσεις που θα απαιτήσει πολύ δαπανηρές εργασίες για να επισκευαστεί, εάν φυσικά δεν οδηγήσει σε ταχύτατη κατάρρευση του φράγµατος. Επίσης, όταν σταµατούν να ρέουν οι ποταµοί µε την κατασκευή ενός φράγµατος, η άγρια φύση και η βλάστηση µπορεί να εξαφανιστεί και να πεθάνει. Οι περιοχές ανάντη ενός φράγµατος διατηρούνται µετά την κατασκευή και λειτουργία ενός φράγµατος γενικά πληµµυρισµένες, προκαλώντας έτσι κατά κανόνα µεγάλη ζηµιά στο περιβάλλον Πώς λειτουργούν τα φράγµατα. Τα φράγµατα σχεδιάζονται έτσι ώστε να εκτελούν πολλές και διαφορετικές λειτουργίες. Ένα φράγµα µπορεί να κατασκευαστεί είτε ως ένα φράγµα αποθήκευσης νερού ή εκτροπής νερού είτε και συγκράτησης πληµµυρικού νερού (φράγµατα διευθέτησης πληµµύρων). Τα φράγµατα αποθήκευσης νερού κατασκευάζονται για να παγιδέψουν το νερό για αργότερη χρήση του, όπως είναι µια τεχνητή δεξαµενή (ταµιευτήρας). Τα φράγµατα εκτροπής νερού σταµατούν συνήθως τη φυσική ροή ενός ποταµού έτσι ώστε το νερό να µπορεί να διοχετευθεί µακριά σε µια διαφορετική θέση. Τα φράγµατα εκτροπής χρησιµοποιούνται συνήθως για την άρδευση µίας περιοχής. Τα φράγµατα συγκράτησης κατασκευάζονται συνήθως είτε για να σταµατήσουν είτε για να επιβραδύνουν την ποσότητα του νερού σε έναν ποταµό ώστε να αποφευχθούν οι υψηλές πληµµυρικές παροχές αιχµής ενός ποταµού σε ένα περιστατικό έντονης βροχόπτωσης. Αυτό γίνεται συνήθως για να προστατευθεί µια περιοχή από τις πληµµύρες. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 15

16 Όλα τα φράγµατα ταξινοµούνται σε φράγµατα µε υπερχείλιση ή χωρίς υπερχείλιση. Τα φράγµατα υπερχείλισης πρέπει να έχουν µία πολύ ισχυρή κορυφή ή στέψη, γιατί διαφορετικά η ροή του νερού θα αρχίσει γρήγορα να τα διαβρώνει και µπορεί τελικά να τα καταρρεύσει. Τα µη υπερχειλιζόµενα φράγµατα δεν µπορούν να αντεπεξέλθουν στον κίνδυνο της υπερχείλισης του νερού, και έτσι εξοπλίζονται µε κατάλληλες δοµές ελεγχόµενης υπερχείλισης νερού που είναι γνωστές ως υπερχειλιστές (spillways). Οι δοµές των υπερχειλιστών µπορεί να είναι κάποια σήραγγα η οποία παίρνει και εκτονώνει µακριά το υπερβολικό πληµµυρικό νερό, ή µπορούν να είναι ένα τµήµα ενός φράγµατος που κατασκευάζεται ειδικά για να υπερχειλίζει το πλεόνασµα του νερού. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 16

17 «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 17

18 Τα φράγµατα είµαι σηµαντικές κατασκευές επειδή βοηθούν την ανθρωπότητα να έχει επαρκές νερό κατάλληλης και ελεγχόµενης ποιότητας για πόση, να παρέχει νερό για την βιοµηχανία, νερό για την άρδευση, νερό για την αλιεία και την αναψυχή, νερό για την παραγωγή υδροηλεκτρικής ενέργειας, νερό για την ενδοποτάµια ναυσιπλοΐα, και για άλλες ανάγκες και σκοπούς. Τα φράγµατα εξυπηρετούν επίσης τους ανθρώπους µε την µείωση ή και την παρεµπόδιση των πληµµύρων. Τα φράγµατα είναι σηµαντικά έργα επειδή παρέχούν νερό για άρδευση και συνεπώς για την ανάπτυξη των περιοχών και την εξάλειψη της πείνας ιδιαίτερα στις υποανάπτυκτες χώρες Υδροηλεκτρικά φράγµατα. Πώς λειτουργούν. Τα υδροηλεκτρικά φράγµατα είναι πολύ υψηλής τεχνολογίας έργα αλλά και απλές µηχανές συγχρόνως. Ένα φράγµα συγκρατεί πίσω του το νερό, δηµιουργώντας µια δεξαµενή δυναµικής ενέργειας. Στο ανώτερο τµήµα του φράγµατος, ανοίγει µια πύλη νερού (θυροφράκτης) για να το αφήσει να ξεχυθεί µε ορµή µέσω µιας σήραγγας που οδηγεί στους στροβίλους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (turbines). Το νερό γυρίζει τους στροβίλους που περιστρέφουν στη συνέχεια τις γεννήτριες για να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Η ηλεκτρική ενέργεια φέρεται µέσω των καλωδίων οπουδήποτε απαιτείται. Ιστορία: Η υδροηλεκτρική δύναµη βρίσκεται στο προσκήνιο για ένα πολύ µακροχρόνιο διάστηµα έως σήµερα. Ο Αντίπατρος, ένας έλληνας ποιητής, ανέφερε την χρήση ορµητικά ρέοντος νερού για παραγωγή ενέργειας στις γραφές του κατά τον 4ο αιώνα Π.Χ.. Οι Ρωµαίοι χρησιµοποίησαν τον υδρόµυλο για παραγωγή ενέργειας. Στις 30 Σεπτεµβρίου του 1882, στο «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 18

19 Appleton του Wisconsin, κάποιο ορµητικά ρέον νερό παρήγαγε για πρώτη φορά ηλεκτρική ενέργεια. Από αυτήν την υποτυπώδη αρχική συµβολή στη σύγχρονη επιστήµη, η παραγωγή υδροηλεκτρικής ενέργειας ανήλθε στο αστρονοµικό µέγεθος των δισεκατοµµυρίων kilowatt παγκοσµίως. Το µεγαλύτερο υδροηλεκτρικό συγκρότηµα στον κόσµο βρίσκεται στον ποταµό του Παναµά, µεταξύ της Παραγουάης και της Βραζιλίας. Ονοµάζεται φράγµα Itaipu, και οι 18 στρόβιλοί (turbines) παράγουν megawatts ηλεκτρικής ενέργειας! Αυτή η ενέργεια είναι αρκετή για να φωτίσει συγχρόνως 120 εκατοµµύρια λαµπτήρες 100 Watt, που θεωρείται πολλή ενέργεια. Θέµατα σχεδιασµού και προβλήµατα: Οι κύριοι λόγοι που τα υδροηλεκτρικά φράγµατα δεν εµφανίζονται σε όλες τις περιοχές είναι ότι είναι πολύ δαπανηρά και απαιτούν µεγάλους όγκους συγκράτησης νερού σε σχετικά κοντινά σηµεία κατοικηµένων περιοχών. Σύµφωνα µε στοιχεία της Παγκόσµιας Τράπεζας, οι «αναπτυσσόµενες χώρες θα πρέπει να εξασφαλίσουν κονδύλια της τάξης των 150 δισεκατοµµυρίων Ευρώ ( ) µέχρι το έτος 2010 για υδροηλεκτρικές εγκαταστάσεις που αυτήν την περίοδο βρίσκονται στο στάδιο του προγραµµατισµού.». Απαιτούνται µεγάλοι όγκοι συγκράτησης νερού για αυτά τα είδη φραγµάτων επειδή µόνο τα φράγµατα µεγάλης κλίµακας µπορούν να αποπληρώσουν και να αποσβέσουν την πολύ υψηλή επενδυόµενη δαπάνη κατασκευής τους πιο γρήγορα από τα µικρότερα φράγµατα. Ένα άλλο πρόβληµα που προκύπτει είναι η επίδραση των φραγµάτων στα οικοσυστήµατα των ποταµών. Πολλοί ποταµοί, πριν από την κατασκευή φραγµάτων, απέθεταν µε τις πληµµύρες τους ιλύ και άµµο και δηµιουργούσαν στα κατάντη τους αποθέσεις τύπου δέλτα και σχετικά οικοσυστήµατα. Τα φράγµατα όµως βάζουν τέλος σε αυτές τις πληµµύρες και επιτρέπουν στη βλάστηση να αναπτυχθεί και να φράξει την κατάντη ζώνη του ποταµού. Το γεγονός αυτό εξαφανίζει πολλά διαφορετικά είδη ψαριών που ζουν σε αυτές τις περιοχές. Επίσης, εάν αναµιχθούν χηµικές ουσίες ή πετρέλαια µε το νερό µέσω των υδροστροβίλων, µπορεί θα πεθάνουν τα ζώα που ζουν στις κατάντη περιοχές. Ένα άλλο πρόβληµα υπάρχει και κατά τον προγραµµατισµό των µεγάλων φραγµάτων. Τα µεγάλα φράγµατα απαιτούν µεγάλες περιοχές απαλλοτρίωσης. Πολλοί άνθρωποι θα πρέπει να εκκενώσουν και να εγκαταλείψουν αυτές τις περιοχές απαλλοτρίωσης εντός µιας περιόδου µόνο µερικών εβδοµάδων, δηµιουργώντας έτσι κοινωνικά προβλήµατα. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 19

20 Τα σηµαντικότερα φράγµατα στην Ευρώπη. Στην συνέχεια αναφέρονται επιγραµµατικά και πινακοποιηµένα τα σηµαντικότερα φράγµατα, µε ύψος πάνω από 60 m, που βρίσκονται υπό κατασκευή στην Ευρώπη, σύµφωνα µε στοιχεία του ΧΩΡΑ ΟΝΟΜΑ ΦΡΑΓΜΑΤΟΣ ΟΝΟΜΑ ΠΟΤΑΜΟΥ ΥΨΟΣ ΦΡΑΓ- ΜΑΤΟΣ (m) Βοσνία-Ερζεγοβίνη Konic 87 Ελλάδα Ιλαρίωνος Ευήνου Αλιάκµονας Εύηνος Ιταλία Castagnara / Metramo Menta Monte Nieddu Archichiaro Metramo Menta F.Y.R.O.M. Kozjak, Lisice Treska Topolka Πορτογαλία Alqueva Guadiana 96 Ρουµανία Gura Apelor Poiana - Marului Rastolita Vaja Runcu Poiana Rusca Ciresu Cornereva Raul Mare Bistra Marului Rastolita Bistrita Mara Paraul Rece Basca Mare Belareca Ισπανία Rules Itoiz Llosa del Cavall La Aguzadera Enciso Rialb Val Casasola Giribaile Montearagon Iruena Cigudosa Puentes II Gudalfeo Irati Cardoner Aguzadera Cidacos Segre Val Campanillas Guadalimar Flumen Agueda Alhama Luchena ,3 104,5 103, ,5 62 Γιουγκοσλαβική Συνοµοσπονδία Prvonek Rovni Selova Banistica Jablanica Toplica «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 20

21 1.2. Ευθύνες του γεωλόγου και του µηχανικού (Μελετητή και Κατασκευαστή). Οι ευθύνες του µηχανικού ή της οµάδας µάλλον των εµπλεκόµενων µηχανικών (υδραυλικού, γεωτεχνικού, γεωλόγου, στατικού, µηχανικού γεωτεχνολογίας, κλπ) στην µελέτη, κατασκευή και συντήρηση ενός φράγµατος, είναι πρωτίστως στα θέµατα της ασφάλειας του έργου. Η οµάδα των αρµόδιων µηχανικών πρέπει να ενεργήσουν µε την απαιτούµενη ακεραιότητα και υπευθυνότητα και να δώσει την οφειλόµενη προσοχή στο σκοπό του έργου και κυριότερα στα τελικά αποτελέσµατα και στις επιπτώσεις που µπορεί να έχει το έργο στα ανθρώπινα όντα. Συγχρόνως οι διαφόρων ειδικοτήτων µηχανικοί είναι αρµόδιοι και υπεύθυνοι στην κοινωνία µας για το τελικό κόστος της κατασκευής. Επειδή δε, υπάρχει πάντα ένα όριο στη χρηµατοδότηση ενός έργου, δεν θα πρέπει για κανένα απολύτως λόγο οποιαδήποτε περικοπή λόγω κόστους στο έργο να θυσιάζεται κατά της ασφάλειάς του. Οι διαφόρων ειδικοτήτων µηχανικοί φέρνουν επίσης και µια νοµική ευθύνη, και θα πρέπει να είναι πάντα υπεύθυνοι τόσο για το τι κάνουν όσο και για το τι λένε Συνέπειες µίας αστοχίας. Οι αστοχίες στα έργα των φραγµάτων συµβαίνουν συνήθως µε µία τροµερή ταχύτητα και συνήθως χωρίς την παραµικρή προειδοποίηση, µε τη δυνατότητα να προκληθούν καταστροφές ακόµα και στην κλίµακα του εθνικού επιπέδου. Όταν το φράγµα Oros (Oros Dam) στη Βραζιλία αστόχησε τον Μάρτιο του 1960, κάπου 30 µε 50 άνθρωποι χάθηκαν και άνθρωποι αποµακρύνθηκαν, περίπου 730 εκατοµµύρια κυβικά µέτρα νερού απελευθερώθηκαν µέσα στις επόµενες 34 ώρες µε µια µέγιστη πληµµυρική παροχή (ροή) αιχµής της τάξεως των κυβικών µέτρων ανά δευτερόλεπτο! Επιπλέον στην συνέχεια, για χάρη λακωνικότητας (1 φωτογραφία = λέξεις), απεικονίζονται φωτογραφικά τα διάφορα στάδια της τροµερής και ιστορικής καταστροφής που συνέβει στην πόλη του Longarone παραπλεύρως του ορεινού όγκου Toc, όταν το ανάντη αυτής φράγµα Vajont, αστόχησε ξαφνικά κατά την διάρκεια της νύχτας τον Οκτώβριο του «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 21

22 Figure 1.1a: Το φράγµα Vajont κατά την διάρκεια πλήρωσης της λεκάνης κατάκλισής του (ταµιευτήρα). Στο µέσον της απόστασης, στο κέντρο της φωτογραφίας, βρίσκεται το ύψωµα Toc µε το ασταθές πρανές όπου διακρίνεται η λευκή «ρωγµή εφελκυσµού» στο µέτωπο του ορεινού όγκου ακριβώς επάνω από την επιφάνεια του νερού. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 22

23 Figure 1.1b: Κατά την διάρκεια της πλήρωσης µε νερό της λεκάνης κατάκλισης (ταµιευτήρα) του φράγµατος Vajont, ο πόδας (βάση) του µετώπου του πρανούς του ορεινού όγκου Toc βυθίστηκε και αυτό προκάλεσε την κατολίσθηση. Το «βουνό» µε τα υλικά κατολίσθησης διακρίνονται στο κεντρικό τµήµα της φωτογραφίας. Η εξαιρετικά γρήγορη κάθοδος των υλικών της κατολίσθησης εκτόπισε το νερό στον ταµιευτήρα προκαλώντας ένα τεράστιο κύµα ύψους 100 m που πήδηξε τον τοξωτό τοίχο από σκυρόδεµα του φράγµατος και παροχετεύτηκε προς τα κατάντη. Ο τοξωτός τοίχος του φράγµατος από σκυρόδεµα, όπως φαίνεται µπροστά στην φωτογραφία, έµεινε σχεδόν άθικτος. Figure 1.1c: Άποψη της πόλης του Longarone, που τοποθετείται κατάντη του φράγµατος Vajont, πριν από την αστοχία του ορεινού όγκου Toc τον Οκτώβριο του «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 23

24 Figure 1.1d: Άποψη των «ερειπίων» της πόλης του Longarone, αµέσως µετά από την πληµµύρα που προκλήθηκε από υπερπήδηση του νερού από τον τοξωτό τοίχο του φράγµατος από σκυρόδεµα σαν αποτέλεσµα της αστοχίας και της ταχύτατης καθόδου των υλικών κατολίσθησης του ορεινού όγκου Toc. Περισσότεροι από άνθρωποι έχασαν την ζωή τους από την πληµµύρα. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 24

25 Στατιστική προσέγγιση - Ταξινόµηση του κινδύνου σύµφωνα µε τον Gruner. 45% Υδραυλικές Συνθήκες 30% Τύπος δοµής και κατασκευής 7% Γεωλογικές Γεωτεχνικές Συνθήκες 6% Περιβάλλον 6% Άλλες Συνέπειες Πίνακας βασισµένος σε στοιχεία µίας έκθεσης της ιεθνούς Επιτροπής Μεγάλων Φραγµάτων του Έρευνα πεδίου Αριθµός περιστατικών Τοξωτά Αντηριδωτά Βαρύτητας Χωµάτινα Λιθόριπτα Άλλα Σύνολο Υλικά ιάταξη Σχεδιασµός Κατασκευή Λειτουργία Επίβλεψη Σύνολα «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 25

26 1.3. Σχεδιασµός. 1. Υδάτινοι πόροι - Εθνικές και ιεθνείς ιαστάσεις 2. Χρησιµότητα του Ταµιευτήρα 3. ιάρκεια ζωής ενός φράγµατος 4. Παράδειγµα Υπολογισµού Στερεοπαροχής των Υδρολογικών λεκανών Μάνδρας και Ελευσίνας (Σαρανταπόταµου) 5. Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις 6. ιεπιστηµονική Προσέγγιση Υδάτινοι πόροι - Εθνικές και ιεθνείς ιαστάσεις. Το νερό είναι πιθανώς για την ανθρωπότητα το πιο ζωτικής σηµασίας προϊόν, η βέλτιστη και ορθολογική χρήση του οποίου θα είναι πρωταρχικής σπουδαιότητας στον επεκταµένο πολιτισµό µας. Ο χωροχρονικός σχεδιασµός και προγραµµατισµός του εποµένως είναι ουσιαστικότατος σε µια ευρεία γεωγραφικά κλίµακα, πέρα από τα στενά όρια ενός έθνους, καθώς και κατά τη διάρκεια µιας πολύ µακριάς χρονικής περιόδου. Το µέγιστο εµπόδιο είναι συνήθως το απρόσιτο ή η µη διαθεσιµότητα της χρηµατοδότησης για τις απαραίτητες εµπεριστατωµένες έρευνες. Θα ήταν επιθυµητό από την άποψη της εφαρµοσµένης µηχανικής και της τεχνολογίας να ξενικάει η ανάπτυξη και αξιοποίηση των υδάτινων πόρων πρώτα από την υψηλή ζώνη µίας υδρολογικής λεκάνης ενός ποταµού και σταδιακά κατόπιν να προοδεύει προς τα κατάντη τµήµατα. Αυτό θα βελτίωνε την ποιότητα καθώς και θα διευκόλυνε βαθµιαία τον αυξανόµενο έλεγχο της παροχής του ποταµού και θα χαµήλωνε ταυτόχρονα και το κόστος των κατάντη έργων αξιοποίησης. Εντούτοις υπάρχει συνήθως λιγότερο υδρολογικό υδραυλικό δυναµικό στα ανάντη της υδρολογικής λεκάνης, δυσκολότερη πρόσβαση και ως εκ τούτου υψηλότερες δαπάνες κατασκευής, µε συνέπεια ο τελικός λόγος (αναλογία) οφέλους / κόστους να γίνεται γενικά χαµηλότερος. Παραδείγµατος χάριν το φράγµα Hoover, που χρησιµοποιείται για να αποτρέψει ή και να διευθετήσει τις πληµµύρες, να παραγάγει ηλεκτρική ενέργεια και να παρέχει άρδευση, έχει δύο ισχυρότατους υπερχειλιστές, οι οποίοι λόγω των ακόλουθων της κατασκευής του φράγµατος αυτού αναπτύξεων και αξιοποιήσεων των υδατικών πόρων της ίδιας υδρολογικής λεκάνης προς τα ανάντη του φράγµατος αυτού πιθανώς δεν θα χρησιµοποιηθούν ποτέ, οδηγώντας σε υπερβολικές δαπάνες. Τέτοια φαινόµενα είναι αναπόφευκτα όταν και όπου αναπτύσσεται µόνο ένα µέρος ενός συστήµατος ποταµών µιας υδρολογικής λεκάνης, δηλ. όταν η οικονοµία απαιτεί να αξιοποιούνται πρώτα οι «καλύτερες» θέσεις κατασκευής φραγµάτων, οδηγώντας σε αυτό που λέµε κατά κάποιον τρόπο ως «ληστρική εκµετάλλευση». «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 26

27 Σε µια µεγαλύτερη κλίµακα, οι σηµαντικότεροι ποταµοί του κόσµου διαµορφώνουν συχνά τα διεθνή σύνορα µεταξύ παρακείµενων χωρών ή πηγάζουν σε µια χώρα και απορρέουν µέσω διάφορων άλλων. Εποµένως θα µπορούσαν παραδείγµατος χάριν να υπάρξουν διεθνείς συµφωνίες ή συµβάσεις µεταξύ των χωρών από την άποψη του σεβασµού της χρήσης ενός ποταµού. Για την ικανοποιητική λοιπόν κατανοµή των δαπανών θα πρέπει πρώτα να εξελιχθεί και να γίνει αποδεκτό ένα βασικό ορθολογικό πρόγραµµα µε σκοπό την πλήρη ανάπτυξη µιας υδρολογικής λεκάνης και των ποταµών της Χρησιµότητα του Ταµιευτήρα Ταµιευτήρες µοναδικού σκοπού. Όταν ο σκοπός κατασκευής του είναι κυρίως για τη βιοµηχανία, όπως π.χ. για την εκµετάλλευση µεταλλείων όπου η ζωή του φράγµατος εξαρτάται από τα αποθέµατα των ορυχείων, ή για την παροχή υδρευτικού νερού µιας πόλης ή για σκοπούς αναψυχής και χαλάρωσης-οµορφιάς, κλπ Ταµιευτήρες πολλαπλού σκοπού. Όταν ο σκοπός κατασκευής του είναι κυρίως για πολλούς σκοπούς ταυτόχρονα, όπως αναφέρονται ενδεικτικά παρακάτω. 1. Παροχή νερού (απαιτεί έναν υψηλό ταµιευτήρα), 2. Άρδευση, 3. Κατακράτηση ιλύος, 4. Μεταφορά, 5. Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, 6. Αναψυχή και χαλάρωση-οµορφιά (απαιτεί µία σταθερής στάθµης επιφάνεια στον ταµιευτήρα), 7. ιευθέτηση πληµµύρων (απαιτεί έναν χαµηλό ταµιευτήρα) ιάρκεια ζωής ενός φράγµατος. Πολλά φράγµατα παγκοσµίων υπάρχουν που είναι άνω των 1000 ετών. Τα φράγµατα βαρύτητας και τα λιθόριπτα θα πρέπει θα έχουν τις προϋποθέσεις για µεγάλη δοµική διάρκεια ζωής, ενώ τα λεπτά τοξωτά φράγµατα, τα φράγµατα πολλαπλών θόλων ή τόξων, ή τα αντηριδωτά φράγµατα έχουν πιο περιορισµένη διάρκεια ζωής, ειδικά εάν αυτά αποταµιεύουν όξινο ή επιθετικό για τα αλκάλια του σκυροδέµατος νερό. Είναι σύνηθες το γεγονός της χρηµατοδότησης της οικοδόµησης ενός φράγµατος σε µία ανταποδοτική βάση επιστροφής του κόστους του (της απόσβεσης της επένδυσής του) σε χρονικό διάστηµα πάνω από 50 µε 60 χρόνια. Μετά από αυτή την χρονική περίοδο το µόνο κόστος θα είναι αυτό της «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 27

28 συντήρησής του. Η διάρκεια ζωής ενός φράγµατος µπορεί επίσης να προβλεφθεί και από την ποσότητα της ιλύος και λάσπης που εισέρχεται στον ταµιευτήρα από τον ποταµό (εισερχόµενη στον ταµιευτήρα στερεοπαροχή), δεδοµένου ότι ο ταµιευτήρας χάνει την χωρητικότητά του. Είναι δυνατό να αυξηθεί το ύψος και η χωρητικότητα ενός φράγµατος µε προσθήκη και ενίσχυσή του, αλλά και µε ιδιαίτερα υψηλά έξοδα. Στην συνέχεια δίδονται τα αποτελέσµατα από κάποια παραδείγµατα υπολογισµού της διάρκειας ζωής κάποιων ταµιευτήρων - φραγµάτων στα Λευκά Όρη (Snowy Mountains Project) λόγω πρόσχωσής τους από ιλύ και λάσπη, δηλαδή λόγω εισερχόµενης στον ταµιευτήρα στερεοπαροχής. Όνοµα Ταµιευτήρα Εκτιµούµενα έτη ζωής λόγω πρόσχωσής του µε ιλύ-λάσπη. Eucumbene Tantangara Λίµνη Tumut Tooma Ακολούθως δίδεται ένα παράδειγµα όπου παρουσιάζεται η αναλυτική διαδικασία και η µεθοδολογία υπολογισµού της στερεοπαροχής διάφορων υδρολογικών λεκανών µε σκοπό την εκτίµηση της διάρκειας ζωής ενός ταµιευτήρα λόγω πλήρωσής του από την πρόσχωση που θα υποστεί από την εισερχόµενη από τα ποτάµια ή τα ρέµατα των υδρολογικών λεκανών αργιλοϊλύ και λάσπη (στερεοπαροχή). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 28

29 Παράδειγµα Υπολογισµού Στερεοπαροχής των Υδρολογικών λεκανών Μάνδρας και Ελευσίνας (Σαρανταπόταµου). Ο ακριβής υπολογισµός της διαχρονικής στερεοπαροχής, που ορίζεται σαν την ποσότητα των φερτών υλικών ανά µονάδα χρόνου, θα απαιτούσε µακροχρόνιες παρατηρήσεις και στοιχεία συστηµατικών υπαίθριων µετρήσεων. υστυχώς, στοιχεία τέτοιου είδους δεν υφίστανται συνήθως σε µία εξεταζόµενη περιοχή λεκανών απορροής ενός µελετούµενου φράγµατος. Συνεπώς, στην ενότητα αυτή θα περιορισθούµε στον εκτιµητικό υπολογισµό (Ντετερµινιστική µέθοδος) της αναµενόµενης στερεοπαροχής φερτών υλικών των εξεταζόµενων λεκανών της Μάνδρας και Ελευσίνας ως παράδειγµα, χρησιµοποιώντας και εφαρµόζοντας έµµεσες - συγκριτικές µεθόδους που βασίζονται αρχικά στην ανάλυση όλων εκείνων των δεδοµένων και παραγόντων που επιδρούν καθοριστικά στη διαµόρφωση της στερεοπαροχής ενός υδατορέµατος µιας λεκάνης απορροής, και στη συνέχεια, σε µαθηµατικές εξισώσεις προσοµοίωσης (µοντέλα) που συσχετίζουν τους διάφορους αυτούς παράγοντες, και τελικά καταλήγουν µε υψηλό συντελεστή προσδιορισµού (R 2 ), στον κατ' εκτίµηση υπολογισµό της αναµενόµενης στερεοπαροχής των εξεταζόµενων αυτών λεκανών απορροής. Οι παράγοντες που καθοριστικά επηρεάζουν την στερεοπαροχή µιας λεκάνης είναι: α) Οι υδρολογικοί παράµετροι β) Οι κλιµατικοί παράµετροι, γ) Οι τοπογραφικοί παράµετροι, και δ) Οι γεωλογικοί παράµετροι. Οι. Κουτσογιάννης - Κ. Τάρλα (1987) µετά από εργασία τους στην ύπαιθρο, εκτελώντας µετρήσεις και παρατηρήσεις επί των παραπάνω αναφερόµενων παραµέτρων σε διάφορες υδρολογικές λεκάνες στην Ελλάδα, κατέληξαν µε οπισθανάλυση και στατιστικές επεξεργασίες και µεθοδολογίες, σε ένα µαθηµατικό προσοµοίωµα (µοντέλο) που συσχετίζει όλες τις µεταβλητές και παραµέτρους, και που τελικά προσδιορίζει την αναµενόµενη στερεοπαροχή µιας λεκάνης. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 29

30 Η τελική µαθηµατική αυτή σχέση που προσδιορίζει την αναµενόµενη στερεοπαροχή (G) είναι η ακόλουθη: G = C2 x γ x e(n x p) ή G/γ = C2 x e (n x p), εάν G 1 = G/γ (µέγεθος που ονοµάζεται ειδική στερεοπαροχή). τότε: G1 = C2 x e (n x p) (1) Η εξίσωση (1) αποτελεί την µορφή της µαθηµατικής έκφρασης της ειδικής στερεοπαροχής. Οι σταθερές C2, ή της παραπάνω σχέσης, υπολογίσθηκαν, από τους ερευνητές, µε απευθείας εκθετική παλινδρόµηση ανάµεσα στις µεταβλητές G 1 και p και τελικά προέκυψε: G 1 = 15 x e [(3 x p)/1000] (2) µε συντελεστή συσχέτισης (R) ίσο µε Επιλύνοντας την παραπάνω σχέση (2) ως προς G και εκφράζοντας την βροχόπτωση (p) σε µέτρα (m), έχουµε την τελική έκφραση της στερεοπαροχής: G = 15 x γ x e (3 x p) (3) όπου: G = µέση ετήσια στερεοπαροχή σε (t/km 2 ), p = µέσο ετήσιο ύψος βροχής σε (m), και γ = γεωλογικός συντελεστής, που ορίζεται από την παρακάτω σχέση: όπου: γ = Κ 1 x p 1 + K 2 x p 2 + K 3 x p 3 (4) Κ 1, Κ 2, Κ 3 : συντελεστές διαβρωσιµότητας, των τριών βασικών κατηγοριών πετρωµάτων. p 1, p 2, p 3 : οι αντίστοιχες αναλογίες της έκτασης στην οποία εµφανίζεται η κάθε κατηγορία πετρωµάτων, προς τη συνολική έκταση της λεκάνης, όπως προκύπτουν από την γεωλογική χαρτογράφηση της περιοχής της µελέτης. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 30

31 Στα παρακάτω σχέδια παρουσιάζονται οι εξεταζόµενες υδρολογικές λεκάνης και υπολεκάνες απορροής της εξεταζόµενης περιοχής, καθώς και το υδρογραφικό τους δίκτυο µε την ιεραρχική του αρίθµηση. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 31

32 Στα παρακάτω σχέδιο παρουσιάζονται οι εξεταζόµενες υδρολογικές λεκάνης και υπολεκάνες απορροής της εξεταζόµενης περιοχής, µαζί µε την υδρολιθολογική ταξινόµηση των γεωλογικών σχηµατισµών της ευρύτερης λεκάνης Σαρανταπόταµου. Από την χαρτογράφηση αυτή προκύπτουν και στοιχεία σχετικά µε την διαβρωσιµότητα των γεωλογικών σχηµατισµών της εξεταζόµενης λεκάνης. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 32

33 Στα παρακάτω σχέδιο παρουσιάζεται ο βροχοµετρικός χάρτης της εξεταζόµενης ευρύτερης λεκάνης Σαρανταπόταµου από τον οποίο προκύπτει το µέσο ετήσιο ύψος βροχής της εξεταζόµενης λεκάνης. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 33

34 Με βάση τις παραπάνω χαρτογραφήσεις και σχέδια ταξινοµήθηκαν στις εξεταζόµενες λεκάνες απορροής τα διάφορα πετρώµατα του υποβάθρου στις τρεις βασικές κατηγορίες διαβρωσιµότητας και στον ακόλουθο πίνακα παρουσιάζεται η έκταση της κάθε κατηγορίας ανά υπολεκάνη. Για την κάθε κατηγορία των πετρωµάτων αυτών ο συντελεστής διαβρωσιµότητας είναι: Κ 1 ίσος µε 1, Κ 2 ίσος µε 0.5 και Κ 3 ίσος µε 0.1 αντίστοιχα. Πίνακας. Η έκταση των τριών βασικών κατηγοριών διαβρωσιµότητας των πετρωµάτων και ο µέσος γεωλογικός συντελεστής των υπολεκανών του Σαρανταπόταµου. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 34

35 Υποθετική Εξεταζόµενη Λεκάνη Υψηλής διαβρωσι- µότητας πετρώµατα (Κ 1 ) σε m 2 Μέτριας διαβρωσι- µότητας πετρώµατα (Κ 2 ) σε m 2 Χαµηλής διαβρωσι- µότητας πετρώµατα (Κ 3 ) σε m 2 Μέσος Γεωλογικός συντελεστής υπολεκάνης (γ) Σ ,341 Σ ,447 Σ ,317 Σ ,383 Σ ,432 Σ ,445 Σ ,169 Σ ,443 Εποµένως, µε βάση τη σχέση (4), υπολογίστηκε ο µέσος γεωλογικός συντελεστής της κάθε ερευνούµενης υπολεκάνης. Ο συντελεστής αυτός φαίνεται στον παραπάνω πίνακα. Από τα στοιχεία της παρούσας έρευνας, ισχύουν τα παρακάτω: 1) Η έκταση της κάθε υπολεκάνης απορροής υπολογίστηκε µε εµβαδοµέτρηση του παραπάνω σχεδίου των ορίων των υπολεκανών και παρουσιάζεται στον παρακάτω πίνακα. 2) Η µέση ετήσια βροχόπτωση στις εξεταζόµενες υπολεκάνες προκύπτει από τον παραπάνω βροχοµετρικό χάρτη από τον οποίο υπολογίζεται ότι το µέσο ετήσιο ύψος βροχής της συνολικής εξεταζόµενης λεκάνης του Σαρανταπόταµου είναι ίση µε 374,5 mm ή 0,3745 m. (Σταθµός Ελευσίνας, στοιχεία Εθνικής Μετεωρολογικής Υπηρεσίας, έτη παρατήρησης: 1958 έως 1992). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 35

36 3) ΠΙΝΑΚΑΣ: Έκταση των Υδρολογικών λεκανών απορροής Μάνδρας και Ελευσίνας. ΟΝΟΜΑ ΥΠΟΛΕΚΑΝΗΣ ΕΚΤΑΣΗ Υ ΡΟΛΟΓΙΚΗΣ ΥΠΟΛΕΚΑΝΗΣ (m 2 ) Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Εφαρµόζοντας την σχέση (3) καταλήγουµε στο υπολογισµό της µέσης ετήσιας στερεοπαροχής (φερτά υλικά ανά έτος), G, σε (t/km 2 ) και πολλαπλασιάζοντας επί την έκταση της κάθε υπολεκάνης, σε τόνους. Η µέση ετήσια στερεοπαροχή της κάθε υπολεκάνης φαίνεται στον ακόλουθο πίνακα. Στον ίδιο πίνακα δίδεται και το αντίστοιχο της στερεοπαροχής σε όγκο, εκφραζόµενο σε κυβικά µέτρα ανά χρόνο. (Για τον υπολογισµό λαµβάνεται µέση σχετική πυκνότητα πετρωµάτων, d = 2,5 gr/cm 3 ). Πίνακας. Η µέση ετήσια στερεοπαροχή των εξεταζόµενων λεκανών. Λεκάνη Βάρος µέσης ετήσιας στερεοπαροχής λεκάνης σε (ton) Όγκος µέσης ετήσιας στερεοπαροχής λεκάνης σε (m 3 ) Σ1 800,2 320,1 Σ2 2580,8 1032,3 Σ3 936,3 374,5 Σ4 4105,9 1642,3 Σ5 5037,1 2014,8 Σ6 454,2 181,7 Σ7 158,7 63,5 Σ8 1177,2 470,9 Ο παρακάτω συγκεντρωτικός πίνακας, δείχνει όλα τα επιµέρους στοιχεία και παραµέτρους υπολογισµού της στερεοπαροχής όλων των ερευνούµενων υδρολογικών λεκανών Μάνδρας και Ελευσίνας. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 36

37 ΠΙΝΑΚΑΣ: Συγκεντρωτικός πίνακας υπολογισµού της Στερεοπαροχής των Υδρολογικών λεκανών Μάνδρας και Ελευσίνας. ΟΝΟΜΑ ΥΠΟΛΕ- ΚΑΝΗΣ ΕΚΤΑΣΗ Υ ΡΟ- ΛΟΓΙΚΗΣ ΥΠΟΛΕ- ΚΑΝΗΣ (m 2 ) Πετρώµατα Υψηλής ιαβρωσι- µότητας (Κ 1 ) ΕΚΤΑΣΗ (m 2 ) Πετρώµατα Μέτριας ιαβρωσι- µότητας (Κ 2 ) ΕΚΤΑΣΗ (m 2 ) Πετρώµατα Χαµηλής ιαβρωσι- µότητας (Κ 3 ) ΕΚΤΑΣΗ (m 2 ) Γεωλογικός Συντελεστής λεκάνης (γ) Μέσο Ετήσιο Ύψος Βροχής Μέση Σχετική Πυκνότητα Πετρωµάτων Βάρος µέσης ετήσιας στερεοπαροχής λεκάνης Όγκος µέσης ετήσιας στερεοπαροχής λεκάνης (-) (m) (-) (ton/έτος) (m 3 /έτος) Σ ,341 0,3745 2,50 800,20 320,10 Σ ,447 0,3745 2, , ,30 Σ ,317 0,3745 2,50 936,30 374,50 Σ ,383 0,3745 2, , ,30 Σ ,432 0,3745 2, , ,80 Σ ,445 0,3745 2,50 454,20 181,70 Σ ,169 0,3745 2,50 158,70 63,50 Σ ,443 0,3745 2, ,20 470,90 ΣΥΝΟΛΟ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ (ΣΤΕΡΕΟΠΑΡΟΧΗ): , ,10 «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 37

38 Εάν υποθέσουµε ότι προτιθέµεθα να κατασκευάσουµε ένα φράγµα την τελική έξοδο της συνολικής λεκάνης απορροής του Σαρανταπόταµου τότε τα φερτά στερεά υλικά (στερεοπαροχή), όπως υπολογίζονται παραπάνω, θα κατακλύζουν την λεκάνη κατάκλισης ή ταµιευτήρα του φράγµατος και θα την προσχώνουν ετησίως µε µία ποσότητα της τάξης των ,40 τόνων φερτών υλικών ανά έτος, που αντιστοιχεί σε 6.100,10 (m 3 ) το χρόνο. Η τιµή αυτή πολλαπλασιάζεται επί τον συντελεστή του επιπλύσµατος που ισούται µε 1,8, λόγω των κενών που δηµιουργούνται µεταξύ των φερτών υλικών, και προκύπτει συνολικός όγκος φερτών υλικών ίσος µε ,18 (m 3 ) το χρόνο. Συνεπώς στον ταµιευτήρα θα συγκεντρώνονται ,40 τόνοι ή ,18 (m 3 ) φερτών υλικών ανά έτος. Εάν υποθέσουµε ότι η χωρητικότητα του ταµιευτήρα του φράγµατος σε νερό θα ανέρχεται σε m 3 περίπου, τότε µε βάση την παραπάνω υπολογισθείσα ετήσια στερεοπαροχή (10.980,18 m 3 ), η λεκάνη κατάκλισης του ταµιευτήρα που προτείνεται να δηµιουργηθεί µε την κατασκευή του φράγµατος, θα επιχωµατωθεί πλήρως σε 99 περίπου χρόνια. Εκφράζοντας τα παραπάνω διαφορετικά, προκύπτει ότι για να επιχωµατωθεί το 1% του εκµεταλλεύσιµου όγκου σε νερό του ταµιευτήρα, απαιτείται ένας περίπου χρόνος. Ο ρυθµός αυτός επιχωµάτωσης λόγω φερτών στερεών υλικών µπορεί να θεωρηθεί, σε σχέση µε την προβλεπόµενη διάρκεια ζωής του έργου, αρκετά µεγάλος και συνεπώς θεωρείται σκόπιµο να εκτελεσθούν ειδικά έργα συγκράτησης των φερτών υλικών ώστε να αποτραπεί η γρήγορη επιχωµάτωση αυτή του ταµιευτήρα. Τέλος, η παραπάνω τιµή του µέσου ετήσιου συνολικού όγκου φερτών υλικών αποτελεί βασική παράµετρο υπολογισµού και διαστασιολόγησης για την κατασκευή κατάλληλης τάφρου συγκράτησης των φερτών υλικών (βραχοπαγίδας) ώστε να αποτραπεί η επιχωµάτωση του ταµιευτήρα του εξεταζόµενου φράγµατος. Να σηµειωθεί ότι η τάφρος συγκράτησης των φερτών υλικών θα πρέπει να είναι προσπελάσιµη ώστε και καθαρίζεται από τα συγκεντρωθέντα φερτά υλικά σε τακτά χρονικά διαστήµατα. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ»

39 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Οι κυριότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις που προκύπτουν από την κατασκευή ενός φράγµατος και την πλήρωση του ταµιευτήρα του µπορούν να συνοψιστούν επιγραµµατικά στην συνέχεια: 1. Καταπόντιση γης και ίσως καλλιεργήσιµου εδάφους - η δηµιουργία ενός ταµιευτήρα πληµµυρίζει συχνά ένα καλό και εύφορο καλλιεργήσιµο έδαφος, και µπορεί να εξαναγκάσει τους ανθρώπους για να µετατοπιστούν. Αυτοί οι παράγοντες οδηγούν στην απώλεια παραγωγικής γης και προσωπικού µόχθου ανθρώπων πολλών ετών. 2. Απόσπαση ανθρώπων από τον χώρο κατοικίας τους. 3. Άγρια φύση συνήθως είναι σχεδόν αναπόφευκτο να καταστραφούν κάποια είδη άγριας πανίδας και χλωρίδας. 4. Αρχαιολογία πιθανός κατακλυσµός και καταποντισµός αντικειµένων αρχαιολογικής και ιστορικής αξίας. 5. Οµορφιά τοπίου κάποιες περιοχές γεωµορφολογικής οµορφιάς θα καταστραφούν. 6. Κατακράτηση εύφορης ιλύος και λάσπης η κατακράτηση της ιλύος ή της λάσπης από τον ταµιευτήρα του φράγµατος θα µειώσει τον εµπλουτισµό της χαµηλότερης κοιλάδας κατάντη του φράγµατος µε ιλύ ή λάσπη που θα εµπλούτιζε κανονικά το έδαφος µε εύφορα χηµικά στοιχεία. 7. Καθεστώς ποταµών - θα εµφανιστεί µια περίοδος ξηρής κοίτης του ποταµού κατάντη του φράγµατος. 8. Προειδοποιήσεις πληµµύρων - η αλλαγή της φυσικής ροής των ποταµών, ρεµάτων και µεισγαγγειών µπορεί να επιφέρει σοβαρές επιπτώσεις στους κατοίκους και την άγρια φύση. 9. Επίδραση της αποθήκευσης νερού στην ποιότητά του λόγω διάβρωσης και διαλυτοποίησης στοιχείων των µητρικών πετρωµάτων που έρχεται σε επαφή του. 10. Ευτροφισµός. 11. Θερµική στρωµατοποίηση του νερού στον ταµιευτήρα. 12. Ψάρια - πρόβληµα αζώτου. 13. Αύξηση ασθενειών που δηµιουργούνται σε υγρό περιβάλλον. 14. Απαίτηση κατασκευής στο φράγµα σκάλας διέλευσης ψαριών ώστε τα ψάρια να συνεχίσουν την πορεία τους πάνω και κάτω από το φράγµα. 15. Πρόκληση σεισµών συνέπεια της πλήρωσης µεγάλων κυρίως ταµιευτήρων λόγω µεγάλης φόρτισης του εδάφους. 16. Κλιµατολογική αλλαγή. 17. Οι οδοί προσπέλασης κατά τη διάρκεια κατασκευής του φράγµατος καταστρέφουν συνήθως το φυσικό περιβάλλον. 18. Ρύπανση ποταµών από: o Υγρά απόβλητα από τις εκσκαφές, o Κατασκευή και αφαίρεση των εγκιβωτισµένων µικρών προφραγµάτων (cofferdams). o Νερό πλυσίµατος από τις εγκαταστάσεις παραγωγής σκυροδέµατος και αδρανών υλικών (άµµου, σκύρων, χαλικόφιλτρων, κλπ). ιαρροή πετρελαίου και διάθεση πετρελαιοειδών. o «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 39

40 o o o Λύµατα, Απόβλητα αποχέτευσης ζεστού νερού. Εδαφική διάβρωση κατά τη διάρκεια του καθαρισµού του ταµιευτήρα. 19. Κίνδυνοι πυρκαγιάς. 20. Αισθητική εµφάνιση του τελικού αποτελέσµατος από την κατασκευή του φράγµατος. 21. Ατµοσφαιρική ρύπανση. 22. Ηχορύπανση. 23. Ρύπανση σκόνης ιεπιστηµονική προσέγγιση. Έχουµε φθάσει σε µια εποχή όπου θα πρέπει απαραίτητα και αµοιβαία ένας µηχανικός µίας ειδικότητας να συνεργάζεται µε τα µέλη άλλων ειδικοτήτων εάν πρόκειται το προβλεπόµενο έργο να ολοκληρωθεί µε τα βέλτιστα κάθε φορά οφέλη και συγχρόνως µε τα ελάχιστα δυσµενή αποτελέσµατα. Ένα παράδειγµα του αριθµού των διαφόρων ειδικοτήτων που περιελήφθησαν κατά την κατασκευή του φράγµατος Auburn, είναι τα ακόλουθα: Έργα Πολιτικού Μηχανικού οµική εφαρµοσµένη µηχανική Εφαρµοσµένη µηχανική ατµοσφαιρικής ρύπανσης Ιστορία Υγειονοµική εφαρµοσµένη µηχανική Ηλεκτρική εφαρµοσµένη µηχανική Ακουστική εφαρµοσµένη µηχανική Σχεδιασµός τοπίων Υδραυλική εφαρµοσµένη µηχανική Εφαρµοσµένη µηχανική φωτισµού ηµογραφία - Κοινωνιολογία Αρχιτεκτονική τοπίων Μεταφορές - Οδοποιία Οικολογία Γεωγραφία Γεωλογία και Γεωτεχνική Μηχανική Περιβαλλοντική εφαρµοσµένη µηχανική Υδρολογία Συγκοινωνιακή µελέτη - Κυκλοφορία Γεωµορφολογία Υδρογραφία Μετεωρολογία Εδαφοµηχανική Γεωργική οικονοµία Βιολογία ασονοµία - ασολογία ιοίκηση και ιαχείριση Ιχθυολογία Άγρια φύση Νοµικά θέµατα Φωτογραµµοµετρία Μαθηµατικός προγραµµατισµός Χαρτογραφία Ανάλυση µεθόδων κατασκευής Προγραµµατισµός συστηµάτων Τοπογραφία και ερµηνεία τηλεπισκόπισης 1.4. Συναφή χαρακτηριστικά κατασκευαστικά στοιχεία των φραγµάτων. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 40

41 Κιβωτοειδή προφράγµατα (cofferdams) - Τα κιβωτοειδή προφράγµατα είναι συνήθως προσωρινές κατασκευές που κατασκευάζονται ανάντη από ένα φράγµα για να αποτρέψουν τη ροή των ρεµάτων και ποταµών γύρω από την εκσκαφή για την θεµελίωση και κατασκευή ενός φράγµατος. Σε κοιλάδες µε πρανή απότοµης διατοµής η εκτροπή της ροής του νερού συνήθως πραγµατοποιείται µε την κατασκευή µιας σήραγγας ή περισσότερων σηράγγων στην βραχοµάζα των πρανών της κοιλάδας. Συνήθως οι σήραγγες αυτές που κατασκευάζονται για λόγους εκτροπής τίθενται και σε περαιτέρω χρήση για τον έλεγχο της ροής από τον ταµιευτήρα είτε για την εκκένωση του ταµιευτήρα είτε για τη εκροή νερού µε υψηλή πίεση προς τις υδροηλεκτρικές εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Σε κοιλάδες µε µικρή διατοµή η εκτροπή µπορεί να γίνει είτε από σήραγγες, από κανάλια, είτε και από τους αγωγούς που στη συνέχεια θάβονται κάτω από την µάζα του φράγµατος. εν είναι ασυνήθιστο στα χωµάτινα φράγµατα να ενσωµατώνεται το κιβωτοειδές προφράγµα (cofferdam) στη µεγαλύτερη κατασκευή του επιχώµατος του φράγµατος που περιλαµβάνεται στο σχεδιασµένο φράγµα Κατασκευή σκάλας διέλευσης ιχθύων (Fish ladder) - τα φράγµατα που κατασκευάζονται στα ρεύµατα ή ποτάµια τα οποία αποτελούν πορείες µετανάστευσης των ψαριών που πρόκειται να γεννήσουν, λαµβάνονται συνήθως µέτρα για τη µετακίνηση των ψαριών αυτών επάνω ή κοντά στο κατάντη µέτωπο του φράγµατος. Η εγκατάσταση που επιτρέπει τη διέλευση και µετανάστευση των ψαριών καλείται συνήθως σκάλα ψαριών ή κατασκευή διέλευσης ιχθύων (Fish ladder). είτε την φωτογραφία. Φωτογραφία που παρουσιάζει µία κατασκευή σκάλας διέλευσης ιχθύων (Fish ladder) σε ένα φράγµα Υδατοφράκτες (Gates) - Οι υδατοφράκτες είναι συσκευές που εγκαθίστανται στις κορυφές των υπερχειλιστών για να ελέγχουν τη ροή του νερού που υπερχειλίζει πάνω από ένα υπερχειλιστής Εγκαταστάσεις παραγωγής υδροηλεκτρικής ενέργειας (Power Plant) - Πολλά φράγµατα κατασκευάζονται για να παραγάγουν υδροηλεκτρική ενέργεια. Το εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικού ρεύµατος βρίσκεται επάνω ή κοντά στο έρεισµα ή µύτη (Toe) του ενός φράγµατος είτε βρίσκεται κατάντη του φράγµατος σε κάποια απόσταση. Η ροή του νερού στο εργοστάσιο «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 41

42 παραγωγής ηλεκτρικού ρεύµατος ελέγχεται από τις βαλβίδες ανάντη από το φράγµα, µέσα στο φράγµα κατάντη, ή στους υπόγειους θαλάµους (κελιά) βαλβίδων που εκσκάπτονται στην βραχοµάζα έξω από το φράγµα Θυρόφραγµα ρυθµιστικής δεξαµενής (Gate) Τα θυροφράγµατα ρυθµιστικής δεξαµενής είναι κινητά φράγµατα ή τµήµατα των φραγµάτων που χρησιµοποιούνται για την ναυσιπλοΐα κατά µήκος των ποταµών και των καναλιών Αγωγός πτώσης νερού (Penstock) - είναι ένας φράχτης ή ένας αγωγός, συνήθως από χαλύβδινο σωλήνα, που χρησιµοποιείται για τον έλεγχο της ροής του νερού, ειδικά σε εγκαταστάσεις παραγωγής υδροηλεκτρικής ενέργειας Υπερχειλιστές (Spillways) ένας υπερχειλιστής σχεδιάζεται για να περιέχει και να ελέγχει την υπερχείλιση του νερού στον ταµιευτήρα όταν ο ταµιευτήρας είναι πλήρης. Οι υπερχειλιστές είναι, ή θα πρέπει να είναι, σχεδιασµένοι έτσι ώστε να παραλαµβάνουν και να παροχετεύουν τις ροές του ταµιευτήρα κατά τη διάρκεια της µέγιστης πληµµυρικής παροχής ώστε να αποτρέπεται κάθε ζηµία στο φράγµα και στα συναφή χαρακτηριστικά κατασκευαστικά του στοιχεία. Το µέγεθος και η θέση τους σε σχέση µε το φράγµα καθορίζονται από το µέγεθος και το είδος του φράγµατος, την τοπική τοπογραφία και µορφολογία, τις γεωλογικές και γεωτεχνικές συνθήκες, και κατόπιν µιας πολύ προσεκτικής ανάλυσης και µελέτης της ιστορίας της ροής των ποταµών και ρεµάτων στην περιοχή του φράγµατος. Η υπερχείλιση ιδιαίτερα σε χωµάτινα φράγµατα έξω από τον υπερχειλιστή µπορεί να έχει ιδιαίτερα καταστροφικές συνέπειες και συνεπώς για λόγους ασφάλειας απαιτείται η διαστασιολόγηση ενός υπερχειλιστή ικανού να παροχετεύει πληµµυρικές παροχές αιχµής τουλάχιστον της τάξης των εκατό ετών. Οι υπερχειλιστές βρίσκονται µέσα ή στο κατάντη µέτωπο ενός φράγµατος, έξω από το φράγµα σε κάποια πλευρά του, ή µέσα στο ταµιευτήρα, όπου το νερό χύνεται υπερχειλιζόµενο σε µια τρύπα που ονοµάζονται υπερχειλιστής εσωτερικής οπής (glory hole spillway) η οποία αποτελείται από ένα κατακόρυφο φρέαρ και µια σήραγγα που διέρχεται κάτω ή µέσα από το αντέρεισµα του φράγµατος και τελικά εξέρχεται κατάντη του φράγµατος Σήραγγες (Tunnels) - οι σήραγγες στο βραχώδες υπόβαθρο έξω από τα φράγµατα εξυπηρετούν ποικίλους σκοπούς. Η ροή µέσω αυτών ελέγχεται είτε από εξωτερικές του φράγµατος βαλβίδες είτε από βαλβίδες σε θαλάµους είτε από βαλβίδες σε υπόγειους θαλάµους βαλβίδων µέσα στο φράγµα ή στο βραχώδες υπόβαθρο έξω από το φράγµα. Οι σήραγγες για τον έλεγχο της στάθµης του νερού στο ταµιευτήρα καλούνται συνήθως σήραγγες βαρύτητας και εξυπηρετούν µια κύρια λειτουργία που είναι να εκτρέψει το νερό σε κάποιο σηµείο κατάντη του φράγµατος. Οι σήραγγες που µεταβιβάζουν το νερό κάτω από πίεση για την ανύψωση του νερού σε µία υψηλότερη στάθµη από την στάθµη εισόδου της σήραγγας ή οι σήραγγες για την παραγωγή υδροηλεκτρικής ενέργειας καλούνται σήραγγες υπό πίεση και απαιτούν «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 42

43 συνήθως ιδιαίτερες βραχοµηχανικές ιδιότητες της βραχοµάζας µέσω της οποίας κατασκευάζονται Βαλβίδες και υπόγειοι θάλαµοι βαλβίδων (Valves and valve vaults) - οι βαλβίδες ελέγχουν τη ροή του νερού µέσω των σηράγγων και των αγωγών πτώσης νερού (Penstocks). Σε πολλά µεγάλα φράγµατα οι βαλβίδες εγκαθίσταται σε υπόγεια κελιά ή θαλάµους στους οποίους η πρόσβαση πραγµατοποιείται από την κατάντη πλευρά του φράγµατος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 43

44 ΦΟΡΤΙΣΗ ΚΑΙ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 2. ΣΤΑΤΙΚΗ ΦΟΡΤΙΣΗ 3. ΥΝΑΜΙΚΗ ΦΟΡΤΙΣΗ 4. ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ - Φράγµατα Βαρύτητας 5. ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ - Τοξωτά Φράγµατα Σκυροδέµατος 6. ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ - Χωµάτινα Φράγµατα 7. ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ - Αντερείσµατα και Θεµελίωση 2.1. Φόρτιση και συντελεστής ασφάλειας Εισαγωγή. Ένα φράγµα είναι µια τρισδιάστατη κατασκευή και παρά τις παραδοχές που συνήθως επικαλούµεθα, δεν είναι οµοιογενής όπου η ακεραιότητα και ανθεκτικότητά της εξαρτάται και ελέγχεται από τους κατασκευαστές. Οι θεµελιώσεις δεν είναι ούτε ισοτροπικές ούτε πραγµατικά ελαστικές. Το σκυρόδεµα και ο βράχος είναι στην ουσία ψαθυρά υλικά (εύθρυπτα αν και σε µεγάλες συνήθως πιέσεις), αν και εφαρµόζονται στους υπολογισµούς τάσεων και πίεσης οι ελαστικές θεωρίες. Το φράγµα και η θεµελίωσή του, µετά από την πλήρωση του ταµιευτήρα, θα γίνουν υδατοκορεσµένα µε µεταβαλλόµενες επιδράσεις στα δοµικά και φυσικά υλικά. Το φράγµα θα εκτεθεί στη φόρτιση του νερού, καθώς και σε κύκλους ηµερήσιων και εποχιακών θερµοκρασιακών µεταβολών. Το φράγµα θα υποβληθεί επίσης σε τυχαία γεγονότα όπως: Πληµµύρες, κυµατισµό, ταλαντώσεις της στάθµης λόγω ανέµων και µεταβολών της ατµοσφαιρικής πίεσης, σεισµούς, σχηµατισµό πάγου, και άλλα φυσικά φαινόµενα. Ο συντελεστής ασφάλειας πρέπει να συσχετίζεται µε την αντοχή (θλιπτική, διατµητική, εφελκυστική), την ευστάθεια και την ανθεκτικότητα σε σχέση πάντα µε το µέγεθος της οικονοµικής και ανθρώπινης απώλειας που θα µπορούσε να προκύψει από την αστοχία του φράγµατος. Ο στόχος του µηχανικού πρέπει πάντα να βρίσκεται στο να µειώσει τον αριθµό των αβεβαιοτήτων, τόσο από την άποψη των προβλεπόµενων φορτίων που θα ασκηθούν στο φράγµα όσο και από την άποψη του τρόπου και του µηχανισµού µε τον οποίο το φράγµα και η θεµελίωσή του θα αντισταθούν και θα αντέξουν τα προβλεπόµενα αυτά φορτία. Ο µηχανικός πρέπει επίσης να πειστεί ότι δεν υπάρχει κανένας απολύτως δυνατός µηχανισµός που θα µπορούσε να οδηγήσει στην αστοχία του φράγµατος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 44

45 2.2. Φόρτιση και συντελεστής ασφάλειας - Στατική φόρτιση Οριζόντια φορτία. Υδροστατική Πίεση (H 1 ) - Για τον βασικό υπολογισµό της ευστάθειας, η στάθµη στον ταµιευτήρα θα υποτεθεί ότι βρίσκεται στην στάθµη ακριβώς ή επάνω από το επίπεδο που απαιτείται για τη παροχέτευση της πληµµύρας σχεδιασµού. Σε πολλές περιπτώσεις το φράγµα σχεδιάζεται για το υψηλότερο επίπεδο στεγανότητάς του, π.χ. µέχρι το επίπεδο του στηθαίου του από σκυρόδεµα. Πίεση Ιλύος ή Λάσπης (Στερεοπαροχής) (H 2 ) - Μια αλλαγή στην χρήση γης ως αποτέλεσµα της κατασκευής ενός φράγµατος µπορεί εύκολα να οδηγήσει σε έναν αυξηµένο βαθµό διάβρωσης, προκαλώντας έτσι αυξηµένη απόθεση ιλύος και λάσπης µέσα στον ταµιευτήρα. Είναι συνήθως επαρκές να υποτεθεί ότι δηµιουργείται µία τριγωνική φόρτιση επί του σώµατος του φράγµατος η οποία διανέµεται όπως θα ενεργούσε ένα αντίστοιχης σχετικής πυκνότητας ρευστό, εκτός φυσικά εάν οι αποθέσεις της ιλύος ή λάσπης είναι πιθανό να είναι πολύ παχιές, οπότε η φόρτιση αυτή λόγω του παχιού στρώµατος της ιλύος και λάσπης (στερεοπαροχής) µελετάται όπως και οι ωθήσεις γαιών σε ηρεµία, σύµφωνα µε τους κανόνες της εδαφοµηχανικής. Μία λογική σχετική πυκνότητα για την προσοµοίωση της συµπεριφοράς του ρευστού έχει µία τιµή της τάξης του 1,4. Πιέσεις λόγω ειδικής συµπεριφοράς του ταµιευτήρα (H 3 ) - Ο αέρας και άλλες φυσικές αιτίες θα προκαλέσουν: τη µετακίνηση του νερού στον ταµιευτήρα ως κύµατα, απόκλιση της επιφάνειας νερού από το οριζόντιο επίπεδο ή ταλαντώσεις της στάθµης νερού λόγω µεταβολών της ατµοσφαιρικής πίεσης (επίδραση Seiche). Φόρτιση πάγου (H 4 ) - Υποτίθεται ότι ο πάγος δεν θα διαµορφώσει και δεν θα ασκήσει πίεση στο σώµα του φράγµατος ταυτόχρονα µε την περίοδο της µέγιστης πληµµύρας. Η κλίση του ανάντη µετώπου του φράγµατος καθώς επίσης και η κλίση και η τραχύτητα των παρειών των πρανών της κοιλάδας θα επηρεάσουν το µέγεθος της φόρτισης λόγω πάγου. Επιπλέον όταν φυσά και άνεµος προς τα κατάντη του ταµιευτήρα µε ταχύτητα 50 km/hr µπορεί να «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 45

46 προκαλέσει µία αύξηση την φόρτιση λόγω πάγου της τάξης των 4 µε 5 τόνων ανά τρέχον του έξαλλου ή υπερκείµενου εκτεθειµένου µετώπου του φράγµατος (πάνω από την στάθµη του καθρέπτη του ταµιευτήρα). Πίεση εξερχόµενου ή κατάντη νερού (Tailwater) (H 5 ) - Σε µερικές περιπτώσεις συγκεντρώνεται νερό κατάντη του φράγµατος. Η βοήθεια από αυτή την πίεση που παρέχεται προς την πλευρά της ευστάθειας του φράγµατος µπορεί µεν να ληφθεί υπόψη, αλλά δεν θα πρέπει να παραγνωρίζεται και το γεγονός ότι, στην περίπτωση ενός υπερχειλιζόµενου φράγµατος, το νερό της πληµµύρας που θα περάσει επάνω από το φράγµα είναι πιθανό να εκκενώσει το νερό αυτό. Σεισµική ύναµη (H 6 ) Η δύναµη που ενεργεί σε ένα φράγµα λόγω σεισµού σε ένα οριζόντιο επίπεδο. Σύµφωνα µε τον Ελληνικό Αντισεισµικό Κανονισµό (ΕΑΚ), (Φ.Ε.Κ.: Τεύχος Β/ που τέθηκε σε ισχύ στις , τροποποιήθηκε το 1995 και τροποποιήθηκε πάλι σύµφωνα µε τον Ελληνικό Αντισεισµικό Κανονισµό (ΕΑΚ) του 2000 και του Ιουνίου του 2003 (Φ.Ε.Κ. Β 781/ , Απόφαση 2 - Αριθ. 17α/67/1/ΦΝ275), και τροποποίηση διατάξεων του «Ελληνικού Αντισεισµικού Κανονισµού ΕΑΚ-2000» λόγω αναθεώρησης του Χάρτη Σεισµικής Επικινδυνότητας (Φ.Ε.Κ. Β 1154/ , Απόφαση Αριθ. 17α/115/9/ΦΝ275)), ο καθορισµός των οριζόντιων και κατακόρυφων συνιστωσών των σεισµικών δυνάµεων που δρουν πάνω στις διάφορες κατασκευές γίνεται µε βάση τα φάσµατα επιταχύνσεων σχεδιασµού, τα οποία υπολογίζονται κατά την µέθοδο του Ε.Α.Κ Σύµφωνα µε αυτόν ο Ελληνικός χώρος έχει χωριστεί σε τρεις ζώνες σεισµικής επικινδυνότητας όπως φαίνεται το ακόλουθο σχήµα. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 46

47 υνάµεις λόγω ταλαντώσεων της στάθµης νερού λόγω µεταβολών στην επιφάνεια του ταµιευτήρα (Επίδραση Seiche) (H 7 ) - Είναι η κυµατοειδής κίνηση του νερού του ταµιευτήρα λόγω φυσικών αιτιών, όπως λόγω διακοπτόµενου (διαλείποντος) ανέµου, µεταβολών στην ατµοσφαιρική πίεση, σεισµού και κίνησης της γης. Συνήθως η κίνηση αυτή είναι µικρότερη από 0,5 m, αν και έχουν αναφερθεί στην Γενεύη επίπεδα κίνησης της τάξης των 2 m Κατακόρυφα φορτία. Βάρος του φράγµατος (V 1 ) - Η µονάδα βάρους του υλικού κατασκευής του φράγµατος θα πρέπει να προσδιορίζεται όσο το δυνατόν ακριβέστερα. Μια µικρή υποεκτίµηση της τάξης του 1% θα αντιπροσώπευσε ένα σηµαντικότατο συµπληρωµατικό κόστος στο φράγµα. Κατακόρυφη φόρτιση νερού (V 2 ) Η φόρτιση αυτή επιβάλλεται σε οποιαδήποτε κεκλιµένη επιφάνεια του φράγµατος, συνήθως το ανάντη µέτωπό του, αλλά και στο κατάντη µέτωπο για τα φράγµατα υπερχείλισης. Ανύψωση ή Υποπίεση (V 3 ) Οι υδροστατικές δυνάµεις που ενεργούν µέσα σε ένα φράγµα και στα θεµέλιά του, συµπεριλαµβανοµένων και των πιέσεων νερού πόρων. Μερικοί µηχανικοί στηρίζονται στην αποστράγγιση για να αποτρέψουν την εµφάνιση της ανύψωσης ή υποπίεσης, υποθέτοντας ότι η αποστράγγιση θα είναι αποτελεσµατική καθ όλη την διάρκεια ζωής του φράγµατος, γεγονός που δεν είναι απόλυτα εξασφαλισµένο, και εποµένως θα πρέπει να λαµβάνονται υπόψη κατά τον σχεδιασµό και κατά τους υπολογισµούς του φράγµατος και κάποιες δυνάµεις λόγω ανύψωσης ή υποπίεσης. Βλέπε το ακόλουθο σχεδιάγραµµα σχετικά µε την κατανοµή της πίεσης ανύψωσης ή υποπίεσης κάτω από την θεµελίωση ενός φράγµατος. [Οι τιµές του k ποικίλλουν µεταξύ 0,25 έως και 0,50 ανάλογα µε τις συνθήκες]. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 47

48 Σεισµική δύναµη (V 4 ) Η δύναµη που ενεργεί σε ένα φράγµα λόγω σεισµού σε ένα κατακόρυφο όµως επίπεδο Άλλα φορτία στο φράγµα. Πυκνότητα νερού - µερικοί ποταµοί µεταφέρουν πολύ βαρύ φορτίο ιλύος ή λάσπης κατά εποχές το οποίο µε την σειρά του αλλάζει την πυκνότητα του νερού του ταµιευτήρα. Αιολική ανύψωση του ταµιευτήρα Είναι το αποτέλεσµα των συνεχιζόµενων ανέµων σε µία περιοχή που αναγκάζουν την µία άκρη του ταµιευτήρα να βρίσκεται σε υψηλότερο επίπεδο σε σχέση µε την άλλη. Έρευνες και υπολογισµοί σε έναν µεγάλο ταµιευτήρα στον οποίο το εύρος του είναι 38 km έδειξαν ότι ισχύουν οι ακόλουθες τιµές: Περίοδος Επαναφοράς Ταχύτητα Ανέµου Αιολική ανύψωση (έτη) (km/h) (m) , , ,26 «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 48

49 5 88 0, ,17 Θερµικές επιδράσεις - Τα φράγµατα σκυροδέµατος υπόκεινται και σε µία φόρτιση λόγω θερµοκρασιακών µεταβολών µέσα στο σώµα του φράγµατος που προκαλείται από την ενυδάτωση του τσιµέντου και λόγω των εποχιακών µεταβολών. Η θερµοκρασία του νερού στο βάθος δεν µεταβάλλεται, αλλά στην επιφάνεια η θερµοκρασία µεταβάλλεται µε την εποχή. Συνήθως χρησιµοποιείται µια τριγωνική (επικλινής) φόρτιση επί του φράγµατος για να περιγράψει τα αποτελέσµατα της επίδρασης του ηλίου και της θερµοκρασίας του αέρα. Φορτία κατασκευής - Τα φράγµατα σκυροδέµατος µε µορφή θόλων και αντηρίδων (στηριγµάτων) προσφέρουν µία καλή αντίσταση στη φόρτιση νερού όταν έχουν πληρωθεί, αλλά κατά τη διάρκεια της κατασκευής είναι απαραίτητο να ελέγχεται ο ρυθµός και οι φάσεις κατασκευής και να εκτελούνται οι απαραίτητες ενισχύσεις στα τµήµατα που προεξέχουν. ιεύθυνση των δυνάµεων - Σε ορισµένες θέσεις µπορεί να είναι απαραίτητο να αυξηθεί η ακτίνα ενός τοξωτού φράγµατος και να γίνουν αποδεκτές υψηλότερες τάσεις (πιέσεις) µέσα στο σώµα του τοξωτού φράγµατος ώστε να εξασφαλιστεί καλύτερη γωνία εφαρµογής της συνισταµένης δύναµης (ώθησης) του τόξου του φράγµατος µε το αντέρεισµα επί του οποίου ασκείται. Η διεύθυνση εφαρµογής της συνισταµένης δύναµης (ώθησης) είναι σηµαντική παράµετρος για τα φράγµατα βαρύτητας και τα αντηριδωτά φράγµατα και ειδικότερα σε συνθήκες στρωσιγενών πετρωµάτων (στρωµατοποιηµένης βραχοµάζας). Από διάφορες έρευνες και µελέτες παγκοσµίως έχει προκύψει ότι η γωνία αυτή εφαρµογής µεταξύ της συνισταµένης δύναµης (ώθησης) του τόξου του φράγµατος και των ισοϋψών καµπυλών του αντερείσµατος δεν θα πρέπει να µικρότερη από 30 ο. Με άλλα λόγια η διεύθυνση του άξονα του τοξωτού φράγµατος στις πακτώσεις του µε το βραχώδες αντέρεισµα πρέπει να τέµνει τις ισοϋψείς καµπύλες κατά γωνία τουλάχιστον 30 ο. Υδροστατική Φόρτιση µέσα στη Θεµελίωση ή στο Αντέρεισµα - Στις περισσότερες περιπτώσεις περιοχών θεµελίωσης φραγµάτων υπάρχουν στην βραχοµάζα ρήγµατα, ρωγµές, ασυνέχειες και διακλάσεις. Οι δυνάµεις λόγω κατασκευής ενός µεγάλου φράγµατος µπορούν να εξαναγκάσουν τις υπάρχουσες αυτές ασυνέχειες να διευρυνθούν περαιτέρω ή και να εµφανιστούν νέες, ιδιαίτερα στην βραχοµάζα ανάντη του φράγµατος λόγω εφελκυσµού της, γεγονός που µπορεί να προκαλέσει φορτία ανύψωσης που θα µπορούσαν να προκαλέσουν ακόµα και αστοχία του φράγµατος. Για να αποφευχθεί αυτό, θα πρέπει να εκτελεσθούν πολύ προσεκτικές τεχνικογεωλογικές χαρτογραφήσεις στην άµεση περιοχής της έδρασης του φράγµατος καθώς και βραχοµηχανικές έρευνες και µετρήσεις σχετικά µε: α) τον Προσανατολισµό και την Κλίση των επιπέδων των ασυνεχειών (Παρατάξεις/Κλίσεις), β) την Πυκνότητα ή την απόσταση µεταξύ των επιπέδων των ασυνεχειών, γ) την Τραχύτητά τους, δ) το Μήκος Ίχνους Ασυνέχειας, ε) το Άνοιγµα ή το διάκενο µεταξύ των επιφανειών των ασυνεχειών, και στ) το Υλικό πλήρωσης των ασυνεχειών, και σύστασή του. Όπου αναφέρουµε ασυνέχειες εννοούµε κάθε ρήγµα, ρωγµή, διάκλαση και ραφή στην βραχοµάζα του «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 49

50 εξεταζόµενου πετρώµατος. Στη συνέχεια πραγµατοποιείται στατιστική επεξεργασία και κατόπιν απεικόνιση όλων των ασυνεχειών της βραχοµάζας σε τεκτονικά διαγράµµατα στερεογραφικής προβολής δικτύων κατά Schmidt ή/και Kamb, καθώς και σε ροδοδιαγράµµατα (ροζέτες), χρησιµοποιώντας κυρίως ειδικά προγράµµατα Η/Υ. Επιπλέον πραγµατοποιείται Γεωµηχανική ταξινόµηση της βραχοµάζας κατά Bieniawski. ηλαδή, στα βραχώδη τµήµατα του χώρου θεµελίωσης και των πρανών των αντερεισµάτων του φράγµατος γίνεται καταγραφή - περιγραφή και ταξινόµηση των βραχοµηχανικών χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων της βραχοµάζας, συντάσσονται ειδικοί πίνακες καταγραφής και περιγραφής των χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων της και στη συνέχεια εκτελείται Γεωµηχανική ταξινόµηση της βραχοµάζας κατά Bieniawski, από την οποία προκύπτουν έµµεσα το µέτρο ελαστικότητας της βραχοµάζας (Young's Modulus), η συνοχή της βραχοµάζας (Rock Mass Cohesion) και η γωνία τριβής της βραχοµάζας (Rock Mass Friction Angle) του χώρου θεµελίωσης και των πρανών των αντερεισµάτων του φράγµατος. Να αναφερθεί ότι τα στοιχεία αυτά θα πρέπει να διασταυρώνονται και να επιβεβαιώνονται και µε το κριτήριο αστοχίας βραχοµάζας κατά HOEK-BROWN FAILURE CRITERION 2002 EDITION, όπως αυτό αναπτύχθηκε από τους: Evert Hoek, Carlos Carranza-Torres, και Brent Corkum, το 2002, χρησιµοποιώντας π.χ. ένα ειδικό πρόγραµµα βραχοµηχανικής RocLab Version / , της εταιρείας λογισµικού "Rocscience Inc.", Toronto, Canada. Τέλος πραγµατοποιείται µία ανάλυση και έλεγχος ευστάθειας των µετώπων των βραχωδών πρανών των αντερεισµάτων αλλά και του χώρου θεµελίωσης του φράγµατος, και προσδιορίζεται ο συντελεστής ασφάλειας καθώς και η µέγιστη ασφαλής γωνία κοπής και διαµόρφωσης των πρανών των αντερεισµάτων, στις περιπτώσεις που µπορεί αυτό να εφαρµοστεί. Η εργασία αυτή σε γενικές γραµµές γίνεται ως ακολούθως. Με βάση τα βραχοµηχανικά εργαστηριακά στοιχεία, καθώς και τα στοιχεία των ασυνεχειών (ρήγµατα, ρωγµές, διακλάσεις, ραφές, κλπ) της βραχοµάζας, εκτελείται µία πολυπαραµετρική ανάλυση και έλεγχος της ευστάθειας των βραχωδών σχηµατισµών των µετώπων των πρανών των αντερεισµάτων αλλά και του χώρου θεµελίωσης του φράγµατος, σε µοντέλο αστοχίας βραχοµηχανικής. Η ανάλυση στα βραχώδη πρανή γίνεται σύµφωνα µε τη µέθοδο ελέγχου αστοχίας "σφήνας" ή "επιπέδου" ολίσθησης (Wedge or plane failure analysis) κατά "Hoek and Bray" η οποία εφαρµόζεται τελευταία διεθνώς µε υψηλή αξιοπιστία και επιτυχία. Το µαθηµατικό αυτό προσοµοίωµα ελέγχου (µοντέλο), λαµβάνει υπόψη του και τις επιδράσεις των πιθανών σεισµικών δυνάµεων που ενδέχεται να αναπτυχθούν στην περιοχή ενδιαφέροντος, καθώς και την επιρροή της ανύψωσης της πιεζοµετρικής επιφάνειας στους γεωλογικούς σχηµατισµούς των πρανών, µε πλήρη ανάπτυξη υδροστατικών πιέσεων µετά από υδατοκορεσµό τους. Κατ' αυτό το τρόπο αναλύεται και ελέγχεται η ευστάθεια των πρανών, δίνοντας ποσοτική ένδειξη του βαθµού ευστάθειάς τους µε την έννοια ενός συντελεστή ασφάλειας (F.S.) και αποκαλύπτεται έτσι επακριβώς η γενική συµπεριφορά τους κάτω και από τις δυσµενέστερες συνθήκες υδροστατικών πιέσεων και σεισµικής επιφόρτισης. Η εργασία αυτή εφαρµόζεται για το δυσµενέστερο ύψος των εξεταζόµενων µετώπων των πρανών των αντερεισµάτων του φράγµατος, όπου έχουµε τις δυσµενέστερες συνθήκες ευστάθειας. Από την εργασία αυτή στην συνέχεια προκύπτει ο «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 50

51 ακριβής υπολογισµός και προσδιορισµός της µέγιστης προτεινόµενης ασφαλούς και ευσταθούς κλίσης (γωνίας) κοπής και διαµόρφωσης των κεκλιµένων πρανών των αντερεισµάτων του φράγµατος, ώστε να εξασφαλίζεται η απαιτούµενη ευστάθεια και ασφάλειά τους κάτω και από τις δυσµενέστερες συνθήκες της σεισµικής επιφόρτισης και του υδατοκορεσµού της βραχοµάζας. Τεκτονικές δυνάµεις - Εκτός από τις σεισµικές επιδράσεις στα φράγµατα, µπορούν να υπάρξουν και σηµαντικές τεκτονικές δυνάµεις µέσα στον χωµάτινο φλοιό στην ευρύτερη περιοχή κατασκευής του φράγµατος, και οι οποίες µπορεί να διαταραχθούν από τη βαθιά εκσκαφή λόγω της κατασκευής του φράγµατος ή και τον υδατοκορεσµό της βραχοµάζας από την ακόλουθη πλήρωση του ταµιευτήρα. Στην συνέχεια παρουσιάζονται διαγραµµατικά όλες οι δυνάµεις που επενεργούν σε ένα φράγµα, ώστε να καταστούν πιο κατανοητές. Το φράγµα µετά την πλήρωση και λειτουργία του. Βάρος του φράγµατος (V 1 ). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 51

52 Φόρτιση πάγου (H 4 ). Ανύψωση ή Υποπίεση (V 3 ). Πίεση εξερχόµενου ή κατάντη νερού (Tailwater) (H 5 ). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 52

53 υνάµεις λόγω ταλαντώσεων της στάθµης νερού λόγω µεταβολών στην επιφάνεια του ταµιευτήρα (Επίδραση Seiche) (H 7 ). Υδροστατική Πίεση (H 1 ). Υδροστατική Φόρτιση µέσα στη Θεµελίωση ή στο Αντέρεισµα. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 53

54 Σεισµική ύναµη (H 6 ) Η δύναµη που ενεργεί σε ένα φράγµα λόγω σεισµού σε ένα οριζόντιο επίπεδο. Σεισµική δύναµη (V 4 ) Η δύναµη που ενεργεί σε ένα φράγµα λόγω σεισµού σε ένα κατακόρυφο όµως επίπεδο. Θερµικές επιδράσεις. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 54

55 Πίεση Ιλύος ή Λάσπης (Στερεοπαροχής) (H 2 ). Κατακόρυφη φόρτιση νερού (V 2 ). Πιέσεις λόγω ειδικής συµπεριφοράς του ταµιευτήρα (H 3 ). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 55

56 υνάµεις λόγω ταλαντώσεων της στάθµης νερού λόγω µεταβολών στην επιφάνεια του ταµιευτήρα (Επίδραση Seiche) (H 7 ) Φόρτιση και συντελεστής ασφάλειας - υναµική Φόρτιση. Ο χωµάτινος φλοιός είναι σε µια κατάσταση τεκτονικής πίεσης. Όταν η τεκτονική αυτή πίεση γίνει αρκετά µεγάλη και ο φλοιός σε κάποιες περιοχές είναι αρκετά αδύνατος ή λεπτός, µπορεί να εκδηλωθούν κάποια ρήγµατα. Αυτά τα ρήγµατα απελευθερώνουν ενέργεια υπό µορφή ελαστικών κυµάτων που διαδίδονται από ένα επίκεντρο. Αυτά τα κύµατα ποικίλουν τόσο ως προς το µήκος κύµατος όσο και ως προς τη συχνότητά τους. Τα κύµατα µικρής περιόδου έχουν συνήθως κυρίαρχες συχνότητες που αντιστοιχούν σε γενικές γραµµές στο φάσµα των φυσικών συχνοτήτων (ή των ιδιοπεριόδων) των φραγµάτων, και συνεπώς είναι ικανά να παράγουν συνθήκες συντονισµού µε το φράγµα. Οι µηχανικοί ενδιαφέρονται εποµένως περισσότερο για την δυνατότητα εκδήλωσης µέτριων σεισµών που εµφανίζονται µέσα σε µία επικεντρική ακτίνα της τάξης των 80 έως 120 χλµ. από το φράγµα, παρά για τους µεγαλύτερους σεισµούς που εµφανίζονται έξω από αυτά τα όρια. Για τα φράγµατα βαρύτητας υιοθετείται ένας οριζόντιος σεισµικός συντελεστής και εφαρµόζεται ως πρόσθετο ψευδοστατικό φορτίο. Για τα τοξωτά φράγµατα οι δυναµικές επιδράσεις εξετάζονται µε µεγαλύτερη προσοχή και µε την δηµιουργία δοκιµαζόµενων οµοιωµάτων (µοντέλων), καθώς και µε επί τόπου δοκιµές δόνησης σε ένα φράγµα. Για τα χωµάτινα φράγµατα εξετάζονται πρόσθετα οριζόντια ψευδοστατικά φορτία και επιτελείται µια δυναµική ανάλυση η οποία έχει αναπτυχθεί και δίνει µεγάλη προσοχή στα χαρακτηριστικά των υλικών επίχωσης του φράγµατος. Τον Οκτώβριο του 1969 η Επιστηµονική Οµάδα σε θέµατα Σεισµών της ιεθνούς Επιτροπής για τα Μεγάλα Φράγµατα (International Commission on Large Dams - I.C.O.L.D.) συνόψισε τις ακόλουθες προτάσεις στα πρακτικά του 1969: Σχεδιασµός: «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 56

57 o o o Για φράγµατα βαρύτητας υιοθετήθηκε γενικά ένας οριζόντιος σεισµικός συντελεστής και εφαρµόστηκε ως πρόσθετο ψευδοστατικό φορτίο. Οι κατακόρυφες σεισµικές επιδράσεις ή συνιστώσες λήφθηκαν υπόψη σε πολύ λίγες περιπτώσεις, καθώς και η δυναµική ανάλυση χρησιµοποιήθηκε από πολύ λίγους µελετητές. Για τα τοξωτά φράγµατα δόθηκε µεγαλύτερη προσοχή στις δυναµικές επιδράσεις µε την δηµιουργία δοκιµαζόµενων οµοιωµάτων (µοντέλων), καθώς και µε επί τόπου δοκιµές δόνησης ενός φράγµατος. Για τα χωµάτινα φράγµατα εξετάστηκαν πρόσθετα οριζόντια ψευδοστατικά φορτία, αναπτύχθηκαν µέθοδοι δυναµικής ανάλυσης και διδόταν µεγαλύτερη προσοχή στα χαρακτηριστικά των υλικών επίχωσης του φράγµατος. Χωρισµός σε ζώνες ή Ζωνοποίηση - Πολλές χώρες υιοθετούσαν την αρχή του σεισµικού χωρισµού σε ζώνες ή της σεισµικής ζωνοποίησης, όπως π.χ. µικροζωνική µελέτη της περιοχής. Σεισµικοί συντελεστές - Ένας συντελεστής από 0,1 έως 0,2 χρησιµοποιήθηκε κατά πλειοψηφία. Σεισµικά κύµατα - Είχαν γίνει αναλύσεις εφαρµόζοντας ηµιτονοειδείς ή τροποποιηµένες καταγραφές σεισµών, αλλά µόνο σε σπάνιες περιπτώσεις είχαν εφαρµοστεί πραγµατικά στοιχεία ή καταγραφές σεισµών στις δυναµικές αναλύσεις. Ιδιότητες των υλικών - ιαφορετικές µηχανικές ιδιότητες διάφορων υλικών υποβλήθηκαν σε στατική και δυναµική φόρτιση. Εξεταζόµενα Φορτία - Για τη δυναµική πίεση του νερού εφαρµόστηκαν οι τύποι των Westergaard, Zanger και U.S.B.o.R.. Επιτρεπόµενες τάσεις ή πιέσεις - Σε πολλές περιπτώσεις η επιτρεπόµενη θλιπτική τάση κάτω από δυναµική φόρτιση αυξανόταν κατά µέχρι και 30% επάνω από την επιτρεπόµενη στατική τάση. Οι συντελεστές ασφάλειας για τα τοξωτά φράγµατα ήταν συνήθως της τάξης του 4, βασισµένοι στην θλιπτική τάση και 1,2 το ελάχιστο για τα χωµάτινα φράγµατα. Παραµορφώσεις - Ένα χωµάτινο φράγµα που υποβλήθηκε σε δυναµική καταπόνηση και ανάλυση διαπιστώθηκε ότι υπέστη µία αξονική παραµόρφωση της τάξης του 5%. Οµοιώµατα (Μοντέλα) - Αυτά ήταν ιδιαίτερα δηµοφιλή για την µελέτη των τοξωτών φραγµάτων και για τα φράγµατα βαρύτητας χρησιµοποιήθηκαν σε µερικές περιπτώσεις. Υπήρξε µια τάση να εφαρµοστούν δοκιµές οµοιωµάτων και για τα χωµάτινα φράγµατα. οκιµές υπαίθρου - Μερικά τοξωτά φράγµατα δονήθηκαν µε δονητικές µηχανές για να µελετηθούν οι φυσικές ιδιοπερίοδοί τους και οι τρόποι ή η συµπεριφορά δόνησής τους. Σεισµογράφοι Σεισµογράφοι χρησιµοποιήθηκαν στην πλειοψηφία των µεγάλων µελετούµενων φραγµάτων Συντελεστής ασφάλειας - Φράγµατα βαρύτητας. Ένα φράγµα βαρύτητας πρέπει να σχεδιάζεται για να προστατεύεται κατά κύριο λόγο τόσο από ανατροπή (overturning) όσο και από ολίσθηση (sliding). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 57

58 Για την ανατροπή είναι συνηθισµένο να σχεδιάζεται το φράγµα έτσι ώστε η συνισταµένη όλων των δυνάµεων να τέµνει τη βάση του φράγµατος εντός του µέσου του ενός τρίτου της βάσης. Αυτό θα παράσχει έναν συντελεστή ασφάλειας τουλάχιστον παραπάνω από 2. Ο λόγος ή η αναλογία του αθροίσµατος των οριζόντιων δυνάµεων προς το άθροισµα των κατακόρυφων δυνάµεων αναφέρεται ως παράγοντας ολίσθησης (Fss). Ο λόγος ή η αναλογία αυτή είναι συνήθως περίπου 0,75 αλλά δεν θα πρέπει να υπερβαίνει σε καµία περίπτωση την τιµή του 0,90 κάτω και από τις πιο ακραίες συνθήκες φόρτισης. Αυτοί οι αριθµοί αντιπροσωπεύουν το εύρος του συντελεστή της στατικής τριβής που συνήθως αναπτύσσεται υπό κανονικές συνθήκες στην περιοχή έδρασης ενός φράγµατος βαρύτητας. Όπου: tan α = εφ(α), tan φ = εφ(φ), cos α = συν(α), c = συνοχή του εδάφους θεµελίωσης, και φ = γωνία εσωτερικής τριβής του εδάφους θεµελίωσης. Στις θεµελιώσεις, η οριζόντια φόρτιση θα παραληφθεί και θα αντισταθµιστεί από την αναπτυσσόµενη συνοχή και την τριβή µεταξύ εδάφους θεµελίωσης και σώµατος φράγµατος. Ο λόγος ή η αναλογία της συνολικής αντίστασης από τη συνοχή και την τριβή προς την οριζόντια φόρτιση καλείται τον παράγοντας διατµητικής τριβής (Fsf). Οι περισσότερες χώρες δέχονται µία τιµή για τον παράγοντα διατµητικής τριβής µεγαλύτερο ή ίσο από 4. Στην πράξη η θεµελίωση προετοιµάζεται συνήθως έτσι ώστε να είναι σε αναβαθµούς ή σε µία κεκλιµένη προς τα επάνω επιφάνεια προς την κατάντη διεύθυνση του φράγµατος για να παρέχει µια ακόµα πιο αυξηµένη τιµή αντίστασης σε αστοχία σε σχέση µε την παραπάνω αναφερόµενη τιµή του 4. Εύρος τυπικών τιµών παραµέτρων διατµητικής αντοχής. Θέση του επιπέδου της διάτµησης ή ολίσθησης Συνοχή (c), Τριβή tan(φ) «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 58

59 σε MPa ή MN/m 2 Ακέραιη µάζα σκυροδέµατος 1,5-3,5 1,0-1,5 Οριζόντιος αρµός κατασκευής στην µάζα του σκυροδέµατος ιεπιφάνεια επαφής σκυροδέµατος / βραχοµάζας ή εδάφους 0,8-2,5 1,0-1,5 1,0-3,0 0,8-1,8 Υγιής Βραχοµάζα 1,0-3,0 1,0-1,8 Αποσαθρωµένη Βραχοµάζα < 1,0 < 1,0 Συνιστώµενες παράγοντες διατµητικής τριβής, (Fsf) (κατά U.S.B.R., 1987) Θέση του επιπέδου ολίσθησης Στην διεπαφή βάσης ενός φράγµατος από σκυρόδεµα Συνδυασµός φορτίων Κανονικός Ασυνήθιστος Ακραίος 3,0 2,0 < 1,0 Εντός της βραχοµάζας θεµελίωσης 4,0 2,7 1, Συντελεστής ασφάλειας - Τοξωτά φράγµατα σκυροδέµατος. Ο συντελεστής ασφάλειας σε ένα τοξωτό φράγµα είναι ο λόγος ή η αναλογία της θλιπτικής αντοχής του σκυροδέµατος προς την µέγιστη υπολογιζόµενη θλιπτική τάση που εφαρµόζεται στην δυσµενέστερη θέση και κατάσταση στο σώµα του τοξωτού φράγµατος. Η θλιπτική αυτή αντοχή (ή η αντοχή σε µονοαξονική θλίψη) του σκυροδέµατος αναφέρεται συνήθως ως η αντοχή του σκυροδέµατος που προσδιορίζεται εργαστηριακά σε κυλινδρικά δοκίµια διαστάσεων 150 mm (διάµετρος) x 300 mm (ύψος), ηλικίας 91 ηµερών. Το κριτήριο αυτό σχεδιασµού και υπολογισµού που υιοθετείται από το Αµερικάνικο γραφείο αποκατάστασης περιοχών και αποστραγγιστικών και εγγειοβελτιωτικών έργων (American Bureau of Reclamation), ισχύει για έναν συντελεστή ασφάλειας της τάξης του 4 µε βάση την αντοχή του σκυροδέµατος σε ηλικία ενός (1) έτους. Εκτός από τις περιπτώσεις των συνδυασµών ακραίων συνθηκών φόρτισης, η µέγιστη θλιπτική τάση περιορίζεται συνήθως στην τιµή των 6,9 MPa ή MN/m Συντελεστής ασφάλειας - Χωµάτινα φράγµατα. Οι ελάχιστοι συντελεστές ασφάλειας που ισχύουν για τα χωµάτινα φράγµατα είναι: Ανάντη πρανές του χωµάτινου φράγµατος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 59

60 Αµέσως µετά από την ολοκλήρωση της κατασκευής µε πλήρη πίεση νερού πόρων. Μετά από το γρήγορη εκκένωση του νερού του ταµιευτήρα (rapid drawndown) (Κύκλοι ολίσθησης µεταξύ της υψηλής και χαµηλής στάθµης νερού). 1,3-1,5 1,2-1, Κατάντη πρανές του χωµάτινου φράγµατος. Σεισµός και τελείως πληρωµένος ταµιευτήρας 1,2 Τελείως πληρωµένος ταµιευτήρας Κατάσταση σταθερής διήθησης νερού Οι ακόλουθοι συντελεστές ασφάλειας (FoS) είναι ενδεικτικοί των αποδεκτών τιµών που ισχύουν σε µια περιοχή που υπόκειται συχνά σε σεισµούς: 1,5 Σεισµικός συντελεστής 0,1 FoS 1,8 Σεισµικός συντελεστής 0,3 FoS 1, Συντελεστής ασφάλειας - Αντερείσµατα και Θεµελιώσεις. Οι θεµελιώσεις και τα αντερείσµατα των φραγµάτων θα πρέπει να διερευνώνται εξονυχιστικά για οποιοδήποτε εν δυνάµει πιθανό µηχανισµό αστοχίας τους. Αυτό θα περιελάµβανε την αναγνώριση την καταγραφή και την χαρτογράφηση των οποιασδήποτε φύσης και προέλευσης ασυνεχειών, όπως π.χ. ρήγµατα, ρωγµές, διακλάσεις, ραφές, και οποιασδήποτε άλλης µορφής επιφάνειες αδυναµίας στην βραχοµάζα έδρασης του φράγµατος. Ένας λογικός συντελεστής ασφάλειας είναι: «Ο λόγος ή η αναλογία της διατµητικής αντοχής προς την µέγιστη διατµητική τάση που προβλέπεται να αναπτυχθεί. Η χαµηλότερη τιµή του λόγου ή της αναλογίας αυτής στη περιοχή της θεµελίωσης του φράγµατος είναι ο συντελεστής ασφάλειας της θεµελίωσης του φράγµατος». «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 60

61 ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΥΠΕ ΑΦΟΥΣ (Site Investigation). ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ. 2. ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΣΕ ΧΡΟΝΟ ΚΑΙ ΧΡΗΜΑ ΓΙΑ ΤΙΣ ΕΡΕΥΝΕΣ. 3. ΜΕΛΕΤΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ ΚΑΙ ΥΠΑΡΧΟΝΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ. 4. ΠΡΟΚΑΤΑΡΚΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ. 5. ΓΕΩΦΥΣΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ. 6. ΜΕΘΟ ΟΙ ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗΣ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗΣ ΥΠΕ ΑΦΟΥΣ. 7. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΗΣ ΕΠΙΛΕΓΜΕΝΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ. 8. ΛΕΠΤΟΜΕΡΗΣ ή ΟΡΙΣΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ. 9. ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΜΕ ΟΡΓΑΝΑ Εισαγωγή Γεωτεχνικής διερεύνησης υπεδάφους. Οι περισσότερες αστοχίες συµβαίνουν λόγω έλλειψης της γνώσης ή και της εκτίµησης για το πως µία συγκεκριµένη περιοχή που θα φιλοξενήσει ένα φράγµα θα αντιδρούσε µετά την κατασκευή και λειτουργία του φράγµατος και του ταµιευτήρα του. Είναι εποµένως ουσιαστικό να πραγµατοποιηθεί µια λεπτοµερής γεωτεχνική διερεύνηση στην περιοχή και τα αποτελέσµατα να χρησιµοποιηθούν κατάλληλα από τους µηχανικούς που θα µελετήσουν την κατασκευή του φράγµατος. Κατά το αρχικό στάδιο του σχεδιασµού ενός φράγµατος επιλέγονται διάφορες πιθανές θέσεις για την κατασκευή του φράγµατος µε την βοήθεια τοπογραφικών χαρτών µε ισοϋψείς καµπύλες και µε αεροφωτογραφίες, όπου η επιλογή γίνεται πρωτίστως µε τοπογραφικά κριτήρια. Ένα στενό φαράγγι είναι καλύτερο, από την άποψη ότι θα απαιτηθούν µικρότερες ποσότητες υλικών για την κατασκευή του φράγµατος, σε συνδυασµό φυσικά µε µια κοιλάδα ανάντη της θέσης του φράγµατος η οποία διευρύνεται όσο αποµακρύνεται από την θέση του φράγµατος προς τα ανάντη για να δηµιουργήσει την τεχνητή λίµνη (ταµιευτήρα) και να παράσχει την απαραίτητη αποθήκευση νερού. Ίσως όµως υπάρχουν και άλλες εναλλακτικές περιοχές κατά µήκος ενός ποταµού και συνεπώς να απαιτείται περαιτέρω έρευνα ώστε να επιβεβαιωθεί η καλύτερη δυνατή θέση για την τελική επιλογή κατασκευής του φράγµατος. Για περισσότερα στοιχεία και µελέτη ο ενδιαφερόµενος θα πρέπει να αναζητήσει και να µελετήσει εξειδικευµένη σχετική µε το θέµα βιβλιογραφία. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 61

62 3.2. Απαιτήσεις σε χρόνο και σε χρήµατα για τις έρευνες. Το χρηµατικό ποσό που απαιτείται για να διερευνηθεί µία θέση φράγµατος θα εξαρτηθεί από την περιοχή και τον τύπο του φράγµατος. Ένα πεπειραµένο τµήµα δοµοστατικών µηχανικών, υδρολόγων, γεωλόγων, εδαφοµηχανικών - βραχοµηχανικών, γεωτεχνολόγων µηχανικών και τοπογράφων θα µπορούσαν να παράσχουν ικανοποιητικές και επαρκείς πληροφορίες µε µια δαπάνη της τάξης του 2-3 % του κόστους του φράγµατος. Η δαπάνη αυτή θα µπορούσε να φθάσει έως και το 6% σε αποµακρυσµένες περιοχές όπου ακόµα και οι βασικές πληροφορίες για την εξεταζόµενη περιοχή δεν υπάρχουνε διαθέσιµες. εν είναι ασυνήθιστο να απαιτηθούν ακόµη και 3 χρόνια για τις έρευνες της περιοχής, γεγονός που θα εξαρτηθεί από τη θέση και το µέγεθος του φράγµατος, αλλά ο χρόνος δεν θα πρέπει να υποεκτιµηθεί. Για να καλυφθούν επιπλέον και οι αυστηρές απαιτήσεις για µελέτες περιβαλλοντικών επιπτώσεων καθώς και για ψηφοφορίες της κοινής γνώµης θα µπορούσαν να απαιτηθούν επιπροσθέτως, 2 ακόµη χρόνια στο προαναφερόµενο χρόνο καθώς και κάποιο επιπλέον τοις εκατό στο προϋπολογιζόµενο κόστος. Εάν, ως αποτέλεσµα της διερεύνησης της περιοχής για την κατασκευή ενός φράγµατος, προκύψει ότι απαιτείται µια άλλη περιοχή, ο ίδιος χρόνος και χρήµατα θα πρέπει να δαπανηθούν εκ νέου ερευνώντας τη νέα περιοχή. Θα πρέπει εποµένως να υπάρχει πάντα επαρκής διαθέσιµος χρόνος αλλά και χρήµατα για όλες τις διεπιστηµονικές ειδικότητες για να τους δοθεί η ευκαιρία να διερευνήσουν την περιοχή και να υποβάλουν τις εκθέσεις και µελέτες τους µε σκοπό την ορθολογικότερη και βέλτιστη τεχνικοοικονοµικά λύση που τελικά θα επιλεχθεί ιερεύνηση περιοχής - Μελέτη βιβλιογραφίας και υπαρχόντων στοιχείων. Η πρωταρχική αυτή µελέτη που γίνεται αποκλειστικά και µόνο στο γραφείο και όχι στην ύπαιθρο µπορεί να πραγµατοποιηθεί µε έρευνα από τις ακόλουθες πηγές πληροφοριών: 1. Τοπογραφικοί Χάρτες κλίµακες 1 : της Γεωγραφικής Υπηρεσίας Στρατού (Γ.Υ.Σ.) ή από άλλους αντίστοιχους χάρτες της εξεταζόµενης περιοχής, 2. Τοπογραφικά διαγράµµατα της Γ.Υ.Σ. κλίµακας 1 : της εξεταζόµενης περιοχής, 3. Γεωλογικοί χάρτες και εκθέσεις της εξεταζόµενης περιοχής, 4. Παλαιότεροι χάρτες µε στοιχεία όπως: o Προηγούµενοι χρήστες της περιοχής, o Εγκατελειµένα και κρυµµένα ορυχεία και είσοδοι ορυχείων, o Επιχωµένα (µπαζωµένα) σκάµµατα ή τάφροι, o Αρχικές τοπογραφικές συνθήκες και υδρογραφικό δίκτυο, o Αλλαγές στις πορείες ρεµάτων, µισγαγγειών και ποταµών, «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 62

63 o Αλλαγές στις περιοχές λόγω κατολισθήσεων εδάφους, όπως αλλαγές στις γραµµές των φρακτών, στα µονοπάτια, κλπ., 5. Αεροφωτογραφίες σε στερεοσκοπικά ζεύγη: o Εικόνες Landsat, o Εικόνες από δορυφορικές λήψεις γενικότερα, o Έγχρωµες και υπέρυθρης ακτινοβολίας φωτογραφίες, 6. Εκθέσεις και µελέτες προηγούµενων ερευνών υπεδάφους της περιοχής, και 7. Πληροφορίες από ντόπιους κατοίκους και τις αρχές σχετικά µε το ιστορικό και την χρήση της περιοχής ιερεύνηση περιοχής - Προκαταρκτική έρευνα. Εναέρια αναγνώριση - Μία αρχική πτήση, για την κατασκευή τουλάχιστον των µεγαλύτερων κυρίως φραγµάτων, είναι ουσιαστική, παρέχοντας στο µηχανικό µια γενική ιδέα της τοπογραφίας και επιτρέποντάς τον να διαµορφώσει µια άποψη σχετικά µε τα πιθανά υδρολογικά χαρακτηριστικά της λεκάνης απορροής του προβλεπόµενου φράγµατος. Ένας γεωλόγος ή γεωτεχνικός µηχανικός ή µηχανικός γεωτεχνολογίας θα βοηθήσει το µηχανικό στην βέλτιστη επιλογή την θέσης του φράγµατος, και ένας κατασκευαστής µηχανικός θα µελετήσει την πρόσβαση και προσπέλαση καθώς και τις πιθανές πηγές απόληψης δοµικών υλικών για την κατασκευή του φράγµατος, ως δανειοθαλάµους. Επίγεια αναγνώριση - Τα χαρακτηριστικά γνωρίσµατα που θα πρέπει να αναζητηθούν κατά τη διάρκεια της αρχικής προκαταρκτικής αναγνώρισης περιλαµβάνουν παλαιές και εν δυνάµει πιθανές κατολισθήσεις του εδάφους της περιοχής, γεωλογικά ρήγµατα και σηµαντικές οικογένειες διακλάσεων και ασυνεχειών γενικότερα ιδιαίτερα παράλληλες µε την κοιλάδα του φράγµατος. Οι οικογένειες των διακλάσεων και ασυνεχειών γενικότερα µπορεί να είναι ανοικτές ή πληρωµένες µε τα προϊόντα αποσάθρωσης, και να παρουσιάζουν κινδύνους στην ευστάθεια της κατασκευής καθώς και πιθανές πορείες ή διόδους διαρροής νερού γύρω και κάτω από το φράγµα. Η εξέταση κατά µήκος των κοιτών του κύριου ποταµού και των παραποτάµων και ρεµάτων του θα δείξει, λόγω της καλύτερης εµφάνισης της βραχοµάζας του βραχώδους υποβάθρου της περιοχής που ευνοείται από την διάβρωση στις ζώνες αυτές, τις παρατάξεις και τις κλίσεις των βραχωδών αυτών σχηµατισµών. Οποιοδήποτε εµφάνιση πηγής ή υπόγειου νερού γενικότερα πρέπει να εντοπιστεί και να χαρτογραφηθεί µε προσοχή και ακρίβεια, δεδοµένου ότι τα χαρακτηριστικά αυτά παρέχουν πιθανές πορείες ή διόδους διαρροής νερού από τον προβλεπόµενο ταµιευτήρα του φράγµατος. Το βάθος των τεταρτογενών αλλουβιακών αποθέσεων ή του εδαφικού µανδύα αποσάθρωσης του υποκείµενου υγιούς βραχώδους υποβάθρου θα πρέπει να προσδιοριστεί και να χαρτογραφηθεί µε προσοχή και ακρίβεια για να καθορίσει τις εκσκαφές που απαιτούνται «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 63

64 καθώς και τις πιθανές ποσότητες δοµικού υλικού διάφορων τύπων και εδαφοµηχανικών χαρακτηριστικών που απαιτούνται για την κατασκευή του φράγµατος. Σε αυτή τη φάση ή στάδιο έρευνας, τα προκαταρκτικά γεωλογικά στοιχεία θα πρέπει να αξιολογηθούν και να υποστηριχθούν µε σχετικής λεπτοµέρειας και κλίµακας χαρτογραφήσεις και δηµιουργία εργαστηριακών και µαθηµατικών οµοιωµάτων (µοντέλων) µε πεπερασµένα στοιχεία ή διαφορές χρησιµοποιώντας κατάλληλο εξειδικευµένο λογισµικό. Αυτό µπορεί να βοηθήσει ώστε να δοθεί σηµαντικές εκτιµήσεις σχετικά µε τον βέλτιστο τύπο του φράγµατος που µπορεί να είναι ο πιο κατάλληλος για τα υδρογεωτεχνικά δεδοµένα και χαρακτηριστικά της εξεταζόµενης περιοχής, καθώς και οποιουδήποτε προβλήµατος θα µπορούσε να αντιµετωπιστεί, προτού να εκτελεσθεί το επόµενο στάδιο ή φάση των εκτενών και λεπτοµερών εργασιών διάτρησης ή και υπαίθριων διερευνήσεων και δοκιµών. Η αξιολόγηση των προκαταρκτικών αυτών στοιχείων θα βοηθήσει στην επιλογή των διερευνητικών µεθόδων που θα πρέπει να ακολουθηθούν, καθώς και στον σχεδιασµό του καταλληλότερου διερευνητικού προγράµµατος στο σύνολό του. Συγκεντρωτική κατάσταση των κυριοτέρων αναφερόµενων χαρακτηριστικών που πρέπει να καταγράφονται κατά την αρχική διερεύνηση µιας περιοχής. 1. Τοπογραφία Π.χ. επίπεδη, ήπια κυµατιστή, κυµατιστή, µε οξείς λόφους, ορεινή, να αναφέρεται η υψοµετρική διαφορά µεταξύ των υψηλότερων και χαµηλότερων περιοχών. 2. Τοπογραφία µε αιχµηρές µεταβολές - Π.χ. κορυφογραµµές, φαράγγια, εσοχές - βυθίσµατα. 3. Επιφανειακό έδαφος Π.χ. χαλαρό ή πυκνό, µαλακό ή σκληρό, υγρό ή ξηρό, µε λίθους και αµµοχάλικα (άτακτα διασκορπισµένα ή στις ζώνεςενδιαστρώσεις), επιφανειακή φυτική γη µε οργανικές ουσίες. 4. Βραχώδεις εξάρσεις ή επιφανειακές εµφανίσεις βραχοµάζας Π.χ. στην επιφάνεια, σε εκσκαφές οδοποιίας ή και του σιδηροδρόµου, στα λοφώδη πρανή, αποσαθρωµένες και υγιείς. 5. Σχέδιο υδρογραφικού δικτύου - Π.χ. δενδριτικό, δικτυωτό ή πλεγµατώδες, παράλληλο, µε χάσµατα ροής νερού, µε καταρράκτες, να αναφέρεται η διεύθυνση του βασικού ή κύριου υδρογραφικού δικτύου. 6. Επιφανειακό νερό Π.χ. σε ροή, εποχιακό ή συνεχές, µε διακυµάνσεις, πληµµύρες, λίµνες, έλη, διακοπτόµενοι ή εξαφανιζόµενοι ποταµοί. 7. Υπόγειο νερό - Π.χ. φρεάτια, διαρροές, πηγές, αρτεσιανά πηγάδια ή γεωτρήσεις. 8. ιάβρωση εδάφους - Π.χ. έντονη ή µέτρια, µε διαµόρφωση ήπιου σχήµατος U ή οξύ σχήµατος V στις εγκάρσιες τοµές των ρεµάτων ή ποταµών, απότοµα ή ήπια κεκλιµένα κεφάλια πρανή ξηρορεµάτων ή νεροφαγωµάτων. 9. Χρήση γης - Π.χ. καλλιεργηµένη ή άγονη, τύπος βλάστησης, καλής ή κακής ποιότητας ή αποδοτικότητας. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 64

65 10. Υπάρχουσες κατασκευές - Π.χ. από αναφορές ή αναµνήσεις των παλαιών κατοίκων της περιοχής ιερεύνηση περιοχής - Γεωφυσική έρευνα. Οι γεωφυσικές µέθοδοι παρέχουν µια έµµεση εκτίµηση ορισµένων υπεδαφικών συνθηκών. Έχουν αναπτυχθεί διάφορες διαδικασίες και µέθοδοι, οι οποίες µετρούν κάποια στοιχεία δυναµικού στο υπέδαφος Μέθοδος σεισµικής διάθλασης. Αυτή η µέθοδος είναι η πιο χρήσιµη και βασίζεται στην αρχή ότι τα ελαστικά κύµατα, όπως εκείνα που παράγονται από τις µικρούς εκρήξεις ή ισχυρούς ήχους, ταξιδεύουν µε διαφορετικές ταχύτητες στα διαφορετικά υλικά. Όσο υψηλότερη είναι η πυκνότητα και το µέτρο ελαστικότητας του εδάφους ή της βραχοµάζας µέσω των οποίων ταξιδεύουν τα ελαστικά κύµατα, τόσο υψηλότερη είναι και η ταχύτητά τους. Στην συνέχεια δίδονται ορισµένες χαρακτηριστικές τιµές της ταχύτητας µετάδοσης των ελαστικών κυµάτων σε m/s για διάφορους εδαφικούς και βραχώδεις σχηµατισµούς. Υλικό Ταχύτητα σε m/s Χαλαρή άµµος Σκληρή άργιλος Αποσαθρωµένος βράχος Υγιής βράχος Μέθοδος ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης. Αυτή η µέθοδος βασίζεται στο γεγονός ότι η ηλεκτρική αντίσταση των διαφορετικών στρωµάτων ποικίλλει αντιστρόφως ανάλογα µε την ποσότητα των υφισταµένων ιονισµένων αλάτων. Ένας συµπαγής βράχος µε λίγα κενά, λίγη υγρασία, και αµελητέας ποσότητας αλάτων θα έχει µία υψηλή ηλεκτρική αντίσταση. Μία µαλακή κορεσµένη άργιλος θα έχει µια χαµηλή ηλεκτρική αντίσταση, ιδιαίτερα εάν υπάρχει κάποια αποσυντεθειµένη οργανική ουσία ή διαλυτά άλατα. Στην συνέχεια δίδονται ορισµένες χαρακτηριστικές τιµές της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης σε Ohm-cm για διάφορους εδαφικούς και βραχώδεις σχηµατισµούς. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 65

66 Υλικό Ειδική ηλεκτρική αντίσταση σε Ohm-Cm. Κορεσµένη, οργανική άργιλος, µε οργανικά άλατα Υγρές ανόργανες άργιλοι και ιλύες Σκληρές άργιλοι, µερικώς κορεσµένες άργιλοι και ιλύες, κορεσµένοι άµµοι και αµµοχάλικα Αργιλικοί φυλλίτες και Αργιλικοί σχιστόλιθοι Σχιστόλιθοι, ξηροί άργιλοι και ιλύες Ψαµµίτες, ξηρές άµµοι και αµµοχάλικα Υγιή κρυσταλλικά πετρώµατα Σχήµα. Γεωφυσικό όργανο που χρησιµοποιείται στην εκτέλεση γεωηλεκτρικών διασκοπήσεων κατά τις έρευνες υπεδάφους Πλεονεκτήµατα των γεωφυσικών µεθόδων Οι γεωφυσικές µέθοδοι επιτρέπουν µια γρήγορη κάλυψη µεγάλων περιοχών µε σχετικά χαµηλότερο κόστος που είναι χρήσιµο κατά την επιλογή των πιθανών κατάλληλων περιοχών κατασκευής φραγµάτων κατά την αρχική αναγνωριστική φάση της µελέτης. Επίσης οι µέθοδοι αυτοί δεν παρεµποδίζονται από τυχόν υπάρχουσες κροκάλες ή χονδρόκοκκα χαλίκια όπως συµβαίνει µε τις άµεσες ερευνητικές µεθόδους όπως µε την διάτρηση και την δειγµατοληψία µε γεωτρύπανα. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 66

67 Σχήµα. Γεωφυσικό όργανο κατά την εκτέλεση υπαίθριων γεωηλεκτρικών διασκοπήσεων σε έρευνα υπεδάφους στην ζώνη θεµελίωση ενός φράγµατος Περιορισµοί ή µειονεκτήµατα των γεωφυσικών µεθόδων - Υπάρχει κάποια σχετική δυσκολία στη σωστή και αντικειµενική ερµηνεία των γεωφυσικών µετρήσεων ιδιαίτερα όταν τα στρώµατα των γεωλογικών σχηµατισµών δεν ορίζονται καλά και όταν δεν είναι οριζόντια. Για τον λόγο αυτόν είναι επιτακτικό όλη η γεωφυσική ερευνητική εργασία να επιβεβαιώνεται και να επαληθεύεται και από ερευνητικές και δειγµατοληπτικές γεωτρήσεις ή και από άλλες άµεσες παρατηρήσεις ιερεύνηση περιοχής - Μέθοδοι Γεωτεχνικής διερεύνησης υπεδάφους. Σκοπός της γεωτεχνικής διερεύνησης του υπεδάφους είναι να εξασφαλίσει εξακριβωµένες πληροφορίες σχετικά µε τη στρωµατογραφία των εδαφικών ή και βραχωδών σχηµατισµών, τη σύσταση των υλικών και τις εδαφοµηχανικές ή βραχοµηχανικές τους ιδιότητες (κυρίως αντοχή, παραµορφωσιµότητα και υδροπερατότητα), καθώς και τη θέση και βάθος του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα σε µία εξεταζόµενη περιοχή. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 67

68 Α.Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕ ΟΝΙΑΣ - Τµήµα Μηχανικών Περιβάλλοντος & Μηχανικών Αντιρρύπανσης Ερευνητικές Γεωτρήσεις και ειγµατοληψία. Ερευνητικές γεωτρήσεις ελικοειδούς τύπου (Auger Boring) Η χρήση τους περιορίζεται γενικά στα µέσης συνεκτικότητας (firm) συνεκτικά εδάφη, επάνω από την πιεζοµετρική επιφάνεια των υπόγειων νερών. Οι κροκάλες ή τα χαλίκια που είναι µεγαλύτερα από το ένα τρίτο της διαµέτρου της οπής της γεώτρησης δεν µπορούν να διατρηθούν µε γεωτρύπανο ελικοειδούς τύπου, αλλά τα πολύ σκληρά εδάφη και οι µαλακοί βράχοι µπορούν συνήθως να διατρηθούν εάν υπάρχει διαθέσιµη ικανοποιητική ισχύς στο διατρητικό µηχάνηµα. οκιµαστική διάτρηση. Πυρηνοληπτική διάτρηση. ιάτρηση µε διαµαντοκορώνα. ιάτρηση περιορισµένου µήκους. Σχήµα. Άποψη ενός ερευνητικού και δειγµατοληπτικού γεωτρητικού εξοπλισµού που χρησιµοποιείται στις ερευνητικές και δειγµατοληπτικές γεωτεχνικές γεωτρήσεις. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 68

69 Α.Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕ ΟΝΙΑΣ - Τµήµα Μηχανικών Περιβάλλοντος & Μηχανικών Αντιρρύπανσης Ερευνητικό πρόγραµµα γεωτεχνικής διερεύνησης υπεδάφους για την θεµελίωση ενός φράγµατος. ιάταξη ερευνητικών γεωτρήσεων ιαδικασία ερευνητικών εργασιών Εργαστηριακές δοκιµές Αξιολόγηση και συσχετισµός των αποτελεσµάτων Σχήµα. Άλλη άποψη ενός ερευνητικού και δειγµατοληπτικού γεωτρητικού εξοπλισµού Σχεδιασµός δανειοθαλάµους. και εκτέλεση ερευνητικών εργασιών για Επιτόπια ή υπαίθρια έρευνα οκιµές και αξιολόγηση - συσχετισµός των αποτελεσµάτων «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 69

70 Α.Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕ ΟΝΙΑΣ - Τµήµα Μηχανικών Περιβάλλοντος & Μηχανικών Αντιρρύπανσης Σχήµα. Εκτέλεση ερευνητικής και δειγµατοληπτικής γεωτεχνικής γεώτρησης για εκπόνηση µελέτης και ανάλυσης ευστάθειας πρανούς. Σχήµα. Άποψη ερευνητικού και δειγµατοληπτικού γεωτρητικού εξοπλισµού κατά την διαδικασία διάτρησης και δειγµατοληψίας γεωλογικών σχηµατισµών. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 70

71 Σχήµα. Άποψη ερευνητικού και δειγµατοληπτικού γεωτρητικού εξοπλισµού κατά την διαδικασία διάτρησης και δειγµατοληψίας γεωλογικών σχηµατισµών. Σχήµα. Άποψη ερευνητικού και δειγµατοληπτικού γεωτρητικού εξοπλισµού που χρησιµοποιείται στις ερευνητικές και δειγµατοληπτικές γεωτεχνικές γεωτρήσεις τύπου έλικος (Auger drilling). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 71

72 Σχήµα. ιατρητικά στελέχη και διατρητικές κεφαλές που χρησιµοποιούνται στις ερευνητικές γεωτρήσεις ιερεύνηση περιοχής - Αξιολόγηση της επιλεγόµενης περιοχής. Σε αυτή τη φάση ή στάδιο, οι πιθανοί κίνδυνοι και τα προβλήµατα θα πρέπει να έχουν αναγνωριστεί και προσδιοριστεί. Παρόλ αυτά, είναι ακόµα αναγκαίο η ερευνητική οµάδα του έργου να παραµένει σε ετοιµότητα για πιθανές ενδείξεις επικίνδυνων ή προβληµατικών χαρακτηριστικών γνωρισµάτων που δεν αναγνωρίστηκαν κατά τη διάρκεια των προηγούµενων αρχικών σταδίων της έρευνας. Η κύρια προσπάθεια κατευθύνεται στον προσδιορισµό των αντιπροσωπευτικών παραµέτρων για τον τελικό ασφαλή σχεδιασµό του φράγµατος. Αυτό θα περιελάµβανε υψηλής ποιότητας ερευνητικών και δειγµατοληπτικών γεωτρήσεων, µε ιδιαίτερη προσοχή στην ποιότητα των αποληφθέντων δειγµάτων και στην απόληψη υψηλού ποσοστού πυρηνοληψίας (Cr), προσεκτική εδαφοµηχανική βραχοµηχανική δροµοµέτρηση και περιγραφή των ερευνητικών φρεατίων, τάφρων και στοών, εκτέλεση επί τόπου ή υπαίθριων δοκιµών όπως δοκιµή φόρτισης πλακών (P.L.T.) και δοκιµή διατµητικής αντοχής σε υπόγειες στοές, κατασκευή και έλεγχος συµπεριφοράς δοκιµαστικών αναχωµάτων, εκτέλεση δοκιµαστικών τσιµεντενέσεων, καθώς και άλλων ερευνητικών δοκιµών και εξετάσεων. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 72

73 Σχήµα. ιαιρετός δειγµατολήπτης που χρησιµοποιείται για την δειγµατοληψία πιο ευαίσθητων γεωλογικών σχηµατισµών. Σχήµα. ροµοµέτρηση πυρήνων και τοποθέσησή τους στα κατάλληλα κιβώτια µεταφοράς και προστασίας των εδαφικών δοκιµίων. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 73

74 Α.Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕ ΟΝΙΑΣ - Τµήµα Μηχανικών Περιβάλλοντος & Μηχανικών Αντιρρύπανσης Σχήµα. Κεφαλή ερευνητικής και δειγµατοληπτικής γεωτεχνικής γεώτρησης, όπου διακρίνεται και ο προεξέχον πιεζοµετρικός σωλήνας για σταθµηµετρήσεις της πιεζοµετρικής επιφάνειας των υπόγειων νερών Ερευνητικές εργασίες για τις θεµελιώσεις. ειγµατοληψία αδιατάρακτων δοκιµίων ειγµατοληψία από ερευνητικά ορύγµατα ειγµατοληψία µε δειγµατολήπτες λεπτών τοιχωµάτων, π.χ. δειγµατολήπτες τύπου Shelby ειγµατοληψία µε συσκευές φύλλων αλουµινίου ειγµατοληψία µε περιστροφικούς δειγµατολήπτες Εργαστηριακές δοκιµές Αξιολόγηση και συσχετισµός των αποτελεσµάτων των υπαίθριων και εργαστηριακών εργασιών και δοκιµών Επιτόπιες ή υπαίθριες δοκιµές. οκιµαστικά ορύγµατα (φρεάτια, τάφροι, στοές, κλπ) οκιµή φόρτισης πλακών οκιµή διήθησης νερού «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 74

75 Α.Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕ ΟΝΙΑΣ - Τµήµα Μηχανικών Περιβάλλοντος & Μηχανικών Αντιρρύπανσης Σχήµα. Γαιώδη (εδαφικά) δοκίµια τοποθετηµένα στα κατάλληλα κιβώτια µεταφοράς και προστασίας τους που προορίζονται για εκτέλεση των εργαστηριακών δοκιµών. Σχήµα. Βραχώδη δοκίµια τοποθετηµένα στα κατάλληλα κιβώτια µεταφοράς και προστασίας τους που προορίζονται για εκτέλεση των εργαστηριακών δοκιµών. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 75

76 Α.Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕ ΟΝΙΑΣ - Τµήµα Μηχανικών Περιβάλλοντος & Μηχανικών Αντιρρύπανσης Σχήµα. Γαιώδη (επάνω) και Βραχώδη (κάτω) δοκίµια τοποθετηµένα στα κατάλληλα κιβώτια µεταφοράς και προστασίας τους που προορίζονται για εκτέλεση των εργαστηριακών δοκιµών Ερευνητικές εργασίες για δανειοθαλάµους. ειγµατοληψία Εργαστηριακές δοκιµές οκιµαστικές εκσκαφές σε τάφρους «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 76

77 Φώτο. Λεπτοµέρειες ενός ερευνητικού - δειγµατοληπτικού φρεατίου. Στα ανώτερα επιφανειακά στρώµατα διακρίνονται οι Πλειστοκαινικές Ποτάµιες αποθέσεις των καφέ σκούρων έως κόκκινων αµµωδών αργιλοµαργών, σε επαφή µε τις Πλειστοκαινικές Ποτάµιες αποθέσεις των κιτρινωπών αµµωδών Μαργών, που αναπτύσσονται στα ενδιάµεσα στρώµατα (χαµηλότερο τµήµα φωτογραφίας) στο υπόβαθρο του άµεσου εξεταζόµενου χώρου θεµελίωσης του προβλεπόµενου έργου. Στο δάπεδο του ερευνητικού - δειγµατοληπτικού φρεατίου εµφανίζεται το συµπαγές ηµιβραχώδες λατυποκροκαλοπαγές υπόβαθρο της περιοχής ιερεύνηση περιοχής - Λεπτοµερής ή οριστική έρευνα. Μετά από την αξιολόγηση της προκαταρκτικής βιβλιογραφικής έρευνας γραφείου, καθώς και των προκαταρκτικών υπαίθριων και εργαστηριακών ερευνητικών εργασιών θα πρέπει να εκτιµηθεί η πιθανότητα ύπαρξης σηµαντικών κινδύνων και να αξιολογήσει ποιοτικά το ενδεχόµενο αντιµετώπισης και άλλων πιθανών κινδύνων. Η διαδικασία αυτή θα πρέπει να οδηγήσει σε µια ταξινόµηση και ιεράρχηση των υποψήφιων περιοχών που εξετάστηκαν σε µία σειρά πιθανής καταλληλότητά τους. Μετά από την προκαταρκτική βιβλιογραφική έρευνα γραφείου και την προκαταρκτική επιτόπια έρευνα, µπορεί να είναι απαραίτητο να καθιερωθεί µία διάταξη και ένα βασικό επίπεδο σεισµικότητας για αργότερη αξιολόγηση προκαλούµενης σεισµικότητας. Εάν προσδιοριστούν τα πιθανά ενεργά ρήγµατα, πρέπει να εγκατασταθούν σεισµικές διατάξεις έτσι ώστε να τα ελέγχουν. Αυτό θα βοηθήσει να αξιολογηθεί η ανάγκη για αλλαγές κριτηρίων εάν εµφανιστεί σεισµική δραστηριότητα αφότου έχει ολοκληρωθεί το στάδιο «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 77

78 της τεχνικοοικονοµικής σκοπιµότητας και έχει προχωρήσει σε ικανοποιητικό βαθµό ο σχεδιασµός του έργου. Το επόµενο στάδιο είναι να εκτελεστεί µια λεπτοµερής έρευνα στην επιλεγµένη από το προηγούµενο στάδιο περιοχή. Φώτο. Συλλεχθέντα δοκίµια, Συνεχούς πυρηνοληψίας, Προτύπου ιεισδύσεως και Φραγµού, από το βάθος των 0,00 έως 6,00 m της ερευνητικής γεώτρησης (Γ-2), στο χώρο θεµελίωσης του έργου, που προορίζονται για την εκτέλεση των εργαστηριακών δοκιµών. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 78

79 Φώτο. Λεπτοµέρειες (close-up) του εδαφικού τύπου που συναντήθηκε σχεδόν κατά αποκλειστικότητα στο υπέδαφος θεµελίωσης του έργου. ιακρίνεται αντιπροσωπευτικό δείγµα του λεπτόκοκκου στιφρού εδάφους των Τεταρτογενών Ολοκαινικών Αλλουβιακών αποθέσεων, σύστασης σκούρας κοκκινοκαφέ - σοκολατί, ιλυώδους και αµµώδους αργίλου, µέτριας έως υψηλής πλαστικότητας, στιφρής (stiff), µε ελάχιστα χαλίκια, και µε κατά θέσεις αραιά ενδιαστρωµένους φακούς µέτρια πυκνών αµµοχάλικων, που εκτείνεται από την επιφάνεια του φυσικού εδάφους, κάτω από τις τεχνητές επιχωµατώσεις (Μπάζα), έως και σε βάθος µεγαλύτερο των 15,00 m που σταµάτησαν οι ερευνητικές γεωτρήσεις. Με βάση το ενιαίο σύστηµα ταξινόµησης εδαφών "U.S.C.S.", καθώς και τα Βρετανικά πρότυπα: "Βritish Soil Classification System for Engineering Purposes: B.S. 5930:1981", το έδαφος αυτό χαρακτηρίζεται και ταξινοµείται ως συνεκτικό έδαφος: CH-CL. (Λεπτόκοκκες τεταρτογενείς ολοκαινικές αλλουβιακές αποθέσεις). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 79

80 Φώτο. Λεπτοµέρειες (close-up) του εδαφικού τύπου που συναντήθηκε στα ανώτερα στρώµατα του υπεδάφους θεµελίωσης ενός έργου, αµέσως κάτω από τα κροκαλοπαγή. ιακρίνεται αντιπροσωπευτικό δείγµα των Αδρόκοκκων Τεταρτογενών Ολοκαινικών Αλλουβιακών υλικών αποσάθρωσης των υπερκείµενων κροκαλοπαγών, σύστασης ανοιχτών γκριζοκαφέ, ιλυωδών και αργιλωδών γωνιωδών αµµοχάλικων µε πολλές κροκάλες, υψηλής πυκνότητας, που προήλθαν από την αποσάθρωση των υπερκείµενων κροκαλοπαγών, όπου στο κάτω µέρος αυξάνουν τα ιλυώδη - αργιλώδη λεπτόκοκκα υλικά, και που µε βάση το ενιαίο σύστηµα ταξινόµησης εδαφών "U.S.C.S.", καθώς και τα Βρετανικά πρότυπα: "Βritish Soil Classification System for Engineering Purposes. B.S. 5930:1981", χαρακτηρίζεται και ταξινοµείται ως µη συνεκτικό έδαφος: GΜ- GC. Το έδαφος αυτό εµφανίζεται από το βάθος των 4,65 m έως και το βάθος των 6,00 m, κάτω από τα υπερκείµενα κροκαλοπαγή. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 80

81 Φώτο. Λεπτοµέρειες (close-up) πυρήνων πετρώµατος των ανοιχτών γκρι, λεπτόκοκκων έως µεσόκοκκων, ολοκρυσταλλικών, µεσοστρωµατώδων έως παχυστρωµατώδων, καρστικοποιηµένων, ισχυρών, Ανω Κρητιδικών Ασβεστόλιθων, που δοµούν το ισχυρό βραχώδες υπόβαθρο του άµεσου χώρου θεµελίωσης ενός έργου. Το ασβεστολιθικό αυτό πέτρωµα αποτελεί το υποκείµενο των τεταρτογενών Αλλουβιακών προσχώσεων ισχυρό βραχώδες υπόβαθρο της ευρύτερης περιοχής του έργου και συνιστά βραχοµάζα πολύ υψηλών και ευνοϊκών από βραχοµηχανική - εδαφοµηχανική άποψη παραµέτρων και ιδιοτήτων για την θεµελίωση του έργου. Παρόλ αυτά όµως, βρίσκεται σε αρκετό βάθος στο υπόβαθρο της συγκεκριµένης περιοχής κάτω από τις τεταρτογενείς Αλλουβιακές προσχώσεις, που κυµαίνεται από θέση σε θέση µεταξύ 6,95 m και περισσότερο από 25,00 m κάτω από την επιφάνεια των γεωτεχνικά υποβαθµισµένων Αλλουβιακών αποθέσεων. Στην φωτογραφία διακρίνεται η πολύ συµπαγής κατάσταση της ισχυρής ασβεστολιθικής βραχοµάζας, καθώς και κάποιες χαρακτηριστικές διευρυµένες επιφάνειες διάκλασης (joint sets). Το πέτρωµα αυτό περιγράφεται, χαρακτηρίζεται και ταξινοµείται, σύµφωνα µε τις προδιαγραφές: British Standards - B.S.:5930:1981, (Code of Practice for Site Investigations), τις προτάσεις της ιεθνούς Ένωσης Τεχνικής Γεωλογίας (I.A.E.G. 1972, 1977, και 1981), τα Βρετανικά πρότυπα θεµελιώσεων - B.S.:CP:2004:1972, "Code of Practice for Foundations", τα Γερµανικά πρότυπα DIN 4020 Beiblatt 1, Publication: Geotechnical investigations for civil engineering purposes; aids to application, supplementary informations, καθώς και την Καναδική µέθοδο: "Canadian Manual on Foundation Engineering", ως ακολούθως: "Υγιείς και διακλασµένοι κρυσταλλικοί και συµπαγείς Ασβεστόλιθοι" και αναλυτικά: "Ανοιχτού γκρι χρώµατος, λεπτόκοκκοι έως µεσόκοκκοι, ολοκρυσταλλικοί, µε Συµπαγή - Μαζώδη υφή, µεσοστρωµατώδεις έως παχυστρωµατώδεις, καρστικοποιηµένοι, υγιείς (συνήθως WI), ισχυροί, Ασβεστόλιθοι, µε τρεις κύριες οµάδες ασυνεχειών, µέτριας έως αραιής πυκνότητας ασυνεχειών, µε µεγάλο µήκος ίχνους ασυνέχειας, µέτριας τραχύτητας (Τ = 8 έως 12), και µε µικρό έως µέτριο κατά θέσεις λόγω διάβρωσης και καρστικοποίησης άνοιγµα ασυνεχειών, µε υψηλή εκτιµούµενη υδροπερατότητα λόγω καρστικοποίησης και κερµατισµού, ίση µε 10-2 έως 1 m/sec ". Ο Ασβεστολιθικός αυτός σχηµατισµός παρουσιάζει γενικά πολύ υψηλές βραχοµηχανικές ιδιότητες για την θεµελίωση του έργου. Παρόλ αυτά όµως τα υπερκείµενα στρώµατα των τεταρτογενών Αλλουβιακών προσχώσεων είναι εξαιρετικά υποβαθµισµένα από εδαφοµηχανική άποψη και συνεπώς έως το βάθος που εµφανίζεται ο Ασβεστολιθικός σχηµατισµός θα πρέπει να εξυγιανθούν µε κατάλληλες γεωτεχνικές µεθόδους. Η ηλικία του σχηµατισµού είναι Ανω Κρητιδική και συγκεκριµένα στην περίοδο του Κενοµάνιου - Τουρώνιου - Σενώνιου. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 81

82 Φώτο. Λεπτοµέρειες (close-up) του εδαφικού τύπου που συναντήθηκε στα ανώτερα στρώµατα του υπεδάφους θεµελίωσης ενός έργου. ιακρίνεται αντιπροσωπευτικό δείγµα του αµµοϊλυώδους µαλακού εδάφους των Τεταρτογενών Ολοκαινικών Αλλουβιακών αποθέσεων, σύστασης καφεκίτρινης, αργιλώδους ιλύος, µε πολύ άµµο και καθόλου έως ελάχιστα χαλίκια, χαµηλής πλαστικότητας, µαλακής (soft), που µε βάση το ενιαίο σύστηµα ταξινόµησης εδαφών "U.S.C.S.", καθώς και τα Βρετανικά πρότυπα: "Βritish Soil Classification System for Engineering Purposes. B.S. 5930:1981", χαρακτηρίζεται και ταξινοµείται ως συνεκτικό έδαφος: ML. Το έδαφος αυτό εµφανίζεται από το βάθος των 6,00 m έως και το βάθος των 10,95 m. Φώτο. Εγγύτερες λεπτοµέρειες (close-up) του προαναφερόµενου εδαφικού τύπου του αργιλικού εδάφους των Τεταρτογενών Ολοκαινικών Αλλουβιακών αποθέσεων που συναντήθηκε στα ανώτερα στρώµατα του υπεδάφους θεµελίωσης ενός έργου. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 82

83 3.9. Έρευνα περιοχών Παρακολούθηση της περιοχής µε όργανα. Ο έλεγχος και η παρακολούθηση του έργου κατά τη διάρκεια της κατασκευής περιλάβει την εργασία ενός γεωλόγου µηχανικού ή γεωτεχνικού µηχανικού ή µηχανικού γεωτεχνολογίας στην περιοχή, ο οποίος θα εξετάσει όλες τις πραγµατοποιούµενες εκσκαφές για να διαπιστώσει εάν οι προβλέψεις και οι εκτιµήσεις των προηγούµενων ερευνητικών εργασιών ανταποκρίνονται στις πραγµατικές συναντούµενες εδαφικές συνθήκες. Η έγκαιρη αναγνώριση ή ο εντοπισµός σηµαντικών και καθοριστικών για την ασφάλεια του έργου διαφορών µπορεί να οδηγήσει σε µια έγκαιρη διάγνωση, παρέµβαση και αποκατάσταση οποιωνδήποτε προβληµάτων που µπορεί να υπάρξουν αργότερα. Για το στάδιο µετά την ολοκλήρωση των ερευνητικών και µελετητικών εργασιών και την έναρξη της κατασκευής από τον εργολάβο, ο έλεγχος και η παρακολούθηση του έργου θα πρέπει να περιλάβει την τακτική παρακολούθηση και ανάγνωση των εγκατεστηµένων οργάνων ώστε να ελέγχεται άµεσα η απόδοση και συµπεριφορά του έργου σε σχέση µε τα κριτήρια και τις παραδοχές σχεδιασµού του. Αυτό θα µπορούσε να χρησιµεύσει ως ένα σύστηµα «έγκαιρης προειδοποίησης» το οποίο θα ενεργοποιεί αυτόµατα ένα πρόγραµµα αντιµετώπισης απρόοπτων καταστάσεων ή εκτάκτου ανάγκης, ελαχιστοποιώντας κατ αυτόν τον τρόπο τις πιθανές καθυστερήσεις που θα µπορούσαν να προκύψουν από την εξέλιξη µιας δυσµενούς κατάστασης. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 83

84 ΓΕΩΛΟΓΙΚΕΣ ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΥΠΕ ΑΦΟΥΣ. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 2. ΟΡΟΛΟΓΙΑ 3. ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΤΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ 4. ΤΥΠΟΙ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ 5. Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ 6. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΓΝΩΡΙΣΜΑΤΑ ΤΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΤΩΝ ΚΟΙΛΑ ΩΝ 7. ΕΚΣΚΑΦΗ ΚΑΙ ΕΠΙΧΩΜΑΤΩΣΗ ΤΩΝ ΚΟΙΛΑ ΩΝ 8. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΚΑΙ ΓΕΩΛΟΓΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ 9. ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 10. ΓΕΩΛΟΓΙΚΟΙ ΚΙΝ ΥΝΟΙ 4.1. Εισαγωγή γεωλογικών γεωτεχνικών συνθηκών. Οι γεωλογικές και γεωτεχνικές πληροφορίες και υπηρεσίες που απαιτούνται για τα έργα πολιτικού µηχανικού ενός µεγάλου φράγµατος αναφέρονται στις ακόλουθες περιοχές: Η ασφάλεια του φράγµατος επί της θεµελίωσής του, Η στεγανότητα της λεκάνης κατάκλισης του ταµιευτήρα, Η διαθεσιµότητα των φυσικών δοµικών υλικών για την κατασκευή του φράγµατος. Ο αρµόδιος για την εκπόνηση των παραπάνω ερευνών και µελετών γεωλόγος µηχανικός ή γεωτεχνικός µηχανικός ή µηχανικός γεωτεχνολογίας είναι το µέλος «κλειδί» µιας οµάδας µηχανικών που ασχολούνται µε την έρευνα µελέτη και κατασκευή του φράγµατος, δεδοµένου ότι θα εξασφαλίσει τη εφικτότητα ή δυνατότητα πραγµατοποίησης του έργου, και θα συνεχίζει µε την παροχή των υπηρεσιών του κατά το στάδιο του κύριου σχεδιασµού του έργου και θα ολοκληρώσει τις υπηρεσίες του µόνο είτε όταν αποδειχθεί από την φάση της κατασκευής ότι οι γεωλογικές και γεωτεχνικές συνθήκες που αποκαλύφθηκαν είναι απόλυτα σύµφωνες µε τις παραδοχές που υιοθετήθηκαν κατά τον σχεδιασµό του έργου, είτε εάν έχει υποβάλλει κάθε πιθανή κατάλληλη εκτίµηση (σχετικά σενάρια) για οποιεσδήποτε γεωλογικές και γεωτεχνικές συνθήκες παρουσιαστούν και οι οποίες δεν είχαν προβλεφθεί κατά τα πιο αρχικά στάδια της έρευνας - µελέτης. Η ασφάλεια, η µακροχρόνια βιωσιµότητα και το κόστος ενός φράγµατος εξαρτώνται άµεσα από τις γεωλογικές και γεωτεχνικές συνθήκες. Οι περισσότερες βραχοµάζες πετρωµάτων έχουν επαρκή αντοχή αλλά η αδυναµία τους είναι στον προσανατολισµό (παράταξη) και στην κλίση των «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 84

85 ασυνεχειών (διακλάσεων, κλπ) σχετικά µε τη φόρτιση που θα υποστεί η βραχοµάζα από την κατασκευή και πλήρωση του φράγµατος, αλλά επίσης και από το υλικό πλήρωσης των ανοιγµάτων των ασυνεχειών, και το βάθος του µανδύα αποσάθρωσης ή και εξαλλοίωσης της βραχοµάζας. Είναι εποµένως απαραίτητο να ερευνηθούν τόσο οι περιφερειακές (ευρύτερου περιβάλλοντος) γεωλογικές και γεωτεχνικές συνθήκες της περιοχής του έργου όσο και οι τοπικές (άµεσου περιβάλλοντος) συνθήκες της συγκεκριµένης περιοχής του έργου έτσι ώστε να εξασφαλιστεί ότι θα αναπτυχθεί µια σφαιρική εικόνα των γεωλογικών και γεωτεχνικών συνθηκών που επικρατούν στην περιοχή του έργου Ορολογία γεωλογικών γεωτεχνικών όρων. 1. Επίπεδα Στρώσης - Τα επίπεδα που χαρακτηρίζουν τη λήξη µιας ιζηµατογενούς απόθεσης και την αρχή µιας άλλης. Αποτελούν συνήθως επιφάνειες αδυναµίας κατά µήκος των οποίων το πέτρωµα τείνει να θραύεται (σπάει) ευκολότερα. 2. Σχιστότητα - Τα πετρώµατα που έχουν υποστεί υψηλές παραµορφωτικές τεκτονικές πιέσεις και θερµοκρασίες κατά την διάρκεια περιφερειακής µεταµόρφωσης, µερικά νέα ορυκτά όπως οι µαρµαρυγίες του µοσχοβίτη και του βιωτίτη, ο τάλκης και ο χλωρίτης µπορούν να διαµορφωθούν από την ανακρυστάλλωση. Αυτά τα νέα ορυκτά διατάσσονται σε παράλληλες στρώσεις επίπεδων ή επιµηκυµένων κρυστάλλων. Η ιδιότητα αυτή ονοµάζεται σχιστοποίηση. 3. ιακλάσεις - Αυτές είναι «σπασίµατα» ή «κοµοί» κατά µήκος όµως των οποίων δεν υπάρχει καµία απολύτως σχετική µετακίνηση. Όλα τα πετρώµατα έως κάποιο ορισµένο βαθµό έχουν διακλάσεις ή είναι «διακλασµένα» και εµφανίζουν κάποιο βαθµό αποσάθρωσης κατά µήκος αυτών των διακλάσεων. Επιπλέον οι διακλάσεις δηµιουργούν πορείες ή διόδους µετακίνησης του υπόγειου νερού, και όταν είναι πληρωµένες µε οποιοδήποτε υλικό της αργίλου παρουσιάζουν µικρή αντίσταση σε ολίσθηση. 4. Ρήγµατα - Αυτά είναι µεγάλα συνήθως «σπασίµατα» κατά µήκος των οποίων υπάρχει κάποια έως και σηµαντική µετακίνηση. Μπορούν να εµφανιστούν ως µία µάλλον δυσδιάκριτη ζώνη να αναγνωριστεί που είναι εκατοντάδων µέτρων πλάτους και πολλών χιλιοµέτρων µήκους. Η µετακίνηση µπορεί να είχε διαµορφώσει µια ζώνη «µυλωνιτίωσης» που έχει τόσο συντριβεί και αλλάξει ορυκτολογικά ώστε να είναι ανίκανη να υποστηρίξει οποιαδήποτε φόρτιση. Η παρουσία ρηγµάτων µπορεί να αναγνωριστεί από διάφορα φυσικά χαρακτηριστικά γνωρίσµατα όπως: o Σχετική µετακίνηση των επιπέδων στρώσης, των πυριγενών κοιτών ή των φλεβών, o Παρουσία λειασµένων επιφανειών «σαν γυαλί», o Εµφάνιση µυλωνίτη (υλικό που προέρχεται από έντονο κατακερµατισµό και συντριβή), o Εµφάνιση λατυποπαγούς που προέρχεται από σύνθλιψη, «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 85

86 o Εµφάνιση ειδικών τοπογραφικών χαρακτηριστικών γνωρισµάτων, όπως γκρεµούς, γραµµικές τάφρους ή «κρεµαστές κοιλάδες». 5. Αποσάθρωση - Οι ακόλουθοι ορισµοί δηµοσιεύτηκαν στο Τριµηνιαίο επιστηµονικό περιοδικό της τεχνικής γεωλογίας, στην Μεγάλη Βρετανία, το Υγιής βράχος Ελαφρά Αποσαθρωµένος Μέτρια Αποσαθρωµένος Έντονα Αποσαθρωµένος Εντελώς Αποσαθρωµένος Υπολειµµατικό έδαφος Κανένα ορατό σηµάδι αποσάθρωσης ιαπεραστική αποσάθρωση που αναπτύσσεται κατά µήκος των ανοικτών επιφανειών των ασυνεχειών της βραχοµάζας, αλλά µε ελαφριά µόνο αποσάθρωση του υλικού του πετρώµατος. Η διάβρωση επεκτείνεται σε όλη τη βραχοµάζα, αλλά ο βράχος δεν είναι εύθρυπτος. Η διάβρωση επεκτείνεται σε όλη τη βραχοµάζα, αλλά το υλικό βράχου είναι εν µέρει εύθρυπτο. Ο βράχος έχει εξαλλοιωθεί και αποσυντεθεί πλήρως, και σε εύθρυπτη κατάσταση, αλλά η υφή και η δοµή του βράχου έχουν διατηρηθεί. Ένα εδαφικό υλικό στο οποίο η αρχική υφή, η δοµή και η ορυκτολογική σύσταση του αρχικού πετρώµατος έχει καταστραφεί εντελώς Ταξινόµηση των πετρωµάτων. 1. Αντοχή σε Μονοαξονική Θλίψη (ή σε Ανεµπόδιστη Θλίψη), o Ασθενές - λιγότερο από 35 MPa o Ισχυρό από 35 έως 115 MPa o Πολύ ισχυρό - µεγαλύτερο από 115 MPa 2. Παραµόρφωση προ της αστοχίας, o Ελαστική o Ιξώδης 3. Χαρακτηριστικά αστοχίας o Εύθραυστη (Ψαθιρή) o Πλαστική (εύπλαστη) 4. Συνολική οµοιογένεια o Συµπαγής o Στρωσιγενής 5. Κατάσταση διάρρηξης του σχηµατισµού o Συµπαγές - διάστηµα ασυνεχειών µεγαλύτερο από 2 m, o ιακλασµένο - ένωση που χωρίζει κατά διαστήµατα 1 έως 2 m o Κερµατισµένο τεµαχισµένος σε µικρά κοµµατάκια 4.4. Τύποι πετρωµάτων. 1. Γρανίτης 2. Γάββρος, Ανδεσίτης, ολερίτης και Βασάλτης 3. Αµφιβολίτες «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 86

87 4. Μεταµορφωσιγενή ή Κρυσταλλοσχιστώδη Πετρώµατα 5. Ασβεστόλιθος 6. Ψαµµίτες 7. Άργιλοι 8. Χαλίκια, Άµµοι και Αµµοχαλικώδεις Άργιλοι Γρανίτης. Μπορεί να παραλάβει και να αντέξει πολύ µεγάλες τάσεις, Γενικά είναι υδατοστεγής. Η γεωτεχνική έρευνα πρέπει να επικεντρώνεται στα ακόλουθα: Ρωγµές και διακλάσεις, Χηµική κυρίως αποσύνθεση λόγω αποσάθρωσης, και ηµιουργία παχιού αργιλικού µανδύα αποσάθρωσης. Πρέπει να λαµβάνεται ιδιαίτερη προσοχή όταν εµφανίζονται µεγάλου πάχους και µάζας αργιλικού µανδύα αποσάθρωσης, διότι δεν είναι δυνατόν να πακτώνονται και να προεντείνονται οι τένοντες των αγκυρώσεων στον αργιλικό υλικό. Παράδειγµα: Το φράγµα Sarrans είχε µία ευρεία θεµελίωση της τάξης των m 2 επί αποσυντεθειµένου γρανίτη. Για να βελτιωθεί η αντοχή, και η φέρουσα ικανότητα και για να µειωθεί η υδροπερατότητα και συνεπώς η διήθηση νερού στην θεµελίωση και στα αντερείσµατα του φράγµατος προτάθηκε και εφαρµόστηκε ένα πρόγραµµα µε τσιµεντενέσεις. Το πρόγραµµα αυτό περιέλαβε 691 τόνους τσιµέντου που εισπιέστηκε σε 81 γεωτρήσεις τσιµεντενέσεων που είχαν ένα συνολικό µήκος m ή 240 κιλά ανά τρέχον µέτρο γεώτρησης. Γάββρος, Ανδεσίτης, ολερίτης και Βασάλτης. Αυτοί οι τύποι των πετρωµάτων δεν µπορούν να εµπιστευθούν για κατασκευή φραγµάτων και ταµιευτήρων, Τα πορφυριτικά πετρώµατα χρειάζονται προσεκτική ενίσχυση µε τσιµεντενέσεις και σιµεντενέµατα. Παράδειγµα: Το φράγµα Rieutord που βρίσκεται σε ένα παραπόταµο του ποταµού Loire, απαίτησε µία σηµαντικότατη ποσότητα σιµεντενέµατος σε ένα ενισχυµένο πρόγραµµα τσιµεντενέσεων. Αντιθέτως, το φράγµα πολλαπλών θόλων ή τόξων Tirso στη Σαρδηνία θεµελιώθηκε σε τραχείτες και σε ηφαιστειακούς τόφους µε µικρή ποσότητα σιµεντενέµατος. Αµφιβολίτες. Οι γνεύσιοι, οι µαρµαρυγιακοί σχιστόλιθοι και τα συναφή πετρώµατα θεωρούνται ικανοποιητικά από την άποψη της φέρουσας ικανότητας και της στεγανότητάς τους. Εντούτοις, οι γνεύσιοι και ιδιαίτερα οι «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 87

88 µαρµαρυγιακοί σχιστόλιθοι θεωρούνται λιγότερο ευνοϊκά πετρώµατα λόγω της ύπαρξης των µαρµαρυγιών που µπορούν να διευκολύνουν την ολίσθηση στην βραχοµάζα. Όπου εµφανίζονται γνεύσιοι και µαρµαρυγιακοί σχιστόλιθοι σε εναλλαγές ή και σε ενδιαστρώσεις, µπορεί να παρουσιάζεται µια πολύ ασθενής ζώνη αποσυντεθειµένης και αποσαθρωµένης βραχοµάζας ακριβώς στις επαφές των δύο αυτών πετρωµάτων. Παράδειγµα: Το φράγµα Forks, στην Καλιφόρνια, που θεµελιώθηκε επάνω σε γνεύσιους και µαρµαρυγιακούς σχιστόλιθους, αποφασίστηκε τελικά το 1929 ότι έπρεπε να εγκαταλειφθεί λόγω των πολύ δυσµενών συνθηκών της θεµελίωσής του που εµφανίστηκαν στη επαφή των δύο αυτών πετρωµάτων, τα οποία όµως από µόνα τους ήταν αρκετά υγιή. Μεταµορφωσιγενή ή Κρυσταλλοσχιστώδη Πετρώµατα. Τα µεταµορφωσιγενή ή κρυσταλλοσχιστώδη πετρώµατα και τα πυριγενή πετρώµατα είναι σε γενικές γραµµές απρόβλεπτα. Εντούτοις, πολλά ικανοποιητικά φράγµατα έχουν κατασκευαστεί επάνω σε αυτά ιδιαίτερα στη Σκοτία (για παράδειγµα τα φράγµατα Pitlochry, Errochty, Shira), αλλά απαιτήθηκε η εκτέλεση σιµεντενέσεων στις θεµελιώσεις τους. Οι συνηθισµένοι τύποι φραγµάτων που κατασκευάζονται στα πετρώµατα αυτά είναι βαρύτητας, αντηριδωτά και λιθόριπτα. Όπου η βραχοµάζα είναι επιφανειακά αποσαθρωµένη, απαιτείται συνήθως η εκτέλεση µίας λεπτοµερούς γεωτεχνικής έρευνας, δεδοµένου ότι οι αποσαθρωµένοι σχηµατισµοί µπορεί να αποδειχθούν εξαιρετικά δύσκολοι όταν εκσκάπτονται για την κατασκευή της θεµελίωσης του φράγµατος. Παράδειγµα: Το φράγµα Lavaude-Gelade στον κεντρικό ορεινό όγκο της Creuse στην Γαλλία θεµελιώθηκε επάνω σε εξαλλοιωµένο γρανουλίτη. Η εξαλλοίωση στον γρανουλίτη βρέθηκε ότι εισχωρούσε έως και το βάθος των 2m, εκτός από το γεγονός ότι η βραχοµάζα του ήταν έντονα διακλασµένη και ρωγµατωµένη. Η περιοχή απαίτησε ένα εκτενές πρόγραµµα εισπίεσεων τσιµεντενέµατος µε µίγµα αργίλου και µπεντονίτη σε ένα πυκνό κάναβο τσιµεντενέσεων. Ασβεστόλιθος. Οι περιοχές κατασκευής φραγµάτων επάνω σε ασβεστόλιθους ποικίλλουν ευρέως όσον αφορά την καταλληλότητά τους. Οι παχυστρωµατώδεις ασβεστόλιθοι µε περίπου οριζόντια επίπεδα στρώσης και που είναι σχετικά απαλλαγµένοι από καρστικά έγκοιλα ή αγωγούς θα µπορούσαν να προδιαγράψουν άριστες συνθήκες περιοχής κατασκευής φραγµάτων. Αντιθέτως, οι λεπτοστρωµατώδεις, οι πολύ πτυχωµένοι, ή οι έντονα καρστικοποιηµένοι σπηλαιώδεις ασβεστόλιθοι παρουσιάζουν σοβαρά προβλήµατα στις θεµελιώσεις ή «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 88

89 στα αντερείσµατα όσον αφορά τόσο την φέρουσα ικανότητα και την ευστάθεια της βραχοµάζας όσο και τη υδατοστεγανότητά της. Τα φράγµατα σκυροδέµατος που κατασκευάστηκαν σε Ιουρασικό ασβεστόλιθο στην περιοχή Castillon, εµφανίστηκαν κατολισθήσεις και προβλήµατα διαρροής νερού. Τα προβλήµατα όµως αυτά ξεπεράστηκαν τελικά µε ένα εκτενές πρόγραµµα εισπίεσεων τσιµεντενέµατος σε ένα πυκνό κάναβο τσιµεντενέσεων. Ψαµµίτες. Οι ψαµµίτες παρουσιάζουν ένα πολύ ευρύ φάσµα αντοχής που εξαρτάται κατά ένα µεγάλο µέρος από την ποσότητα και τον τύπο του µητρικού συνδετικού υλικού που καταλαµβάνει τα κενά ή τους πόρους του πετρώµατος. Γενικά οι ψαµµίτες δεν αποσαθρώνονται γρήγορα µε έκθεσή τους στην επιφάνεια του εδάφους µε εξαίρεση τους αργιλικούς ή µαργαϊκούς ψαµµίτες. Επιπλέον ένα πέτρωµα ψαµµίτη όταν εµφανίζεται στον χώρο θεµελίωσης του φράγµατος δεν παρουσιάζει πλαστικές παραµορφώσεις, ακόµη και στους ψαµµίτες που πτωχά σιµεντοποιηµένοι λόγω κακής διαγένεσης. Εντούτοις, οι ψαµµίτες είναι επιρρεπείς στη διάβρωση λόγω πιθανής δράσης έντονης τυρβώδους ροής νερού που διοχετεύεται επί αυτών από τον υπερχείλιση του φράγµατος και εποµένως θα πρέπει να προστατεύονται επαρκώς από κατάλληλες υδραυλικές κατασκευές. Οι υδροπερατοί συνήθως ψαµµίτες παρουσιάζονται συχνά σε εναλλαγές ή και σε ενδιαστρώσεις µε τους υδατοστεγείς γενικά σχιστόλιθους. Στις επαφές ψαµµίτη - σχιστόλιθου µπορεί να αναπτυχθεί τοπική επικρεµάµενη υδροφορία και ροή µε την µορφή διήθησης νερού κατά µήκος της επαφής αυτής που µπορεί να προκαλέσει πιθανή κατολίσθηση στην βραχοµάζα. Επίσης µπορεί να αναπτυχθούν υψηλές πιέσεις ανύψωσης ή υποπίεσης κάτω από στρώµατα µάργας, αργιλικού φυλλίτη ή αργιλικού σχιστόλιθου σε ένα φράγµα λόγω των έντονων χαρακτηριστικών διόγκωσης των πετρωµάτων αυτών. Πολλά φράγµατα στα Αγγλικά Πένινα όρη έχουν κατασκευαστεί επάνω σε λιθανθρακοφόρους ψαµµίτες σε εναλλαγές ή και σε ενδιαστρώσεις µε σχιστόλιθους, τα περισσότερα των οποίων ήταν χωµάτινα φράγµατα. Παράδειγµα: Οι ταµιευτήρες Longdendale, Langsett, Ladybower και Scar House, κατασκευάστηκαν επάνω στους ιλυόλιθους ψαµµίτες «Sabden» της κοιλάδας Derwent. Άργιλοι. Οι σχηµατισµοί της αργίλου είναι σε µερικές περιοχές παχιοί και συµπαγείς και συνδέονται συχνά µε τις λεπτές ραφές ή στρώµατα ψαµµίτη ή ασβεστόλιθου. Στις περιοχές όπου εµφανίζονται σχηµατισµοί της αργίλου κατασκευάζονται συνήθως χωµάτινα ή τα λιθόριπτα φράγµατα επειδή οι άργιλοι στερούνται επαρκούς αντοχής και φέρουσας ικανότητας ώστε να υποστηρίξουν ικανοποιητικά την θεµελίωση ενός φράγµατος σκυροδέµατος που επιβάλλει στο υπέδαφος θεµελίωσης πολύ υψηλότερες τάσεις θεµελίωσης. Επιπλέον οι αργιλικοί σχηµατισµοί παρουσιάζουν συνήθως και υψηλές ολικές αλλά και «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 89

90 διαφορικές καθιζήσεις τόσο ελαστικές (άµεσες) όσο και λόγω στερεοποίησης (µακροχρόνιες). Παράδειγµα: Τα χωµάτινα φράγµατα του Staines, στο Chingford, και άλλων ταµιευτήρων στην κοιλάδα του Τάµεση και του Lee στην Μεγάλη Βρετανία µπορούν να αναφερθούν ως ταµιευτήρες πλήρως θεµελιωµένοι επάνω στην άργιλο του Λονδίνου (London Clay), ενώ ο ταµιευτήρας του Cheddar κοντά στο Μπρίστολ της Μεγάλης Βρετανίας είναι θεµελιωµένος επάνω στις αργιλόµαργες του Keuper (Keuper Marl). Χαλίκια, Άµµοι και Αµµοχαλικώδεις Άργιλοι. Τα χαλίκια, οι άµµοι και οι αµµοχαλικώδεις άργιλοι παγετώδους προέλευσης παρουσιάζουν συνήθως µεταβαλλόµενη κατά τόπους σύσταση και σύνθεση, µε αποτέλεσµα οι εδαφοµηχανικές ιδιότητες και παράµετροι θεµελίωσής τους να µεταβάλλονται σηµαντικά από θέση σε θέση λόγω της υψηλής ανοµοιογένειας και ανοµοιοµορφίας κατά την γένεσή τους, τόσο κατά την οριζόντια όσο και κατά την κατακόρυφη έννοια. Επίσης η κοκκοµετρική διαβάθµιση, η σχετική πυκνότητα και η συνεκτικότητά τους µεταβάλλονται σηµαντικά µε αποτέλεσµα να απαιτούν ειδική γεωτεχνική έρευνα και µελέτη για την θεµελίωση τεχνικών έργων. Κατά συνέπεια οι θέσεις φραγµάτων µέσα σε περιοχές που αποτελούνται από τέτοιους γεωλογικούς σχηµατισµούς θεωρούνται µεταξύ των δυσκολότερων για να αξιολογήσουν µε βάση τα επιφανειακά µακροσκοπικά τους χαρακτηριστικά. Γενικά, σε περιοχές εµφάνισης αµµοχαλικώδων αργίλων παγετώδους ή µη προέλευσης, κατασκευάζονται ως επί το πλείστον χωµάτινα φράγµατα. Παράδειγµα: Ο ταµιευτήρας Selset στα βορειοανατολικά της Αγγλίας θεµελιώνεται σε αµµοχαλικώδη άργιλο παγετώδους προέλευσης Ιδιότητες του υλικού πετρώµατος και της βραχοµάζας. Οι ακόλουθες ιδιότητες θα πρέπει να εξεταστούν τόσο στο υλικό πετρώµατος (Rock Material) όσο και στην βραχοµάζα (Rock Mass) για να εξασφαλίσουν ότι το φράγµα θα είναι µακροπρόθεσµα ευσταθές και ότι ο ταµιευτήρας του θα είναι επαρκώς υδατοστεγής. Αντοχή σε θλίψη Αντοχή σε σηµειακή φόρτιση ιατµητική αντοχή Ελαστικότητα του υλικού του πετρώµατος Παραµορφωσιµότητα της βραχοµάζας Αποσάθρωση της βραχοµάζας Τεκτονικές τάσεις ή πιέσεις Εργαστηριακές δοκιµές «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 90

91 οκιµές υπαίθρου ή πεδίου Πριν όµως από την λεπτοµερή παρουσίαση των παραπάνω χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων του υλικού πετρώµατος και της βραχοµάζας, θα παρουσιαστεί αναλυτικά η µεθοδολογία που χρησιµοποιείται διεθνώς για την βραχοµηχανική και τεχνικογεωλογική περιγραφή και ταξινόµηση των ιδιοτήτων τόσο του υλικού του πετρώµατος όσο και της βραχοµάζας του Βραχοµηχανική και τεχνικογεωλογική περιγραφή και ταξινόµηση των ιδιοτήτων του υλικού του πετρώµατος και της βραχοµάζας Μεθοδολογία εκπόνησης περιγραφής ταξινόµησης. Για την βραχοµηχανική και τεχνικογεωλογική περιγραφή, ταξινόµηση και προσδιορισµό των ιδιοτήτων της βραχοµάζας στα διάφορα εξεταζόµενα τµήµατα του φράγµατος, όπου απαιτείται ιδιαίτερη και λεπτοµερέστερη εξέταση και µελέτη, εφαρµόζεται η µεθοδολογία όπως προτείνεται από τους: Κ. Σαχπάζη - Ι. Κουµαντάκη (1986), καθώς και από τις βρετανικές προδιαγραφές: B.S.:5930: 1981, αλλά και τις προτάσεις της ιεθνούς Ένωσης Τεχνικής Γεωλογίας (I.A.E.G.,1971, 1972, 1981). Στη συνέχεια παρουσιάζεται αναλυτικά και συγκεκριµένα η χρησιµοποιούµενη µεθοδολογία Περιγραφή των ιδιοτήτων του υλικού του πετρώµατος. Α. Χρώµα. Για τον προσδιορισµό του χρώµατος ενός πετρώµατος προτείνεται η χρησιµοποίηση του πίνακα χρωµάτων που έχει προταθεί από την Γεωλογική Εταιρεία των Η.Π.Α. (1963) και βασίζεται στον Munsell (βλέπε ακόλουθο πίνακα). Ο πίνακας αυτός (ΑΝΟΝ, 1972) θεωρείται σαν ο πρότυπος για την ονοµατολογία χρώµατος. Χρησιµοποιεί τρεις παραµέτρους: Το κυρίως χρώµα (3), την απόχρωση (2) και τον τόνο (1) ή την φωτεινότητα του χρώµατος. Πρέπει πάντα να προσδιορίζεται τουλάχιστον το χρώµα (στήλη 3) και να συµπληρώνεται από τις στήλες 1 και 2. ΠΙΝΑΚΑΣ. Πίνακας προσδιορισµού του χρώµατος των πετρωµάτων. Τόνος (1) Απόχρωση (2) Χρώµα (3) «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 91

92 Β. Μέγεθος κόκκων. Ανοικτό Σκούρο Ροζο- Κοκκινο- Κιτρινο- Καφε- Λαδο- Πρασινο- Γαλαζο- Γκρίζο- ροζ κόκκινο κίτρινο καφέ λαδί πράσινο γαλάζιο γκρι άσπρο µαύρο Στον ακόλουθο πίνακα κατατάσσονται τα πετρώµατα σύµφωνα µε το κυρίαρχο µέγεθος των συστατικών κόκκων τους. Γ. Ιστός. ΠΙΝΑΚΑΣ. Ταξινόµηση µεγέθους κόκκων. Όρος Μέγεθος συστατικών κόκκων Πολύ χονδρόκοκκα > 60 mm Χονδρόκοκκα 60 mm-2 mm Μεσόκοκκα 2 mm -60 mm Λεπτόκοκκα 60 µ -2 µ Πολύ λεπτόκοκκα <2µ Ο ιστός του πετρώµατος δίδει, όπως είναι γνωστό, την εικόνα του σχετικού µεγέθους των ορυκτολογικών συστατικών του, της µορφής τους και του τρόπου µε τον οποίο συνδέονται µεταξύ τους. Οι όροι που χρησιµοποιούνται συχνά είναι: ολοκρυσταλλικός, ηµικρυσταλλικός, κρυπτοκρυσταλλικός, κοκκώδης, άµορφος ή υαλώδης, πορφυριτικός, σφαιρολιθικός, κατακλαστικός, αφανιτικός, λεπτοβλαστικός (ορυκτολογικά συστατικά υπό µορφή λεπιών), νηµατοβλαστικός (ορυκτά µε πρισµατική ή νηµατοειδή ανάπτυξη) κ.λ.π.. Υφή. Η υφή ενός πετρώµατος αναφέρεται στη γενική φυσική εµφάνιση, που εξαρτάται από τον τρόπο κατά τον οποίο είναι διατεταγµένα τα συστατικά του στο χώρο, καθώς και από την µορφή η οποία προκύπτει από την πλήρωση του χώρου. Αν π.χ. τα συστατικά ενός πετρώµατος είναι άτακτα κατανεµηµένα στον χώρο και δεν παρουσιάζουν κανένα προσανατολισµό, η υφή λέγεται ακανόνιστη ή συµπαγής (συχνή στα πλουτώνια πετρώµατα). Αν υπάρχει προσανατολισµός, µιλάµε για παράλληλη ή ταινιωτή υφή (συχνή στα κρυσταλλοσχιστώδη πετρώµατα). Αν υπάρχουν οπές, η υφή του πετρώµατος λέγεται ποµφολυγώδης, αν οι οπές είναι µικρές και πολυάριθµες σκωριώδης, αν εµφανίζεται υπό µορφή τεµαχίων συγκολληµένων λατυποπαγής κ.λ.π. Ε. Κατάσταση Αποσάθρωσης και εξαλλοίωσης. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 92

93 Όπως είναι γνωστό, υπάρχουν δύο κύρια είδη αποσάθρωσης. Στο ένα κυριαρχούν οι µηχανικές επιδράσεις και στο άλλο οι χηµικές. Η διάλυση, η οποία είναι ιδιαίτερα σηµαντική για τα ανθρακικά ορυκτά, ανήκει στην χηµική αποσύνθεση. Γενικά, τα δύο είδη αποσάθρωσης, δρουν µαζί, ανάλογα όµως µε τις κλιµατολογικές συνθήκες και το είδος του πετρώµατος (αµιγές ή µη κ.λ.π.) κυριαρχεί το ένα είδος ή το άλλο. Η µηχανική αποσάθρωση καταλήγει στην θραύση, διάνοιξη και διερεύνηση των ασυνεχειών του πετρώµατος. Κατά τη χηµική αποσύνθεση στα αρχικά στάδια πραγµατοποιείται αποχρωµατισµός του πετρώµατος. Με βάση τα βρετανικά πρότυπα (B.S.: 5930:1981), των οποίων προτείνεται η χρήση, έχουν καθιερωθεί τέσσερις βαθµίδες αποσάθρωσης που περιγράφονται στον ακόλουθο πίνακα. ΠΙΝΑΚΑΣ. Βαθµίδες αποσάθρωσης του υλικού των πετρωµάτων. ΟΡΟΣ Υγιές Αποχρωµατισµένο Αποσαθρωµένο Αποσυντεθηµένο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ εν υπάρχει εµφανές σηµάδι αποσάθρωσης του υλικού πετρώµατος. Το χρώµα του αυθεντικού υγιούς υλικού του πετρώµατος έχει αλλάξει. Ο βαθµός αλλαγής από το αυθεντικό χρώµα πρέπει να σηµειώνεται. Εάν η αλλαγή χρώµατος εντοπίζεται σε συγκεκριµένα ορυκτολογικά συστατικά πρέπει επίσης να αναφέρεται. Το πέτρωµα είναι αποσαθρωµένο, σχεδόν σε κατάσταση εδάφους. Όµως ο ιστός είναι άθικτος. Το πέτρωµα είναι σαθρό, αλλά οι ορυκτοί κόκκοι δεν έχουν υποστεί αποσύνθεση. Το πέτρωµα είναι πλήρως αποσαθρωµένο σε κατάσταση εδάφους. Ο αρχικός ιστός του διατηρείται. Μερικοί όµως ή όλοι οι ορυκτοί κόκκοι έχουν υποστεί αποσύνθεση. Τα στάδια της αποσάθρωσης του παραπάνω πίνακα µπορούν να υποδιαιρεθούν χρησιµοποιώντας ποιοτικούς όρους, για παράδειγµα "µερικά αποχρωµατισµένα", "ολικά αποχρωµατισµένα" κ.λ.π. που ασφαλώς θα βοηθήσουν στην περιγραφή του πετρώµατος που εξετάζεται. Ζ. Αντοχή. Από την ιεθνή Ένωση Τεχνικής Γεωλογίας (I.A.E.G.) έχει προταθεί µία κλίµακα αντοχής όπως περιγράφεται στον ακόλουθο πίνακα, που βασίζεται στη δοκιµή αντοχής σε µονοαξονική θλίψη, χρησιµοποιώντας προσεκτικά προετοιµασµένους πυρήνες πετρώµατος. ΠΙΝΑΚΑΣ. Ταξινόµηση των πετρωµάτων ανάλογα µε την αντοχή τους. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 93

94 ΟΡΟΣ Αντοχή σε µονοαξονική Θλίψη (MN/m 2 ) Πολύ ασθενή < 1,25 Ασθενή 1,25-5 Μέτρια ασθενή 5-12,5 Μέτρια ισχυρά 12,5-50 Ισχυρά Πολύ ισχυρά Εξαιρετικά ισχυρά > Περιγραφή των ιδιοτήτων της βραχοµάζας των πετρωµάτων. Α. Στρώση. Όροι που χρησιµοποιούνται συνήθως για την περιγραφή της στρώσης στα πετρώµατα είναι: άστρωτα ή συµπαγή, παχυστρωµατώδη, λεπτοστρωµατώδη, φυλλώδη, σχιστώδη, µε επιφάνειες στρώσης επίπεδες ή κυµατοειδείς κ.λ.π. Είναι όµως σωστότερο να χρησιµοποιούνται περιγραφικοί όροι, που να λαµβάνουν υπόψη και τις αποστάσεις των επιφανειών αυτών µεταξύ των. Προτείνεται γι' αυτό να χρησιµοποιείται η κλίµακα του παρακάτω πίνακα. ΠΙΝΑΚΑΣ. Κατάταξη των πετρωµάτων ανάλογα µε το πάχος των στρωµάτων τους, κατά B.S ΟΡΟΣ Πολύ παχυστρωµατώδη Παχυστρωµατώδη Μεσοστρωµατώδη Λεπτοστρωµατώδη Πολύ Λεπτοστρωµατώδη Ελασµατοστρωµατώδη Πολύ Ελασµατοστρωµατώδη ΑΠΟΣΤΑΣΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ ΣΤΡΩΣΗΣ > 2m 2m - 600mm 600mm - 200mnn 200mm - 60mm 60mm - 20mm 20mm - 6mm < 6mm Β. Ασυνέχειες (λοιπές). Τα ρήγµατα, οι διακλάσεις, οι ρωγµές και οι όποιες επιφάνειες κερµατισµού, που έχουν προκύψει από µηχανικές θραύσεις της µάζας του πετρώµατος, καλούνται ως γνωστόν ασυνέχειες. Κατά την έκταση της επιφάνειας αυτών η εφελκυστική αντοχή είναι µηδενική ή έχει πολύ µικρές τιµές. Είναι ουσιώδες, και ως εκ τούτου απαραίτητο, να καταγράφεται κάθε λεπτοµέρεια που αφορά τις ασυνέχειες και πιο συγκεκριµένα τις δέκα παραµέτρους που περιγράφονται στη συνέχεια, οι οποίες τις καθορίζουν πλήρως ποσοτικά. 1. Προσανατολισµός. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 94

95 Η θέση των ασυνεχειών στο χώρο προσδιορίζεται µε την διεύθυνση και την τιµή της µέγιστης κλίσης του επιπέδου της. Επίσης το σύνολο των ασυνεχειών µπορεί να αναπαρασταθεί γραφικά επάνω σε ένα δίκτυο, συνήθως ίσης επιφάνειας, όπως είναι το ακόλουθο στερεογραφικό δίκτυο προβολής Schmidt, ή ίσης γωνίας όπως είναι το δίκτυο Wulf. Σ' αυτό αναπαρίστανται οι πόλοι όλων των επιφανειών ασυνέχειας µε αποτέλεσµα να υπάρχει πλήρης γραφική αντιπροσώπευση των διευθύνσεων και κλίσεών τους. Η επεξεργασία αυτή αποτελεί ένα πολύ χρήσιµο στοιχείο για την γεωτεχνική περιγραφή και κατάταξη ενός πετρώµατος. Σχήµα. Παραστατική απεικόνιση του προσανατολισµού τριών οµάδων διακλάσεων σε δίκτυο SCHMIDT. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 95

96 Σχήµα. Ιστόγραµµα που απεικονίζει το ελάχιστο, το µέγιστο και το διάστηµα µοντέλου, από παρατηρήσεις των διαστηµάτων µιας οµάδας διακλάσεων. 2. Πυκνότητα (ή διάστηµα ασυνεχειών). Η πυκνότητα των ασυνεχειών προσδιορίζεται µε την κάθετη απόσταση µεταξύ γειτονικών επιφανειών ασυνεχειών που ανήκουν στην ίδια οµάδα. Συνήθως η πυκνότητα αναφέρεται στη µέση απόσταση µιας οµάδας π.χ. διακλάσεων. Στον ακόλουθο πίνακα δίδεται η ορολογία των διαστηµάτων µεταξύ των επιφανειών ασυνεχειών που απεικονίζουν και την εικόνα της πυκνότητάς τους. ΠΙΝΑΚΑΣ. Πυκνότητα ασυνεχειών ανάλογο µε τις µεταξύ τους αποστάσεις. Απόσταση µεταξύ επιφανειών ασυνεχειών Απόσταση σε mm Πυκνότητα ασυνεχειών Εξαιρετικά µικρή < 20 Πυκνότατες Πολύ µικρή Πολύ πυκνές Μικρή Πυκνές Μέτρια Περιορισµένης πυκνότητας Μεγάλη Αραιές Πολύ µεγάλη Πολύ αραιές Εξαιρετικά µεγάλη > 6000 Αραιότατες Συνήθως τα διαστήµατα µιας οµάδας ασυνεχειών καταγράφονται και απεικονίζονται σε ιστόγραµµα, όπως αυτό που φαίνεται σαν παράδειγµα σε «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 96

97 προηγούµενο σχήµα. Από αυτό καθορίζεται, το ελάχιστο, το µέγιστο και το µέσο διάστηµα που είναι αντιπροσωπευτικό κάθε οµάδας ασυνεχειών. 3. Μήκος ίχνους ασυνέχειας. Μήκος ίχνους µιας ασυνέχειας ονοµάζεται η τοµή του επιπέδου της µε την επιφάνεια του εδάφους. Το µήκος αυτό µπορεί να δώσει ένα χονδρικό µέτρο της κατά πλάτος και βάθος εξάπλωσης µιας ασυνέχειας στη µάζα του πετρώµατος. Ο τερµατισµός του ίχνους σε συµπαγές πέτρωµα ή έναντι άλλων ασυνεχειών, µειώνει το µήκος του. Το µήκος ίχνους µιας οµάδας π.χ. διακλάσεων αντιπροσωπεύεται από την µέση τιµή µήκους ιχνών της οµάδας αυτής. Σύµφωνα µε την µέση αυτή τιµή έχει προταθεί από την I.S.R.M. η κατάταξη του ακόλουθου πίνακα. ΠΙΝΑΚΑΣ. Χαρακτηρισµός µήκους ίχνους ασυνέχειας. Χαρακτηρισµός Πολύ Μικρό Μικρό Μέτριο Μεγάλο Πολύ Μεγάλο Μέση τιµή µήκους < 1m 1-3m 3-10m 10-20m > 20m 4. Τραχύτητα. Η τραχύτητα της επιφάνειας ασυνέχειας και ο κυµατισµός της επιφάνειας αυτής σε σχέση µε το «νοητό επίπεδο» της ασυνέχειας συµβάλλουν στη διαµόρφωση της διατµητικής αντοχής κατά µήκος αυτής. Μεγάλης καµπυλότητας κυµατισµός αλλάζει τοπικά την κλίση. Η τραχύτητα συντελεί στην αύξηση της γωνίας τριβής κατά µήκος της επιφάνειας της ασυνέχειας σύµφωνα µε την εξίσωση των N. Barton - V. Choubey (1977). όπου: Φ m = T.log 10 (σ/σ n ) + Φ r Φ m = Μέγιστη τιµή γωνίας τριβής λόγω τραχύτητας. Τ = Συντελεστής Τραχύτητας ιάκλασης. σ = Αντοχή Τοιχώµατος ιάκλασης. σ n = Ενεργός τάση κάθετη στην επιφάνεια. Φ r = Υπολειµµατική τιµή γωνίας τριβής, υπολογιζόµενη µε κατάλληλη δοκιµή βραχοµηχανικής. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 97

98 Για τον καθορισµό του Τ χρησιµοποιείται το σχήµα που έχει προταθεί από τους ίδιους ερευνητές, όπως παρουσιάζεται στην συνέχεια. Σχήµα. Τοµές τραχύτητας και το αντίστοιχο εύρος τιµών του Τ (κατά Ν. BARTON καιν. CHOUBEY 1977). Η σ προσδιορίζεται µε δοκιµή δια της κρουστικής σφύρας Schmidt επί των τοιχωµάτων της διάκλασης (βλ. παρακάτω), ή µε δοκιµές αντοχής σε µονοαξονική θλίψη. 5. Αντοχή Τοιχώµατος Ασυνέχειας (σ). Αντοχή τοιχώµατος ασυνέχειας ενός πετρώµατος καλείται η αντοχή σε µονοαξονική θλίψη των τµηµάτων του πετρώµατος των γειτονικών στα τοιχώµατα της ασυνέχειας. Η αντοχή αυτή είναι συνήθως µικρότερη από την αντοχή των τµηµάτων του πετρώµατος που βρίσκονται αποµακρυσµένα από την ασυνέχεια, λόγω πιθανής αποσάθρωσης, εξαλλοίωσης και τεκτονικής «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 98

99 καταπόνησης της ζώνης εκατέρωθεν της ασυνέχειας. Παίζει σπουδαίο ρόλο στη διαµόρφωση της διατµητικής αντοχής κατά µήκος της ασυνέχειας του πετρώµατος στην περίπτωση που τα τοιχώµατά της βρίσκονται σε άµεση µεταξύ τους επαφή. Συνήθως προσδιορίζεται µε την µέθοδο της κρουστικής σφύρας Schmidt. O R.P. Miller (1965) έχει συσχετίσει την αντοχή σε µονοαξονική θλίψη κάποιας επιφάνειας πετρώµατος, την πυκνότητά του και τον αριθµό αναπήδησης της σφύρας Schmidt. Το νοµόγραµµα που έχει προκύψει, όπως παρουσιάζεται στο επόµενο σχήµα, µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τον προσδιορισµό της αντοχής τοιχώµατος ασυνέχειας (σ). Σε µία όµως µελέτη µπορεί να χρησιµοποιείται και ο άµεσος προσδιορισµός της αντοχής σε µονοαξονική θλίψη. Σχήµα. ιάγραµµα συσχετισµού µεταξύ αντοχής, πυκνότητας και αριθµού αναπήδησης (r) της σφύρας Schmidt (κατά R.P. MILLER 1965). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 99

100 6. Άνοιγµα. Η κάθετη απόσταση των τοιχωµάτων της ασυνέχειας, στην οποία ο διάκενος χώρος περιέχει υλικό πλήρωσης, νερό ή αέρα, καλείται άνοιγµα της ασυνέχειας. Σύµφωνα µε τη ιεθνή Ένωση Βραχοµηχανικής (I.S.R.M.) ανάλογα µε το µέγεθος του ανοίγµατος των ασυνεχειών, δίδεται η κατάταξη που φαίνεται στον ακόλουθο πίνακα. Για κάθε οµάδα ασυνεχειών πρέπει να δίνεται η µέση τιµή του ανοίγµατος. ΠΙΝΑΚΑΣ. Κατάταξη σύµφωνα µε το µέγεθος του ανοίγµατος των ασυνεχειών. Άνοιγµα σε mm 0,1 0,1-0,25 0,25-0,5 0,5-2,5 2, > 1m Χαρακτηρισµός ανοίγµατος Πάρα πολύ µικρό Πολύ µικρό Μικρό άνοιγµα Αρκετά µικρό Ανοικτό Μέτρια Φαρδύ Μέτριο Άνοιγµα Φαρδύ Πολύ Φαρδύ Εξαιρετικά Φαρδύ Μεγάλο Άνοιγµα Σπηλαιώδες Μεµονωµένες ασυνέχειες, που θα έχουν άνοιγµα αξιοσηµείωτα µεγαλύτερο της µέσης τιµής, θα πρέπει προσεκτικά να περιγράφονται µαζί µε την θέση τους, και τα στοιχεία προσανατολισµού τους. Επίσης, η επιλεκτική συγκέντρωσή τους σε ορισµένες θέσεις στη µάζα του πετρώµατος πρέπει να αναφέρεται προσεκτικά. 7. Πλήρωση. Το υλικό ή τα υλικά µε τα οποία έχει πληρωθεί ο χώρος µεταξύ των τοιχωµάτων µιας ασυνέχειας ονοµάζεται πλήρωση. Συνήθως το υλικό πλήρωσης είναι ασθενέστερο από το διακοπτόµενο από την ασυνέχεια πέτρωµα. Συνήθη υλικά πλήρωσης είναι: άµµος, ιλύς, άργιλος, terra rossa, λατυποπαγές, µυλωνίτης κ.λ.π. Επίσης στα υλικά πλήρωσης, περιλαµβάνονται οι λεπτές ορυκτές επικαλύψεις των τοιχωµάτων, καθώς και τα ορυκτά που συχνά επουλώνουν τις ασυνέχειες π.χ. φλέβες ασβεστίτη, χαλαζία, κ.ά.. Τα χαρακτηριστικά της πλήρωσης προσδιορίζονται αν καθοριστούν οι εξής παράµετροι: α. Σύνθεση του υλικού πλήρωσης. β. ιαβάθµιση ή µέγεθος κόκκων του υλικού αυτού. γ. Προφόρτισή του. δ. Περιεκτικότητα νερού, υδροπερατότητα. ε. Προηγούµενη διατµητική καταπόνηση. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 100

101 8. Υπεδαφικό νερό. Με τον όρο αυτό νοείται κάθε ροή νερού ή ελεύθερη ορατή υγρασία σε µεµονωµένες ασυνέχειες ή στη µάζα πετρώµατος γενικά. Η ροή που πραγµατοποιείται από πληρωθείσες ή µη ασυνέχειες ή από συγκεκριµένες οµάδες ασυνεχειών, µπορεί να περιγραφεί και να βαθµονοµηθεί σύµφωνα µε το ακόλουθο σύστηµα που υιοθέτησε η ιεθνής Ένωση Βραχοµηχανικής (I.S.R.M.) (βλέπε τους ακόλουθους τρεις πίνακες). ΠΙΝΑΚΑΣ. Συνθήκες ροής σε ασυνέχειες χωρίς υλικό πλήρωσης. Κατηγορία Ι II III IV V VI Περιγραφή Το άνοιγµα της ασυνέχειας είναι πάρα πολύ µικρό και στεγνό. Ροή νερού δεν φαίνεται πιθανή. Η ασυνέχεια είναι στεγνή, χωρίς ένδειξη ροής νερού. Η ασυνέχεια είναι στεγνή, αλλά διακρίνονται σηµάδια ροής νερού π.χ. λεκέδες σκουριάς κ.α.. Η ασυνέχεια είναι υγρή, αλλά δεν υπάρχει ελεύθερα κινούµενο νερό. Η ασυνέχεια δίδει περιοδικές σταγόνες νερού, αλλά όχι συνεχόµενη ροή. Η ασυνέχεια παρουσιάζει συνεχόµενη ροή νερού. (Υπολογισµός σε λίτρα/λεπτό και περιγραφή της πίεσης π.χ. χαµηλή, µέτρια, υψηλή). ΠΙΝΑΚΑΣ. Συνθήκες ροής σε ασυνέχειες που έχουν πληρωθεί. Κατηγορία Ι II III Περιγραφή Τα υλικά πλήρωσης είναι πολύ συµπαγοποιηµένα και στεγνά. Σηµαντική ροή φαίνεται απίθανη λόγω της πολύ µικρής υδροπερατότητας. Τα υλικά πλήρωσης είναι πολύ υγρά αλλά δεν υπάρχει ροή νερού. Τα υλικά πλήρωσης είναι βρεγµένα. Περιοδικές σταγόνες νερού. IV V VI Τα υλικά πλήρωσης δείχνουν σηµάδια απόπλυσης, λόγω συνεχόµενης ροής νερού (υπολογισµός σε λίτρα/λεπτό). Τα υλικά πλήρωσης έχουν υποστεί τοπική απόπλυση. Σηµαντική ροή νερού κατά µήκος των οδών (καναλιών) απόπλυσης (υπολογισµός σε λίτρα/λεπτό και περιγραφή πίεσης). Τα υλικά πλήρωσης έχουν εντελώς αποπλυθεί. Υψηλές πιέσεις νερού ειδικά κατά την έναρξη εκσκαφής (Υπολογισµός σε λίτρα/λεπτό και περιγραφή πίεσης. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 101

102 «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 102

103 ΠΙΝΑΚΑΣ. Κατάταξη ανάλογα µε τη ροή από τη µάζα του πετρώµατος γενικά (π.χ. τοιχώµατα σήραγγας). Κατηγορία Ι Περιγραφή Στεγνά τοιχώµατα και οροφή. εν υπάρχει καθόλου ροή. II III IV V Μικρή ασυνεχής ροή. Προσδιορισµός υγρών ασυνεχειών. Μέτρια ροή. Καθορισµός ασυνεχειών µε συνεχή ροή (Υπολογισµός littre/sec/10 m µήκους εκσκαφής). Πλούσια ροή. Καθoρισµός των ασυνεχειών µε ισχυρές ροές (Υπολογισµός littre /sec/10 m µήκους εκσκαφής). Εξαιρετικά πλούσια ροή. Καθορισµός των πηγών των εξαιρετικών ροών (Υπολογισµός littre /sec/10 m µήκους εκσκαφής). 9. Οµάδες ασυνεχειών. Εκτός από τα προηγούµενα είναι επίσης απαραίτητο να προσδιορίζεται ο αριθµός των οµάδων των ασυνεχειών που αποτελούν τα αλληλοτεµνόµενα συστήµατα µιας βραχοµάζας. Είναι πιθανό η µάζα του πετρώµατος να έχει προσβληθεί και από άλλες µεµονωµένες και όχι οµαδοποιηµένες ασυνέχειες, οι οποίες επίσης να αναφέρονται. Στο παράδειγµα του σχήµατος που φαίνεται στην συνέχεια, απεικονίζονται τρεις οµάδες διακλάσεων και µία τυχαία ασυνέχεια. Σχήµα. Στερεοδιάγραµµα τριών οµάδων διακλάσεων και µίας τυχαίας ασυνέχειας. Ο αριθµός των οµάδων των διακλάσεων που µπορεί να εµφανίζονται σε µία συγκεκριµένη επιφάνεια (π.χ. στα αντερείσµατα ενός φράγµατος, σε ένα µέτωπο λατοµείου ή κατά µήκος των παρειών µιας σήραγγας) µπορεί να «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 103

104 περιγραφεί σύµφωνα µε τα προτεινόµενα στον ακόλουθο πίνακα, όπως έχει προταθεί από την ιεθνή Ένωση Βραχοµηχανικής (I.S.R.M.). ΠΙΝΑΚΑΣ. Κατάταξη σύµφωνα µε τον αριθµό των οµάδων διακλάσεων. Κατηγορία σύµφωνα µε τον αριθµό των οµάδων διακλάσεων Ι II III IV V VI VII VIII IX Περιγραφή Συµπαγές πέτρωµα, ή σπάνιες και τυχαίες διακλάσεις. Μία οµάδα διακλάσεων. Μία οµάδα διακλάσεων συν τυχαίες. ύο οµάδες διακλάσεων. ύο οµάδες διακλάσεων συν τυχαίες. Τρεις οµάδες διακλάσεων. Τρεις οµάδες διακλάσεων συν τυχαίες. Τέσσερις ή περισσότερες οµάδες διακλάσεων. Κατακερµατισµένο πέτρωµα, σαν χαλίκι. 10. Μέγεθος τεµαχών πετρώµατος. Πρόκειται για το µέγεθος των κοµµατιών του πετρώµατος το οποίο τεµαχίζεται από τα διαφόρων προσανατολισµών αλληλοδιατεµνόµενα συστήµατα ασυνεχειών. Το µέγεθός τους εξαρτάται από την πυκνότητα των ασυνεχειών κάθε συστήµατος, από τον αριθµό των οµάδων ασυνεχειών, καθώς και από τις µεµονωµένες ασυνέχειες που µπορούν να επηρεάζουν περαιτέρω το µέγεθος και το σχήµα των κοµµατιών του πετρώµατος. Ο µέσος ενδεικτικός χαρακτηρισµός του µεγέθους των κοµµατιών ενός πετρώµατος δίδεται από τον αριθµό των διακλάσεων ανά κυβικό µέτρο (J ν ), όπως φαίνεται στον ακόλουθο πίνακα. ΠΙΝΑΚΑΣ. Κατάταξη ανάλογα µε το µέγεθος των τεµαχίων του πετρώµατος. Περιγραφή J v ( ιακλάσεις/m 3 ) Πολύ µεγάλα κοµµάτια < 1 Μεγάλα κοµµάτια 1-3 Μεσαίου µεγέθους κοµµάτια 3-10 Μικρά κοµµάτια Πολύ µικρά κοµµάτια > 30 Τιµές J ν > 60 αντιπροσωπεύουν κατακερµατισµένο πέτρωµα, τυπικό µιας κατακερµατισµένης ή και µυλωνιτιωµένης ζώνης. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 104

105 Ένας πολύ προσεγγιστικός συσχετισµός µεταξύ Jν και R.Q.D. ( είκτης Ποιότητας Πετρώµατος) είναι ο ακόλουθος (E.T. Brown 1981): R.Q.D. = J ν και (R.Q.D. = 100 εάν J ν < 4.5) Γ. Εκτίµηση της υδροπερατότητας της βραχοµάζας. Η εκτίµηση της υδροπερατότητας βασίζεται σε µία υπαίθρια προσεγγιστική εκτίµηση του πιθανού µεγέθους της τιµής του συντελεστή υδροπερατότητας (Κ σε m/s) για την υπό γεωτεχνική χαρτογράφηση ανθρακική ή ανθρακοµιγή βραχοµάζα. Είναι γενικά παραδεκτό, ότι η αυτού του είδους αρχική εκτίµηση είναι πολύ χονδρική. Μεγαλύτερη ακρίβεια στον υπολογισµό της υδροπερατότητας απαιτεί επιτόπου δοκιµές υδροπερατότητας (π.χ. δοκιµές Lugeon, Lefranc κ.λ.π.) ή δοκιµαστικές αντλήσεις όπου είναι δυνατό. Οι K. Terzaghi - R.B. Peck (1967) έχουν προτείνει µία κατάταξη των πετρωµάτων µε διακλάσεις, ανάλογα µε το συντελεστή υδροπερατότητας Κ, που έχει γίνει αποδεκτό από την ιεθνή Ένωση Βραχοµηχανικής (I.S.R.M.), όπως φαίνεται στον ακόλουθο πίνακα. ΠΙΝΑΚΑΣ. Καθορισµός του βαθµού υδροπερατότητας των βραχωδών πετρωµάτων ανάλογα µε το βαθµό κερµατισµού (κατά Terzaghi-Peck). Περιγραφή βραχοµάζας Κατακερµατισµένο και (ή) έντονα καρστικοποιηµένο πέτρωµα Πολύ µικρή έως εξαιρετικά µικρή απόσταση µεταξύ των ασυνεχειών (µεγάλη πυκνότητα ασυνεχειών) Μικρή έως µέτρια απόσταση µεταξύ των διακλάσεων (µέτρια πυκνότητα ασυνεχειών) Μέτρια έως µεγάλη απόσταση µεταξύ των διακλάσεων (µικρή πυκνότητα ασυνεχειών) Χωρίς διακλάσεις συµπαγές πέτρωµα Χαρακτηρισµός υδροπερατότητας Εξαιρετικά υψηλή υδροπερατότητα Κ σε m/s >> 1 Υψηλή υδροπερατότητα Μέτρια υδροπερατότητα Μικρή υδροπερατότητα Πρακτικά αδιαπέρατο < 10-9 «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 105

106 Στο προτεινόµενο όµως αυτό σχήµα δε λαµβάνεται υπόψη ούτε το άνοιγµα και µήκος των διακλάσεων, ούτε η µεταξύ των επικοινωνία (αλληλοτεµνόµενα συστήµατα ασυνεχειών), ούτε το υλικό πλήρωσης και η υδροπερατότητά του. Εποµένως κατά την άποψη του συγγραφέα ο βαθµός αξιοπιστίας του είναι πολύ περιορισµένος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 106

107 . Προσεγγιστικός προσδιορισµός της Αντοχής της βραχοµάζας των πετρωµάτων. Η αντοχή της βραχοµάζας είναι µία από τις τρεις σπουδαιότερες παραµέτρους (οι υπόλοιπες είναι η παραµορφωσιµότητα και η υδροπερατότητα) για το Μηχανικό που πρόκειται να κατασκευάσει ένα τεχνικό έργο µέσα ή επάνω σ' αυτήν (την βραχοµάζα). Για το λόγο αυτό, την τελευταία εικοσιπενταετία έχουν γίνει σηµαντικές πρόοδοι για τον καθορισµό της. Οι σπουδαιότερες µέθοδοι που έχουν προταθεί για το σκοπό αυτό είναι: 1. του Ζ. Τ. Bieniawski (το 1973) και (το 1979 η βελτιωµένη µε προσαρµογές για βραχώδη πρανή σύµφωνα µε το σύστηµα S.M.R. (Slope Mass Rating) όπως προτάθηκε από τον Romana (1985)), που ανέπτυξε και διαµόρφωσε τις παλαιότερες κατατάξεις των Η. Lauffer (1958) και G. Ε. Wickham et al (1972), 2. των Ν. Barton et al ή Σύστηµα Q (NGI) (1974), 3. των Ε. Hoek - Ε. Τ. Brown (1980 α, β), και 4. Η µέθοδος ή το σύστηµα του δείκτη γεωλογικής αντοχής (G.S.I.) των Evert Hoek, Carlos Carranza-Torres, και Brent Corkum, (2002), «HOEK-BROWN FAILURE CRITERION». Σ' όλες αυτές τις µεθόδους, εκτός από την τελευταία, αν και τονίζεται η σπουδαιότητα των γεωλογικών χαρακτηριστικών, δεν εισάγεται όµως άµεσα σαν παράµετρος στην ταξινόµηση ή λιθολογική σύσταση του πετρώµατος. Έτσι ότι αφορά, σύµφωνα µε τις ταξινοµήσεις αυτές, το γρανίτη π.χ. ή το γνεύσιο, το ίδιο ισχύει και για τον ασβεστόλιθο Μέθοδος Ζ. Τ. Bieniawski. Ο Ζ. Τ. Bieniawski (1973) πρότεινε µία ταξινόµηση που συµπεριλάµβανε οκτώ παραµέτρους, που αργότερα (1976,1979), περιόρισε σε έξι: 1) την αντοχή σε µονοαξονική θλίψη του αδιατάρακτου υλικού πετρώµατος, 2) το δείκτη ποιότητας πετρώµατος (R.Q.D.), 3) την απόσταση µεταξύ των ασυνεχειών, 4) τον προσανατολισµό των ασυνεχειών, 5) την κατάσταση των ασυνεχειών και 6) τη δίαιτα του υπόγειου νερού. Όλες αυτές οι παράµετροι ελέγχουν τη συµπεριφορά της ασυνεχούς βραχοµάζας, αλλά µερικές απ' αυτές, π.χ. οι 2, 3 και 5 είναι σπουδαιότερες από τις άλλες. Σε κάθε παράµετρο δίδεται ένας βαθµός σπουδαιότητας και τελικά µε βάση το σύνολο των βαθµών γίνεται διαχωρισµός της βραχοµάζας σε πέντε κύριες κατηγορίες ποιότητας, (πολύ καλή, καλή, µέτρια, φτωχή, πολύ φτωχή). Για κάθε µία από τις κατηγορίες αυτές γίνεται συσχετισµός µε τη συνοχή (c) και τη γωνία εσωτερικής τριβής (Φ) της βραχοµάζας καθώς επίσης ορίζεται και η σχέση µεταξύ ανυποστήρικτου τµήµατος ενός πρανούς ή µίας σήραγγας και του χρόνου διατήρησης σε σταθερή κατάσταση. Η ταξινόµηση και οι τιµές του c (συνοχή βραχοµάζας) και Φ (γωνία τριβής βραχοµάζας) µπορούν να χρησιµοποιηθούν «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 107

108 και στις µελέτες θεµελιώσεων και ευστάθειας πρανών και αντερεισµάτων φραγµάτων. Η γεωµηχανική ταξινόµηση Ζ. Τ. Bieniawski µπορεί να εφαρµοστεί σε όλους τους τύπους πετρωµάτων, αλλά µε ιδιαίτερη προσοχή σε κάθε τύπο πετρώµατος. Λόγω της ευρείας χρήσης της µεθόδου αυτής αλλά και της σπουδαιότητάς της στον προσδιορισµό των µηχανικών ιδιοτήτων κάποιας εξεταζόµενης βραχοµάζας, η µέθοδος αυτή παρουσιάζεται στην συνέχεια αναλυτικότερα. Ο προσδιορισµός των βραχοµηχανικών ιδιοτήτων και παραµέτρων µπορεί να επιτευχθεί µε βάση το σύστηµα της Γεωµηχανικής ταξινόµησης της βραχοµάζας ενός εξεταζόµενου πετρώµατος ή δηλαδή µε βάση την βαθµονόµηση R.M.R. (Rock Mass Rating) όπως προτάθηκε από τον Ζ.Τ. Bieniawski (1979, βελτιωµένη) και προσαρµόστηκε στην συνέχεια για τις περιπτώσεις όπου µελετώνται βραχώδη πρανή σύµφωνα µε το σύστηµα S.M.R. (Slope Mass Rating) όπως προτάθηκε από τον Romana (1985), όπως αναλυτικά τα δύο αυτά συστήµατα παρουσιάζονται στην συνέχεια. Το σύστηµα του Ζ.Τ. Bieniawski (1979, βελτιωµένη) απαιτεί τον εργαστηριακό προσδιορισµό της αντοχής σε µονοαξονική θλίψη του ακέραιου υλικού πετρώµατος, καθώς και άλλων πέντε παραµέτρων που προσδιορίζονται κατά την διατρητική ή επιφανειακή έρευνα του πετρώµατος, όπως περιγράφονται στους ακόλουθους πίνακες. Στους ακόλουθους πίνακες παρουσιάζεται το σύστηµα της Γεωµηχανικής ταξινόµησης της βραχοµάζας ενός εξεταζόµενου πετρώµατος κυρίως για πρανή εκσκαφών, µε την βαθµονόµηση R.M.R. (Rock Mass Rating) όπως προτάθηκε από τον Ζ.Τ. Bieniawski (1979, βελτιωµένη) και προσαρµόστηκε στην συνέχεια για βραχώδη πρανή σύµφωνα µε το σύστηµα S.M.R. (Slope Mass Rating) όπως προτάθηκε από τον Romana (1985). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 108

109 ΠΙΝΑΚΑΣ. ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΒΡΑΧΟΜΑΖΑΣ ΜΕ ΑΣΥΝΕΧΕΙΕΣ ΠΡΟΣΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΓΙΑ ΒΡΑΧΩ Η ΠΡΑΝΗ (S.M.R.) * Παράµετροι ταξινόµησης και βαθµονόµησής τους. 1 2 Π α ρ ά µ ε τ ρ ο ι Αντοχή συµπαγούς πετρώµατος είκτης αντοχής φορτίσεως αιχµής (MPa) Αντοχή στην ανεµπόδιστη θλίψη (MΡa) Βαθµονόµηση R.M.R.** κατά Bieniawski (1979, Βελτιωµένη) > Προτιµάται η δοκιµή ανεµπόδιστης θλίψης > < 1 Βαθµός Ποιότητα πετρώµατος RQD (%) < 25 Βαθµός Απόσταση µεταξύ ασυνεχειών (m) > 2 0,6-2 0,2-0,6 0,06-0,2 < 0,06 Βαθµός Κατάσταση διακλάσεων Ο Βαθµός θα λαµβάνεται µε πρόσθεση επί µέρους βαθµολογίων από τον ΠΙΝΑΚΑ Υπόγειο νερό στις διακλάσεις Εντελώς στεγνό Λίγο υγρό Υγρό Σταλάζει Ρέει Βαθµός * Κατά Romana (1985) ** Με πρόσθεση των µερικών βαθµολογίων «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 109

110 ΠΙΝΑΚΑΣ: Οδηγίες κατάταξης κατάστασης διακλάσεων (για χρησιµοποίηση στη γραµµή 4 του παραπάνω Πίνακα). Παράµετρος ασυνέχειας Βαθµονόµηση* Μήκος < 1 m. 1-3 m m m. > 20 m. Βαθµός Άνοιγµα Χωρίς διαχωρισµό < 0,1 mm 0,1-1,0 mm. 1-5 mm. > 5 mm Βαθµός Τραχύτητα Πολύ τραχεία επιφάνεια Τραχεία επιφάνεια Ελαφρά τραχεία επιφάνεια Λεία επιφάνεια Επιφάνεια ολίσθησης (Slicken Sided) Βαθµός Υλικό πλήρωσης εν υπάρχει εν υπάρχει Σκληρό υλικό Σκληρό υλικό Βαθµός 6 < Αποσάθρωση Μη Ελαφρά Μέσης Πολύ εξαλλοιωµένα εξαλλοιωµένα εξαλλοίωσης εξαλλοιωµένα τοιχωµάτων Βαθµός * Με πρόσθεση των µερικών βαθµολογιών ΠΙΝΑΚΑΣ: Προσαρµογή ταξινόµησης ασυνεχειών στην περίπτωση µελέτης Πρανών. Μαλακό υλικό Αποσαθρω- µένα Περίπτωση Πολύ ευνοϊκή Ευνοϊκή Μέτρια υσµενής Πολύ δυσµενής P a j - a s > < 5 T a j - a s P/T F 1 0,15 0,40 0,70 0,85 1,00 P β j < > 45 P F 2 0,15 0,40 0,70 0,85 1,00 T F P β j - β s > (-10 ) < -10 T β j + β s < > 120 P/T F P = Κατολίσθηση µε επίπεδη επιφάνεια ολίσθησης (Plane failure) T = Κατάπτωση µε ανατροπή (Toppling failure) β s = Κλίση πρανούς α s = ιεύθυνση κλίσης πρανούς α j = ιεύθυνση κλίσης ασυνεχειών β j = Κλίση ασυνεχειών ΠΙΝΑΚΑΣ: Προσαρµογή ταξινόµησης ανάλογα προς τη µέθοδο εκσκαφής των πρανών. Μέθοδος εκσκαφής Φυσικό πρανές (Natural slope) Προρρηγµάτωση (Presplitting) Ήπια ανατίναξη (Smooth blasting) Συνήθης ανατίναξη (Regular blasting) Ελαττωµατική ανατίναξη (Deficient blasting) F SMR = RMR + (F 1 x F 2 x F 3 ) + F 4 ΠΙΝΑΚΑΣ: Προσωρινή περιγραφή κλάσεων SMR. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ»

111 α/α Κλάσης V IV III II I SMR Περιγραφή Πολύ πτωχή Πτωχή Μέτρια Καλή Πολύ καλή Ευστάθεια Πολύ ασταθές Ασταθές Μερικά ευσταθές Ευσταθές Πλήρως ευσταθές Αστοχίες Μεγάλες επίπεδες ή σαν έδαφος Επίπεδες ή µεγάλες σφήνες Μερικές ασυνέχειες ή πολλές σφήνες Μερικά τεµάχη (blocks) Καµία Αναγκαία µέτρα (υποστήριξη) Επανεκσκαφή Εκτεταµένη διόρθωση Συστηµατική Τυχαία Καµία Αντίστοιχα για την περίπτωση µελέτης Αντερεισµάτων Φραγµάτων ή Σηραγγών ή Θεµελιώσεων η προσαρµογή της ταξινόµησης των ασυνεχειών δίδεται από τον ακόλουθο πίνακα: ΠΙΝΑΚΑΣ: Προσαρµογή ταξινόµησης ασυνεχειών στην περίπτωση µελέτης Σηραγγών ή Θεµελιώσεων. ιεύθυνση και κλίση διακλάσεων Βαθµός Πολύ ευνοϊκή Ευνοϊκή Μέτρια υσµενής Πολύ δυσµενής Σήραγγες Θεµελιώσεις ΠΙΝΑΚΑΣ: Ταξινόµηση της βραχοµάζας, βαθµολογία της και τεχνική σηµασία της ταξινοµήσεως στις σήραγγες και στις θεµελιώσεις. α/α Κλάσης ή Κατηγορία V IV III II I Βαθµολογία Περιγραφή Πολύ πτωχή Πτωχή Μέτρια Καλή Πολύ καλή Μέσος χρόνος διατηρήσεως διατοµής 10 min για 0.5 m 5 ώρες για 1.5 m άνοιγµα 1 βδοµάδα για 3 m άνοιγµα 6 µήνες για 4 m άνοιγµα 10 χρόνια για άνοιγµα 5 m Συνοχή βραχοµάζας (KPa) < >300 Γωνία τριβής βραχοµάζας ( o ) < 30 ο ο ο ο >45 ο «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 111

112 ΠΙΝΑΚΑΣ: Σηµασία του προσανατολισµού των ασυνεχειών σε σήραγγες (Wickhman et al). ιεύθυνση κάθετη στον άξονα της σήραγγας ιεύθυνση παράλληλη µε τον Προχώρηση σύµφωνα µε την Προχώρηση αντίθετα µε την άξονα της σήραγγας. κλίση κλίση Κλίση ο Κλίση ο Κλίση ο Κλίση ο Κλίση ο Κλίση ο Πολύ Πολύ ευνοϊκή Ευνοϊκή Μέτρια υσµενής Μέτρια δυσµενής Για κλίση 0-20 ο, δυσµενής ανεξάρτητα από την διεύθυνση. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 112

113 Μέθοδος Ν. Barton et al ή Σύστηµα Q (NGI). Οι Barton et al (1974) εισάγουν την έννοια της ποιότητας της βραχοµάζας (Q) που στη διαµόρφωση της τιµής της λαµβάνονται υπόψη έξι παράµετροι: 1) Ο δείκτης ποιότητας του πετρώµατος (R.Q.D.), 2) Ο αριθµός των οµάδων των διακλάσεων (Jn), 3) Η τραχύτητα της πλέον δυσµενούς οµάδας διακλάσεων (Jr), 4) Ο βαθµός εξαλλοίωσης των τοιχωµάτων της ασυνέχειας ή το υλικό πλήρωσης της πλέον δυσµενούς οµάδας διακλάσεων (Ja), 5) Η κατάσταση από πλευράς υπεδαφικού νερού (Jw) και 6) Ο συντελεστής µείωσης τάσης (S.R.F.). Ο καθορισµός της ποιότητας της µάζας πετρώµατος (Q) µε συνδυασµό των έξι αυτών παραµέτρων δίδεται από την εξίσωση: Q = (R.Q.D./Jn) x (Jr/Ja) x (Jw/S.R.F.) To πρώτο κλάσµα δίνει µία χονδρική εκτίµηση του µέσου µεγέθους των κοµµατιών του πετρώµατος µεταξύ των διακλάσεων. Το δεύτερο τη διατµητική αντοχή µεταξύ των κοµµατιών του πετρώµατος και το τρίτο την ενεργό τάση στην εξεταζόµενη σήραγγα ή στο πρανές. Οι τιµές του Q κυµαίνονται από 0,001 για εξαιρετικά φτωχής ποιότητας βραχοµάζα, έως 1000 για εξαιρετικά καλής ποιότητας βραχοµάζα που είναι πρακτικά συµπαγές. Η µέθοδος αυτή έχει χρησιµοποιηθεί µε επιτυχία και σε όλους του τύπους πετρωµάτων και είναι γνωστή σαν µέθοδος του Νορβηγικού Γεωτεχνικού Ινστιτούτου. Ο Ζ. Τ. Bieniawski (1978) πρότεινε ένα συσχετισµό µεταξύ της δικής του µεθόδου (R.Μ.R.), και της Νορβηγικής (Q), που δίδεται από την εξίσωση: R.M.R. = 9 x log e Q + 44 Ο ίδιος, δίνοντας επίσης έµφαση στο γεγονός ότι η παραµορφωσιµότητα είναι µία από τις τρεις σπουδαιότερες παραµέτρους που ελέγχουν την τεχνική συµπεριφορά της βραχοµάζας, έχει συσχετίσει το επί τόπου (in-situ) µέτρο παραµόρφωσης κατά Young (E M ) µε την τιµή του βαθµού R.M.R. της βραχοµάζας. Χρησιµοποιώντας στοιχεία από ένα µεγάλο αριθµό τεχνικών έργων πολιτικού µηχανικού δίδει την ακόλουθη εξίσωση: όπου: Ε Μ = 1,76 x R.M.R. - 84,3 Ε Μ = το επιτόπου στατικό µέτρο παραµόρφωσης σε GPa και R.M.R. = η βαθµολόγηση της βραχοµάζας κατά το γεωµηχανικό σύστηµα ταξινόµησης Bieniawski. Με συντελεστή συσχετισµού (r 2 ) 0,96 και σφάλµα πρόγνωσης 17,8% οι σταθερές στην πιο πάνω εξίσωση έχουν στρογγυλοποιηθεί σε: «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 113

114 E M = 2 x R.M.R Η εξίσωση αυτή έχει αποδειχθεί ικανοποιητικά ακριβής για γεωτεχνικούς σκοπούς και µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε όλους τους τύπους πετρωµάτων εφ' όσον έχει υπολογισθεί ο R.M.R.. Λόγω της ευρείας χρήσης και αυτής της µεθόδου του Νορβηγικού Γεωτεχνικού Ινστιτούτου (N.G.I.) ή µεθόδου N. Barton (Q), αλλά και της σπουδαιότητάς της στον προσδιορισµό των µηχανικών ιδιοτήτων κάποιας εξεταζόµενης βραχοµάζας, η µέθοδος αυτή παρουσιάζεται στην συνέχεια αναλυτικότερα. Το σύστηµα Q αναπτύχθηκε στο Νορβηγικό Γεωτεχνικό Ινστιτούτο (NGI) από τους Barton, Lien and Lunde το 1974, µε σκοπό τον εµπειρικό σχεδιασµό των µέτρων άµεσης υποστήριξης σηράγγων που διανοίγονται µε τη «µέθοδο ΝΑΤΜ». Η µέθοδος βασίζεται στον υπολογισµό του δείκτη Q από τη σχέση: Q = R.Q.D. Jr x Jn Ja Jw x S.R.F. όπου: R.Q.D. = δείκτης ποιότητας του πετρώµατος ή δείκτης κερµατισµού της βραχοµάζας, Jn = δείκτης του αριθµού των συστηµάτων των ασυνεχειών ή αριθµός των οµάδων των διακλάσεων, Jr = βαθµός τραχύτητας των επιφανειών των ασυνεχειών ή τραχύτητα της πλέον δυσµενούς οµάδας διακλάσεων, Ja = βαθµός εξαλλοίωσης των επιφανειών των ασυνεχειών ή βαθµός εξαλλοίωσης των τοιχωµάτων της ασυνέχειας ή το υλικό πλήρωσης της πλέον δυσµενούς οµάδας διακλάσεων, Jw = συντελεστής επιρροής του υπόγειου νερού ή κατάσταση από πλευράς υπεδαφικού νερού, SRF = συντελεστής αποµείωσης λόγω υψηλών τάσεων (Stress Reduction Factor) ή συντελεστής µείωσης τάσης. Στην παραπάνω σχέση, ο πρώτος λόγος (RQD/Jn) εκφράζει το µέσο µέγεθος των τεµαχών που συνιστούν τη βραχοµάζα. Ο δεύτερος λόγος (Jr / Ja) εκφράζει τα χαρακτηριστικά διατµητικής αντοχής των ασυνεχειών της βραχόµαζας. Τέλος, ο τρίτος λόγος (Jw /SRF) εκφράζει τις τάσεις που επικρατούν στη βραχόµαζα. Οι τιµές των παραπάνω παραµέτρων συνοψίζονται στα επόµενα. 1. Συντελεστής RQD. Χρησιµοποιείται η τιµή του δείκτη RQD. Εάν RQD < 10%, χρησιµοποιείται η συµβατική τιµή 10. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 114

115 2. Συντελεστής Jn. Οικογένειες ασυνεχειών Τιµή του Jn Συµπαγές πέτρωµα ή λίγες ασυνέχειες Μια οικογένεια 2 Μια οικογένεια και µερικές τυχαίες ασυνέχειες 3 υο οικογένειες 4 υο οικογένειες και µερικές τυχαίες ασυνέχειες 6 Τρεις οικογένειες 9 Τρεις οικογένειες και µερικές τυχαίες ασυνέχειες 12 Τέσσερις ή περισσότερες οικογένειες 15 Θρυµµατισµένο πέτρωµα 20 Σε περιοχές διασταύρωσης σηράγγων, η τιµή του Jn τριπλασιάζεται. Σε περιοχές στοµίων, η τιµή του Jn διπλασιάζεται. 3. Συντελεστής Jr. (α) Περίπτωση βραχόµαζας µε ασυνέχειες χωρίς υλικό πλήρωσης ή µε υλικό πλήρωσης µικρού πάχους (ώστε να αποκαθίσταται επαφή των εκατέρωθεν 1-17 της ασυνέχειας τεµαχών για σχετική ολίσθηση µικρότερη των 10cm). Κατάσταση επιφάνειας των ασυνεχειών Τιµή του Jr Ασυνεχείς διακλάσεις 4 Τραχείες και ακανόνιστες, κυµατώδεις 3 Οµαλές, κυµατώδεις 2 Ολισθηρές (slickensided), κυµατώδεις 1.5 Τραχείες ή ακανόνιστες, επίπεδες 1.5 Οµαλές επίπεδες 1.0 Ολισθηρές επίπεδες 0.5 (β) Περίπτωση βραχόµαζας χωρίς επαφή των εκατέρωθεν της ασυνέχειας τοιχωµάτων του πετρώµατος ακόµη και µετά σηµαντική σχετική ολίσθηση κατά µήκος της ασυνέχειας. Κατάσταση επιφάνειας των ασυνεχειών Με υλικό πλήρωσης από αργιλικό υλικό σε επαρκές πάχος ώστε να παρεµποδίζεται η επαφή των τοιχωµάτων του πετρώµατος Με υλικό πλήρωσης από αµµώδες ή χαλικώδες υλικό σε επαρκές πάχος ώστε να παρεµποδίζεται η επαφή των τοιχωµάτων του πετρώµατος Τιµή του Jr Στην περίπτωση που η µέση απόσταση µεταξύ των ασυνεχειών υπερβαίνει τα τρία µέτρα, η τιµή του Jr αυξάνεται κατά 1. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 115

116 4. Συντελεστής Ja. (α) Περίπτωση βραχόµαζας µε επαφή των εκατέρωθεν της ασυνέχειας τοιχωµάτων του πετρώµατος. Κατάσταση εξαλλοίωσης των τοιχωµάτων των ασυνεχειών Τιµή του Ja Υγιή και πλήρως «επουλωµένα» τοιχώµατα 0.75 Οξειδωµένα τοιχώµατα χωρίς αποσάθρωση 1.0 Ελαφρώς αποσαθρωµένα τοιχώµατα µε αµµώδες (όχι αργιλικό) υλικό πλήρωσης 2.0 Αµµώδες ή ιλυώδες υλικό πλήρωσης 3.0 Υλικό πλήρωσης από αργιλικά ορυκτά πάχους έως 2 mm 4.0 (β) Περίπτωση βραχόµαζας µε υλικό πλήρωσης µικρού πάχους (ώστε να αποκαθίσταται επαφή των εκατέρωθεν της ασυνέχειας τεµαχών για σχετική ολίσθηση µικρότερη των 10 cm). Κατάσταση εξαλλοίωσης των τοιχωµάτων των ασυνεχειών Τιµή του Ja Yλικό πλήρωσης από αµµώδη συστατικά 4.0 Yλικό πλήρωσης από στιφρή άργιλο πάχους έως 5 mm 6.0 Yλικό πλήρωσης από µαλακή άργιλο πάχους έως 5 mm 8.0 Yλικό πλήρωσης από διογκούµενη άργιλο πάχους έως 5 mm. Η τιµή του Ja εξαρτάται από το ποσοστό της 8-12 διογκούµενης αργίλου (γ) Περίπτωση βραχόµαζας χωρίς επαφή των εκατέρωθεν της ασυνέχειας τοιχωµάτων του πετρώµατος ακόµη και µετά σχετική ολίσθηση κατά µήκος της ασυνέχειας. Κατάσταση εξαλλοίωσης των τοιχωµάτων των ασυνεχειών Ζώνες από θρυµµατισµένο ιλυο-αµµώδες υλικό Παχιές ζώνες από αργιλικό υλικό (στιφρή άργιλος, µαλακή άργιλος ή διογκούµενη άργιλος Τιµή του Ja «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 116

117 5. Συντελεστής Jw. Παρουσία Υπογείων Υδάτων Στεγνή εκσκαφή ή µικρή τοπική εισροή νερού έως 5 lit/min Μέτρια εισροή νερού µε µερική απόπλυση του υλικού πλήρωσης Μεγάλη εισροή νερού σε καλό πέτρωµα µε ρωγµές χωρίς υλικό πλήρωσης Μεγάλη εισροή νερού µε σηµαντική απόπλυση του υλικού πλήρωσης Πολύ µεγάλη εισροή νερού βαθµιαίως µειούµενη µε την πάροδο του χρόνου Πολύ µεγάλη εισροή νερού χωρίς µείωση µε την πάροδο του χρόνου Τιµή του Jw Συντελεστής SRF. (α) ιέλευση από ζώνες ρηγµάτων. ιέλευση από ασθενείς ζώνες που είναι δυνατόν να προκαλέσουν χαλάρωση της βραχόµαζας. Περίπτωση Άφθονες ασθενείς ζώνες µε αργιλικό ή αποσαθρωµένο πέτρωµα, πολύ χαλαρό περιβάλλον πέτρωµα (για οποιοδήποτε βάθος) Μεµονωµένες ασθενείς ζώνες ως ανωτέρω (βάθος σήραγγας < 50 m Μεµονωµένες ασθενείς ζώνες ως ανωτέρω (βάθος σήραγγας > 50 m Άφθονες ζώνες διάτµησης σε σκληρό πέτρωµα, χωρίς αργιλικό υλικό, χαλαρό περιβάλλον πέτρωµα (για οποιοδήποτε βάθος) Μεµονωµένες ζώνες διάτµησης ως ανωτέρω (βάθος σήραγγας < 50 m Μεµονωµένες ζώνες διάτµησης ως ανωτέρω (βάθος σήραγγας > 50 m Χαλαρές ανοιχτές ασυνέχειες, έντονα διακλασµένη µάζα (για οποιοδήποτε βάθος) Τιµή του SRF «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 117

118 (β) Περίπτωση πετρώµατος ικανής αντοχής υπό σχετικώς υψηλές τιµές γεωστατικών τάσεων. Περίπτωση σc /σ1 σθ /σ1 Τιµή του SRF Χαµηλές τάσεις, κοντά στην επιφάνεια, ανοιχτές > 200 > ασυνέχειες Μέσες τάσεις Υψηλές τάσεις, πολύ "σφιχτή δοµή Μέτρια "εκτίναξη" σκληρού πετρώµατος, µετά ώρα Έντονη "έκρηξη" και δυναµικές παραµορφώσεις σκληρού πετρώµατος < 2.5 < (γ) Συνθλίβον πέτρωµα, έντονες πλαστικές παραµορφώσεις λόγω πολύ υψηλών τάσεων. Περίπτωση Τιµή του SRF Μέτρια πίεση εξαιτίας της συµπίεσης 5-10 Μεγάλη πίεση εξαιτίας της συµπίεσης (δ) ιογκούµενο πέτρωµα, λόγω χηµικής ενεργότητας µε προσρόφηση νερού. Περίπτωση Τιµή του SRF Μέτρια πίεση εξαιτίας της διόγκωσης 5-10 Μεγάλη πίεση εξαιτίας της διόγκωσης Με βάση το δείκτη ποιότητας κατά το σύστηµα Q, η βραχόµαζα µπορεί να καταταγεί στις ακόλουθες κατηγορίες: Πίνακας. ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΒΡΑΧΟΜΑΖΑΣ ΚΑΤΑ ΤΟ Q-SYSTEM. Q Κλάση Χαρακτηρισµός >400 Q-Ia εξαιρετικά καλή Q-Ib πάρα πολύ καλή Q-II πολύ καλή Q-IIIa καλή 4-10 Q-IIIb µέτρια 1-4 Q-IVa πτωχή Q-IVb πολύ πτωχή Q-Va πάρα πολύ πτωχή <0.01 Q-Vb εξαιρετικά πτωχή «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 118

119 Μέθοδος Ε. Hoek - Ε. Τ. Brown. Η αντοχή του αδιατάρακτου υλικού πετρώµατος (rock material) έχει χρησιµοποιηθεί από τους Ε. Hoek και Ε. Τ. Brown (1980 α, β) σαν βάση για ένα κριτήριο αστοχίας της βραχοµάζας (rock mass). Βασιζόµενοι στην εµπειρία τους, τόσο στη θεωρητική όσο και στην πρακτική συµπεριφορά των πετρωµάτων, ανάπτυξαν µε τη µέθοδο της πειραµατικής προσεγγιστικής απόδειξης, την ακόλουθη εµπειρική σχέση µεταξύ των κύριων τάσεων, συσχετιζόµενων µε την αστοχία του πετρώµατος: σ = σ + m σ σ c 3 sσ 2 c όπου: σ 1 και σ 3 : η πρωτεύουσα και δευτερεύουσα κύρια τάση αντίστοιχα. σ c : η αντοχή σε µονοαξονική θλίψη του αδιατάρακτου υλικού πετρώµατος (rock material). m και s: σταθερές που εξαρτώνται από τις ιδιότητες του πετρώµατος και την έκταση του κερµατισµού πριν υποβληθεί στην καταπόνηση των σ 1 και σ 3. Η παράµετρος m ποικίλει µε τον τύπο του πετρώµατος, τη γωνία τριβής µεταξύ των σωµατιδίων ή κοµµατιών του πετρώµατος και το βαθµό της αλληλοεµπλοκής τους µέσα στη βραχοµάζα. Η παράµετρος s φαίνεται να εξαρτάται από την εφελκυστική αντοχή µεταξύ των σωµατιδίων του πετρώµατος και το βαθµό αλληλοεµπλοκής τους. Εάν στην πιο πάνω εξίσωση χρησιµοποιηθούν οι ανοιγµένες κύριες τάσεις σ 1η = σ 1 /σ c και σ 3η = σ 3 /σ c η εξίσωση παίρνει τη µορφή: σ 1 n = σ 3 n+ m σ 3n + S Για αδιατάρακτο ισότροπο συµπαγές υλικό πετρώµατος η παράµετρος s = 1,0 και σ 1 n = σ 3 n+ m σ 3n + 1 Για πέτρωµα µε ασυνέχειες s < 1. Για έντονα διερρηγµένα και κερµατισµένα, τα m και s ελαττώνονται µε την αύξηση της έντασης διαρρήξεως και του βαθµού κερµατισµού καθώς και την ελάττωση της αλληλοεµπλοκής των επί µέρους κοµµατιών του πετρώµατος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 119

120 Για υλικά µυλωνιτιωµένα ή θρυµµατισµένα s = 0. Οι Ε. Hoek και Ε. Τ. Brown πειραµατιζόµενοι σε βραχοµάζες διάφορων τύπων πετρωµάτων ποικίλης γεωτεχνικής κατάστασης και σύνθεσης, κατέληξαν σε διάφορες καταστατικές εξισώσεις. Στον ακόλουθο πίνακα παρουσιάζονται ενδεικτικά οι καταστατικές εξισώσεις που ισχύουν για παράδειγµα σε ανθρακικές βραχοµάζες πετρωµάτων (όπως Ασβεστολιθων, ολοµιτών και Μαρµάρων) ποικίλης γεωτεχνικής κατάστασης και σύνθεσης. Οι εξισώσεις αυτές της αντοχής (θλιπτικής και διατµητικής) θα πρέπει να χρησιµοποιούνται σαν χονδρικοί οδηγοί στους υπολογισµούς του προκαταρκτικού σχεδιασµού και µελέτης, λόγω του ότι βασίζονται σε σχετικά λίγα στοιχεία παρατήρησης και είναι, ως εκ τούτου, προσεγγιστικές. Μπορούν να εφαρµοστούν επίσης στους υπολογισµούς της προκαταρκτικής µελέτης ευστάθειας πρανών (π.χ. των αντερεισµάτων ενός φράγµατος) και στις υπόγειες εκσκαφές σε βραχοµάζα µε ασυνέχειες κυρίως τύπου διακλάσεων. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 120

121 ΠΙΝΑΚΑΣ. Προσεγγιστικά κριτήρια αντοχής συµπαγών και ασυνεχών ανθρακικών πετρωµάτων κατά Ε. Hoek & Ε. Τ. Brown (1980). Ποιότητα πετρώµατος Τύπος πετρώµατος: ΑΝΘΡΑΚΙΚΑ ΠΕΤΡΩΜΑΤΑ µε καλά αναπτυγµένους κρυστάλλους. ( ολοµίτης, Ασβεστόλιθος & Μάρµαρα). Α ΙΑΤΑΡΑΚΤΟ ΕΙΓΜΑ ΠΕΤΡΩΜΑΤΟΣ. οκίµια πετρώµατος εργαστηριακού µεγέθους χωρίς ελαττώµατα ή/και επίπεδα αδυναµίας. (R.M.R. > 100 και Q > 100) σ 1 n = σ 3 n+ 7 σ 3n + 1 T 0,816( σ + 0,140) n = n 0,658 ΠΟΛΥ ΚΑΛΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΒΡΑΧΟΜΑΖΑ. Σφιχτά αλληλοσυνδεδεµένο αδιατάραχτο πέτρωµα µε µη αποσαθρωµένα τοιχώµατα διακλάσεων, διαστήµατος 1 έως 3 m. (R.M.R. = 85 και Q = 100) σ 1 n = σ 3 n+ 3,5 σ 3n + 0,1 T 0,651( σ + 0,028) n = n 0,679 ΚΑΛΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΒΡΑΧΟΜΑΖΑ. Υγιές έως ελαφρά αποσαθρωµένο πέτρωµα, ελαφρά διαταραγµένο, µε διακλάσεις διαστήµατος 1 έως 3 m. (R.M.R. = 65 και Q = 10) σ 1 n = σ 3 n+ 0,763 σ 3n + 0,004 T 0,369( σ + 0,006) n = n 0,669 ΜΕΤΡΙΑΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΒΡΑΧΟΜΑΖΑ. Πέτρωµα µε µερικές οµάδες διακλάσεων µε µέτρια αποσαθρωµένα τοιχώµατα, διαστήµατος 0,3 έως 1 m. (R.M.R. = 44 και Q = 1) σ 1 n = σ 3 n+ 0,140 σ 3n + 0,0001 T 0,198( σ + n = n 0,662 0,0007) ΦΤΩΧΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΒΡΑΧΟΜΑΖΑ. Πέτρωµα µε πολυάριθµες οµάδες διακλάσεων, µε αποσαθρωµένα τοιχώµατα, διαστήµατος 30 mm έως 500 mm, µερικά πληρωµένες. (R.M.R. = 23 και Q = 0,1) σ 1 n = σ 3 n+ 0,040σ 3n + 0,00001 T 0,115( σ + n = n 0,646 0,0002) ΠΟΛΥ ΦΤΩΧΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΒΡΑΧΟΜΑΖΑ. Πέτρωµα µε πολυάριθµες οµάδες διακλάσεων µε έντονα αποσαθρωµένα τοιχώµατα, διαστήµατος µικρότερου από 50 mm, και ολικά πληρωµένες. (R.M.R. = 3 και Q = 0,01) σ 1 n = σ 3 n+ 0,007 σ 3n + 0 Tn = 0 n,042( σ ) 0,534 εν πρέπει να χρησιµοποιούνται σε µελέτες ευστάθειας πρανών εάν η αστοχία πρόκειται να εκδηλωθεί, λόγω της υφιστάµενης δοµής των «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 121

122 ασυνεχειών, µε ολίσθηση επί ενός επιπέδου ασυνέχειας (π.χ. επί επιπέδου στρώσης µε κλίση οµόρροπη προς το πρανές, όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήµα (α)), ή επί δύο επιπέδων (π.χ. αποκόλληση «σφήνας» τµήµατος πετρώµατος οριζόµενου από δύο αλληλοτεµνόµενες οµάδες ασυνεχειών, η γραµµή τοµής των οποίων έχει κλίση οµόρροπη προς την κλίση του πρανούς, όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήµα (β)). Στην περίπτωση αυτή πρέπει να γίνεται µελέτη επάνω σε δίκτυο στερεογραφικής προβολής Schmidt, τοποθετώντας τις διευθύνσεις κλίσεων ή τις παρατάξεις και τις κλίσεις τόσο των επιπέδων των ασυνεχειών όσο και του πρανούς και κατά περίπτωση να καθορίζεται ο συντελεστής ασφάλειας του πρανούς. Μέγιστος κύκλος της συγκέντρωσης των πόλων. Συγκέντρωση πόλων. Σχήµα. (α). Αστοχία επιπέδου σε πέτρωµα µε µία οµάδα διακλάσεων. Σχήµα. (β). Αστοχία «σφήνας» σε πέτρωµα µε δύο οµάδες αλληλοτεµνόµενων διακλάσεων. Σχήµα. Σχηµατική παράσταση αστοχίας: (α) «επιπέδου» και (β) «σφήνας». Οι Ε. Hoek και Ε. Τ. Brown έχουν µελετήσει πέραν των ανθρακικών πετρωµάτων και ένα πλήθος άλλων πετρωµάτων και έχουν δώσει αντίστοιχες καταστατικές εξισώσεις. Τα πετρώµατα αυτά έχουν ταξινοµηθεί σε άλλες τέσσερις κατηγορίες, µε κριτήρια κυρίως την κρυσταλλικότητα και το µέγεθος των κόκκων τους Για περαιτέρω µελέτη µπορεί να γίνει αναφορά στο άρθρο των Ε. Hoek και Ε. Τ. Brown (1980) «Empirical strength Criterion for Rock «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 122

123 Masses. Journal of the Geotechnical Engineering Division, Proc. Am. Soc. Civ. Engrs, 106, No G T9, ». «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 123

124 Μέθοδος ή Σύστηµα του είκτη Γεωλογικής Αντοχής (G.S.I.) των Evert Hoek, Carlos Carranza-Torres, και Brent Corkum, (2002), «HOEK-BROWN FAILURE CRITERION» Το σύστηµα GSI (Geological Strength Index) ή είκτης Γεωλογικής Αντοχής, προτάθηκε και θεσπίσθηκε από τους Hoek, Kaiser, και Bawden (1995), τους Hoek και Brown (1997) και διευρύνθηκε από τους Hoek, Marinos και Benissi (1998) και δίνει ιδιαίτερη έµφαση σε σχετικώς πτωχής ποιότητας βραχοµάζες µε RMR < 40 αλλά µε λειτουργία αλληλοεµπλοκής µεταξύ των βραχωδών τεµαχών. Τέτοιου τύπου βραχόµαζες δοµούν ένα σηµαντικό ποσοστό του Ελληνικού χώρου και συνεπώς έχουν µεγάλη σηµασία στο σχεδιασµό υπογείων έργων. Το σύστηµα GSI σχεδιάσθηκε ώστε εν γένει να είναι συµβατό µε το σύστηµα RMR για βραχόµαζες µε RMR > 40, δηλαδή οι τιµές του δείκτη GSI είναι περίπου ίσες µε τις αντίστοιχες τιµές του δείκτη RMR. Για βραχόµαζες µε RMR < 40, το σύστηµα GSI πλεονεκτεί επειδή παρέχει καλύτερη διακριτοποίηση, χωρίς απότοµες µεταβολές της τιµής του δείκτη, ενώ ταυτοχρόνως παραµένει συµβατό µε το σύστηµα RMR. Το σύστηµα GSI βασίζεται στη συναξιολόγηση δυο παραµέτρων: (α) Της δοµής της βραχόµαζας, που χαρακτηρίζει το βαθµό αλληλοεµπλοκής των βραχωδών τεµαχών. (β) Της κατάστασης των επιφανειών των ασυνεχειών που χαρακτηρίζει το µέγεθος της διατµητικής αντοχής τους. Η συναξιολόγηση των παραµέτρων και οι αντίστοιχες τιµές του δείκτη GSI φαίνονται στον ακόλουθο πίνακα. Το σύστηµα GSI εφαρµόζεται σε βραχόµαζες µε αλληλοεµπλοκή µεταξύ των βραχωδών τεµαχών, δηλαδή σε βραχόµαζες µε µικρό ποσοστό συµµετοχής εδαφικού υλικού (τυπικά λιγότερο από 20% του συνολικού όγκου της βραχόµαζας). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 124

125 Α.Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕ ΟΝΙΑΣ - Τµήµα Μηχανικών Περιβάλλοντος & Μηχανικών Αντιρρύπανσης Πίνακας. είκτης γεωλογικής αντοχής για ρηγµατωµένη βραχόµαζα. Ταξινόµηση της βραχόµαζας κατά το σύστηµα GSI. Το σύστηµα GSI εφαρµόζεται σε βραχόµαζες µε αλληλοεµπλοκή µεταξύ των βραχωδών τεµαχών, δηλαδή σε βραχόµαζες µε µικρό ποσοστό συµµετοχής εδαφικού υλικού (τυπικά λιγότερο από 20% του συνολικού όγκου της βραχόµαζας). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 125

126 Για τις βραχόµαζες µε αξιόλογο ποσοστό συµµετοχής εδαφικού υλικού (π.χ. βραχόµαζες µε σηµαντικό βαθµό εξαλλοίωσης), ή για τις βραχόµαζες που αποτελούνται από εναλλαγές αδύναµων και ισχυρών βράχων που συχνά είναι τεκτονικά διαταραγµένες, όπως είναι η περίπτωση του πετρώµατος του φλύσχη, όπου η αλληλοεµπλοκή µεταξύ των βραχωδών τεµαχών είναι περιορισµένη έως ανύπαρκτη, ο προσδιορισµός του Γεωλογικού είκτη Αντοχής παρουσιάζει κάποιες δυσκολίες. Πάντως, εξαιτίας του µεγάλου αριθµού έργων πολιτικού µηχανικού υπό κατασκευή σε αυτές τις βραχόµαζες, έχουν γίνει µερικές προσπάθειες να δηµιουργηθούν καλύτερα εργαλεία τεχνικής γεωλογίας και βραχοµηχανικής από αυτά που είναι αυτή τη στιγµή διαθέσιµα. Συνεπώς, για να αντιµετωπισθεί η οµάδα αυτών των υλικών στο σύστηµα GSI, ένα τµήµα του διαγράµµατος που δίνεται στον παραπάνω κύριο πίνακα του δείκτη γεωλογικής αντοχής για ρηγµατωµένη βραχόµαζα, έχει τροποποιηθεί, επεκταθεί και µεγεθυνθεί. Αυτό το διευρυµένο διάγραµµα δίνεται στον ακόλουθο πίνακα και µπορεί να χρησιµοποιείται κατά την ταξινόµηση της βραχοµάζας µε βάση το σύστηµα GSI. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 126

127 Πίνακας. Τιµές GSI σε ετερογενείς και ασθενέστερες βραχοµάζες όπως ο Φλύσχης. Αποτελεί τροποποίηση του συστήµατος GSI για βραχόµαζες χωρίς αλληλοεµπλοκή κόκκων και εφαρµόζεται σε βραχόµαζες µε µεγάλο ποσοστό συµµετοχής εδαφικού υλικού (τυπικά περισσότερο από 20% του συνολικού όγκου της βραχόµαζας). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ»

128 Μετά την ολοκλήρωση της περιγραφής της διαδικασίας προσδιορισµού του δείκτη γεωλογικής αντοχής (G.S.I.) µιας έντονα ή λιγότερο έντονα ρηγµατωµένης βραχόµαζας µε την µέθοδο ή το σύστηµα του δείκτη γεωλογικής αντοχής (G.S.I.) κατά E. Hoek et al, δίδεται στην συνέχεια βήµα προς βήµα η διαδικασία υπολογισµού των µηχανικών ιδιοτήτων της βραχόµαζας, δηλαδή της αντοχής και της παραµορφωσιµότητας της βραχόµαζας, χρησιµοποιώντας την µέθοδο αυτή, λόγω της µεγάλης σπουδαιότητάς της στα σύγχρονα έργα Υπολογισµός των µηχανικών ιδιοτήτων της βραχόµαζας Γενικά. Ένα κρίσιµο στάδιο της µεθοδολογίας που αναλύεται στο κεφάλαιο αυτό είναι η επιλογή αξιόπιστων ιδιοτήτων βραχόµαζας που µπορούν να χρησιµοποιηθούν για τον υπολογισµό της συµπεριφοράς της βραχόµαζας στις τάσεις που επιβάλλονται σε κάποιο µελετούµενο έργο. Ένα από τα κριτήρια που χρησιµοποιούνται ευρύτατα για τον υπολογισµό των ιδιοτήτων της βραχόµαζας είναι αυτό που προτείνεται από τους Hoek και Brown (1997). Αυτό το κριτήριο, συνοψίζεται εν συντοµία στο κείµενο που ακολουθεί. Πρέπει να σηµειώσουµε ότι το κριτήριο Hoek and Brown, καθώς και όλα τα άλλα κριτήρια που έχουν δηµοσιευτεί και µπορούν να χρησιµοποιηθούν για αυτό τον σκοπό, θεωρούν ότι η βραχόµαζα συµπεριφέρεται ισότροπα. Με άλλα λόγια, θεωρούν ότι η συµπεριφορά της βραχόµαζας ελέγχεται από την κίνηση και την περιστροφή των στοιχείων του βράχου που χωρίζονται από επίπεδα ασυνεχειών όπως επίπεδα στρώσεων και διακλάσεων, και ότι δεν υπάρχουν προτιµούµενες διευθύνσεις αστοχίας. Αυτά τα κριτήρια αστοχίας δεν θα πρέπει να χρησιµοποιούνται στις περιπτώσεις που η βραχόµαζα αποτελείται από ένα ανθεκτικό παχυστρωµατώδη βράχο όπως π.χ. ο ψαµµίτης µε επιφάνειες στρώσεων λείες και πληρωµένες µε αργιλικές επικαλύψεις. Η συµπεριφορά τέτοιων βραχοµαζών θα είναι έντονα ανισοτροπική και θα ελέγχεται από το γεγονός ότι οι επιφάνειες στρώσης είναι µια τάξη µεγέθους πιο αδύναµες από κάθε άλλο χαρακτηριστικό. Σε τέτοιες βραχόµαζες η κύρια µορφή αστοχίας θα είναι σφηνοειδείς ή επίπεδες αποκολλήσεις ή καταπτώσεις τεµαχίων βράχου λόγω βαρύτητας που θα προσδιορίζονται από την αλληλοεµπλοκή των αδύναµων επιφανειών στρώσης µε άλλα συστήµατα ασυνεχειών τα οποία λειτουργούν ως επιφάνειες αποχωρισµού. Πάντως, αν η βραχόµαζα είναι κατακερµατισµένη, η συνέχεια των επιφανειών στρώσης θα έχει διαταραχθεί και ο βράχος πιθανόν να συµπεριφέρεται ως ισότροπη µάζα. Κατά την εφαρµογή του κριτηρίου Hoek and Brown σε ισότροπες βραχόµαζες, τρεις παράµετροι απαιτούνται για τον υπολογισµό των ιδιοτήτων αντοχής και παραµόρφωσης της βραχόµαζας. Αυτές είναι: «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ»

129 Η αντοχή σε µονοαξονική θλίψη σ ci των µονάδων ακέραιου πετρώµατος (υλικού του πετρώµατος ή rock material) που σχηµατίζουν την βραχόµαζα, Η σταθερά m i που ορίζεται από τα χαρακτηριστικά τριβής αυτών των πετρωµάτων, και Ο δείκτης γεωλογικής αντοχής (GSI) που συσχετίζει τις ιδιότητες των ακέραιων πετρωµάτων πετρώµατος (υλικού του πετρώµατος ή rock material) µε αυτές της συνολικής βραχόµαζας (rock mass). Κάθε µία από αυτές τις παραµέτρους εξετάζεται στις υποενότητες που ακολουθούν. Αντοχή σε Μονοαξονική θλίψη σ ci της µονάδος ακεραίου πετρώµατος. Η αντοχή σε Μονοαξονική θλίψη σ ci της µονάδος ακεραίου πετρώµατος προσδιορίζεται εργαστηριακά όπως αναλύεται µε λεπτοµέρεια σε άλλο κεφάλαιο. Σε ορισµένες εξαιρετικές περιπτώσεις, όπου η βραχοµάζα είναι πολύ πυκνά ρηγµατωµένη ή σχιστοποιηµένη και δεν είναι δυνατόν να ληφθούν αδιατάρακτα δείγµατα πυρήνων πετρώµατος, για εκτέλεση δοκιµών αντοχής σε µοναξονική θλίψη µπορούν να διενεργηθούν δοκιµές µεγάλης κλίµακας κατευθείαν πάνω στη «βραχόµαζα» (Jaeger, 1971). Οι δοκιµές αυτές απαιτούν ένα εξαιρετικά υψηλό επίπεδο δεξιοτεχνίας από τη µεριά του τεχνικού γεώτρησης και του τεχνικού του εργαστηρίου. Οι εγκαταστάσεις για µεγάλης κλίµακας τριαξονικές δοκιµές είναι διαθέσιµες µόνο σε λίγα εργαστήρια στον κόσµο και γενικά θεωρείται ότι δεν αξίζει να γίνουν τέτοιες δοκιµές για συνήθη έργα πολιτικού µηχανικού. Ένας από τους λίγους τρόπους µε τους οποίους είναι δυνατόν να λυθεί αυτό το δίληµµα είναι να χρησιµοποιηθεί η δοκιµή προσδιορισµού αντοχής σε σηµειακή φόρτιση σε δείγµατα. Τα δείγµατα που χρησιµοποιούνται για αυτές τις δοκιµές µπορούν να είναι είτε ακανόνιστα κοµµάτια ή κοµµάτια που θραύονται από τον πυρήνα όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Σχήµα. Περιπτώσεις δοκιµών αντοχής σε σηµειακή φόρτιση σε τεµάχη ακεραίου πετρώµατος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 129

130 Η κατεύθυνση της φόρτισης θα πρέπει να είναι κατά το δυνατόν όσο πιο κάθετη στις επιφάνειες αδυναµίας και η θραύση που δηµιουργείται από την δοκιµή δεν θα πρέπει να εµφανίζει σηµεία ότι έχει ακολουθήσει µια υπάρχουσα ασυνέχεια. Συνιστούµε θερµά να συνοδεύεται η εργαστηριακή δοκιµή από φωτογραφίες των δοκιµίων οι οποίες λήφθηκαν πριν και µετά την δοκιµή καθώς αυτές δίνουν στον χρήστη την δυνατότητα να κρίνει την εγκυρότητα των αποτελεσµάτων των δοκιµών. Η αντοχή σε µονοαξονική θλίψη των δειγµάτων ακέραιου βράχου µπορεί να υπολογισθεί, µε ένα λογικό επίπεδο ακρίβειας, αν πολλαπλασιάσουµε τον δείκτη σηµειακής φόρτισης Ι s µε το 24, όπου I s =P/D 2. P είναι η φόρτιση στα σηµεία και D η απόσταση ανάµεσα στα σηµεία. Εικόνα. Φορητός εξοπλισµός για τον προσδιορισµό αντοχής σε σηµειακή φόρτιση. Στις περιπτώσεις πολύ αδύναµων ή και φυλλοποιηµένων πετρωµάτων όπως οι αργιλικοί σχιστόλιθοι ή οι διατµηµένοι ιλυόλιθοι, η πίεση στα σηµεία φόρτισης µπορεί να προκαλέσει πλαστική παραµόρφωση µάλλον παρά θραύση του δείγµατος. Σε τέτοιες περιπτώσεις η δοκιµή αντοχής σε σηµειακή φόρτιση δεν δίνει αξιόπιστα αποτελέσµατα. Όταν δεν είναι δυνατόν να πάρουµε δείγµατα ακόµα και για την εκτέλεση της δοκιµής σηµειακής φόρτισης, η µόνη εναλλακτική λύση που αποµένει είναι να στραφούµε προς µια ποιοτική περιγραφή του πετρώµατος για να υπολογίσουµε την µονοαξονική θλιπτική αντοχή του ακέραιου πετρώµατος. Μια τέτοια ποιοτική περιγραφή δίνεται στον ακόλουθο πίνακα. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 130

131 Πίνακας. Πρακτικός υπολογισµός µονοαξονικής αντοχής. Περιγραφή αντοχής Αντοχή σε ανεµπόδιστη θλίψη (Mpa) Αντοχή σε σηµειακή φόρτιση (Mpa) Εξαιρετικά υψηλή >250 >10 Πολύ υψηλή Υψηλή Μέτρια Χαµηλή 5-25 Πολύ χαµηλή 1-5 Εξαιρετικά χαµηλή 0,25-1 Πρακτικός υπολογισµός αντοχής Μικρή αποφλοίωση του δείγµατος µε το γεωλογικό σφυρί Το δείγµα απαιτεί πολλά χτυπήµατα µε το γεωλογικό σφυρί για να σπάσει Το δείγµα απαιτεί περισσότερα από ένα χτυπήµατα µε το γεωλογικό σφυρί για να σπάσει Το δείγµα δεν µπορεί να χαραχθεί µε µαχαίρι τσέπης και µπορεί να σπάσει µε ένα χτύπηµα του γεωλογικού σφυριού Το δείγµα µπορεί να χαραχθεί µε δυσκολία µε µαχαίρι τσέπης, µικρή διείσδυση του άκρου του γεωλογικού σφυριού µετά από ισχυρό χτύπηµα Το δείγµα θρυµµατίζεται µε ισχυρά χτυπήµατα του γεωλογικού σφυριού και µπορεί να χαραχθεί µε µαχαίρι τσέπης. Το δείγµα παραµορφώνεται µε διείσδυση του αντίχειρα Παραδείγµατα Υγιείς βασάλτης, πυριτόλιθος, διαβάσης, γνεύσιος, γρανίτης, χαλαζίτης Αµφιβολίτης, ψαµµίτης, βασάλτης, γάββρος, γνεύσιος, γρανοδιορίτης, ασβεστόλιθος, µάρµαρο Ασβεστόλιθος, µάρµαρο, φυλλίτης, ψαµµίτης, σχιστόλιθος Ιλυόλιθος, σκυρόδεµα, σχιστόλιθος, αργιλόλιθος Κιµωλία, ορυκτό αλάτι, ποτάσα Πολύ αποσαθρωµένο ή εξαλλοιωµένο πέτρωµα Στιφρό υλικό πλήρωσης ρήγµατος Σταθερά m i. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 131

132 Η σταθερά m i των Hoek and Brown µπορεί να προσδιοριστεί µόνο µε την τριαξονική δοκιµή σε δείγµατα πυρήνων ή να υπολογισθεί από µια ποιοτική περιγραφή του βραχώδους υλικού όπως περιγράφεται από τους Hoek and Brown (1997). Η παράµετρος αυτή εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά τριβής των συστατικών ορυκτών που υπάρχουν στο ακέραιο πέτρωµα και έχει σηµαντική επίδραση στα χαρακτηριστικά αντοχής του βράχου όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήµα. Σχήµα. Επιρροή της σταθεράς mi στα χαρακτηριστικά της αντοχής του ακεραίου πετρώµατος. Όταν δεν είναι δυνατόν να διενεργηθούν τριαξονικές δοκιµές για τους λόγους που αναφέρθηκαν στην προηγούµενη ενότητα, µια κατ εκτίµηση τιµή της m i µπορεί να ληφθεί από τον ακόλουθο πίνακα. Οι περισσότερες τιµές που αναφέρονται προήλθαν από τριαξονικές δοκιµές σε δείγµατα ακέραιου πετρώµατος και το εύρος των τιµών που αναφέρονται εξαρτάται από την ακρίβεια της γεωλογικής περιγραφής κάθε τύπου πετρώµατος. Για παράδειγµα, ο όρος «γρανίτης» περιγράφει ένα τύπο πετρώµατος που προσδιορίζεται µε σαφήνεια και όλοι οι γρανίτες εκδηλώνουν πολύ παραπλήσια µηχανικά χαρακτηριστικά. Συνεπώς, η τιµή της m i ορίζεται ίση µε 32 ± 3. Από την άλλη, ο όρος λατυποπαγές δεν είναι πολύ ακριβής όσο αφορά την ορυκτολογική σύσταση και συνεπώς η τιµή της m i εµφαίνεται ως 19 ± 5, και συνεπώς δηλώνει µεγαλύτερη αβεβαιότητα. Ευτυχώς, όσον αφορά την εκτίµηση της αντοχής της βραχόµαζας, από τις τρεις παραµέτρους που απαιτούνται, η τιµή της σταθεράς m i είναι η λιγότερο ευαίσθητη. Συνεπώς, η ακρίβεια των µέσων τιµών που δίνονται στον ακόλουθο πίνακα είναι επαρκής για τις περισσότερες πρακτικές εφαρµογές. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 132

133 Πίνακας. Τιµές της σταθεράς mi για ακέραιο πέτρωµα, ανά οµάδα πετρωµάτων 1. Η διακύµανση των τιµών για κάθε υλικό εξαρτάται από την αλληλοεµπλοκή και τραχύτητα της κρυσταλλικής δοµής οι µεγαλύτερες τιµές σχετίζονται µε ισχυρότερη αλληλοεµπλοκή και τριβή. Τύπος σχηµατισµού Είδος Οµάδας Οµάδα Υφή Ανδροκοκκώδη Μεσοκοκκώδη Λεπτόκοκκα Ιζηµατογενή Μεταµορφωµένα Πυριγενή Κλαστικά Χηµικής Ιζηµατογένεσης Χωρίς φολίωση Ελαφρά φολίωση Με φολίωση* Πλουτώνια Υποαβυσσικά Ανθρακικά Εβαπορίτης Οργανικά Ανοιχτόχρωµα Σκουρόχρωµα Πολύ λεπτόκοκκα Κροκαλοπαγές Ψαµµίτης Ιλυόλιθος Αργιλόλιθος (1) (21±3) (17±4) (7±2) (4±2) Λατυποπαγές Γραουβάκης Σχιστοποιηµένη Άργιλος (2) (19±5) (18±3) (6±2) Κρυσταλλικ. Ασβεστόλιθος Σπαριτικός Ασβεστόλιθος Μικριτικός Ασβεστόλιθος Μάργα (7±2) ολοµίτης (12±3) (10±2) (9±2) (9±3) Γύψος Ανυδρίτης (8±2) (12±2) Μάρµαρο Κερατίτης Χαλαζίτης (9±3) (19±4) (20±3) Μεταψαµµίτης (19±3) Μιγµατίτης Αµφιβολίτης Γνεύσιος (29±3) (26±6) (28±5) Γρανίτης Κιµωλία (7±2) Σχιστόλιθος Φυλλίτης (3) Αργιλικός Σχιστόλιθος (12±3) (7±3) (7±4) ιορίτης (32±3) (25±5) Γρανοδιορίτης Γάββρος (29±3) ολερίτες (27±3) (16±5) Νορίτης (20±5) Πορφύρης ιαβάσης Περιδοτίτης (20±5) (15±5) (25±5) Ρυόλιθος ακίτης Λάβα (25±5) (25±3) Ανδεσίτης Βασάλτης Ηφαιστειακά (25±5) (25±5) Ηφαιστειακό Πυροκλαστικά κροκαλοπαγές Λατυποπαγες Τόφφοι (19±3) (19±5) (13±5) * Οι τιµές αυτές αντιστοιχούν σε δοκίµια ακέραιου πετρώµατος που αστόχησαν κάθετα στην στρώση ή τον σχισµό. Η τιµή mi Θα είναι σηµαντικά διαφορετική στην περίπτωση αστοχίας κατά µήκος του επιπέδου αδυναµίας. (1) Στερεοποιηµένη άργιλος, χωρίς σχιστότητα, συµπαγοποιηµένη αλλήλως προς το επίπεδο στρώσεως (2) Καθολική µεταµόρφωση. Χαρακτηριστική υποπαράλληλη διάταξη των µαρµαρυγιακών ορυκτολογικών παραγενέσεων. (3) Χαµηλός βαθµός καθολικής µεταµόρφωσης. 1 Σηµειώνεται ότι ο πίνακας αυτός περιέχει πολλές αλλαγές από παλαιότερα δηµοσιευµένες εκδόσεις. Αυτές οι αλλαγές προέκυψαν από επεξεργασία συγκεντρωµένων εργαστηριακών δοκιµών και εµπειρία µέσω συζητήσεων µε τεχνικούς γεωλόγους και γεωτεχνικούς µηχανικούς. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 133

134 είκτης γεωλογικής αντοχής GSI. Ο είκτης Γεωλογικής Αντοχής (GSI) είναι η τρίτη απαιτούµενη παράµετρος για τον υπολογισµό των µηχανικών ιδιοτήτων της βραχοµάζας κατά την εφαρµογή του κριτηρίου Hoek and Brown σε ισότροπες βραχόµαζες και ο προσδιορισµός του έχει περιγραφεί και αναλυθεί λεπτοµερώς σε προηγούµενη ενότητα, όπου µε βάση τους πίνακες προσδιορίζεται η τιµή του σε κάθε τύπο και κατάσταση βραχοµάζας Αντοχή και Παραµορφωσιµότητα Βραχοµάζας. Μετά τον προσδιορισµό των παραµέτρων σ ci, m ι και GSI, όπως περιγράφθηκαν παραπάνω, το επόµενο στάδιο είναι ο υπολογισµός των µηχανικών ιδιοτήτων της βραχόµαζας, δηλαδή της αντοχής και της παραµορφωσιµότητας της βραχόµαζας. Η διαδικασία εξαγωγής αυτών των υπολογισµών έχει περιγραφθεί λεπτοµερώς από τους Hoek και Brown (1997) και επαναλαµβάνεται συνοπτικά στην συνέχεια Αντοχή Βραχοµάζας. Το κριτήριο Hoek-Brown είναι το ευρύτερα χρησιµοποιούµενο. Για την εκτίµηση της αντοχής της βραχοµάζας, το αρχικό κριτήριο (Hoek and Brown, 1980; Hoek, 1983) επαναδιατυπώνεται (Hoek and Brown, 1988; Hoek et al, 1992; Hoek, 1994), ώστε να λάβει τη γενικότερη µορφή του παρακάτω σχήµατος µε βάση τις εξισώσεις: σ ' = σ ' + (m σ' ) 1n 3n b 3n + S σ ' 1 σ ' 1n= σci σ ' 3 σ ' 3n= σci Εξίσωση 1 α «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 134

135 Όπου: m b : παράµετρος που χαρακτηρίζεται από το είδος του πετρώµατος και τον τεκτονισµό του. Είναι ανάλογη µε τη γωνία τριβής φ του κριτηρίου Mohr- Coulomb. s: παράµετρος που χαρακτηρίζεται από τον τεκτονισµό του πετρώµατος. Λαµβάνει τιµές από 0 έως 1. Είναι ανάλογη µε τη συνοχή του κριτηρίου Mohr-Coulomb. a: παράµετρος που εξαρτάται από τον τεκτονισµό του πετρώµατος. Λαµβάνει τιµές από 0.5 έως 0.65, σ ci : η µονοαξονική αντοχή του άρρηκτου πετρώµατος που δύναται να µετρηθεί στο εργαστήριο. Σχήµα. Σχηµατική παρουσίαση του κριτηρίου Hoek-Brown. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 135

136 Η επίδραση της παραµέτρου s είναι αντίστοιχη µε αυτή της συνοχής στο κριτήριο Mohr-Coulomb. Τούτο γίνεται φανερό στο ακόλουθο σχήµα. Σχήµα. Επιρροή της παραµέτρου s στη διατµητική αντοχή και στη γωνία τριβής φ. Παρατηρούµε ότι για m b =m i, s=1, a=0.5 το κριτήριο λαµβάνει την ειδικότερη µορφή που είχε το κριτήριο για το άρρηκτο πέτρωµα. Μηδενίζοντας την κύρια θλιπτική ή εφελκυστική τάση υπολογίζονται, η εφελκυστική και θλιπτική αντοχή του πετρώµατος, σ tm ΗΒ και σ cm ΗΒ αντίστοιχα: ΗΒ ΗΒ σtm 1 2 s σtmn = =.( mb m b+ 4s) = ; για a= 0.5 σ 2 m ci b «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 136

137 σ ΗΒ cmn = ΗΒ cm σ σ ci Εξίσωση 2 =s a H εκτίµηση των τριών παραµέτρων m b, s, a, δίνεται από σχέσεις που έχουν βασισθεί στην καταγεγραµµένη συµπεριφορά πολλών µέχρι σήµερα κατασκευασθέντων έργων σε διαφόρους τύπους πετρωµάτων. Ειδικότερα, οι παράµετροι αυτές δίνονται ως συναρτήσεις της ποιότητας GSI της βραχοµάζας, ενώ η παράµετρος m b εξαρτάται και από το λιθολογικό τύπο του πετρώµατος. Η µεταβολή των παραµέτρων µε το GSI φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Ο υπολογισµός τους δίνεται (Hoek et al., 1995) από τις επόµενες σχέσεις: m m b i = GSI 100 exp 28 GSI * GSI s= exp ; a= GSI GSI < 30 * s= 0; a= Εξίσωση 3 * Ο Hoek δίνει όριο 25. Το κριτήριο παρατηρούµε ότι είναι πλήρως καθορισµένο εφόσον προσδιορισθούν οι τρεις παράµετροι, σ ci, m i, GSI. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 137

138 Παράµετροι Hoek-Brown. Σχήµα. Παράµετροι του κριτηρίου Hoek-Brown. Τέλος στο ακόλουθο σχήµα παρουσιάζεται διαγραµµατικά ο συσχετισµός µεταξύ της αντοχής της βραχοµάζας σ cm, της αντοχής του ακεραίου πετρώµατος σ ci, της σταθεράς m i του κριτηρίου Hoek-Brown και του δείκτη γεωλογικής αντοχής GSI. Σχήµα. Συσχετισµός µεταξύ αντοχής βραχοµάζας σ cm, αντοχής ακεραίου πετρώµατος σ ci, σταθεράς m i και δείκτη γεωλογικής αντοχής. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 138

139 Εφαρµογή 1. ίνονται, GSI=40, σ ci =50MPa, m i =10. α. Υπολογίστε τη µονοαξονική εφελκυστική και θλιπτική αντοχή της βραχοµάζας. β. Σχεδιάστε την καµπύλη του κριτηρίου (0 µέχρι 0.25σ ci ). γ. Μειώστε κάθε µία από τις τρεις παραπάνω παραµέτρους κατά 20%, και υπολογίστε τη µείωση της µονοαξονικής εφελκυστικής και θλιπτικής αντοχή της βραχοµάζας. δ. Σχεδιάστε τις τρεις νέες καµπύλες που προκύπτουν Παραµορφωσιµότητα Βραχοµάζας. Η παραµορφωσιµότητα του πετρώµατος, πριν από τη διαρροή του, χαρακτηρίζεται από το µέτρο παραµορφωσιµότητας Em. Τούτο δίνεται από τους Serafim and Pereira (1983) (βλέπε ακόλουθο σχήµα) και Hoek and Brown (1997) αντίστοιχα, από τις σχέσεις: σ σ ( GSI 10) [ ] = ci 100 MPa E GPa m 10 σ [ MPa] 100 ( / 40) ci ( GSI 10) [ GPa] =. ci < 100MPa Em 10 Εξίσωση 5 ( / 40) «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 139

140 Σχήµα. Μέτρο παραµορφωσιµότητας µε βάση την ποιότητα της βραχοµάζας. Η τιµή του λόγου του Poisson µπορεί να εκτιµηθεί κατά προσέγγιση από τον ακόλουθο πίνακα: Τύπος βραχόµαζας Τεµαχώδης µε καλή αλληλοεµπλοκή των κόκκων χωρίς διαταραχή Λόγος Poisson Τεµαχώδης ελαφρώς διαταραγµένη ιαταραγµένη, πτυχωµένη µε γωνιώδη τεµάχη Πολύ διαταραγµένη µε γωνιώδη και στρογγυλεµένα τεµάχη Τελείως εξαλλοιωµένη βραχόµαζα Στο ακόλουθο σχήµα δίδεται διαγραµµατικά η σχέση του Μέτρου παραµορφωσιµότητος της βραχοµάζας µε τον είκτη Γεωλογικής Αντοχής. Σχήµα. Μέτρο παραµορφωσιµότητος βραχοµάζας είκτης Γεωλογικής Αντοχής. Εφαρµογή 2. ίνονται, GSI=40, σ ci =50MPa, m i =10. α. Υπολογίστε το µέτρο παραµορφωσιµότητας E της βραχοµάζας. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 140

141 β. Μειώστε κάθε µία από τις τρεις παραπάνω παραµέτρους κατά 20%, και υπολογίστε τη µείωση του µέτρου παραµορφωσιµότητας. ΙΑΤΥΠΩΣΗ ΚΡΙΤΗΡΙΩΝ ΣΤΑ ΕΠΙΠΕ Α σ n -τ & σ 1 -σ 3. Η αντοχή του πετρώµατος χαρακτηρίζεται συνήθως µε το παραβολικό κριτήριο Hoek-Brown. Συχνά όµως, κατά την ανάλυση των κατασκευών, απαιτείται η χρήση του γραµµικού κριτηρίου Mohr-Coulomb. Εποµένως τίθεται η ανάγκη µετατροπής των παραµέτρων του πρώτου κριτηρίου σε αυτές του δεύτερου. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκαν µέθοδοι (βλ. Hoek and Brown, 1997) που δίνονται παρακάτω: Γραµµικές παράµετροι. Ο υπολογισµός µέσων τιµών των παραµέτρων του κριτηρίου Mohr-Coulomb επιτυγχάνεται ως εξής: Λαµβάνονται 8 ζεύγη τιµών σ 1,σ 3 (βλέπε ακόλουθο σχήµα) της γνωστής περιβάλλουσας H-B, στο διάστηµα [0, 0.25σ ci ], µε γραµµική παλινδρόµηση µπορούµε να υπολογίσουµε τις τιµές των σ c MC, tanψ. Από τις παραµέτρους αυτές υπολογίζουµε τις παραµέτρους φ και c. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 141

142 Σχήµα. Ζεύγη τιµών για γραµµική παλινδρόµηση. Συσχέτιση των περιβαλλουσών. Για κάθε σηµείο της περιβάλλουσας HB στο επίπεδο σ 1 -σ 3, που χαρακτηρίζεται από τις κύριες τάσεις και την κλίση της περιβάλλουσας στο σηµείο αυτό, αντιστοιχεί ένα ζεύγος τιµών σ n, τ που ορίζει το αντίστοιχο σηµείο στο επίπεδο σ-τ. Η αντιστοιχία δίνεται από τις σχέσεις (Balmer, 1952): σ n = σ + 3 σ1 σ 3 σ / σ «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 142

143 τ ( σ σ = n σ = σ σ ).. σ 3 1+ σ1 / σ 3 σ1 σ 3 tan β τ = σ σ n 3 = σ1 σ 3 Εξίσωση 6 Κλίση της περιβάλλουσας στο επίπεδο σ1-σ3. Η κλίση της περιβάλλουσας Hoek-Brown σε κάθε σηµείο της υπολογίζεται από τις σχέσεις: GSI 30 * σ1 σ 3 = 1+ 2.( σ 1N m b σ 3N ) GSI < 30 * σ1 σ 3 a = 1+ am. b.( σ 3N ) a 1 Εξίσωση 7 * Ο Hoek δίνει ως όριο 25. Καµπύλη περιβάλλουσα στο επίπεδο σ n -τ. Η περιβάλλουσα H-B δύναται να προσεγγισθεί στο επίπεδο σ-τ από τη σχέση: τ = B mn Α.(σnN - σtm ) N Εξίσωση 8 όπου σ tmn υπολογίζεται από την εξίσωση 2. Η παραπάνω σχέση αυτή δύναται να γραφεί και ως εξής: «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 143

144 Y = log A + B.X Y= log(τ mn ) X= log(σ nn - σ tmn ) Εξίσωση 9 Για τα 8 ζεύγη τιµών σ 1,σ 3 της περιβάλλουσας H-B, στο ίδιο πάντα διάστηµα [0-0.25σ ci ], υπολογίζονται οι αντίστοιχες τιµές σ n, τ, και dσ 1 /dσ 3, σύµφωνα µε εξίσωση 6. Ο υπολογισµός των Α και Β γίνεται εν συνεχεία µε γραµµική παλινδρόµηση. XY - ( X. Y)/n 2 X ( X ) / n = B 2 log A = Y/T - B. X/n Εξίσωση 10 Εφαπτοµένη στην περιβάλλουσα, στο επίπεδο σ-τ. Η στιγµιαία γωνία εσωτερικής τριβής φ i, η συνοχή c i, (Σχήµα 6) και η θλιπτική MC µονοαξονική αντοχή σ cmi που αντιστοιχούν στην εφαπτοµένη της περιβάλλουσας στην εξίσωση 8, για ορθή τάση σ ni, υπολογίζονται από τις σχέσεις: φ i = arctan AB σ i B 1 ( ( - σ ) ) c = τ - σ ni nin.tanφ i tmn σ MC cmi = 2. ci.cosφi 1 sinφ i Εξίσωση 11 Ακριβής συσχέτιση παραµέτρων Mohr-Coulomb και Hoek-Brown (a=0.5). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 144

145 Η περιβάλλουσα Hoek-Brown δύναται να σχεδιασθεί άµεσα στο επίπεδο σnτα (βλέπε ακόλουθο σχήµα), µε βάση τις παραµέτρους του κριτηρίου, στην περίπτωση που η παράµετρος a= ½. Η ακριβής σχέση είναι: τ N = ( cotφ - cosφ ) i i m. 8 b tanφ i = 1 2 π 1 4h.cos +.arcsinh h = 1+ ( m.σ + s) b 3. m nn 2 b τ τ f fn = ; σ ci σ ' nn ' σn = σ ci Εξίσωση 12 Σχήµα. Στιγµιαία συνοχή και γωνία τριβής. Παράδειγµα εκτίµησης παραµέτρων Mohr-Coulomb από τις παραµέτρους του. Hoek-Brown. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 145

146 Στον παρακάτω πίνακα δίνεται ένα φύλλο εργασίας εκτίµησης ισοδύναµων παραµέτρων του κριτηρίου Mohr-Coulomb, και των παραµέτρων A, B της εκθετικής προσέγγισης του κριτηρίου, για δεδοµένες τις παραµέτρους του κριτηρίου Hoek-Brown. Επίσης υπολογίζονται οι στιγµιαίες παράµετροι ci, φi για δεδοµένη ορθή τάση σ n. Στο ακόλουθο σχήµα σχεδιάζονται η περιβάλλουσα H-B του παραδείγµατος και µια προσεγγιστική περιβάλλουσα M-C στο επίπεδο σ 1 -σ 3. Ακολούθως στο επόµενο σχήµα σχεδιάζονται η περιβάλλουσα αστοχίας H-B και οι προσεγγιστικές M-C, καθώς και εκθετικές και εφαπτοµενικές περιβάλλουσες στο επίπεδο σ-τ. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 146

147 Πίνακας. Φύλλο εργασίας παραδείγµατος. Hoek-Brown και ισοδύναµο κριτήριο αστοχίας Mohr-Coulomb. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 147

148 Σχήµα. Περιβάλλουσα αστοχίας H-B και προσεγγιστική M-C. Σχήµα. Περιβάλλουσα αστοχίας H-B και προσεγγιστικές M-C, εκθετικές και εφαπτοµενικές. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 148

149 ιαγράµµατα εκτίµησης των παραµέτρων του κριτηρίου Mohr-Coulomb. Παρατηρούµε ότι η κάθε περιβάλλουσα στο χώρο σ 1Ν, σ 3Ν εξαρτάται µόνο από τις παραµέτρους GSI και m i. Εποµένως για κάθε ζεύγος τιµών GSI και m i, µε εφαρµογή της προηγούµενης τυποποιηµένης διαδικασίας προηγούµενης παραγράφου, υπολογίζεται µονοσήµαντα το ζεύγος τιµών c/σ ci και φ. Κατ αυτόν τον τρόπο, οι Hoek-Brown, κατασκεύασαν διαγράµµατα άµεσης εκτίµησης των παραµέτρων c/σ ci και φ, από τις γνωστές παραµέτρους GSI και mi. Στο επόµενο σχήµα δίνεται το διάγραµµα εκτίµησης της συνοχής και στο µεθεπόµενο σχήµα το διάγραµµα εκτίµησης της γωνίας τριβής, που αντιστοιχούν σε µία µέση προσαρµοσµένη ευθύγραµµη περιβάλλουσα στην καµπύλη περιβάλλουσα Hoek-Brown. Σχήµα. Συσχετισµός µεταξύ λόγου συνοχής προς αντοχή σε µονοαξονική θλίψη ακεραίου πετρώµατος c/σ ci και GSI για διαφορετικές τιµές m i. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 149

150 Σχήµα. Γωνία τριβής για διαφορετικές τιµές GSI και m i. ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΜΕΤΑ ΤΗ ΘΡΑΥΣΗ. Η συµπεριφορά του πετρώµατος µετά τη θραύση εξαρτάται πολύ σηµαντικά από την ψαθυρότητά του. Πολύ καλής ποιότητας πετρώµατα µετά τη θραύση τους χάνουν µεγάλο µέρος της αντοχής τους. Αντίθετα, µαλακά πετρώµατα αναµένεται να έχουν µία πλάστιµη µάλλον συµπεριφορά. Παραδείγµατα δίνονται από τους Hoek and Brown (1997), για: α. Ψαθυρή συµπεριφορά, ν = 0.2, α(διόγκωση) = φ /4 = 46 o /4, φ /φ f = 46 o /38 o, c f = 0, E m /E fm = 42GPa/10GPa. β. Αποσκληρυνόµενο (χαλαρούµενο) πέτρωµα, ν = 0.25, α(διόγκωση) = φ /8 = 33 o /8, σ cm /σ fcm = 13/8, E m /E fm = 9GPa/5GPa. γ. Ελαστοπλαστικό πέτρωµα, ν = 0.3, α(διόγκωση) = 0 o, σ cm /σ fcm =1.7/1.7, E m /E fm =1.4GPa/1.4GPa. Στο ακόλουθο σχήµα φαίνεται η αναµενόµενη συµπεριφορά πετρωµάτων διαφόρων ποιοτήτων κατά την εξαίτησή τους σε δοκιµή θλίψης µε ελεγχόµενη παραµόρφωση. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 150

151 Σχήµα 12. Συµπεριφορά των πετρωµάτων µετά τη θραύση. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 151

152 ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΕΞΑΣΚΗΣΗΣ. Συµπαγές ασθενές πέτρωµα. Συνεκτικό λατυποπαγές µε ελάχιστες ασυνέχειες. σ ci = 51 MPa m i = 16.3 GSI = 75 Υπολογίστε τα γενικά c και φ. Συµπαγές ισχυρό πέτρωµα. Συµπαγής γνεύσιος µε πολύ λίγες διακλάσεις σ ci = 110 MPa m i = 17.7 GSI = 75 Υπολογίστε τα γενικά c και φ. Μέτριας ποιότητας βραχοµάζα. Μαρµαρυγιακός χαλαζιακός σχιστόλιθος, διακλασµένος σ ci = 30 MPa m i = 15.6 GSI = 65 Υπολογίστε τα γενικά c και φ. Πτωχής ποιότητας βραχοµάζα σε µικρό βάθος. Αποσαθρωµένος αθηναϊκός σχιστόλιθος σ ci = 5 MPa m i = 9.6 GSI = 20 Υπολογίστε τα γενικά c και φ. Πτωχής ποιότητας βραχοµάζα σε υψηλό εντατικό πεδίο. Γραφιτικοί φυλλίτες σ ci = 15 MPa m i = 10 GSI = 24 Υπολογίστε τα γενικά c και φ. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 152

153 Ανάλυση των χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων του υλικού πετρώµατος και της βραχοµάζας του. Στην συνέχεια αναλύονται τα χαρακτηριστικά και οι ιδιοτήτες τόσο του υλικού πετρώµατος όσο και της βραχοµάζας του που θα πρέπει να εξετάζονται για να εξασφαλίζεται ότι το φράγµα θα είναι µακροπρόθεσµα ευσταθές και ότι ο ταµιευτήρας του θα είναι επαρκώς υδατοστεγής Αντοχή σε θλίψη. Γενικά το θλιπτικό φορτίο που εξασκείται από ένα φράγµα προς την θεµελίωσή του δεν αναµένεται να υπερβαίνει τα 10 MPa. Η θλιπτική αντοχή ενός υλικού πετρώµατος εξαρτάται από: Την ποιότητα του υλικού πετρώµατος, Τον βαθµό αποσάθρωσής του, και Την παρουσία µικρορωγµών. Η θλιπτική αντοχή µιας βραχοµάζας εξαρτάται κυρίως από: Τον αριθµό των οµάδων ή των οικογενειών των διακλάσεων ή των ασυνεχειών της βραχοµάζας, Την φύση και την σύσταση του υλικού πλήρωσης των διακλάσεων ή των ασυνεχειών της βραχοµάζας, Την ύπαρξη ή µη άµεσης επαφής υλικού πετρώµατος προς υλικού πετρώµατος κατά µήκος των διακλάσεων ή των ασυνεχειών της βραχοµάζας, και Την επιπεδότητα και το µήκος ανάπτυξης των διακλάσεων ή των ασυνεχειών της βραχοµάζας καθώς και των ραφών και της σχιστότητας εάν υφίσταται τέτοια. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 153

154 Πίνακας Χαρακτηριστικές τιµές της αντοχής σε ανεµπόδιστη (ή µονοαξονική) θλίψη (U.C.S.) διαφόρων πετρωµάτων. Τύπος πετρώµατος Αντοχή σε ανεµπόδιστη (ή µονοαξονική) θλίψη (U.C.S.) σε MPa Ιλυόλιθος Γραουβάκης Φυλλίτης Ψαµµίτης Ασβεστόλιθος ολοµίτης Γρανίτης Βασάλτης ολερίτης Γνεύσιος Επειδή η δοκιµή προσδιορισµού της αντοχής σε ανεµπόδιστη θλίψη είναι πολύ σηµαντική για όλες σχεδόν τις µελέτες τεχνικών έργων δίδεται στην συνέχεια η αναλυτική περιγραφή και οι προδιαγραφές εκτέλεσής της Περιγραφή και προδιαγραφές εκτέλεσης της δοκιµής για τον προσδιορισµό της αντοχής πετρώµατος σε ανεµπόδιστη (µονοαξονική) θλίψη. Για τον προσδιορισµό της αντοχής αυτής εκτελούνται δοκιµές σε παραλληλεπίπεδα ή κυλινδρικά δοκίµια χρησιµοποιώντας µια συσκευή µονοαξονικής θλίψης (πρέσσα) τύπου: STRASSENTEST ικανότητας ΚΝ ή άλλου αντίστοιχου τύπου, φέρουσα αρθρωτή πλάκα φόρτισης στο πάνω µέρος. Η διαδικασία της δοκιµής καθώς και η προετοιµασία των δοκιµίων εκτελείτε σύµφωνα µε την προτεινόµενη µέθοδο της: INTERNATIONAL SOCIETY FOR ROCK MECHANICS: SUGGESTED METHODS (E.T. BROWN, 1981), καθώς και Ε παρ. 4 των Ελληνικών προδιαγραφών. Τα δοκίµια θα πρέπει να έχουν παραλληλεπίπεδο ή κυλινδρικό σχήµα. Η κοπή και προετοιµασία των δοκιµίων θα πρέπει να γίνεται µε προσοχή ώστε να εξασφαλιστεί η οµοιόµορφη κατανοµή του θλιπτικού φορτίου. Πριν υποβληθούν τα δοκίµια σε θραύση θα πρέπει να γίνεται λεπτοµερής µακροσκοπική εξέταση ώστε να απορριφθούν τα δοκίµια εκείνα που παρουσιάζουν ψεγάδια, όπως π.χ. µικρορωγµές, ραγίσµατα, φλέβες, ραφές κ.α., τα οποία, ως γνωστό, επηρεάζουν τα αποτελέσµατα της αντοχής του υλικού του πετρώµατος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 154

155 Ο άξονας φορτίσεως των δοκιµασθέντων κυλίνδρων, θα πρέπει να είναι σχεδόν κάθετος στα επίπεδα ανισοτροπίας του πετρώµατος, όπως π.χ. επίπεδα στρώσης ή σχιστότητας. Τα δοκίµια δοκιµάζονται είτε σε κατάσταση φυσικής υγρασίας είτε σε κατάσταση πλήρους υδατοκορεσµού είτε σε κατάσταση πλήρως αποξηραµένα. Τα δοκίµια αυτά υποβάλονται σε θλιπτικά φορτία µε οµοιόµορφο και σταθερό ρυθµό τέτοιο ώστε να προκληθεί θραύση του κάθε δοκιµίου σε χρόνο 5 έως 10 λεπτών. Ο ρυθµός επιβολής του φορτίου αυτού επηρεάζει σηµαντικά, ως γνωστό, την αντοχή του πετρώµατος σε θλίψη (βλ. C. JAEGER, 1972). Σχήµα. ιάταξη δοκιµής κυλινδρικού δοκιµίου (Από εργαστήριο Τσουτρέλη). Επίσης, τα αποτελέσµατα επηρεάζονται, ως γνωστόν, (σύµφωνα µε τους Obert, Duvall (1967), Szlavin (1974) και Jaeger, Cook (1971), από το λόγο του ύψους προς την διάµετρο του δοκιµίου (L/D) ο οποίος πρέπει να είναι 2 : 1. Σε κάθε περίπτωση λοιπόν θα πρέπει να γίνεται η σχετική αναγωγή χρησιµοποιώντας την εξίσωση διόρθωσης του Szlavin (1974): σ c = σ x / [0.304 x (D/L) ] «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 155

156 όπου: σc = η ανηγµένη αντοχή σε ανεµπόδιστη θλίψη σx = η προσδιορισµένη αντοχή σε ανεµπόδιστη θλίψη από τη δοκιµή D = διάµετρος του δοκιµίου, και L = ύψος του δοκιµίου. Επίσης, επειδή η αντοχή επηρεάζεται και από το βαθµό οµαλότητας και στιλπνότητας, τόσο των επιφανειών των πλακών φόρτισης, όσο και των επιφανειών των πυρήνων, θα πρέπει να δίδεται προσοχή ώστε ο επηρεασµός αυτός να είναι ο µικρότερος δυνατός. Τα αποτελέσµατα της αντοχής σε µονοαξονική θλίψη που εκτελούνται στα σε δοκίµια των εξεταζόµενων πετρωµάτων θα πρέπει να δίνονται σε συγκεντρωτικό πίνακα, όπως στο ακόλουθο πίνακα ενός τυχαίου παραδείγµατος. Από τη ιεθνή Ένωση Τεχνικής Γεωλογίας (I.A.E.G.) έχει προταθεί µία κλίµακα αντοχής (βλέπε σχετικό πίνακα), που βασίζεται στη δοκιµή αντοχής σε µονοαξονική θλίψη, χρησιµοποιώντας προσεκτικά προετοιµασµένους πυρήνες ή κύβους πετρώµατος. Έτσι η ταξινόµηση της αντοχής των πετρωµάτων ανάλογα µε τα αποτελέσµατα της δοκιµής αντοχής σε µονοαξονική θλίψη (U.C.S.) δίνονται στον πίνακα αυτό. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 156

157 ΕΡΓΟ: ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ & Ε ΑΦΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΣΦΑΛΟΥΣ ΚΑΙ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗΣ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗΣ ΕΝΟΣ ΦΡΑΓΜΑΤΟΣ. Πίνακας. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΟΚΙΜΩΝ ΑΝΕΜΠΟ ΙΣΤΗΣ ΘΛΙΨΗΣ ΒΡΑΧΟΥ. ΓΕΩ- ΤΡΗΣΗ ΕΙΓ- ΜΑ ΒΑΘΟΣ (m) ΑΠΟ ΕΩΣ ΙΑΜΕΤΡΟΣ ΟΚΙΜΙΟΥ D (m) ΥΨΟΣ ΟΚΙΜΙΟΥ Η (m) ΒΑΡΟΣ ΟΚΙΜΙΟΥ (gr) ΦΑΙΝΟ- ΜΕΝΟ ΒΑΡΟΣ (kn/m 3 ) ΦΟΡΤΙΟ ΘΡΑΥΣΗΣ (KN) ΤΑΣΗ ΘΡΑΥΣΗΣ (KPa) ΜΕΤΡΟ ΕΛΑΣΤΙΚΟ- ΤΗΤΟΣ (MPa) Γ Γ «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 157

158 Πίνακας. Ταξινόµηση των πετρωµάτων ανάλογα µε την αντοχή τους σε µονοαξονική θλίψη (κατά I.A.E.G.) ΟΡΟΣ Αντοχή σε µονοαξονική θλίψη (MN/m 2 ) Πολύ ασθενή < 1,25 Ασθενή 1,25-5 Μέτρια ασθενή 5-12,5 Μέτρια ισχυρά 12,5-50 Ισχυρά Πολύ ισχυρά Εξαιρετικά ισχυρά > Μετά από παρατήρηση των αποτελεσµάτων της αντοχής σε µονοαξονική θλίψη των δοκιµίων των εξεταζόµενων κάθε φορά πετρωµάτων όπως αυτά φαίνονται σε παραπάνω συγκεντρωτικό πίνακα, καθώς και του πίνακα ταξινόµησης της αντοχής των πετρωµάτων ανάλογα µε τα αποτελέσµατα της δοκιµής αντοχής σε µονοαξονική θλίψη (U.C.S.), διαπιστώνεται εάν το κάθε εξεταζόµενο πέτρωµα κατατάσσεται στα ισχυρά ή στα ασθενή ή σε άλλης κατηγορίας, ανάλογα µε τον παραπάνω πίνακα, πετρώµατα Αντοχή σε σηµειακή φόρτιση. Επίσης επειδή και η δοκιµή προσδιορισµού της αντοχής σε σηµειακή φόρτιση είναι πολύ σηµαντική για όλες σχεδόν τις µελέτες τεχνικών έργων δίδεται στην συνέχεια η αναλυτική περιγραφή και οι προδιαγραφές εκτέλεσής της Περιγραφή και προδιαγραφές εκτέλεσης της δοκιµής για τον προσδιορισµό της αντοχής πετρώµατος σε σηµειακή φόρτιση. Μία συσκευή σηµειακής φόρτισης κατασκευασµένη σύµφωνα µε τον αρχικό σχεδιασµό και προτεινόµενες προδιαγραφές των Franklin και Broch (1972) θα πρέπει να χρησιµοποιείται στην σχετική αυτή έρευνα. Η δοκιµή αυτή προτείνεται σαν µία πρότυπη δοκιµή για την ταξινόµηση της αντοχής των υλικών των πετρωµάτων και ως εκ τούτου σαν υποκατάστατο ή και συµπλήρωµα της δοκιµής σε ανεµπόδιστη (µονοαξονική) θλίψη που συνήθως χρησιµοποιείται για αυτό το σκοπό. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 158

159 Εικόνα. Φορητός εξοπλισµός για τον προσδιορισµό αντοχής σε σηµειακή φόρτιση. Τα πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα και των δύο αυτών τύπων των δοκιµών δίνονται και συγκρίνονται σε δηµοσιευµένο άρθρο του Bieniawski οκίµια από κάθε τύπο πετρώµατος, θα πρέπει να δοκιµάζονται είτε σε κατάσταση φυσικής υγρασίας είτε σε κατάσταση πλήρους υδατοκορεσµού είτε σε κατάσταση πλήρως αποξηραµένα. Για τη µείωση στο ελάχιστο των επιδράσεων του µεγέθους των δοκιµίων, οι δοκιµές θα πρέπει να εκτελούνται σε κοµµάτια διαστάσεων περίπου 40 mm και να έχουν λόγους µεγαλύτερης προς µικρότερης διάστασης περίπου 1.0 έως 1.7 (Broch και Franklin 1972, Bieniawski 1975). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 159

160 Σχήµα. Συσκευή δοκιµής σηµειακής φόρτισης. Για την πρότυπη ταξινόµηση χρησιµοποιείται ο ανηγµένος δείκτης αντοχής σε σηµειακή φόρτιση, Is(50) ο οποίος προέκυψε από τον Is διορθώνοντας αυτή τη τιµή προς την πρότυπη διάµετρο αναφοράς των 50 mm χρησιµοποιώντας το νοµόγραµµα διόρθωσης που παρατίθεται στην συνέχεια. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 160

161 «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ»

162 Μία ταξινόµηση της αντοχής των πετρωµάτων ανάλογα µε τα αποτελέσµατα του δείκτη αντοχής σε σηµειακή φόρτιση (I s(50) ) δίνονται στον ακόλουθο πίνακα. Πίνακας. Ταξινόµηση των πετρωµάτων ανάλογα µε την αντοχή τους. (κατά Franklin - Broch, 1972) ΟΡΟΣ ΕΙΚΤΗΣ ΑΝΤΟΧΗΣ ΣΕ ΣΗΜΕΙΑΚΗ ΦΟΡΤΗΣΗ (ΜΝ/m 2 ) Εξαιρετικά ασθενή < 0.03 Πολύ ασθενή Ασθενή Μέτρια ισχυρά Ισχυρά 1-3 Πολύ ισχυρά 3-10 Εξαιρετικά ισχυρά > Τα αποτελέσµατα όλων των δοκιµών αντοχής πετρώµατος σε σηµειακή φόρτιση που εκτελούνται στα σε δοκίµια των εξεταζόµενων πετρωµάτων θα πρέπει να δίνονται σε συγκεντρωτικό πίνακα, όπως στο ακόλουθο πίνακα ενός τυχαίου παραδείγµατος. Όλες οι τιµές της αντοχής στον πίνακα είναι σε ΜΝ/m 2. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ»

163 ΓΕΩ- ΤΡΗΣΗ Α.Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕ ΟΝΙΑΣ - Τµήµα Μηχανικών Περιβάλλοντος & Μηχανικών Αντιρρύπανσης ΕΡΓΟ: ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ & Ε ΑΦΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΣΦΑΛΟΥΣ ΚΑΙ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗΣ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗΣ ΕΝΟΣ ΦΡΑΓΜΑΤΟΣ. Πίνακας. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΟΚΙΜΩΝ ΣΗΜΕΙΑΚΗΣ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΟΚΙΜΙΩΝ ΒΡΑΧΟΥ ΣΤΗ ΓΕΩΤΡΗΣΗ Γ-1. ΕΙΓ ΜΑ ΒΑΘΟΣ (m) ΤΥΠΟΣ ΟΚΙ- ΜΗΣ ΑΠΟΣΤΑΣΗ ΑΙΧΜΩΝ D (mm) XAPAKTHP. ΙΑΣΤΑΣΗ L (mm) ΙΣΟ ΥΝΑΜΗ ΙΑΣΤΑΣΗ De (mm) ΦΟΡΤΙΟ ΘΡΑΥΣΕΩΣ F (kn) ΕΙΚΤΗΣ Is = F/De2 (MPa) ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΙΟΡΘΩΣΕΩΣ ΑΝΗΓΜΕΝΟΣ ΕΙΚΤΗΣ ls(50) (MPa) ΕΙΚΤΗΣ ΑΝΙΣΟΤΡΟΠΙΑΣ la >= 1 ΑΠΟ ΕΩΣ Γ a d a d a d a d «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ»

164 Όταν ο Bieniawski το 1975 προσπάθησε να συσχετίσει τις αντοχές των πετρωµάτων όπως προκύπτουν τόσο µε τη δοκιµή σηµειακής φόρτισης όσο και µε τη µονοαξονική θλίψη, πρότεινε ένα παράγοντα µετατροπής ίσο µε 24 για την εξίσωση: U.C.S. = 24 x Is(50). Έρευνα όµως που εκτελέσθηκε από τον ρ. Κ. Σαχπάζη (1983, 1986), στο Πανεπιστήµιο Newcastle Upon Tyne, U.K. και στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, εισηγείται ένα µέσο παράγοντα µετατροπής ίσο µε 44, σχεδόν διπλάσιο του Bieniawski, προσδιορίζοντας τον κίνδυνο της αντικατάστασης της δοκιµής U.C.S. µε την δοκιµή σε σηµειακή φόρτιση, σαν µια αξιόπιστη δοκιµή "σχεδιασµού" και ότι η δοκιµή σε σηµειακή φόρτιση θα πρέπει να εκτελείται µόνο σαν προκαταρκτική δοκιµή "δείκτη". Παρόλαυτα όµως, η δοκιµή δείχνει καθαρά την σχετική αντοχή µεταξύ των εξεταζόµενων πετρωµάτων. Μετά από παρατήρηση των αποτελεσµάτων της αντοχής σε σηµειακή φόρτιση των δοκιµίων των εξεταζόµενων πετρωµάτων όπως αυτά φαίνονται στον παραπάνω συγκεντρωτικό πίνακα, καθώς και του πίνακα ταξινόµησης της αντοχής των πετρωµάτων ανάλογα µε τα αποτελέσµατα της δοκιµής αντοχής σε σηµειακή φόρτιση (Is(50)), διαπιστώνεται εάν το κάθε εξεταζόµενο πέτρωµα κατατάσσεται στα ισχυρά ή στα ασθενή ή σε άλλης κατηγορίας, ανάλογα µε τον παραπάνω πίνακα, πετρώµατα. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 164

165 ιατµητική αντοχή. Η µέγιστη τιµή της γωνίας εσωτερικής τριβής για ένα υγιές πέτρωµα µπορεί να είναι έως και 55. Πίνακας Χαρακτηριστικές τιµές της γωνίας εσωτερικής τριβής διαφόρων πετρωµάτων. Τύπος πετρώµατος Εφαπτοµένη της γωνίας εσωτερικής τριβής Ηφαιστειακός τόφφος 0,9 Βιωτιτικός Σχιστόλιθος 0,5 Ασβεστόλιθος 0,6 Ασβεστόλιθος (µεσοκρυσταλλώδης) 0,5 Γρανίτης (Αποσαθρωµένος) 0,8 Η διατµητική αντοχή µιας βραχοµάζας µπορεί να επηρεαστεί σοβαρά από τον βαθµό κορεσµού, δεδοµένου ότι τόσο η συνοχή όσο και η γωνία εσωτερικής τριβής των πετρωµάτων αλλά και των εδαφών µειώνονται όσο ο βαθµός κορεσµού τους αυξάνει Ελαστικότητα του υλικού πετρώµατος. εν είναι σωστό να ταξινοµούνται τα πετρώµατα µόνο µε βάση τις ελαστικές σταθερές τους, δεδοµένου ότι πολλοί πετρώµατα είναι µηελαστικά. Η ελαστικότητα αναφέρεται στην ιδιότητα της αντιστρεψιµότητας της παραµόρφωσης που υπόκειται ένα πέτρωµα όταν υποβάλλεται σε µία φόρτιση. Πολλά υγιή και σκληρά πετρώµατα παρουσιάζονται ως ελαστικά υλικά µε ελαστική δηλαδή συµπεριφορά όταν εξετάζεται ένα δείγµα τους στο εργαστήριο. Όµως στην πραγµατική κλίµακα (επιτόπου στην ύπαιθρο) τα πετρώµατα µπορεί να περιέχουν διακλάσεις, ρωγµές, σχισµές, ρήγµατα, επίπεδα στρώσης, επαφές, ζώνες εξαλλοιωµένου και αποσαθρωµένου πετρώµατος και αρκετή ποσότητα αργιλικών υλικών που παρουσιάζει σχεδόν µόνο πλαστικές ιδιότητες και συµπεριφορά. Εποµένως, τα περισσότερα πετρώµατα δεν συµπεριφέρονται ως τέλεια ελαστικά. Ο βαθµός της µη επανορθώσιµης παραµόρφωσης σε ανταπόκριση της κυκλικής (επαναλαµβανόµενης) φόρτισης µπορεί να είναι µία σηµαντική παράµετρος για τον σχεδιασµό ενός φράγµατος και µπορεί να προσδιοριστεί από την κλίση της καµπύλης φορτίου/παραµόρφωσης. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 165

166 Σχήµα ιάγραµµα ή πορεία της καµπύλης φορτίου/παραµόρφωσης σε ένα τοξωτό φράγµα. Για παράδειγµα, καθώς το νερό στον ταµιευτήρα πίσω από το τοξωτό φράγµα ανεβαίνει, η βραχοµάζα κάτω από την θεµελίωση του τόξου από σκυρόδεµα αποκρίνεται σύµφωνα µε την πορεία της καµπύλης 1. Η κοίλη ανοδική κυρτότητα αυτής της καµπύλης ή πορείας φορτίου/ παραµόρφωσης είναι χαρακτηριστική για µία κερµατισµένη ή διακλασµένη βραχοµάζα κατά την πρώτη της φόρτιση επειδή οι διακλάσεις ή τα «σπασίµατα» κλείνουν και «σκληραίνουν» στα χαµηλά φορτία. Όταν η στάθµη του νερού στον ταµιευτήρα χαµηλώνει, η βραχοµάζα αποφορτίζετε σύµφωνα µε την πορεία της καµπύλης 2, µε µια µόνιµη παραµόρφωση ή εκτροπή. Το σώµα του φράγµατος από σκυρόδεµα θα προσπαθήσει να παρακολουθήσει τη φόρτιση, αλλά δεδοµένου ότι συνήθως είναι ελαστικότερο από την βραχοµάζα, θα «αποµακρυνθεί» από την βραχοµάζα κατά την αποφόρτιση. Το γεγονός αυτό θα µπορούσε να ανοίξει τις διακλάσεις και τις ασυνέχειες γενικότερα στην βραχοµάζα ή την επαφή βραχοµάζας - σκυροδέµατος ή απλά να µειώσει τη θλιπτική τάση που εφαρµόζεται από την ανωδοµή του φράγµατος προς την βραχοµάζα που θεµελιώνεται. Οι επαναλαµβανόµενοι κύκλοι της φόρτισης και της αποφόρτισης σε ανταπόκριση της κυκλικής λειτουργίας του ταµιευτήρα (γέµισµα-άδειασµα) θα µπορούσαν να παράγουν µία σειρά βρόχων «υστέρησης». Μερικές περιοχές έχουν θεωρηθεί µη αποδεκτές για κατασκευή φραγµάτων από σκυρόδεµα λόγω της µεγάλης υστέρησης που παρουσιάζουν, ακόµα κι όταν το µέτρο ελαστικότητας της ίδιας της βραχοµάζας θεωρείται λογικά επαρκές. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 166

167 Πίνακας Χαρακτηριστικές τιµές του µέτρου ελαστικότητας διαφόρων πετρωµάτων. Τύπος πετρώµατος Μέτρο ελαστικότητας - (MPa x 1000) Ασβεστόλιθος 3-27 ολοµίτης 7-15 Ασβεστόλιθος (πολύ σκληρός) 70 Ψαµµίτης Χαλαζιακός Ψαµµίτης Γραουβάκης Ιλυόλιθος 3-14 Λεπτόκοκκος Γνεύσιος 9-13 Χονδρόκοκκος Γνεύσιος Μαρµαρυγιακός Σχιστόλιθος 21 Βιωτιτικός Σχιστόλιθος 40 Γρανιτικός Σχιστόλιθος 10 Χαλαζιακός Σχιστόλιθος 14 Γρανίτης - πολύ εξαλλοιωµένος 2 Γρανίτης - ελαφρώς εξαλλοιωµένος Γρανίτης - υγιής Μαρµαρυγιακός Χαλαζίτης 28 Χαλαζίτης - υγιής ολερίτης Βασάλτης 50 Ανδεσίτης Αµφιβολίτης 90 Οι µεγάλες διακυµάνσεις στις παραπάνω αναφερόµενες τιµές υπογραµµίζουν την ανάγκη για εκτέλεση επί τόπου - υπαίθριων δοκιµών Παραµορφωσιµότητα υλικού πετρώµατος και βραχοµάζας. Το µέτρο ελαστικότητας ενός υλικού πετρώµατος είναι υπό κανονικές συνθήκες συνήθως επαρκές, αλλά λόγω της ύπαρξης των ασυνεχειών της βραχοµάζας, όπως διακλάσεις, ρωγµές, ραφές, κλπ, οι οποίες είναι µερικές φορές ανοικτές ή και πληρωµένες πολλές φορές µε προϊόντα «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 167

168 αποσάθρωσης και αποσύνθεσης, το µέτρο ελαστικότητας της βραχοµάζας στο σύνολό της µπορεί να είναι ανεπαρκής. Η ικανότητα µιας βραχοµάζας να παραµορφώνεται κάτω από τα εφαρµοζόµενα φορτία ή σε απόκριση της αποφόρτισης στην εκσκαφή είναι γνωστή ως παραµορφωσιµότητα. Οι µετατοπίσεις ή παραµορφώσεις που πιθανώς παρουσιάζονται σε µία βραχοµάζα αφορούν πάντα τους µηχανικούς που µελετούν και σχεδιάζουν ένα φράγµα, ακόµα και όταν υπάρχει µόνο µικρός κίνδυνος αστοχίας της βραχοµάζας, επειδή κάποιες σηµαντικές µετατοπίσεις ή παραµορφώσεις της βραχοµάζας µπορούν να αυξήσουν σηµαντικά τις τάσεις µέσα στις κατασκευές και να την φέρουν σε µία δυσµενή εντατική κατάσταση. Για παράδειγµα, ένα σώµα φράγµατος που θεµελιώνεται επάνω σε διαφορετικούς τύπους πετρωµάτων µε διαφορετικές ιδιότητες παραµορφωσιµότητας θα αναπτύξει εντός της µάζας του υψηλές διατµητικές και διαγώνιες εφελκυστικές τάσεις λόγω των άνισων ή διαφορικών εκτροπών ή παραµορφώσεων ή καθιζήσεων της θεµελίωσής του. Οι εκτροπές ή παραµορφώσεις ή καθιζήσεις της θεµελίωσης του φράγµατος µπορούν να αντιµετωπιστούν ικανοποιητικά εάν α) το φράγµα κατασκευαστεί σωστά, β) οι ιδιότητες της κάθε βραχοµάζας κάτω από την θεµελίωση και τα αντερείσµατα του φράγµατος είναι γνωστές, και γ) η διακύµανση των ιδιοτήτων της κάθε βραχοµάζας κάτω από την θεµελίωση και τα αντερείσµατα του φράγµατος έχουν προσδιοριστεί µε καλή ακρίβεια Αποσάθρωση της βραχοµάζας Κατάσταση αποσάθρωσης. Η κατάσταση της αποσάθρωσης της βραχοµάζας ενός πετρώµατος εξαρτάται από έξι κυρίως παράγοντες: α. οµή και τύπος του µητρικού πετρώµατος. β. Υδρογεωλογική δίαιτα. γ. Κλίµα. δ. Χρόνος επίδρασης των αποσαθρωτικών παραγόντων. ε. Μορφολογία εδάφους. στ. Ζωικοί και φυτικοί οργανισµοί. Ο συνδυασµός των έξι αυτών παραγόντων έχει δώσει τη σηµερινή κατάσταση αποσάθρωσης και τη διαφοροποίηση του βαθµού της µετά του βάθους (προφίλ αποσάθρωσης). Ο βαθµός αποσάθρωσης πρέπει να ελέγχεται πάντα σε πρόσφατες τοµές π.χ. σε σχετικά νεοσχηµατισµένες φυσικές κλιτείς, σε πρόσφατα τεχνητά πρανή οδοποιίας, σε τοιχώµατα ερευνητικών φρεάτων, τάφρων, σηράγγων και σε πυρήνες δειγµατοληπτικών γεωτρήσεων. Η επιτροπή τεχνικογεωλογικής χαρτογράφησης της I.A.E.G. (1971) προτείνει τη χρήση «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 168

169 του περιγραφικού σχήµατος του παρακάτω πίνακα για την αξιολόγηση και βαθµονόµηση της κατάστασης της αποσάθρωσης της βραχοµάζας. Πίνακας. Κατάταξη βραχοµάζας ανάλογα µε το βαθµό αποσάθρωσης κατά την Ι.Α.E.G.. Όρος Συµβολισµός ιαγνωστικά χαρακτηριστικά Έδαφος WVI Το «πέτρωµα» είναι αποχρωµατισµένο και έχει µετατραπεί σε έδαφος. Ο αρχικός ιστός του έχει τελείως καταστραφεί. Υπάρχει µεγάλη µεταβολή στον όγκο. Το «πέτρωµα» είναι αποχρωµατισµένο, έχει µετατραπεί Ολοκληρωτικά σε έδαφος αλλά ο αρχικός ιστός δεν έχει τελείως WV αποσαθρωµένο καταστραφεί. Κατά θέσεις µπορεί να έχουν διατηρηθεί µικροί πυρήνες πετρώµατος. Έντονα αποσαθρωµένο Μέτρια αποσαθρωµένο Ελαφρά αποσαθρωµένο Υγιές WIV WIII WII WI Το πέτρωµα είναι αποχρωµατισµένο, οι ασυνέχειες µπορεί να είναι ανοιχτές και να έχουν αποχρωµατισµένα τοιχώµατα. Ο αρχικός ιστός µπορεί στις ασυνέχειες να είναι εξαλλοιωµένος. Η εξαλλοίωση διεισδύει βαθιά στο εσωτερικό, αλλά υπάρχουν ακόµη πυρήνες υγιούς πετρώµατος. (Ο λόγος του υγιούς πετρώµατος προς το αποσαθρωµένο θα πρέπει να υπολογίζεται όπου είναι δυνατό). Το πέτρωµα είναι αποχρωµατισµένο. Οι ασυνέχειες ίσως είναι ανοιχτές µε αποχρωµατισµένα τοιχώµατα. Η εξαλλοίωση έχει αρχίσει να διεισδύει στο εσωτερικό. Το «αδιατάρακτο» πέτρωµα είναι αρκετά ασθενέστερο από το υγιές πέτρωµα. (Ο λόγος του αρχικού υγιούς προς το αποσαθρωµένο πέτρωµα πρέπει να υπολογίζεται όπου είναι δυνατό). Το πέτρωµα ίσως είναι αποχρωµατισµένο, ιδιαίτερα δίπλα σε ασυνέχειες, οι οποίες πιθανόν να είναι ανοιχτές και να έχουν ελαφρά αποχρωµατισµένα τοιχώµατα. Το «αδιατάραχτο» πέτρωµα δεν είναι αισθητά ασθενέστερη από το υγιές. Το µητρικό πέτρωµα δε δείχνει σηµάδια αποχρωµατισµού, απώλεια αντοχής ή κάποια άλλη επίδραση αποσάθρωσης. Το πιο πάνω περιγραφικό σχήµα ταξινόµησης της αποσάθρωσης της βραχοµάζας ισχύει µόνο στην περίπτωση, που το µελετούµενο πέτρωµα περιέχει αρκετή ποσότητα µη ανθρακικών ορυκτών τα οποία θα αφήσουν κάποιο µη διαλυτό αποσαθρωµένο υπόλειµµα. Εάν όµως το πέτρωµα είναι αµιγές ανθρακικό µε αρκετή περιεκτικότητα σε ανθρακικά ορυκτά, τότε το πιο πάνω σύστηµα ταξινόµησης είναι ανεφάρµοστο. Στην περίπτωση αυτή θα πρέπει να χρησιµοποιείται ένα άλλο σύστηµα ταξινόµησης όπως αυτό που ισχύει για την αποσάθρωση από διάλυση και έχει προταθεί από τον W.R. Dearman (1974) και παρουσιάζεται στην συνέχεια. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 169

170 Πίνακας. Αποσάθρωση ανθρακικών πετρωµάτων λόγω διάλυσης (κατά W. R, Dearman 1974). Όρος Συµβολισµός ιαγνωστικά χαρακτηριστικά Υγιές WI 100% πέτρωµα, χωρίς ή µε κλειστές ασυνεχείς. Ελαφρά διαλυµένο Μέτρια διαλυµένο Έντονα διαλυµένο SII SII SIV 100% πέτρωµα, µε επιφάνειες ασυνέχειας ανοικτές. Πολύ ελαφρά ίχνη διάλυσης (δακτυλογλειφές) επί των επιφανειών ασυνέχειας ίσως είναι εµφανή. Μέχρι 50% του πετρώµατος έχει αποµακρυνθεί λόγω διάλυσης. Μία µικρή ποσότητα υπολείµµατος ίσως βρίσκεται στα κενά. Η δοµή του πετρώµατος διατηρείται. Περισσότερο από 50% του πετρώµατος έχει αποµακρυνθεί λόγω διάλυσης. Μία µικρή ποσότητα υπολείµµατος βρίσκεται στα κενά. Η διάλυση των ανθρακικών πετρωµάτων εξαρτάται κυρίως από τους έξι, πιο πάνω αναφερθέντες, παράγοντες. Σε συµπαγή ανθρακικά πετρώµατα η διάλυση συγκεντρώνεται ιδιαίτερα κατά µήκος των κυρίων διακλάσεων και ρηγµάτων (ασυνεχειών). Σε λεπτοστρωµατώδη και διερρηγµένα ανθρακικά πετρώµατα η διάλυση είναι περισσότερο εξαπλωµένη (διάσπαρτη) αλλά ελέγχεται ακόµη από τις ανοιχτές ασυνέχειες. Τα υπάρχοντα καρστικά χαρακτηριστικά έχουν συνήθως σχηµατισθεί στη διάρκεια µεγάλων χρονικών περιόδων και είναι συνήθως γεωλογικά γηραιά. Αντιπροσωπεύονται από καταβόθρες, δοµές κατάρρευσης στην επιφάνεια, σπήλαια και µικρότερα ανοίγµατα κάτω από την επιφάνεια. Σε τέτοιες έντονα αποκαρστωµένες περιοχές δεν υπάρχει συνήθως επιφανειακό υδρογραφικό δίκτυο. Το υπολειµµατικό έδαφος που αναπτύσσεται πάνω στα ανθρακικά πετρώµατα αποτελεί µικρό µόνο ποσοστό της αρχικής µάζας και συνίσταται από τα αδιάλυτα συστατικά αυτών, που είναι κυρίως χαλαζίας, πυριτόλιθος, κερατόλιθος, οξείδια του σιδήρου, του αργιλίου και του µαγνησίου, καθώς και αργιλικά ορυκτά. Το υπολειµµατικό αυτό έδαφος είναι συνήθως αργιλικό (terra rossa) αλλά µερικές φορές µπορεί να είναι αµµώδες και χαλικώδες. Το πάχος του µπορεί να διαφέρει πάρα πολύ, ανάλογα µε την διάρκεια και ένταση των αποσαθρωτικών διεργασιών, καθώς και του ποσοστού των µη ανθρακικών αναµίξεων στα µητρικά πετρώµατα. Σε µερικές περιπτώσεις αργιλοµιγών ή πυριτολιθικών ασβεστόλιθων µπορεί να συσσωρευτεί υπολειµµατικό έδαφος πάχους µεγαλύτερου από 30 m, ενώ αµιγείς ασβεστόλιθοι σε ξηρές περιοχές είναι γυµνοί εδαφικού καλύµµατος (G.B. Sowres και G.F. Sowres 1970). Σε αντίθεση µε άλλους τύπους αποσάθρωσης, στα ανθρακικά πετρώµατα υπάρχει συνήθως µία αρκετά απότοµη µετάβαση από τον βράχο στο υπολειµµατικό έδαφος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 170

171 Η αποσάθρωση συναρτήσει του βάθους στα Ανθρακικά πετρώµατα. Ένα τυπικό και σύνηθες παράδειγµα της µετά του βάθους διαφοροποίησης του βαθµού αποσάθρωσης (προφίλ αποσάθρωσης) για τα ανθρακικά πετρώµατα, κατά τους D.U. Deere και F.D. Patton, δίδεται στο ακόλουθο σχήµα. Σ' αυτό διακρίνονται οι διάφορες βαθµίδες αποσάθρωσης, σύµφωνα µε το σύστηµα ταξινόµησης της I.A.E.G. (Anon. 1981). Το υγιές ανθρακικό πέτρωµα αντιστοιχεί στην κατηγορία WI, µε σταδιακή δε µεταβολή του πετρώµατος, φθάνουµε στην κατηγορία WVI που αποτελεί το υπολειµµατικό έδαφος. Σχήµα. Τυπικό προφίλ αποσάθρωσης των ανθρακικών πετρωµάτων (κατά D.U. DEERE και F. D. ΡΑΤΤΟΝ, 1971). Η ανώτατη χουµική εδαφική στοιβάδα υπέρκειται µιας ανώµαλης και πολλές φορές παχιάς ζώνης των κατηγοριών WV και WVI (ολοκληρωτικά αποσαθρωµένο πέτρωµα και υπολειµµατικό έδαφος). Οι ζώνες αυτές είναι δυνατό να υπέρκεινται µιας ποικιλόµορφης µεταβατικής ζώνης, η οποία αντιστοιχεί µεν µ' αυτή των κατηγοριών αποσάθρωσης WIV, WIII και WII των άλλων τύπων πετρωµάτων χωρίς όµως να ταυτίζεται µ' αυτές. Στη µεταβατική αυτή ζώνη των ανθρακικών πετρωµάτων µπορεί να υπάρχει µία ακραία ποικιλία εδαφικών υλικών ή και τίποτα. Αντίθετα προς τη µετά του βάθους διαφοροποίηση του βαθµού αποσάθρωσης άλλων διαφορετικού τύπου πετρωµάτων, όπου υπάρχει µία «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 171

172 ζώνη µετάβασης η οποία περιέχει όλες τις ενδιάµεσες κατηγορίες αποσαθρωµένου πετρώµατος, στα ανθρακικά πετρώµατα υπάρχει γενικά λίγο ή καθόλου υλικό ενδιάµεσης αντοχής, µεταξύ του υγιούς πετρώµατος και της επιφανειακής εδαφικής ζώνης. Για πρακτικούς σκοπούς η επαφή αυτή µπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελεί απότοµη µετάβαση. Σε µερικές εποµένως περιπτώσεις είναι δυνατόν µία γεώτρηση να περάσει απ' ευθείας από το υλικό κατηγορίας WVI σε υλικό κατηγορίας WI. Σε µερικές περιπτώσεις στην επαφή αργίλων - ασβεστόλιθου ο τελευταίος είναι µερικά αποσαθρωµένος σε πορώδη µορφή σαν κρητίδα. Είναι επίσης πιθανό να υπάρχει µία ανθρακική ιλύς (A.R. Clark και B.F. Walker, 1977). Μέσα στη µεταβατική ζώνη µπορεί να βρίσκονται βαθιές κοιλότητες διάλυσης (καταβόθρες κ.α.) που µπορεί να είναι µερικώς ή τελείως πληρωµένες µε αργίλους. Οι βαθιές αυτές κοιλότητες της αποσάθρωσης συχνά αναπτύσσονται κατά µήκος κυρίων διακλάσεων, ζωνών ρηγµάτων, επιπέδων στρώσης ή λιθολογικών ενοτήτων που είναι ιδιαίτερα επιρρεπείς στην αποσάθρωση. Κατόπιν των προαναφερθέντων µπορεί να πει κανείς συµπερασµατικά ότι τα ανθρακικά πετρώµατα παρουσιάζουν γενικώς ιδιόµορφη µετά του βάθους διαφοροποίηση του βαθµού αποσάθρωσης Η αποσάθρωση συναρτήσει του βάθους στα Πυριγενή και Μεταµορφωµένα Πετρώµατα. Ένα τυπικό και σύνηθες παράδειγµα της µετά του βάθους διαφοροποίησης του βαθµού αποσάθρωσης (προφίλ αποσάθρωσης) στα Πυριγενή πετρώµατα, δίδεται στο επόµενο σχήµα (κατά D.U. DEERE και F. D. ΡΑΤΤΟΝ, 1971). Αντίστοιχα, ένα τυπικό και σύνηθες παράδειγµα της µετά του βάθους διαφοροποίησης του βαθµού αποσάθρωσης (προφίλ αποσάθρωσης) στα Μεταµορφωµένα πετρώµατα, δίδεται στο µεθεπόµενο σχήµα (κατά D.U. DEERE και F. D. ΡΑΤΤΟΝ, 1971). Σ' αυτά διακρίνονται οι διάφορες βαθµίδες αποσάθρωσης, σύµφωνα µε το σύστηµα ταξινόµησης της I.A.E.G. (Anon. 1981). Το υγιές πέτρωµα αντιστοιχεί στην κατηγορία WI, µε σταδιακή δε µεταβολή του πετρώµατος, φθάνουµε στην κατηγορία WVI που αποτελεί το επιφανειακό υπολειµµατικό έδαφος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 172

173 Σχήµα. Τυπικό προφίλ αποσάθρωσης των Πυριγενών πετρωµάτων (κατά D.U. DEERE και F. D. ΡΑΤΤΟΝ, 1971). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 173

174 Σχήµα. Τυπικό προφίλ αποσάθρωσης των Μεταµορφωµένων πετρωµάτων (κατά D.U. DEERE και F. D. ΡΑΤΤΟΝ, 1971). Η ανώτατη χουµική εδαφική στοιβάδα υπέρκειται µιας ανώµαλης και πολλές φορές παχιάς ζώνης των κατηγοριών WV και WVI (ολοκληρωτικά αποσαθρωµένο πέτρωµα και υπολειµµατικό έδαφος). Οι ζώνες αυτές είναι «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 174

175 δυνατό να υπέρκεινται µιας ποικιλόµορφης και παχιάς µεταβατικής ζώνης, η οποία αντιστοιχεί µεν µ' αυτή των κατηγοριών αποσάθρωσης WIV, WIII και WII η οποία περιέχει όλες τις ενδιάµεσες κατηγορίες αποσαθρωµένου πετρώµατος Τεκτονικές πιέσεις. Το γεγονός ότι η βραχοµάζα µπορεί να βρίσκεται σε µια κατάσταση υψηλής εσωτερικής τεκτονικής πίεσης συχνά αγνοείται. Είναι σύνηθες φαινόµενο να υποτεθεί ότι υφίσταται ένα πεδίο κατακόρυφης πίεσης ή τάσης λόγω των φορτίων των υπερκείµενων πετρωµάτων. Η αντίστοιχη οριζόντια πίεση ή τάση ποικίλει ανάλογα µε τον τύπο του βραχώδους σχηµατισµού. Συχνά µια οριζόντια κύρια (πρωτεύουσα) τάση θα είναι ίση µε ή και θα υπερβαίνει την κατακόρυφη τάση, ενώ η άλλη οριζόντια τάση θα είναι πολύ χαµηλότερη, δηλώνοντας την ύπαρξη µεγάλων διατµητικών τάσεων. Οι οριζόντιες πιέσεις ή τάσεις του χωµάτινου φλοιού αυξάνουν µε το βάθος. Καθώς η εκσκαφή προχωρά και η φόρτιση στα στρώµατα µειώνεται, θα υπάρξουν ανοδικές αλλαγές στο οριζόντιο επίπεδο. Ως αποτέλεσµα της µείωσης του κατακόρυφου περιορισµού λόγω εκσκαφής τα στρώµατα δεν µπορούν πλέον να µεταφέρουν τις οριζόντιες δυνάµεις τους, αλλά κάµπτονται προς τα επάνω δηµιουργώντας συγχρόνως και οριζόντια ραγίσµατα. Αυτή η παραµόρφωση µειώνει το οριζόντιο φορτίο στο στρώµα έτσι ώστε τα υποκείµενα στρώµατα να τείνουν να παραλάβουν την οριζόντια τεκτονική πίεση ή τάση. Ως αποτέλεσµα τα στρώµατα υφίστανται µία διαταραχή στην ισορροπία τους έως και σε ιδιαίτερα βάθη. Εάν µε την παραπάνω διαδικασία προκληθούν οριζόντιες ρωγµές και διακλάσεις τότε µπορεί να εµφανιστεί διάβρωση µε αποτέλεσµα να µειωθεί η αντίσταση σε ολίσθηση. οκιµές θλιπτικής αντοχής Εργαστηριακές δοκιµές. Ανεµπόδιστη ή µονοαξονική θλίψη Τριαξονική θλίψη Αντοχή σε εφελκυσµό (θλίψη κατά γενέτειρα) (Βραζιλιανή δοκιµή) Κάµψη τεσσάρων σηµείων Άµεση ακτυλίου οκιµές διατµητικής αντοχής. Άµεση διάτµηση Τριαξονική διάτµηση «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 175

176 Επιτόπιες δοκιµές υπαίθρου ή πεδίου. Επιτόπιες δοκιµές διατµητικής αντοχής. Συνήθως πραγµατοποιούνται σε "αδιατάραχτα" δείγµατα στις στοές του φράγµατος. Η διαταραχή του δείγµατος θα πρέπει να περιορίζεται στο ελάχιστο καθώς το δείγµα προβάλει (εξέρχεται λόγω της περιµετρικής εκσκαφής) έξω από το µητρικό πέτρωµα. Το δείγµα στην συνέχεια προστατεύεται και φορτίζεται προς δύο κατευθύνσεις. Είναι σηµαντικό να ελεγχθεί ότι οι άξονες των γρύλων που χρησιµοποιούνται για την φόρτιση του δείγµατος περνούν µέσω του κέντρου της ζώνης της βραχοµάζας που δοκιµάζεται. Εφαρµόζεται στην συνέχεια ένα κάθετο στην επιφάνεια φόρτισης φορτίο και κρατιέται σταθερό έως ότου σταθεροποιηθούν οποιεσδήποτε µικροµετατωπίσεις ή µικροµετακινήσεις, και τότε εφαρµόζεται ένα εφαπτοµενικό προς την επιφάνεια φόρτισης φορτίο κατά στάδια ή βήµατα και µετριούνται οι µετατοπίσεις που προκαλούνται. Με την επανάληψη της διαδικασίας της δοκιµής αυτής µε διαφορετικά κάθετα στην επιφάνεια φόρτισης φορτία, µπορούν να προσδιοριστούν οι τιµές της συνοχής και της γωνίας τριβής της βραχοµάζας. Τεχνικές για την εκτέλεση των µετρήσεων. Υδραυλική θραύση (Hydraulic Fracturing) Μέθοδος επίπεδου γρύλου (Flat Jack Method) ιπλή πυρηνοληψία µε αποτόνωση των τάσεων (Overcoring). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 176

177 4.6. Χαρακτηριστικά της επιφάνειας των κοιλάδων. Τόσο η µορφή και το σχήµα µιας κοιλάδας ή δηλαδή τα τοπογραφικά και µορφολογικά της χαρακτηριστικά, όσο και η βραχοµάζα που την διαµορφώνει επηρεάζουν τον τύπο και τις διαστάσεις του φράγµατος που θα επιλεχθεί. Τύπος κοιλάδας. Αναλογία ή λόγος χορδής-ύψους φράγµατος. Φαράγγια Κάτω από 3 Στενές κοιλάδες 3-6 Ευρείες ή ανοιχτές κοιλάδες Επάνω από 6 ή 7 Σχήµα. Επίπεδες πεδιάδες - Η φωτογραφία του σχήµατος έχει ληφθεί από το βιβλίο: «Walter, R. C. S. (1962). Γεωλογία Φραγµάτων» Φράγµατα σε φαράγγια. Όταν η αναλογία ή ο λόγος της χορδής στην στέψη προς το ύψος ενός φράγµατος είναι κάτω από 3 και η βραχοµάζα είναι ισχυρή και υγιής ώστε να µπορεί να παραλαµβάνει υψηλές τάσεις ή πιέσεις, και δεν βρίσκεται σε θέση να αστοχεί σε διάτµηση, τότε τα τοξωτά φράγµατα µε λεπτό τόξο ή λεπτό θόλο θεωρούνται τα πιο επιτυχή και τα πιο οικονοµικά στην κατασκευή τους. Η προϋπόθεση µίας υγιούς και ισχυρής βραχοµάζας στην ζώνη θεµελίωσης του φράγµατος είναι ύψιστης σηµασίας για όλα τα τοξωτά ή θολωτά φράγµατα Φράγµατα σε στενές κοιλάδες. Οι στενές κοιλάδες έχουν µια αναλογία ή λόγο χορδής στην στέψη προς ύψους φράγµατος µεταξύ 3 και 6. Σε συνθήκες τέτοιων στενών κοιλάδων «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 177

178 τα τοξωτά φράγµατα βαρύτητας είναι τα καταλληλότερα για να κατασκευάζονται υπό την προϋπόθεση ότι οι βραχοµηχανικές ιδιότητες της βραχοµάζας θεµελίωσης είναι επαρκείς να παραλάβει τα φορτία που θα επιβληθούν χωρίς υψηλές παραµορφώσεις. Παράδειγµα: Το φράγµα Piave Di Cadore στην Ιταλία κατασκευάστηκε ως παχύ τοξωτό φράγµα µε µια αναλογία ή λόγο χορδής στην στέψη προς ύψους φράγµατος ίσο µε 5,5. Το πάχος του φράγµατος ήταν λιγότερο από το πάχος ενός κλασσικού φράγµατος βαρύτητας αλλά µεγαλύτερο από το πάχος ενός κλασσικού λεπτού τοξωτού ή θολωτού φράγµατος. Εάν η στενή κοιλάδα είναι πληρωµένη µε διαπερατά και συµπιεστά υλικά, όπως παραδείγµατος χάριν τα υλικά των Τεταρτογενών Ολοκαινικών Αλλουβιακών αποθέσεων ή τα προσχωσιγενή υλικά παγετώδους προέλευσης, ο υπεύθυνος µηχανικός µελέτης και σχεδιασµού του φράγµατος έχει δύο επιλογές: Είτε να αυξήσει το βάθος της εκσκαφής έως ότου συναντήσει το υποκείµενο στρώµα του υγιούς και συµπαγούς βραχώδους υποβάθρου, Είτε, εάν το πάχος των επιφανειακών διαπερατών και συµπιεστών υλικών είναι τέτοιο ώστε είναι οικονοµικά ασύµφορο να αφαιρεθούν τα υπερκείµενα αυτά υλικά, τότε η µόνη επιλογή που µπορεί να έχει είναι να ξανασχεδιάσει το φράγµα και να το προσαρµόσει σε έναν άλλο τύπο φράγµατος, όπως π.χ. τα χωµάτινα ή τα λιθόριπτα φράγµατα. Στο µέλλον όλο και περισσότερα παχιά τοξωτά φράγµατα µε ένα πάχος µικρότερο από το αυτό των φραγµάτων βαρύτητας θα κατασκευάζονται καθώς θα συγκεντρώνεται περισσότερη γνώση, εµπειρία και εµπιστοσύνη τους ακόλουθους τοµείς: Στην αξιοπιστία νέων προτύπων (µοντέλων) η οποία θα επιβεβαιώνει και θα υποκαθιστά ακόµη και τις µαθηµατικές αναλύσεις, και Στην εµπειρία της τεχνητής ενίσχυσης των ασθενών γεωλογικών σχηµατισµών θεµελίωσης ώστε να αυξάνεται η φέρουσα ικανότητά τους και να παραλαµβάνουν υψηλότερες τάσεις θεµελίωσης που πρόκειται να επιβληθούν από ένα τοξωτό φράγµα σε σύγκριση µε ένα κλασσικό φράγµα βαρύτητας Φράγµατα σε ευρείες ή ανοιχτές κοιλάδες. Οι ευρείες κοιλάδες µπορούν να καθοριστούν όπου η αναλογία ή ο λόγος της χορδής στην στέψη προς το ύψος ενός φράγµατος είναι επάνω από 6 ή 7. Σε µια ευρεία κοιλάδα µπορεί να κατασκευαστεί σχεδόν κάθε τύπος φράγµατος, εκτός από ένα είτε παχύ είτε λεπτό τοξωτό φράγµα. Οι πιο «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 178

179 σηµαντικοί παράγοντες σε µια ευρεία κοιλάδα που καθορίζουν τον τύπο του φράγµατος είναι: Οι γεωλογικές και οι γεωτεχνικές συνθήκες της περιοχής. Η διαθεσιµότητα και η εγγύτητα των υλικών από την οποία πρόκειται να κατασκευαστεί το φράγµα. Σε ευρείες κοιλάδες έχουν κατασκευαστεί πολλοί διαφορετικοί τύποι φραγµάτων, όπως περιγράφονται στην συνέχεια: Φράγµατα Βαρύτητας: Υπάρχουν πολλά παραδείγµατα φραγµάτων βαρύτητας από λιθοδοµή και από σκυρόδεµα που έχουν κατασκευαστεί σε ευρείες κοιλάδες, ειδικά όταν το στρώµα του βραχώδους υποβάθρου βρίσκεται κοντά στην επιφάνεια του εδάφους. Το παλαιότερο και µεγαλύτερο παράδειγµα στη Μεγάλη Βρετανία είναι το φράγµα Vyrnwy (από λιθοδοµή), το οποίο υδροδοτεί στην πόλη του Λίβερπουλ. Η αναλογία ή ο λόγος της χορδής στην στέψη προς το ύψος του φράγµατος είναι ίσος µε 7. Χωµάτινα Φράγµατα: Επειδή υπάρχουν πολλές ευρείες κοιλάδες στην Μεγάλη Βρετανία, υπάρχουν διάφορα παραδείγµατα χωµάτινων φραγµάτων. Αυτά τα φράγµατα είναι τα καταλληλότερα εάν την θεµελίωση τους δοµείται από µαλακά και συµπιεστά στρώµατα αποθέσεων, όπως είναι οι µαλακές άργιλοι. Λιθόριπτα Φράγµατα: Μία ευρεία κοιλάδα είναι πάντα κατάλληλη για όλες τις µορφές λιθόριπτων φραγµάτων. Αντηριδωτά Φράγµατα: Όταν τα εδάφη ή πετρώµατα θεµελίωσης είναι επαρκώς ισχυρά και ικανά να παραλάβουν χωρίς αστοχία ή απαγορευτικές καθιζήσεις τις τάσεις θεµελίωσης του φράγµατος καθώς και να αντισταθούν ικανοποιητικά στην ολίσθηση, ένα αντηριδωτό φράγµα µπορεί να επιλεχθεί σε µια ευρεία κοιλάδα µε επιτυχία από τεχνικοοικονοµική άποψη. Παράδειγµα: Στην Σκοτία, τα φράγµατα Errochty και Shira τοποθετούνται σε ευρείες κοιλάδες και έχουν αναλογίες ή λόγους χορδής στην στέψη προς ύψος φράγµατος ίσους µε 10 και 15 αντίστοιχα Φράγµατα σε επίπεδες πεδιάδες. Κανονικά, τα φράγµατα σχετίζονται µε τις κοιλάδες και δεν κατασκευάζονται σε ένα επίπεδο έδαφος στη µέση αµµωδών πεδιάδων. Εντούτοις, παραδείγµατα κατασκευής φραγµάτων σε πεδιάδες βρίσκονται στα κανάλια εκτροπής του Ροδανού ποταµού, όπου ο Ροδανός που εκτρέπεται στα κανάλια µε τη βοήθεια ελεγχόµενων θυροφραγµάτων µε πύλες ελέγχου. Αυτά τα κανάλια είναι περίπου 50 χιλιόµετρα σε µήκος και οδηγούν το νερό από το Ροδανό ποταµό σε κανονικά φράγµατα βαρύτητας, που κατασκευάστηκαν αρκετά χιλιόµετρα µακριά επάνω σε διαπερατά στρώµατα αλλουβιακών αποθέσεων. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 179

180 Άλλοι τύποι φραγµάτων που κατασκευάστηκαν σε επίπεδη πεδιάδα και που βεβαίως µπορούν να θεωρηθούν φράγµατα, είναι τα αναχώµατα των µεγάλων ταµιευτήρων του Μητροπολιτικού Συµβουλίου Νερού της Μεγάλης Βρετανίας, καθώς και οι µεγάλοι ταµιευτήρες στο Cheddar του Μπρίστολ. Υπάρχουν επίσης πολλές περιπτώσεις που θα µπορούσαν να θεωρηθούν φράγµατα, όπως είναι τα αναχώµατα πολλών χιλιοµέτρων σε µήκος και που διατηρούν το νερό αρκετά επάνω από την επιφάνεια του φυσικού εδάφους, όπως είναι τα τεχνητά αναχώµατα στον ποταµό Mississippi Εκσκαφή και πλήρωση των κοιλάδων Εισαγωγή. Οι κοιλάδες έχουν διαµορφωθεί ή έχουν τροποποιηθεί από την κατακόρυφη και την πλευρική διαβρωτική δράση του τρεχούµενου νερού ή/και του πάγου, και συνήθως περιέχουν µη στερεοποιηµένες αποθέσεις που µεταφέρονται από το νερό, τον πάγο, ή τον άνεµο. Τα µεµονωµένα χαρακτηριστικά µιας κοιλάδας είναι συνάρτηση της τοπογραφίας, του κλίµατος, του τύπου του πετρώµατος και της γεωλογικής δοµής της περιοχής. Οι τεχνητοί ταµιευτήρες δηµιουργούνται συνήθως από την κατασκευή ενός φράγµατος ή περισσότερων φραγµάτων σε µια µεγάλη ή µικρή κοιλάδα, συνήθως σε µια στένωσή της. Η σωστή ερµηνεία των διάφορων φυσικών χαρακτηριστικών µιας κοιλάδας αποκαλύπτει πολλά θέµατα σχετικά µε τα χαρακτηριστικά των πετρωµάτων του υποβάθρου κάτω από µια θέση φράγµατος και κάτω από το δάπεδο και τις πλευρές της λεκάνης του ταµιευτήρα ανάντη της θέσης του φράγµατος ιάβρωση, µεταφορά, και απόθεση από το τρεχούµενο νερό. Το τρεχούµενο νερό διαβρώνει τα υλικά τόσο στο κατώτερο σηµείο όσο και τις πλευρές του καναλιού (ποταµού, ρέµατος, µισγάγγειας, κλπ) που ρέει λόγω τριβής και απόξεσης, διάλυσης, και σπηλαίωσης. ιάλυση. Είναι µια χηµική διεργασία µε την οποία τα εδαφικά υλικά διαλυτοποιούνται και γίνονται µέρος του διαλυµένου φορτίου ενός ρέµατος. Ο ασβεστόλιθος είναι πολύ ευαίσθητος σε αυτήν την διαδικασία. Τριβή και απόξεση. Είναι µια µηχανική διεργασία που αναγκάζει τα εδαφικά υλικά να φθείρονται και να αποµακρύνονται και η οποία περιλαµβάνει απόξεση του εδάφους ή του πετρώµατος από τους αιωρούµενους στερεούς εδαφικούς κόκκους που παρασύρονται και µεταφέρονται από το νερό του ρέµατος, ή ακόµα και από την κρουστική και µόνο δράση που ασκεί στα συµπαγή εδαφικά υλικά το καθαρό τρεχούµενο νερό το οποίο δεν φέρνει κανένα απολύτως αιωρούµενο φορτίο στερεών κόκκων ή σωµατιδίων. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 180

181 Σπηλαιώδη. Απαιτεί ιδιαίτερα υψηλές ταχύτητες στο τρεχούµενο νερό και προκύπτει πρώτα από το σχηµατισµό φυσαλίδων λόγω της µείωσης της πίεσης που συνδέεται από την αύξηση της ταχύτητας σύµφωνα µε το θεώρηµα του Bernoulli, και έπειτα από το «εκρηκτική σκάσιµο ή κατάρρευση» των φυσαλίδων όταν η ταχύτητα µειώνεται. Ως συνέπεια της µείωσης της κλίσης ή του όγκου ή της ταχύτητας ροής ενός ρέµατος είναι η απόθεση του στερεού αιωρούµενου φορτίου. Χαρακτηριστικά γνωρίσµατα της απόθεσης στερεού αιωρούµενου φορτίου σε ένα ρέµα είναι οι αλλουβιακές αναβαθµίδες λόγω πληµµύρων, οι δελταϊκές αποθέσεις και αλλουβιακοί κώνοι κορηµάτων στις εξόδους των ρεµάτων. Κατά εξέταση της κατασκευής ενός φράγµατος και ενός ταµιευτήρα σε µια κοιλάδα µία βασική διερεύνηση που θα πρέπει να πραγµατοποιηθεί αφορά µόνο ένα µικρό σχετικά τµήµα του συνολικού µήκους ενός ρέµατος, και θα πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή εάν στο δάπεδο ή στην βάση της κοιλάδας κυριαρχεί η διαβρωτική δράση ή η απόθεση των φερτών στερεών υλικών Κοιλάδες Παγετώδους προελεύσεως. Παρουσιάζουν ενδιαφέρον οι κοιλάδες που έχουν αρχικά δηµιουργηθεί από την διαβρωτική δράση του νερού των ρεµάτων και που στην συνέχεια έχουν τροποποιηθεί από τους παγετώνες που κινήθηκαν µέσω αυτών. Τα ακόλουθο σχήµα παρουσιάζει ένα εξιδανικευµένο σχέδιο οριζοντιογραφικά και σε διατοµές ενός ρέµατος και µιας διαβρωµένης από παγετώνα κοιλάδας µε δύο στάδια προχώρησης και υποχώρησης παγετώνων, καθώς και προγενέστερων και ενδιάµεσων περιόδων διάβρωσης ρεµάτων. Οι κορυφογραµµές των κορηµάτων του παγετώνα (moraines) που διαµορφώνονται από την απόθεση του παγετώδους µεταφερόµενου υλικού κατά µήκος των πλευρών του παγετώνα καλούνται πλευρικά κορήµατα του παγετώνα. Με το όρο σταθερά κορήµατα του παγετώνα ονοµάζουµε το τελευταίο ή το τελικό υλικό των κορηµάτων του παγετώνα. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 181

182 Αστοχία σε διάτµηση και ευστάθεια πρανών των παρειών µιας κοιλάδας στον ταµιευτήρα και στα αντερείσµατα. Σε κάθε περίπτωση θα πρέπει να ελέγχεται η ευστάθεια των πρανών τόσο της λεκάνης κατάκλισης του ταµιευτήρα όσο και των αντερεισµάτων στην ζώνη έδρασης του φράγµατος. Η µεθοδολογία που χρησιµοποιούνται διεθνώς είναι σε γενικές γραµµές η ακόλουθη: Στην περίπτωση που τα πρανή αποτελούνται από βραχώδεις σχηµατισµούς, δηλαδή από βραχοµάζα µε ασυνέχειες (διακλάσεις, κλπ) ακολουθείται η παρακάτω διαδικασία. Με βάση τα γεωτεχνικά και βραχοµηχανικά εργαστηριακά στοιχεία, καθώς και τα στοιχεία ασυνεχειών (ρήγµατα, ρωγµές, διακλάσεις, ραφές, κλπ), που θα προκύψουν κατά την υπαίθρια και εργαστηριακή έρευνα, θα πρέπει να εκτελεστεί κάποια πολυπαραµετρική ανάλυση και έλεγχος της ευστάθειας των γεωλογικών «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 182

183 σχηµατισµών των µετώπων των πρανών της λεκάνης κατάκλισης του ταµιευτήρα και των αντερεισµάτων στην ζώνη έδρασης του φράγµατος, σε µοντέλο αστοχίας βραχοµηχανικής. Η ανάλυση στα βραχώδη πρανή γίνεται σύµφωνα µε τη µέθοδο ελέγχου αστοχίας "σφήνας" ή "επιπέδου" ολίσθησης (Wedge or plane failure analysis) κατά "Hoek and Bray" η οποία εφαρµόζεται τελευταία διεθνώς µε υψηλή αξιοπιστία και επιτυχία. Το µαθηµατικό αυτό προσοµοίωµα ελέγχου (µοντέλο), λαµβάνει υπόψη του και τις επιδράσεις των πιθανών σεισµικών δυνάµεων που ενδέχεται να αναπτυχθούν στην περιοχή ενδιαφέροντος, καθώς και την επιρροή της ανύψωσης της πιεζοµετρικής επιφάνειας των υπόγειων νερών στους γεωλογικούς σχηµατισµούς των πρανών, µε πλήρη ανάπτυξη υδροστατικών πιέσεων µετά από πιθανό περιστατικό έντονης βροχόπτωσης. Κατ' αυτό το τρόπο αναλύεται και ελέγχεται η ευστάθεια των πρανών, δίνοντας ποσοτική ένδειξη του βαθµού ευστάθειάς τους µε την έννοια ενός συντελεστή ασφάλειας (F.S.) και αποκαλύπτεται επακριβώς η γενική συµπεριφορά τους, κάτω από διάφορες συνθήκες επιφόρτισης (περιπτώσεις) όσον αφορά τις υδροστατικές πιέσεις και την σεισµική επιφόρτιση. Οι διαφορετικές εξεταζόµενες συνθήκες επιφόρτισης αφορούν: α) την ακραία ευνοϊκή συνθήκη, δηλαδή χωρίς την επίδραση της σεισµικής επιφόρτισης και του υδατοκορεσµού των πρανών, β) την συνθήκη µε την επίδραση της σεισµικής επιφόρτισης των πρανών στο περιστατικό του δυσµενέστερου σεισµού, χωρίς την επίδραση του υδατοκορεσµού, γ) την συνθήκη µε την επίδραση του πλήρους υδατοκορεσµού των πρανών, µετά από έντονες βροχοπτώσεις που πιθανόν να παρατηρούνται κατά την χειµερινή βροχερή περίοδο, χωρίς την επίδραση της σεισµικής επιφόρτισης, και δ) την ακραία δυσµενή συνθήκη, δηλαδή ταυτόχρονα µε την επίδραση της σεισµικής επιφόρτισης και του υδατοκορεσµού των πρανών, παράγοντες που ως γνωστόν επιβαρύνουν δραµατικά τις συνθήκες ευστάθειας της µάζας των επισφαλών πρανών. Η εργασία αυτή εφαρµόζεται για το δυσµενέστερο ύψος των εξεταζόµενων µετώπων των πρανών της λεκάνης κατάκλισης του ταµιευτήρα και των αντερεισµάτων του φράγµατος, όπου έχουµε τις δυσµενέστερες συνθήκες ευστάθειας. Οι αναλύσεις ευστάθειας βασίζονται στην µέθοδο Hoek - Bray: "Advanced Comprehensive Solution for Translational slip of a tetrahedral Rock Wedge", και πραγµατοποιούνται χρησιµοποιώντας ειδικά βραχοµηχανικά λογισµικά (προγράµµατα), όπως για παράδειγµα αναφέρονται ενδεικτικά και όχι περιοριστικά στην συνέχεια: α) "SWEDGE - Rocscience Inc." Hoek and Bray Plane and Wedge failure analysis Program. Surface WEDGE analysis. Probabilistic analysis of the geometry and stability of surface wedges. (c) Copyright Rocscience Inc. β) "DIPS - Rocscience Inc." Data Interpretation Package using Stereographic projection. Plotting, analysis and presentation of structural data using spherical projection techniques. (c) Copyright Rocscience Inc, και γ) "ROCKSLOP". Rock Mechanics Slope Stability Analysis Program according to Hoek and Bray Method. Ανάπτυξη προγράµµατος σε FORTRAN 77, από ρ. Κ. Σαχπάζη, στο Πανεπιστήµιο Newcastle Upon Tyne, U.K. και στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 183

184 Στην περίπτωση που τα πρανή αποτελούνται από γαιώδεις (εδαφικούς) σχηµατισµούς, ακολουθείται η παρακάτω διαδικασία. Με βάση τα γεωτεχνικά και εδαφοµηχανικά εργαστηριακά στοιχεία, καθώς και τα στοιχεία της γεωµετρίας των πρανών και των εδαφικών στρωµάτων (αντιπροσωπευτικό γεωµηχανικό εδαφικό µοντέλο στρωµατογραφικής τοµής και εδαφοµηχανικών ιδιοτήτων & παραµέτρων της περιοχής), που θα προκύψουν κατά την υπαίθρια και εργαστηριακή έρευνα, θα πρέπει να εκτελεστεί πολυπαραµετρική ανάλυση και έλεγχος της ευστάθειας των εδαφικών σχηµατισµών των µετώπων των πρανών της λεκάνης κατάκλισης του ταµιευτήρα και των αντερεισµάτων στην ζώνη έδρασης του φράγµατος, σε µοντέλο αστοχίας εδαφοµηχανικής. Η ανάλυση και ο υπολογισµός της ευστάθειας στα γαιώδη υλικά γίνεται σύµφωνα µε τις µεθόδους των λωρίδων κατά BISHOP ή JANBU ή MORGENSTERN ή KREY, ή και άλλες, σε διάφορους κύκλους ολίσθησης µε οµαλή περιστροφική επιφάνεια ολίσθησης (Circular Sliding Surface), ή και µε τροποποιήσεις περί µη οµαλής ή ακανόνιστης πιθανής επιφάνειας ολίσθησης (Composite Sliding Surface), µε χρήση Η/Υ και ειδικά αναπτυγµένων προγραµµάτων, όπως π.χ. το λογισµικό πρόγραµµα LARIX 3 (S) - CUBUS - ZURICH - SWITZERLAND - VERSION , (Soil Slope Stability Analyses). Ακολούθως, ανάλογα µε τα προκύπτοντα αποτελέσµατα, θα πρέπει να προταθούν, όπου θα θεωρηθεί απαραίτητο, κάποιες παρεµβάσεις συγκράτησης ή σταθεροποίησης, όπως π.χ. διαµόρφωση ηπιότερων κλίσεων, τεχνικά έργα αντιστήριξης, αγκυρώσεις, σιµεντενέσεις, κ.λ.π.. Μετατοπίσεις και κατολισθήσεις λόγω ολίσθησης βαρύτητας σε έντονα πρανή των κοιλάδων. Οι αλλουβιακές, οι παγετώδεις, και οι λόγω κατολισθήσεων αποθέσεις του εδάφους στα δάπεδα και τις πλευρές των κοιλάδων έχουν γενικά τέτοιες θέσεις, διαµορφώσεις, και φυσικοµηχανικές ιδιότητες που αναγνωρίζονται κατά την υπαίθρια έρευνα µε κάποια σχετική ευκολία. Κατά τη διάρκεια του προγραµµατισµού, του σχεδιασµού, και της κατασκευής ενός φράγµατος και ενός ταµιευτήρα µπορεί να γίνει µια αξιολόγηση αυτών των αποθέσεων χωρίς δυσκολία, και να ληφθούν τα καταλληλότερα µέτρα είτε για την αποµάκρυνση είτε για την σταθεροποίησή τους, µε βάση τεχνικοοικονοµικά κριτήρια Σε πολλές απότοµες κοιλάδες, διαµορφωµένες λόγω διάβρωσης από ένα ρέµα ή από παγετώδη δράση βρίσκεται σχεδόν πάντα ένα σχετικά δυσδιάκριτο είδος αστοχίας των πρανών του, ιδιαίτερα στα ισχυρότερα, κρυσταλλικά πυριγενή\ και µεταµορφωµένα πετρώµατα. Αν και δεν µπορούν να παρατηρηθούν εύκολα, οι επιφάνειες µετατόπισης και κατολίσθησης λόγω ολίσθησης βαρύτητας µπορούν να είναι παρούσες σε βραχώδη στρώµατα, όπως απεικονίζεται στο παρακάτω σχήµα, και να συµβάλουν στην αστάθεια της θεµελίωσης και των αντερεισµάτων ενός φράγµατος που να κατασκευαστεί στην περιοχή αυτή. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 184

185 Συνέπειες των εµφράξεων στις κοιλάδες των ρεµάτων. Οι δύο σηµαντικότερες συνέπειες της πλήρωσης µε νερό σε ένα φυσικό ή τεχνητό ταµιευτήρα είναι οι ακόλουθες: Η απόθεση όλου ή του µεγαλύτερου µέρους του αιωρούµενου ή και παρασυρόµενου στερεού φορτίου που µεταφέρεται από το ρέµα (στερεοπαροχή), και Η αύξηση της προς τα κάτω και της πλευρικής διάβρωσης από το καθαρό χωρίς αιωρήµατα ιλύος νερό κατάντη από την έµφραξη (λόγω της κατασκευής του φράγµατος). Οι προσπάθειες να ελεγχθεί ο ρυθµός πλήρωσης των ταµιευτήρων από τα ιζήµατα στερεοπαροχής περιλαµβάνουν συνήθως την κατασκευή µικρών φραγµάτων και ταµιευτήρων ώστε να παρεµποδίζονται τα ιζήµατα στερεοπαροχής στην ανάντη περιοχή από µία σηµαντική κατασκευή, όπως είναι ένα µεγάλο φράγµα για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, ή τα περιφερειακά προγράµµατα για τη σταθεροποίηση και τη συντήρηση των παραγωγικών εδαφών στις ανάντη λεκάνες απορροής τους. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 185

186 4.8. Μορφολογικές - Τοπογραφικές και Γεωλογικές συνθήκες για τους διάφορους τύπους φραγµάτων. Όταν το µέγεθος του φράγµατος έχει πλέον καθοριστεί, ο προβλεπόµενος τύπος του φράγµατος απαιτεί ορισµένες γεωλογικές και µορφολογικές - τοπογραφικές συνθήκες - προϋποθέσεις που, για τους κυριότερους τύπους φραγµάτων, µπορούν να αναφερθούν ως ακολούθως. Φράγµατα από Σκυρόδεµα. Φράγµατα βαρύτητας Αντηριδωτά φράγµατα Τοξωτά φράγµατα πολλαπλών θόλων ή τόξων Παχιά τοξωτά φράγµατα Λεπτά τοξωτά φράγµατα Χωµάτινα φράγµατα. Φράγµατα Λιθόριπτα Φράγµατα υδραυλικής επίχωσης Χωµάτινα αναχώµατα Σύνθετα φράγµατα Φράγµατα βαρύτητας. Σκληρός και συµπαγής βράχος στην ή κοντά στην επιφάνεια θεµελίωσης του φράγµατος. Το πάχος του µαλακού εδαφικού υλικού επάνω από το σκληρό και συµπαγές βραχώδες υπόβαθρο δεν πρέπει να υπερβεί 7 έως 10 m έτσι ώστε να αποφεύγονται µε αυτόν τον τρόπο σηµαντικές εκσκαφές για την θεµελίωση του φράγµατος. Τα υλικά δανειοθαλάµων για την παραγωγή του σκυροδέµατος, δηλαδή τα Αδρανή Υλικά, οι κροκάλες και οι λίθοι, η άµµος, κλπ, θα πρέπει να είναι εύκολα προσιτά και προσπελάσιµα µέσα σε µία απόσταση το πολύ έως 8 µε 15 χιλιοµέτρων. Τα φράγµατα βαρύτητας θεωρούνται ως πλέον κατάλληλα όταν το µήκος της στέψης ή κορυφής (χορδής) του φράγµατος είναι περίπου πέντε φορές ή µεγαλύτερο από προς το ύψος του φράγµατος Αντηριδωτά φράγµατα. Ένα αντηριδωτό φράγµα είναι κατάλληλο όταν η βραχοµάζα θεµελίωσής του µπορεί να παρέχει µία φέρουσα ικανότητα της τάξης των 2 έως 3 MPa. Τα αντηριδωτά φράγµατα απαιτούν περίπου το µισό έως τα δύο τρίτα του σκυροδέµατος που απαιτείται για την κατασκευή ενός αντίστοιχου φράγµατος βαρύτητας, και ως εκ τούτου καθίστανται ως πλέον οικονοµικά όταν τα φράγµατα έχουν ύψος πάνω από 14 m. Απαιτείται συνήθως µία εργασία πρόσθετης εξειδίκευσης από τους εργάτες κατασκευής ώστε να δηµιουργήσουν τον κατάλληλο ξυλότυπο. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 186

187 Η απειλή της επιδείνωσης της ποιότητας του σκυροδέµατος από την πλήρωση του νερού στον ταµιευτήρα είναι πιθανότερη απ' ό,τι σε ένα παχύ φράγµα βαρύτητας. Υπάρχει επίσης µια σηµαντική µείωση της πίεσης ανύψωσης ή υποπίεσης του νερού στην ζώνη θεµελίωσης του φράγµατος. Η πίεση αυτή είναι αποτέλεσµα του νερού στο ταµιευτήρα και ενδεχοµένως και του υπόγειου νερού από τα βραχώδη αντερείσµατα που εισρέουν µέσω ή κάτω από οποιαδήποτε κουρτίνα σιµεντενέσεων και που ασκούν πίεση προς τα επάνω κάτω από το θεµελιωµένο σώµα του φράγµατος από σκυρόδεµα. Ένα τοξωτό φράγµα χρησιµοποιεί τη αντοχή της αψίδας ή του τόξου του για να αντισταθεί στα φορτία που τοποθετούνται επάνω σε αυτό, µε την γνωστή από την µηχανική «δράση του τόξου». Η αντοχή και ευστάθεια της θεµελίωσης και των αντερεισµάτων πρέπει να είναι επαρκής όχι µόνο για να υποστηρίξει το νεκρό ίδιο βάρος του φράγµατος επί της θεµελίωσής του αλλά επίσης και τις δυνάµεις που κατευθύνονται προς τα αντερείσµατα λόγω της προαναφερόµενης «δράσης του τόξου» ως αντίδραση στις δυνάµεις που ενεργούν επί του φράγµατος. Εποµένως, η αντοχή της βραχοµάζας στα αντερείσµατα και στην αµέσως κατάντη ζώνη του φράγµατος πρέπει να είναι αναµφισβήτητα επαρκής και το µέτρο ελαστικότητάς της πρέπει επίσης να είναι αρκετά υψηλή ώστε να εξασφαλίζεται ότι η παραµόρφωση της βραχοµάζας κάτω από την ώθηση της αψίδας ή του τόξου δεν είναι τόσο µεγάλη ώστε να προκαλούνται υπερβολικές τάσεις και παραµορφώσεις στο σώµα της αψίδας ή του τόξου Τοξωτά φράγµατα πολλαπλών θόλων ή τόξων. Ένα φράγµα σκυροδέµατος πολλαπλών θόλων ή τόξων είναι στην ουσία µία παραλλαγή ενός αντηριδωτού φράγµατος. Το κύριο γεωλογικό κριτήριο είναι ότι η βραχοµάζα θεµελίωσης θα πρέπει να είναι απολύτως ικανή ώστε να παρέχει µία φέρουσα ικανότητα της τάξης των 2 έως 3 MPa ή περισσότερο χωρίς οποιαδήποτε αξιόλογη καθίζηση (< 8 mm). Σε ένα φράγµα σκυροδέµατος πολλαπλών θόλων ή τόξων υπάρχει κάποια οικονοµία σε σκυρόδεµα έναντι ενός αντηριδωτού φράγµατος. Από την άποψη της πίεσης ανύψωσης ή υποπίεσης του νερού στην ζώνη θεµελίωσης του φράγµατος, της διάβρωσης και της οικονοµίας οι δύο τύποι είναι πολύ παρόµοιοι Παχιά τοξωτά φράγµατα. Ένα παχύ τοξωτό φράγµα µπορεί να κατασκευαστεί όπου η αναλογία χορδής προς ύψος στην στέψη του φράγµατος είναι µεταξύ 3 και 5. Το κύριο γεωλογικό και γεωτεχνικό κριτήριο είναι ότι η βραχοµάζα θεµελίωσης θα πρέπει να είναι απολύτως ικανή ώστε να παρέχει µία «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 187

188 φέρουσα ικανότητα της τάξης των 3,50 MPa ή και περισσότερο χωρίς οποιαδήποτε αξιόλογη καθίζηση. Υπάρχει µία ουσιαστική οικονοµία στα υλικά σε σύγκριση µε ένα φράγµα βαρύτητας. Τα παχιά τοξωτά φράγµατα είναι δύσκολο να υπολογιστούν και να σχεδιαστούν αλλά προσδιορίζονται καλύτερα από δοκιµές µε πρότυπα προσοµοιώµατα (Μοντέλα) Λεπτά τοξωτά φράγµατα. Τα λεπτά τοξωτά φράγµατα απαιτούν κοιλάδες που έχουν µια αναλογία χορδής προς ύψος στην στέψη µικρότερη από 3, και µε µια ακτίνα µικρότερη από 150 m. Η πίεση που ασκείται από το σώµα του τοξωτού φράγµατος τις παρειές ή στα αντερείσµατα της κοιλάδας είναι συνήθως µεταξύ 5,50 και 8,00 MPa. Όπου υπάρχει µια κατακόρυφη ακτίνα κυρτότητας (ή καµπυλότητας) καθώς επίσης και µια οριζόντια, αυτό είναι γνωστό ως τύπος θόλων (cupola ή dome). Τέλος επιλέγεται και χρησιµοποιείται όπου το τσιµέντο είναι ακριβό και η αµοιβή του εργατικού δυναµικού είναι φθηνή Λιθόριπτα Φράγµατα. Τα λιθόριπτα φράγµατα µπορούν να κατασκευαστούν όπου υφίστανται οι ακόλουθες συνθήκες: Αβέβαιες ή µεταβαλλόµενες συνθήκες του εδάφους θεµελίωσης που είναι ανίκανες ή αναξιόπιστες για τη παραλαβή των απαιτούµενων επιβαλλόµενων τάσεων θεµελίωσης για οποιαδήποτε µορφή φράγµατος από σκυρόδεµα. Υπάρχει κατάλληλο πέτρωµα στην κοντινή περιοχή που να είναι σκληρό και συµπαγές ώστε να ανθίσταται στην αποσάθρωση λόγω των κυκλικών µεταβολών του καιρού. Υπάρχει µία επαρκής ποσότητα κατάλληλου αργιλικού υλικού στην κοντινή περιοχή που απαιτείται να τοποθετηθεί στο φράγµα είτε ως κατακόρυφος πυρήνας είτε ως κεκλιµένος πυρήνας. Η δυνατότητα πρόσβασης και προσπέλασης στην περιοχή κατασκευής του φράγµατος, καθώς και το πλάτος της κοιλάδας είναι κατάλληλα για το χειρισµό και τους απαραίτητους ελιγµούς των βαριών δοµικών και χωµατουργικών µηχανηµάτων, όπως π.χ. των εκσκαπτικών µηχανηµάτων, των οδοστρωτήρων, των µεγάλων προωθητήρων, κλπ Φράγµατα υδραυλικής επίχωσης. Κατάλληλα για τις κοιλάδες όπου το υπέδαφος αποτελείται από µαλακά αργιλικά υλικά και κατασκευάζονται µε άντληση µαλακού «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 188

189 υλικού που στερεοποιείται κατάλληλα µέχρι και µέτρια ύψη της τάξης των 30 m Χωµάτινα αναχώµατα. Κοντά στην περιοχή κατασκευής του φράγµατος θα πρέπει να υπάρχουν κατάλληλα αργιλικά εδάφη για την πλήρωση της τάφρου στεγανοποίησης και θεµελίωσης, καθώς και κατάλληλα υλικά κατασκευής του αναχώµατος ικανά να αυτοϋποστηρίζονται, να στέκουν δηλαδή µε ευστάθεια, χωρίς κίνδυνο αστοχίας και κατολισθήσεων περιστροφικού τύπου ολίσθησης, ώστε να εγκιβωτίζουν και να αντιστηρίζουν τον απαιτούµενο αργιλικό πυρήνα. Ένα σηµαντικό πλεονέκτηµα των χωµάτινων αναχωµάτων είναι ότι δεν προκύπτουν προβλήµατα λόγω της υποβάθµισης της κατασκευής από νερά που προέρχονται από οργανικά υλικά του υπεδάφους χαµηλού PH ή και από χηµικές ενώσεις επιθετικές και επιβλαβείς για το σκυρόδεµα Σύνθετα φράγµατα. Όχι µόνο µπορούν να κατασκευαστούν διαφορετικοί τύποι φραγµάτων στην ίδια κοιλάδα, αλλά και το ίδιο φράγµα µπορεί να είναι διαφορετικών τύπων εξ αιτίας διαφορετικών και ποικίλων γεωλογικών - γεωτεχνικών και µορφολογικών - τοπογραφικών χαρακτηριστικών στην περιοχή θεµελίωσης του φράγµατος. Τα αντηριδωτά φράγµατα µπορούν να ενώνονται επίσης και µε φράγµατα µαζικού σκυροδέµατος βαρύτητας στην βάση τους προς τις πλευρές της κοιλάδας, καθώς και στο κέντρο τους µπορεί να υπάρχει ένα φράγµα βαρύτητας µαζικού σκυροδέµατος για την διαµόρφωση ενός κατάλληλου υπερχειλιστή Σεισµική δραστηριότητα. Ο υπεύθυνος µηχανικός µελέτης και κατασκευής του έργου ενδιαφέρεται κυρίως για δύο θέµατα της σεισµικής δραστηριότητας: 1. Εάν οι φυσικοί σεισµοί που είναι πιθανό να εκδηλωθούν στη άµεση περιοχή κατασκευής του φράγµατος θα είναι µιας τέτοιας έντασης ώστε να προκαλέσουν ζηµία στο φράγµα ή στις συναφείς κατασκευές και δοµές του, και 2. Εάν η πλήρωση του ταµιευτήρα µε νερό µπορεί να προκαλέσει την σεισµική δραστηριότητα, µε ακόλουθη δυνατότητα ζηµίας στο φράγµα ή ζηµίας σε άλλες συναφείς κατασκευές και δοµές του ή πρόσωπα. Αν και το µέγεθος των σεισµικών αυτών δονήσεων θα είναι ίσως χαµηλών εντάσεων, η εγγύτητα των επίκεντρων τους θα «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 189

190 µπορούσε να καταστήσει τις επιδράσεις και τα αποτελέσµατα σοβαρότερα Σεισµική δραστηριότητα - Φυσικά γεγονότα. Οι προκαταρκτικές έρευνες πρέπει να περιλάβουν την έρευνα του ιστορικού της σεισµικής δραστηριότητας της περιοχής. Αυτό πρέπει να περιλάβει τα επίσηµα αρχεία έρευνας και τις τοπικές καταγραφές των σεισµών. Εάν δεν υπάρχει κανένα στοιχείο σχετικά µε σεισµική δραστηριότητα σε µία περιοχή, θα ήταν παράλογο να υποθέσει κανείς ότι κανένας σεισµός δεν θα µπορούσε να συµβεί στο µέλλον. Η έρευνα υπαίθρου θα πρέπει να περιλάβει την καταγραφή, αποτύπωση και χαρτογράφηση όλων των ρηγµάτων της περιοχής ενδιαφέροντος και την εγκατάσταση σεισµογράφων στην περιοχή. Οι προδιαγραφές και η λεπτοµέρεια εκτέλεσης της σεισµικής έρευνας αποφασίζεται από τον υπεύθυνο µηχανικό του έργου. Ο µηχανικός πρέπει να εξετάσει το πιθανό κόστος σε σύγκριση µε το κόστος µίας συντηρητικής παραδοχής όσον αφορά την σεισµική δραστηριότητα για τον σχεδιασµό του έργου, την επίδραση αυτού του πρόσθετου κόστους στη τεχνικοοικονοµική εφικτότητα και βιωσιµότητα του έργου, και τη πιθανή ζηµία που µπορεί να προκύψει από την παράβλεψη εκτέλεσης τέτοιας σεισµικής έρευνας. Η αξιολόγηση της σεισµικότητας και σεισµικής δραστηριότητας της περιοχής θα πρέπει να πραγµατοποιηθεί κατά τα πιο αρχικά στάδια της µελέτης του έργου. Οι σεισµογράφοι θα πρέπει να εγκατασταθούν για να καταγράψουν το µέγεθος όλων των φυσικών γεγονότων, των επίκεντρων και των εστιακών τους βαθών. Ο παρασιτικός θόρυβος, όπως λόγω των ανατινάξεων λατοµείων θα πρέπει να φιλτραριστούν και να αποµονωθούν από τα αρχεία καταγραφής. Τα αρχεία πρέπει να συνεχιστούν να ενηµερώνονται για τουλάχιστον ακόµα 5 έτη µετά από την πλήρωση του ταµιευτήρα του φράγµατος, και κατά προτίµηση να καλύψουν τις περιόδους των µεγαλύτερων ταπεινώσεων της στάθµης (αδειασµάτων) και επαναπληρώσεων του ταµιευτήρα. Σεισµογράφοι - για τα µεγάλα φράγµατα η εγκατάσταση σεισµογράφων δεν είναι ακριβή. Αυτοί οι σεισµογράφοι θα πρέπει να προκαλούνται να καταγράφουν τα σηµαντικά γεγονότα ενός προκαθορισµένου µεγέθους. Είναι συνηθισµένο να εγκαταστούνται τέτοια όργανα στην βραχοµάζα στη βάση του φράγµατος, στην στέψη ή κορυφή του σώµατος του φράγµατος και κατά προτίµηση στην βραχοµάζα σε µια µικρή σχετικά απόσταση από την ζώνη θεµελίωσης του φράγµατος. Το µέγεθος ενός σεισµού είναι µια ένδειξη του απόλυτου µεγέθους του, ή της συνολικής απελευθέρωσης ενέργειας. Μετριέται χρησιµοποιώντας την κλίµακα Richter που είναι µια αυθαίρετη λογαριθµική κλίµακα. Καθορίζει το µέγεθος από την άποψη του µέγιστου εύρους ενός τυποποιηµένου σεισµοµέτρου σε µια απόσταση 100 χλµ από το επίκεντρο ενός σεισµού. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 190

191 Σεισµική δραστηριότητα - Προκαλούµενα σεισµικά γεγονότα. Υπόγειες εκρήξεις, Εισπίεση Ρευστών, και Πλήρωση ταµιευτήρα. Υπόγειες εκρήξεις - οι υπόγειες πυρηνικές εκρήξεις έχουν παρακολουθηθεί προσεκτικά και παρέχουν µια σηµαντική πηγή για τη µελέτη των σεισµικών γεγονότων. Αναφέρθηκε το 1969 ότι σε µία τέτοια έκρηξη προκλήθηκαν χιλιάδες µικροί σεισµοί σε µια ζώνη µήκους 12 km και εύρους 4 km σε βάθη 4 έως 6 km. Επίσης έχουν γίνει παρατηρήσεις σε περισσότερες από είκοσι υπόγειες εκρήξεις και είναι αρκετά εµφανές ότι οι υπόγειες εκρήξεις είναι σε θέση να προκαλέσουν σεισµικά γεγονότα. Έχει επιπλέον προταθεί ότι οι υπόγειες εκρήξεις µπορούν να ενεργοποιήσουν ζώνες ρηγµάτων που ήδη βρίσκονται σε υψηλή ή και οριακή κατάσταση τεκτονικών τάσεων ή πιέσεων και να δηµιουργήσουν σεισµούς. Εισπίεση Ρευστών Στην περιοχή των Βραχωδών Ορέων Arsenal κοντά στο Ντένβερ του Κολοράντο, κατασκευάστηκα µία βαθιά γεώτρηση άνω των 400 m βάθους και εισπιέστηκαν τεράστιες ποσότητες ρευστού στο διάστηµα µεταξύ 1962 και Προηγούµενη έντονη σεισµική δραστηριότητα ιστορία δεν υπήρχε, αλλά η περιοχή είχε µία πολύ χαµηλή σεισµικότητα. Κατά την περίοδο υπήρξε ένας καλός συσχετισµός µεταξύ του αριθµού των σεισµών ανά µήνα και του ρυθµού εισπίεσης των ρευστών. Ένα ασυνήθιστο χαρακτηριστικό είναι ότι κατά τη διάρκεια του 1967, που είναι ακριβώς µετά από την τελική διακοπή της εισπίεσης των ρευστών, η σεισµική δραστηριότητα αυξήθηκε σηµαντικά. Καταγράφηκαν τρεις σεισµικές δονήσεις µεγέθους µεγαλύτερου από το 5 της κλίµακας Richter. Πλήρωση ταµιευτήρα - πριν από την κατασκευή του φράγµατος Hoover καµία σεισµική δραστηριότητα δεν είχε καταγραφεί στην περιοχή. Η πλήρωση του ταµιευτήρα Lake Mead που προκλήθηκε από την κατασκευή του φράγµατος Hoover άρχισε το Η πρώτη σεισµική δόνηση καταγράφηκε το 1936 όταν έφθασε η στάθµη του νερού στον ταµιευτήρα σε ύψος 100 m. Κατά τη διάρκεια του 1937 πάνω από 100 σεισµικές δονήσεις έγιναν αισθητές, και η µεγαλύτερη σεισµική δόνηση είχε µέγεθος 5 της κλίµακας Richter. Θεωρήθηκε ότι το πρόσθετο φορτίο που επιβλήθηκε από την πλήρωση του ταµιευτήρα µε νερό και από το ίδιον βάρος του φράγµατος επί του στερεού φλοιού της γης προκάλεσε τους σεισµούς, πιθανώς κατά µήκος των υπαρχόντων ρηγµάτων ή των περιοχών αδυναµίας στην βραχοµάζα. Το φράγµα Konja στην Ινδία εγκαταστάθηκε σε µια περιοχή που θεωρήθηκε ως εξαιρετικά ήρεµη σεισµικά, που ταξινοµείται στην κατηγορία του 0,1 σύµφωνα µε την Ινδική σεισµική κλίµακα εύρους που κυµαίνεται «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 191

192 από 0 έως 7 µονάδες. Το φράγµα είναι 103 m υψηλό και η ικανότητα αποθήκευσης του ταµιευτήρα είναι εκατοµµύρια τόνοι νερού. Ο ισχυρότερος σεισµός που καταγράφηκε µετά από την πλήρωση του ταµιευτήρα ήταν 6,4, που υπέβαλε το φράγµα σε µία επιτάχυνση της τάξης του 0,5 g κάτω από την οποία τελικά δεν αστόχησε, παρά την ιδιαίτερα σηµαντική ζηµία που υπέστη. Αργότερα µετά από την σεισµική αυτή δόνηση ενισχύθηκε από ισχυρές αντηρίδες Γεωλογικοί κίνδυνοι. Ευστάθεια των πρανών των κοιλάδων ιόγκωση κοιλάδων Μεταλλεία Ευστάθεια των πρανών των κοιλάδων. Ένα φαράγγι όπου οι κλίσεις των πλευρικών παρειών των πρανών του είναι ίσες µε ή πιο απότοµες από τη γωνία ανάπαυσης της χαλαρής βραχοµάζας είναι αρκετά ελκυστικό για να χρησιµοποιηθεί ως ζώνη θεµελίωσης του φράγµατος, αλλά όµως, σε µια τέτοια περίπτωση φαραγγιού η αστάθεια των πλευρικών παρειών των πρανών του µπορεί να δηµιουργήσει σοβαρά προβλήµατα. Οι κατολισθήσεις είναι ένα σύνηθες χαρακτηριστικό των πρανών των κοιλάδων σε ορεινές περιοχές και οι µεγάλες ολισθήσεις συχνά προξενούν στένεµα της κοιλάδας που µπορεί αργότερα να φανεί ως µορφολογικά και τοπογραφικά κατάλληλο για την έδραση και κατασκευή ενός φράγµατος. Είναι συνετό να αποφεύγεται η επιλογή µιας περιοχής κατολίσθησης του εδάφους για την έδραση και κατασκευή ενός φράγµατος, εκτός εάν είναι ρηχές - επιφανειακές κατολισθήσεις και τα υλικά τους µπορούν εύκολα να αφαιρεθούν ή να αποστραγγιστούν αποτελεσµατικά, επειδή η ασταθής φύση τους µπορεί να οδηγήσει σε µετακίνηση του φράγµατος κατά τη διάρκεια της κατασκευής του ή αργότερα κατά τον υποβιβασµό της στάθµης (άδειασµα ή εκκένωση) του νερού στον ταµιευτήρα. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 192

193 ιόγκωση κοιλάδων (Bulging). Οι διογκώσεις των κοιλάδων αποτελούνται από τις πτυχώσεις που διαµορφώνονται από τη µαζική µετακίνηση αργιλικών υλικών στα κατώτατα τοπογραφικά σηµεία ή στην βάση ή στο πυθµένα των κοιλάδων, και όπου το αργιλικό αυτό υλικό καλύπτεται από παχιά και σχετικά ισχυρά και συµπαγή στρώµατα. Αυτά τα χαρακτηριστικά προκαλούν ανακούφιση ή εκτόνωση των τάσεων, δηλαδή όπως η διάβρωση των ρεµάτων εµφανίζεται µέσα σε µία κοιλάδα η υπερβολική φόρτιση στις παρειές της κοιλάδας προτρέπει το αργιλικό υλικό να συµπιεστεί προς τα έξω προς την περιοχή δηλαδή της µικρότερης φόρτισης. Αυτό τελικά το γεγονός αναγκάζει την βραχοµάζα στην κοιλάδα να διογκώνεται προς τα επάνω. Η µετακίνηση των πρανών µιας κοιλάδας λόγω της συµπίεσης του αργιλικού υλικού οδηγεί σε ανιούσα κύρτωση (Cambering) των υπερκείµενων ισχυρών και συµπαγών στρωµάτων, τµήµατα ή τεµάχη των οποίων αποσπώνται, και κινούνται προς τα κάτω στα πρανή της κοιλάδας. Το σπάσιµο των υπερκείµενων αυτών ισχυρών και συµπαγών στρωµάτων παράγει βαθιές ρωγµές γεµισµένες µε υλικά πλευρικών κορηµάτων που διατρέχουν τα πρανή της κοιλάδας παράλληλα προς την παράταξη της επιφάνειας των πρανών της κοιλάδας. ιόγκωση (Bulging) και ανιούσα κύρτωση των υπερκείµενων ισχυρών και συµπαγών στρωµάτων (Cambering) µιας κοιλάδας Μεταλλεία. Η ύπαρξη ενός ορυχείου είτε κάτω από ένα ταµιευτήρα είτε από ένα φράγµα θα παρουσιάσει πολλά προβλήµατα όπως: Πιθανή καθίζηση της θεµελίωσης του φράγµατος, Απώλεια νερού λόγω µεγάλης διήθησης από τον ταµιευτήρα, Πληµµύρα του ορυχείου, και «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 193

194 Υπερβολική υδροστατική πίεση στα µέτωπα των πρανών στο ορυχείο. Όταν το ορυχείο βρίσκεται κάτω από ένα ταµιευτήρα υπάρχει η πιθανότητα αρκετό νερό να περάσει µέσω των υπερκείµενων πετρωµάτων και να πληµµυρίσει το ορυχείο, ή να αυξάνει τουλάχιστον τα προβλήµατα διήθησης και στράγγισης. Ακόµα κι αν η λιθοστρωµατογραφική στήλη των υπερκείµενων πετρωµάτων ήταν αρκετά υδατοστεγής για να εµποδίσουν τη ροή του νερού, υπάρχει η πιθανότητα ανάπτυξης υπερβολικής πίεσης νερού πόρων που θα µπορούσε να θέσει σε κίνδυνο αστοχίας τα µέτωπα του ορυχείου. Εάν το ορυχείο είναι επάνω από την στάθµη και δίπλα στο ταµιευτήρα, ο υδατοκορεσµός των πρανών του ταµιευτήρα αλλά και η αλλαγή στη πιεζοµετρική στάθµη των υπόγειων νερών θα µπορούσαν να οδηγήσουν σε πιθανή αστάθεια των µετώπων του ορυχείου. Οι σεισµικές επιπτώσεις από τις ανατινάξεις µέσα στο ορυχείο θα µπορούσαν να είναι ικανές για να προκαλέσουν µια κατολίσθηση του εδάφους. Οποιαδήποτε έρευνα της περιοχής του έργου θα πρέπει να περιλάβει και την απογραφεί και χαρτογράφηση τόσο των υπαρχόντων όσο και των πιθανών ορυχείων, για τα θέµατα ασφάλειας και ευθύνης. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 194

195 Υ ΡΟΛΟΓΙΑ. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 2. Υ ΡΟΛΟΓΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ 3. ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ 4. ΕΞΑΛΛΟ ΤΜΗΜΑ ΦΡΑΓΜΑΤΟΣ (FREEBOARD) 5. ΠΛΗΜΜΥΡΕΣ 6. Υ ΡΟ ΥΝΑΜΙΚΑ ΙΚΤΥΑ ΡΟΗΣ 7. ΑΝΙΣΟΤΡΟΠΑ ΒΡΑΧΩ Η ΣΤΡΩΜΑΤΑ ΥΠΟΒΑΘΡΟΥ 8. Υ ΑΤΟΠΛΗΡΩΜΕΝΟΙ ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΕΣ 5.1. Εισαγωγή υδρολογίας. Η υδρολογία είναι η επιστήµη της πρόβλεψης της πιθανότητας επανάληψης των φυσικών γεγονότων. Οι µαθηµατικοί µπορεί να προσπαθούν να προβλέψουν τα γεγονότα βασισµένοι στην προηγούµενη στατιστική ιστορία τους, αλλά η φύση είναι απρόβλεπτη ως προς το χρόνο και το µέγεθος της εµφάνισης. Με βάση τις προηγούµενες πληροφορίες τα χαρακτηριστικά της χαµηλής ροής ενός ποταµού θα ελέγξουν την αποθήκευση που απαιτείται και ως εκ τούτου το κανονικό πλήρες επίπεδο χωρητικότητας ενός ταµιευτήρα. Οι καταγραφές της υψηλής ροής ενός ποταµού και οι τεχνικές πρόβλεψης των πληµµύρων ή των πληµµυρικών παροχών αιχµής (Q αιχµής) παρέχουν τη βάση για τον σχεδιασµό ενός υπερχειλιστή, και ως εκ τούτου την αποθηκευτική χωρητικότητα πληµµύρων που απαιτείται επάνω από το κανονικό πλήρες επίπεδο της χωρητικότητας του ταµιευτήρα. Μετεωρολογία - Η καιρική πρόβλεψη είναι σηµαντική στο µηχανικό φραγµάτων επειδή ο µελλοντικός εποχιακός καιρός θα µπορούσε να επηρεάσει την απόφαση ως προς τον απαιτούµενο τύπο του φράγµατος που θα πρέπει βέλτιστα να κατασκευαστεί. Παραδείγµατος χάριν, µια πάρα πολύ σύντοµη περίοδος ξηρασίας µπορεί να αποκλείσει την οικονοµική κατασκευή ενός χωµάτινου φράγµατος. Ένας µετεωρολογικός σταθµός θα πρέπει να εγκατασταθεί στην προτεινόµενη περιοχή κατασκευής φράγµατος κατά τα πιο αρχικά στάδια µελέτης του. Οι καταγραφές της θερµοκρασίας, υγρασίας, βροχοπτώσεων, ανέµων και ατµοσφαιρικών πιέσεων µπορούν να βοηθήσουν τους µετεωρολόγους στη σύνθεση των σχεδίων θύελλας που είναι ένα πρώτο βήµα κατά την διαδικασία εκτίµησης της µέγιστης πληµµυρικής παροχής αιχµής της περιοχής. Πάντα θα πρέπει να λαµβάνεται υπόψη ότι οποιεσδήποτε διαστάσεις και αν επιλέξει ένα µηχανικός φραγµάτων για ένα φράγµα και τον υπερχειλιστή «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 195

196 του, θα υπάρχει πάντα κάποιος κίνδυνος από πιθανές απρόβλεπτες πληµµύρες. Η ορθή αξιολόγηση του αποδεκτού επιπέδου κινδύνου είναι εποµένως η µεγάλη τέχνη της εφαρµοσµένης µηχανικής φραγµάτων Υδρολογικός κύκλος. Η κυκλική µετακίνηση του νερού από τη θάλασσα προς την ατµόσφαιρα και από εκεί στη επιφάνεια της γης µε τα ατµοσφαιρικά κατακρηµνίσµατα (βροχοπτώσεις, χιονοπτώσεις, χαλαζοπτώσεις), όπου συγκεντρώνονται στα ρέµατα και ένα µέρος τους ρέει πάλι πίσω προς την θάλασσα, αναφέρεται ως υδρολογικός κύκλος. Ο κύκλος αυτός δεν είναι και τόσο απλός όπως αναφέρεται, αρχικά διότι τα ατµοσφαιρικά κατακρηµνίσµατα µπορεί να πέφτουν σε όλα τα στάδια του κύκλου, αφετέρου, δεν υπάρχει καµία οµοιοµορφία στο χρόνο που παίρνει ένας κύκλος, και τρίτον διότι, η ένταση και η συχνότητα του κύκλου εξαρτάται από την γεωγραφία και το κλίµα. Το νερό στη θάλασσα εξατµίζεται κάτω από την ηλιακή ακτινοβολία, και τα σύννεφα του υδρατµού κινούνται επάνω από τις περιοχές του εδάφους. Τα ατµοσφαιρικά κατακρηµνίσµατα εµφανίζονται ως χιόνι, χαλάζι, βροχή και συµπύκνωµα υπό µορφή οµίχλης, επάνω από τις περιοχές του εδάφους και τη θάλασσα. Το χιόνι και ο πάγος στο έδαφος είναι νερό σε προσωρινή αποθήκευση. Η βροχή που πέφτει επάνω από τις επιφάνειες του εδάφους µπορεί να παρεµποδιστεί από τη βλάστηση και να εξατµιστεί πάλι πίσω «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 196

197 προς την ατµόσφαιρα. Ένα τµήµα από το νερό αυτό διηθείται στο έδαφος και κινείται προς τα κάτω ή κατεισδύει προς την κορεσµένη εδαφική ζώνη κάτω από τη πιεζοµετρική επιφάνεια των υπόγειων νερών, ή τη στάθµη του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα. Το νερό σε αυτήν την ζώνη ρέει αργά δια µέσου των υδροφόρων στρωµάτων είτε προς τα κανάλια των ποταµών ή και άµεσα προς την θάλασσα ή και τις λίµνες. Το νερό που διηθείται στο έδαφος επίσης τροφοδοτεί και την ζωή των φυτών και δένδρων στην επιφάνεια του εδάφους και µέρος αυτού απορροφάται από αυτήν την βλάστηση όπου µε την διαδικασία της εφίδρωσης και διαπνοής που πραγµατοποιείται από τις φυλλώδεις επιφάνειες των φυτών και δένδρων επιστρέφει εξατµιζόµενο πάλι στην ατµόσφαιρα. Το νερό που παραµένει στην επιφάνεια του εδάφους µερικώς εξατµίζεται πάλι πίσω σε ατµό, αλλά ο κύριος όγκος από αυτό απορρέει επιφανειακά και στην συνέχεια συγκεντρώνεται και ρέει ως επιφανειακή απορροή στα κανάλια των ποταµών. Οι επιφάνειες των ποταµών και των λιµνών επίσης εξατµίζουν νερό προς την ατµόσφαιρα, µε αποτέλεσµα ακόµα περισσότερη ποσότητα νερού να αφαιρείται και εδώ. Τέλος, το υπόλοιπο νερό που δεν έχει διεισδύσει υπογείως ή εξατµιστεί µε την προαναφερόµενη διαδικασία της εξατµισοδιαπνοής φθάνει πίσω στη θάλασσα µέσω των καναλιών των ποταµών. Τα υπόγεια νερά, που κινούνται πολύ πιο αργά από τα επιφανειακά, είτε αναβλύζουν στα κανάλια των ρεµάτων είτε φθάνουν στις ακτές και διαρρέουν στη θάλασσα, και µε αυτόν τον τρόπο ολόκληρος ο κύκλος αυτός ξεκινάει και πάλι. Ο κύκλος αυτός είναι ο γνωστός υδρολογικός κύκλος. Ο άνθρωπος µπορεί να ασκήσει κάποιο έλεγχο µόνο όταν η βροχή έχει πέσει στο έδαφος και κάνει την πορείας της πίσω προς την θάλασσα Ικανότητα αποθήκευσης. Η ικανότητα αποθήκευσης που απαιτείται σε ένα ταµιευτήρα µπορεί να καθοριστεί µε διάφορους τρόπους. Στις τροπικές περιοχές µπορεί να αποφασιστεί να αποθηκευτεί ολόκληρη η επιφανειακή απορροή από την βροχόπτωση σε µια εποχή. Εάν αυτό θα εξασφάλιζε την συνοχή της ροής θα εξαρτώταν από την εποχή που επιλέγεται και τις εποχές που εµφανίζονται αργότερα. Μπορεί να αποφασιστεί να παρασχεθεί ικανοποιητική αποθήκευση για να εξασφαλίσει συνοχή που βασίζεται σε µια επανάληψη του προηγούµενου ιστορικού. Στην αξιολόγηση των απαιτήσεων αποθήκευσης οι Υδρολόγοι χρησιµοποιούν διάφορα υδρολογικά εργαλεία όπως π.χ.: αθροιστικές καµπύλες µάζας, η επιφανειακή απορροή, η εκτίµηση του σχεδιασµού της πληµµυρικής παροχής, αναγνώριση παροχέτευσης πληµµύρων και άλλοι παράγοντες. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 197

198 Η ικανότητα αποθήκευσης ενός ταµιευτήρα ορίζεται ως ο όγκος του νερού που µπορεί να αποθηκευτεί. Οι αρχικές εκτιµήσεις της ικανότητας αποθήκευσης µπορούν να γίνουν από τους τοπογραφικούς χάρτες ή τις αεροφωτογραφίες. Ο όγκος ταµιευτήρα µπορεί να υπολογιστεί µε εµβαδοµέτρηση της περιοχής ανάντη της προτεινόµενης περιοχής κατασκευής του φράγµατος µέχρι την προτεινόµενη ανώτατη στάθµη του νερού. Ο µέσος όρος της επιφάνειας δύο διαδοχικών ισοϋψών πολλαπλασιάζεται µε την ισοδιάσταση του τοπογραφικού διαγράµµατος για να δώσει τον ενδιάµεσο όγκο, και το άθροισµα όλων των ενδιάµεσων όγκων παρέχει το συνολικό όγκο της περιοχής της λεκάνης κατάκλισης του ταµιευτήρα. Το σχήµα παραπλεύρως παρουσιάζει χαρακτηριστική αθροιστική καµπύλη. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 198

199 5.4. Έξαλλο τµήµα φράγµατος (Freeboard). Έξαλλο τµήµα φράγµατος (Freeboard) Είναι η κατακόρυφη απόσταση µεταξύ της κορυφής ή στέψης του φράγµατος και της στάθµης της πλήρους χωρητικότητας για την κανονική παροχή νερού στο ταµιευτήρα. Η κορυφή ή στέψη του φράγµατος είναι το επίπεδο ή η στάθµη στεγανότητας της κατασκευής που µπορεί να είναι και η κορυφή του στηθαίου που είναι υδατοστεγές σε όλο το µήκος του. Η στάθµη της πλήρους χωρητικότητας κανονικής παροχής νερού στο ταµιευτήρα είναι το επίπεδο που υιοθετείται κατά τον σχεδιασµό για τη ανύψωση της µέγιστης επιφάνειας νερού όπου το φράγµα λειτουργεί για παροχέτευση νερού υπό κανονικές συνθήκες. Για να καθοριστεί η τιµή του έξαλλου τµήµατος του φράγµατος (Freeboard) θα πρέπει να ληφθούν σοβαρά υπόψη τα ακόλουθα: Προσαύξηση στάθµης λόγω πληµµύρων, Επίδραση δυνάµεων λόγω ταλαντώσεων της στάθµης νερού από µεταβολές στην επιφάνεια του ταµιευτήρα (Επίδραση Seiche), Aνύψωση νερού λόγω επιρροής ανέµων στην επιφάνεια του νερού στον ταµιευτήρα (Wind Set-up), ράση κυµατισµού, Ανύψωση των κυµάτων στο µέτωπο του φράγµατος, Ανακρίβεια των στοιχείων και παραδοχών, Μεγάλοι κίνδυνοι εάν παραβιαστεί, και Τύπος φράγµατος Προσαύξηση στάθµης λόγω πληµµύρων. ιάγραµµα από: «Thomas, Henry H.. The Engineering of Large Dams». Το υδρογράφηµα της πληµµύρας σχεδιασµού σκιαγραφεί την µέγιστη εισροή νερού και τον συνολικό όγκο του νερού που αναµένεται να εισρεύσει στον ταµιευτήρα κατά τη διάρκεια µιας ιδιαίτερης χρονικής περιόδου. Η παροχέτευση αυτού του νερού µέσω του ταµιευτήρα θα προκαλέσει µια άνοδο στην στάθµη του ταµιευτήρα που θα εξαρτηθεί από την έκταση της επιφάνειας του καθρέπτη της λίµνης του ταµιευτήρα κατά την συγκεκριµένη χρονική περίοδο και τα χαρακτηριστικά εκφόρτισης ή εκροής νερού του υπερχειλιστή. Το υδρογράφηµα της πληµµύρας σχεδιασµού προσδιορίζεται από προηγούµενα γεγονότα ροής νερού. Μια παραλλαγή είτε στο ύψος είτε το πλάτος της γραφικής παράστασης θα έχει επιπτώσεις στην υπολογιζόµενη µέγιστη εκφόρτιση ή εκροή νερού από τον υπερχειλιστή. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 199

200 Επίδραση δυνάµεων λόγω ταλαντώσεων της στάθµης νερού από µεταβολές στην επιφάνεια του ταµιευτήρα (Επίδραση Seiche). Αυτή η επίδραση αναφέρεται στις περιοδικές διακυµάνσεις ή ταλαντώσεις της στάθµης νερού του ταµιευτήρα, που θεωρείται ότι σχετίζεται ή τίθεται σε κίνηση από διαλείποντες ανέµους, µεταβαλλόµενες ατµοσφαιρικές πιέσεις, σεισµούς ή ανώµαλη εισροή και εκροή νερού στον ταµιευτήρα. Αφότου σταµατήσει η επίδραση του αιτιογόνου παράγοντα οι ταλαντώσεις αυτές υποχωρούν Aνύψωση νερού λόγω επιρροής ανέµων στην επιφάνεια του νερού στον ταµιευτήρα (Wind Set-up). Η επίδραση αυτή αναφέρεται στην πλευρική µετατόπιση του νερού προς µία πλευρά του ταµιευτήρα από τον αέρα που φυσά συνεχώς, ή από τα επαναλαµβανόµενα κανονικά µπουρίνια. Ο τύπος Zuider Zee µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως οδηγός για την εκτίµηση της ανύψωσης του νερού λόγω της επιρροής των ανέµων στην επιφάνεια του νερού στον ταµιευτήρα: S = V 2 F cosa / k D S Aνύψωση νερού λόγω επιρροής ανέµων στην επιφάνεια του νερού στον ταµιευτήρα (Wind Set-up) V Ταχύτητα του ανέµου επάνω από την επιφάνεια του νερού (km/h) F Άνοιγµα ή Εύρος της λεκάνης του ταµιευτήρα (km) D Μέσο βάθος της λίµνης του ταµιευτήρα (m) A Γωνία µεταξύ της διεύθυνσης κίνησης του ανέµου και του ανοίγµατος ή εύρους της λεκάνης του ταµιευτήρα k Σταθερά (m) ( ) Η ανύψωση του νερού λόγω της επιρροής των ανέµων στην επιφάνεια του νερού στον ταµιευτήρα (Wind Set-up) θα εξαρτηθεί από τη χρονική περίοδο κατά τη διάρκεια της οποίας φυσά ο άνεµος. Η ταχύτητα του ανέµου σε απόσταση 10 m επάνω από την επιφάνεια του νερού ενός νέου ταµιευτήρα θα είναι µεγαλύτερη από την καταγεγραµµένη επάνω από το αρχικό τοπογραφικό ανάγλυφο και ισχύουν συνήθως οι ακόλουθοι παράγοντες: Ενεργό Άνοιγµα ή Εύρος της λεκάνης του ταµιευτήρα (σε km) Λόγος ή Αναλογία ταχύτητας ανέµου (επάνω από την επιφάνεια του νερού / επάνω από την επιφάνεια του εδάφους) ,1 1,16 1,23 1,29 1,31 «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 200

201 ράση κυµατισµού (Wave Action). Η µεταφορά της ενέργειας από τον άνεµο στην επιφάνεια του νερού του ταµιευτήρα θα δηµιουργήσει κύµατα. Η ανύψωση του νερού επάνω στην επιφάνεια του µετώπου του φράγµατος θα εξαρτηθεί από το ύψος του κύµατος, το βάθος του νερού µπροστά ακριβώς από το σώµα του φράγµατος, καθώς και την γεωµετρία και τις ιδιότητες του υλικού κατασκευής της ανάντη επιφάνειας του µετώπου του φράγµατος. Για να υπάρξει η βάση για τον υπολογισµό της πιθανής ανύψωσης των κυµάτων στην επιφάνεια του µετώπου του φράγµατος θα πρέπει να εγκατασταθεί ένα ανεµόµετρο επί του τόπου κατά το πιο αρχικό δυνατόν στάδιο της µελέτης του φράγµατος. Για παράδειγµα αναφέρεται η περίπτωση του φράγµατος Kingsley στις Η.Π.Α. όπου κατά την 1 η και 2 α Μάιου του 1972 αναπτύχθηκαν άνεµοι µε ταχύτητα της τάξης των 90 km/h και για διάρκεια 4 ωρών. Η λίµνη του ταµιευτήρα ήταν 40 km σε µήκος και τα κύµατα υπολογίστηκε ότι ανυψώθηκαν µεταξύ 2,5 και 3,0 m. Είναι προφανές ότι ο υπεύθυνος µηχανικός του φράγµατος θα πρέπει βασιστεί στην κρίση του, η οποία θα βασίζεται επάνω στις καλύτερες πληροφορίες που µπορεί να λάβει σχετικά µε τις ταχύτητες των ανέµων που µπορούν να εµφανιστούν επί του τόπου στην περιοχή όταν ο ταµιευτήρας θα είναι πλήρης. Όλοι οι παράγοντες θα πρέπει να εξεταστούν από κοινού και να «ζυγιστούν» σε σχέση µε τις ζηµιές που µπορούν πιθανώς να εµφανιστούν εάν το φράγµα υπερπηδώταν από τα κύµατα ή τον ψεκασµό του νερού Πληµµύρες Εκτίµηση της πληµµύρας σχεδιασµού. Υπάρχουν δύο µέθοδοι που χρησιµοποιούνται σήµερα συνήθως : Η στατιστική ανάλυση των προηγούµενων πληµµύρων µε την παρέκταση (extrapolation) για να υπολογίσει το µέγεθος και η πιθανότητα εµφάνισης των µελλοντικών πληµµύρων, και Η εκτίµηση των πιθανών µέγιστων ατµοσφαιρικών κατακρηµνισµάτων µε µορφή βροχής (ύψος βροχής) επάνω στην συγκεκριµένη υδρολογική λεκάνη απορροής του φράγµατος κάτω από τις χειρότερες δυνατές µετεωρολογικές συνθήκες που είναι πιθανές να εµφανιστούν επάνω από την συγκεκριµένη υδρολογική λεκάνη απορροής του φράγµατος, και η οποία εκτίµηση του ύψους βροχής θα ακολουθείται από µια εκτίµηση της επιφανειακής «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 201

202 απορροής που θα προέκυπτε από µια τέτοια πληµµυρική βροχόπτωση. Ο προσδιορισµός της πιθανής µέγιστης πληµµυρικής βροχόπτωσης για µια συγκεκριµένη λεκάνη απορροής ενός φράγµατος απαιτεί την εκπόνηση κάποιας ειδικής και λεπτοµερούς µελέτης των σηµαντικών πληµµυρικών βροχοπτώσεων που υπάρχουν στα αρχεία µετεωρολογικών σταθµών της ευρύτερης περιοχής και είναι µια ανάλυση που εκπονούν εξειδικευµένοι υδρολόγοι ή υδρογεωλόγοι ή υδραυλικοί µηχανικοί. Κάποιος περιορισµός στις εκτιµήσεις της πιθανής µέγιστης πληµµυρικής βροχόπτωσης προέρχεται συνήθως από την έλλειψη βροχοµετρικών στοιχείων, διότι τα αρχεία των µετεωρολογικών βροχοµετρικών σταθµών συνήθως δεν επεκτείνονται περισσότερο από 50 έτη, γεγονός που καθιστά την πρόβλεψη της µέγιστης πληµµύρας µε περίοδο επαναφοράς µεγαλύτερη από 100 έτη αναξιόπιστη. Έτσι, µε βροχοµετρικά στοιχεία της τάξης των 50 ετών είναι δυνατόν θα προβλεφθεί µια µέγιστη πληµµύρα µε περίοδο επαναφοράς ίση µε 100 έτη µε µία απόκλιση σφάλµατος της τάξης του 25 %, και µε βροχοµετρικά στοιχεία της τάξης των 115 ετών είναι δυνατόν θα προβλεφθεί µια µέγιστη πληµµύρα µε περίοδο επαναφοράς ίση µε 100 έτη µε µία απόκλιση σφάλµατος της τάξης του 10 %. Ο υπεύθυνος µηχανικός του φράγµατος βρίσκεται αντιµέτωπος µε συγκρουόµενες απαιτήσεις από την άποψη της ασφάλειας και της οικονοµίας, και είναι εποµένως υποχρεωµένος να χρησιµοποιήσει προς το καλύτερο δυνατόν όφελος τόσο τα στοιχεία όσο και τις διαδικασίες που είναι διαθέσιµα για την περιοχή του έργου. Στατιστική επεξεργασία και ανάλυση των προηγούµενων καταγραφών της επιφανειακής απορροής στα αρχεία της περιοχής του έργου - και µε εκτέλεση των σχετικών κατάλληλων παρεκτάσεων (extrapolation) των στοιχείων. Όπως παραπάνω, αλλά µε επέκταση των προηγούµενων καταγραφών της επιφανειακής απορροής στα αρχεία κάποιας παρακείµενης περιοχής µε την περιοχή του έργου και στην συνέχεια το συσχετισµό τους µε την απορροή που προκύπτει για την συγκεκριµένη περιοχή του έργου. Στατιστική επεξεργασία και ανάλυση των προηγούµενων καταγραφών της βροχόπτωσης στα αρχεία της περιοχής του έργου - και µε εκτέλεση των σχετικών κατάλληλων παρεκτάσεων (extrapolation) των στοιχείων των βροχοπτώσεων. Όπως παραπάνω, αλλά µε την επέκταση των στοιχείων της περιοχής µετά από συσχετισµό µε άλλους παρακείµενου σταθµούς. Μελέτες συσχετισµού που συµπεριλαµβάνουν την στατιστική επεξεργασία και ανάλυση µεταξύ των βροχοπτώσεων και της επιφανειακής απορροής στην περιοχή. Εκτίµηση των «µέγιστων πιθανών» βροχοπτώσεων από τις Μετεωρολογικές Υπηρεσίες και εφαρµογή των στοιχείων αυτών στην εκτίµηση της «πιθανής µέγιστης πληµµυρικής παροχής αιχµής» την περιοχή της εξεταζόµενης υδρολογικής λεκάνης απορροής του φράγµατος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 202

203 Σύγκριση µε γνωστά γεγονότα και άλλες σχεδιαστικές παραδοχές που υιοθετούνται στην εξεταζόµενη ευρύτερη περιοχή µε την χρήση διάφορων µέσων και µεθόδων όπως οι συντελεστές «Creager» Παροχέτευση πληµµύρων. ιάγραµµα από: «Thomas, Henry H.. The Engineering of Large Dams». Όταν µια πληµµυρική παροχή εισέλθει σε ένα ταµιευτήρα θα αναγκάσει τη στάθµη νερού να ανέλθει, µε µία επακόλουθη εκφόρτιση νερού επάνω από τον υπερχειλιστή. Η στάθµη του ταµιευτήρα θα συνεχίσει να αυξάνεται έως ότου η παροχή της ελεύθερης εκροής του νερού επάνω από τον υπερχειλιστή εξισωθεί µε την παροχή της εισροής νερού στο χρόνο "Χ" όπως φαίνεται στο σχήµα παραπλεύρως. Στην συνέχεια η παροχή της ελεύθερης εκροής του νερού επάνω από τον υπερχειλιστή θα υπερβεί την εισροή νερού έως ότου η στάθµη νερού του καθρέπτη του ταµιευτήρα µειωθεί έως την στάθµη της κορυφής ή στέψης του υπερχειλιστή. Εάν έχουν εγκατασταθεί υδατοφράκτες στον υπερχειλιστή, θα πρέπει να ανοίξουν πριν από την αιχµή της πληµµύρας. Η µέγιστη ποσότητα που µπορούν να ανοίξουν οι υδατοφράκτες του υπερχειλιστή διέπεται συνήθως από την µέγιστη επιτρεπόµενη δυνατότητα ανύψωσης του νερού εντός της κοίτης των ποταµών και ρεµάτων κατάντη του φράγµατος χωρίς να υπάρξει κίνδυνος πληµµύρων Υδροδυναµικά ίκτυα Ροής (Flow Nets). Η ροή του νερού µέσω των διαπερατών εδαφικών υλικών είναι κατευθυντική και ανταποκρίνεται στις διαφορές του υδραυλικού φορτίου. Η ροή µπορεί να απεικονιστεί γραφικά από τα υδροδυναµικά δίκτυα ροής, τα οποία σύρονται σε µία κατακόρυφη τοµή του φράγµατος παράλληλα προς την γενική κατεύθυνση της ροής. Ένα δίκτυο ροής αποτελείται από δύο οµάδες γραµµών, τις γραµµές ροής (flowlines ή streamlines) και τις «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 203

204 ισοδυναµικές γραµµές (equipotential lines). Οι γραµµές ροής είναι οι γεωµετρικοί τόποι της πορείας της ροής του κάθε µεµονωµένου µορίου νερού. Οι ισοδυναµικές γραµµές περνούν από τα σηµεία ίσης πίεσης νερού. Όλες οι διατοµές µεταξύ των γραµµών ροής και των ισοδυναµικών γραµµών είναι κάθετες. ιάγραµµα από: «Wahlstrom, Ernest Dams, Dam Foundations and Reservoir Sites». Σχήµα. Συµµετρικό Υδροδυναµικό ίκτυο Ροής κάτω από ένα φράγµα, µε τη βάση του στην στάθµη του φυσικού εδάφους. Όταν η βάση του φράγµατος όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήµα, τοποθετείται κάτω από την στάθµη του εδάφους και παράλληλα κατασκευάζεται και ένας διακόπτης στεγάνωσης νερού (Cut-off) θα υπάρχει µια αλλαγή στο Υδροδυναµικό ίκτυο Ροής σε σχέση µε το παραπάνω σχήµα, γεγονός που οδηγεί στα ακόλουθα συγκριτικά πλεονεκτήµατα: 1. Η πίεση ανύψωσης ή υποπίεση στο τακούνι του φράγµατος µειώνεται και η συνολική πίεση ανύψωσης ή υποπίεση κατάντη από τον διακόπτη στεγάνωσης νερού (Cut-off) επίσης µικραίνει σηµαντικά. Συνεπώς, η ροπή των δυνάµεων ανύψωσης ή υποπίεσης που τείνει να ανυψώσει το φράγµα επίσης θα µειωθεί σηµαντικά. 2. Ο κίνδυνος της διασωλήνωσης του εδάφους (piping) καθώς και της διάβρωσης του εδάφους στην µύτη ή έρεισµα (toe) του φράγµατος «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 204

205 (κατάντη τµήµα του φράγµατος) θα µειωθεί ή και ολοκληρωτικά εξαλειφθεί. 3. Οι µακρύτερες πορείες ροής κατά µήκος των γραµµών ροής κάτω από τον διακόπτη στεγάνωσης νερού (Cut-off) προξενούν µια αξιοσηµείωτη µείωση στις ταχύτητες εξόδου του νερού στην κατάντη πλευρά και πλησίον του φράγµατος, καθώς και µειώνουν τη συνολική ποσότητα του διηθούµενου νερού κάτω από το φράγµα. ιάγραµµα από: «Wahlstrom, Ernest Dams, Dam Foundations and Reservoir Sites». Σχήµα. Υδροδυναµικό ίκτυο Ροής κάτω από ένα φράγµα, µε τη βάση του κάτω από την στάθµη του φυσικού εδάφους και παράλληλα µε µία κατασκευή ενός διακόπτη στεγάνωσης νερού (Cut-off) κοντά στο τακούνι του φράγµατος (Heel) Υδρολογία ανισότροπου βραχώδους υποβάθρου. Υπάρχει ένας σχεδόν άπειρος αριθµός δυνατοτήτων όσον αφορά το µέγεθος και τη χωρική κατανοµή των ζωνών της πιθανής διήθησης νερού στην βραχοµάζα του υποβάθρου θεµελίωσης στις περιοχές έδρασης των φραγµάτων και των ταµιευτήρων τους πίσω από τα φράγµατα. Παρακάτω παρουσιάζονται µερικές από τις πολλές πιθανές δυνατότητες διαµόρφωσης των ζωνών αυτών της διήθησης νερού. Εξιδανικευµένες εγκάρσιες τοµές φραγµάτων που παρουσιάζουν διάφορα είδη ζωνών πιθανής διήθησης νερού στην βραχοµάζα του υποβάθρου θεµελίωσης στις περιοχές έδρασης των φραγµάτων και των ταµιευτήρων τους. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 205

206 Οι εύθρυπτοι και διακλασµένοι Ψαµµίτες σε οριζόντια ιζηµατογενή ακολουθία κάτω από ένα φράγµα παρουσιάζουν µια πιθανή ζώνη διήθησης νερού. Το φράγµα είναι τοποθετηµένο επάνω σε εναλλαγές στρωµάτων από βασαλτική ροή λάβας και πυροκλαστικές αποθέσεις. Οι ροές της λάβας είναι διακλασµένες, λατυποπαγείς στις κορυφές τους, και περιέχουν σπηλαιώσεις λάβας. Ένα εύθρυπτο στρώµα χαλαζίτη σε έντονα πτυχωµένες µεταµορφωσιγενείς βραχοµάζες είναι πιθανό να περιέχει πολυάριθµα αλληλοτεµνόµενα συστήµατα διακλάσεων και ασυνεχειών γενικότερα. Τα στρώµατα του Ψαµµίτη που εναλλάσσονται µε στρώµατα αργιλικών σχιστόλιθων ή φυλλιτών σε ένα γεωσύγκλινο περιέχουν συστήµατα διακλάσεων και ασυνεχειών γενικότερα που συνδέονται µε την ανάπτυξη του γεωσυγκλίνου. Ένα ρήγµα παρέχει πρόσβαση νερού στα εύθρυπτα στρώµατα Ψαµµίτη που βυθίζονται (ή κλίνουν) προς την ανάντη πλευρά του φράγµατος. Ένα ρήγµα παρέχει έξοδο στο νερό που κινείται µέσω των κεκλιµένων, εύθραυστων στρωµάτων του Ψαµµίτη. Τα εύθρυπτα στρώµατα Ψαµµίτη έχουν κατακερµατιστεί και διακλαστεί εκτενώς κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης ενός γεωαντικλίνου. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 206

207 Οι διακλασµένοι Ψαµµίτες σε πτυχωµένες βραχοµάζες τέµνονται από µια ζώνη ρήγµατος που ενισχύει τη κίνηση και ροή των υπόγειων νερών προς την επιφάνεια του εδάφους κάτω από το φράγµα. Τα ρήγµατα σε µία εύθρυπτη κρυσταλλική βραχοµάζα επιτρέπουν την ανάπτυξη διόδων νερού για την κυκλοφορία των υπόγειων νερών. Οι διακλασµένοι Ψαµµίτες, µε µια αποσαθρωµένη ζώνη Γρανίτη κάτω από τα Ψαµµιτικά ιζήµατα, και µια ζώνη ρήγµατος δηµιουργούν την ανάπτυξη διόδων νερού για την βαθύτερη κυκλοφορία των υπόγειων νερών. Οι έντονα διακλασµένες κρυσταλλικές βραχοµάζες είναι υδροδιαπερατές στη ροή των υπόγειων νερών. Μία πολύ έντονα διακλασµένη πυριγενής κοίτη παρείσδυσης που τέµνει µια ιζηµατογενή ακολουθία παρέχει ένα κανάλι για τη κίνηση και ροή των υπόγειων νερών στην περιοχή ενός φράγµατος. Στοιχεία από: «Wahlstrom, Ernest Dams, Dam Foundations and Reservoir Sites». Εξιδανικευµένες εγκάρσιες τοµές κοιλάδων στις περιοχές κατασκευής φραγµάτων ή και ταµιευτήρων. Οι διακλασµένοι Ψαµµίτες δηµιουργούν τη δυνατότητα διήθησης νερού γύρω από τα αντερείσµατα ενός φράγµατος όταν ο ταµιευτήρας είναι πλήρης. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 207

208 Οι βασαλτικές ροές λάβας και τα στρώµατα των πυροκλαστικών αποθέσεων δηµιουργούν τη δυνατότητα διήθησης νερού. Οι ροές λάβας είναι συνήθως διακλασµένες, έχουν λατυποπαγείς κορυφές, και περιέχουν σπηλαιώσεις λάβας. Οι διακλασµένοι ψαµµίτες σε µια κοιλάδα είναι επιρρεπείς στην διήθηση νερού. Ένα τέµαχος πετρώµατος που έχει υποστεί υποχώρηση έχει δηµιουργήσει ένα ανοικτό κανάλι σε ένα παχύ και συµπαγές οριζόντιο στρώµα Ψαµµίτη. Τα ρήγµατα λόγω ολίσθησης βαρύτητας και οι διακλάσεις που διαµορφώνονται από την ελαστική αναπήδηση από την εκτόνωση των τάσεων της βραχοµάζας µετά την αποσάθρωση και αποµάκρυνσή της, παράγουν πιθανές ζώνες για την κίνηση και ροή των υπόγειων νερών σε µία κοιλάδα διάβρωσης. Ένα ισχυρό σύστηµα ρηγµάτων καθιστά τις κρυσταλλικές βραχοµάζες υδροπερατές στην µια πλευρά µιας κοιλάδας. Μια ευρεία ζώνη ρηγµάτων ευνοεί την βαθιά κυκλοφορία των υπόγειων νερών κάτω από ένα φράγµα. Οι διακλασµένοι Ψαµµίτες και µια αποσαθρωµένη ζώνη κάτω από γωνιακή ασυµφωνία πετρωµάτων επιτρέπουν την εύκολη κυκλοφορία των υπόγειων νερών. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 208

209 Οι διακλασµένοι Ψαµµίτες σε ένα γεωαντίκλινο δηµιουργούν µια διαπερατή ζώνη παράλληλα προς την κοιλάδα. Οι πτυχωµένες και διακλασµένες βραχοµάζες και ένα ισχυρό ρήγµα δηµιουργούν µια ευνοϊκή συνθήκη για τη ροή των υπόγειων νερών. Μια καλυµµένη µε προσχωσιγενείς αποθέσεις διακλασµένη ζώνη σε κρυσταλλικές βραχοµάζες δηµιουργεί µια διαπερατή ζώνη για τα υπόγεια νερά. Οι διακλάσεις σε ένα εύθρυπτο στρώµα χαλαζίτη και ένα ρήγµα παράγουν διόδους ροής για την κίνηση και κυκλοφορία των υπόγειων νερών. Στοιχεία από: «Wahlstrom, Ernest Dams, Dam Foundations and Reservoir Sites» Υδρολογία των πληρωµένων ταµιευτήρων. Η αστοχία των πρανών στις πλευρές των ταµιευτήρων συχνά κατά τη διάρκεια του απότοµου αδειάσµατος (ή της γρήγορης εκκένωσης) όταν ο ταµιευτήρας είναι σχεδόν άδειος δεν προξενεί ανεξέλεγκτα προβλήµατα. Εντούτοις, περισσότερη ανησυχία προξενείτε όταν οι κατολισθήσεις και οι αστοχίες σε µία βραχοµάζα ή σε ένα εδαφικό υλικό στα πρανή ενός ταµιευτήρα πραγµατοποιηθούν σε έναν πληρωµένο ταµιευτήρα προκαλώντας µία ξαφνική καταστρεπτική υπερχείλιση του φράγµατος. Η πλήρωση ενός ταµιευτήρα προκαλεί µεταβολές στην πιεζοµετρική επιφάνεια των υπόγειων νερών στα παρακείµενα εδαφικά υλικά και τους υδροφόρους ορίζοντές τους. Μετά από µια χρονική περίοδο όταν ο ταµιευτήρας είναι πλήρης καθιερώνεται µία νέα πιεζοµετρική επιφάνεια στα υπόγεια νερά των παρακείµενων εδαφικών υλικών και στους υδροφόρους ορίζοντες της περιοχής η οποία συµπίπτει µε την νέα στάθµη της επιφάνειας του νερού στον ταµιευτήρα. Η πιεζοµετρική επιφάνεια των υπόγειων νερών είναι µια ελεύθερη επιφάνεια σε επαφή µε τα απλήρωτα διαστήµατα ή κενά ή πόρους των εδαφών ή πετρωµάτων, και οι αλλαγές «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 209

210 στην ατµοσφαιρική πίεση συνοδεύονται από τις αλλαγές στην πίεση νερού πόρων στη κορεσµένη ζώνη. Η δράση των κυµάτων σε ένα ταµιευτήρα υποσκάπτει επίσης τα πρανή και τα διαµορφώνει µε εντονότερες και πιο επικίνδυνες για κατολισθήσεις κλίσεις. Στοιχεία από: «Wahlstrom, Ernest Dams, Dam Foundations and Reservoir Sites». Σχήµα. Επιφανειακές προσχωσιγενείς αποθέσεις σε ένα φαράγγι διάβρωσης επάνω από κρυσταλλική βραχοµάζα. Ένας ταµιευτήρας τοποθετείται σε µία κοιλάδα παγετώδους προέλευσης µέσα σε κρυσταλλική βραχοµάζα. Οι πλευρικές παγετώδεις αποθέσεις (lateral morraines), που αποτελούνται από ένα αδιαβάθµιστο µίγµα µεγάλων και µικρών λίθων, χαλικιών, και κονιορτοποιηµένου πετρώµατος, έχουν αποτεθεί από τον παγετώνα που κατέλαβε την κοιλάδα υψηλά στις πλευρές της. Η πλήρωση του ταµιευτήρα προκαλεί µια άνοδο της στάθµης του νερού στις πλευρικές παγετώδεις αποθέσεις, και λόγω της εγκάρσιας διαµόρφωσης της κοιλάδας, αυξάνεται αρκετά η δυνατότητα για ξαφνική µετακίνηση προς τα κάτω ή κατολίσθηση του υλικού των πλευρικών παγετωδών αποθέσεων. Η αστοχία ή κατολίσθηση των πρανών µπορεί να εµφανιστεί οποιαδήποτε στιγµή. Στοιχεία από: «Wahlstrom, Ernest Dams, Dam Foundations and Reservoir Sites». Σχήµα. Κεκλιµένη µετακίνηση Ψαµµίτη και Αργιλικού Σχιστόλιθου ή Φυλλίτη. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 210

211 Το παραπάνω σχεδιάγραµµα δείχνει µία τοµή ενός υποβάθρου µίας βραχοµάζας σε ένα φαράγγι που διαβρώθηκε από ένα ρέµα σε µια κεκλιµένη εναλλαγή στρωµάτων από ψαµµίτη και αργιλικών σχιστόλιθων ή φυλλιτών πλουσίων σε ορυκτά αργίλου. Τα µη στερεοποιηµένα υλικά στα βραχώδη πρανή και οι προσχωσιγενείς αποθέσεις των ρεµάτων δεν παρουσιάζονται στο σχήµα. Το νερό από τον ταµιευτήρα, µετά από τη διήθησή του µέσω των ψαµµιτών, έρχεται σε επαφή µε τα στρώµατα του αργιλικού σχιστόλιθου ή του φυλλίτη για µια ιδιαίτερα µεγάλη απόσταση επί των πρανών του φαραγγιού, και µετά από αργή διήθησή του µέσω των αργιλικών σχιστόλιθων ή φυλλιτών, µειώνει πολύ τη αντοχή τους. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, δηµιουργείται µία ιδιαίτερα ασταθής συνθήκη για την ευστάθεια των πρανών του ταµιευτήρα, και ιδιαίτερα εκεί όπου τα ιζηµατογενή στρώµατα βυθίζονται ή κλίνουν προς τον ταµιευτήρα. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 211

212 ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 2. ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΤΗΣ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗΣ 3. ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΤΗΣ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗΣ 4. ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΟΥ Ε ΑΦΟΥΣ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗΣ 6.1. Εισαγωγή περί θεµελίωσης του φράγµατος. Τα θεµέλια ενός φράγµατος πρέπει να είναι σε θέση να αντισταθούν και να παραλάβουν τα φορτία εδράσεως χωρίς απαράδεκτες παραµορφώσεις λόγω των φορτίων που επιβάλλονται επάνω σε αυτά τόσο από τη κατασκευή όσο και αµέσως µετά από την πλήρωση του ταµιευτήρα µε νερό αλλά και µακροπρόθεσµα. Με το χρόνο, µπορεί να παρουσιαστεί υποβάθµιση στις γεωτεχνικές ιδιότητες και παραµέτρους των εδαφών θεµελίωσης από τον υδατοκορεσµό και την διείσδυση του νερού, αφού ως γνωστόν από την εδαφοµηχανική οι µαλακοί βράχοι και οι άργιλοι παρουσιάζουν συνήθως χαµηλότερες υπολειπόµενες αντοχές κάτω από συνθήκες συνεχόµενης φόρτισης απ' ό,τι κάτω από συνθήκες γρήγορων εργαστηριακών δοκιµών. Το τµήµα της βραχοµάζας ή του εδαφικού σχηµατισµού που είναι µέγιστης σπουδαιότητας είναι αυτό που βρίσκεται σε µία ζώνη πάχους 10 έως 20 m αµέσως κάτω από την έδραση του φράγµατος. Οι αρχές και οδηγίες του Terzaghi µπορούν να βρουν εφαρµογή και να ισχύσουν και για τις δοκιµές θεµελίωσης: «...λόγω των αναπόφευκτων αβεβαιοτήτων που περιλαµβάνονται στις θεµελιώδεις παραδοχές των σχετικών θεωριών και στις αριθµητικές τιµές των εδαφοµηχανικών παραµέτρων, ιδιοτήτων και σταθερών, η απλότητα και η κρίση ενός έµπειρου γεωτεχνικού µηχανικού ή γεωλόγου είναι πολύ µεγαλύτερης σπουδαιότητας από ότι η ακρίβεια λεπτοµερών και πολύπλοκων υπολογισµών εκφραζόµενη µε πολλά δεκαδικά ψηφία». Ο υπεύθυνος µηχανικός θα πρέπει να χρησιµοποιήσει όλα τα διαθέσιµα στοιχεία, δεδοµένα και πληροφόρηση, που επικεντρώνονται στην ζώνη θεµελίωσης του φράγµατος που εµφανίζονται αδύνατες ή υποβαθµισµένες και οι οποίες θα είναι υποβληθούν σε εντατική κατάσταση µόλις φορτιστούν. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 212

213 6.2. Προετοιµασία της θεµελίωσης του φράγµατος Εισαγωγή. Εάν είναι οικονοµικά εφικτό, όλο το εδαφικό υλικό κάτω από τη βάση εδράσεως ενός προτεινόµενου φράγµατος που θα µπορούσε να προκαλέσει υπερβολικές καθιζήσεις είτε ελαστικές άµεσες είτε µακροπρόθεσµες λόγω στερεοποίησης, καθώς και διαρροή και διαφυγή νερού λόγω υπερβολικής διήθησης θα πρέπει να αφαιρείται. Εάν αυτό δεν µπορεί να γίνει εφικτό, ο σχεδιασµός του φράγµατος θα πρέπει να τροποποιηθεί ώστε να λάβει υπόψη του τα εδαφικά αυτά υλικά. Μερικές φορές µπορεί να είναι απαραίτητο να εκσκαφθούν και να αποµακρυνθούν τα υλικά αυτά σε ιδιαίτερα µεγάλα βάθη σε µεµονωµένες ζώνες της θεµελίωσης. Αυτό είναι γνωστό διεθνώς ως «οδοντική εργασία». Η γενική και συνολική αφαίρεση των υλικών καλείται «απογύµνωση γαιωδών υλικών και αποσαθρωµένου µανδύα», ενώ η επιλεκτική αφαίρεση των χαλαρών µόνο τµηµάτων της βραχοµάζας στα αντερείσµατα καλείται «ξελέπισµα». Ο γεωλόγος µηχανικός ή ο γεωτεχνικός µηχανικός θα πρέπει να καθορίσει το αναµενόµενο βάθος της µη υγιούς και αποσαθρωµένης ακατάλληλης και ασθενούς βραχοµάζας ή των υπερκείµενων εδαφικών προσχωσιγενών υλικών που πρέπει να αφαιρεθεί πριν από την θεµελίωση και κατασκευή του φράγµατος Πρόγραµµα θεµελίωσης. Ένα οργανωµένο πρόγραµµα εκσκαφών για την θεµελίωση του φράγµατος θα πρέπει να αρχίσει µε την άποψη ότι ο συνολικός όγκος της εκσκαφής και η διαµόρφωση της εκσκαφής θα προσεγγίσει σε κάποιον ικανοποιητικό βαθµό τον σχεδιασµό και τις προδιαγραφές που ετέθησαν κατά την φάση της µελέτης του φράγµατος. Είναι ευθύνη του επιβλέποντος µηχανικού κατά την κατασκευή του φράγµατος ώστε να εξασφαλίσει ότι οι κλίσεις των πρανών για τις εκσκαφές θεµελίωσης του φράγµατος θα είναι ευσταθείς µακροπρόθεσµα ή ότι τουλάχιστον δεν θα αστοχήσουν καθ όλη την διάρκεια της κατασκευής. Σαν γενικός κανόνας µπορεί να εφαρµοστεί ότι σε γαιώδη (εδαφικά όχι βραχώδη) πρανή, κλίσεις της τάξης των 1,5 : 1 έως 2 : 1 (µήκος / ύψος) µπορούν να εκσκαφθούν µε ασφάλεια για µόνιµα πρανή, και κλίσεις της τάξης του 1 : 1 µπορούν να προδιαγραφούν για προσωρινά πρανή, εκτός εάν αναµένονται ασυνήθιστες εδαφικές συνθήκες, όπου θα πρέπει να πραγµατοποιείται πολυπαραµετρική ανάλυση και διερεύνηση της ευστάθειας ανυποστήρικτων κεκλιµένων πρανών εκσκαφής µε τη µέθοδο των λωρίδων κατά BISHOP ή JANBU ή KREY ή MORGENSTERN, έναντι περιστροφικής αστοχίας ολίσθησης, για το εξεταζόµενο βάθος εκσκαφής, και στην συνέχεια ακριβής προσδιορισµός της µέγιστης ασφαλούς γωνίας κοπής και διαµόρφωσης των κεκλιµένων πρανών εκσκαφής, ώστε να εξασφαλίζεται η απαιτούµενη ευστάθεια και ασφάλεια των πρανών αυτών εκσκαφής. Στα στρώµατα της ισχυρής βραχοµάζας του υποβάθρου θεµελίωσης του φράγµατος τα οποία δεν είναι έντονα διακλασµένα ή δεν περιέχουν κεκλιµένα επίπεδα πιθανής ολίσθησης, όπως είναι π.χ. τα επίπεδα στρώσης ή οι επιφάνειες αδυναµίας «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 213

214 στα ασθενή πετρώµατα, τα πρανή εκσκαφής µπορούν να εκσκάπτονται και να διαµορφώνονται σε κλίσεις µέχρι και κατακόρυφης γωνίας ως προς το οριζόντιο επίπεδο Προβληµατικά υλικά θεµελίωσης. Στις θεµελιώσεις επί µη στερεοποιηµένων εδαφικών υλικών η εκσκαφή των φυσικών εδαφικών αποθέσεων µπορεί να αποκαλύψει υλικά θεµελίωσης µε πολύ υποβαθµισµένες γεωτεχνικές ιδιότητες τόσο σε τοπικά τµήµατα της θεµελίωσης όσο και στην ευρύτερη περιοχή της τα οποία απαιτούν ειδική επεξεργασία ή και συνολική εκσκαφή, αφαίρεση και αποµάκρυνση. Ακατάλληλα ή ανεπαρκών ιδιοτήτων υλικά, πλούσια σε οργανικές προσµίξεις, όπως π.χ. το επιφανειακό χουµικό έδαφος, τα απορρίµµατα ή η τύρφη, οι χαλαρές αποθέσεις άµµου ή ιλύος, οι συγκεντρώσεις πλευρικών κορηµάτων, και οι υψηλής πλαστικότητας, ενεργές, ευαίσθητες, ή διογκούµενες µαλακές άργιλοι. Οι καλούµενες κακές συνθήκες θεµελίωσης σε πτωχές βραχοµάζες, συνδέονται συνήθως µε πυκνή ρωγµάτωση (πυκνό δίκτυο διακλάσεων) της βραχοµάζας, έντονη αποσάθρωση ή υδροθερµική εξαλλοίωση, ή πτωχής διαγένεσης ιζηµατογενείς βραχοµάζες Εκσκαφή στο στρώµα του βραχώδους υποβάθρου. Ο στόχος της εκσκαφής για την θεµελίωση είναι η προετοιµασία µιας καθαρής επιφάνειας που θα παράσχει τη βέλτιστη επαφή και συνάφεια µε τα δοµικά υλικά κατασκευής του φράγµατος, που αποτελούνται είτε από γαιώδη (εδαφικά) υλικά είτε από σκυρόδεµα, και πρόκειται να εδραστούν επί της επιφάνειας αυτής. Εποµένως οι εκσκαφές στο στρώµα της ισχυρής και συµπαγούς βραχοµάζας του υποβάθρου θα πρέπει να επεκταθούν έως την συµπαγή και υγιή (µη αποσαθρωµένη) βραχοµάζα. Οποιεσδήποτε πολύ διακλασµένες ζώνες της βραχοµάζας που επεκτείνονται προς τα κάτω στον χώρο θεµελίωσης του φράγµατος, ειδικά εάν περιέχουν µαλακά εξαλλοιωµένα υλικά όπως π.χ. µια αργιλική µυλωνιτιωµένη ζώνη ή άλλα προϊόντα εξαλλοίωσης και αποσάθρωσης, πρέπει να εκσκαφτούν και να αποµακρυνθούν από τον χώρο θεµελίωσης εφόσον φυσικά αυτό είναι οικονοµικά εφικτό. Η παρατεταµένη έκθεση τόσο των γαιωδών (εδαφικών) όσο και βραχωδών υλικών θεµελίωσης στην ατµόσφαιρα ή στο νερό οδηγεί συχνά στην γεωτεχνική υποβάθµισή τους από ενυδάτωση, αποξήρανση και αφυδάτωση, δράση παγετού, συρρίκνωση και διόγκωση µε αλλαγές στη θερµοκρασία. Είναι ορθή πρακτική να προστατευθούν οι αντιδραστικές επιφάνειες που θα εκτεθούν για µακριές χρονικές περιόδους σε ασφαλτούχα υλικά. Εναλλακτικά, η αρχική κάλυψη των σαθρών και ακατάλληλων υλικών θεµελίωσης δεν αφαιρείται µέχρι την έναρξη του «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 214

215 οριστικού καθαρισµού της επιφάνειας θεµελίωσης του φράγµατος και ακριβώς πριν από την κατασκευή της θεµελίωσης του φράγµατος Κατασκευή στις µη στερεοποιηµένες εδαφικές αποθέσεις. Σε ένα ιδανικό χώρο θεµελίωσης ενός φράγµατος, οι εκσκαφές στις µη στερεοποιηµένες εδαφικές αποθέσεις πρέπει να επεκταθούν έως το συµπαγές και ισχυρό στρώµα του βραχώδους υποβάθρου σε όλο το πλάτος θεµελίωσης του φράγµατος, άσχετα από το εάν κατασκευάζεται ως φράγµα βαρύτητας από σκυρόδεµα ή ως χωµάτινο ή λιθόριπτο φράγµα. Εντούτοις, υπάρχουν πολλές θέσεις όπου το βάθος των σαθρών προσχωσιγενών αλλουβιακών αποθέσεων της κοιλάδας είναι τόσο µεγάλο όπου τα φράγµατα πρέπει να κατασκευαστούν είτε εν µέρει είτε εξ ολοκλήρου επί των µη στερεοποιηµένων εδαφικών αποθέσεων. Όπου αναπτύσσονται τέτοιες εδαφικές συνθήκες θεµελίωσης θα πρέπει να λαµβάνονται τα µέτρα εκείνα για να βελτιώνονται οι εδαφοµηχανικές ιδιότητες των υλικών θεµελίωσης και για να µειώνονται οι υπόγειες διηθήσεις σε αποδεκτά επίπεδα. Εκτός από τα χαµηλά φράγµατα µικρού συνολικού βάρους, τα φράγµατα βαρύτητας από σκυρόδεµα δεν µπορούν γενικά να κατασκευαστούν επί των µη στερεοποιηµένων εδαφικών αποθέσεων, λόγω της γενικά χαµηλής φέρουσας ικανότητάς τους, της υψηλής παραµορφωσιµότητάς τους και της υψηλής υδροπερατότητάς τους. Τα µεγαλύτερα φράγµατα που κατασκευάζονται εξ ολοκλήρου ή εν µέρει επί των µη στερεοποιηµένων εδαφικών αποθέσεων θα πρέπει χωρίς εξαίρεση, να είναι χωµάτινα ή λιθόριπτα φράγµατα µε την δυνατότητα να προσαρµοστούν στις καθιζήσεις λόγω στερεοποίησης των εδαφικών υλικών θεµελίωσης του φράγµατος Σκυρόδεµα. Προετοιµασία των θεµελίων. Η έκταση της εργασίας που είναι απαραίτητη στις θεµελιώσεις για ένα φράγµα βαρύτητας από σκυρόδεµα θα καθοριστεί από δύο κύριους παράγοντες: την αντοχή του εδάφους θεµελίωσης να παραλάβει τα φορτία που θα επιβληθούν από το φράγµα και το νερό στον ταµιευτήρα, και την επίδραση του νερού που θα εισέρχεται στο έδαφος θεµελίωσης κάτω από υψηλή πίεση από τον ταµιευτήρα. Γενικά η γεωτεχνική ποιότητα του υπεδάφους θεµελίωσης για ένα φράγµα βαρύτητας από σκυρόδεµα συνήθως βελτιώνεται µε το βάθος της εκσκαφής, ενώ η γεωτεχνική ποιότητα του υπεδάφους στα αντερείσµατα για ένα τοξωτό φράγµα συχνά δεν βελτιώνεται µε την απόσταση που εκσκάπτεται προς το βάθος των πρανών της κοιλάδας. Η υποβάθµιση του υπεδάφους λόγω ύπαρξης αργιλικού εδάφους θα µπορούσε να θέσει σε κίνδυνο το φράγµα ή/και να οδηγήσει στην κατάρρευση των αντερεισµάτων του στην κατάντη του φράγµατος περιοχή. Συχνά η πορεία ενός ποταµού καθορίζεται συνήθως από τα γεωλογικά ρήγµατα ή και από επιφάνειες αδυναµίες στην βραχοµάζα και εποµένως «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 215

216 αποδεικνύεται ότι η κοίτη ενός ποταµού δίδει εξαιρετικά σηµαντικές πληροφορίες και στοιχεία κατά το στάδιο της ερευνητικής φάσης για την µελέτη ενός φράγµατος. Το βάθος που θα πρέπει να εκσκαφθεί εξαρτάται από τη φύση του υπερκείµενου εδαφικού προσχωσιγενούς υλικού ή και του µανδύα αποσάθρωσης της βραχοµάζας, το σχήµα της ζώνης που πρέπει να εκσκαφθεί, και το βάθος του διακόπτη στεγάνωσης νερού (Cutoff) που απαιτείται να εξασφαλίσει µια αποδεκτή υδραυλική κλίση αφότου γεµίσει ο ταµιευτήρας µε νερό. Πολλές φορές τα φράγµατα βαρύτητας από σκυρόδεµα προβλέπεται να κατασκευαστούν σε υπεδάφη θεµελίωσης διαφορετικά από συµπαγές και ισχυρές βραχοµάζες, όπως π.χ. αργιλόµαργες, αργιλίτες, πηλίτες, αργιλικοί σχιστόλιθοι και φυλλίτες, παγετώδεις αποθέσεις ή ακόµα και σε άµµους από τις ποτάµιες αλλουβιακές αποθέσεις. Κάθε περίπτωση θα πρέπει τα εδάφη να εξετάζονται σε σχέση µε τη υδροπερατότητα, τις καθιζήσεις λόγω στερεοποίησης (παραµορφωσιµότητα), την φέρουσα ικανότητα (κατακόρυφη και οριζόντια), και την ευστάθεια των πρανών. Η τελική προετοιµασία της θεµελίωσης θα πρέπει να πραγµατοποιείται ακριβώς πριν από την τοποθέτηση του σκυροδέµατος. Η τελική προετοιµασία θα πρέπει να περιλαµβάνει την εκσκαφή, αφαίρεση και αποµάκρυνση της χαλαρής επιφανειακής βραχοµάζας και όλων των σαθρών υλικών, την εκτράχυνση (αγρίεµα) της οµαλής επιφάνειας της βραχοµάζας θεµελίωσης, και την αποµάκρυνση από την επιφάνεια εργασίας όλου του υπερβολικού νερού από τις µικρολίµνες έτσι ώστε να δηµιουργηθεί µια καθαρή και υγρή µόνο επιφάνεια για να δεχθεί το σκυρόδεµα θεµελίωσης του φράγµατος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 216

217 6.3. Σχεδιασµός θεµελίωσης. 1. Πιέσεις και τάσεις που συνδέονται µε τα φράγµατα και τους ταµιευτήρες τους. 2. Πιθανοί µηχανισµοί της αστοχίας της θεµελίωσης. 3. Γεωλογικές γεωτεχνικές συνθήκες και παράγοντες που επηρεάζουν την αστοχία της θεµελίωσης. 4. Φέρουσα ικανότητα εδάφους θεµελίωσης. 5. ιήθηση νερού. 6. Καθιζήσεις Πιέσεις και τάσεις που συνδέονται µε τα φράγµατα και τους ταµιευτήρες τους. Η κατασκευή ενός φράγµατος και η πλήρωση του ταµιευτήρα πίσω από το φράγµα δηµιουργεί τάσεις λόγω των επιβαλλόµενων φορτίων στο δάπεδο και στις πλευρές (πρανή) µιας κοιλάδας που δεν υπήρχαν πριν την κατασκευή του φράγµατος. Τα είδη και οι κατανοµές των επιβαλλόµενων τάσεων που δηµιουργούνται επί του υπεδάφους θεµελίωσης από την κατασκευή του φράγµατος εξαρτώνται από τον τύπο και το σχήµα του φράγµατος, καθώς και από τα υλικά που χρησιµοποιούνται για την κατασκευή του. Τα φράγµατα βαρύτητας που κατασκευάζονται από αρµολογηµένους λίθους ή από σκυρόδεµα µπορούν να θεωρηθούν ότι συµπεριφέρονται ως συνεκτικές, άκαµπτες, µονολιθικές δοµές. Οι τάσεις που ενεργούν επί της θεµελίωσης του φράγµατος είναι µια συνάρτηση του ολικού βάρους του φράγµατος όπως κατανέµονται επί της συνολικής επιφάνειας της θεµελίωσης επί της οποίας εδράζεται το φράγµα. Τα χωµάτινα ή τα λιθόριπτα φράγµατα παρουσιάζουν µία γενική ηµιπλαστική συµπεριφορά, και η τάση επί της θεµελίωσης σε οποιοδήποτε σηµείο εξαρτάται από το πάχος του φράγµατος επάνω από το σηµείο αυτό. Οι πιέσεις που εξασκούνται από τα χωµάτινα ή τα λιθόριπτα φράγµατα µοιάζουν κατά κάποιον τρόπο µε εκείνες που ασκούνται από το νερό σε ένα ταµιευτήρα, αλλά η κατανοµή της πίεσης τροποποιείται από το γεγονός ότι τα υλικά της κατασκευής του φράγµατος έχουν κάποια εσωτερική αντοχή, και αστοχούν µόνο όταν έχει ξεπεραστεί κάποια οριακή τάση. Οι πιέσεις που ασκούνται από το νερό στο ταµιευτήρα πίσω από ένα φράγµα είναι υδροστατικές και αυξάνουν γραµµικά µε το βάθος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 217

218 Σχήµα. Πιέσεις λόγω ύπαρξης νερού σε ένα ταµιευτήρα. Οι πιέσεις είναι υδροστατικές και αυξάνουν µε το βάθος. Με την παραδοχή ότι οι πιέσεις κατευθύνονται κάθετα στο δάπεδο και στις πλευρές (πρανή) του ταµιευτήρα, απεικονίζονται ως διανύσµατα αυξανόµενου µεγέθους µε το βάθος. Σχήµα. Τάσεις από το βάρος ενός άκαµπτου φράγµατος βαρύτητας από σκυρόδεµα. Οι τάσεις λόγω του νεκρού βάρους ενός φράγµατος βαρύτητας από σκυρόδεµα κατανέµονται επί της συνολικής επιφάνειας της θεµελίωσης και απεικονίζεται ως διανύσµατα κάθετα στην επιφάνεια του εδάφους κάτω από την ζώνη έδρασης του φράγµατος. Τα µεγέθη τους είναι ουσιαστικά στατικά, και εξαρτώνται µόνο από το ίδιον βάρος του φράγµατος και την έκταση της ζώνης θεµελίωσης. Το νερό εξασκεί υδροστατικές πιέσεις όχι µόνο στο δάπεδο και στα πρανή ενός ταµιευτήρα, αλλά και στο ανάντη µέτωπο του σώµατος ενός φράγµατος. Όπου D είναι το βάθος του νερού σε ένα ταµιευτήρα, P είναι η υδροστατική πίεση ανά µονάδα επιφάνειας που εφαρµόζεται επί του κατακόρυφου µετώπου ενός φράγµατος βαρύτητας από σκυρόδεµα που υποτίθεται ότι συµπεριφέρεται ως ολόσωµο άκαµπτο σώµα. Η µεταβολή της πίεσης µε το βάθος (κατά την διεύθυνση y) δίνεται από τον τύπο: dp / dy = ρg, όπου ρ είναι η πυκνότητα του νερού και g είναι η επιτάχυνση της βαρύτητας. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 218

219 Σχήµα. υνάµεις που εφαρµόζονται σε ένα άκαµπτο φράγµα λόγω των υδροστατικών πιέσεων. Η Ροπή ως προς το σηµείο 0 προκύπτει µετά τις πράξεις ότι ισούται µε ρ g D³ / 6. Η συνισταµένη πίεση προκύπτει µετά τις πράξεις ότι ισούται µε ρ g D² / 2. Στους υπολογισµούς της ανάλυσης της ευστάθειας του σώµατος του φράγµατος η ροπή που τείνει να περιστρέψει το φράγµα γύρω από το σηµείο (0) θα πρέπει να προστεθεί στην τάση του φράγµατος να περιστραφεί κατά την ίδια διεύθυνση γύρω από το ίδιο σηµείο (0) και από τις δυνάµεις ανύψωσης ή υποπίεσης που αναπτύσσονται λόγω των δυνάµεων διήθησης κάτω από την ζώνη θεµελίωσης του φράγµατος. Το παραπάνω σχήµα επεξηγεί διαγραµµατικά ένα χωµάτινο φράγµα, που είναι µια εύκαµπτη κατασκευή η οποία κάτω από καθεστώς τάσεων ή «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 219

220 πιέσεων συµπεριφέρεται ως ηµιπλαστική. Λόγω των σχετικά εύκολων εσωτερικών προσαρµογών µετακίνησης στα φορτία, η πίεση που εξασκείται στη θεµελίωση είναι περίπου ίση µε το βάρος του υπερκείµενου πρίσµατος του υλικού των διαφορετικών υψών του σώµατος του φράγµατος. Οι πιέσεις που εξασκούνται επί του σώµατος του φράγµατος από το νερό του ταµιευτήρα τείνουν να προκαλέσουν µεγαλύτερες προσαρµογές µετακίνησης κοντά στη βάση του φράγµατος απ' ότι σε ρηχότερα βάθη. Παραπάνω παρουσιάζεται µία εγκάρσια τοµή ενός φράγµατος βαρύτητας από σκυρόδεµα, που θεωρείται ότι συµπεριφέρεται ως άκαµπτο σώµα. Όταν ο ταµιευτήρας είναι κενός νερού, η συνισταµένη των δυνάµεων, που οφείλεται µόνο στο βάρος του φράγµατος, έχει διεύθυνση κατακόρυφη και προς τα κάτω. Όταν ο ταµιευτήρας είναι πλήρης νερού, ο συνδυασµός της υδροστατικής πίεσης στο ανάντη µέτωπο του φράγµατος και το βάρος του φράγµατος παράγει ένα διάνυσµα δύναµης που κλίνουν προς την κατάντη πλευρά του φράγµατος µακριά από το κατακόρυφο διάνυσµα της δύναµης, και δηµιουργείται µια τάση στο φράγµα όχι µόνο να µετατοπιστεί ή ολισθήσει προς την κατάντη πλευρά, αλλά και να περιστραφεί γύρω από το κατάντη άκρο ή µύτη ή έρεισµα (toe) του σώµατος του φράγµατος λόγω της αναπτυσσόµενης ροπής γύρω από το σηµείο αυτό. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 220

221 Τα παραπάνω σχήµατα παρουσιάζουν διανύσµατα δύναµης για κενούς νερού και πληρωµένους ταµιευτήρες πίσω από τοξωτά φράγµατα σκυροδέµατος. Αντίθετα από τα φράγµατα βαρύτητας, τα τοξωτά φράγµατα λόγω της επίδρασης του τόξου τείνουν να αντισταθούν στην προς τα κατάντη µετατόπισή τους και, αντ' αυτού, µεταβιβάζουν στις δυνάµεις µετατόπισης πλευρικά, µέσω του σώµατος του τόξου του φράγµατος, προς τα αντερείσµατα. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 221

222 Πιθανοί µηχανισµοί της αστοχίας της θεµελίωσης. Γενικά, οι αστοχίες στις επίπεδες, σχεδόν οριζόντιες θεµελιώσεις των χωµάτινων και λιθόριπτων φραγµάτων δεν είναι αποτέλεσµα διατµητικών µετατοπίσεων εξ αιτίας της φόρτισης του φράγµατος. Αντιθέτως, οι θεµελιώσεις αστοχούν είτε λόγω της ανεπαρκούς επεξεργασίας ως προς τη διήθηση νερού, µέσα στο φράγµα ή/και κάτω από αυτό, είτε ως συνεπεία της κατασκευής ενός φράγµατος σε µία θεµελίωση που κλίνει έντονα προς την ανάντη ή την κατάντη πλευρά. Το παρακάτω σχήµα παρουσιάζει έναν µηχανισµό αστοχίας της θεµελίωσης κάτω από την φόρτιση ενός φράγµατος που έχει χρησιµοποιηθεί ευρέως στην ανάλυση της φέρουσας ικανότητας των εδαφών. Αυτός ο µηχανισµός ανταποκρίνεται στην ανάλυση µε την εφαρµογή της θεωρίας του Mohr περί διατµητικής αστοχίας της θεµελίωσης που αποκαλείται ως «πλαστική µέθοδος ανάλυσης της φέρουσας ικανότητας. Στοιχεία σχεδίου από «Wahlstrom, Ernest Dams, Dam Foundations and Reservoir Site». Σχήµα. «Πλαστικός» µηχανισµός διατµητικής αστοχίας των εδαφικών υλικών θεµελίωσης. Το φορτίο έχει κατακόρυφη διεύθυνση. Για ένα φορτίο που έχει κατακόρυφη προς τα κάτω διεύθυνση έχει αποδειχθεί µε εκπόνηση πρότυπων µελετών ότι διαµορφώνεται µια συµµετρική σφήνα από την διατµητική µετατόπιση. Η επέκταση των διατµητικών αυτών επιφανειών που οριοθετούν τη σφήνα, αρχικά ως κυρτές επιφάνειες και κατόπιν ως επίπεδες επιφάνειες που τέµνουν την επιφάνεια του εδάφους, αποδίδει τον µηχανισµό της διατµητικής αστοχίας κατά µήκος των συµµετρικά µετακινούµενων επιφανειών κάτω από το φράγµα. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 222

223 Στοιχεία σχεδίου από «Wahlstrom, Ernest Dams, Dam Foundations and Reservoir Site». Σχήµα. «Πλαστικός» µηχανισµός διατµητικής αστοχίας των εδαφικών υλικών θεµελίωσης. Το φορτίο έχει ασυµµετρική διεύθυνση. Το παραπάνω σχήµα παρουσιάζει τις συνέπειες της εφαρµογής ενός κεκλιµένου φορτίου, είτε λόγω ύπαρξης µίας κεκλιµένης επιφάνειας στη βάση του φράγµατος είτε λόγω του αποτελέσµατος της αλληλεπίδρασης µεταξύ του κατακόρυφου φορτίου που επιβάλλεται από το βάρος του φράγµατος και της οριζόντιας πίεσης που ασκείται στο σώµα του φράγµατος από την υδροστατική πίεση του νερού στο ταµιευτήρα. Το αποτέλεσµα της ανάπτυξης της κεκλιµένης φόρτισης είναι µια τάση να αναπτυχθεί µία διατµητική µετατόπιση κατά µήκος κάποιας ενιαίας επιφάνειας που τέµνει τη επιφάνεια του εδάφους κατάντη της ζώνης θεµελίωσης του φράγµατος. Εάν υφίστανται προϋπάρχοντα επίπεδα αδυναµίας κατάλληλου προσανατολισµού στα εδαφικά υλικά θεµελίωσης του φράγµατος, θα πρέπει να αναµένεται ότι οι διατµητικές επιφάνειες θα εκτραπούν προς αυτά Γεωλογικές γεωτεχνικές συνθήκες και παράγοντες που επηρεάζουν την αστοχία της θεµελίωσης. Οι γεωλογικές και γεωτεχνικές συνθήκες που θα πρέπει να αποφεύγονται να υφίστανται στην ζώνη θεµελίωσης ενός φράγµατος βαρύτητας από σκυρόδεµα περιγράφονται συνοπτικά και απεικονίζονται γραφικά στην συνέχεια. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 223

224 Εύθρυπτοι, διακλασµένοι ψαµµίτες που υπέρκεινται ενός µαλακού στρώµατος µάργας ή αργίλου ή αργιλικού σχιστόλιθου ή φυλλίτη που βυθίζεται (κλίνει) προς την ανάντη πλευρά του φράγµατος. Οριζόντια διαστρωµένοι ασβεστόλιθοι που υπέρκεινται ενός µαλακού στρώµατος µάργας ή αργίλου ή αργιλικού σχιστόλιθου ή φυλλίτη που επεκτείνεται προς την κατάντη πλευρά του φράγµατος και παρουσιάζει µια έντονη κλίση προς το δάπεδο της κοιλάδας. ιακλασµένες κρυσταλλικές (µεταµορφωσιγενείς) βραχοµάζες που βρίσκονται επάνω από ένα επίπεδο ρήγµα που περιέχει επιφάνειες διάτµησης πληρωµένες µε µυλωνητιωµένα αργιλικά υλικά πολύ χαµηλής διατµητικής αντοχής. Αλληλοτεµνόµενα συστήµατα ή οµάδες διακλάσεων που έχουν τέτοιο προσανατολισµό (παράταξη και κλίση) που ευνοείται εύκολα η µαζική διατµητική τους µετατόπιση ή / και «αποσφήνωση». Ιζηµατογενείς βραχοµάζες που βυθίζονται (κλίνουν) προς την κατάντη πλευρά του φράγµατος και τέµνονται από ένα ρήγµα που βυθίζεται (κλίνει) προς την ανάντη πλευρά του φράγµατος και περιέχει µία ζώνη πληρωµένη µε υλικά χαµηλής διατµητικής αντοχής. Οι πτυχωµένες βραχοµάζες που περιέχουν ενδιαστρωµένα λεπτά και µαλακά στρώµατα µάργας ή αργίλου ή αργιλικού σχιστόλιθου ή φυλλίτη παρουσιάζουν επίσης µια δυνατότητα ανάπτυξης αστοχίας στην ζώνη θεµελίωσης ενός φράγµατος. Συνήθως η εµφάνιση αστοχιών, µε την µορφή κατολισθήσεων, στα πρανή που αναπτύσσονται στα αντερείσµατα (κατά την διεύθυνση του άξονα ενός φράγµατος) που διαταράσσουν ή µετατοπίζουν τα αντερείσµατα του «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 224

225 σώµατος ενός φράγµατος είναι σπάνιο φαινόµενο. Στα φράγµατα βαρύτητας από σκυρόδεµα στα οποία οι κλίσεις των πρανών στις περιοχές των αντερεισµάτων τους διατηρούνται ευσταθείς κατά τη διάρκεια των εκσκαφών για την θεµελίωση του σώµατος του φράγµατος, η πιθανότητα µετακίνησης των πρανών λόγω κατολισθήσεων κατά µήκος των επιφανειών που τέµνουν την θεµελίωση του φράγµατος θεωρείται χαµηλή επειδή ενισχύεται η ευστάθειά τους από το ίδιον βάρος, την αντοχή και την αντιστήριξη που παρέχει το σώµα του φράγµατος. Εντούτοις, υπάρχει η πιθανότητα να αστοχήσουν τα πρανή που βρίσκονται επάνω από την στέψη ή κορυφή του φράγµατος, ειδικά σε έντονες και βαθιές κοιλάδες, µε αποτέλεσµα ακόµα και να θάψουν τις κατασκευές και τα έργα υποδοµής του φράγµατος µε τα συντρίµµια βράχου ή/και εδάφους που θα προέλθουν από την αστοχία και κατολίσθηση. Το παραπάνω σχήµα απεικονίζει τις συνθήκες που ευνοούν και προωθούν την πιθανή αστοχία των πρανών κάτω από τα αντερείσµατα ενός χωµάτινου ή λιθόριπτου φράγµατος κατά µήκος καµπυλών διατµητικών επιφανειών. Η ύπαρξη µαλακών στρωµάτων µάργας ή αργίλου ή αργιλικού σχιστόλιθου ή φυλλίτη κάτω από ένα ισχυρό και συµπαγές στρώµα ψαµµίτη ή ασβεστόλιθου µπορεί να αποδυναµωθεί και να υποβαθµιστεί εδαφοµηχανικά περαιτέρω λόγω της διαφυγής και διήθησης του νερού από τον ταµιευτήρα Φέρουσα ικανότητα του εδάφους θεµελίωσης. Για να αποτραπεί κάποια διατµητική αστοχία στην ζώνη έδρασης του φράγµατος, οι επιβαλλόµενες τάσεις θεµελίωσης που χρησιµοποιούνται κατά τον σχεδιασµό θα πρέπει να έχουν έναν επαρκή συντελεστή ασφάλειας (F.S.) σε σχέση µε την µέγιστη φέρουσα ικανότητα του εδάφους θεµελίωσης. Εποµένως για να αποφευχθεί κάποια αστοχία στην θεµελίωση θα πρέπει να εφαρµοστεί κάποιος συντελεστής ασφάλειας επί της µέγιστης υπολογιζόµενης φέρουσας ικανότητα του εδάφους «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 225

226 θεµελίωσης, και η τιµή που προκύπτει µε την εφαρµογή του συντελεστή ασφάλειας καλείται η ασφαλής φέρουσα ικανότητα του εδάφους θεµελίωσης. Η µέγιστη φέρουσα ικανότητα του εδάφους θεµελίωσης ορίζεται ως η µικρότερη εκείνη τάση η οποία θα προκαλούσε να προκαλέσει διατµητική αστοχία του υποκείµενου εδάφους αµέσως κάτω από και δίπλα σε µία θεµελίωση µιας κατασκευής, στην προκειµένη περίπτωση του φράγµατος. Παρόλα αυτή, η επιβολή ακόµα και αυτής της τιµής της ασφαλούς φέρουσας ικανότητας του εδάφους θεµελίωσης µπορεί να σηµάνει και υψηλό κίνδυνο υπερβολικών και µη αποδεκτών ελαστικών ή / και λόγω στερεοποίησης καθιζήσεων ή ακόµα και διαφορικών καθιζήσεων λόγω στερεοποίησης του εδάφους θεµελίωσης. Κατά συνέπεια η επιτρεπόµενη φέρουσα ικανότητα που χρησιµοποιείται κατά τον σχεδιασµό θα πρέπει να λαµβάνει υπόψη της και όλες τις πιθανότητες εµφάνισης µη αποδεκτών µετακινήσεων και παραµορφώσεων του εδάφους θεµελίωσης, όπως π.χ. ανάπτυξη µη αποδεκτών ελαστικών καθιζήσεων, καθιζήσεων λόγω στερεοποίησης, απαράδεκτων διαφορικών καθιζήσεων, κλπ, και εποµένως η τιµή της αποδεκτής και επιτρεπόµενης φέρουσας ικανότητας που θα προκύψει τελικά θα είναι κανονικά µικρότερη από αυτή της ασφαλούς φέρουσας ικανότητας ώστε να λαµβάνει υπόψη της και τους περιορισµούς λόγω καθιζήσεων και παραµορφώσεων γενικότερα ιήθηση νερού - Εισαγωγή. Η διαρροή και διήθηση νερού κάτω από ένα χωµάτινο φράγµα είναι πολύ πιο επικίνδυνη από την διαρροή και διήθηση κάτω από ένα φράγµα βαρύτητας από σκυρόδεµα, δεδοµένου ότι τα αναχώµατα κατασκευάζονται συνήθως επάνω σε µαλακά εδαφικά υλικά που είναι επιρρεπή στην διάβρωση και υποσκαφή από την υπόγεια ροή του νερού και είναι επίσης τρωτά στην εισροή του νερού, ενώ ένα φράγµα βαρύτητας από σκυρόδεµα κατασκευάζεται συνήθως επάνω σε µία ισχυρή και συµπαγή βραχοµάζα η οποία δεν διαβρώνεται τόσο εύκολα και γρήγορα από την διαβρωτική δράση του νερού, όπου ακόµα και εάν το φράγµα είναι ελαττωµατικό δεν θα τεθεί απαραιτήτως σε κίνδυνο από τη διαρροή και διήθηση του νερού µέσω ή ακόµα και κάτω από αυτό Βασικά προβλήµατα διήθησης νερού. Το αποθηκευµένο νερό πίσω από τα φράγµατα, προκαλεί τρία βασικά προβλήµατα διήθησης νερού, τα οποία µπορούν να οδηγήσουν σε δυσκολίες λειτουργίας του φράγµατος, και στις σοβαρότερες περιπτώσεις ακόµα και στην συνολική αστοχία του φράγµατος. 1. Το πρόβληµα της «διασωλήνωσης» (piping effects) το οποίο εµφανίζεται όταν το νερό παρασύρει τα λεπτόκοκκα εδαφικά σωµατίδια και στην συνέχεια τα µετακινεί και τα αποµακρύνει από το έδαφος θεµελίωσης του φράγµατος ή από το σώµα του φράγµατος µέσω µη προστατευµένων εξόδων, αναπτύσσοντας απαρατήρητα «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 226

227 µικροκανάλια ή σωληνίσκους µέσα στην µάζα στην µάζα του φράγµατος ή της θεµελίωσής του. 2. Το πρόβληµα της αστοχίας του εδάφους λόγω ανύψωσής του ή της αστοχίας των πρανών που προκαλείται από τις δυνάµεις διήθησης του νερού. 3. Το πρόβληµα της υπερβολικής απώλειας νερού λόγω της διήθησης του νερού. Οι τρεις βασικές µέθοδοι για τον έλεγχο και την προστασία από την διήθηση νερού είναι οι ακόλουθες: 1. Η χρήση φίλτρων για να αποτραπεί η διασωλήνωση και η ανύψωση του εδάφους, 2. Η µείωση της ποσότητας της διήθησης νερού, και 3. Η αποστράγγιση Πρόληψη από αστοχίες λόγω διασωληνώσεων Αστοχίες λόγω διασωληνώσεων. Το νερό που διηθείται µέσω των χωµάτινων φραγµάτων και της θεµελίωσής τους µπορεί να µεταφέρει τα λεπτόκοκκα εδαφικά σωµατίδια που είναι ελεύθερα να µεταναστεύσουν. Οι δυνάµεις διήθησης του νερού τείνουν να αναγκάσουν το διαβρώσιµο έδαφος ή τον µαλακό βράχο να κινηθεί προς το κατάντη µέτωπο του φράγµατος. Αυτό συµβαίνει εάν οι δυνάµεις διήθησης νερού είναι αρκετά µεγάλες και τα κενά των πόρων στο εδαφικό υλικό είναι αρκετά µεγάλα. Κατά µήκος του µη προστατευµένου µετώπου εξόδου του νερού ΑΒ, το έδαφος θα ανυψωθεί εάν οι υδραυλικές κλίσεις είναι αρκετά µεγάλες. Περιοχή του µετώπου ΑΒ κατάντη ενός οµογενούς φράγµατος όπου µπορεί να εµφανιστεί το φαινόµενο της ανύψωσης λόγω διήθησης νερού. Κάθε επιφάνεια εκροής ή εξόδου του νερού διήθησης, τόσο εσωτερική όσο και εξωτερική, που θα µπορούσε να είναι επιρρεπής στην διασωλήνωση ή «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 227

228 στην ανύψωση θα πρέπει να καλύπτεται µε κατάλληλα φίλτρα που να επιτρέπουν στο νερό να περνά και να εκτονώνεται αλλά συγχρόνως να κατακρατήσουν και τα λεπτόκοκκα εδαφικά σωµατίδια σταθερά στην θέση τους Κριτήρια σχεδιασµού των αποστραγγιστικών φίλτρων. εδοµένου ότι ο πυρήνας ενός φράγµατος σταθεροποιείται από ζώνες του θραυστού βράχου ή και χαλικιών, είναι απαραίτητο να αποτραπεί είτε η είσοδος και µεταφορά των λεπτόκοκκων αργιλικών υλικών του πυρήνα προς το ανάντη υλικό του κελύφους του φράγµατος κατά τη διάρκεια κάποιας γρήγορης εκκένωσης και ταπείνωσης της στάθµης του νερού στον ταµιευτήρα, είτε ο εξαναγκασµός της µετακίνησης και µεταφοράς των λεπτόκοκκων αργιλικών υλικών του πυρήνα προς το κατάντη υλικό του κελύφους του φράγµατος από την διήθηση του νερού κάτω από το υδραυλικό φορτίο του ταµιευτήρα. Οι µεταβατικές ζώνες ή οι ζώνες του αποστραγγιστικού φίλτρου πρέπει εποµένως να σχεδιάζονται και να κατασκευάζονται και στις δύο πλευρές εκατέρωθεν του πυρήνα του φράγµατος. Το ανάντη αποστραγγιστικό φίλτρο, εάν είναι µη-συνεκτικό και κατάλληλης κοκκοµετρικής διαβάθµισης, θα µπορούσε να συνεισφέρει και ως ένα πολύτιµο δοµικό στοιχείο το οποίο θα παρέχει υλικό για να επουλώνει αυτόµατα τις πιθανές ζηµιές του πυρήνα του φράγµατος στην περίπτωση που εµφανίζεται κάποια εγκάρσιος ρωγµή µέσα στην µάζα του. Εποµένως για το λόγο αυτό θα πρέπει να γίνεται η καλύτερη δυνατή επιλογή ενός τέτοιου υλικού. Αν και η πρωταρχική λειτουργία του είναι να προστατεύει το λεπτόκοκκο αργιλικό υλικό ενός πυρήνα από την µετακίνησή του προς τις ζώνες του θραυστού βράχου ή και χαλικιών της λιθοριπής, το υλικό του αποστραγγιστικού φίλτρου προς την κατάντη πλευρά θα πρέπει να επιλέγεται και να τοποθετείται έτσι ώστε να παρεµποδίζεται η διάδοση και επέκταση µιας ρωγµής του πυρήνα του φράγµατος προς το γειτονικό συµπυκνωµένο υλικό της λιθοριπής. Μία ορθή πρακτική είναι να διευρύνονται οι µεταβατικές ζώνες ή οι ζώνες του αποστραγγιστικού φίλτρου προς κάθε πλευρά αντερείσµατος, δηλ. όπου µπορούν να εµφανιστούν ρωγµές εφελκυσµού και πλάγια ραγίσµατα. Η κοκκοµετρική διαβάθµιση των αποστραγγιστικών φίλτρων ή των στραγγιστηριών που χρησιµοποιούνται για τον έλεγχο της διήθησης των υπόγειων νερών θα πρέπει να ικανοποιεί δύο βασικές αλλά και αντιφατικές απαιτήσεις: 1) Το µέγεθος των πόρων του αποστραγγιστικού φίλτρου θα πρέπει να είναι αρκετά µικρό ώστε να εµποδίζει τους κόκκους του γειτονικού αποστραγγιζόµενου εδάφους να εισχωρούν στο φίλτρο και να αποµακρύνονται από το έδαφος δια µέσω του φίλτρου, και 2) Η υδροπερατότητα του αποστραγγιστικού φίλτρου θα πρέπει να είναι αρκετά υψηλή ώστε να επιτρέπει την ταχεία διήθηση και αποστράγγιση του νερού που εισέρχεται στο φίλτρο. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 228

229 Για την πραγµατοποίηση των παραπάνω απαιτήσεων, ο Terzaghi έχει προτείνει τα ακόλουθα κριτήρια επιλογής του κατάλληλου αποστραγγιστικού φίλτρου: Για την αποφυγή του προβλήµατος της µετανάστευσης των λεπτόκοκκων εδαφικών σωµατιδίων από τον πυρήνα του φράγµατος και την εµφάνιση του φαινοµένου της διασωλήνωσης, θα πρέπει: (D )f 15 < 4 5 1) (D85)s (f = Φίλτρο) (s= Ζώνη που φλιτράρεται) (D )f 50 < 25 2) (D50)s (f = Φίλτρο) (s= Ζώνη που φλιτράρεται) Για την εξασφάλιση της απαίτησης περί ικανοποιητικής διαπερατότητας, θα πρέπει: (D )f 15 > 4 5 3) (D15)s (f = Φίλτρο) (s= Ζώνη που φλιτράρεται) Για την αποφυγή του προβλήµατος της κακής κοκκοµετρικής διαβάθµισης του φίλτρου, θα πρέπει: (D )f 60 < 20 4) (D10)f «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 229

230 (f (f = = Φίλτρο) Φίλτρο) Όπου f συµβολίζει το «αποστραγγιστικό φίλτρο» και s συµβολίζει «την ζώνη που φιλτράρεται ή δηλαδή το γειτονικό αποστραγγιζόµενου έδαφος». Οι εξισώσεις 1 και 2 ελέγχουν την απαίτηση της αποτροπής εισόδου των λεπτόκοκκων σωµατιδίων του εδάφους στο αποστραγγιστικό φίλτρο, για να αποφευχθεί το φαινόµενο της διασωλήνωσης. Η εξίσωση 3 ελέγχει τις απαιτήσεις περί ικανοποιητικά υψηλής υδροπερατότητας του αποστραγγιστικού φίλτρου για την άνετη και ταχεία διήθηση και αποστράγγιση των νερών. Τέλος, η εξίσωση 4 ελέγχει τις απαιτήσεις περί αποφυγής του προβλήµατος της κακής κοκκοµετρικής διαβάθµισης του φίλτρου. Το πάχος ενός φίλτρου µπορεί να καθοριστεί από το νόµο του Darcy. Τα αποστραγγιστικά φίλτρα που περιλαµβάνουν δύο ή περισσότερα στρώµατα µε διαφορετικές κοκκοµετρικές διαβαθµίσεις µπορούν επίσης να χρησιµοποιηθούν, όπου το πιο λεπτόκοκκο στρώµα θα πρέπει να τοποθετείται προς την ανάντη πλευρά του αποστραγγιστικού φίλτρου ή την πλευρά εισόδου του νερού διήθησης. Μία τέτοια διάταξη καλείται «διαβαθµισµένο αποστραγγιστικό φίλτρο» Προβλήµατα που συνδέονται µε τους φυσικούς σχηµατισµούς. Οι θεµελιώσεις και τα αντερείσµατα των φραγµάτων είναι συνήθως ευσταθή κάτω από την επιρροή της φυσικής ροής των υπόγειων νερών. Εντούτοις, η πλήρωση του ταµιευτήρα αλλάζει σηµαντικά το καθεστώς διακίνησης των υπόγειων νερών και µπορεί να οδηγήσει στο φαινόµενο της διασωλήνωσης και στην εσωτερική διάβρωση του υπεδάφους. Η δυνατότητα για εσωτερική διάβρωση του υπεδάφους και για διασωλήνωση µπορεί να εµφανιστεί στις διακλάσεις της βραχοµάζας, στις στρώσεις των αµµοχάλικων και στις κοιλότητες που δηµιουργούνται από σάπιες ρίζες δένδρων, τα λαγούµια των ζώων ή και από άλλες θαµµένες οργανικές ουσίες Οδηγίες και συστάσεις για την αποφυγή ανάπτυξης του φαινοµένου της διασωλήνωσης στους φυσικούς σχηµατισµούς. Η γεωτεχνική διερεύνηση του υπεδάφους και οι τεχνικογεωλογικές χαρτογραφήσεις για τις µελέτες των φραγµάτων θα πρέπει να προσδιορίσουν τους σηµαντικούς εδαφικούς και βραχώδεις σχηµατισµούς που θα µπορούσαν να προκαλέσουν κάποια αστοχία από την εσωτερική «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 230

231 διασωλήνωση ή την ανύψωση του υπεδάφους. Οι γεωτεχνικές και εδαφοµηχανικές ιδιότητες αυτών των υλικών θα πρέπει να διερευνηθούν λεπτοµερώς µε κατάλληλες δοκιµές υπαίθρου και εργαστηριακές. Εάν τα υλικά αυτά αποδειχθεί ότι είναι ακατάλληλα, τότε θα πρέπει να σχεδιαστούν και να εφαρµοστούν ειδικά γεωτεχνικά µέτρα αναβάθµισης, σταθεροποίησης και εξασφάλισης των εδαφικών και βραχωδών σχηµατισµών θεµελίωσης ώστε να βελτιωθούν οι γεωτεχνικές και εδαφοµηχανικές βραχοµηχανικές ιδιότητές τους. Όλες τα νέα κατασκευασθέντα φράγµατα και οι ταµιευτήρες από την στιγµή που θα τεθούν σε λειτουργία θα πρέπει να παρατηρηθούν προσεκτικά και να ελεγχθούν για να ανιχνευθεί και να διαπιστωθεί κάθε ανάπτυξη πιθανής επισφαλούς κατάστασης ή συνθήκης. Εάν οι ποσότητες της διήθησης αυξηθούν ή εάν υπάρξει κάποια ανεξέλεγκτη αλλαγή στις συνθήκες της διήθησης τότε θα πρέπει να τεθούν σε δράση τα προστατευτικά µέτρα. Τέτοια προστατευτικά µέτρα θα πρέπει να περιλαµβάνουν την ταπείνωση της στάθµης νερού στον ταµιευτήρα και την τοποθέτηση κατάλληλων κοκκοµετρικά διαβαθµισµένων αποστραγγιστικών φίλτρων επάνω από τις περιοχές όπου εµφανίζονται οι εκφορτίσεις και εκροές του νερού διήθησης Μέθοδοι µείωσης της διήθησης νερού Βασικές εκτιµήσεις. Οι µέθοδοι της µείωσης της διήθησης νερού χρησιµοποιούν διάφορες τεχνολογίες όπως π.χ. Υδατοστεγείς ιακόπτες Στεγάνωσης Νερού (Cutoffs), Κουρτίνες Σιµεντενέµατος ή Ρευστοκονιάµατος (Grout Curtains), Ανάντη Υδατοστεγή Καλύµµατα ή Τάπητες ή Μεµβράνες Στεγανοποίησης (Upstream Blankets), Καλύµµατα ή Τάπητες ή Μεµβράνες Σιµεντενέµατος ή Ρευστοκονιάµατος (Blanket Grouting), Αργιλικά Καλύµµατα ή Τάπητες ή Μεµβράνες Στεγανοποίησης (Clay Blankets), Τάφροι Μπεντονίτη (Slurry Trenches), κλπ, τα οποία καταναλώνουν την ενέργεια σε διάφορες θέσεις µέσα στις µηκοτοµές του φράγµατος, όπου οι µεγάλες πιέσεις νερού και οι δυνάµεις διήθησης του νερού δεν επιφέρουν κάποιο καταστρεπτικό αποτέλεσµα στο σώµα του φράγµατος. Το αποτέλεσµα όλων αυτών των µεθόδων µείωσης της διήθησης νερού είναι ότι οι πιέσεις νερού και οι δυνάµεις διήθησης του νερού µειώνονται στην κατάντη περιοχή του φράγµατος. Αυτοί τα χαρακτηριστικά της µείωσης της διήθησης νερού συνδυάζονται συνήθως και µε κατάλληλα σχεδιασµένα αποστραγγιστικά φίλτρα, δεδοµένου ότι χωρίς τα κατάλληλα αποστραγγιστικά φίλτρα οι µέθοδοι της µείωσης της διήθησης νερού από µόνες τους µπορούν να είναι µερικώς αποτελεσµατικές. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 231

232 Σχήµα. ιάφορες µέθοδοι µείωσης της διήθησης νερού Σιµεντενέσεις θεµελίωσης. Για λεπτοµέρειες σχετικά µε την κατασκευή σιµεντενέσεων στην ζώνη θεµελίωσης ενός φράγµατος βλέπε παρακάτω κεφάλαιο που αναφέρεται στις «Μεθόδους βελτίωσης της θεµελίωσης». «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 232

233 Μέθοδοι αποστραγγίσεων ιαπερατά κατάντη κελύφη. Σε περιοχές φραγµάτων όπου υπάρχουν σε αφθονία τουλάχιστον δύο διαφορετικοί τύποι υλικών µε σηµαντικά διαφορετικές διαπερατότητες, µπορεί να κατασκευαστεί ένα φράγµα που να χωρίζεται σε ζώνες. Σε τέτοιες περιπτώσεις το διαπερατό υλικό τοποθετείται στην κατάντη πλευρά του λιγότερο διαπερατού υλικού, που συνήθως διαχωρίζονται µεταξύ τους µε µια µεταβατική ζώνη. Παραδείγµατος χάριν, σε ένα φράγµα που να χωρίζεται σε ζώνες και το οποίο έχει έναν παχύ στεγανό πυρήνα και εδράζεται επάνω σε µία υδατοστεγή θεµελίωση, η ταχύτητα κίνησης νερού µέσα στο κατάντη τµήµα του φράγµατος θα είναι αργή. Κατά συνέπεια οι δυνάµεις διήθησης θα έχουν µια αµελητέα επίδραση στη ευστάθεια του κατάντη πρανούς του φράγµατος, γεγονός που δηµιουργεί ιδανικές συνθήκες για τα χωµάτινα φράγµατα που να χωρίζεται σε ζώνες Εσωτερικά αποστραγγιστικά συστήµατα Σκοπός. Ένα οµοιογενές φράγµα µε ένα ύψος µεγαλύτερο από 6 m έως 8 m περίπου, θα πρέπει οπωσδήποτε να περιλαµβάνει κάποιον τύπο αποστραγγιστικού φίλτρου στην κατάντη περιοχή του φράγµατος. Ο σκοπός του αποστραγγιστικού φίλτρου είναι: 1. για να µειώνει τις πιέσεις νερού πόρων στο κατάντη τµήµα του φράγµατος και εποµένως να αυξάνει τη ευστάθεια του κατάντη πρανούς σε κίνδυνο κατολίσθησης, και 2. για να ελέγχει οποιαδήποτε διήθηση νερού που εξέρχεται στο κατάντη τµήµα του φράγµατος και εποµένως να αποτρέπει τη διάβρωση του κατάντη πρανούς, ώστε να αποτρέπεται ο κίνδυνος της διασωλήνωσης του εδάφους (piping). Η αποτελεσµατικότητα του αποστραγγιστικού φίλτρου στη µείωση των πιέσεων νερού πόρων εξαρτάται από τη θέση και την έκτασή του. Εντούτοις, ο κίνδυνος της διασωλήνωσης του εδάφους (piping) ελέγχεται «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 233

234 εξασφαλίζοντας ότι η κοκκοµετρική διαβάθµιση του υδροπερατού υλικού από το οποίο κατασκευάζεται το αποστραγγιστικό φίλτρο καλύπτει τις απαιτήσεις των προδιαγραφών των φίλτρων για τα υλικά των αναχωµάτων Αποστραγγιστικά φίλτρα στο κατάντη τµήµα του φράγµατος. Ο σχεδιασµός του αποστραγγιστικού συστήµατος στο κατάντη τµήµα του φράγµατος ελέγχεται από το ύψος του φράγµατος, το κόστος και την διαθεσιµότητα του διαπερατού υλικού, καθώς και από την διαπερατότητα της θεµελίωσης επί της οποίας εδράζεται το φράγµα. Για τα χαµηλά φράγµατα, µπορεί να χρησιµοποιηθεί µε επιτυχία ένας απλός τύπος αποστραγγιστικού φίλτρου στο κατάντη τµήµα του φράγµατος. Σε µερικά από τα παλαιότερα οµοιογενή φράγµατα έχουν εγκατασταθεί αποστραγγιστικά φίλτρα στο κατάντη τµήµα του φράγµατος σε µια προσπάθεια να αποτραπεί η χαλάρωση ή η γεωτεχνική υποβάθµιση του εδάφους και η διάβρωση του κατάντη τµήµατος του φράγµατος. Για βάθος ενός ταµιευτήρα µεγαλύτερου από 15 m, οι περισσότεροι µηχανικοί θα τοποθετούσαν ένα αποστραγγιστικό σύστηµα το οποίο θα επεκτεινόταν προς το εσωτερικό µέρος (µέσα στο ανάχωµα) και κάτω από το κατάντη τµήµα του σώµατος του φράγµατος όπου θα είναι πολύ πιο αποτελεσµατικό στη µείωση των πιέσεων νερού πόρων και τον έλεγχο της διήθησης του νερού. Στο παραπάνω σχήµα παρουσιάζεται διαγραµµατικά η περίπτωση κατασκευής ενός αποστραγγιστικού συστήµατος που «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 234

235 επεκτείνεται προς το εσωτερικό µέρος (µέσα στο ανάχωµα) και κάτω από το κατάντη τµήµα του σώµατος του φράγµατος Οριζόντιο αποστραγγιστικό κάλυµµα ή τάπητας (Horizontal drainage blanket). Τα οριζόντια αποστραγγιστικά καλύµµατα ή τάπητες χρησιµοποιούνται συνήθως σε φράγµατα µέτριου ύψους. Τα αποστραγγιστικά καλύµµατα ή τάπητες τοποθετούνται συνήθως επάνω από το µισό ή το ένα τρίτο κατάντη τµήµα της περιοχής θεµελίωσης του φράγµατος. Το φράγµα «Vega» στις Η.Π.Α. ύψους 45 m, είναι ένα οµοιογενές φράγµα που έχει κατασκευαστεί µε ένα οριζόντιο κατάντη αποστραγγιστικό κάλυµµα ή τάπητα. Σε περιοχές φραγµάτων όπου είναι λιγοστή ή και ανύπαρκτη η εµφάνιση υδροπερατού υλικού για την κατασκευή ενός οριζόντιου κατάντη αποστραγγιστικού καλύµµατος ή τάπητα, µπορούν να τοποθετηθούν αντ' αυτού εσωτερικές αποστραγγιστικές λωρίδες (strip drains), δεδοµένου ότι αυτές παρέχουν το ίδιο γενικά αποτέλεσµα και επίδραση µε πολύ µικρότερη όµως ποσότητα υδροπερατού υλικού για την κατασκευή τους Μειονεκτήµατα των οριζόντιων αποστραγγιστικών καλυµµάτων ή ταπήτων. Ένα αναχωµατικού τύπου χωµάτινο φράγµα πάντα τείνει να είναι περισσότερο υδροπερατό κατά την οριζόντια κατεύθυνση απ' ό,τι κατά την κατακόρυφο. Σε σπάνιες περιπτώσεις, τα οριζόντια στρώµατα µπορεί να είναι πολύ πιο αδιαπέρατα από ότι είναι το µέσο υλικό από το οποίο κατασκευάζεται στο ανάχωµα του χωµάτινου φράγµατος, και έτσι το νερό θα ρεύσει κατά την οριζόντια κατεύθυνση σε ένα σχετικά αδιαπέρατο στρώµα και θα εκρεύσει στο κατάντη µέτωπο του φράγµατος παρά την ύπαρξη του οριζόντιου αποστραγγιστικού φίλτρου και συστήµατος. Όπου το φαινόµενο αυτό εµφανίζεται το κατάντη πρανές του φράγµατος είναι επιρρεπές σε περιστροφική ολίσθηση και σε κίνδυνο διασωλήνωσης του εδάφους (piping). Σε τέτοιες περιπτώσεις µπορούν να γίνουν επισκευές είτε µε εγκατάσταση οριζόντιων αποστραγγιστικών καλυµµάτων ή ταπήτων στα κατάντη πρανή είτε µε την κατασκευή κατακόρυφων αποστραγγιστικών φίλτρων που να συνδέονται µε το οριζόντιο αποστραγγιστικό κάλυµµα. Τέτοια κατακόρυφα αποστραγγιστικά φίλτρα αποτελούνται συνήθως από άµµο και χαλίκια Αποστραγγιστικά φίλτρα τύπου «Καµινάδας». Τα αποστραγγιστικά φίλτρα τύπου «Καµινάδας» είναι µια τεχνολογική προσπάθεια για να αποτραπεί η οριζόντια ροή κατά µήκος των σχετικά αδιαπέρατων στρωµατοποιηµένων εδαφικών στρώσεων, και να παρεµποδιστεί η διήθηση νερού προτού να φθάσει στο κατάντη µέτωπο του πρανούς του φράγµατος. Τα αποστραγγιστικά φίλτρα τύπου «Καµινάδας» ενσωµατώνονται συχνά στα υψηλά οµοιογενή φράγµατα που «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 235

236 έχουν κατασκευαστεί µε κεκλιµένα ή κατακόρυφα αποστραγγιστικά φίλτρα τύπου «Καµινάδας». Σε µερικά σηµαντικά έργα φραγµάτων, τα αποστραγγιστικά φίλτρα τύπου «Καµινάδας» κατασκευάζονται κεκλιµένα µε µια σηµαντική κλίση, τόσο προς την ανάντη πλευρά όσο και µερικές φορές προς την κατάντη πλευρά. Ένα ανάντη κεκλιµένο αποστραγγιστικό φίλτρο τύπου «Καµινάδας» µπορεί να λειτουργήσει ως ένας σχετικά λεπτός πυρήνας. Εκτός από τον έλεγχο της διήθησης νερού µέσω του φράγµατος και την αύξηση της σταθερότητας και ευστάθειας του κατάντη πρανούς του φράγµατος, ένα αποστραγγιστικό φίλτρο τύπου «Καµινάδας» είναι επίσης χρήσιµο και στη µείωση των πιέσεων νερού πόρων και κατά τη διάρκεια της κατασκευής και µετά από τη γρήγορη εκκένωση του νερού του ταµιευτήρα ιαστάσεις και διαπερατότητα των αποστραγγιστικών φίλτρων. Οι διαστάσεις και η διαπερατότητα των διαπερατών αποστραγγιστικών φίλτρων πρέπει να είναι επαρκείς για να µεταφέρουν την προβλεπόµενη ροή νερού µε κάποιο σηµαντικό περιθώριο ασφάλειας για την περίπτωση απροσδόκητων διαρροών. Εάν το φράγµα και οι θεµελιώσεις του είναι σχετικά στεγανά, τότε η αναµενόµενη διαρροή νερού θα είναι χαµηλή. Ένας αποστραγγιστικό φίλτρο θα πρέπει να κατασκευάζεται από υλικό µε έναν συντελεστή διαπερατότητας (Κ) τουλάχιστον 10 έως 100 φορές µεγαλύτερο από τον µέσο συντελεστή διαπερατότητας (Κ) του υλικού κατασκευής της αναχώµατος του χωµάτινου φράγµατος Καθιζήσεις. Όλες οι κατασκευές υποβάλλονται σε κάποια καθίζηση, ανεξάρτητα από την ποιότητα οικοδόµησή τους ή την ποιότητα της θεµελίωσής τους. Οι κατασκευές που κατασκευάζονται από έδαφος ή που θεµελιώνονται επί εδαφικών υλικών υπόκεινται σε καθιζήσεις τόσο µεγάλες ώστε επηρεάζεται η απόδοσή τους και η ασφάλειά τους. Τα φράγµατα βαρύτητας από σκυρόδεµα σχεδόν πάντα θεµελιώνονται επάνω σε ισχυρές βραχοµάζες, όπου οι καθιζήσεις του φράγµατος «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 236

237 περιορίζονται στο ελάχιστο. Σε διαφορετική περίπτωση τα φράγµατα θα παρουσιάσουν ρωγµές και αστοχίες οι οποίες µε την σειρά τους θα οδηγήσουν σε σοβαρά δοµικά ελαττώµατα ή και ζηµιές. Τα χωµάτινα φράγµατα µπορούν να θεµελιωθούν και σε µαλακά και συµπιέσιµα εδαφικά υλικά και είναι σε θέση να αναλάβουν ακόµα και σηµαντικές καθιζήσεις στερεοποίησης και ελαστικές. Αιτίες των καθιζήσεων Μέτρηση των καθιζήσεων Αποτελέσµατα και επιπτώσεις των καθιζήσεων στις κατασκευές Καθιζήσεις λόγω µεταβολών στο περιβάλλον Αιτίες των καθιζήσεων. 1. Αστοχία Φέρουσας Ικανότητας ή αστάθεια, συµπεριλαµβανοµένων των κατολισθήσεων του εδάφους. 2. Αστοχία ή εκτροπή της κατασκευής της θεµελίωσης. 3. Τοπικές ελαστικές παραµορφώσεις ή διαφορικές παραµορφώσεις του εδάφους ή του βράχου θεµελίωσης. 4. Στερεοποίηση (συµπίεση) των λεπτόκοκκων αργιλικών εδαφών ή των αργιλικών βράχων (Μάργες, Φυλλίτες, Ιλυόλιθοι, Αργιλίτες, Αργιλικοί Σχιστόλιθοι, κ.ά.). 5. Συρρίκνωση λόγω αποστράγγισης ή και αποξήρανσης. 6. Αλλαγή στην πυκνότητα ή στην συµπύκνωση του εδάφους λόγω σεισµικών κυµάτων ή δονήσεων. 7. Χηµική εξαλλοίωση των ορυκτολογικών συστατικών, συµπεριλαµβανοµένης και της αποσύνθεσης. 8. Υπόγεια διάβρωση λόγω ροής νερού. 9. Κατάρρευση υπόγειων ανοιγµάτων ή εγκοίλων, όπως καρστικές σπηλιές ή και ορυχεία - µεταλλεία. 10. οµική κατάρρευση λόγω αποδυνάµωσης της σιµεντοποίησης ή της διαγένεσης σε συνθήκες κορεσµού Μέτρηση των καθιζήσεων. Θα πρέπει να εκτελούνται συστηµατικές µετρήσεις των καθιζήσεων µέσα στο σώµα ενός φράγµατος καθ όλη την πρόοδο της διαδικασίας εξέλιξης των καθιζήσεων λόγω στερεοποίησης στο φράγµα και να επισηµαίνεται κατ αυτόν τον τρόπο εάν θα είναι απαραίτητη η προσθήκη ύψους (µε προσθήκη δοµικού υλικού του φράγµατος) για να διατηρηθεί σταθερό το απαιτούµενο ύψος του έξαλλου ή ελεύθερου τµήµατος (Freeboard) του φράγµατος, εκείνου δηλαδή του έξαλλου τµήµατος του σώµατος του φράγµατος επάνω από την µέγιστη στάθµη νερού σε ένα ταµιευτήρα. Στα χωµάτινα φράγµατα οι µετρήσεις των καθιζήσεων (ελαστικών και λόγω «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 237

238 στερεοποίησης) είναι χρήσιµες επίσης και κατά τον υπολογισµό του όγκου του δοµικού υλικού που τοποθετείται στο φράγµα από τις διαστάσεις της ολοκληρωµένης κατασκευής και παρέχουν έναν έλεγχο στις αρχικές προδιαγραφές σχεδιασµού Μέτρηση των καθιζήσεων στην κορυφή ή στέψη του φράγµατος. Η καθίζηση στην κορυφή ή στέψη του φράγµατος µετριέται µε τοποθέτηση συγκεκριµένων τοπογραφικών σηµαδιών (µάρτυρες αναφοράς µεταβολών των µετακινήσεων) που τοποθετούνται κατά διαστήµατα κατά µήκος της κορυφής ή στέψης του φράγµατος. Προφανώς αυτοί οι µάρτυρες αναφοράς µεταβολών των µετακινήσεων κατά µήκος της κορυφής ή στέψης του φράγµατος συσχετίζονται και εξαρτώνται από ένα συγκεκριµένο τοπογραφικό σηµάδι αναφοράς που τοποθετείται σε κάποιο αντέρεισµα που θεωρείται ακίνητο ή ακλόνητο Μέτρηση των εσωτερικών καθιζήσεων στο σώµα ενός φράγµατος. Η µέτρηση των εσωτερικών καθιζήσεων στο σώµα ενός φράγµατος γίνεται χρησιµοποιώντας ειδικές πλάκες καθιζήσεων στερεοποίησης που ενσωµατώνονται στο σώµα του φράγµατος ή στην θεµελίωσή του. Παρακάτω δίδεται ένα διάγραµµα ειδικών πλακών καθιζήσεων στερεοποίησης: Αποτελέσµατα και επιπτώσεις των καθιζήσεων στις κατασκευές. Η κατανοµή των καθιζήσεων λόγω στερεοποίησης ενός οµοιόµορφου επιβαλλόµενου φορτίου σε µια παχιά απόθεση συµπιεστού (π.χ. µαλακού αργιλικού) εδάφους παρουσιάζει µια διαµόρφωση καθίζησης σε σχήµα «πιάτου» που επεκτείνεται πέρα και έξω από τα όρια της κατασκευής. Εάν η φόρτιση είναι ανοµοιόµορφη (ανώµαλη) ή το έδαφος είναι ανοµοιόµορφο «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 238

239 και ετερογενές, η διαµόρφωση της καθίζησης δεν έχει ακριβώς σχήµα «πιάτου» αλλά είναι στρεβλωµένη (παραµορφωµένη). Εάν η απόθεση του εδάφους είναι λεπτή, διαµόρφωση καθίζησης σε σχήµα «πιάτου» επιπεδώνεται στο κέντρο. Η επίδραση που έχει η καθίζηση λόγω στερεοποίησης σε µια κατασκευή εξαρτάται από το εάν η κατασκευή βρίσκεται σε κάποια τοπογραφική - µορφολογικά εσοχή καθώς και από τον τρόπο µε τον οποίο οι µετακινήσεις σε εκείνη την θέση επηρεάζουν την απόδοση και την λειτουργικότητα της κατασκευής. Ολικές καθιζήσεις Απόκλιση Παραµόρφωση - Στρέβλωση Ολικές καθιζήσεις. Η ποσότητα των ολικών καθιζήσεων (όχι των διαφορικών καθιζήσεων) που µπορεί να αναλάβει µια κατασκευή χωρίς να υποστεί κάποια ζηµία στον φέροντα οργανισµό της είναι αρκετά µεγάλη υπό την προϋπόθεση ότι οι καθιζήσεις αυτές είναι σχετικά οµοιόµορφες. Εντούτοις, οι µεγάλες ποσότητες των ολικών καθιζήσεων προκαλούν συνήθως διάφορες µορφές προβληµάτων. Τα αναχώµατα ή τα χωµάτινα φράγµατα που θεµελιώνονται επί µαλακών αργιλικών εδαφών συνήθως παρουσιάζουν µία σηµαντική καθίζηση λόγω στερεοποίησης στη στέψη ή κορυφή τους. Το γεγονός αυτό είναι ένα «ύπουλο» πρόβληµα, δεδοµένου ότι οι καθιζήσεις λόγω στερεοποίησης αναπτύσσονται συνήθως αργά και διαρκούν για µεγάλα χρονικά διαστήµατα, που σε διάφορες περιπτώσεις µπορούν να ξεπεράσουν και το 50 µε 80 χρόνια. Σαν αποτέλεσµα, προκύπτει ότι οι χειριστές του προσωπικού συντήρησης του φράγµατος δεν γνωρίζουν την απώλεια του ύψους του έξαλλου ή ελεύθερου τµήµατος (Freeboard) του φράγµατος, γεγονός που µπορεί να προβεί καταστροφικό τόσο για το ίδιο το φράγµα όσο και για της περιοχές (ιδίως τις κατοικηµένες) που βρίσκονται κατάντη αυτού. Θα πρέπει πάντα να προβλέπονται επαρκείς ανοχές και περιθώρια στο σχεδιαζόµενο ύψος του φράγµατος για τις αναµενόµενες καθιζήσεις λόγω στερεοποίησης, και θα πρέπει να πραγµατοποιούνται περιοδικές µετρήσεις ώστε να επιβεβαιώνεται ότι η κατάλληλη στάθµη της κορυφής ή στέψης του φράγµατος διατηρείται σε ανεκτά όρια. Ένα σηµαντικό µέρος των καθιζήσεων λόγω στερεοποίησης, τόσο του εδάφους θεµελίωσης του φράγµατος όσο και του ίδιου του σώµατος του αναχώµατος του φράγµατος, εµφανίζεται κατά τη διάρκεια της περιόδου κατασκευής και οικοδόµησης του φράγµατος. Αυτό µπορεί να οδηγήσει σε αποκλίσεις του απαιτούµενου υπολογισµένου όγκου της κατασκευής, εκτός εάν τηρούνται προσεκτικά και συστηµατικά αρχεία µε τις καταγραφές των καθιζήσεων λόγω στερεοποίησης. Με κατάλληλες τεχνικές και επεµβάσεις, µπορούν να γίνουν ανεκτές καθιζήσεις λόγω στερεοποίησης ακόµα και µερικών µέτρων. Οι ολικές καθιζήσεις λόγω στερεοποίησης δεν είναι από τα σοβαρότερα «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 239

240 προβλήµατα, υπό την προϋπόθεση όµως ότι το µέγεθός τους έχει προβλεφθεί σε ικανοποιητικό βαθµό εκ των προτέρων και ότι έχουν ληφθεί υπόψη κατάλληλα γεωτεχνικά έργα κι µέτρα για την αντιµετώπισή τους Απόκλιση. Η απόκλιση εµφανίζεται στα µέρη της κατασκευής που βρίσκονται έξω από το κέντρο των καθιζήσεων του προαναφερόµενου σχήµατος «πιάτου». Πραγµατοποιείται επίσης είτε όταν φορτίζεται µία κατασκευή ανοµοιόµορφα είτε όταν τα εδάφη θεµελίωσης της κατασκευής είναι ετερογενή και ανοµοιόµορφα. Είναι σηµαντικό, κυρίως για τις υψηλές κατασκευές, όπως π.χ. οι υψηλοί τοίχοι αντιστήριξης, οι υδατόπυργοι, οι πύργοι µεταφοράς διάφορων δικτύων, οι υψηλοί ταµιευτήρες νερού, και άλλα. Το πρόβληµα των αποκλίσεων των κατασκευών είναι ιδιαίτερα σοβαρό για τις κατασκευές που συνδέονται µεταξύ τους. Το ποσό της απόκλιση που µπορεί να γίνει ανεκτή και να αναληφθεί χωρίς προβλήµατα αστοχιών εξαρτάται από την αναλογία ή τον λόγο ύψους / πλάτους της κατασκευής Παραµόρφωση Στρέβλωση. Η διαφορική καθίζηση λόγω στερεοποίησης που παράγει σχετική µετακίνηση στην θεµελίωση ενός έργου είναι γνωστή ως «παραµόρφωση» ή «στρέβλωση». Το φορτίο ενός αναχώµατος σε ένα οµοιόµορφο έδαφος παράγει ένα διάγραµµα καθίζησης λόγω στερεοποίησης όπως παρουσιάζεται παρακάτω. Υπάρχει επίσης µια τάση να αναπτύσσονται ρωγµές όπως αναφέρεται παρακάτω. Αυτές οι ρωγµές µπορούν να οδηγήσουν σε επιταχυνόµενη διήθηση νερού, σε διάβρωση, και ακόµη και σε αστοχία. Αιτία καθίζησης (1) - Το φορτίο ενός αναχώµατος σε ένα οµοιόµορφο έδαφος παράγει ένα διάγραµµα καθίζησης λόγω στερεοποίησης σε σχήµα «πιάτου» που επεκτείνεται πέρα και έξω από τα όρια της κατασκευής και µια τάση να αναπτύσσονται ρωγµές σε διάφορα σηµεία. Τέτοιες ρωγµές µπορούν ενδεχοµένως να οδηγήσουν σε επιταχυνόµενη διήθηση νερού, σε διάβρωση, και ακόµη και σε αστοχία λόγω διήθησης. Αιτία καθίζησης (2) - Το µη οµοιόµορφο πάχος του εδάφους θεµελίωσης και η µεγαλύτερη φόρτιση στο κέντρο απ' ό,τι στα αντερείσµατα επιφέρει ένα «κρεµαστής» µορφής διάγραµµα καθίζησης λόγω στερεοποίησης κατά µήκος του άξονα. Οι διατµητικές ρωγµές τείνουν να διαµορφωθούν σε διάφορα σηµεία. Αυτά τα φαινόµενα είναι πολύ σοβαρότερα επειδή επεκτείνονται από την ανάντη έως την κατάντη πλευρά του φράγµατος και διάφορες αστοχίες φραγµάτων έχουν αποδοθεί σε τέτοιες ρωγµές. Αιτία καθίζησης (3) - Όταν επεκτείνεται ένα µικρό τµήµα του αναχώµατος πέρα και έξω από την κύρια εγκάρσια τοµή του αναπτύσσονται µερικές φορές διατµητικές ρωγµές. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 240

241 Αιτία καθίζησης (4) - Παρόµοια καθίζηση λόγω στερεοποίησης δίπλα σε ένα επικρεµάµενο αντέρεισµα (δηλαδή σε ένα αντέρεισµα µε αρνητική κλίση) µπορεί να δηµιουργήσει ρωγµές στη συµβολή του σώµατος του φράγµατος µε το αντέρεισµα Καθιζήσεις λόγω µεταβολών στο περιβάλλον. Οι αλλαγές στο περιβάλλον µπορούν να επιφέρουν σε ορισµένα εδάφη µια µείωση στο λόγο κενών ή δείκτη πόρων (e) και µια αντίστοιχη καθίζηση λόγω στερεοποίησης. Ένα σεισµικό πλήγµα ή οι δονήσεις από τους σεισµούς, κάποιες ανατινάξεις, ακόµα και τα µηχανήµατα κατασκευής µπορούν να προκαλέσουν στα χαλαρά µη συνεκτικά εδάφη, όπως π.χ. οι άµµοι ή τα χαλίκια, συµπύκνωση που είναι µία διαδικασία αύξησης της πυκνότητας του εδάφους ανακατανέµοντας τους εδαφικούς κόκκους εγγύτερα τον έναν στον άλλο, µε ταυτόχρονη µείωση του όγκου του αέρα στο έδαφος. Επιπλέον, µπορεί να συνοδεύσει την καθίζηση λόγω στερεοποίησης και µία αστοχία ροής εάν τα εδάφη είναι κορεσµένα. Επίσης η γεωτεχνική υποβάθµιση της αντοχής των συνδετικών υλικών ή των παραγόντων «σιµεντοποίησης» του εδάφους λόγω κάποιων φυσικών ή και χηµικών αλλαγών που µπορεί να παρουσιάζονται κατά την έκθεση του εδάφους σε διαβρωτικούς ή αποσαθρωτικούς παράγοντες στην επιφάνεια του εδάφους ή και κατά τον καταποντισµό τους σε νερό µπορεί να προκαλέσει κατάρρευση της χαλαρής εδαφικής δοµής και εποµένως καθίζηση του εδάφους. Η βακτηριολογική αποσύνθεση των οργανικών υλικών ενός εδάφους µπορεί επίσης να προκαλέσει καθίζηση στο έδαφος που να συνοδεύεται και από το σχηµατισµό θυλάκων αερίου. Μία τέτοια αποσύνθεση µπορεί να παρεµποδίζεται από τη µόνιµη βύθιση του εδάφους στο νερό. Η έκθεση των εδαφών σε συνθήκες πολύ ζεστού και ξηρού καιρού κατά τη διάρκεια της κατασκευής ενός φράγµατος µπορεί να προκαλέσει καθίζηση και «ρωγµές συρρίκνωσης». Μία αποξηραµένη άργιλος που καταποντίζεται και πληµµυρίζει στη συνέχεια από νερό µπορεί να διογκωθεί και να βλάψει σοβαρά µια κατασκευή ή ένα ανάχωµα λόγω ανύψωσης του εδάφους εδράσεως. Επιπλέον, ένα ρωγµατωµένο και διογκωµένο έδαφος συνήθως αποδυναµώνεται από εδαφοµηχανική άποψη και µπορεί να γίνει η αιτία ακόµα και της γενικής αστοχίας της θεµελίωσης του φράγµατος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 241

242 6.4. Μέθοδοι βελτίωσης εδαφών θεµελίωσης. 1. Προ-στερεοποίηση. 2. Συµπύκνωση των µη-συνεκτικών εδαφών. 3. υναµική συµπύκνωση. 4. Σιµεντενέσεις ή τσιµεντενέσεις (Grouting) Προ-στερεοποίηση. Η προ-στερεοποίηση είναι µια χρήσιµη µέθοδος επεξεργασίας των εδαφών θεµελίωσης που εφαρµόζεται µόνο στα λεπτόκοκκα (αργιλικά ή και ιλυώδη) συµπιεστά εδάφη, κυρίως ανάλογα µε τον Συντελεστή Στερεοποίησης (C v ) (συντελεστής που προσδιορίζει την ταχύτητα ή τον ρυθµό πραγµατοποίησης της καθίζησης λόγω στερεοποίησης ενός εδάφους), αλλά και τον είκτη Συµπιεστότητας (C c ) και το Μέτρο συµπίεσης (E s ) του εξεταζόµενου εδάφους. Εάν ο Συντελεστής Στερεοποίησης (C v ) είναι σχετικά υψηλός, δηλαδή εάν ο ρυθµός πραγµατοποίησης της καθίζησης λόγω στερεοποίησης του εδάφους είναι σχετικά γρήγορος (ένας έως δύο µήνες για να παραλάβει το 50 % της συνολικής καθίζησης λόγω στερεοποίησης) θα είναι δυνατόν να τοποθετηθούν στο χώρο θεµελίωσης ενός φράγµατος τα εδάφη που αφαιρέθηκαν κατά τις εκσκαφές και την «απογύµνωση των γαιωδών υλικών και του αποσαθρωµένου µανδύα», καθώς και κατά το «ξελέπισµα» των αντερεισµάτων ώστε να διαµορφωθεί µια τεχνητή προσαύξηση της φόρτισης στο χώρο θεµελίωσης του φράγµατος. Αντίθετα εάν ο Συντελεστής Στερεοποίησης (C v ) είναι σχετικά χαµηλός, δηλαδή εάν ο ρυθµός πραγµατοποίησης της καθίζησης λόγω στερεοποίησης του εδάφους είναι σχετικά αργός (ένα έως δύο χρόνια για να παραλάβει το 50 % της συνολικής καθίζησης λόγω στερεοποίησης), το ίδιον βάρος του σώµατος του φράγµατος µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να στερεοποιήσει το έδαφος αλλά και να αυξήσει και τις παραµέτρους της διατµητικής αντοχής του. Στην περίπτωση αυτή θα ήταν απαραίτητο να ελέγχεται ο ρυθµός οικοδόµησης και κατασκευής τους φράγµατος, έτσι ώστε το βάρος που εφαρµόζεται από το φράγµα να µην υπερβαίνει την φέρουσα ικανότητα του εδάφους θεµελίωσης που υποστηρίζει την κατασκευή. Μπορεί, εντούτοις, να είναι απαραίτητο να αυξηθεί το χρονικό διάστηµα της περιόδου κατασκευής του φράγµατος ώστε να αναπτυχθεί κάποιος ικανοποιητικός βαθµός στις παραµέτρους της διατµητικής αντοχής του εδάφους θεµελίωσης. Επιπλέον η αποστράγγιση των εδαφών θεµελίωσης µπορεί επίσης να βοηθήσει και στην επιτάχυνσης της στερεοποίησης του εδάφους Συµπύκνωση των µη-συνεκτικών εδαφών. Η συµπύκνωση των µη-συνεκτικών εδαφών είναι µία διαδικασία τεχνητής αύξησης της πυκνότητας ενός εδάφους ανακατανέµοντας τους εδαφικούς κόκκους εγγύτερα τον έναν στον άλλο, µε ταυτόχρονη µείωση του όγκου «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 242

243 του αέρα στο έδαφος. Ο όγκος του νερού παραµένει αµετάβλητος. Η συµπύκνωση των µη-συνεκτικών εδαφών πραγµατοποιείται χρησιµοποιώντας µεθόδους κρούσης και δόνησης των εδαφών. Η γνωστή µέθοδος ως «δονητική συµπύκνωση» (Vibroflotation) χρησιµοποιείται στα χονδρόκοκκα µη-συνεκτικά εδάφη για να βελτιώσει τα χαλαρά και χαµηλής διατµητικής αντοχής χονδρόκοκκα εδάφη. Η διαδικασία αυτή µπορεί να µειώσει την καθίζηση κατά περισσότερο από 50% και να αυξήσει την διατµητική αντοχή των επεξεργαζόµενων εδαφών σηµαντικά. Οι δονήσεις µπορούν να µετατρέψουν ένα χαλαρό σύναγµα εδαφικών κόκκων σε µια πολύ πυκνότερη διάταξη και κατάσταση. Σχηµατική λειτουργία δονητικού κυλινδροσυµπιεστή. Ένα µηχάνηµα δονητικής συµπύκνωσης (Vibroflot) µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να διαπεράσει το έδαφος καθώς και µπορεί να λειτουργήσει αποτελεσµατικά και κάτω από τη στάθµη των υπόγειων νερών. Τα καλύτερα αποτελέσµατα επιτυγχάνονται σε χονδρόκοκκες άµµους που περιέχουν ελάχιστο ή καθόλου ιλύ ή άργιλο, δεδοµένου ότι και τα δύο αυτά µεγέθη κόκκων µειώνουν την αποτελεσµατικότητα του µηχανήµατος της δονητικής συµπύκνωσης (Vibroflot). Οι οδοστρωτήρες τύπου τροχού οµαλής επιφάνειας (smooth-wheeled) είναι κατάλληλοι για καλά - διαβαθµισµένα χονδρόκοκκα εδάφη και για µη - πλαστικά λεπτόκοκκα εδάφη, αλλά είναι όµως ακατάλληλοι για οµοιόµορφα διαβαθµισµένες άµµους και τις ιλυώδεις άµµους. Οι οδοστρωτήρες τύπου «κατσικοπόδαρου» (sheepsfoot) (κυλινδρικοί οδοστρωτήρες από χάλυβα µε πολυάριθµα πόδια που προεξέχουν mm, και έχουν µια επιφάνεια στα άκρα τους ίση µε cm 2 ) είναι κατάλληλοι τόσο για τα πλαστικά όσο και για τα µη-πλαστικά λεπτόκοκκα εδάφη, καθώς και για τα χονδρόκοκκα εδάφη µε ποσοστό λεπτόκοκκων εδαφών µεγαλύτερο από 20%. Οι οδοστρωτήρες πνευµατικού τύπου µε λαστιχοφόρους τροχούς (pneumatic-tired), µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την συµπύκνωση των περισσότερων χονδρόκοκκων και λεπτόκοκκων εδαφών. Οι δονητικοί οδοστρωτήρες (κυλινδρικοί ή επίπεδοι) χρησιµοποιούνται µόνο για τα χονδρόκοκκα εδάφη χωρίς ποσοστό λεπτόκοκκων εδαφών. Οι δονητικοί οδοστρωτήρες επίπεδου τύπου (vibrating plates) είναι κατάλληλοι για τα «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 243

244 χονδρόκοκκα εδάφη µε ποσοστό λεπτόκοκκων εδαφών µέχρι 12%. Οι χειροκίνητες σφύρες (manually-controlled power rammers) χρησιµοποιούνται για τη συµπύκνωση µικρών περιοχών όπου η πρόσβαση είναι δύσκολη, ή όπου η χρήση του µεγαλύτερου εξοπλισµού δεν θα δικαιολογούταν, και για τη συµπύκνωση επιχώσεων σε τάφρους και φρέατα. Κυλινδροσυµπιεστής τύπου τροχού οµαλής επιφάνειας (smooth-wheeled roller). Οδοστρωτήρας τύπου «κατσικοπόδαρου» (sheepsfoot roller) υναµική συµπύκνωση. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 244

245 Η δυναµική συµπύκνωση βελτιώνει τις µηχανικές ιδιότητες του εδάφους µε επαναλαµβανόµενη εφαρµογή πολύ υψηλής έντασης προσκρούσεων στην επιφάνεια του εδάφους. Αυτό επιτυγχάνεται µε τη ρίψη ενός βάρους, της τάξης των 10 έως 20 τόνων, από κυλιόµενους επί αλυσίδων γερανούς, από ύψη 10 έως 20 µέτρων σε τακτά διαστήµατα επάνω από την επιφάνεια του εδάφους. Τα περάσµατα του κυλιόµενου γερανού θα πρέπει να επαναλαµβάνονται επάνω από την περιοχή της επιφάνειας του εδάφους, αν και µπορεί να γίνουν διάφορα βυθίσµατα σε κάθε πρόσκρουση κατά τη διάρκεια ενός περάσµατος. Κάθε βύθισµα πρόσκρουσης επιχωµατώνεται µετά από την πρόσκρουση. Το πρώτο πέρασµα σε ευρέως κατανεµηµένα διαστήµατα κέντρων (δηλαδή σε αραιό κάναβο µε µεγάλη αξονική απόσταση των κέντρων πρόσκρουσης) βελτιώνει το κατώτερο στρώµα της επεξεργαζόµενης εδαφικής ζώνης και τα επόµενα περάσµατα συµπυκνώνουν τα ανώτερα στρώµατα. Στα λεπτότερα εδαφικά υλικά θα πρέπει να αφήνεται αρκετό χρονικό διάστηµα µεταξύ των περασµάτων, που µπορεί να πάρει και αρκετές εβδοµάδες, ώστε να διαφεύγουν και να εκτονώνονται οι αυξηµένες πιέσεις νερού πόρων µέσα στο έδαφος Σιµεντενέσεις ή τσιµεντενέσεις (Grouting). 1. ιαδικασίες κατασκευής σιµεντενέσεων σε στρώµατα βράχου (σε βραχοµάζα) 2. Κατασκευή φραγµάτων σε µη στερεοποιηµένες εδαφικές αποθέσεις 3. Υλικό σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος 4. Τύποι σιµεντενέσεων και σιµεντενέµατος 5. ιάταξη σιµεντενέσεων 6. Καλύµµατα ή Τάπητες ή Μεµβράνες Σιµεντενέµατος ή Ρευστοκονιάµατος (Blanket Grouting) 7. Σιµεντενέσεις τύπου κουρτίνας (Curtain Grouting) 8. Ειδικού σκοπού σιµεντενέσεις, εκτός κανάβου κανονικής διάταξης 9. Σύσταση σιµεντενέµατος και εφαρµοζόµενη πίεση σιµεντενέσεων ιαδικασίες κατασκευής σιµεντενέσεων σε στρώµατα βράχου (σε βραχοµάζα). Ο σκοπός της κατασκευής των σιµεντενέσεων στα στρώµατα του βράχου ή στη βραχοµάζα στο χώρο θεµελίωσης και των αντερεισµάτων ενός φράγµατος είναι η βελτίωση της αντοχής και της φέρουσας ικανότητας της βραχοµάζας, καθώς και η πλήρωση µε σιµεντένεµα ή ρευστοκονίαµα των υπόγειων ανοιγµάτων, ασυνεχειών, εγκοίλων, διακλάσεων, και των λοιπών κενών που διατρέχουν την βραχοµάζα και που δηµιουργούν την δυνατότητα απαγορευτικών διηθήσεων και απωλειών-διαρροών νερού «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 245

246 µέσα από αυτή. Η γενικότερη τεχνική κατασκευής σιµεντενέσεων περιλαµβάνει την διάτρηση της βραχοµάζας και την εισπίεση σιµεντενέµατος ή ρευστοκονίαµα, είτε µε µίγµατα νερού-σιµέντου είτε µε διάφορες ρητίνες είτε µε άλλους τύπους στεγανωτικών υλικών. Οι προκαταρκτικές γεωλογικές και γεωφυσικές έρευνες αποκαλύπτουν συνήθως µόνο τα γενικά χαρακτηριστικά της βραχοµάζας του βραχώδους υποβάθρου της περιοχής, και είναι απαραίτητες να µελετηθούν µέχρις ότου πραγµατοποιηθεί η φάση της εκσκαφής για την θεµελίωση του φράγµατος µε αποτέλεσµα να απογυµνωθεί η βραχοµάζα, οπότε και µπορεί να εξεταστεί λεπτοµερώς και επακριβώς. Αυτή η φάση είναι µία κρίσιµη στιγµή επειδή ο ανάδοχος εργολήπτης - κατασκευαστής του φράγµατος είναι πρόθυµος να συνεχίσει µε την κατασκευή του φράγµατος. Εντούτοις, αυτή είναι η τελευταία ευκαιρία για να εξασφαλιστεί ότι όλες οι ρωγµές, οι διακλάσεις, και οι ασυνέχειες και τα ανοίγµατα γενικότερα, σφραγίζονται ώστε να αποτραπεί οποιαδήποτε απώλεια νερού σε κάποιο µεταγενέστερο στάδιο και θα πρέπει να αντιµετωπιστούν εκτενώς για να επιβεβαιώσουν την απόλυτη λειτουργικότητα, ευστάθεια και ασφάλεια του φράγµατος. Αν και η κατασκευή των σιµεντενέσεων στα στρώµατα του βράχου ή στην βραχοµάζα στο χώρο θεµελίωσης και των αντερεισµάτων ενός φράγµατος µπορεί να διευθετηθεί µε σχολαστικότατη προσοχή, πάντα υπάρχει η πιθανότητα ότι µερικές ρωγµές, ή διακλάσεις, ή ασυνέχειες και ανοίγµατα γενικότερα υπόγειας κυκλοφορίας νερού παραµένουν ανοικτά και ότι η ροή νερού µέσω αυτών των ανοιγµάτων θα επιταχύνεται καθώς γεµίζει µε νερό ο ταµιευτήρας. Εάν ο όγκος του διαρρέοντος νερού είναι υπερβολικός τότε θα πρέπει να ληφθούν κατάλληλα θεραπευτικά µέτρα, διαφορετικά, εάν ο όγκος του διαρρέοντος νερού είναι µικρότερος και αποδεκτός, οι διαρροές µπορούν να παρεµποδιστούν και να εκτραπούν µε την κατασκευή αποστραγγιστικών γεωτρήσεων ή και από πορώδη αποστραγγιστικά πρίσµατα Κατασκευή φραγµάτων σε µη στερεοποιηµένες εδαφικές αποθέσεις. Υπάρχουν πολλές θέσεις όπου το πάχος των ακατάλληλων εδαφικών αποθέσεων ή προσχώσεων της κοιλάδας είναι τόσο πολύ µεγάλο ώστε να εκσκαφθεί και να αφαιρεθεί, µε αποτέλεσµα ολόκληρο το φράγµα ή τα µέρη από τα οποία αποτελείται να πρέπει αναγκαστικά να θεµελιωθούν επί των µη στερεοποιηµένων µαλακών εδαφικών αποθέσεων. Παρακάτω παρουσιάζονται διάφορες χαρακτηριστικές εγκάρσιες τοµές αρκετών χωµάτινων ή/και λιθόριπτων φραγµάτων που κατασκευάζονται τουλάχιστον εν µέρει σε µη στερεοποιηµένες µαλακές εδαφικές αποθέσεις. Είναι σαφές ότι απαιτούνται ιδιαίτερες γεωτεχνικές και εδαφοµηχανικές πληροφορίες ως προς τις αναµενόµενες παραµορφώσεις και καθιζήσεις καθώς και τις διαπερατότητες των υπόγειων εδαφικών σχηµατισµών πριν «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 246

247 από τον σχεδιασµό και την κατασκευή κάποιου χαρακτηριστικού διακόπτη στεγάνωσης νερού (Cut-off). Λιθόριπτο φράγµα. Η αδιαπέρατη µεµβράνη (ασφαλτικό σκυρόδεµα) επεκτείνεται έως το κάλυµµα µίας σειράς κουρτίνας σιµεντενέσεων σε ένα στρώµα υδροπερατού βράχου. Η τάφρος του διακόπτη στεγάνωσης νερού (Cut-off) επεκτείνεται έως το στρώµα του υδατοστεγούς βράχου. Η τάφρος του διακόπτη στεγάνωσης νερού (Cut-off) διαπερνά το αδιαπέρατο στρώµα σε µία µη στερεοποιηµένη εδαφική απόθεση κοιλάδας. Ο διακόπτης στεγάνωσης νερού (Cut-off) επεκτείνεται στο στρώµα του αδιαπέρατου υλικού σε µία µη στερεοποιηµένη εδαφική απόθεση κοιλάδας. Οι γεωτρήσεις σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος επεκτείνονται µέσω ενός «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 247

248 υδροπερατού στρώµατος ασβεστόλιθου σε ένα υδατοστεγές στρώµα βράχου κάτω από τις αλλουβιακές αποθέσεις της κοιλάδας. Ένας διακόπτης στεγάνωσης νερού (Cut-off) δηµιουργείται µε την κατασκευή ενός διαφράγµατος πασσαλοσανίδων που εισχωρεί µέσα σε ένα αδιαπέρατο στρώµα αλλουβιακών αποθέσεων κοιλάδας. Η ροή νερού κάτω από το φράγµα µειώνεται από ένα στρώµα αδιαπέρατου υλικού (αδιαπέρατη µεµβράνη) που τοποθετείται ανάντη του φράγµατος Υλικό σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος. Το σιµεντένεµα ή ρευστοκονίαµα είναι ένα υγρό, είτε µια οµοιόµορφη χηµική ουσία είτε ένα υδατικό αιώρηµα πολύ λεπτών στερεών κόκκων που εισπιέζεται και εγχέεται µέσα στις βραχοµάζες ή στα µη στερεοποιηµένα εδαφικά υλικά µέσω κάποιων ειδικά διατρηµένων µε γεωτρύπανα γεωτρήσεων (µε ειδικές τεχνικές προδιαγραφές) µε σκοπό να βελτιώσει τις γενικές φυσικές και ιδιαίτερα τις µηχανικές ιδιότητες των γεωλογικών αυτών σχηµατισµών ή/και µε σκοπό να µειώσει ή/και να εξαλείψει την διήθηση και διαρροή του υπόγειου νερού κάτω ή µέσα από το φράγµα. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 248

249 Υπάρχουν τρεις βασικοί τύποι σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος: 1. Ρευστοκονιάµατα µε βάση το σιµέντο-τύπου Πόρτλαντ (Σιµεντενέσεις), 2. ιαλύµατα ενέσεων χηµικών ουσιών (Ενέσεις χηµικών ουσιών), και 3. Οργανικές ρητίνες, συµπεριλαµβανοµένων και των εποξικών ρητινών (Ρητινενέσεις). Τα ρευστοκονιάµατα µε βάση το σιµέντο-τύπου Πόρτλαντ είναι οι συνηθέστερες και οι ευρύτατα χρησιµοποιούµενες ενέσεις Τύποι σιµεντενέσεων και σιµεντενέµατος. Στις θεµελιώσεις των φραγµάτων υπάρχουν συνήθως τρία είδη προγράµµατος σιµεντενέσεων και σιµεντενέµατος: 1. Ρηχό κάλυµµα ή τάπητας ή µεµβράνη στερεοποιηµένης σιµεντένεσης επάνω από συγκεκριµένα και κρίσιµα τµήµατα, 2. Κουρτίνα σιµεντενέσεων που εκτελείται από µια στοά στο σώµα του φράγµατος ή από ένα καπάκι σκυροδέµατος, και 3. Ειδικού σκοπού σιµεντένεµα ή ρευστοκονίαµα, εκτός κανάβου κανονικής διάταξης, µε σκοπό να βελτιώσει την αντοχή και την φέρουσα ικανότητα. Στην συνέχεια παρουσιάζονται µερικές εγκάρσιες τοµές φραγµάτων θεµελιωµένα επί βραχωδών σχηµατισµών (βραχοµάζες) όπου παρουσιάζονται οι θέσεις των διατρηµένων µε γεωτρύπανο γεωτρήσεων για την επεξεργασία και βελτίωση της θεµελίωσης. Α - Γεωτρήσεις κουρτινών σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος, Β - Γεωτρήσεις καλύµµατος ή τάπητα ή µεµβράνης σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος, Γ - Γεωτρήσεις σιµεντενέσεων ειδικού σκοπού, εκτός κανάβου κανονικής διάταξης, και - Αποστραγγιστικές γεωτρήσεις ή Γεωτρήσεις αποστραγγιστικών φίλτρων. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 249

250 Λιθόριπτο φράγµα µε στεγανό ανάντη µέτωπο από σκυρόδεµα. Χωρισµένο σε ζώνες χωµάτινο ή λιθόριπτο φράγµα. Χωρισµένο σε ζώνες χωµάτινο ή λιθόριπτο φράγµα. Χωµάτινο φράγµα. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 250

251 Φράγµα βαρύτητας από σκυρόδεµα όπου οι γεωτρήσεις σιµεντενέσεων µε σήµανση "Γ" τέµνουν µια υδροπερατή ζώνη ενός ρήγµατος στην βραχοµάζα θεµελίωσης. Φράγµα βαρύτητας από σκυρόδεµα µε διπλές γεωτρήσεις κουρτίνας σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος, όπου οι γεωτρήσεις µε σήµανση "Γ" τέµνουν µια υδροπερατή ζώνη ενός ρήγµατος στην βραχοµάζα θεµελίωσης. Φράγµα βαρύτητας από σκυρόδεµα µε ειδικού σκοπού γεωτρήσεις µε σήµανση "Γ". «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 251

252 Φράγµα βαρύτητας από σκυρόδεµα µε ένα πορώδες αποστραγγιστικό φίλτρο για να συλλέγει το νερό διήθησης. Κυψελωτό φράγµα βαρύτητας από σκυρόδεµα µε γεωτρήσεις κουρτίνας σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος και άλλες. Αντηριδωτό φράγµα από σκυρόδεµα µε γεωτρήσεις κουρτίνας σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 252

253 Τοξωτό ή αψιδωτό φράγµα από σκυρόδεµα µε γεωτρήσεις κουρτίνας σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος και άλλες. Άλλο τοξωτό ή αψιδωτό φράγµα από σκυρόδεµα µε γεωτρήσεις κουρτίνας σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος και άλλες ιάταξη σιµεντενέσεων. Τα σχέδια για τα φράγµατα περιλαµβάνουν συνήθως ευρείες και ακριβείς προδιαγραφές σχετικά µε το συστηµατικό πρόγραµµα εκτέλεσης και εφαρµογής εµποτίσουν καλυµµάτων ή ταπήτων ή µεµβρανών σιµεντενέµατος ή/και κουρτινών σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος. Η εκτέλεση και εφαρµογή σιµεντενέσεων θεωρείται γενικά ως µια αβέβαιη διαδικασία, διότι είναι σχεδόν αδύνατο να υπολογιστεί επακριβώς η ποσότητα σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος που απαιτείται, και συνήθως οι ποσότητες των πραγµατικών «λήψεων» ή «εισπιέσεων» του σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος στην πράξη είναι αρκετά έως πολύ παραπάνω από τις εκτιµούµενες ποσότητες κατά τον σχεδιασµό. Μπορεί εποµένως να λεχθεί ότι: «Η εκτέλεση και εφαρµογή σιµεντενέσεων είναι µια τέχνη που βασίζεται στην εµπειρία και στις παρατηρήσεις και όχι µία ακριβής επιστηµονική διαδικασία». Το σχέδιο ή το µοντέλο διάταξης των σιµεντενέσεων είναι η προτεινόµενη διάταξη και ο σχεδιασµός της εκτέλεσης και εφαρµογής των σιµεντενέσεων που συµπεριλαµβάνεται στα σχέδια και στις προδιαγραφές για ένα φράγµα που είναι συνήθως η βάση για την εκτίµηση πριν από την κατασκευή του «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 253

254 συνολικού απαιτούµενου µήκους σε µέτρα των γεωτρήσεων εισπίεσης του σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος, καθώς και της αναµενόµενης ποσότητας κατανάλωσης του σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος. Είναι σχεδόν γενική πρακτική κατά τον αρχικό σχεδιασµό της εκτέλεσης και εφαρµογής των σιµεντενέσεων να τοποθετούνται οι θέσεις των γεωτρήσεων εισπίεσης του σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος στα σχέδια µε µία προκαθορισµένη και συστηµατική διάταξη σχεδίου ή κανάβου γεωτρήσεων εισπίεσης, µε ένα συγκεκριµένο διάστηµα ή αξονική απόσταση µεταξύ των γεωτρήσεων εισπίεσης, καθώς και συγκεκριµένα βάθη Καλύµµατα ή Τάπητες ή Μεµβράνες Σιµεντενέµατος ή Ρευστοκονιάµατος (Blanket Grouting). Οι γεωτρήσεις εισπίεσης των καλυµµάτων ή ταπήτων ή µεµβρανών σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος είναι συνήθως αβαθείς, όχι περισσότερο από 6 έως 9 m βάθους και προορίζονται για να θεραπεύσουν τις ρωγµές στη ζώνη θεµελίωσης του φράγµατος, όπως π.χ. είναι οι ζώνες της κατακερµατισµένης βραχοµάζας, µε τη µείωση του συντελεστή διαπερατότητας (Κ) και την αύξηση της γενικής αντοχής και φέρουσας ικανότητάς της. Αν και οι γεωτρήσεις εισπίεσης του σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος µπορούν να διατρηθούν µε ένα κοινό γεωτρύπανο συνήθως κάθετα στην επιφάνεια θεµελίωσης, υπάρχει πολλές φορές ιδιαίτερη ανάγκη και απαίτηση να κατευθύνονται οι γεωτρήσεις εισπίεσης ενέµατος προς κάποια ειδική γωνία ώστε να διατρηθούν και τµηθούν κάποια συγκεκριµένα τοπικά χαρακτηριστικά ή ζώνες, όπως π.χ. συγκεκριµένες ζώνες κατακερµατισµού, ζώνες ρηγµάτων, κ.ά., που εντοπίζονται και αναγνωρίζονται στην άµεση περιοχή θεµελίωσης του φράγµατος κατά τη διάρκεια της εκσκαφής. Η κατασκευή των καλυµµάτων ή ταπήτων ή µεµβρανών σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος θα πρέπει να έχουν ολοκληρωθεί πλήρως πριν από την έναρξη της θεµελίωσης και κατασκευής του φράγµατος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 254

255 Οι θέσεις των γεωτρήσεων εισπίεσης των καλυµµάτων ή ταπήτων ή µεµβρανών σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος µπορούν να υποδειχθούν επί σχεδίων και να δοθούν οι σχετικές προδιαγραφές τους για διάφορους τύπους φραγµάτων. Τα σχετικά σχέδια είναι συνήθως απολύτως ενδεικτικά, και δεν παρουσιάζεται καµία κλίµακα σε αυτά, µε την παραδοχή ότι ο πραγµατικός αριθµός των γεωτρήσεων εισπίεσης θα καθοριστεί επ ακριβώς µε βάση την διαµόρφωση της έκτασης, της µηκοτοµής και των διατοµών της τελικής εκσκαφής για την θεµελίωση του φράγµατος Σιµεντενέσεις τύπου κουρτίνας (Curtain Grouting). Στα χωµάτινα και λιθόριπτα φράγµατα, οι κουρτίνες σιµεντενέµατος ολοκληρώνεται συνήθως προτού να κατασκευαστεί το φράγµα και περιλαµβάνει την πλήρωση µιας στενής τάφρου εκσκαφής στη ζώνη θεµελίωσης του φράγµατος µε σκυρόδεµα. Εξαίρεση στον χρόνο κατασκευής των σιµεντενέσεων αποτελούν µόνο οι σιµεντενέσεις που εκτελούνται µετά από την κατασκευή του φράγµατος για το κάλυµµα σιµεντενέσεων που τοποθετείται στο ανάντη τακούνι του φράγµατος, δηλαδή στην ανάντη επαφή ενός φράγµατος µε την θεµελίωσή του. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 255

256 Οι κουρτίνες σιµεντενέµατος στις θεµελιώσεις των φραγµάτων βαρύτητας από σκυρόδεµα είναι η αποτελεσµατικότερη παρέµβαση µετά από την ολοκλήρωση της κατασκευής του φράγµατος, σε µία φάση όπου εφαρµόζεται η πλήρης φόρτιση στη θεµελίωσή του. Κάτω από τέτοιες περιστάσεις µπορούν να χρησιµοποιηθούν ακόµα υψηλότερες πιέσεις εισπίεσης σιµεντενέµατος, αφού λόγω του µεγάλου ιδίου φορτίου του φράγµατος αποτρέπεται ο κίνδυνος ανασήκωσης του εδάφους από την µεγάλη πίεση εισπίεσης του ενέµατος, έτσι ώστε να εξασφαλιστεί η µεγαλύτερη δυνατή διαδροµή και αποµάκρυνση του σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος προς όλες τις κατευθύνσεις κατά µήκος των πορειών ροής που τέµνονται από τις γεωτρήσεις εισπίεσης του σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος. Στα φράγµατα βαρύτητας και στα τοξωτά φράγµατα βαρύτητας µέτριου έως µεγάλου µεγέθους είναι κοινή πρακτική να κατασκευάζεται µια στοά µέσα στο σώµα του φράγµατος για τη διάτρηση των γεωτρήσεων εισπίεσης του σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος της κουρτίνας, καθώς και των γεωτρήσεων των αποστραγγιστικών φίλτρων. Οι θεµελιώσεις των µικρών φραγµάτων βαρύτητας και των λεπτών τοξωτών φραγµάτων µπορούν να εµποτιστούν µε σιµεντένεµα αποτελεσµατικά και από τα καλύµµατα σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος που τοποθετούνται κατά µήκος της επαφής του ανάντη µετώπου του φράγµατος µε την βραχοµάζα θεµελίωσης. Όπου δεν υπάρχουν κάποιες γεωλογικές ιδιαιτερότητες στην ζώνη θεµελίωσης του φράγµατος, τα βάθη των γεωτρήσεων εισπίεσης του σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος της κουρτίνας στον κάναβο ή στο σχέδιο των σιµεντενέσεων καθορίζονται από κάποιον τύπο. Ένας συχνά χρησιµοποιηµένος τύπος είναι ο ακόλουθος: «Το κατακόρυφο βάθος των γεωτρήσεων εισπίεσης του σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος θα πρέπει είναι το ένα τρίτο του ύψους του φράγµατος στη θέση της κάθε συγκεκριµένης γεώτρησης εισπίεσης συν 15 έως 20 m περίπου». «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 256

257 Ειδικού σκοπού σιµεντενέσεις, εκτός κανάβου κανονικής διάταξης. Κατά τη διάρκεια των ερευνών πριν από την κατασκευή του φράγµατος και καθώς εµφανίζονται οι απρόβλεπτες γεωλογικές - γεωτεχνικές συνθήκες στις εκσκαφές για την θεµελίωση του φράγµατος, µπορεί να προκύψει η ανάγκη για εκτέλεση «εκτός σχεδιασµού και κανάβου κανονικής διάταξης» γεωτρήσεων εισπίεσης σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος. Αυτές οι γεωτρήσεις διατρήονται µε ένα κοινό γεωτρύπανο και εισπιέζονται µε ένεµα για να βελτιώσουν τη διατµητική αντοχή, την φέρουσα ικανότητα ή / και για να µειώσουν τη διαπερατότητα της βραχοµάζας που δεν τέµνεται από τις γεωτρήσεις της κουρτίνας σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος ή και τις γεωτρήσεις εισπίεσης των καλυµµάτων ή τάπητων ή µεµβρανών σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος. Τα βάθη, οι διευθύνσεις και οι κλίσεις των γεωτρήσεων εισπίεσης σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος καθορίζονται από την τρισδιάστατη γεωµετρία των ζωνών της µη ανθεκτικής ή / και διαπερατής βραχοµάζας όπως αποκαλύπτεται κατά την επιτόπια εξέταση της βραχοµάζας που εκτίθεται στις εκσκαφές για την θεµελίωση του φράγµατος και στις εκσκαφές των αντερεισµάτων του. Στην συνέχεια παρουσιάζονται διαγραµµατικά διάφορες περιπτώσεις εφαρµογής γεωτρήσεων εισπίεσης σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος. Κεκλιµένες γεωτρήσεις εισπίεσης ενέµατος από την επιφάνεια και οριζόντιες γεωτρήσεις εισπίεσης από µία στοά τέµνουν σχεδόν κατακόρυφα ρήγµατα και την περιβάλλουσα κατακερµατισµένη µυλωνητιωµένη και έντονα διακλασµένη βραχοµάζα σε βάθος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 257

258 Κεκλιµένες γεωτρήσεις εισπίεσης ενέµατος που διατρήονται µε γεωτρύπανο για να ενισχύσουν διαταραγµένες ζώνες σε κρυσταλλοσχιστώδεις βραχοµάζες. Κεκλιµένα ιζηµατογενή στρώµατα παρουσιάζουν συνήθως αυξηµένη πιθανότητα για διήθηση και διαρροή νερού κάτω από ένα φράγµα. Κεκλιµένες γεωτρήσεις εισπίεσης ενέµατος διατρήονται µε κοινό γεωτρύπανο για να διασταυρώσουν ένα υδροπερατό ασβεστολιθικό στρώµα και ένα ψαθυρό και γεωτεχνικά υποβαθµισµένο στρώµα ψαµµίτη ή ιλυόλιθου. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 258

259 Κεκλιµένες γεωτρήσεις εισπίεσης ενέµατος διατρήονται µε κοινό γεωτρύπανο σε µία διακλασµένη και διατµηµένη πτυχωµένη βραχοµάζα στις ζώνες των αντικλίνων και συγκλίνων των πτυχών της. Γεωτρήσεις εισπίεσης ενέµατος διατρήονται µε κοινό γεωτρύπανο για να διασταυρώσουν µία πολύ πυκνά διακλασµένη βραχοµάζα πυριγενούς παρείσδυσης κοίτης σε βάθος. Γεωτρήσεις εισπίεσης ενέµατος εκτός κανονικού κανάβου διατρήονται µε κοινό γεωτρύπανο για να διασταυρώσουν µία διακλασµένη και αποσαθρωµένη κρυσταλλοσχιστώδη βραχοµάζα κάτω από µία τεκτονική ασυµφωνία. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 259

260 Σύσταση σιµεντενέµατος και εφαρµοζόµενη πίεση σιµεντενέσεων. Η ικανότητα του σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος να διαπερνά αλληλοδιασυνδεδεµένα ανοιχτά κενά στο υπέδαφος περιορίζεται από τις διαστάσεις των ανοιχτών κενών και την ποσότητα και το µέγεθος των στερεών κόκκων του σιµέντου που αιωρούνται στο νερό. Τα κενά που είναι ελαφρώς µεγαλύτερα από το τριχοειδές µέγεθος που µπορεί να επιτρέψει την ελεύθερη κυκλοφορία των υπόγειων νερών, γεµίζουν γρήγορα και κλείνουν από τους στερεούς κόκκους του σιµέντου και έτσι η πλευρική ή / και κατακόρυφη διαδροµή και µετακίνηση του αιωρήµατος του σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος παρεµποδίζεται πολύ ή και παρουσιάζει άρνηση στην περαιτέρω διάχυση. Στα µεγαλύτερα κενά, που προϋποθέτουν αλληλοδιασυνδεδεµένους αγωγούς κυκλοφορίας, το αιώρηµα του σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος κινείται µε ευκολία, και σε µερικές περιπτώσεις µπορεί να µετακινηθεί σε εκπληκτικά µεγάλες αποστάσεις µέσα στο υπέδαφος. Εάν η εύκολη κυκλοφορία του σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος συνεχίζεται µε την πρόοδο των εργασιών εισπίεσης του σιµεντενέµατος, το αιώρηµα του σιµεντενέµατος γίνεται βαθµιαία πυκνότερο και, εάν είναι απαραίτητο, αυξάνεται αντίστοιχα η πίεση εισπίεσης του σιµεντενέµατος µέχρι την ολική πλήρωση των υπαρχόντων κενών στο υπέδαφος, που αποδεικνύεται από την άρνηση της γεώτρησης εισπίεσης σιµεντενέµατος να παραλάβει οποιαδήποτε πρόσθετη ποσότητα σιµεντενέµατος. Οι διαρροές του σιµεντενέµατος προς την επιφάνεια του εδάφους θα πρέπει να εµποδίζονται ή διαφορετικά να σφραγίζονται ώστε να προωθείται η προς τα κάτω περιορισµένη κίνηση του αιωρήµατος του σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος. Οι ορισµοί του λεπτού και παχύ αιωρήµατος του σιµεντενέµατος δεν είναι ακριβείς, αλλά γενικά τα ονοµαζόµενα λεπτά µίγµατα σηµαίνει ότι παρασκευάζονται µε τη µίξη µίας αναλογίας νερού προς σιµέντο της τάξης του 8 έως 10 ως προς τον όγκο τους. Τα ονοµαζόµενα παχιά µίγµατα έχουν συνήθως ποσοστό αναλογίας όγκου σιµέντου προς νερό περίπου ίσο µε 1 προς 1, ή µία πυκνότητα που είναι τόσο µεγάλη ώστε το αιώρηµα του σιµεντενέµατος να µην µπορεί να αντληθεί και να εισπιεσθεί µε σχετική ευκολία. Στα ιδιαίτερα διαπερατά υλικά προτείνεται συνήθως η εισπίεση ενός πυκνού µίγµατος σιµεντενέµατος το οποίο να είναι εµπλουτισµένο και µε αδρανείς πρόσθετες ουσίες όπως άργιλο, µπεντονίτη ή και άµµο που µπορούν να προστεθούν στο αιώρηµα του σιµεντενέµατος ως φθηνά πρόσθετα υλικά πληρώσεως. Εάν οι πιέσεις εισπίεσης του σιµεντενέµατος υπερβούν ορισµένα όρια υπάρχει ο κίνδυνος της µετακίνησης, ανασήκωσης και «εξάρθρωσης» της θεµελίωσης του έργου µε αποτέλεσµα να δηµιουργηθούν νέοι αγωγοί και κανάλια διήθησης και διαρροής νερού. Λόγω της πολύ µεγάλης πολυπλοκότητας των πιθανών διαδροµών της υπόγειας κυκλοφορίας του αιωρήµατος του σιµεντενέµατος, δεν είναι δυνατό να καθιερωθεί ένας συγκεκριµένος και άκαµπτος κανόνας για τον έλεγχο των πιέσεων «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 260

261 εισπίεσης του σιµεντενέµατος ή ρευστοκονιάµατος στην κορυφή κάποιας γεώτρησης εισπίεσης σιµεντενέµατος. Για παράδειγµα στην περίπτωση εισπίεσης σιµεντενέµατος στις κουρτίνες σιµεντενέσεων, ένας απλός κανόνας που ακολουθείται µερικές φορές αναφέρει ότι η πίεση εισπίεσης ενός αρχικά λεπτού αιωρήµατος σιµεντενέµατος αυξάνεται σταδιακά έως ένα επίπεδο που να εξασφαλίζει µία ελεύθερη κυκλοφορία του αιωρήµατος (προϋποθέτοντας ότι υπάρχουν κάποιοι αγωγοί για την κυκλοφορία του αιωρήµατος) χωρίς όµως να είναι µεγαλύτερη από την υπολογισµένη υδροστατική πίεση που ασκείται από ένα πληρωµένο µε νερό ταµιευτήρα έως το υψόµετρο της κεφαλής της γεώτρησης εισπίεσης του αιωρήµατος του σιµεντενέµατος, συν 0,7 έως 3,5 περίπου ατµόσφαιρες. Θα πρέπει να αποφεύγεται η πρόωρη αύξηση της πυκνότητας του αιωρήµατος του σιµεντενέµατος ή η µείωση της πίεσης εισπίεσης του σιµεντενέµατος που προκαλεί άρνηση στην εισπίεση σιµεντενέµατος σε µια γεώτρηση εισπίεσης σιµεντενέµατος, εκτός εάν µπορεί να αποδειχθεί ότι το σιµεντένεµα διαφεύγει στην επιφάνεια αρκετά έξω και µακριά από την περιοχή θεµελίωσης του έργου. Εφ' όσον το σιµεντένεµα κυκλοφορεί κάπου στην άµεση περιοχή θεµελίωσης του φράγµατος ή στην κοντινή ευρύτερη περιοχή της θεµελίωσης, θα πρέπει να θεωρηθεί ότι συµβάλλει στην γεωτεχνική βελτίωση και αναβάθµιση των φυσικοµηχανικών ιδιοτήτων των γεωλογικών σχηµατισµών της θεµελίωσης καθώς και στην µείωση της διαπερατότητας και συνεπώς της διήθησης και διαρροής των υπόγειων νερών κάτω από την ζώνη θεµελίωσης του φράγµατος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 261

262 ΦΡΑΓΜΑΤΑ ΑΠΟ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. ΦΡΑΓΜΑΤΑ ΒΑΡΥΤΗΤΑΣ 1. Εισαγωγή. 2. Έννοιες και κριτήρια σχεδιασµού. 3. Υποπίεση ή Ανύψωση. 4. Τάσεις Πιέσεις. 5. Αρµοί Συστολής - ιαστολής. 6. Στοές & Σήραγγες. 7. Συναφές δοµές & κατασκευές. 8. Προεντεταµένα φράγµατα βαρύτητας. ΦΡΑΓΜΑΤΑ ΤΟΞΩΤΑ ή ΑΨΙ ΩΤΑ 1. Εισαγωγή. 2. Έννοιες και κριτήρια σχεδιασµού. 3. Αντερείσµατα Ευστάθεια. 4. Γεωµετρία του κελύφους. 5. Αρµοί Συστολής - ιαστολής. 6. Προένταση. ΦΡΑΓΜΑΤΑ ΑΝΤΗΡΙ ΩΤΑ 1. Εισαγωγή. 2. Γέφυρα από πλάκα σκυροδέµατος. 3. Ογκώδης Αντηρίδα κεφαλής. 4. Φράγµα πολλαπλών θόλων ή τόξων. 5. Αντηρίδες. 6. Υποπίεση ή Ανύψωση και ολίσθηση. 7. Αντηριδωτά φράγµατα υπερχείλισης. 8. Προένταση Περιεχόµενο των φραγµάτων βαρύτητας από σκυρόδεµα. 1. Εισαγωγή. 2. Έννοιες και κριτήρια σχεδιασµού. 3. Υποπίεση ή Ανύψωση. 4. Τάσεις Πιέσεις. 5. Αρµοί Συστολής - ιαστολής. 6. Στοές & Σήραγγες 7. Συναφές δοµές & κατασκευές του φράγµατος. 8. Προεντεταµένα φράγµατα βαρύτητας. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 262

263 Εισαγωγή στα φράγµατα βαρύτητας. Ένα φράγµα βαρύτητας από σκυρόδεµα έχει µία τέτοια εγκάρσια τοµή µε µία επίπεδη βάση, έτσι ώστε το φράγµα να στέκεται ελεύθερο από µόνο χωρίς αντιστήριξη ή υποστήριξη. ηλαδή, το φράγµα έχει ένα κέντρο βάρους αρκετά χαµηλό έτσι ώστε να µην ανατρέπεται ακόµα και εάν δεν αντιστηρίζεται στα αντερείσµατά του. Τα φράγµατα βαρύτητας απαιτούν τις µεγαλύτερες ποσότητες σκυροδέµατος για την κατασκευή τους όπως σε σύγκριση µε άλλα είδη φραγµάτων από σκυρόδεµα, και αντιστέκονται σε µετατοπίσεις ή µετακινήσεις τους από την υδροστατική πίεση του νερού του ταµιευτήρα µόνο και µόνα από το ίδιον καθαρό βάρος τους. Μια ευνοϊκή περιοχή για την κατασκευή ενός τέτοιου φράγµατος βαρύτητας βρίσκεται συνήθως σε µια κοιλάδα όπου το υγιές στρώµα του βραχώδους υποβάθρου είναι αρκετά κοντά στην επιφάνεια του φυσικού εδάφους τόσο στην βάση θεµελίωσης όσο και στα αντερείσµατα του φράγµατος. Η διαθεσιµότητα των κατάλληλου αδρανών και δοµικών υλικών για την κατασκευή του σκυροδέµατος είναι επίσης ένα από τα πλέον σηµαντικά θέµατα. Τα φράγµατα από λιθοδοµή που στηρίχθηκαν επάνω στο ίδιον βάρος τους για τη ευστάθειά τους ενάντια στην ολίσθηση και στην ανατροπή τους χρονολογούνται επάνω από έως χρόνια, και τόσο τα ανάντη όσο και τα κατάντη µέτωπα των πρανών τους ήταν κεκλιµένα και το πάχος των βάσεων τους αντιστοιχούσε σε αρκετές φορές το ύψος τους. Το 1872 ο Rankine πρότεινε ότι δεν θα πρέπει να αναπτύσσεται καµία εφελκυστική τάση ή πίεση µέσα στο σώµα ενός φράγµατος βαρύτητας. Το 1895 ο Levy πρότεινε ότι η θλιπτική τάση ή πίεση στο δοµικό υλικό του φράγµατος στο ανάντη µέτωπό του θα πρέπει να είναι µεγαλύτερη από την πίεση του νερού στο αντίστοιχο βάθος στον ταµιευτήρα. Ο κίνδυνος από την ανύψωση ή υποπίεση στην ζώνη θεµελίωσης του φράγµατος αναγνωρίστηκε οριστικά το 1882, και ο κίνδυνος από την ολίσθηση αποδείχθηκε στην πράξη από την αστοχία του φράγµατος Austin, στις Η.Π.Α.. Η πλέον πρόσφατη πρόοδος επήλθε µε την εφαρµογή της µεθόδου των αναλύσεων µε πεπερασµένα στοιχεία. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 263

264 Τυπική ιατοµή Παράδειγµα Φράγµα Hoover, στην Νεβάδα-Αριζόνα των Η.Π.Α. (221 m) Φράγµα Grand Coulee, Ουάσιγκτον των Η.Π.Α. (168 m) Φράγµα Fontana, Tennessee των Η.Π.Α. (137 m) Φράγµα Studen Kladenetz, Βουλγαρία (67,5 m) Φράγµα Sakuma, Ιαπωνία (140 m) Φράγµα Topolintza, Βουλγαρία (85 m) Έννοιες και κριτήρια σχεδιασµού. Ένα φράγµα βαρύτητας από σκυρόδεµα θα πρέπει να είναι: «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 264

265 Ασφαλές ενάντια στην ανατροπή σε οποιοδήποτε οριζόντιο επίπεδο τόσο µέσα στο σώµα του φράγµατος όσο και στην θεµελίωσή του. Ασφαλές ενάντια στην ολίσθηση σε οποιοδήποτε οριζόντιο επίπεδο τόσο µέσα στο σώµα του φράγµατος όσο και στην θεµελίωσή του. Έτσι σχεδιασµένο και διαµορφωµένο ώστε να µην υπερβαίνουν οι µέγιστες επιτρεπόµενες τάσεις τόσο στο σκυρόδεµα όσο και στη θεµελίωσή του Κριτήρια φόρτισης. είτε τη ενότητα: «Φόρτιση και συντελεστής ασφάλειας». Το 1940 οι Houk και Keener, απαρίθµησαν εικοσιπέντε βασικές προϋποθέσεις που πρέπει να εξετάζονται σχετικά µε τον σχεδιασµό των σηµαντικών φραγµάτων από λιθοδοµή. 1. Η βραχοµάζα που δοµεί την ζώνη θεµελίωσης και τα αντερείσµατα του φράγµατος θα πρέπει να είναι αρκετά ισχυρή ώστε να παραλαµβάνει τις δυνάµεις που επιβάλλονται από το φράγµα και οι επιβαλλόµενες τάσεις και πιέσεις να είναι αρκετά κάτω από το όριο ελαστικότητας σε όλες τις θέσεις κατά µήκος των επιπέδων επαφής. 2. Η φέρουσα ικανότητα της γεωλογικής δοµής κατά µήκος της ζώνης θεµελίωσης και των αντερεισµάτων του φράγµατος θα πρέπει να είναι αρκετά µεγάλη ώστε να παραλαµβάνει τα συνολικά φορτία που επιβάλλονται από το φράγµα χωρίς καταστρεπτικού µεγέθους µετακινήσεις της βραχοµάζας. 3. Οι βραχώδεις σχηµατισµοί θα πρέπει να είναι οµοιογενείς και οµοιόµορφα ελαστικοί σε όλες τις κατευθύνσεις, έτσι ώστε οι παραµορφώσεις τους να µπορούν να προβλεφθούν ικανοποιητικά είτε από υπολογισµούς βασισµένους στη θεωρία ελαστικότητας, είτε από εργαστηριακές δοκιµές και µετρήσεις σε πρότυπα προσοµοιώµατα που κατασκευάζονται από ελαστικά υλικά, είτε και από τους συνδυασµούς και των δύο αυτών µεθόδων. 4. Η παραµόρφωση της βραχοµάζας της ζώνης θεµελίωσης κάτω από τα συνεχή φορτία που προέρχονται από την κατασκευή του φράγµατος και από την πλήρωση του ταµιευτήρα µε νερό θα πρέπει να είναι επαρκώς ανεκτή χρησιµοποιώντας κάποιο κάπως χαµηλότερο µέτρο ελαστικότητας (Young s Modulus) από ότι διαφορετικά θα υιοθετούταν για να χρησιµοποιηθεί κατά τις τεχνικές αναλύσεις. 5. Η βάση του φράγµατος θα πρέπει να αλληλοεµπλέκεται και να «κλειδώνεται» πολύ έντεχνα και προσεκτικά µέσα στους βραχώδεις σχηµατισµούς κατά µήκος της ζώνης θεµελίωσης και των αντερεισµάτων του φράγµατος. 6. Οι διαδικασίες κατασκευής της εδράσεως του φράγµατος θα πρέπει και εκτελούνται και να επιβλέπονται µε προσοχή ώστε να εξασφαλίζεται ένας πολύ ικανοποιητικός δεσµός µεταξύ του σκυροδέµατος και της βραχοµάζας σε όλες τις επιφάνειες επαφής «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 265

266 κατά µήκος της ζώνης θεµελίωσης και των αντερεισµάτων του φράγµατος. 7. Το σκυρόδεµα στην µάζα του φράγµατος θα πρέπει να είναι οµοιογενές σε όλα τα τµήµατα της κατασκευής. 8. Το σκυρόδεµα θα πρέπει να είναι οµοιόµορφα ελαστικό σε όλα τα τµήµατα της κατασκευής, έτσι ώστε οι παραµορφώσεις λόγω των επιβαλλόµενων φορτίων να µπορούν να υπολογιστούν από τους τύπους που παράγονται βάσει της θεωρίας ελαστικότητας ή να µπορούν να υπολογιστούν από τις εργαστηριακές δοκιµές και µετρήσεις σε πρότυπα προσοµοιώµατα που κατασκευάζονται από ελαστικά υλικά. 9. Οι επιδράσεις της παραµόρφωσης του σκυροδέµατος θα πρέπει να είναι επαρκώς ανεκτές, χρησιµοποιώντας κάποιο κάπως χαµηλότερο µέτρο ελαστικότητας (Young s Modulus) κάτω από τα συνεχή επιβαλλόµενα φορτία από ότι διαφορετικά θα υιοθετούταν για να χρησιµοποιηθεί κατά τις τεχνικές αναλύσεις 10. Οι αρµοί συστολής - διαστολής του σκυροδέµατος θα πρέπει να είναι κατάλληλα εµποτισµένοι για επαρκείς πιέσεις, ή οι ανοικτές αυλακώσεις θα πρέπει να είναι κατάλληλα πληρωµένες µε σκυρόδεµα, έτσι ώστε το φράγµα να µπορεί να θεωρηθεί ότι ενεργεί µονολιθικά. 11. Θα πρέπει να εγκαθίστανται ικανοποιητικά αποστραγγιστικά φίλτρα στο φράγµα και στην ζώνη θεµελίωσής του ώστε να µειώνουν τις πιέσεις ανύψωσης ή υποπίεσης που ενδέχεται να αναπτυχθούν κατά µήκος των ζωνών επαφής µεταξύ του σκυροδέµατος και της βραχοµάζας. 12. Οι επιδράσεις των αυξήσεων στις οριζόντιες πιέσεις που ασκούνται από την συγκέντρωση της ιλύος λόγω της στερεοπαροχής από τα πληµµυρικά νερά στον ταµιευτήρα, µπορούν κάλλιστα να αγνοηθούν κατά τον σχεδιασµό των υψηλών φραγµάτων αποθήκευσης νερού, αλλά θα πρέπει όµως να λαµβάνονται υπόψη κατά τον σχεδιασµό των σχετικά χαµηλών κατασκευών εκτροπής νερού. 13. Οι δυνάµεις ανύψωσης ή υποπίεσης που θεωρούνται επαρκείς για την ανάλυση των συνθηκών ευστάθειας στη βάση του φράγµατος θεωρούνται επίσης επαρκείς για την ανάλυση των συνθηκών ευστάθειας σε οριζόντιες εγκάρσιες τοµές του σκυροδέµατος επάνω από τη βάση του φράγµατος. 14. Οι εσωτερικές τάσεις που προκαλούνται από τη φυσική συρρίκνωση και από τις διαδικασίες της τεχνητής ψύξης του σκυροδέµατος µπορούν να ελεγχθούν επαρκώς µε κατάλληλο σχεδιασµό των διαστηµάτων των αρµών συστολής - διαστολής. 15. Οι εσωτερικές τάσεις που προκαλούνται από την αύξηση της θερµοκρασίας κατά την ενυδάτωση του σκυροδέµατος µετά από την εισπίεση σιµεντενέµατος έχουν ευεργετική επίδραση. 16. Οι µέγιστες πιέσεις που µπορούν να εφαρµοστούν κατά την διαδικασία εισπίεσης σιµεντενέµατος στους αρµούς συστολής - διαστολής θα πρέπει να περιορίζονται σε τέτοιες τιµές όπως αυτές αποδεικνύεται ότι είναι ασφαλείς από κατάλληλες αναλύσεις τάσεων. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 266

267 17. Καµία περιοχή σε παγκόσµια κλίµακα δεν µπορεί να υποτεθεί ότι ήταν εξ ολοκλήρου απαλλαγµένη από περιστατικά σεισµικών δοµήσεων. 18. Μία παραδοχή σχετικά µε την µέγιστη σεισµική επιτάχυνση να λαµβάνεται ίση µε το ένα δέκατο της επιτάχυνσης της βαρύτητας είναι συνήθως επαρκής για τον σχεδιασµό σηµαντικών φραγµάτων από λιθοδοµή χωρίς να λαµβάνονται υπόψη πρόσθετες προβλέψεις για τις επιδράσεις του σεισµικού συντονισµού µεταξύ του εδάφους και της κατασκευής του φράγµατος. 19. Οι κατακόρυφες καθώς και οι οριζόντιες σεισµικές επιταχύνσεις θα πρέπει να εξετάζονται, ιδιαίτερα κατά στο σχεδιασµό των φραγµάτων βαρύτητας. 20. Για την ασφαλή αντιµετώπιση τυχαίων περιστατικών κατά τη διάρκεια εµφάνισης προσωρινών και ανώµαλων φορτίσεων, όπως αυτών που παράγονται από σεισµικές δονήσεις, επιτρέπεται κατά την κρίση του µηχανικού να θεωρούνται κάποιες αυξήσεις στα προβλεπόµενα µεγέθη των τάσεων και των πιέσεων, καθώς και κάποιες υπερβάσεις στους συνηθισµένους συντελεστές ασφάλειας. 21. Οι επιδράσεις των παραµορφώσεων του εδάφους στην ζώνη θεµελίωσης του φράγµατος και των αντερεισµάτων του θα πρέπει να λαµβάνονται υπόψη στις τεχνικές πολυπαραµετρικές αναλύσεις. 22. Στα µονολιθικά ευθύγραµµα φράγµατα βαρύτητας, κάποιο ποσοστό των φορτίσεων µπορεί να παραληφθεί από τη δράση στρέψεως και τη δράση δοκών σε ζώνες κατά µήκος των κεκλιµένων αντερεισµάτων, καθώς επίσης και από την συνηθέστερα εξεταζόµενη δράση της βαρύτητας. 23. Οι καταστροφικές επιρροές της δράσης στρέψεως και της δράσης δοκών στα ευθύγραµµα φράγµατα βαρύτητας, όπως είναι η ρωγµάτωση και η διάρρηξη του σκυροδέµατος που προκαλείται κατά την ανάπτυξη των εφελκυστικών τάσεων, µπορούν να αποτραπούν από µία κατάλληλη διαδικασία κατασκευής του φράγµατος. 24. Στα µονολιθικά κυρτά φράγµατα βαρύτητας και τα τοξωτά ή αψιδωτά φράγµατα, κάποια ποσοστά των φορτίσεων µπορούν να παραληφθούν από τις επιδράσεις της εφαπτοµενικής διάτµησης και στρέψης, καθώς επίσης και από τις συνηθέστερα εξεταζόµενη επίδραση γνωστή ως επίδραση τόξου ή αψίδας και προβόλου. 25. Η κατανοµή των φορτίσεων στα φράγµατα από λιθοδοµή µπορεί να προσδιοριστεί µε αρκετή ακρίβεια, φέροντας σε συµφωνία και συµβατότητα όλες τις υπολογισµένες µετακινήσεις, εκτροπές και παραµορφώσεις των διαφορετικών συστηµάτων και τµηµάτων του σώµατος του φράγµατος που προκαλούνται από την µεταφορά των φορτίσεων σε όλα τα σηµεία σύζευξης της κατασκευής Υποπίεση ή Ανύψωση. ύο παράγοντες έχουν άµεση επίπτωση στον σχεδιασµό ενός φράγµατος: α) η ένταση της υδροστατικής πίεσης στα διάφορα σηµεία µέσα ή κάτω «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 267

268 από το φράγµα και β) η επιφάνεια επάνω στη οποία επενεργεί η πίεση αυτή. Είναι σήµερα γενικά αποδεκτό για λόγους σχεδιασµού ενός φράγµατος, ότι οι πιέσεις ανύψωσης ή υποπίεσης επενεργούν καθ όλη την επιφάνεια της εγκάρσιας τοµής του φράγµατος. Η ένταση της υδροστατικής πίεσης µπορεί να αντιπροσωπευθεί από το παρακάτω διάγραµµα που παρουσιάζει µία ιδανική περίπτωση των συνθηκών υπόγειας διήθησης και ροής σε ένα απόλυτα στεγανό φράγµα µε µια επίπεδη και οριζόντια επιφάνεια βάσης σε ένα απόλυτα οµοιογενές και ισοτροπικό έδαφος θεµελίωσης απεριόριστου βάθους και οριζόντιας έκτασης. Το υδραυλικό φορτίο ή το βάθος νερού στην ανάντη πλευρά του φράγµατος προς τον ταµιευτήρα, καθώς και στην κατάντη πλευρά του φράγµατος αντιπροσωπεύεται από τα h1 και h2, αντίστοιχα. Οι οµόκεντρες ηµι-ελλείψεις αντιπροσωπεύουν τις γραµµές ροής (flow lines) του νερού που περνά κάτω από την θεµελίωση του φράγµατος. Οι υπερβολικές γραµµές που σχεδιάζονται κάθετα στις γραµµές ροής σε όλα τα σηµεία ροής, αντιπροσωπεύουν τις γραµµές ίσης υδροστατικής πίεσης ή ίσου υδραυλικού δυναµικού (pressure lines ή equipontential lines) κάτω από την θεµελίωση και την βάση του φράγµατος. Αυτό το διάγραµµα των γραµµών ροής και των γραµµών υδροστατικής πίεσης καλείται διάγραµµα ροής ή δίκτυο ροής (flow net). Το διάγραµµα αυτό δείχνει µια σχεδόν γραµµική κατανοµή της υδροστατικής πίεσης κατά µήκος της βάσης του φράγµατος, και αυτό αντιπροσωπεύει µία κατανοµή της υδροστατικής πίεσης για την οποία θα πρέπει να ελέγχεται η ευστάθεια του φράγµατος στην περίπτωση που δεν προβλέπεται αποστράγγιση µε κατάλληλα αποστραγγιστικά φίλτρα, γεωτρήσεις ή έργα στον φράγµα για την εκτόνωση της υδροστατικής αυτής πίεσης ή στην περίπτωση που όλα αποστραγγιστικά έργα του φράγµατος βουλώσουν ή καταστραφούν για κάποιο λόγο. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 268

269 Στο πιο πάνω σχεδιάγραµµα παρουσιάζεται µία αποστράγγιση που πραγµατοποιείται υπό µορφή κουρτίνας αποτελούµενης από κατακόρυφα διατρήµατα γεωτρήσεων διαµέτρου της τάξης των 150 mm ή και περισσότερο, σε µία µεταξύ τους αξονική απόσταση της τάξης των 3 έως 5 m, που τοποθετείται σε µία απόσταση 304 m από το ανάντη µέτωπο του φράγµατος. Μια στοά ή σήραγγα διατρέχει από το ένα άκρο στο άλλο του φράγµατος, επάνω από το επίπεδο της στάθµης των νερών εξόδου, δηλαδή της µέγιστης στάθµης των νερών στην κατάντη πλευρά του φράγµατος. Το αποστραγγιζόµενο νερό από τις κατακόρυφες γεωτρήσεις της αποστραγγιστικής κουρτίνας οδηγείται µακριά από την ζώνη θεµελίωσης του φράγµατος µέσω ανοικτής διατοµής αποστραγγιστικών τάφρων ή υδατορροών, όπου έχουν τοποθετηθεί κατάλληλα όργανα για την µέτρηση και καταγραφή της παροχής της ροής του εξερχόµενου αυτού αποστραγγιζόµενου νερού. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 269

270 Μετά την κατασκευή και λειτουργία της παραπάνω αποστραγγιστικής κουρτίνας µπορεί να θεωρηθεί µια κατανοµή της πίεσης νερού ανύψωσης ή υποπίεσης όπως παρουσιάζεται στο παραπάνω σχήµα. Η τιµή του συντελεστή υδροπερατότητας (Κ) του χρησιµοποιούµενου αποστραγγιστικού φίλτρου αποφασίζεται µε ιδιαίτερη προσοχή αφού ληφθεί υπόψη το πορώδες του εδάφους ή της βραχοµάζας θεµελίωσης του φράγµατος καθώς και η ύπαρξη ασυνεχειών, επιπέδων στρώσης, διακλάσεων ή και ρωγµών µέσα στο έδαφος ή στην βραχοµάζα θεµελίωσης. Τέλος να αναφερθεί ότι είναι ιδιαίτερα σηµαντικό να επενδυθεί η κατάλληλη προσπάθεια αλλά και τα απαραίτητα χρήµατα για την κατασκευή κάποιου επαρκούς αποστραγγιστικού συστήµατος, ώστε να εξασφαλίζεται η ικανοποιητική λειτουργία καθ όλη την διάρκεια ζωής του φράγµατος. Παραλλαγές στους αρµούς συστολής διαστολής και στην ανύψωση ή υποπίεση Τάσεις Πιέσεις στα Φράγµατα βαρύτητας. Ο υπολογισµός της κατανοµής των κατακόρυφων τάσεων σε οριζόντια επίπεδα σε µία κατακόρυφη τοµή ενός φράγµατος µοναδιαίου πλάτους «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 270

271 είναι ένα σχετικά απλό ζήτηµα για τις περιπτώσεις του κενού ταµιευτήρα καθώς και του πληρωµένου µε νερό ταµιευτήρα. Γενικά, οι προσπάθειες επικεντρώνονται στο να αποφύγουν υψηλές εφελκυστικές τάσεις στο σκυρόδεµα για τις κανονικές και συνήθεις συνθήκες φόρτισης του φράγµατος. Όσον αφορά τις αναπτυσσόµενες θλιπτικές τάσεις, αυτές συνήθως δεν είναι υψηλές στα φράγµατα βαρύτητας. Η συνηθισµένη ανάλυση και ο υπολογισµός της κατανοµής των τάσεων κάθετα σε οριζόντια επίπεδα αποδεικνύεται ότι παράγει µια γραµµική τραπεζοειδή κατανοµή. Οι µέθοδοι των πεπερασµένων στοιχείων παρουσιάζουν µία κατανοµή τάσεων όπως παρουσιάζεται στο παραπάνω σχήµα. Στα φράγµατα είναι σηµαντικό να µην αναπτύσσονται οι µέγιστες τάσεις στο κατάντη άκρο ή µύτη ή έρεισµα του φράγµατος, και µπορεί να υπάρξει εφελκυσµός παρά συµπίεση ή θλίψη στο ανάντη τακούνι του φράγµατος, «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 271

272 δηλαδή στην ανάντη επαφή του φράγµατος µε την θεµελίωσή του. Εντούτοις, υπάρχει οµοιότητα µεταξύ των δύο µεθόδων, δηλαδή της µεθόδου των πεπερασµένων στοιχείων και της τραπεδοειδούς κατανοµής των τάσεων. Τέλος είναι επίσης σηµαντικό να ελεγχθεί η κατανοµή και η ένταση των τάσεων γύρω από τις στοές ή τις σήραγγες καθώς και τα άλλα υπόγεια ανοίγµατα ή θαλάµους στο σώµα του φράγµατος και να παρασχεθεί ο επαρκής οπλισµός και ενίσχυση του σκυροδέµατος ώστε να αποτρέψει τη διάδοση των ρωγµών από τα σηµεία της υψηλής συγκέντρωσης των τάσεων Αρµοί Συστολής - ιαστολής Εγκάρσιοι αρµοί. Αποτελεί ορθή και τυπική πρακτική για τις συνήθεις µεθόδους κατασκευής να προβλέπονται και να δηµιουργούνται αρµοί συστολής διαστολής στα φράγµατα βαρύτητας. Οι αρµοί συστολής διαστολής στο σώµα του φράγµατος από σκυρόδεµα χωρίζεται κατά διαστήµατα της τάξης συνήθως των 15 m, όπου η εµπειρία έχει αποδείξει ότι οι ρωγµές λόγω συστολής διαστολής είναι πιθανό να αναπτυχθούν στις µονολιθικές κατασκευές σε πολύ µεγαλύτερα διαστήµατα από αυτό. Είναι, εντούτοις, ουσιαστικό να τοποθετούνται αυτοί οι αρµοί συστολής διαστολής κατά την καλύτερη διάταξη σε σχέση µε τη µορφή των αντερεισµάτων του φράγµατος, όπως δέχεται και αναλύεται στο παρακάτω σχήµα. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 272

273 Παραδείγµατος χάριν, στο παραπάνω σχήµα, η προεξοχή κάποιας παρεισδύουσας βραχοµάζας στο µονολιθικό σώµα εντός φράγµατος (διατοµή Α) θα οδηγούσε σχεδόν µε βεβαιότητα στην δηµιουργία µιας ρωγµής στην µάζα του σκυροδέµατος στην ζώνη αυτή. Συνεπώς η δεύτερη διάταξη (διατοµή Β) των αρµών συστολής διαστολής θα ήταν πιο ικανοποιητική, και επιπλέον η σκιασµένη περιοχή (διατοµή Γ) θα πρέπει να σκυροδετηθεί ξεχωριστά, και να ψυχθεί ή να αφεθεί να κρυώσει κανονικά στη θερµοκρασία της γειτονικής βραχοµάζας. Η δηµιουργία του µονολιθικού σώµατος του φράγµατος αρχίζει στην συνέχεια να κατασκευάζεται από τη βάση ΑΒ ως ένας παλαιός αρµός. Κατόπιν όλοι οι αρµοί συστολής διαστολής θα πρέπει να στεγανοποιηθούν και να εµποτιστούν µε εισπιεζόµενο σιµεντένεµα ώστε να σφραγίσουν και να ενισχύσουν διατµητικά τους αρµούς ιαµήκεις αρµοί συστολής διαστολής. Στις µεγάλες κατασκευές φραγµάτων τα προβλήµατα των µεγάλων ψυχωµένων µαζών του σκυροδέµατος είναι τεράστια. Κατά συνέπεια και για να αποφευχθούν κατά το δυνατόν τα προβλήµατα αυτά, επιβάλλεται να περιορίζονται οι διαστάσεις των µονόλιθων σε τετράγωνα σώµατα της τάξης των 15 m περίπου, τα οποία αλληλοεµπλέκονται και «κλειδώνονται» µεταξύ τους προς όλες τις πλευρές τους. Σήµερα, υπάρχει µια τάση στην διεθνή πρακτική να µειώνεται ο αριθµός των διαµηκών αρµών συστολής διαστολής ή ακόµα και να παραλείπονται παντελώς, δεδοµένου ότι υπάρχουν κάποιες επιστηµονικές αµφιβολίες σχετικά µε την τελική «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 273

274 συµπεριφορά των φραγµάτων που κατασκευάζονται σε µονολιθικές στήλες Στοές & Σήραγγες. Η κανονική λειτουργία µιας στοάς ή σήραγγας ή «γαλαρίας» είναι να παρέχει πρόσβαση για λόγους επιθεώρησης και παρακολούθησης της συµπεριφοράς του φράγµατος, καθώς και για να εκτελούνται επανορθωτικές ή θεραπευτικές εργασίες σε περίπτωση που κριθούν απαραίτητες. Πρέπει εποµένως να είναι ικανοποιητικού ύψους και πλάτους ώστε να επιτρέπουν την εύκολη προσπέλαση και µετακίνηση του προσωπικού αλλά και του µικρού, δευτερεύοντος, εξοπλισµού, µε ύψος συνήθως της τάξης των 2,20 m, που µπορεί όµως και να ποικίλει ανάλογα ώστε να ταιριάζει µε τις χρησιµοποιούµενες µεθόδους κατασκευής. Το πλάτος τους θα πρέπει να είναι συνήθως 1,5 m, αλλά αυτό θα πρέπει να συσχετίζεται και µε τη λειτουργία της στοάς. Τα µεγάλου εύρους ανοίγµατα προκαλούν συνήθως αρκετά υψηλές τοπικές τάσεις µε επακόλουθο την πιθανή ρωγµάτωση του σκυροδέµατος. Σπειροειδείς σκάλες µπορούν να συνδέουν και άλλες στοές µεταξύ τους, καθώς και σωλήνες εξαερισµού και άλλων παροχών σε ένα αρκετά µικρό κατακόρυφο φρέαρ. Τα κυκλικά κατακόρυφα φρεάτια είναι πιο επιθυµητά, µε ένα µετακινούµενο δάπεδο που καλύπτει τα έργα αποστράγγισης, αλλά είναι δυσκολότερα και πιο δαπανηρά να διαµορφωθούν. Οι ορθογωνικής διατοµής στοές απαιτούν µεγαλύτερες ποσότητες οπλισµού ενίσχυσης στο σκυρόδεµα. Οι στοές αυτές θα πρέπει επίσης να φωτίζονται και να εξαερίζονται καλά. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 274

275 Συναφές δοµές & κατασκευές του φράγµατος Υπερχειλιστής. Γίνεται εκτενής και αναλυτική αναφορά στην λειτουργία και κατασκευή ενός υπερχειλιστή φράγµατος σε επόµενη ενότητα (βλέπε παρακάτω). Σταθµός παραγωγής ηλεκτρικού ρεύµατος. Σε πολλές περιπτώσεις ενσωµατώνεται στη κατασκευή του σώµατος του φράγµατος ένας σταθµός παραγωγής ηλεκτρικού ρεύµατος Προεντεταµένα φράγµατα βαρύτητας. Οι αντοχές της βραχοµάζας στη ζώνη θεµελίωσης ενός φράγµατος και των στοιχείων µέσα στη µάζα ενός φράγµατος από σκυρόδεµα αυξάνονται από την εγκατάσταση χαλύβδινων αγκυρίων ή καλωδίων και τενόντων από χάλυβα που προεντείνονται κατάλληλα. Η διαδικασία αυτή που ακολουθείται καλείται προένταση. Η απροθυµία στην χρησιµοποίηση καλωδίων ή τενόντων συσχετίζεται κυρίως µε την έλλειψη γνώσης σχετικά µε την συµπεριφορά των καλωδίων και τενόντων από χάλυβα όταν ενσωµατώνονται στο σκυρόδεµα. Εντούτοις είναι γενικά αποδεκτό ότι ο χάλυβας δεν οξειδώνει όταν ενσωµατώνεται σε «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 275

276 υψηλής ποιότητας σκυρόδεµα ή σιµεντένεµα στο οποίο δεν υπάρχουν ρωγµές ή αλληλοσυνδεόµενα κενά ή πόροι. Εάν η προένταση γίνει αποδεκτή κατά το στάδιο του σχεδιασµού του φράγµατος, είναι απαραίτητο να ληφθούν ορισµένα µέτρα για την επαναπροένταση ή και την αντικατάσταση των τενόντων ή των καλωδίων στην περίπτωση που αυτό κριθεί απαραίτητο, ή ακόµα και για την εγκατάσταση νέων τενόντων ή καλωδίων. Η ανάπτυξη πιθανώς σοβαρής διάβρωσης των τενόντων ή καλωδίων µπορεί να ανιχνευθεί από την µέτρηση της ηλεκτρικής αντίστασής τους σε τακτά χρονικά διαστήµατα. Η πραγµατική συµπεριφορά του φράγµατος θα εξαρτηθεί από τη φύση και την ποιότητα της βραχοµάζας στην ζώνη θεµελίωσης και των αντερεισµάτων του, από οποιαδήποτε αρχική (προϋπάρχουσα) τάση (γεωστατική ή τεκτονική) στην βραχοµάζα, καθώς και από την επίδραση του υδατοκορεσµού της βραχοµάζας. Για την επίτευξη µίας συνήθης και αναµενόµενης κατανοµής τάσεων, δεν θα πρέπει το βάθος των αγκυρώσεων να είναι λιγότερο από το πλάτος της βάσης του φράγµατος. Τα πλεονεκτήµατα των καλωδίων έναντι των τενόντων συνοψίζονται παρακάτω: Η επιτρεπόµενη τάση λειτουργίας στα υψηλής εφελκυστικής αντοχής καλώδια είναι συνήθως µεγαλύτερη απ' ότι στους τένοντες, Τα καλώδια µπορούν να διαµορφώνονται και να κατασκευάζονται επί τόπου της περιοχής του έργου στο απαιτούµενο σχεδιασµένο µήκος, αποφεύγοντας έτσι τη χρήση των συζευκτήρων που είναι απαραίτητοι µε τους τένοντες και που αποτελούν µια αιτία προβληµάτων, και Τα καλώδια µπορούν εύκολα να εγκαθίστανται και να προσαρµόζονται στα µικρότερα διατρήµατα του γεωτρύπανου ενώ οι τένοντες µε τους συζευκτήρες απαιτούν συνήθως µεγαλύτερα διατρήµατα ή κοιλώµατα. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 276

277 Υπολογισµός Φορτίων σε ένα προεντεταµένο φράγµατος βαρύτητας. Από το σηµείο Β, στην κατάντη γωνία της θεµελίωσης, σύρεται ένα τόξο ΑΓ που περνά µέσω του σηµείου Α του καλωδίου της αγκύρωσης. Η θέση του σηµείου Γ γενικά θα βρίσκεται έξω από την ανάντη γωνία θεµελίωσης στην οποία τείνουν να υφίστανται οι υψηλότερες εφελκυστικές τάσεις, αλλά εντούτοις η γραµµή ΑΓ θα αντιστοιχεί περίπου στην πλέον πιθανή θέση της ρωγµής. Υποθέτοντας ότι αυτή η γραµµή αντιστοιχεί σε µια ανοικτή σχισµή, που επιτρέπει δηλαδή στην ανάπτυξη πλήρους υδροστατικής πίεσης κατά µήκος της, υπολογίζονται οι ενεργητικές υδροστατικές δυνάµεις ανύψωσης ή υποπίεσης U 2 και U 3 που ενεργούν κατά µήκος του AΓ και του AB αντίστοιχα (Για τον σκοπό των υπολογισµών των U 2 και U 3 µπορεί να υποτεθεί µια γραµµική «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 277

278 µείωση της δύναµης ανύψωσης ή υποπίεσης µεταξύ του Α και του Β). Υπολογίζοντας τις υπόλοιπες δυνάµεις που ενεργούν επί του φράγµατος και επί του τµήµατος της θεµελίωσης BAΓ, (δηλαδή η εξωτερική πίεση νερού επί του ανάντη µετώπου του φράγµατος U 1, και τα βάρη του φράγµατος, W 1, και του τµήµατος ABΓ της θεµελίωσης, W 2 ), µπορούν να προσδιοριστούν το µέγεθος και η θέση της συνισταµένης δύναµης, R, που ενεργεί στο τµήµα AB. Σαφώς εάν αυτή η συνισταµένη δύναµη, R, εµπίπτει εκτός του σηµείου Β, τότε όλη η ευστάθεια του φράγµατος θα βασίζεται στις εφελκυστικές τάσεις που ενεργούν κατά µήκος του ΑΒ και εποµένως η ευστάθεια του φράγµατος θα βρίσκεται σε κίνδυνο. Η µοναδική δυνατότητα για την αντιµετώπιση των ανατρεπτικών θλιπτικών δυνάµεων είναι µόνο εάν αυτή η συνισταµένη δύναµη, R, εµπίπτει µέσα στο διάστηµα της ΑΒ, όπου όµως ακόµα και τότε θα παρουσιάζεται µία ορισµένη ποσότητα ρωγµατώσεων κατά µήκος αυτού του διαστήµατος και ιδιαίτερα εάν αυτή η συνισταµένη δύναµη, R, βρίσκεται κοντά στο σηµείο Β. Για να εξασφαλίζεται έναν ορισµένο επίπεδο στον συντελεστή ασφάλειας, είναι απαραίτητο να διαταχθεί το σύστηµα της αγκύρωσης σε ένα τέτοιο βάθος ώστε η συνισταµένη δύναµη, R, να περνά καλά µέσα από το τµήµα ΑΒ. Εάν οι τάσεις που εµφανίζονται στο τµήµα ΑΒ υπολογίζονται σύµφωνα µε κάποιες αποδεκτές παραδοχές, όπως είναι για παράδειγµα η γραµµική κατανοµή των τάσεων, και η µέγιστη τιµή της κύριας τάσης βρεθεί ότι εµπίπτει µέσα στα επιτρεπόµενα όρια για το υλικό θεµελίωσης, τότε εξασφαλίζεται ένας επαρκής συντελεστής ασφάλειας (F.o.S.). Σε αυτόν τον υπολογισµό, καµία ανοχή δεν θα πρέπει να δίδεται στις εφελκυστικές τάσεις και το τµήµα ΑΒ θα πρέπει να αφήνεται ελεύθερο να ρωγµατώνεται όσο αυτό είναι απαραίτητο. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 278

279 7.2. Τοξωτά ή Αψιδωτά φράγµατα Περιεχόµενα. 1. Εισαγωγή. 2. Έννοιες σχεδιασµού και κριτήρια. 3. Ευστάθεια αντερεισµάτων. 4. Γεωµετρία του κελύφους. 5. Αρµοί συστολής διαστολής. 6. Προένταση Εισαγωγή τοξωτά ή αψιδωτά φράγµατα. Στα τοξωτά ή θολωτά φράγµατα εµφανίζεται η µέγιστη πολυπλοκότητα κατά τον σχεδιασµό τους και την ανάλυση των τάσεών τους. Τα φράγµατα «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 279

280 αυτού του τύπου είναι λεπτές, κυρτές κατασκευές που συνήθως απαιτούν ισχυρό χαλύβδινο οπλισµό, είτε µε ράβδους χάλυβα είτε µε προεντεταµένα χαλύβδινα καλώδια, όπου ο όγκος του σκυροδέµατος που απαιτείται για την κατασκευή τους είναι πολύ λιγότερος απ' ό,τι στα φράγµατα βαρύτητας και στα φράγµατα τοξωτά - βαρύτητας, αλλά όµως η ποιότητα και η φέρουσα ικανότητα της βραχοµάζας στην ζώνη θεµελίωσης και στα αντερείσµατα του φράγµατος θα πρέπει να είναι αρκετά υψηλή ώστε να παραλάβει ή να αντισταθεί στα υψηλά φορτία που ασκούνται από το φράγµα. Τα τοξωτά φράγµατα κατασκευάζονται συνήθως σε στενά και βαθιά φαράγγια σε ορεινές περιοχές όπου η πρόσβαση και η διαθεσιµότητα των δοµικών υλικών δηµιουργούν ειδικά και οξέα προβλήµατα. Τα τοξωτά φράγµατα είναι δύο ειδών. 1. Τοξωτά φράγµατα σταθερής ακτίνας καµπυλότητας: Συνήθως έχουν ένα κατακόρυφο ανάντη µέτωπο µε µια σταθερή ακτίνα καµπυλότητας, και 2. Τοξωτά φράγµατα µεταβλητής ακτίνας καµπυλότητας: Έχουν τις ανάντη και κατάντη καµπύλες (καµπύλες extrados και intrados) µε συστηµατικά µειούµενες ακτίνες µε το βάθος κάτω από τη στέψη ή κορυφή τους. Όταν ένα φράγµα είναι επίσης διπλής κυρτότητας, δηλαδή είναι κυρτό τόσο κατά το οριζόντιο όσο και κατά το κατακόρυφο επίπεδο, καλείται µερικές φορές ως φράγµα θόλων. Μερικά φράγµατα κατασκευάζονται µε δύο ή περισσότερες παρακείµενες αψίδες ή επίπεδα και περιγράφονται ως φράγµατα πολλαπλών αψίδων ή τόξων ή φράγµατα πολλαπλών θόλων. Η ανάλυση των τάσεων και των µετακινήσεων στα φράγµατα αυτού του τύπου υποθέτει ότι επιδρούν δύο κύρια είδη εκτροπών ή µετακινήσεων στο φράγµα και στα αντερείσµατά του. Η πίεση του νερού στο ανάντη µέτωπο του φράγµατος και η πίεση ανύψωσης ή υποπίεσης από τη διήθηση του νερού κάτω από το φράγµα τείνουν να περιστρέψουν το φράγµα γύρω από την βάση του και να το ανατρέψουν, λόγω της δράσης προβόλου. Επιπλέον η πίεση του νερού στον ταµιευτήρα τείνει να επιπεδώσει το τόξο ή την αψίδα του φράγµατος και να την ωθήσει προς τα κατάντη Έννοιες σχεδιασµού και κριτήρια. Ένα τοξωτό φράγµα µεταφέρει τα φορτία του στα αντερείσµατα και στα θεµέλιά του τόσο µέσω της δράσης προβόλου όσο και µέσω των οριζόντιων τόξων ή αψίδων, και η µέθοδος κατανοµής των τάσεων επινοήθηκε και αναπτύχθηκε από τον Stucky στην Ελβετία. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 280

281 Οι παραδοχές που γίνονται κατά τον σχεδιασµό είναι οι παρακάτω, αν και αυτές δεν είναι εφικτό να συµβούν όλες ταυτόχρονα οπότε και θα πρέπει να έχει γίνει απόλυτα κατανοητή η επίδρασή τους προτού γίνει αποδεκτός ο σχεδιασµός του φράγµατος: Ότι το σκυρόδεµα του φράγµατος και η βραχοµάζα στην ζώνη θεµελίωσης του φράγµατος είναι οµοιογενή και ισοτροπικά. Ότι οι αναπτυσσόµενες τάσεις βρίσκονται µέσα στο όριο ελαστικότητας τόσο στο σκυρόδεµα του φράγµατος όσο και στην βραχοµάζα στην ζώνη θεµελίωσης του φράγµατος, και ότι οι µετακινήσεις ή παραµορφώσεις τους θα είναι ανάλογες προς τις τάσεις. Ότι οι επίπεδες τοµές του φράγµατος πριν να καµπτούν παραµένουν επίπεδες και µετά από την κάµψη τους. Ότι οι τάσεις µεταβάλλονται γραµµικά µεταξύ των ανάντη και κατάντη παρειών του φράγµατος, τόσο στα τοξωτά ή αψιδωτά στοιχεία όσο και στα στοιχεία προβόλου. Ότι ο µέτρο ελαστικότητας του σκυροδέµατος και ο µέτρο ελαστικότητας της βραχοµάζας θεµελίωσης είναι τα ίδια, τόσο σε θλίψη όσο και σε εφελκυσµό. Ότι οι τάσεις και οι παραµορφώσεις λόγω θερµοκρασίας είναι ανάλογες προς τις µεταβολές της θερµοκρασίας. Ότι το φορτίο του νερού στα τοιχώµατα του ταµιευτήρα δεν προκαλεί διαφορικές µετακινήσεις στην περιοχή θεµελίωσης του φράγµατος. Ότι οι παραµορφώσεις της θεµελίωσης είναι ανεξάρτητες από το σχήµα της θεµελίωσης. Ότι οι εφελκυστικές δυνάµεις εκτονώνονται και ανακουφίζονται µε την ρωγµάτωση του σκυροδέµατος µε αποτέλεσµα όλα τα φορτία να φέρονται υπό µορφή θλίψης και διάτµησης στα µη ρωγµατωµένα τµήµατα του σκυροδέµατος του φράγµατος. Ότι το φράγµα ενεργεί ως µονολιθικό σώµα, δηλαδή ότι οι αρµοί συστολής - διαστολής του ή οι αυλακώσεις έχουν ερµητικά σφραγιστεί και εµποτιστεί µε σιµεντένεµα και ότι όλη η διαδικασία της συρρίκνωσης του σκυροδέµατος έχει ολοκληρωθεί πριν από αυτό. Οι παράµετροι που ελέγχουν τον σχεδιασµό, εκτός από την πραγµατική γεωµετρία του φράγµατος περιλαµβάνουν: Τα φορτία επί του φράγµατος. Φόρτιση και συντελεστής ασφάλειας. Ο βαθµός σταθερότητας στη θεµελίωση και στα αντερείσµατα. Οι ιδιότητες των συστατικών υλικών του φράγµατος και της ζώνης θεµελίωσής του. Η ενίσχυση του σώµατος του φράγµατος µε χαλύβδινο οπλισµό µπορεί να µειώσει το πάχος του φράγµατος, αλλά µε αύξηση του κόστους του. Εάν δεν χρησιµοποιηθεί η κατάλληλη ενίσχυση µε χαλύβδινο οπλισµό τότε µπορεί να προκύψει ρωγµάτωση στα µέτωπα ενός τοξωτού φράγµατος από: «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 281

282 Υπερβολική εφελκυστική τάση λόγω της γεωµετρίας του φράγµατος. ευτερογενής ένταση ως αποτέλεσµα των υψηλών θλιπτικών δυνάµεων στα λεπτά µέλη του φράγµατος. ευτερογενείς εφελκυστικές τάσεις στην κλείδα του θόλου ή τόξου και παράλληλα προς τα αντερείσµατα. «Κρέµασµα» του σκυροδέµατος δίπλα σε κάποιο παρακείµενο σχεδόν κατακόρυφο αντέρεισµα. Αποτελέσµατα θερµοκρασίας, είτε λόγω της υδάτωσης του σιµέντου είτε λόγω των κλιµατολογικών συνθηκών. Ορισµός των διάφορων τοξωτών ή αψιδωτών φραγµάτων µε βάση το πάχος της βάσης τους (το h αναφέρεται στο ύψος του φράγµατος): Λεπτή αψίδα ή τόξο Μέση αψίδα ή τόξο Παχιά αψίδα ή τόξο Αψίδα ή τόξο - βαρύτητας < 0,2 h 0,2 h 0,3 h > 0,3 h > 0,5 h Η ενίσχυση µε χαλύβδινο οπλισµό δεν απαιτείται γενικά στα φράγµατα αψίδας ή τόξου - βαρύτητας ή τα παχιά τοξωτά φράγµατα. Η χρήση της ενίσχυσης στα λεπτά τοξωτά φράγµατα ευνοείται, αν και για ένα φράγµα ύψους 90 m το κόστος της ενίσχυσης µε χαλύβδινο οπλισµό θα ανέρχεται σε πολλά εκατοµµύρια Ευρώ, τα οποία θα µπορούσαν να µετριάσουν την αποδοχή κατασκευής ενός τέτοιου φράγµατος. Η ανύψωση ή υποπίεση από τη διήθηση του νερού κάτω από το φράγµα δεν είναι συνήθως σηµαντική στα λεπτά τοξωτά φράγµατα, αλλά στα παχιά τοξωτά φράγµατα θα πρέπει να λαµβάνονται κατάλληλα µέτρα για την εσωτερική αποστράγγιση των διηθούµενων νερών, όπως και στα φράγµατα βαρύτητας. Εάν ο σχεδιασµός και οι υπολογισµοί υποθέτουν ότι το σκυρόδεµα θα ραγίσει εάν οι εφελκυστικές τάσεις υπερβούν ας πούµε τα 0,4 MPa, τότε είναι λογικό να υποτεθεί ότι µπορεί να ενεργήσει µία πλήρης υδροστατική πίεση στις ρωγµές αυτές. Εφελκυστικές τάσεις. Ο στόχος του µελετητή και του σχεδιαστή του φράγµατος είναι να εξαλείψει τις εφελκυστικές τάσεις, αν και αυτό δεν είναι πάντα δυνατό δεδοµένου ότι µια ανώµαλη διατοµή µπορεί να παραγάγει τοπικές συγκεντρώσεις τάσεων, και η απαραίτητη εκσκαφή των αντερεισµάτων πέρα από τα προβλεπόµενα κατά τον σχεδιασµό όρια θα µπορούσε να αλλάξει τη γεωµετρία του φράγµατος, και να έχει ενδεχοµένως επιπτώσεις στον βαθµό της σταθερότητας του φράγµατος Ευστάθεια αντερεισµάτων. Στο σώµα της βραχοµάζας των αντερεισµάτων ενός τοξωτού ή αψιδωτού φράγµατος επιβάλλονται οι παρακάτω κύριες φορτίσεις και τάσεις: Το ίδιον βάρος της βραχοµάζας, «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 282

283 Οι στατικές τεκτονικές και οι δυναµικές σεισµικές φορτίσεις, Οι υδροστατικές ωθήσεις και οι ανώσεις µετά από την πλήρωση του ταµιευτήρα, και Οι δυνάµεις που µεταβιβάζονται από το φράγµα στα αντερείσµατα. Η ελάχιστη κατάσταση ασφάλειας βρίσκεται συνήθως στο ανώτερο µέρος των φραγµάτων διπλής κυρτότητας επειδή: Οι ανώτερες ζώνες της κοιλάδας είναι λιγότερο ανθεκτικές και συµπαγείς και οι σεισµικές δυνάµεις µπορούν να προκαλέσουν εδώ ισχυρότερες αντιδράσεις, Το φορτίο της υπερκείµενης βραχοµάζας είναι µικρότερο, παρέχοντας έτσι µικρότερο κάθετη κύρια φόρτιση στα πιθανά επίπεδα ολίσθησης των ασυνεχειών και διακλάσεων της βραχοµάζας, και Η διεύθυνση των συνισταµένων δυνάµεων από το φράγµα συναντά συχνά τα αντερείσµατα σε γωνίες λιγότερο ευνοϊκές. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 283

284 Η κατείσδυση και διήθηση του νερού κάτω από πίεση µπορεί να έχει επιπτώσεις στη συνολική αντοχή της βραχοµάζας των αντερεισµάτων, για τους παρακάτω κυριότερους λόγους: Ο υδατοκορεσµός συνήθως µειώνει την συνολική αντοχή της βραχοµάζας, πιθανώς λόγω της πλήρωσης µε νερό των µικρορωγµών και µικροσχισµών της, Το καθεστώς των φυσικών υφιστάµενων τάσεων στην βραχοµάζα τροποποιούνται από την πίεση του νερού µετά από την πλήρωση του ταµιευτήρα, και Η διατµητική αντοχή της βραχοµάζας µπορεί να µειωθεί Γεωµετρία του κελύφους Τοξωτά φράγµατα σταθερής ακτίνας καµπυλότητας. Η απλούστερη µορφή ενός τοξωτού φράγµατος είναι αυτή που αποτελείται από ένα κατακόρυφο κυλινδρικό ανάντη µέτωπο και ένα οµοιόµορφα κεκλιµένο κατάντη µέτωπο. Χρησιµοποιείται συνήθως στις ανοικτές - ευρείες κοιλάδες µε την δυνατότητα µεθόδων κατασκευής ξυλοτύπων ολίσθησης. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 284

285 Τοξωτά φράγµατα σταθερής γωνίας Τοξωτά φράγµατα µεταβλητής γωνίας. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 285

286 Τοξωτά φράγµατα διπλής κυρτότητας - φράγµατα θόλων (Cupola Dam). Η κατακόρυφη κυρτότητα εισηγείται στον σχεδιασµό έτσι ώστε το βάρος του φράγµατος να αντισταθµίζει τις κατακόρυφες τάσεις λόγω της φόρτισης του νερού. Τα τοξωτά φράγµατα διπλής κυρτότητας - φράγµατα θόλων (Cupola Dam) είναι ιδανικά για στενές κοιλάδες και είναι παρόµοια µε τα λεπτά τοξωτά φράγµατα όσον αφορά τις απαιτήσεις θεµελίωσης τους. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 286

287 Εγκάρσιες τοµές τυπικών και χαρακτηριστικών τοξωτών ή αψιδωτών φραγµάτων Αρµοί συστολής διαστολής. Αποτελεί συνήθη και κανονική πρακτική να παρέχονται ακτινωτοί αρµοί συστολής διαστολής στα τοξωτά φράγµατα ανά περίπου 15 µέτρων διάστηµα. Αυτή η διάσταση έχει προκύψει από διεθνή εµπειρία, δεδοµένου ότι οι ρωγµές εµφανίζονται στις µονολιθικές κατασκευές συνήθως σε απόσταση 20 µέτρων ή και περισσότερο, όπου ο πλήρης έλεγχος της θερµοκρασίας ενυδάτωσης του σκυροδέµατος είτε είναι µη πρακτικός είτε είναι αντιοικονοµικός. Το ραγίσµατα εµφανίζονται ιδιαίτερα στα πλευρικά τµήµατα του φράγµατος που υπόκεινται σε ξαφνικές και µεγάλες πτώσεις της θερµοκρασίας στην θερµοκρασία του περιβάλλοντος. Στα τοξωτά φράγµατα σταθερής ακτίνας καµπυλότητας οι αρµοί είναι συνήθως ακτινωτοί και επίπεδοι, ενώ στα τοξωτά φράγµατα διπλής κυρτότητας αυτοί είναι συνήθως στρεβλωµένοι. Σε µερικές περιπτώσεις διαµορφώνονται έτσι ώστε να συναντούν την βραχοµάζα σχεδόν κάθετη στην επιφάνεια επαφής φράγµατος - βραχοµάζας. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 287

288 εδοµένου ότι απαιτείται µονολιθική δράση στην αψίδα ή στο τόξο του φράγµατος, πρέπει να λαµβάνονται µέτρα για την εισπίεση του σιµεντενέµατος στους αρµούς αφότου το σκυρόδεµα έχει ψυχθεί στην µέση θερµοκρασία, ή έχει ψυχθεί τεχνητά λίγο κάτω από τη µέση θερµοκρασία προκειµένου να µπορέσει η αψίδα να δεχθεί µε ασφάλεια κάποιες θλιπτικές δυνάµεις. Κάθε αρµός διαιρείται συνήθως από οριζόντιους φραγµούς σιµεντενέµατος έτσι ώστε να µπορούν κάποιες ζώνες ύψους δέκα έως δεκαπέντε µέτρων να εµποτιστούν µε σιµεντένεµα σταδιακά για να εξασφαλίζεται η σταθερότητα των ολοκληρωµένων τµηµάτων του φράγµατος έναντι ακούσιας υπερχείλισης από τις πληµµύρες. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 288

289 Τα τοξωτά φράγµατα είναι συνήθως αρκετά εύκαµπτα ώστε να µετατοπίζονται αξιόλογα κάτω από τις δυνάµεις που ασκούνται από την εισπίεση σιµεντενέµατος στους αρµούς τους. Η αποτελεσµατικότητα του σιµεντενέµατος µπορεί εποµένως να αξιολογηθεί µε τη σύγκριση των µετρούµενων και των υπολογιζόµενων παραµορφώσεων. Για να αποτραπούν επιβλαβές υπερφορτίσεις θα πρέπει να γίνονται τακτικές παρατηρήσεις κατά τη διάρκεια της εισπίεσης του σιµεντενέµατος στους αρµούς σε κατάλληλα όργανα µέτρησης που ενσωµατώνονται στο σκυρόδεµα κατά µήκος των αρµών, σε όργανα µέτρησης που τοποθετούνται στο ανάντη και κατάντη µέτωπο των αρµών, σε κλισιόµετρα που τοποθετούνται στα µέτωπα και στις στοές του φράγµατος Προένταση. Επιδιώκοντας µεγαλύτερη οικονοµία στην κατασκευή των τοξωτών φραγµάτων φαίνεται ότι είναι απαραίτητο να επιβληθούν µε κάποιον τρόπο εξωτερικά φορτία στο φράγµα ώστε να αντισταθµιστούν κάποιες ανεπιθύµητες εφελκυστικές τάσεις που διαφορετικά θα αναπτύσσονταν. Πολλά φράγµατα έχουν κατασκευαστεί τελευταία µε τις θλιπτικές τάσεις µέχρι και 8,5 MPa, αλλά για να αυξηθούν αυτές οι τάσεις θα πρέπει να γίνει προένταση ώστε να αντισταθµιστούν οι υψηλότερες εφελκυστικές τάσεις. Περίπτωση εφαρµογής της προέντασης στα αψιδωτά ή τοξωτά φράγµατα. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 289

290 Η προένταση προκαλεί κατακόρυφες θλιπτικές τάσεις ανάντη στο τακούνι του φράγµατος, (που είναι η ανάντη επαφή ενός φράγµατος µε την θεµελίωσή του), και κατάντη κοντά στην στέψη. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 290

291 1. Εισαγωγή. 2. Κατάστρωµα στέψης από πλάκα σκυροδέµατος. 3. Συµπαγής και ογκώδης κεφαλή αντηρίδας. 4. Φράγµα πολλαπλών θόλων ή τόξων. 5. Αντηρίδες. 6. Άνωση ή υποπίεση και ολίσθηση. 7. Αντηριδωτά φράγµατα υπερχείλισης. 8. Προένταση Αντηριδωτά φράγµατα Περιεχόµενα Εισαγωγή στα αντηριδωτά φράγµατα. Τα αντηριδωτά φράγµατα αναπτύχθηκαν αρχικά για να δηµιουργηθούν ταµιευτήρες αποθήκευσης νερού σε περιοχές όπου τα δοµικά υλικά ήταν λιγοστά ή ακριβά αλλά το εργατικό δυναµικό ήταν φτηνό. Τα φράγµατα αυτά χρησιµοποιήθηκαν κυρίως για λόγους άρδευσης και εκµετάλλευσης µεταλλείων. Καθώς ο σχεδιασµός των αντηριδωτών φραγµάτων έγινε όλο και πιο περίπλοκος, έγιναν όλο και πιο εµφανή και τα πλεονεκτήµατα και οι αδυναµίες του τύπου αυτού των φραγµάτων δηλαδή των αντηριδωτών, όπως περιγράφονται στην συνέχεια: «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 291

292 Η πίεση του νερού επί του κεκλιµένου ανάντη µετώπου συνεισφέρει στη ευστάθεια του φράγµατος, τόσο ως προς το µέγεθος όσο και ως προς την κατεύθυνσή. Με την ελεύθερη αποστράγγιση των υπόγειων νερών στην ζώνη της θεµελίωσης µεταξύ των κενών διαστηµάτων των αντηρίδων, η ανύψωση ή υποπίεση στην βάση θεµελίωσης του φράγµατος µειώνεται σηµαντικά. Η γενική ευελιξία και σχετική ελαστικότητας του φράγµατος αυτού του τύπου µπορεί παραλάβει µε ανοχή τις πιθανές διαφορικές καθιζήσεις των θεµελίων του φράγµατος. Εκτός από την περίπτωση όπου το υπέδαφος θεµελίωσης του φράγµατος διαβρωθεί αρκετά, οι δευτερεύουσας σηµασίας διαρροές νερού δεν µπορούν να θέσουν σε κίνδυνο το φράγµα. Αν και απαιτείται γενικά η ελάχιστη σχετική ποσότητα όσον αφορά τα δοµικά υλικά κατασκευής του φράγµατος, η ακριβής όµως τοποθέτησή τους περιλαµβάνει ιδιαίτερα εξειδικευµένους τεχνίτες αλλά και υψηλότερο κόστος. Κατά το στάδιο όπου η κατασκευή του φράγµατος είναι σε χαµηλά επίπεδα, η κατασκευή µπορεί να υπερχειλιστεί από πιθανές πληµµύρες χωρίς σοβαρές ζηµιές ή να θέτει σε σοβαρό κίνδυνο την κατασκευή, µε αποτέλεσµα να υπάρχει ιδιαίτερη εξοικονόµηση όσον αφορά τις εργασίες εκτροπής των ποταµών. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 292

293 Στα µεγάλα φράγµατα η κατανοµή των τάσεων στις αντηρίδες [από το φορτίο του νερού, το ίδιον βάρος του φράγµατος, τις θερµικές επιδράσεις και τις µετακινήσεις και παραµορφώσεις της θεµελίωσης] είναι ιδιαίτερα σύνθετη και πολύπλοκη και δεν ακολουθεί τη γραµµική κατανοµή των τάσεων επί των οριζόντιων επιπέδων. Μελέτες επί πρότυπων προσοµοιωµάτων (µοντέλων) παρουσιάζουν ανάπτυξη εφελκυστικών τάσεων κοντά στη θεµελίωση των κεφαλών των αντηρίδων στην περίπτωση των καλών θεµελιώσεων, αν και τέτοιες υψηλές τάσεις δεν γίνονται απόλυτα εµφανείς από τις συµβατικές αναλυτικές µεθόδους υπολογισµών. Ο προκαταρκτικός σχεδιασµός θα πρέπει εποµένως να συµπληρώνεται και από λεπτοµερείς µελέτες χρησιµοποιώντας µεθόδους υπολογισµών µε πεπερασµένα στοιχεία ή και φωτοελαστικών αναλύσεων. Ο τύπος αυτός των αντηριδωτών φραγµάτων βρίσκει ιδιαίτερη εφαρµογή σε ευρείες κοιλάδες όπου η υγιής βραχοµάζα αποτελεί την εξαίρεση παρά τον κανόνα. Εποµένως οι λεπτοµερείς έρευνες είναι ιδιαίτερα ουσιαστικές εάν πρόκειται να είναι άκαµπτο το φράγµα. Εάν ένα αντηριδωτό φράγµα σχεδιάζεται να είναι αρκετά λεπτών διαστάσεων, ειδικά στην περίπτωση πολλαπλών αψίδων ή θόλων, και εάν τα πληµµυρικά νερά προβλέπεται ότι θα περάσουν επάνω από αυτό, τότε είναι απαραίτητη να γίνεται µια πολύ προσεκτική εξέταση των πιθανών τρόπων ή µοντέλων δόνησης του φράγµατος. Να σηµειωθεί ότι µία δόνηση που µπορεί να µην είναι σοβαρή για την περίπτωση ενός συνήθους φράγµατος βαρύτητας θα µπορούσε να είναι απόλυτα καταστροφικό στην περίπτωση ενός αντηριδωτού φράγµατος. Η πλευρική σταθερότητα και ευστάθεια των αντηρίδων δεν θεωρείται ότι είναι ιδιαίτερα σοβαρή, εκτός από την περίπτωση των υψηλών φραγµάτων, αλλά παρόλα αυτά θα πρέπει να ελέγχεται, ιδιαίτερα στις περιοχές γνωστής υψηλής σεισµικότητας. Φαίνεται ότι υπάρχουν αρκετές περιπτώσεις µελέτης πολλαπλών αψίδων ή θόλων µεγάλου ανοίγµατος σε ευρείες κοιλάδες, δηλαδή όπου οι αψίδες ήταν παχιές, µη οπλισµένες, και κατασκευασµένες µε µεθόδους µαζικής σκυροδέτησης. Υπάρχει ιδιαίτερα µεγάλο πεδίο έρευνας και µελέτης στην εφαρµογή προέντασης για την τροποποίηση των τάσεων µέσα στα αντηριδωτά φράγµατα, καθώς επίσης και στην βελτίωση της ευστάθειάς τους Κατάστρωµα στέψης από πλάκα σκυροδέµατος. Η επίπεδη πλάκα υποστηρίζεται απλά επάνω τις κεφαλές των αντηρίδων για να αποφευχθεί η αρνητική κάµψη και η ρωγµάτωση στο ανάντη µέτωπο των πλακών. Θα πρέπει να εγκαθίστανται εύκαµπτα αρµοκάλυπτρα για να αποτρέπεται η απώλεια νερού γύρω από τις άκρες της πλάκας όπου υπάρχουν κατασκευαστικές ατέλειες. Μερικά αντηριδωτά φράγµατα έχουν «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 293

294 κατασκευαστεί µε συνεχή και ενιαία πλάκα επάνω από µία ή περισσότερες αντηρίδες. 1. Απλή πλάκα καταστρώµατος. 2. Συνεχής πλάκα καταστρώµατος Συµπαγής και ογκώδης κεφαλή αντηρίδας. Για να αποφευχθούν οι εφελκυστικές τάσεις σε µια λεπτή πλάκα, και ως εκ τούτου η ανάγκη για ενίσχυσή της µε χαλύβδινο οπλισµό, αναπτύχθηκε η τεχνολογία της συµπαγούς και ογκώδους κεφαλής αντηρίδας. 1. Συµπαγής και ογκώδης κεφαλή (επίπεδη κεφαλή). 2. Συµπαγής και ογκώδης κεφαλή (σφαιρική κεφαλή). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 294

295 Το σχετικό κόστος και η οικονοµική εφικτότητα των αντηριδωτών φραγµάτων θα εξαρτηθεί από τις συνθήκες θεµελίωσής τους, το κόστος των δοµικών υλικών, καθώς και το κόστος και την αξιοπιστία των εξειδικευµένου εργατοτεχνικού προσωπικού στην ιδιαίτερη περιοχή ενδιαφέροντος. Εντούτοις, ένα αντηριδωτό φράγµα µε µία επίπεδη κεφαλή αντηρίδας σε ύψος 20 m θα απαιτούσε το 40 % του σκυροδέµατος που θα χρησιµοποιούνταν σε ένα φράγµα βαρύτητας. Για φράγµατα ύψους µέχρι 150 µέτρων θα ήταν δυνατόν να διαστασιολογηθεί ένας τύπος αντηριδωτού φράγµατος έτσι ώστε η πρωτεύουσα κύρια τάση να µην υπερβαίνει τα 7 MPa, δηλαδή µια τάση συγκρίσιµη µε αυτήν που επιβάλλεται από ένα λεπτό τοξωτό φράγµα Φράγµα πολλαπλών θόλων ή τόξων. Τα τοξωτά φράγµατα πολλαπλών θόλων ή τόξων εξελίχθηκαν περίπου στον ίδιο χρόνο µε τα φράγµατα πλακών και αντηρίδων, αλλά σε ένα πιο αργό ρυθµό. Οι παράγοντες που επηρεάζουν την επιλογή των φραγµάτων πολλαπλών θόλων ή τόξων ως τον πλέον προτιµητέο τύπο φράγµατος είναι παρόµοιοι µε εκείνους για τα φράγµατα πλακών και αντηρίδων και αναφέρονται στη µείωση των δοµικών υλικών, στις σχετικά µικρές δυνάµεις ανύψωσης ή υποπίεσης, καθώς και στην προσαρµοστικότητά τους σε µια µεγάλη γεωµορφολογική ποικιλία ως προς την διαµόρφωση των φαραγγιών. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 295

296 Οι πολλαπλές αψίδες ή τόξα λειτουργούν ως συνεχείς µονολιθικές δοµές όπου η απώλεια ενός σηµαντικού τµήµατος της δοµής θα µπορούσε να οδηγήσει σε συνολική κατάρρευση ολόκληρου του φράγµατος. Κατά συνέπεια οι δοµές αυτές απαιτούν καλύτερες συνθήκες θεµελίωσης. Η πλειοψηφία των τοξωτών φραγµάτων πολλαπλών θόλων ή τόξων που κατασκευάστηκαν πριν από το 1935, και αν και αποτελούσαν τεχνολογία αιχµής για την εποχή τους, συγκρινόµενα µε τα σηµερινά πρότυπα και προδιαγραφές είναι ανεπαρκή από την άποψη των σεισµικών και υδρολογικών συνθηκών Αντηρίδες. Για τα µικρά αντηριδωτά φράγµατα από την άποψη των επιβαλλόµενων δυνάµεων, οι αντηρίδες αναλύονται συνήθως ως δοµές βαρύτητας που υπόκεινται σε κεκλιµένη φόρτιση νερού, στο ίδιον βάρος τους και στις σχετικά µικρές δυνάµεις ανύψωσης ή υποπίεσης. Μία αντηρίδα µπορεί επίσης να θεωρηθεί ότι αποτελεί ένα σύστηµα κυρτών δοκών, κάθε µια από τις οποίες παραλαµβάνει και µεταφέρει µέρος του φορτίου του νερού και το ίδιον βάρος της στην θεµελίωσή της. Οι στήλες µπορούν να διαστασιολογηθούν έτσι ώστε να αναπτύσσουν µία οµοιόµορφη θλιπτική τάση και να καµφθούν ώστε να αποφεύγεται η εκκεντρικότητα της φόρτισης. Για να αποφευχθούν οι δευτερεύουσες εφελκυστικές τάσεις, οι αντηρίδες πολλών µεγάλων φραγµάτων έχουν κατασκευαστεί µε αρµούς συστολής διαστολής οι οποίοι ακολουθούν τις διευθύνσεις των κύριων τάσεων Άνωση ή υποπίεση και ολίσθηση. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 296

297 Ένα σηµαντικό πλεονέκτηµα των αντηριδωτών φραγµάτων, συµπεριλαµβανοµένων και των κενών (ή κούφιων) φραγµάτων βαρύτητας είναι ότι οι δυνάµεις ανύψωσης ή υποπίεσης που ασκούνται επί του φράγµατος είναι ελάχιστες. Είναι σύνηθες κατά τον σχεδιασµό και τους υπολογισµούς του φράγµατος να γίνεται αποδεκτή µία παραδοχή κατανοµής των τάσεων ανύψωσης ή υποπίεσης, που ασκείται στο 100% της επιφάνειας έδρασης της αντηρίδας, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Για να µπορέσει αυτό να συµβεί πραγµατικά θα πρέπει να υπάρχει απελευθέρωση του νερού στην ατµοσφαιρική πίεση, ή στην υδροστατική πίεση της κατάντη πλευράς του φράγµατος, γύρω από την θεµελίωση των αντηρίδων. Στην περίπτωση που στην περιοχή θεµελίωσης των αντηρίδων αναπτύσσονται πετρώµατα σε οριζόντιες στρωσιγενείς επιφάνειες, η ανύψωση ή υποπίεση θα µπορούσε να ενεργήσει επάνω σε κάποια στρώση του βράχου σε µια µικρή σχετικά απόσταση κάτω από το φράγµα και να µην εκτονώνεται η πίεση αυτή στην ατµοσφαιρική πίεση, ή στην υδροστατική πίεση της κατάντη πλευράς του φράγµατος γύρω από την θεµελίωση των αντηρίδων. Στην περίπτωση αυτή είναι απόλυτα απαραίτητη και ουσιαστική να πραγµατοποιηθεί κάποια τεχνητή αποστράγγιση γύρω από την θεµελίωση. Για παράδειγµα αναφέρεται η περίπτωση του φράγµατος Muda της Μαλαισίας. Εκεί χρησιµοποιήθηκαν προεντεταµένα καλώδια τα οποία µπορούσαν να επαναπροενταθούν και µετά από την τοποθέτησή τους και τα οποία τοποθετήθηκαν στον πόδα ή βάση της κάθε αντηρίδας και µε τον τρόπο αυτόν απετράπει η ανύψωση λόγω υποπίεσης καθώς και η ολίσθηση του φράγµατος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 297

298 Αντηριδωτά φράγµατα υπερχείλισης. Όταν τα πληµµυρικά νερά προβλέπεται ότι θα περάσουν επάνω από τα αντηριδωτά φράγµατα οι ακόλουθοι παράγοντες αξίζουν ιδιαίτερη προσοχή: Το νερό στην κεφαλή υπερχείλισης θα πρέπει να αερίζεται επαρκώς ώστε να αποφεύγονται οι δονήσεις ή οι παλµοί που θα µπορούσαν να µεταφερθούν στο φράγµα και να προκαλέσουν την υπερφόρτισή του ή την υπερφόρτιση της θεµελίωσής του µε αποτέλεσµα να υποβαθµίζεται η διατµητική αντοχή του εδάφους. Το νερό από την κεφαλή υπερχείλισης θα πρέπει να προσκρούσει επάνω σε πλάκες από οπλισµένο σκυρόδεµα οι οποίες να είναι επαρκώς αγκυρωµένες στα θεµέλια. Η διάβρωση πίσω από τις κεφαλές ή τις αψίδες των αντηρίδων θα πρέπει να αποτραπεί παντελώς µε την κατασκευή κατάλληλου τοίχου ή τάπητα ελέγχου της τυρβώδους ροής από σκυρόδεµα. Θα πρέπει να είναι δυνατό να καταστρέφεται το µεγαλύτερο µέρος της ενέργειας πρόσκρουσης του νερού χωρίς υπερβολική διάβρωση και ρήξη της κοίτης του ποταµού κατάντη του φράγµατος. Εάν εµφανιστεί υπερβολική διάβρωση κατάντη του φράγµατος τότε είναι πολύ πιθανόν ότι η διατµητική αντοχή του εδάφους θεµελίωσης θα µειωθεί δραµατικά. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 298

299 Προένταση. Η προένταση χρησιµοποιείται για να ελαχιστοποιήσει την απαιτούµενη ποσότητα σκυροδέµατος και να αντισταθµίσει τις αυξηµένες εφελκυστικές τάσεις που διαφορετικά θα αναπτύσσονταν. Επίσης χρησιµοποιείται συνήθως ως ένας πρόσθετος συντελεστής ασφάλειας σε µια επαρκή κατασκευή, παραδείγµατος χάριν για να αντιµετωπιστούν κάποιες ακραίες συνθήκες πληµµύρας ή σεισµού. Η προένταση µπορεί να εφαρµοστεί για τρεις τουλάχιστον διαφορετικούς σκοπούς σε ένα αντηριδωτό φράγµα: 1. Για να «τραβήξει προς τα κάτω» το ανάντη µέτωπο του φράγµατος, 2. Για να «ανυψώσει προς τα επάνω» το κατάντη µέτωπο του φράγµατος, και 3. Για να συµπιέσει την αντηρίδα επάνω στην βραχοµάζα θεµελίωσης για να βελτιωθεί η αντίσταση σε ολίσθηση µεταξύ του φράγµατος και της βραχοµάζας. Επιπλέον έχει αποδειχθεί ότι η τάνυση αυτή βελτιώνει συγχρόνως και την αντίσταση σε ολίσθηση µέσα στο υπέδαφος θεµελίωσης. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 299

300 ΦΡΑΓΜΑΤΑ ΑΝΑΧΩΜΑΤΙΚΟΥ ΤΥΠΟΥ. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ. 2. ΟΡΟΛΟΓΙΑ. 3. ΦΡΑΓΜΑΤΑ ΑΝΑΧΩΜΑΤΙΚΟΥ ΤΥΠΟΥ (EMBANKMENT DAMS). 4. ΧΩΜΑΤΙΝΑ ΦΡΑΓΜΑΤΑ (EARTHFILL DAMS). 5. ΛΙΘΟΡΙΠΤΑ ΦΡΑΓΜΑΤΑ (ROCKFILL DAMS) Εισαγωγή στα φράγµατα αναχωµατικού τύπου. Η διεθνής ένωση χαµηλών φραγµάτων (ICOLD) ορίζει ένα φράγµα αναχωµατικού τύπου ως: «οποιοδήποτε φράγµα που κατασκευάζεται από εκσκαµµένα υλικά που τοποθετούνται χωρίς προσθήκη συνδετικού υλικού εκτός από εκείνο που υφίσταται στο φυσικό υλικό κατασκευής του αναχώµατος. Τα υλικά κατασκευής του αναχώµατος λαµβάνονται συνήθως από ή κοντά στην περιοχή του φράγµατος». Τα διαθέσιµα υλικά επί τόπου του έργου ελέγχουν και καθορίζουν το µέγεθος και τη διαµόρφωση ή γεωµετρία του φράγµατος. Πολλά µικρά φράγµατα αναχωµατικού τύπου κατασκευάζονται εξ ολοκλήρου από ένα ενιαίο τύπο εδαφικού υλικού όπως είναι π.χ. οι αλλουβιακές αποθέσεις των ρεµάτων, ο αποσαθρωµένος µανδύας κάποιας υποκείµενης βραχοµάζας, ή οι παγετώδεις αποθέσεις. Αυτά ονοµάζονται οµοιογενή φράγµατα και κατασκευάζονται λίγο πολύ από οµοιόµορφα και οµοιογενή φυσικά εδαφικά υλικά. Τα µεγαλύτερα φράγµατα αναχωµατικού τύπου είναι χωρισµένα σε ζώνες και κατασκευασµένα από ποικίλα υλικά, είτε που εξορύσσονται από διαφορετικές τοπικές πηγές δανειοθαλάµων είτε που παρασκευάζονται µε την µηχανική ή υδραυλική διαλογή και διαχωρισµό του υλικού σε κλάσµατα µε διαφορετικές κοκκοµετρικές συνθέσεις και εδαφοµηχανικές ιδιότητες. Ένα σηµαντικό στοιχείο σε ένα φράγµα αναχωµατικού τύπου χωρισµένο σε ζώνες είναι ένα στεγανό κάλυµµα (τάπητας - µεµβράνη) ή ένας στεγανός πυρήνας που αποτελούνται συνήθως από αργιλικά υλικά πολύ χαµηλού συντελεστή υδροπερατότητας και τα οποία συλλέγονται από τοπικούς δανειοθαλάµους. Στις θέσεις όπου τα φυσικά στεγανά υλικά δεν είναι διαθέσιµα τα φράγµατα αναχωµατικού τύπου κατασκευάζονται µε «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 300

301 θραυστά αδρανή υλικά βράχου ή εδάφους - βράχου, και µε στεγανές στρώσεις οπλισµένου σκυροδέµατος ή ασφαλτικού σκυροδέµατος ή αγκυρωµένων χαλύβδινων φύλλων που τοποθετούνται στο ανάντη µέτωπο του φράγµατος αναχωµατικού τύπου. Φράγµατα αναχωµατικού τύπου έχουν κατασκευαστεί σε µία µεγάλη ποικίλα εδαφικών συνθηκών και τύπων θεµελίωσης, που κυµαίνονται από ασθενείς αλλουβιακές αργιλικές αποθέσεις έως και πολύ ισχυρές βραχοµάζες. Ένα πλεονέκτηµα έναντι των φραγµάτων σκυροδέµατος είναι ότι οι απαιτήσεις σε φέρουσα ικανότητα των γεωλογικών σχηµατισµών θεµελίωσης είναι πολύ χαµηλότερες. Επίσης οι καθιζήσεις λόγω στερεοποίησης κατά τη διάρκεια και µετά από την ολοκλήρωση της κατασκευής δεν αποτελεί γενικά κάποιο σοβαρό πρόβληµα, λόγω της προσαρµοστικότητας στις µετακινήσεις των υλικών κατασκευής τους Ορολογία φραγµάτων αναχωµατικού τύπου. Στην συνέχεια αναφέρονται επιγραµµατικά τα σηµαντικότερα µέρη ή τµήµατα ενός φράγµατος αναχωµατικού τύπου, και ακολούθως παρουσιάζονται διαγραµµατικά. Σώµα φράγµατος (Shell), Στέψη φράγµατος (Dam Top), Έξαλλο τµήµα φράγµατος (Freeboard), Επιφάνεια Προστασίας Κυµάτων µε Λιθοριπή (Wave Protection Riprap), Ανάντη Υδατοστεγή Κάλυµµα ή Τάπητας Στεγανοποίησης (Upstream Blanket), Έρεισµα ή µύτη φράγµατος (Dam Toe), Θεµελίωση φράγµατος (Dam Foundation), ιακόπτης στεγάνωσης νερού (Cut off), Προστασία µε Λιθοριπή (Riprap Protection), Αποστραγγιστικό Φίλτρο (Drainage Filter), Κατάντη στραγγιστήρι εξόδου νερού (Toe Drain), Μεταβατικό Αποστραγγιστικό Φίλτρο (Transition Filter). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 301

302 ιαγραµµατική απεικόνιση των µερών ή τµηµάτων ενός χωµάτινου φράγµατος. Σηµείωση: εν είναι απαραίτητο όλα τα παραπάνω τµήµατα να ενσωµατώνονται σε οποιοδήποτε κατασκευή φράγµατος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 302

303 8.3. Φράγµατα αναχωµατικού τύπου. ιάταξη και σχεδιάγραµµα των έργων των φραγµάτων αναχωµατικού τύπου. Περιορισµοί σχεδιασµού. Θέση στεγανής ζώνης. Ευστάθεια πρανών. Καθιζήσεις στερεοποίησης. Προστασία πρανών. Πορείες διήθησης νερού. Αποστραγγιστικά φίλτρα και µεταβατικές ζώνες. Πυρήνες στεγάνωσης. Έξαλλο τµήµα φράγµατος. Πλάτος στέψης. Εγκάρσιοι αποστραγγιστικοί οχετοί κάτω από τα αναχώµατα ιάταξη και σχεδιάγραµµα των έργων των φραγµάτων αναχωµατικού τύπου. Τα φράγµατα αναχωµατικού τύπου απαιτούν και βοηθητικές δοµές και κατασκευές για την εκτροπή του νερού, όπως είναι οι χαµηλού επιπέδου αγωγοί εκκένωσης νερού (εκκενωτές) και οι υπερχειλιστές, ενώ τα χαρακτηριστικά αυτά συνήθως ενσωµατώνονται στα φράγµατα βαρύτητας από σκυρόδεµα. Οι αγωγοί νερού παραγωγής ενέργειας είναι πολύ µακρύτεροι, απαιτώντας λεκάνες ηρεµίας. Θα πρέπει να δίδεται η οφειλόµενη προσοχή κατά τον σχεδιασµό της διάταξης και της θέσης των βοηθητικών δοµών και κατασκευών του φράγµατος Περιορισµοί σχεδιασµού. Ένα φράγµα αναχωµατικού τύπου είναι βασικά ένα τραπεζοειδές ανάχωµα που κατασκευάζεται σε µια κοιλάδα για να διαµορφώσει ένα ταµιευτήρα «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 303

304 νερού. Ο σχεδιασµός του πρέπει να εξασφαλίζει τα παρακάτω χαρακτηριστικά: 1. Να είναι αρκετά στεγανό ώστε να αποτρέπει την υπερβολική απώλεια νερού από τον ταµιευτήρα. 2. Ο σχεδιασµός θα πρέπει να εξασφαλίζει ευσταθή πρανή. 3. Οι καθιζήσεις (ελαστικές και λόγω στερεοποίησης) του φράγµατος δεν θα πρέπει να είναι υπερβολικά υψηλές ώστε να µειωθεί σηµαντικά το έξαλλο τµήµα του φράγµατος. 4. Το ανάντη πρανές του φράγµατος θα πρέπει να προστατεύεται από την διαβρωτική και καταστρεπτική δράση των κυµάτων, και το κατάντη πρανές θα πρέπει να ανθίσταται στη διάβρωση δράση των βροχοπτώσεων. 5. Θα πρέπει να υφίσταται κάποια ικανοποιητική πρόσφυση µεταξύ του αναχώµατος και της θεµελίωσής του ώστε να αποτρέπεται η ανάπτυξη διόδων διήθησης νερού. Η υπερβολική υδροστατική ανύψωση ή υποπίεση πρέπει να ελέγχεται από κατάλληλα αποστραγγιστικά συστήµατα Θέση στεγανής ζώνης. Η θέση της στεγανής ζώνης σε ένα λιθόριπτο φράγµα περιλαµβάνει τους ίδιους παράγοντες όπως και στην περίπτωση ενός χωµάτινου φράγµατος. Ένα ανάντη κατάστρωµα στεγανοποίησης έχει διάφορα πλεονεκτήµατα: 1. Είναι πιο σταθερό κάτω από το φορτίο του νερού, επειδή το προς τα κάτω φορτίο του νερού αυξάνει την αντίσταση στην ολίσθηση λόγω τριβής. 2. Στο διαπερατό ανάχωµα λιθοριπής από βράχο δεν αναπτύσσεται καµία ανύψωση ή υποπίεση, δεδοµένου ότι το ανάχωµα δεν επιτρέπει καµία µετακίνηση νερού προς τα επάνω από την θεµελίωση. 3. Το κατάστρωµα στεγανοποίησης µπορεί εύκολα να επιθεωρηθεί και ελεγχθεί και να επισκευαστεί εάν αυτό είναι απαραίτητο. 4. Κατά τη διάρκεια της κατασκευής, το ύψος του φράγµατος µπορεί να αυξηθεί µε προσθήκη υλικού µόνο στην κατάντη πλευρά και µε επέκταση στην συνέχεια της µεµβράνης στεγανοποίησης προς τα πάνω στην κεκλιµένη επιφάνεια. Τα µειονεκτήµατα ενός ανάντη καταστρώµατος στεγανοποίησης είναι: 1. Το ανάντη κατάστρωµα στεγανοποίησης είναι επιρρεπές και τρωτό στην διάβρωση λόγω των καιρικών συνθηκών και των κυµάτων. 2. Εάν κατασκευασθεί από γαιώδη υλικά, κάποια ξαφνική ελάττωση ή υποβιβασµός της στάθµης νερού στον ταµιευτήρα µπορεί να µειώνει σε σηµαντικό βαθµό την ευστάθειά του και µπορεί να προκαλέσει αστοχία λόγω περιστροφικού τύπου ολίσθησης. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 304

305 3. Η καθίζηση λόγω στερεοποίησης του αναχώµατος από λιθοριπή τείνει να δηµιουργεί εφελκυστικές ρωγµές στη µεµβράνη στεγανοποίησης. Η κεντρική θέση ενός στεγανού πυρήνα έχει διάφορα πλεονεκτήµατα: 1. Ο πυρήνας υποστηρίζεται εξίσου και από τις δύο πλευρές του (ανάντη και κατάντη) και είναι σταθερότερος και ευσταθέστερος κατά τη διάρκεια µιας ξαφνικής ελάττωσης ή υποβιβασµού της στάθµης νερού στον ταµιευτήρα (εάν έχει κατασκευάζεται από γαιώδη υλικά). 2. Η καθίζηση λόγω στερεοποίησης της λιθοριπής προκαλεί την ανάπτυξη θλιπτικών τάσεων στο (αργιλικό) υλικό του πυρήνα, που τείνουν να το καταστήσουν πιο συµπυκνωµένο και συµπαγές. 3. Υπάρχει λιγότερος όγκος υλικού πυρήνα και µικρότερη επιφάνεια σε εγκάρσια τοµή για διαρροή νερού για ένα δεδοµένο ύψος φράγµατος και πάχος του στεγανού (αργιλικού) πυρήνα. Η επιλογή για φράγµατα µε στεγανές ζώνες εξαρτάται κατά ένα µεγάλο µέρος από τις συνθήκες ευστάθειας του (αργιλικού) υλικού του πυρήνα. Εάν είναι αρκετά ισχυρό, µια θέση τοποθέτησής του κοντά στην ανάντη πλευρά του φράγµατος είναι συνήθως και η πιο οικονοµική. Εντούτοις, εάν το (αργιλικό) υλικό του πυρήνα είναι ασθενές τότε µια επιλογή τοποθέτησής του στην κεντρική θέση είναι καλύτερη Ευστάθεια των πρανών του φράγµατος Εισαγωγή. Η αστοχία ενός φράγµατος αναχωµατικού τύπου µπορεί να προκύψει από την αστάθεια είτε του ανάντη είτε του κατάντη πρανούς του. Η επιφάνεια αστοχίας ή ολίσθησης µπορεί να διέλθει µέσα από το σώµα του αναχώµατος ή µπορεί να περάσει µέσω του αναχώµατος αλλά και του υποκείµενου εδάφους θεµελίωσής του. Τα κρίσιµα στάδια για το ανάντη πρανές του φράγµατος είναι δύο. Πρώτον κατά το τέλος της κατασκευής του φράγµατος, και δεύτερον κατά τη διάρκεια της γρήγορης ελάττωσης ή ταπείνωσης της στάθµης νερού στον ταµιευτήρα. Τα κρίσιµα στάδια για το κατάντη πρανές του φράγµατος είναι επίσης δύο. Πρώτον κατά το τέλος της κατασκευής του φράγµατος, και δεύτερον κατά τη διάρκεια της σταθερής διήθησης του νερού όταν ο ταµιευτήρας είναι στην µέγιστη πλήρωσή του. Είναι σύνηθες να εγκαθίστανται πιεζόµετρα για να µετριούνται οι πιέσεις του νερού πόρων και να συγκρίνονται στην συνέχεια τα στοιχεία αυτά µε τις προβλεφθείσες τιµές που λήφθηκαν υπόψη και χρησιµοποιήθηκαν κατά τον σχεδιασµό του φράγµατος. εδοµένου ότι οι πιέσεις νερού πόρων έχουν κάποια κυρίαρχη επιρροή επί του συντελεστή ασφάλειας των πρανών του φράγµατος, θα πρέπει να λαµβάνονται αµέσως προστατευτικά «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 305

306 µέτρα εάν διαπιστωθεί ότι ο συντελεστής ασφάλειας, βασισµένος στις τιµές των µετρήσεων, πλησιάζει κάποια αρκετά χαµηλό επίπεδο. Για να εξασφαλίζεται η ευστάθεια των πρανών του φράγµατος θα πρέπει να διερευνώνται διάφορες συνθήκες όπως αναφέρονται στην συνέχεια: 1. Οι κλίσεις των πρανών του φράγµατος θα πρέπει να είναι ικανοποιητικά ασφαλείς σε επιφανειακή ολίσθηση περιστροφικού τύπου. Για να εξασφαλίζεται αυτό οι κλίσεις των πρανών του φράγµατος δεν θα πρέπει να είναι πιο απότοµες από τη γωνία ανάπαυσης του υλικού από το οποίο συνίστανται τα πρανή. 2. Το φράγµα θα πρέπει να είναι επαρκώς ασφαλές σε ολίσθησή του επί της θεµελίωσής του. 3. Η µάζα του αναχώµατος θα πρέπει να είναι ικανοποιητικά ασφαλές σε αστοχία περιστροφικού τύπου ή σε αστοχία τύπου σύνθετης επιφάνειας ολίσθησης. Η περίπτωση αυτή είναι πιθανή να εµφανιστεί µέσα σε ένα αργιλικό πυρήνα ή σε µία θεµελίωση από ασθενές αργιλικό υλικό. Η ασφάλεια ενάντια στην αστοχία του φράγµατος µπορεί να αυξηθεί αφενός µε τη µείωση της κλίσης των πρανών του φράγµατος και αφετέρου µε την επιλογή δοµικών υλικών του φράγµατος υψηλότερης διατµητικής αντοχής και καλύτερης συµπύκνωσής τους. Α. Οµοιογενές ανάχωµα. 1. Ολίσθηση µέσα στο υλικό του αναχώµατος. 2. Κύκλος περιστροφικής ολίσθησης µέσω της θεµελίωσης του φράγµατος. Β. Φράγµα αναχωµατικού τύπου χωρισµένο σε ζώνες. 1. Ολίσθηση µέσα στο υλικό της λιθοριπής του αναχώµατος. 2. Ολίσθηση µέσα στο υλικό της λιθοριπής του αναχώµατος και στην θεµελίωσή του. 3. Ολίσθηση µέσα στο (αργιλικό) υλικό του πυρήνα και στην θεµελίωσή του. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 306

307 Γ. Τέλος της κατασκευής. Οι περισσότερες αστοχίες των πρανών ενός φράγµατος εµφανίζονται είτε κατά τη διάρκεια, είτε στο τέλος της κατασκευής του. Οι πιέσεις νερού πόρων εξαρτώνται από την περιεκτικότητα σε νερό (ή το ποσοστό υγρασίας) του υλικού κατά την τοποθέτηση της αναχώµατος και από τον ρυθµό της κατασκευής. Μια συµβατική υποχρέωση για να επιτευχθεί γρήγορη ολοκλήρωση θα οδηγήσει τελικά σε υψηλές πιέσεις νερού πόρων κατά το τέλος της κατασκευής. Εντούτοις, η περίοδος κατασκευής ενός φράγµατος αναχωµατικού τύπου είναι πιθανό να είναι αρκετά παρατεταµένη που επιτρέπει την µερική εκτόνωση ή διαφυγή της υπερβολικής πίεσης του νερού πόρων, ειδικά σε ένα φράγµα µε σύστηµα εσωτερικής αποστράγγισης. Η εκτόνωση ή διαφυγή των υπερβολικών πιέσεων νερού πόρων µπορεί να επιταχυνθεί µε την εγκατάσταση οριζόντιων αποστραγγιστικών στρωµάτων µέσα στο σώµα του φράγµατος. Εντούτοις, µια ανάλυση της ευστάθειας των πρανών του φράγµατος που βασίζεται στις ολικές ή αστράγγιστες παραµέτρους της διατµητικής αντοχής, (c u και φ u ), θα οδηγούσε σε ένα αρκετά συντηρητικό και συνεπώς αντιοικονοµικό σχεδιασµό των πρανών του φράγµατος. Εποµένως µία ανάλυση της ευστάθειας των πρανών του φράγµατος που βασίζεται στις ενεργές ή στραγγιζόµενες παραµέτρους της διατµητικής αντοχής, (c και φ ), προτιµάται. Ένας συντελεστής ασφάλειας της τάξης του 1,3 µπορεί να είναι αποδεκτός για το τέλος της κατασκευής µε την προϋπόθεση ότι υπάρχει επαρκής εµπιστοσύνη στις εδαφοµηχανικές παραµέτρους σχεδιασµού του φράγµατος Κατάσταση σταθερής διήθησης νερού. Όταν ο ταµιευτήρας είναι πλήρης για κάποιο χρονικό διάστηµα, καθιερώνονται συνθήκες σταθερής διήθησης ή ροής νερού τόσο µέσω του σώµατος του φράγµατος όσο και κάτω από αυτό στο έδαφος θεµελίωσής του που ρέει κάτω από την ανώτατη γραµµή ροής (flow line) σε κατάσταση πλήρους κορεσµού. Σε αυτή την κατάσταση θα πρέπει να αναλυθεί η ευστάθεια των πρανών του φράγµατος από την άποψη των ενεργών ή στραγγιζόµενων παραµέτρων της διατµητικής αντοχής, (c και φ ), µε τιµές πίεσης νερού πόρων που προσδιορίζεται από το διάγραµµα ή δίκτυο ροής (flow net). Ο συντελεστής ασφάλειας για αυτή την κατάσταση θα πρέπει να είναι τουλάχιστον ίσος µε 1,5. Η εσωτερική διάβρωση µπορεί να αποτελέσει έναν ιδιαίτερο κίνδυνο ιδίως όταν ο ταµιευτήρας είναι πλήρης «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 307

308 επειδή µπορεί το νερό να ανέλθει και να αναπτυχθεί µέσα σε σύντοµο σχετικά χρόνο, µειώνοντας σοβαρά την ασφάλεια του φράγµατος Γρήγορη ταπείνωση ή υποβιβασµός της στάθµης του νερού στον ταµιευτήρα σε χαµηλής διαπερατότητας εδάφη. Η γρήγορη ταπείνωση ή υποβιβασµός της στάθµης του νερού στον ταµιευτήρα µετά από µία κατάσταση σταθερής διήθησης ή ροής νερού θα οδηγήσει σε µια αλλαγή στη κατανοµή της πίεσης νερού πόρων µέσα στο φράγµα και κάτω από αυτό στην ζώνη θεµελίωσής του. Εάν η διαπερατότητα ενός εδάφους είναι χαµηλή, µια περίοδος ταπείνωσης ή υποβιβασµού της στάθµης του νερού στον ταµιευτήρα που µετριέται στις εβδοµάδες µπορεί να είναι «γρήγορη» σε σχέση µε τον χρόνο που απαιτείται για την εκτόνωση ή διαφυγή της πίεσης νερού πόρων καθώς και την αλλαγή στην κατάσταση της πίεσης αυτής Γρήγορη ταπείνωση ή υποβιβασµός της στάθµης του νερού στον ταµιευτήρα σε εδάφη υψηλής διαπερατότητας. Η κατανοµή της πίεσης νερού πόρων µετά από µία ταπείνωση ή υποβιβασµό της στάθµης του νερού στον ταµιευτήρα σε εδάφη υψηλής διαπερατότητας, µειώνεται καθώς το νερό πόρων αποστραγγίζεται από το έδαφος σχεδόν ακριβώς επάνω από το επίπεδο ταπείνωσης. Η γραµµή κορεσµού κινείται κατάντη µε ένα ρυθµό που εξαρτάται από τη διαπερατότητα του εδάφους. Μπορεί να σχεδιαστεί µια σειρά διαγραµµάτων ή δικτύων ροής για διαφορετικές θέσεις της γραµµής κορεσµού και να υπολογιστούν διάφορες τιµές πίεσης νερού πόρων. Στην συνέχεια µπορεί να προσδιοριστεί ο συντελεστής ασφάλειας, χρησιµοποιώντας µία ανάλυση ευστάθειας των πρανών του φράγµατος µε βάση τις ενεργές ή στραγγιζόµενες παραµέτρους της διατµητικής αντοχής, (c και φ ), για οποιαδήποτε θέση της γραµµής κορεσµού Καθιζήσεις λόγω στερεοποίησης. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 308

309 Η καθίζηση λόγω στερεοποίησης είναι ένα ιδιαίτερο πρόβληµα για τα φράγµατα αναχωµατικού τύπου. Αρχίζει κατά τη διάρκεια της κατασκευής του φράγµατος και συνεχίζεται για πολλά χρόνια αφότου έχει ολοκληρωθεί η κατασκευή του φράγµατος. ύο είναι κύριες αιτίες: 1. Η µετανάστευση ή µετακίνηση των λεπτοµερών εδαφικών κόκκων από τα σηµεία επαφής µεταξύ των µεγαλύτερων κόκκων ή των χαλικοκροκάλων από βράχο (αδρανή υλικά) επιτρέπει στους κόκκους να επαναπροσανατολίζονται και να επαναδιατάσσονται σε µια εγγύτερη µεταξύ τους ή πυκνότερη δοµή, και 2. Η συντριβή των σηµείων επαφής µεταξύ των µεγαλύτερων κόκκων ή των χαλικοκροκάλων από βράχο κάτω από τις ακραίες τάσεις που αναπτύσσεται από το βάρος του αναχώµατος αναγκάζει τους µεγάλους κόκκους ή τις χαλικοκροκάλες από βράχο να αναπτύσσουν νέα σηµεία επαφής τα οποία πάλι µε την σειρά τους στην συνέχεια συνθλίβονται και συντρίβονται έως ότου επέλθει κάποια τελική ισορροπία στο καθεστώς των επιβαλλόµενων τάσεων. Το πρόβληµα αυτό µπορεί να αποφευχθεί µε την κατάλληλη συµπύκνωση κατά τη διάρκεια της κατασκευής. Στα χωµάτινα φράγµατα µπορεί να προβλεφθεί αυξηµένο ύψος κατασκευής του φράγµατος, ακόµα και κατά 50 %, ώστε µε την ακόλουθη καθίζηση λόγω στερεοποίησης που θα προκύψει το φράγµα να διαµορφωθεί τελικά στο σωστό προβλεπόµενο ύψος. Μια κατασκευή σε διαδοχικά στάδια και φάσεις «προσθήκης» ύψους, καθώς η καθίζηση λόγω στερεοποίησης εξελίσσεται, µπορεί επίσης να βοηθήσει. α. Καθίζηση λόγω στερεοποίησης σε εγκάρσια τοµή. β. Καθίζηση λόγω στερεοποίησης. Έδαφος θεµελίωσης. γ. Ανώµαλο πάχος εδάφους θεµελίωση στα αντερείσµατα.. Ανάστροφο ή επικρεµάµενο αντέρεισµα Προστασία των µετώπων των πρανών. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 309

310 Και τα δύο µέτωπα των πρανών ενός φράγµατος αναχωµατικού τύπου θα πρέπει να προστατεύονται από δοµικές ζηµιές. Σε κανονικές περιστάσεις το κατάντη µέτωπο του πρανούς του φράγµατος υπόκειται µόνο στις αποσαθρωτικές και διαβρωτικές δυνάµεις της φύσης. Το ανάντη µέτωπο του πρανούς του φράγµατος θα πρέπει να προστατεύεται από τη διαβρωτική δράση ή την διαταραχή που προκαλεί ο κυµατισµός της λίµνης του ταµιευτήρα, ο πάγος ή η πρόσκρουση διάφορων επιπλεόντων υλικών και σκουπιδιών. Οι διάφορες µέθοδοι προστασίας από δοµικές ζηµιές των µετώπων των πρανών ενός φράγµατος περιλαµβάνουν την τοποθέτηση σχετικά µεγάλων τεµαχών βράχου (rip-rap), την τοποθέτηση προκατασκευασµένων πλακών σκυροδέµατος ή µιγµάτων εδάφους - τσιµέντου ή µεµβράνης στεγανοποίησης. Η προστασία αυτή θα πρέπει να πραγµατοποιείται αρκετά παραπάνω αλλά και κάτω από το εύρος λειτουργίας της στάθµης νερού στον ταµιευτήρα. Προστασία µε τοποθέτηση σχετικά µεγάλων τεµαχών βράχου (rip-rap). Μέγεθος µεγάλων τεµαχών βράχου (rip-rap): Μάζα µεµονωµένου τεµάχους βράχου = 1000 x (ύψος κυµάτων = Hs) 3 (σε kg). Τα σχετικά µεγάλα τεµάχη βράχου (rip-rap) θα πρέπει να προέρχονται από υγιή βράχο, να είναι ανθεκτικά στην διάβρωση και αποσάθρωση, υδατοστεγή (πολύ χαµηλού ενεργού πορώδους) και καλής γενικά ποιότητας ώστε να µπορούν να αντιστέκονται στις έντονα µεταβαλλόµενες σκληρούς συνθήκες του περιβάλλοντος Πορείες διήθησης νερού ιασωλήνωση του εδάφους (Piping). Η εσωτερική διάβρωση της θεµελίωσης ή του αναχώµατος που προκαλείται από τη διήθηση του νερού είναι γνωστή ως διασωλήνωση του εδάφους (Piping). Γενικά, η διάβρωση αρχίζει στο κατάντη τµήµα ή πόδα του φράγµατος και επεκτείνεται προς τα πίσω δηλαδή προς τον «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 310

311 ταµιευτήρα, διαµορφώνοντας έτσι κανάλια ή σωληνίσκους κάτω από το φράγµα. Τα κανάλια ή οι σωληνίσκοι αυτοί ακολουθούν τις πορείες της µέγιστης διαπερατότητας του εδάφους και µπορεί να µην αναπτύσσονται µέχρι πολλά χρόνια µετά από την κατασκευή. Η αντίσταση του αναχώµατος ή της θεµελίωσης του στη διασωλήνωση του εδάφους εξαρτάται από: 1. την πλαστικότητα του εδάφους, 2. την κοκκοµετρική του διαβάθµιση, και 3. τον βαθµό της συµπύκνωσής του ή της σχετικής πυκνότητάς του. Οι πλαστικές άργιλοι µε έναν δείκτη πλαστικότητας µεγαλύτερο από 15, είτε είναι καλώς είτε είναι κακώς συµπυκνωµένες, είναι τα υλικά που έχουν την υψηλότερη ανθεκτικότερα στο φαινόµενο της διασωλήνωσης. Η ελάχιστη αντίσταση στη διασωλήνωση βρίσκεται σε ένα έδαφος κακώς συµπυκνωµένο, µε καλή κοκκοµετρική διαβάθµιση, µη συνεκτικό και µε σχεδόν καθόλου συνδετικό υλικό. Αναπτύσσεται επίσης και στην οµοιόµορφη, λεπτόκοκκη, µη συνεκτική άµµο, ακόµα και όταν είναι καλά συµπυκνωµένη. Οι ρωγµές που αναπτύσσονται λόγω καθίζησης από στερεοποίηση στα ανθεκτικότερα υλικά µπορούν επίσης να δηµιουργήσουν προβλήµατα διασωλήνωσης. Η διασωλήνωση µπορεί να αποφευχθεί µε την επιµήκυνση των γραµµών ροής του νερού µέσα στο φράγµα και στην θεµελίωσή του. Αυτό µειώνει την υδραυλική κλίση της ροής του νερού και ως εκ τούτου την ταχύτητά του. Οι γραµµές ροής µπορούν να αυξηθούν από: Τοίχους διακοπών ροής νερού (Cutoff walls) «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 311

312 Στεγανούς (αργιλικούς) πυρήνες. Καλύµµατα ή τάπητες ή µεµβράνες στεγανοποίησης (Impermeable blankets) που επεκτείνονται προς τα ανάντη από το ανάντη µέτωπο του φράγµατος Έλεγχος διήθησης νερού. ιήθηση είναι η συνεχής µετακίνηση του νερού από το ανάντη µέτωπο του φράγµατος προς το κατάντη µέτωπό του. Η ανώτατη επιφάνεια αυτού του ρεύµατος του διηθούµενου νερού είναι γνωστή ως φρεατική ή πιεζοµετρική επιφάνεια υπόγειων νερών. Η φρεατική ή πιεζοµετρική αυτή επιφάνεια πρέπει να διατηρηθεί στο επίπεδο του κατάντη πόδα του φράγµατος ή κάτω από αυτό. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 312

313 Η φρεατική ή πιεζοµετρική επιφάνεια µέσα σε ένα φράγµα µπορεί να ελεγχθεί από έναν κατάλληλα σχεδιασµένο αργιλικό πυρήνα ή από τοίχους Εσωτερικά συστήµατα στραγγιστηρίων Σκοπός. Ένα οµοιογενές φράγµα µε ένα ύψος µεγαλύτερο από περίπου 6 µε 8 µέτρα θα πρέπει να έχει κάποιο τύπο κατάντη στραγγιστηρίου ή αποστραγγιστικού φίλτρου. Ο σκοπός ενός κατάντη στραγγιστηρίου ή αποστραγγιστικού φίλτρου είναι: 1. για να µειώνει τις πιέσεις νερού πόρων στην κατάντη τµήµα του φράγµατος και εποµένως να αυξάνει τη ευστάθεια του κατάντη πρανούς του φράγµατος έναντι περιστροφικής ολίσθησης, και 2. για να ελέγχει οποιαδήποτε διήθηση νερού που εξέρχεται από το κατάντη τµήµα του φράγµατος και εποµένως να αποτρέπει τη διάβρωση του κατάντη πρανούς του φράγµατος, δηλαδή για να αποτρέπει την ανάπτυξη του φαινοµένου της διασωλήνωσης. Η αποτελεσµατικότητα του κατάντη στραγγιστηρίου ή αποστραγγιστικού φίλτρου στη µείωση των πιέσεων νερού πόρων εξαρτάται από τη θέση και την έκτασή του. Εντούτοις, η ανάπτυξη του φαινοµένου της διασωλήνωσης ελέγχεται µε την εξασφάλιση ότι η κοκκοµετρική διαβάθµιση του διαπερατού υλικού από το οποίο έχει κατασκευαστεί το κατάντη στραγγιστήρι ή αποστραγγιστικό φίλτρο καλύπτει τις απαιτήσεις φίλτρων σε σχέση µε το υλικό του αναχώµατος Στραγγιστήρια ή αποστραγγιστικά φίλτρα ποδός (Toe drains). Ο σχεδιασµός ενός κατάντη συστήµατος στραγγιστηρίων ή αποστραγγιστικών φίλτρων ελέγχεται και καθορίζεται από το ύψος του «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 313

314 φράγµατος, το κόστος και την διαθεσιµότητα του διαπερατού υλικού για την κατασκευή του, καθώς και από την διαπερατότητα του εδάφους θεµελίωσης του φράγµατος. Για τα χαµηλά φράγµατα, ένας απλός τύπος στραγγιστηρίου ή αποστραγγιστικού φίλτρου ποδός µπορεί να χρησιµοποιηθεί µε επιτυχία. Τα στραγγιστήρια ή αποστραγγιστικά φίλτρα ποδός έχουν εγκατασταθεί σε µερικά από τα παλαιότερα οµοιογενή φράγµατα σε µια προσπάθεια να αποτραπεί η χαλάρωση ή η µείωση της αντοχής καθώς και η διάβρωση του κατάντη ποδός του φράγµατος. Για τα βάθη ταµιευτήρα µεγαλύτερα από 15 m, οι περισσότεροι µηχανικοί θα τοποθετούσαν ένα σύστηµα στραγγιστηρίων ή αποστραγγιστικών φίλτρων περαιτέρω µέσα στο εσωτερικό του αναχώµατος όπου θα ήταν πιο αποτελεσµατικό στη µείωση των πιέσεων νερού πόρων και στον έλεγχο της διήθησης του νερού Οριζόντια αποστραγγιστικά καλύµµατα. Τα οριζόντια αποστραγγιστικά καλύµµατα χρησιµοποιούνται συχνά για φράγµατα µέτριου ύψους. Τα αποστραγγιστικά καλύµµατα χρησιµοποιούνται συχνά επάνω από το κατάντη µισό ή ένα τρίτο της περιοχής της θεµελίωσης του φράγµατος. Το φράγµα ύψους 45 m του Αµερικάνικου γραφείου αποκατάστασης του «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 314

315 εδάφους και αποστραγγιστικών και εγγειοβελτιωτικών έργων (American Bureau of Reclamation) είναι ένα οµοιογενές φράγµα που έχει κατασκευαστεί µε ένα κατάντη οριζόντιο αποστραγγιστικό κάλυµµα. Όπου το διαπερατό υλικό είναι λιγοστό, µπορούν να τοποθετηθούν αντ' αυτού εσωτερικές συνθετικές λωρίδες ειδικού γεωυφάσµατος, δεδοµένου ότι και αυτές δίνουν την ίδια γενική επίδραση κατά την αποστράγγιση του νερού Μειονεκτήµατα των οριζόντιων αποστραγγιστικών καλυµµάτων. Ένα χωµάτινο φράγµα αναχωµατικού τύπου τείνει να είναι πιο υδροπερατό ή διαπερατό κατά την οριζόντια διεύθυνση απ' ό,τι κατά την κατακόρυφο. Σε ορισµένες περιπτώσεις, τα οριζόντια στρώµατα τείνουν να είναι πιο αδιαπέρατα από το µέσο υλικό που κατασκευάζεται το ανάχωµα, και κατ αυτόν τον τρόπο το νερό θα ρέει κατά την οριζόντια διεύθυνση σε ένα σχετικά αδιαπέρατο στρώµα και θα εκφορτίζεται στο κατάντη µέτωπο του φράγµατος παρά την ύπαρξη του οριζόντιου αποστραγγιστικού καλύµµατος. Όπου αυτό έχει συµβεί το κατάντη πρανές του φράγµατος είναι επιρρεπές σε περιστροφική ολίσθηση και σε διασωλήνωση. Μπορούν να γίνουν επισκευές µε την εγκατάσταση οριζόντιων περατών αποστραγγιστικών καλυµµάτων ή τάπητων στα κατάντη πρανή ή µε την κατασκευή κατακόρυφων αποστραγγιστικών φίλτρων που να συνδέονται µε το οριζόντιο αποστραγγιστικό κάλυµµα. Τέτοια κατακόρυφα αποστραγγιστικά φίλτρα αποτελούνται συνήθως από άµµο και χαλίκια Αποστραγγιστικά φίλτρα τύπου «καπνοδόχου». Τα αποστραγγιστικά φίλτρα τύπου «καπνοδόχου» κατασκευάζονται ως µια προσπάθεια για να αποτραπεί η οριζόντια ροή κατά µήκος των σχετικά αδιαπέρατων στρωµατοποιηµένων εδαφικών στρώσεων, και να παρεµποδιστεί η διήθηση του νερού προτού φθάσει στο κατάντη πρανές του φράγµατος. Τα αποστραγγιστικά φίλτρα τύπου «καπνοδόχου» ενσωµατώνονται συχνά στα υψηλά οµοιογενή φράγµατα αναχωµατικού τύπου, τα οποία κατασκευάζονται µε τους κεκλιµένα ή κατακόρυφα αποστραγγιστικά φίλτρα τύπου «καπνοδόχου». Σε µερικά σηµαντικά έργα φραγµάτων, τα αποστραγγιστικά φίλτρα τύπου «καπνοδόχου» κατασκευάζονται κεκλιµένα µε αρκετή µάλιστα κλίση, τόσο ανάντη και µερικές φορές και κατάντη. Ένα ανάντη κεκλιµένο αποστραγγιστικό φίλτρο τύπου «καπνοδόχου» µπορεί να ενεργήσει και ως ένας σχετικά λεπτός πυρήνας. Εκτός από τον έλεγχο της διήθησης του «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 315

316 νερού µέσω του φράγµατος και την αύξηση της ευστάθειας του κατάντη πρανούς, ένα αποστραγγιστικό φίλτρο τύπου «καπνοδόχου» είναι επίσης χρήσιµο στη µείωση των πιέσεων νερού πόρων τόσο κατά τη διάρκεια της κατασκευής του φράγµατος όσο και µετά από τη γρήγορη ελάττωση ή ταπείνωση ή υποβιβασµό της στάθµης του νερού στον ταµιευτήρα ιαστάσεις και διαπερατότητα των αποστραγγιστικών φίλτρων. Οι διαστάσεις και η διαπερατότητα των αποστραγγιστικών φίλτρων πρέπει να είναι επαρκείς ώστε να µεταφέρουν την προβλεπόµενη ροή µε ένα µεγάλο περιθώριο ασφάλειας για απροσδόκητες διαρροές νερού. Εάν το φράγµα και το έδαφος θεµελίωσής του είναι σχετικά στεγανά, η αναµενόµενη διαρροή νερού θα είναι σχετικά χαµηλή. Ένα αποστραγγιστικό φίλτρο θα πρέπει να κατασκευάζεται από υλικό µε έναν συντελεστή διαπερατότητας (Κ) τουλάχιστον 10 έως 100 φορές µεγαλύτερο από τον συντελεστή του µέσου υλικού κατασκευής του αναχώµατος Λεπτός ανάντη κεκλιµένος (αργιλικός) πυρήνας. Σε ένα χωµάτινο φράγµα µε έναν ανάντη κεκλιµένο πυρήνα χαµηλής διαπερατότητας, το έδαφος θεµελίωσής του µπορεί να θεωρηθεί ότι είναι στεγανό και σε µία σταθερή κατάσταση. Υπό συνθήκες σταθερής κατάστασης ροής η µικρή ποσότητα νερού που διαρρέει µέσω του πυρήνα, ρέει προς τα κάτω µε κατακόρυφη διεύθυνση σε µια µερικώς κορεσµένη ζώνη και κατόπιν σε µία σχεδόν οριζόντια διεύθυνση σε µία λεπτή κορεσµένη στρώση κατά µήκος του στεγανού εδάφους θεµελίωσης. Για αυτόν τον τύπο φράγµατος το κατάντη σώµα του φράγµατος θα πρέπει να είναι αρκετές εκατοντάδες φορές πιο διαπερατό από τον πυρήνα του. ιήθηση και ροή νερού µέσω ενός ανάντη κεκλιµένου πυρήνα φράγµατος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 316

317 ιακόπτες µερικής στεγάνωσης νερού (Cutoffs). Ένα χωµάτινο φράγµα που κατασκευάζεται χωρίς ένα διακοπή στεγάνωσης νερού (cut-off) σε διαπερατούς ή ηµιδιαπερατούς εδαφικούς ή βραχώδεις σχηµατισµούς θεµελίωσης µπορεί να οδηγήσει σε διήθηση κάτω από το φράγµα και να δηµιουργήσει απαράδεκτες πιέσεις ανύψωσης ή υποπίεσης και να προκαλέσει αστάθεια στην έδρασή του. Σε περίπτωση που ένας στεγανός διακοπής στεγάνωσης νερού εγκατασταθεί στο 60% του βάθους του διαπερατού σχηµατισµού της θεµελίωσης του φράγµατος, το διάγραµµα ή δίκτυο ροής και η κατάντη ανώτερη γραµµή διήθησης ή ροής νερού µέσα στο σώµα του φράγµατος ελαφρώς τροποποιείται σε ένα χαµηλότερο επίπεδο. Μια θεωρητική γραµµή διήθησης ή ροής νερού για διάφορα βάθη εγκατάστασης ενός διακόπτη µερικής στεγάνωσης νερού δίνεται στην συνέχεια. Οι επιδράσεις του διακόπτη µερικής στεγάνωσης νερού στην κατάντη ανώτερη γραµµή διήθησης ή ροής νερού µέσα στο σώµα του φράγµατος. Για έναν αποτελεσµατικό διακοπή στεγάνωσης νερού ο προσδιορισµός θέσης και του βάθους του διακόπτη στεγάνωσης νερού (Cut-off) θα πρέπει να είναι κυριολεκτικά «τέλειος». εδοµένου ότι αυτό είναι σχεδόν αδύνατο να επιτευχθεί, πρέπει να επιλεχθούν και να χρησιµοποιηθούν και άλλες µέθοδοι ελέγχου της διήθησης του νερού από κοινού µε τους διακόπτες στεγάνωσης νερού (Cut-offs) Αποστραγγιστικά φίλτρα και µεταβατικές ζώνες. εδοµένου ότι ο αργιλικός πυρήνας ενός φράγµατος σταθεροποιείται µε κατάλληλα τοποθετηµένες ζώνες τεµαχίων βράχου ή αµµοχάλικου, είναι απόλυτα απαραίτητο να αποτρέπεται η διείσδυση και µεταφορά των «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 317

318 λεπτόκοκκων υλικών του πυρήνα προς το αδρόκοκκο υλικό του σώµατος του φράγµατος προς τις δύο εκατέρωθεν πλευρές του, είτε κατά τη διάρκεια της γρήγορης ελάττωσης ή ταπείνωσης ή υποβιβασµού της στάθµης του νερού στον ταµιευτήρα, είτε από τις πιέσεις του νερού διήθησης κάτω από το υδραυλικό φορτίο του νερού του ταµιευτήρα. Τα αποστραγγιστικά φίλτρα ή οι µεταβατικές ζώνες πρέπει εποµένως να τοποθετούνται σε επαφή προς την κάθε πλευρά του αργιλικού πυρήνα. Το ανάντη φίλτρο, εάν αποτελείται από µη συνεκτικό υλικό και από κατάλληλη κοκκοµετρική διαβάθµιση, µπορεί να συνεισφέρει και να βοηθήσει σηµαντικά παίζοντας και κάποιον άλλο ρόλο. Συγκεκριµένα µπορεί να παρέχει υλικό σφράγισης ή «επούλωσης» των εγκάρσιων ρωγµών του πυρήνα σε περίπτωση που αυτές εµφανιστούν λόγω κάποιας ατέλειας στην κατασκευή του πυρήνα ή λόγω κάποιας καθίζησης και συνεπώς να τις αυτοθεραπεύει. Εποµένως για αυτόν τον σκοπό δικαιολογείται η επιλογή του καλύτερου και καταλληλότερου υλικού. Αν και η πρωταρχική λειτουργία των αποστραγγιστικών φίλτρων ή των µεταβατικών ζωνών είναι να διατηρούν το υλικό του πυρήνα σταθερό ενάντια στη µετακίνησή του προς την λιθοριπή, το υλικό της κατάντη µεταβατικής ζώνης θα πρέπει να επιλεχθεί και να τοποθετηθεί έτσι ώστε να παρεµποδίζεται η διάδοση κάποιας ρωγµής του πυρήνα προς την συµπυκνωµένη λιθοριπή. Η ορθή διεθνής πρακτική υπαγορεύει να διευρύνονται οι ζώνες µετάβασης προς κάθε αντέρεισµα, δηλαδή στις περιοχές όπου µπορούν να εµφανιστούν οι αυξηµένες εφελκυστικές τάσεις και τα πλάγια ραγίσµατα. Για να αποτρέπεται η µετανάστευση των λεπτόκοκκων εδαφικών σωµατιδίων ή υλικών από τον πυρήνα του φράγµατος προς το αδρόκοκκο υλικό του σώµατος του φράγµατος, αλλά και να αποτρέπεται και η εµφάνιση του φαινοµένου της διασωλήνωσης θα πρέπει: (D )f 15 < 4 5 1) (D85)s (f = Φίλτρο) (s= Ζώνη που φλιτράρεται) (D )f 50 < 25 2) (D50)s «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 318

319 (f = Φίλτρο) (s= Ζώνη που φλιτράρεται) Για την εξασφάλιση της απαίτησης περί ικανοποιητικής διαπερατότητας, θα πρέπει: (D )f 15 > 4 5 3) (D15)s (f = Φίλτρο) (s= Ζώνη που φλιτράρεται) Για να αποτρέπεται του προβλήµατος της κακής κοκκοµετρικής διαβάθµισης του φίλτρου, θα πρέπει: (D )f 60 < 20 4) (D10)f (f (f = = Φίλτρο) Φίλτρο) Όπου f συµβολίζει το «αποστραγγιστικό φίλτρο» και s συµβολίζει «την ζώνη που φιλτράρεται ή δηλαδή ο γειτονικός πυρήνας του φράγµατος». «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 319

320 Μονό ή απλό φίλτρο µεταξύ του αργιλικού πυρήνα και του αδρόκοκκου υλικού του σώµατος του φράγµατος. ιπλό ή σύνθετο φίλτρο στον αργιλικό πυρήνα Αργιλικοί πυρήνες στεγάνωσης. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 320

321 Ο πυρήνας µπορεί να οριστεί ως µια µεµβράνη που κατασκευάζεται µέσα σε ένα φράγµα αναχωµατικού τύπου για να διαµορφώσει ένα στεγανό εµπόδιο, η ισορροπία και ευστάθεια του οποίου εξασφαλίζεται από το σώµα του φράγµατος. Μπορεί να κατασκευάζεται από φυσικά υλικά, όπως άργιλο, και αµµοχάλικα, κ.λ.π. ή από τεχνητώς παρασκευαζόµενα υλικά, όπως σιµέντο ή ασφαλτικό σκυρόδεµα, ή και από µέταλλο, πλαστικό, λάστιχο, κ.λ.π.. Το πάχος του πυρήνα θα εξαρτηθεί πρώτιστα από το διαθέσιµο υλικό. Για παράδειγµα εάν είναι διαθέσιµη µία καλή άργιλος µε χαµηλό σχετικά κόστος ο µελετητής και σχεδιαστής του φράγµατος θα µπορούσε να επιλέξει έναν αρκετά παχύ αργιλικό πυρήνα. Το πλάτος του πυρήνα εξαρτάται και συσχετίζεται συνήθως µε τον τύπο της θεµελίωσης, και την επιτρεπόµενη υδραυλική κλίση κατά µήκος της ζώνης επαφής. Ένας πυρήνας από φυσικά υλικά µπορεί να είναι κεντρικός, κεκλιµένος και να βρίσκεται πλησίον και κάτω από το ανάντη µέτωπο του πρανούς του φράγµατος ή να βρίσκεται σε κάποια ενδιάµεση θέση. Ένα αποδεκτό γενικά πάχος πυρήνα είναι περίπου το ένα δεύτερο του ύψους του φράγµατος, ανάλογα µε τα διαθέσιµα υλικά. Η διαπερατότητα (Κ) του συµπυκνωµένου υλικού του πυρήνα δεν πρέπει να υπερβαίνει την τιµή των 10-5 cm/sec. Η υδραυλική κλίση σε σχέση µε τον αργιλικό πυρήνα είναι ο λόγος του µέγιστου υδραυλικού φορτίου του νερού στον ταµιευτήρα προς το πάχος του πυρήνα. Οι λεπτοί πυρήνες µπορεί να είναι επαρκείς από την άποψη της υδατοστεγανότητάς τους αλλά είναι επίσης ουσιαστικό να παρασχεθούν και καλά σχεδιασµένα φίλτρα προς την κάθε εκατέρωθεν πλευρά τους. Ο µεγαλύτερος κίνδυνος µε τα λεπτά φίλτρα είναι η «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 321

322 δυνατότητά τους να «διατρηθούν» και να εµφανίσουν µια «µολυσµένη» µε αργιλικό υλικό ζώνη. Οι κύριοι - πρωτεύοντες παράγοντες που εξετάζονται κατά τον καθορισµό των διαστάσεων του πυρήνα και του καταµερισµού του αναχώµατος σε ζώνες είναι: Ο τύπος και ο όγκος των διαθέσιµων υλικών κατασκευής του πυρήνα, Τα σχετικά οικονοµικά στοιχεία των εδαφικών υλικών πλήρωσης και της λιθοριπής, Η πλαστικότητα του διαθέσιµου υλικού του πυρήνα και της επίδρασής του στον κίνδυνο ραγίσµατος του πυρήνα, Η έκταση και ο ρυθµός ή η ταχύτητα ταπείνωσης ή εκκένωσης του νερού στον ταµιευτήρα, και Η φύση του εδαφικού ή βραχώδους σχηµατισµού θεµελίωσης κάτω από τον αδιαπέρατο αργιλικό πυρήνα. Ράγισµα του πυρήνα. Είναι οι ρωγµές που εµφανίζονται συχνά στα χωµάτινα φράγµατα και στους αργιλικούς πυρήνες των λιθόριπτων φραγµάτων. Θα πρέπει να δίδεται ιδιαίτερη προσοχή για να αποτρέπεται κάθε τέτοιο ράγισµα και ο υπεύθυνος µηχανικός και γεωτέχνης του φράγµατος θα πρέπει να αποφασίζει εάν οι ρωγµές είναι πιθανό να επεκταθούν και να γίνουν σοβαρές ή εάν είναι σταθερές και επουσιώδεις και µπορούν να επιχωµατωθούν. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 322

323 Η επίδραση της µετα - κατασκευαστικής καθίζησης λόγω στερεοποίησης επί της στέψης ή κορυφής του φράγµατος στην δηµιουργία ραγισµάτων (*). Καθίζηση λόγω στερεοποίησης επί της στέψης ή κορυφής του φράγµατος (mm) Λιγότερο από 50 Ίσο ή µεγαλύτερο από 50 Μεγαλύτερο από 100 Ίσο ή µεγαλύτερο από 130 Μεγαλύτερο από 160 Μεγαλύτερο από 180 Ίσο ή µεγαλύτερο από 220 Ίσο ή µεγαλύτερο από 350 Μεγαλύτερο από 400 Μεγαλύτερο από 1000 Μεγαλύτερο από 1200 Ίσο ή µεγαλύτερο από 1400 Ίσο ή µεγαλύτερο από 3800 Είδος ραγίσµατος Κανένα ράγισµα των φραγµάτων. Μπορεί να εµφανιστούν εγκάρσια ραγίσµατα σε συµπυκνωµένα και ξηρά φράγµατα Το επιφανειακό οπλισµένο σκυρόδεµα που δεν έχει περιµετρικούς αρµούς συστολής διαστολής µπορεί να ραγίσει Μπορεί να εµφανιστούν διαµήκη ραγίσµατα µεταξύ του πυρήνα και του σώµατος του φράγµατος Μπορεί να εµφανιστούν διαµήκη ραγίσµατα στον συµπυκνωµένο και ξηρό αργιλικό πυρήνα Μπορεί να εµφανιστεί υδραυλική θραύση Μπορεί να εµφανιστούν εγκάρσια ραγίσµατα σε υδαρό συµπυκνωµένο αργιλικό πυρήνα. Μπορεί να εµφανιστούν διαµήκη ραγίσµατα µεταξύ του υδαρού συµπυκνωµένου αργιλικού πυρήνα και του σώµατος του φράγµατος. Το επιφανειακό ασφαλτικό σκυρόδεµα µπορεί να ραγίσει (που αυτό-θεραπεύεται για καθίζηση λόγω στερεοποίησης της τάξης των 350 mm) Μπορεί να εµφανιστούν διαµήκη ραγίσµατα σε υδαρό συµπυκνωµένο πυρήνα. Το επιφανειακό οπλισµένο σκυρόδεµα που έχει περιµετρικούς αρµούς συστολής διαστολής µπορεί να ραγίσει εν υπάρχει κανένα «αρραγές» φράγµα από όσα µελετήθηκαν Όλα τα φράγµατα παρουσιάζουν εκτεταµένα εγκάρσια ραγίσµατα Σοβαρά ραγίσµατα του επιφανειακού ασφαλτικού σκυροδέµατος Η µεγάλη έκταση των ραγισµάτων απαιτεί την ολοκληρωτική αντικατάσταση του επιφανειακού οπλισµένου σκυροδέµατος (*) Στοιχεία από «Thomas, Henry H. Η εφαρµοσµένη µηχανική των µεγάλων φραγµάτων». «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 323

324 Έξαλλο τµήµα φράγµατος (Freeboard). Ένα οµοιογενές φράγµα αναχωµατικού τύπου δεν πρέπει ποτέ να υπερχειλίζει και για την ακρίβεια κανένα µόνιµο φράγµα αναχωµατικού τύπου δεν πρέπει ποτέ να υπερχειλίζει. Εντούτοις, η κατασκευή επαρκούς ύψους έξαλλου τµήµατος φράγµατος (freeboard) µπορεί να είναι πολύ ακριβή επειδή απαιτεί τη διεύρυνση της διατοµής του φράγµατος και ως εκ τούτου πολύ περισσότερα δοµικά υλικά. Πολλές φορές είναι σωστότερο από κατασκευαστική άποψη να στρώνονται µε ασφαλτοτάπητα ή ασφαλτικό σκυρόδεµα τόσο η στέψη ή κορυφή όσο και το κατάντη µέτωπο του φράγµατος. Το επίπεδο της στέψης ή κορυφής καθορίζεται αναλόγως ώστε να επιτρέπεται µόνο ο ψεκασµός να περνάει επάνω από αυτό, ή και η µέγιστη πληµµυρική παροχή αιχµής ή καµιά φορά ακόµα και συχνότερα περιστατικά πληµµύρας. Παρόλα αυτά, αυτό χρησιµοποιείται µόνο για φράγµατα ύψους κάτω από 30 m. Μια εναλλακτική µέθοδος για µείωση της απαιτούµενης ποσότητας των δοµικών υλικών κατασκευής του συµπληρωµατικού αναχώµατος είναι να κατασκευαστεί ένας τοίχος προστασίας κυµάτων από σκυρόδεµα κατά µήκος της στέψης ή κορυφής του αναχώµατος, όπως απεικονίζεται στο παρακάτω σχήµα Πλάτος στέψης ή κορυφής. Αυτό συνήθως καθορίζεται από τη διαδικασία κατασκευής και την πρόσβαση που απαιτείται είτε κατά τη διάρκεια της κατασκευής είτε ως µόνιµο χαρακτηριστικό του φράγµατος. Ο Ιαπωνικός κώδικας 1957, καθορίζει το απαιτούµενο πλάτος της στέψης ή κορυφής του φράγµατος (W) σε σχέση µε το ύψος του φράγµατος, ως ακολούθως: W = 3.6 H 1/3-3 (m) «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 324

325 το οποίο δίνει πλάτος στέψης ή κορυφής όπως αναφέρεται στον παρακάτω πίνακα : Ύψος φράγµατος (m) Απαιτούµενο πλάτος στέψης ή κορυφής (m) Εγκάρσιοι αποστραγγιστικοί οχετοί κάτω από τα αναχώµατα. Σε µερικές θέσεις είναι απαραίτητο να κατασκευαστεί ένας µεγάλος αποστραγγιστικός οχετός κάτω από το φράγµα, αν και αυτό θα πρέπει να αποφεύγεται όπου είναι δυνατόν. Ο συµβατικός αποστραγγιστικός οχετός είναι ένας οχετός από οπλισµένο σκυρόδεµα που σχεδιάζεται µε σκοπό να αντισταθεί τόσο στην εσωτερική πίεση νερού όσο και στην εξωτερική φόρτιση του αναχώµατος. Είναι σηµαντικό ότι δεν εµφανίζεται διαρροή µέσα στην περιοχή του αργιλικού πυρήνα του φράγµατος ή ανάντη από αυτόν. Για να αποτραπεί αυτό θα πρέπει να τοποθετούνται δακτύλιοι στεγανοποίησης γύρω από τον οχετό, η θέση και οι διαστάσεις των οποίων καθορίζονται από το υδραυλικό φορτίο στον ταµιευτήρα. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 325

326 Περιεχόµενο χωµάτινων φραγµάτων (Earthfill Dams). 1. Εισαγωγή. 2. Τύποι χωµάτινων φραγµάτων. 3. οµικά υλικά Εισαγωγή χωµάτινων φραγµάτων (Earthfill Dams). Ένα χωµάτινο φράγµα είναι ένα φράγµα αναχωµατικού τύπου, που κατασκευάζεται κατά κύριο λόγο από συµπυκνωµένα εδαφικά υλικά, και είτε είναι οµοιογενές είτε χωρίζεται σε ζώνες, και το οποίο συνίσταται περισσότερο από το 50 % από εδαφικά (γαιώδη) υλικά. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 326

327 Ένα λιθόριπτο φράγµα όπου όλα τα κενά του έχουν γεµίσει µε λεπτόκοκκα υλικά µε την µέθοδο της υδραυλικής πληµµύρας θεωρείται συνήθως ως χωµάτινο φράγµα Τύποι χωµάτινων φραγµάτων. 1. Οµοιογενές. 2. Με κεντρικό αδιαπέρατο πυρήνα. 3. Με κεκλιµένο αδιαπέρατο πυρήνα. 4. Υδραυλικά φράγµατα. Οι κλίσεις 1 προς 1,33 (ύψος προς µήκος) είναι κατάλληλες για τα λιθόριπτα φράγµατα µε µέτωπα επιστρωµένα µε σκυρόδεµα, αλλά για αποτελεσµατική τοποθέτηση και ευστάθεια ασφαλτικού σκυροδέµατος επί του µετώπου, η κλίση του ανάντη πρανούς θα πρέπει να είναι περίπου 1 προς 1,7. Είναι σηµαντικό οι άνθρωποι να µπορούν να περπατούν σε αυτήν την κλίση χωρίς την βοήθεια των σχοινιών, αλλά σε µια κλίση της «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 327

328 τάξης του 1 προς 1,33 απαιτούνται σχοινιά ασφαλείας. Να σηµειωθεί ότι ένα ασφαλτικό σκυρόδεµα έχει περισσότερη ανοχή στην µετακίνηση λόγω καθίζησης από στερεοποίηση από ότι µία άκαµπτη στρώση από σκυρόδεµα Οµοιογενή χωµάτινα φράγµατα. Τέτοια αναχώµατα αποτελούνται από έναν ενιαίο τύπο υλικού ή από υλικό από την ίδια πηγή λήψης. Αυτό µπορεί να αποτελείται από µικρούς κόκκους που τοποθετούνται µε υδραυλικά µέσα, ή συµπυκνωµένες γαίες ή αµµοχάλικα που έχουν ταξινοµηθεί και συµπυκνωθεί µε µηχανικά µέσα. Οι βασικές ιδιότητες που απαιτούνται στο υλικό κατασκευής ενός οµοιογενούς αναχώµατος ή για την κατασκευή του πυρήνα ενός λιθόριπτου φράγµατος είναι: Το υλικό θα πρέπει να είναι αρκετά αδιαπέρατο για να αποτρέπει την υπερβολική απώλεια νερού µέσω του φράγµατος. Η αποδεκτή απώλεια του νερού καθορίζονται τόσο από την ασφάλεια της κατασκευής (ευστάθεια πρανών, πίεση ανύψωσης ή υποπίεσης) όσο και από την αξία του νερού που χάνεται. Το υλικό θα πρέπει να είναι ικανό να τοποθετείται και να σταθεροποιείται ώστε να δώσει µια σχεδόν οµοιογενή µάζα, απαλλαγµένη από πιθανές πορείες διείσδυσης νερού, είτε µέσω του αναχώµατος είτε κατά µήκος της επαφής του µε την θεµελίωση. Το έδαφος θα πρέπει να αναπτύσσει µια µέγιστη πρακτική διατµητική αντοχή κάτω από την επιβαλλόµενη συµπύκνωσή του και να διατηρεί το µεγαλύτερο µέρος της µετά από την πλήρωση του ταµιευτήρα µε νερό. εν θα πρέπει να υπόκειται σε καθιζήσεις λόγω στερεοποίησης, ούτε να µαλακώνει ή να ρευστοποιείται κατά τον κορεσµό του. Η ευστάθεια ενός χωµάτινου φράγµατος αναχωµατικού τύπου ενισχύεται εάν το κατάντη τµήµα του µπορεί να διατηρηθεί χωρίς διήθηση κα ροή νερού. Εποµένως απαιτείται η τοποθέτηση εσωτερικών αποστραγγιστικών αγωγών µέσα στο φράγµα, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήµα, που αφήνουν την «ξηρή» πλέον συµπυκνωµένη επίχωση ως υποστήριξη. Η διατοµή A-A αντιπροσωπεύει το φίλτρο, την αποστράγγιση, και τα τµήµατα του φίλτρου. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 328

329 Η θέση και η κλίση θα εξαρτηθούν από τα χρησιµοποιούµενα υλικά. Έχει προταθεί ότι η µέγιστη σταθερότητα θα προέκυπτε µε την τοποθέτησή του αποστραγγιστικού αγωγού πλησιέστερα στο ανάντη µέτωπο µε γωνία θ µικρότερη από ορθή Χωµάτινα φράγµατα µε κεντρικό αδιαπέρατο πυρήνα. Όπου υπάρχει µόνο περιορισµένη διαθεσιµότητα εδαφικού υλικού για την κατασκευή του αδιαπέρατου πυρήνα, αλλά αφθονία διαπερατού υλικού για το ανάχωµα, ο µελετητής και σχεδιαστής του φράγµατος δεν έχει καµία άλλη επιλογή παρά να αποφασίσει για κατασκευή ενός φράγµατος µε λεπτό πυρήνα. Εντούτοις, όπου υπάρχει άφθονη διαθεσιµότητα τόσο διαπερατού όσο και αδιαπέρατου υλικού, ένα φράγµα µε λεπτό πυρήνα µπορεί να αποδειχθεί οικονοµικότερο ή ευκολότερα κατασκευαζόµενο για διάφορους λόγους όπως αναφέρονται στην συνέχεια: 1. Η µονάδα κόστους για την τοποθέτηση αδιαπέρατων υλικών µπορεί να είναι περισσότερη από την µονάδα κόστους των διαπερατών υλικών. 2. Ο όγκος του αναχώµατος µπορεί να µειωθεί σε ένα φράγµα µε λεπτό πυρήνα αποτελεσµατικότερα απ' ό,τι σε οποιοδήποτε άλλο τύπο φράγµατος. 3. Ο διαθέσιµος χρόνος κατασκευής και οι καιρικές συνθήκες µπορεί να µην επιτρέπουν την κατασκευή ενός αδιαπέρατου πυρήνα µεγάλου πάχους. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 329

330 Το ελάχιστο πάχος του πυρήνα εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως αναφέρονται στην συνέχεια: 1. Η ανοχή σε απώλεια διήθησης. 2. Το ελάχιστο πλάτος που θα επιτρέψει την ορθή κατασκευή. 3. Ο τύπος του υλικού που επιλέγεται για την κατασκευή του πυρήνα και του σώµατος του φράγµατος. 4. Ο σχεδιασµός των προτεινόµενων στρώσεων των αποστραγγιστικών φίλτρων. 5. Η προηγούµενη εµπειρία από παρόµοια έργα. Ευστάθεια του πυρήνα. - Το υλικό του πυρήνα έχει συνήθως µικρότερη διατµητική αντοχή από το υπόλοιπο σώµα του αναχώµατος, και εποµένως από την άποψη της ευστάθειας, ένας λεπτότερος πυρήνας φράγµατος είναι καλύτερος. Εντούτοις, ένας παχύτερος πυρήνας έχει αυξηµένη αντίσταση σε διαφορικό ράγισµα, το όποιο µπορεί να οδηγήσει στο φαινόµενο της διασωλήνωσης του εδάφους. Εποµένως, η αντίσταση της διασωλήνωσης του εδάφους εξαρτάται από τις εδαφοµηχανικές ιδιότητες, όπως την πλαστικότητα και την κοκκοµετρική διαβάθµιση του υλικού του πυρήνα. Πλεονεκτήµατα των κατακόρυφων πυρήνων: 1. Ένα πλεονέκτηµα του κατακόρυφου πυρήνα είναι ότι θα υπάρξουν υψηλότερες πιέσεις στην επαφή µεταξύ του πυρήνα και της θεµελίωσης του, γεγονός που θα παράσχει µία µεγαλύτερη προστασία ενάντια στη πιθανότητα διαρροής νερού κατά µήκος της επαφής αυτής. 2. Ο κατακόρυφος πυρήνας τείνει να είναι ελαφρώς παχύτερος για µια δεδοµένη ποσότητα αδιαπέρατου εδαφικού υλικού από το πάχος ενός κεκλιµένου πυρήνα. Τα ακόλουθα κριτήρια αντιπροσωπεύουν µια χονδρική εγκάρσια διατοµή σύµφωνα µε τα στοιχεία και τα σχέδια πολλών πεπειραµένων µηχανικών στην µελέτη, σχεδιασµό και κατασκευή χωµάτινων φραγµάτων: Οι αδιαπέρατοι πυρήνες µε ένα πλάτος της τάξης του 30% έως 50% του υδραυλικού φορτίου (ύψους) του νερού έχουν αποδειχθεί ικανοποιητικοί σε πολλά φράγµατα κάτω από διαφορετικές συνθήκες. Οι πυρήνες αυτού του πλάτους είναι επαρκείς για οποιοδήποτε εδαφικό τύπο και ύψος φράγµατος. Οι αδιαπέρατοι πυρήνες µε ένα πλάτος της τάξης του 15% ως 20% του υδραυλικού φορτίου (ύψους) του νερού θεωρούνται λεπτοί. Εντούτοις, όταν χρησιµοποιούνται επαρκώς σχεδιασµένα και κατασκευασµένα στρώµατα αποστραγγιστικών φίλτρων, ο πυρήνας µπορεί να λειτουργήσει ικανοποιητικά κάτω από τις περισσότερες συνθήκες. Τα πλάτη των πυρήνων που αντιστοιχούν σε λιγότερο από 10% του υδραυλικού φορτίου (ύψους) του νερού δεν χρησιµοποιούνται ευρέως στην πράξη, και θα πρέπει να χρησιµοποιηθούν µόνο στην «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 330

331 περίπτωση που µια µεγάλη διαρροή µέσω του πυρήνα δεν θα οδηγούσε στην αστοχία του φράγµατος Χωµάτινα φράγµατα µε κεκλιµένο αδιαπέρατο πυρήνα. Πλεονεκτήµατα των χωµάτινων φραγµάτων µε κεκλιµένους πυρήνες: 1. Το κυριότερο πλεονέκτηµα ενός ανάντη κεκλιµένου πυρήνα είναι ότι το κατάντη τµήµα του αναχώµατος µπορεί να κατασκευαστεί πρώτα και ο πυρήνας που τοποθετείται αργότερα. Αυτό αποτελεί ένα ιδιαίτερο πλεονέκτηµα όταν υπάρχει µια σύντοµη περίοδος µη βροχερού καιρού που είναι κατάλληλη ώστε να επιτραπεί η κατασκευή ενός πυρήνα από λεπτόκοκκα (αργιλικά) εδάφη. 2. Ένα άλλο πλεονέκτηµα είναι ότι οι σιµεντενέσεις θεµελίωσης µπορεί να πραγµατοποιηθούν ταυτόχρονα ενώ το ανάχωµα κατασκευάζεται. 3. Οι ζώνες των αποστραγγιστικών φίλτρων µεταξύ των ανάντη και κατάντη διαπερατών ζωνών µπορούν να κατασκευαστούν λεπτότερες και είναι ευκολότερο να εγκαταστήσουν απ' ό,τι στα χωµάτινα φράγµατα µε έναν κεντρικό κατακόρυφο αδιαπέρατο πυρήνα. 4. Ένα χωµάτινο φράγµα µε κεκλιµένο αδιαπέρατο πυρήνα είναι πιο συµφέρον από την άποψη της ταχύτητας και της οικονοµίας που µπορεί να επιτευχθεί στην κατασκευή των απαραίτητων σιµεντενέσεων θεµελίωσης. Το πλεονέκτηµα προέρχεται από το γεγονός ότι οι σιµεντενέσεις µπορούν να εκτελεσθούν ταυτόχρονα ενώ το κύριο κατάντη διαπερατό τµήµα του αναχώµατος κατασκευάζεται. Μειονεκτήµατα των χωµάτινων φραγµάτων µε κεκλιµένους πυρήνες: 1. Σε µερικές περιοχές η επιφάνεια επαφής µεταξύ του πυρήνα και του εδάφους θεµελίωσής του εξαρτάται από το βάθος της εκσκαφής για την θεµελίωση. Αυτό σηµαίνει δηλαδή ότι όταν η εκσκαφή γίνεται βαθύτερη, η περιοχή αυτή επαφής κινείται προς τα ανάντη. Εντούτοις, σε µερικές περιπτώσεις το βάθος της εκσκαφής που απαιτείται για να παρέχει µια κατάλληλη και επαρκή επαφή µεταξύ του χωµάτινου πυρήνα και του εδάφους θεµελίωσής του δεν µπορεί να προκαθοριστεί µε ακρίβεια και ασφάλεια πριν από την έναρξη της κατασκευής του φράγµατος. 2. Λόγω του προαναφερόµενου λόγου µπορεί να είναι δύσκολο να εντοπιστεί µε ακρίβεια η επιθυµητή θέση της ζώνης κατασκευής της κουρτίνας των σιµεντενέσεων στεγανοποίησης σε σχέση µε την ζώνη της επαφής µεταξύ του πυρήνα και του εδάφους θεµελίωσής του. 3. Στην περίπτωση που προβλέπεται κάποια πιθανή απαίτηση εισπίεσης πρόσθετου σιµεντενέµατος µέσω του αναχώµατος «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 331

332 αφότου έχει ολοκληρωθεί η κατασκευή του φράγµατος, τότε προτιµάται πάντα ένα χωµάτινο φράγµα µε κατακόρυφο κεντρικό πυρήνα, επειδή η εργασία των εισπιέσεων σιµεντενέµατος µπορεί να γίνει από τη στέψη του φράγµατος χωρίς να χρειαστεί ταπείνωση του νερού στον ταµιευτήρα Χωµάτινα φράγµατα υδραυλικής επίχωσης. Ένα χωµάτινο φράγµα υδραυλικής πλήρωσης ή επίχωσης είναι το φράγµα αυτό στο οποίο το δοµικό υλικό κατασκευής του µεταφέρεται ως αιώρηµα στο νερό µέχρι την θέση του αναχώµατος όπου και τοποθετείται µε ιζηµατογένεση, δηλαδή µε πτώση ή καθίζηση των αιωρούµενων κόκκων. Χρησιµοποιείται η επίδραση της ικανότητας ταξινόµησης του ρέοντας νερού κατά την ιζηµατογένεση, για τη δηµιουργία ενός λεπτόκοκκου πυρήνα στο κέντρο του αναχώµατος µε χονδρόκοκκα σώµατα στις εκατέρωθεν πλευρές του φράγµατος. Σε ένα φράγµα ηµι-υδραυλικής πλήρωσης ή επίχωσης το υλικό µεταφέρεται µε µία µονάδα διακίνησης και στοιβάζεται ελεύθερα στην άκρη του αναχώµατος. Στην συνέχεια «σπρώχνεται» στην τελική θέση του µε υδραυλική πίεση νερού (water jet). Η χρήση αυτού του τύπου φράγµατος είναι σπάνια, επειδή: Το κόστος κυλίνδρωσης των εδαφικών υλικών, δηλαδή των απαραίτητων χωµατουργικών εργασιών, έχει «πέσει» σηµαντικά τελευταία µε την τεχνολογική ανάπτυξη µεγαλύτερων και πιο οικονοµικών δοµικών µηχανηµάτων και εξοπλισµών χωµατουργικών εργασιών. Είναι δύσκολο να ελεγχθεί η ποιότητα του υλικού, γεγονός που καθιστά την µέθοδο αυτή λιγότερο αξιόπιστη από άλλους τύπους κατασκευής φραγµάτων. Η αποστράγγιση του αργιλικού πυρήνα πραγµατοποιείται µε δύο τρόπους: α) µέρος του νερού διηθείται οριζοντίως προς το διαπερατό αδρόκοκκο σώµα του φράγµατος, και β) το υπόλοιπο κινείται προς τα επάνω δηλαδή προς την επιφάνεια του εδαφικού πυρήνα, και επιτρέπει στο κέντρο του φράγµατος υπόκειται σε υποχώρηση λόγω καθίζησης από στερεοποίηση. Τελικά η προς τα κάτω µετακίνηση του φράγµατος αναπτύσσει φαινόµενα «τόξου» ή «γεφύρωσης» στο υλικό του αργιλικού πυρήνα γεγονός που αποτρέπει την πλήρη στερεοποίησή του. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 332

333 οµικά υλικά. Η λεπτοµέρεια και η ακρίβεια µε την οποία ερευνώνται οι περιοχές των δανειοθαλάµων µπορεί να έχουν µια σηµαντική επίδραση στο κόστος κατασκευής του φράγµατος. Οι καλύτερες πληροφορίες προέρχονται από τις τάφρους που εκσκάπτονται µε εκσκαφείς και προωθητήρες (bulldozers). ύο ερωτήσεις πρέπει να υποβληθούν και να απαντηθούν σε ικανοποιητικό βαθµό: 1. Είναι το επιλεγόµενο δοµικό υλικό αποδεκτό; 2. Πώς θα εκσκαφθεί αυτό; Τα υλικά θα πρέπει να εξεταστούν σε κατάλληλα εξοπλισµένο εργαστήριο εδαφοµηχανικής και θα πρέπει να είναι αντιπροσωπευτικά αυτών που θα χρησιµοποιούταν για την κατασκευή του τελικού φράγµατος. Κατά την επιλογή του εδαφικού υλικού για την κατασκευή ενός αδιαπέρατου πυρήνα ή ενός οµοιογενούς φράγµατος, ο υπεύθυνος εδαφοµηχανικός ή γεωλόγος θα πρέπει να εξετάσει κατά κύριο λόγο την διαπερατότητά του, την αντίστασή του στο φαινόµενο της διασωλήνωσης, τη διατµητική αντοχή του, την πλαστικότητά του και την αντίστασή του σε ράγισµα. Η περιεκτικότητα σε νερό ή το ποσοστό υγρασίας του υλικού θα επηρεάσει κάθε έναν από τους προαναφερόµενους αυτούς παράγοντες και ιδιότητες µε διαφορετικό τρόπο. Απαιτείται η εκτέλεση κατάλληλων δοκιµών καθώς και η σηµαντική κρίση και εµπειρία του µηχανικού για να προσδιοριστεί µε την πρέπουσα ακρίβεια η βέλτιστη αυτή περιεκτικότητα σε νερό ή το ποσοστό υγρασίας για τον κάθε ιδιαίτερο εδαφικό τύπο που απαιτείται στο κάθε ιδιαίτερο µέρος του φράγµατος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 333

334 Περιεχόµενα λιθόριπτων φραγµάτων (Rockfill Dams). 1. Εισαγωγή. 2. Τύποι λιθόριπτων φραγµάτων. 3. Πλεονεκτήµατα της λιθόριπτης κατασκευής. 4. οµικά υλικά λιθοριπής. 5. Λιθόριπτα φράγµατα µε χωµάτινο πυρήνα. 6. Λιθόριπτα φράγµατα µε πέτασµα ή κατάστρωµα Εισαγωγή στα λιθόριπτα φράγµατα (Rockfill Dams). Η διεθνής ένωση χαµηλών φραγµάτων (ICOLD) ορίζει ένα λιθόριπτο φράγµα ή φράγµα λιθοριπής (rockfill Dam) ως: «έναν αναχωµατικού τύπο φράγµατος, εξαρτώµενο για τη ευστάθεια και γενική σταθερότητά του πρώτιστα από το βραχώδες υλικό που το περιβάλει και το αντιστηρίζει. Ως λιθόριπτο φράγµα θα πρέπει για την στεγανότητά του να περιλαµβάνει µια αδιαπέρατη ζώνη, η οποία σήµερα συνήθως αποτελείται από κατάλληλα επιλεγµένο εδαφικό υλικό µε ζώνες αποστραγγιστικών φίλτρων, που καταλαµβάνει έναν σηµαντικό όγκο του φράγµατος. Ο όρος λιθοριπή αντιπροσωπεύει συνήθως ένα φράγµα το οποίο περιέχει περισσότερο από το 50% του όγκου του συµπυκνωµένο ή ελεύθερα «στοιβασµένο» χονδρόκοκκο διαπερατό επιχωµατικό υλικό. Ένα τέτοιο φράγµα εξαρτάται απόλυτα όσον αφορά την στεγανότητά του από την ύπαρξη ενός ανάντη αδιαπέρατου καλύµµατος ή τάπητα ή και από έναν αδιαπέρατο πυρήνα». Όπως και ένα χωµάτινο φράγµα αποτελείται από διάφορες κατηγορίες δοµικών υλικών κατάλληλης κοκκοµετρικής διαβάθµισης, όπου η κάθε εδαφική κατηγορία είναι ανεξάρτητη από την άλλη. Η γενική σταθερότητα και ευστάθεια αναπτύσσεται από την τριβή και από την αλληλεπίδραση της µίας εδαφικής κατηγορίας κοκκοµετρικής διαβάθµισης ως προς την άλλη, «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 334

335 παρά από οποιοδήποτε άλλο συνδετικό ή σιµεντοποιητικό παράγοντα που συνδέει και «δένει» τους εδαφικούς κόκκους µεταξύ τους από κοινού. Κεντρικός χωµάτινος πυρήνας Τύποι λιθόριπτων φραγµάτων. Σύνθετα χωµάτινα και λιθόριπτα φράγµατα. Κεκλιµένος χωµάτινος πυρήνας. Ανάντη κεκλιµένος χωµάτινος πυρήνας. Λιθοριπή µε µια λεπτή στεγανή µεµβράνη ή τάπητα ή ένα διάφραγµα για να «κρατάει» το νερό. Κεντρική λεπτή στεγανή µεµβράνη. Ανάντη λεπτή στεγανή µεµβράνη ή τάπητας. Φράγµα µε ζώνη αντιστήριξης από τεχνητές επιχωµατώσεις (µπάζα). Ασύνδετη ή ξηρά λιθοδοµή. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 335

336 Πλεονεκτήµατα της λιθόριπτης κατασκευής. Οικονοµική - λόγω της χρήσης φτηνών τοπικών δοµικών υλικών. Κατάλληλη όπου οι συνθήκες θεµελίωσης δεν είναι καλές, και ειδικά όταν και όπου προβλέπονται από την µελέτη και τον σχεδιασµό του φράγµατος υψηλές υδροστατικές πιέσεις ανύψωσης ή υποπίεσης. Η λιθοριπή είναι ιδιαίτερα κατάλληλη όταν δεν υπάρχει διαθέσιµη ικανοποιητική ποσότητα εδαφικών υλικών, και όταν στην περιοχή υπάρχει αφθονία υγιούς βραχοµάζας για παραγωγή λιθοριπής και αδρανών υλικών. Η τοποθέτηση της λιθοριπής προσαρµόζεται εύκολα στις κατασκευαστικές διαδικασίες κατά την διάρκεια υγρού και κρύου καιρού και επιτρέπει συνεχή εργασία κάτω από καιρικές συνθήκες που δεν θα επέτρεπαν τη κατασκευή χωµατουργικών εργασιών ή σκυροδέτησης. Με την λιθοριπή είναι δυνατή πολύ γρήγορη κατασκευή λόγω της προσαρµοστικότητάς της στην κακοκαιρία καθώς επίσης και επειδή η διαδικασία της επίχωσης δεν είναι απαραίτητο να διακόπτεται για κυλίνδρωση ή και άλλες χωριστές διαδικασίες συµπύκνωσης. Ένα λιθόριπτο φράγµα µε ένα ανάντη στεγανό διάφραγµα προσαρµόζεται πολύ καλά στη κατασκευή κατά στάδια ή κατά φάσεις. Το ύψος του φράγµατος µπορεί να αυξηθεί απλά και µόνο µε επίχωση ή απλή «στοίβαξη» περισσότερου θραυστού βράχου πίσω από το αδιαπέρατο διάφραγµα χωρίς την παρεµπόδιση ή την καταπάτηση του ταµιευτήρα. Το φράγµα γίνεται στην συνέχεια υδατοστεγές µε προσθήκη κατασκευής αδιαπέρατου µετώπου προς τα επάνω. Η έννοια της κατασκευής κατά στάδια ή κατά φάσεις είναι επίσης κατάλληλη για κατασκευή εγκιβωτισµένων µικρών προφραγµάτων ή κιβωτοειδών προφραγµάτων (cofferdams), καθώς το πρώτο τµήµα της κατασκευής του φράγµατος χρησιµεύει ως ένα εγκιβωτισµένο µικρό προφράγµα που προστατεύει το υπόλοιπο τµήµα της θεµελίωσης για την περαιτέρω κατασκευή οµικά υλικά λιθοριπής. Η ποιότητα του πετρώµατος, το κόστος της εξόρυξής του, η ανθεκτικότητά του, η αντοχή του, τα πετρογραφικά του χαρακτηριστικά, και η διατµητική του αντοχή αποτελούν στο σύνολό τους πολύ σηµαντικούς παράγοντες στην επιλογή της κατάλληλης λιθοριπής ενός φράγµατος καθώς και στον σχεδιασµό της κατασκευής του Ποιότητα του πετρώµατος. Όπως προαναφέρθηκε η ποιότητα του πετρώµατος είναι ένας πολύ σηµαντικός παράγοντας στην επιλογή της κατάλληλης λιθοριπής. Απαιτούνται εκτενείς εργαστηριακές δοκιµές καταλληλότητας για να διαπιστωθεί και να κριθεί εάν το πέτρωµα είναι κατάλληλο για την κατασκευή. Οι δοκιµές αυτές αφορούν συνήθως προσδιορισµούς φυσικών «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 336

337 ιδιοτήτων, µηχανικών ιδιοτήτων, δοκιµών κατάταξης, ανάλυσης κοκκοµετρικής διαβάθµισης, καθώς και δοκιµών υγείας ή αποσαθρωσιµότητας. Οι εργαστηριακές δοκιµές θα πρέπει να εκτελούνται σύµφωνα µε τις Προδιαγραφές των A.S.T.M., των D.I.N., των B.S., του EARTH MANUAL, καθώς και των εγκυκλίων και προδιαγραφών του Υ.ΠΕ.ΧΩ..Ε.. Στην συνέχεια παραθέτονται πιο αναλυτικά και συγκεκριµένα οι εργαστηριακές αυτές δοκιµές καταλληλότητας: Βραχοµηχανικές εργαστηριακές δοκιµές καταλληλότητας Λ/Θ και Α.Υ.. Οι εργαστηριακές δοκιµές για τον προσδιορισµό των διαφόρων τεχνικογεωλογικών και βραχοµηχανικών χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων κάποιας εξεταζόµενης λιθοριπής (Λ/Θ) και αδρανών υλικών (Α.Υ.) ενός πετρώµατος θα πρέπει να εκτελούνται σύµφωνα µε διεθνείς προδιαγραφές όπως ορίζονται στα Βρετανικά Πρότυπα (British Standards, B.S.: B.S.:812:PART 1 : 1975), στα Αµερικάνικα Πρότυπα (A.S.T.M. SPECIAL TECH. PUB. (1970), A.A.S.H.T.O.: DESIGNATION: T2-74, A.S.T.M.:DESIGNATION: D 75, A.A.S.H.T.O.:DESIGNATION: T2-74) και τα Γερµανικά Πρότυπα (D.I.N.), καθώς και τις Ελληνικές Προδιαγραφές του ΕΛ.ΟΤ. και του Υ.ΠΕ.ΧΩ..Ε., όπως καθορίζονται για δοµικά αδρανή υλικά και θα πρέπει να περιλαµβάνουν τον προσδιορισµό των ακόλουθων ιδιοτήτων, παραµέτρων και χαρακτηριστικών: 1. Προσδιορισµός της ορυκτολογικής και πετρογραφικής σύστασης του εξεταζόµενου πετρώµατος, µε σκοπό την κοιτασµατολογική ταυτοποίησή του. Για τον προσδιορισµό αυτό θα πρέπει να παρασκευάζονται λεπτές τοµές και να εκτελείται µικροσκοπική εξέταση µε χρήση πολωτικού µικροσκοπίου. Επίσης ο προσδιορισµός της ορυκτολογικής σύστασης γίνεται µε τη µέθοδο των περιθλωµένων ακτίνων ROENTGEN. 2. Μακροσκοπική περιγραφή της Λ/Θ και των Α.Υ. του εξεταζόµενου πετρώµατος κατά τον οποίο θα πρέπει να περιλαµβάνονται οι παρακάτω παράµετροι: Τα διάφορα χαρακτηριστικά, τα οποία µπορούν να παρατηρηθούν µακροσκοπικά στα αδρανή υλικά και να περιγραφούν, αποτελούν, στα χέρια ενός έµπειρου γεωλόγου ή γεωτεχνικού µηχανικού, κάποιο σηµαντικό βοηθητικό ή καµιά φορά καθοριστικό στοιχείο σχετικά µε την τεχνική τους συµπεριφορά. Η περιγραφή αυτή, σύµφωνα µε τα πρότυπα: B.S.:5930:1981 και B.S.:812:PART 1:1975, θα πρέπει να περιλαµβάνει τα εξής χαρακτηριστικά: Χρώµα. Μέγεθος ορυκτών κόκκων ή κρυστάλλων. Ιστός και υφή του πετρώµατος. Κατάσταση αποσάθρωσης. Μορφή των ψηφίδων των αδρανών υλικών. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 337

338 Τραχύτητα της επιφάνειάς τους. Αλλά ιδιαίτερα χαρακτηριστικά και ιδιότητες. 3. Προσδιορισµός των φυσικών ιδιοτήτων του εξεταζόµενου πετρώµατος κατά τον οποίο θα πρέπει να περιλαµβάνονται οι παρακάτω παράµετροι: Ξηρή φαινόµενη πυκνότητα, ρd (gr/cm 3 ) Κορεσµένη φαινόµενη πυκνότητα, ρsat (gr/cm3 ) Ειδικό βάρος των ορυκτών κόκκων του πετρώµατος (πραγµατικό ειδικό βάρος του πετρώµατος), ρs (gr/cm 3 ) Μονάδα βάρους πετρώµατος σε ξηρή κατάσταση, γ (KN/m 3 ) Απορροφητικότητα Νερού κατά Βάρος, Α.Ν.Β. (%) Απορροφητικότητα Νερού κατ' Όγκο, Α.Ν.Ο. (%) Πυκνότητα Ορυκτών Κόκκων, ρs (gr/cm 3 ) Ενεργό ή ανοικτό πορώδες, n (%) Ανοικτό πορώδες, neff (%) Λόγος κενών ή δείκτης πόρων, e (%) Βαθµός Κορεσµού, S r (%) είκτης Ταχείας Απορρόφησης Νερού ή είκτης Hamrol, I QAI (%) 4. Προσδιορισµός της επιφανειακής καθαρότητας των ψηφίδων, µε υπολογισµό του ποσοστού προσκολληµένης Αργίλου, Ιλύος και Σκόνης (Π.Λ.). 5. Προσδιορισµός των δεικτών µορφής της λιθοριπής (Λ/Θ) και των αδρανών υλικών (Α.Υ.) του εξεταζόµενου πετρώµατος, κατά τον οποίο θα πρέπει να περιλαµβάνονται οι παρακάτω αναφερόµενοι παράµετροι. Ο προσδιορισµός αυτός αφορά τους δείκτες: Πλάτυνσης (Flakiness Index), Επιµήκυνσης (Elongation Index) και Γωνιώδους (Angularity Number) των ψηφίδων της Λ/Θ και των Α.Υ. που εκφράζουν τη µέση γενική µορφή των ψηφίδων, η οποία µε τη σειρά της επηρεάζει τόσο την ευκολία επεξεργασίας του µίγµατος όσο και την προκύπτουσα σταθερότητα και αντοχή του. είκτης Πλάτυνσης, F.I. (%). είκτης Επιµήκυνσης, Ε.Ι. (%). είκτης Γωνιώδους, Α.Ν.. 6. Προσδιορισµός των µηχανικών ιδιοτήτων του εξεταζόµενου πετρώµατος κατά τον οποίο θα πρέπει να περιλαµβάνονται οι παρακάτω παράµετροι: είκτης Συντριβής Αδρανών (.Σ.Α.), (Aggregate Crushing Value, (A.C.V.)). Καθορίζει την συµπεριφορά της Λ/Θ και των Α.Υ. σε συνθήκες στατικής καταπόνησης. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 338

339 είκτης Αντοχής σε Πρόσκρουση Αδρανών (.Α.Π.Α.) (Aggregate Impact Value (A.I.V.). Καθορίζει την συµπεριφορά της Λ/Θ και των Α.Υ. σε συνθήκες δυναµικής καταπόνησης. Αντοχή του ακέραιου πετρώµατος σε Ανεµπόδιστη Θλίψη (Unconfined Compressive Strength) U.C.S., σε ξηρή (σd ) και κορεσµένη (σ sat ) κατάσταση. 7. Προσδιορισµός της αντοχής σε φθορά της Λ/Θ και των Α.Υ. του εξεταζόµενου πετρώµατος κατά τον οποίον θα πρέπει να περιλαµβάνονται οι παρακάτω παράµετροι: Αντοχή της Λ/Θ και των Α.Υ. σε τριβή και κρούση κατά Los Angeles (L.A.). Καθορίζει την συµπεριφορά της Λ/Θ και των Α.Υ. σε συνθήκες τριβής και πρόσκρουσης. Αντοχή των αδρανών σε εκτριβή κατά Deval (D.S.). Καθορίζει την συµπεριφορά της Λ/Θ και των Α.Υ. σε συνθήκες εκτριβής. 8. Προσδιορισµός της αντοχής της Λ/Θ και των Α.Υ. του εξεταζόµενου πετρώµατος στην αποσάθρωση (δοκιµή υγείας). Κατά την δοκιµή αυτή το φυσικό φαινόµενο της κρυσταλλοποίησης διαφόρων αλάτων, τα οποία παρουσιάζονται κάτω από κανονικές περιβαλλοντολογικές συνθήκες, προσοµοιάζεται µε την δοκιµή υγείας, και προσδιορίζεται η αποσαθρωσιµότητα και ανθεκτικότητα της Λ/Θ και των Α.Υ. του εξεταζόµενου πετρώµατος στην φυσική υποβάθµιση. 9. Τέλος, µετά την ολοκλήρωση των παραπάνω αναφερόµενων εργαστηριακών δοκιµών καταλληλότητας θα πρέπει τα αποτελέσµατα των εργαστηριακών αυτών δοκιµών στα δείγµατα της Λ/Θ και των Α.Υ. του εξεταζόµενου πετρώµατος να αντιπαρατεθούν και να συγκριθούν µε τις αντίστοιχες για κάθε προσδιορισθείσα ιδιότητα διεθνείς απαιτήσεις, προδιαγραφές και οριακές τιµές καταλληλότητας ενός πετρώµατος για παραγωγή λιθοριπής και αδρανών υλικών, όπως αυτές έχουν οριστεί και θεσπιστεί από διάφορους διεθνείς ή και Ελληνικούς Οργανισµούς, όπως π.χ. A.S.T.M., B.S., A.A.S.H.T.O., D.I.N., ΕΛ.ΟΤ. και Υ.ΠΕ.ΧΩ..Ε., και να δοθούν στην συνέχεια αναλυτικά τα συµπεράσµατα και η κριτική σχετικά µε την καταλληλότητα του συγκεκριµένου εξεταζόµενου πετρώµατος ως λιθοριπή ή αδρανές υλικό για την παραγωγή των δοµικών υλικών κατασκευής του φράγµατος, καθώς και να υποβληθούν προτάσεις για την εκµετάλλευση και εξόρυξη του σχετικού κοιτάσµατος Κόστος εξόρυξης του πετρώµατος. Κόστος εξόρυξης - Το κόστος της διάτρησης µε γεωτρύπανο και των απαιτούµενων ανατινάξεων αποτελεί ένα µεγάλο µέρος της τιµής µονάδος του τελικού προϊόντος της Λ/Θ και των Α.Υ. ενός εξεταζόµενου πετρώµατος. Οι χαλαζίτες παραδείγµατος χάριν έχουν άριστες ιδιότητες για παραγωγή αδρανών υλικών και λιθοριπής αλλά είναι εξαιρετικά ακριβοί για να διατρηθούν µε γεωτρύπανο και να εξορυχτούν. Ο τρόπος µε τον οποίον «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 339

340 µία βραχοµάζα σχίζεται ή θραύεται είναι επίσης σηµαντικός. Για παράδειγµα ο ψαµµίτης παράγει πολλά λεπτόκοκκα κατά την θραύση του, άλλα πετρώµατα, όπως π.χ. ο σχιστόλιθος, παράγουν πεπλατυσµένα και επιµήκη πλακώδη τεµάχια που δεν βοηθούν στην συµπύκνωση και εργασιµότητά τους. Τα χαρακτηριστικά αυτά ενός πετρώµατος πρέπει να εξετάζονται και να λαµβάνονται υπόψη από έµπειρους γεωτέχνες και γεωλόγους Ανθεκτικότητα του πετρώµατος και της βραχοµάζας του. Ανθεκτικότητα πετρώµατος και βραχοµάζας - εν υπάρχει καµία απόλυτα ακριβής δοκιµή για να προσδιοριστεί η ανθεκτικότητα και η συµπεριφορά ενός πετρώµατος και της βραχοµάζας στην πορεία των αιώνων, και ως εκ τούτου θα πρέπει να χρησιµοποιηθεί η εµπειρία και η κρίση ενός γεωτέχνη. Η εργαστηριακή δοκιµή υγείας όπως προαναφέρθηκε δίδει µόνο µία γενική και χονδρική εκτίµηση της αποσαθρωσιµότητας του υλικού του πετρώµατος. Εποµένως είναι χρήσιµη η εξέταση παλαιών κατασκευών και ώµων όπως παλαιοί τοίχοι, προβλήτες και βάθρα γεφυρών που κατασκευάστηκαν από το ίδιο υλικό. Οπωσδήποτε υπάρχουν επιταχυνόµενες δοκιµές ανθεκτικότητας, όπου τα δείγµατα του εξεταζόµενου πετρώµατος υποβάλλονται σε εναλλασσόµενους κύκλους διαβροχής και αποξήρανσης ή και ψύξης και απόψυξης. Οι δοκιµές µονοαξονικής ή ανεµπόδιστης θλίψης µπορούν να γίνουν στα εναποµείναντα αυτά δείγµατα αφού έχει πρώτα εκτελεστεί και ολοκληρωθεί µία σειρά δοκιµών υγείας µε κύκλους διαβροχής - αποξήρανσης και ψύξης απόψυξης. ηλαδή οι δοκιµές µονοαξονικής ή ανεµπόδιστης θλίψης εκτελούνται στα εναποµείναντα αυτά δείγµατα µετά από την εκτέλεση της δοκιµής υγείας Αντοχή του πετρώµατος. Αντοχή Πετρώµατος - Στα υψηλά φράγµατα όπου η συντριβή των γωνιών των τεµαχίων του πετρώµατος ή της λιθοριπής ή των αδρανών υλικών του θα οδηγήσει σε καθίζηση του σώµατος του φράγµατος, η ιδιότητα της αντοχής του υλικού του πετρώµατος (Rock Material Strength) είναι σηµαντική. Γενικά µία αντοχή σε µονοαξονική ή ανεµπόδιστη θλίψη µεγαλύτερη των 35 MPa είναι επαρκής και επιθυµητή για τα φράγµατα ύψους άνω των 40 m, ενώ αντοχές σε µονοαξονική ή ανεµπόδιστη θλίψη της τάξης των 14 MPa είναι κατάλληλες για τα φράγµατα µε ύψος µικρότερο από 15 m. Τέλος, η ευθραυστότητα ή ψαθυρότητα, που ορίζεται ως η τάση του πετρώµατος να κονιορτοποιείται ή να γίνεται σκόνη κατά τη διάρκεια κάποιας συντριβής του, είναι επίσης µία πολύ σηµαντική ιδιότητα ενός πετρώµατος επειδή µπορεί να δηµιουργηθούν πάρα πολλά λεπτόκοκκα υλικά λόγω θραύσης του πετρώµατος και τα οποία στην συνέχεια να παρεµποδίσουν σοβαρά την κατασκευή του έργου. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 340

341 Πετρογραφικά χαρακτηριστικά του πετρώµατος. Πετρογραφία - Η µελέτη του υλικού του πετρώµατος κάτω από χηµική αντίδραση και κάτω από ένα µικροσκόπιο για να προσδιοριστεί ο τύπος της θραύσης του υλικού του πετρώµατος. Στην συνέχεια παραθέτονται κάποιοι πετρογραφικοί τύποι πετρωµάτων και κατατάσσεται η καταλληλότητας τους για παραγωγή θραυστών αδρανών υλικών και λιθοριπής για χρήση τους στην κατασκευή λιθόριπτων φραγµάτων. Το πιο πιθανό είναι να παρουσιάζουν ικανοποιητική συµπεριφορά Γρανίτης, διορίτης Γνεύσιος Βασάλτης Ψαµµίτης Συµπαγής Ασβεστόλιθος ολοµίτης Χαλαζίτης, Κερατίτης Συµπαγής και υγιής Σχιστόλιθος Το πιο πιθανό είναι να µην παρουσιάζουν ικανοποιητική συµπεριφορά Φυλλίτης, Μάργα Αργιλίτης Αργιλικός και χλωριτικός σχιστόλιθος Ιλυόλιθος Πορώδης Ασβεστόλιθος Κριτής (Κιµωλία) Μαργαϊκός Ασβεστόλιθος Πορώδης Ψαµµίτης & Κροκαλοπαγή ιατµητική αντοχή πετρώµατος. ιατµητική αντοχή - Οι µεγάλης κλίµακας επιτόπιες τριαξονικές δοκιµές ή οι δοκιµές άµεσης διάτµησης είναι η καλύτερη µέθοδος για τον προσδιορισµό της διατµητικής αντοχής της βραχοµάζας ενός πετρώµατος Λιθόριπτα φράγµατα µε χωµάτινο πυρήνα. Ένα λιθόριπτο φράγµα αποτελείται από διάφορα δοµικά µέρη ή συστατικά: 1. Την κύρια λιθοριπή, 2. Την αδιαπέρατη ή στεγανή ζώνη, και 3. Τα βοηθητικά αντιστηρικτικά µέλη ή δοµές. Η κύρια λιθοριπή παρέχει τη δοµική υποστήριξη και αντιστήριξη για το φράγµα µε το ίδιον βάρος της και την εσωτερική σταθερότητά της. Η αδιαπέραστη ή στεγανή ζώνη συγκρατεί το νερό στον ταµιευτήρα πίσω από το σώµα του φράγµατος. Αποτελείται από µία µεµβράνη ή έναν τάπητα στεγάνωσης που κρατά το νερό και την ζώνη µετάβασης και µεταφέρει στην συνέχεια το φορτίο του νερού στο σώµα της λιθοριπής. Η µεµβράνη ή τάπητας στεγάνωσης µπορεί να αποτελείται από ένα παχύ κάλυµµα ή από ένα εδαφικό αργιλικό πυρήνα ή από ένα λεπτό διάφραγµα «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 341

342 ή έναν τάπητα από σκυρόδεµα, ξύλο, φύλο χάλυβα, άσφαλτο, ή και από µία κατάλληλα αρµολογηµένη λιθοδοµή. Τα βοηθητικά αντιστηρικτικά µέλη ή δοµές βοηθούν να διατηρείται η µεµβράνη και τα τµήµατα του κύριου σώµατος της λιθοριπής στην θέση τους και να αντιστηρίζονται κατάλληλα. Αυτά τα δοµικά µέρη ή συστατικά είναι παρόµοια και αντίστοιχα µε το σώµα, τον αργιλικό πυρήνα, και συναφή εξαρτήµατα ενός χωµάτινου φράγµατος και αναλύονται µε παρόµοιο τρόπο Λιθόριπτα φράγµατα µε πέτασµα ή κατάστρωµα. Μέτωπο φράγµατος από ξυλεία - Χρησιµοποιείται συνήθως για σκοπούς εξόρυξης, και βασίζεται όσον αφορά την ευστάθειά του σε µία επίχωση από λιθοριπή η οποία αντιστηρίζει το µέτωπο του φράγµατος από ξυλεία η οποία εξασφαλίζει την σχετική στεγανότητα του φράγµατος. Κάποια διαρροή νερού κάτω και γύρω από από το φράγµα δεν θα µπορεί να αποτραπεί µε αυτό τον τύπο της κατασκευής, αλλά αυτό συνήθως δεν προκαλεί καµία ζηµιά στην ελεύθερα αποστραγγιζόµενη λιθοριπή πίσω από το ξύλινο κατάστρωµα ή πέτασµα. Αν και τέτοιος τύπος κατασκευής δεν χρησιµοποιείται στις ηµέρες µας, κατά τον σχεδιασµό αυτού του τύπου δεν θα πρέπει να αγνοείται η αξία της δοµικής ξυλείας. Μέτωπο φράγµατος από χάλυβα - Αποτελείται από µεγάλά καλά συγκολληµένα χαλύβδινα φύλλα, που συνδέονται µε εύκαµπτους αρµούς για να επιτρέπουν την διαστολή και συστολή τους καθώς και για οποιαδήποτε σχετική µετακίνηση των χαλύβδινων φύλλων σε σχέση µε την επιφάνεια της λιθοριπής. Για να βοηθηθεί η µείωση της διάβρωσης των χαλύβδινων φύλλων κάτω από τη στάθµη του νερού, παρέχεται κάποια επικάλυψη από εποξική ρητίνη µε µίγµα λιθανθρακόπισσας, καθώς και συµπληρωµατική καθοδική προστασία, που δίνουν µια διάρκεια ζωής στα χαλύβδινα φύλλα της τάξης των 50 ετών. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 342

343 Μέτωπο φράγµατος από οπλισµένο σκυρόδεµα - εδοµένου ότι το τσιµέντο και το σκυρόδεµα έχει µια πολύ µεγάλη διάρκεια ζωής, χρησιµοποιείται στο µέτωπο ενός λιθόριπτου φράγµατος για να δηµιουργήσει έναν απόλυτα υδατοστεγή τάπητα ή µεµβράνη. Οι λεπτοµέρειες ενός χαρακτηριστικού µετώπου αυτού του τύπου παρουσιάζονται στο ακόλουθο σχήµα. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 343

344 Το µέτωπο µπορεί να αγκυρωθεί και να εξασφαλιστεί επί του σώµατος του φράγµατος µε δύο τρόπους. Α) Μπορεί να σκυροδετηθεί (να χυθεί) απευθείας επάνω στη ζώνη µετάβασης προ της λιθοριπής. Αρχικά τοποθετείται ένα στρώµα σιµεντοκονιάµατος που διαπερνά µέσα στα θραυστά υλικά της λιθοριπής σε βάθος µερικών εκατοστών. Αυτό καλύπτεται αµέσως µε σκυρόδεµα για να διαµορφώσει µια µονολιθική µάζα που επεκτείνεται µέσα στα θραυστά υλικά της λιθοριπής και συνδέεται κατ αυτόν τον τρόπο µε το σώµα του φράγµατος. Β) Τα ενισχυτικά στοιχεία (οπλισµός χαλύβδινων διαδοκίδων) τοποθετούνται στο κατώτερο σηµείο της πλάκας και δηµιουργούνται αυλακώσεις στην επιφάνεια του µετώπου. Εντούτοις, το σύστηµα αυτό των ενισχυτικών στοιχείων, είναι περιττό εάν η σύνδεση της πλάκας από οπλισµένο σκυρόδεµα µε το σώµα του φράγµατος από λιθοριπή που υποστηρίζει και αντιστηρίζει την πλάκα είναι επαρκής και αποτελεσµατική. ύο τύποι µετώπων χρησιµοποιούνται σε τέτοιου είδους φράγµατα: Α) Ο πρώτος τύπος αφορά την κατασκευή µιας λεπτής µονολιθικής πλάκας από σκυρόδεµα χωρίς αρµούς. Είναι αρκετά εύκαµπτη για να προσαρµοστεί στις µετακινήσεις λόγω φόρτισής της χωρίς να αστοχήσει. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 344

345 Οι εφελκυστικές δυνάµεις διανέµονται στους χαλύβδινους οπλισµούς και έτσι αναπτύσσονται µόνο πολυάριθµες µικρές ρωγµές παρά οποιεσδήποτε σηµαντικές αστοχίες στην µάζα του οπλισµένου σκυροδέµατος. Ο δεύτερος τύπος, που χρησιµοποιείται στα περισσότερα φράγµατα µε µέτωπο από οπλισµένο σκυρόδεµα, περιλαµβάνει ένα µέτωπο που αποτελείται από µονολιθικές πλάκες, επιφάνειας 10 έως 30 m 2 η κάθε µία. Το πάχος του σκυροδέµατος είναι κατά µεγάλο µέρος θέµα σχετικής εµπειρίας. Στην περίπτωση αυτή απαιτείται µόνο µία µικρή ποσότητα οπλισµού, της τάξης του 0,5 % της επιφάνειας του σκυροδέµατος σε κάθε διεύθυνση. Η υδατοστεγανότητα της κατασκευής εξασφαλίζεται µε την τοποθέτηση χάλκινων αρµοκάλυπτρων. Μέτωπο φράγµατος από οπλισµένο ασφαλτικό σκυρόδεµα - ύο τύποι ασφαλτικών µετώπων έχουν χρησιµοποιηθεί. Α) Μέτωπα από συνενούµενα στρώµατα αποτελούµενα από: 1. Μία ζώνη µετάβασης από λιθοδοµή συνδεδεµένη µε τσιµέντο, 2. Ένα στρώµα πορώδους σκυροδέµατος πάχους 10 cm, 3. Ένα στρώµα από ασφαλτούχο σκυρόδεµα πάχους 15 cm, που τοποθετείται σε δύο στρώσεις και που κυλινδρώνεται κατάλληλα, και 4. Ένα στρώµα από προστατευτικό και στεγανοποιητικό οπλισµένο σκυρόδεµα πάχους 12 cm. Το εξωτερικό στρώµα του σκυροδέµατος χρησιµεύει µόνο για να προστατεύει την ασφαλτούχα πλευρά από την ηλιοφάνεια και τη φυσική αποσάθρωση, διάβρωση και ζηµία. Ψεκάζεται µε δροσερό νερό κατά τη διάρκεια πολύ ζεστού καιρού για να προστατεύσει το ασφαλτούχο σκυρόδεµα από πλαστική ροή του λόγω υπερθέρµανσης και ρευστοποίησής του. Β) Η δεύτερη µορφή χρησιµοποιεί µια επίστρωση από ασφαλτικό σκυρόδεµα παρόµοια µε αυτήν που χρησιµοποιείται στους τάπητες κύλισης των οδοστρωµάτων στις εθνικές οδούς. Τοποθετείται σε στρώµατα και κυλινδρώνεται κατάλληλα όπως και στους τάπητες κύλισης των οδοστρωµάτων. Το πλεονέκτηµα µιας καθαρά ασφαλτικής επίστρωσης είναι ότι «αυτορυθµίζεται» µε την δυνατότητα της πλαστικής ροής της, παρακολουθώντας τις µετακινήσεις του υποβάθρου επί του οποίου εδράζεται. Όπως και µε όλες τις άλλες λεπτές επενδύσεις ή τα µέτωπα στεγανοποίησης, απαιτείται µια ζώνη µετάβασης για να εξισορροπεί τις µετακινήσεις λόγω των καθιζήσεων από στερεοποίηση και για να παρέχει οµοιόµορφη υποστήριξη και αντιστήριξη. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 345

346 Ζώνη αντιστήριξης από υλικά επίχωσης - Χρησιµοποιείται στο ανάντη µέτωπο του φράγµατος για να επιτρέψει να δηµιουργηθεί µια κλίση στο µέτωπο του πρανούς µεγαλύτερη από τη γωνία ελεύθερης ανάπαυσης (αντιστοιχεί στην γωνία εσωτερικής τριβής, (φ)) της λιθοδοµής. Αυτό καθιστά δυνατή την µείωση του όγκου του υλικού της απαιτούµενης λιθοδοµής, αλλά είναι εις βάρος της κατασκευής της ζώνης αντιστήριξης. Υπάρχουν δύο τύποι για αυτήν την ζώνη: α) Μια σφήνα συµπυκνωµένης λιθοριπής, όπου η πιο απότοµη κλίση του πρανούς είναι απλά ίση µε την γωνία της ελεύθερης ανάπαυσης των συµπυκνωµένων παρά των χαλαρών τεµαχών πετρώµατος. Με αυτόν τον τρόπο µπορούν να επιτευχθούν γωνίες κλίσεων της τάξης των 45 µοιρών. β) Η δεύτερη µορφή αποτελείται από ένα τοίχο αντιστήριξης από ασύνδετη λιθοδοµή. Είναι στην ουσία ένας τοίχος αντιστήριξης, και εποµένως θα πρέπει να σχεδιάζεται κατ αυτόν τον τρόπο. Το τυπικό πλάτος της βάσης µιας τέτοιας ζώνης αντιστήριξης είναι περίπου ίσο µε 0,25 επί το ύψος του φράγµατος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 346

347 ΥΠΕΡΧΕΙΛΙΣΤΕΣ. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ. 2. Η ΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΠΛΗΜΜΥΡΙΚΗΣ ΠΑΡΟΧΗΣ ΑΙΧΜΗΣ. 3. ΥΠΕΡΧΕΙΛΙΣΤΕΣ ΑΝΕΞΕΛΕΓΚΤΗΣ ή ΕΛΕΥΘΕΡΗΣ ΥΠΕΡΧΕΙΛΙΣΗΣ. 4. ΥΠΕΡΧΕΙΛΙΣΤΕΣ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΗΣ ή ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΕΝΗΣ ΥΠΕΡΧΕΙΛΙΣΗΣ. 5. ΥΠΕΡΧΕΙΛΙΣΤΕΣ ΜΕ ΚΥΛΙΣΤΡΑ Υ ΑΤΟΠΤΩΣΗΣ. 6. ΛΕΚΑΝΗ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ. 7. ΕΙΚΟΝΕΣ ΦΩΤΟΡΕΑΛΙΣΜΟΥ ΤΡΙΣ ΙΑΣΤΑΤΗΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ Υπερχειλιστές Εισαγωγή. Η πρόβλεψη, ο σχεδιασµός και η κατασκευή απόλυτα επαρκών εγκαταστάσεων υπερχείλισης των µέγιστων πιθανών πληµµυρικών νερών µπορεί να δηµιουργήσει υψηλότατες απαιτήσεις και περισσότερα προβλήµατα ακόµα από αυτόν τον σχεδιασµό του ιδίου του φράγµατος. Η πλήρης προστασία ενάντια στο ενδεχόµενο κάποιας µέγιστης πιθανής πληµµυρικής παροχής αιχµής νερού που µπορεί ποτέ να εµφανιστεί στην λεκάνη απορροής του φράγµατος είναι σχεδόν αδικαιολόγητη. Η υπάρχουσα ή πιθανή µελλοντική κατοίκιση στην κοιλάδα κατάντη της περιοχής του φράγµατος θα πρέπει να επηρεάζει και να λαµβάνεται υπόψη στις αποφάσεις σχετικά µε το µέγεθος και τις δυνατότητες του υπερχειλιστή. Μέχρι σήµερα έχουν προταθεί διεθνώς τέσσερα πρότυπα (standards) ή προαπαιτούµενα κριτήρια και προδιαγραφές για το ασφαλή σχεδιασµό των φραγµάτων σε σχέση µε την υπερχείλιση τους, όπως αναφέρονται στην συνέχεια: «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 347

348 Το έξαλλο ή ελεύθερο τµήµα του φράγµατος (Freeboard) θα πρέπει να σχεδιάζεται επαρκές ώστε να εξασφαλίζεται ότι το φράγµα δεν θα πληµµυρίσει ακόµα και στις περιπτώσεις εµφάνισης µέγιστων προβλεπόµενων πληµµύρων, Να σχεδιάζεται έτσι ώστε ακόµα και στην περίπτωση που το φράγµα υπερχειλίσει από έντονες και απρόβλεπτες πληµµύρες να µπορεί να αντεπεξέλθει χωρίς να αστοχήσει ολοκληρωτικά, και εάν είναι δυνατόν µε βάση οικονοµικά κριτήρια, χωρίς να υποστεί σοβαρές και ανεπανόρθωτες ζηµιές, Να σχεδιάζεται έτσι ώστε να εξασφαλιστεί ότι ακόµα και σε περίπτωση που δηµιουργηθεί κάποιο ρήγµα στην κατασκευή του φράγµατος, αυτό θα εµφανιστεί και θα αναπτυχθεί σταδιακά και µε αργό σχετικά ρυθµό, έτσι ώστε να υπάρξει χρόνος εκκένωσης της κατάντη περιοχής από τους κατοίκους, και Το ύψος του φράγµατος και ο όγκος της αποθήκευσης νερού στον ταµιευτήρα να είναι αρκετά µικρά ώστε να µην συµβεί κάποιος πολύ σοβαρός κίνδυνος για τις περιοχές κατάντη του φράγµατος ακόµα και στην περίπτωση ρηγµάτωσης και αστοχίας του φράγµατος από απρόβλεπτες πληµµύρες Υπερχειλιστές ιαχείριση των νερών πληµµυρικής παροχής αιχµής. Συγκράτηση πληµµυρικών νερών µε αποθήκευση - Σε σπάνιες περιπτώσεις είναι οικονοµικά δυνατό να αποθηκευτεί ολόκληρος όγκος της µέγιστης προβλεπόµενης πληµµύρας σχεδιασµού µέσα στον ταµιευτήρα χωρίς να υπερχειλιστεί το φράγµα. Επίσης θα πρέπει να εξεταστεί και η περίπτωση εµφάνισης και µιας επόµενης πληµµύρας αµέσως µετά από την πρώτη. Σε µερικές περιπτώσεις ένας δευτερεύων - βοηθητικός υπερχειλιστής ή µία αυτοκαταστρεφόµενη κατασκευή έκτακτης υπερχείλισης (fuse-plug spillway) µπορεί να ενσωµατωθεί για τις έκτακτες ανάγκες διαχείρισης πληµµύρων. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 348

349 Υπερχειλιστής Βοηθητικός ή δευτερεύων υπερχειλιστής σε µια άλλη κατάντη λεκάνη ή κοιλάδα. Σε ορισµένες θέσεις είναι δυνατό να κατασκευαστεί µια ή περισσότερες έξοδοι υπερχείλισης στην περίµετρο της λεκάνης κατάκλισης αποθήκευσης νερού του ταµιευτήρα και να εκτραπούν τα πληµµυρικά νερά προς τις παρακείµενες κοιλάδες. Οι επιπτώσεις στο συνολικό περιβάλλον θα πρέπει να εξεταστούν µε προσοχή προτού να εξασφαλιστεί ότι τα πληµµυρικά νερά θα µπορέσουν να παρακαµφθούν µε αυτόν τον τρόπο. Ο κύριος του φράγµατος, που συνήθως είναι \κάποιος κρατικός φορέας, θα είναι υπεύθυνος και αρµόδιος για τις πιθανές ζηµιές ως αποτέλεσµα της εκτροπής κάποιας σηµαντικής πληµµύρας σε µια άλλη λεκάνη ή κοιλάδα η οποία δεν υπόκειται υπό κανονικές συνθήκες από µεγάλες πληµµύρες. Οι αυτοκαταστρεφόµενες δοµές ή κατασκευές έκτακτης υπερχείλισης (fuse plug spillway) είναι δοµές που κατασκευάζονται αντί κάποιου βοηθητικού ή δευτερεύοντος υπερχειλιστή. Μπορούν να αποτελούνται από απλές χωµάτινες κατασκευές ή άλλους µηχανισµούς µε σκοπό να αστοχούν µόνο και όταν υπερχειλίζονται ώστε να εκτονώνεται κάποια πληµµύρα. Τέτοιοι ειδικοί µηχανισµοί θα πρέπει να χρησιµοποιηθούν µόνο όταν η ξαφνική απελευθέρωση του νερού πίσω και κατάντη από αυτούς θα είναι απόλυτα ασφαλείς και πέρα από κάθε καταστρεπτική επίδραση στο περιβάλλον. Κατά προτίµηση αυτές οι αυτοκαταστρεφόµενες δοµές έκτακτης υπερχείλισης (fuse plug spillway) θα πρέπει να κατασκευάζονται έτσι ώστε να γίνεται σφοδρή και ολοκληρωτική καταστροφή τους στο «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 349

350 ενδεχόµενο µεγάλης πληµµύρας. Αυτό συµφέρει περισσότερο από την προσπάθεια να σχεδιαστεί και να κατασκευαστεί µια κατασκευή η οποία θα αστοχεί κάτω από µία συγκεκριµένη και προκαθορισµένη υπερφόρτιση. Επιλογές θέσης υπερχειλιστή. Οι περιοχές που υποδεικνύονται από τις κόκκινες διαγραµµισµένες περιοχές είναι οι ευνοϊκότερες θέσεις για τον προσδιορισµό της θέσης ενός υπερχειλιστή. Η ιεράρχηση της προτίµησης για γρήγορη κατασκευή µε σκυρόδεµα υποδεικνύεται από την αρίθµηση. ιέλευση του νερού επάνω από ή µέσα από το φράγµα. Πολλά φράγµατα σχεδιάζονται για την ασφαλή διέλευση της ελεγχόµενης και ανεξέλεγκτης ροής των πληµµυρικών υδάτων επάνω από τη στέψη του φράγµατος. Χρησιµοποιούνται επίσης ακτινωτές πύλες-δίοδοι ή χωρισµένες σε τοµείς πύλεςδίοδοι στους µεγάλους θυροφράκτες εκτροπής, αν και η υπερχείλιση επάνω από τη στέψη του φράγµατος είναι η φτηνότερη µέθοδος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 350

351 Υπερχειλιστής βάσης ή κατώτατου σηµείου. Πλεονέκτηµα: Μπορούν συνήθως να ληφθούν µέτρα για την χρήση του στη µετάβαση των πληµµυρικών νερών κατά τη διάρκεια της κατασκευής. Μειονέκτηµα: Αφότου κατασκευαστεί η παροχετευτική του ικανότητα είναι πεπερασµένη ενώ η πρόβλεψη της λειτουργικότητάς του είναι αόριστη. Για παράδειγµα µια ενιαία έξοδος µπορεί πιθανά να βουλώσει από τα φερτά υλικά των πληµµύρων. Υπερχειλιστής τύπου σιφωνίου. Μειονέκτηµα: 1) Η κατασκευή είναι ιδιαίτερα ακριβή. 2) Εµφάνιση ξαφνικών πληµµυρικών νερών στα κατάντη του φράγµατος. 3) Μεγάλα κοµµάτια φερτών υλικών από τις πληµµύρες µπορούν να βουλώσουν και να παρεµποδίσουν την έξοδο του νερού. Υπερχειλιστής τύπου πύλης-διόδου ή όχι; Πολλοί µηχανικοί τείνουν να µην εναποθέτουν την πλήρη εµπιστοσύνη τους στην αποτελεσµατική λειτουργία του υπερχειλιστή τύπου πύλης-διόδου κατά την διάρκεια µιας σηµαντικής πληµµύρας. Η πρόβλεψη και κατασκευή υπερχειλιστών τύπου «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 351

352 πύλης-διόδου είναι συνήθως οικονοµική. Οποιοδήποτε και εάν είναι το ύψος του φράγµατος το κόστος παραµένει κατά προσέγγιση το ίδιο και εξαρτάται µόνο από το µέγεθος της πληµµυρικής παροχής αιχµής. Η πιθανότητα δυσλειτουργίας του υπερχειλιστή τύπου πύλης-διόδου δεν µπορεί να αγνοηθεί και η δυνατότητα πρόσβασής τους είναι σηµαντική. Εάν δεν µπορεί να εξασφαλιστεί η απόλυτα ορθή λειτουργία του υπερχειλιστή τύπου πύλης-διόδου τότε θα πρέπει να διερευνηθεί η επίδραση της διέλευσης των πληµµυρικών νερών παροχής αιχµής επάνω από την κορυφή ή στέψη της πύλης-διόδου. Οι υδραυλικοί υδατοθυροφράκτες είναι οι πιο αξιόπιστοι, και στην συνέχεια έρχονται οι µηχανικά και ηλεκτρικά ενεργοποιούµενοι υδατοθυροφράκτες. Οι υδατοφράκτες του υπερχειλιστή µπορούν εποµένως να εγκατασταθούν: Βασιζόµενοι καθαρά σε οικονοµικές εκτιµήσεις του συνολικού κόστους του φράγµατος και του υπερχειλιστή, ή Προκειµένου να προστατευθούν οι ανάντη ιδιοκτησίες ή εγκαταστάσεις, ή Προκειµένου να ασκηθεί έλεγχος επί του µεγέθους και της διάρκειας της ροής των πληµµυρικών νερών κατάντη από το φράγµα, δίδοντας την οφειλόµενη προσοχή στη ροή των κατάντη παραπόταµων, ή τέλος Προκειµένου να αποκοµιστεί κάποιο οικονοµικό όφελος από το νερό που αποθηκεύεται επάνω από την σταθερή στάθµη της στέψης του φράγµατος Υπερχειλιστές ανεξέλεγκτης ή ελεύθερης υπερχείλισης. Η παροχή εκφόρτισης ή εκροής επάνω από έναν υπερχειλιστή στέψης δίνεται από τον τύπο: Q = C. L. H 3/2 όπου: Q = παροχή εκφόρτισης ή εκροής, C = ειδικός συντελεστής, L = µήκος της στέψης ή κορυφής, H = ενεργό υδραυλικό φορτίο του νερού. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 352

353 Περίγραµµα ή προφίλ στέψης. Η στέψη ή κορυφή ενός υπερχειλιστή τύπου υπερπήδησης συνήθως διαστασιολογείται έτσι ώστε να προσαρµοστεί στο κάτω µέρος της κεφαλής ενός πίδακα νερού ελεύθερης πτώσης. Επιτυγχάνεται µεγαλύτερη αποδοτικότητα λειτουργώντας έναν υπερχειλιστή σε µεγαλύτερο από το σχεδιασµένο υδραυλικό φορτίο, όπως µπορεί να φανεί στο σχήµα παραπλεύρως που παρουσιάζει την επίδραση του περιγράµµατος ή του προφίλ της κεφαλής στον συντελεστή. Είναι συνήθης και κοινή πρακτική να επιλέγεται το υδραυλικό φορτίο σχεδιασµού για την κεφαλή στο 75 % έως 80 % του µέγιστου αναµενόµενου υδραυλικού φορτίου. Όταν ο υπερχειλιστής σχεδιάζεται κατ αυτόν τον τρόπο και τύχει να περάσουν υψηλές ροές, θα εµφανιστούν πιέσεις χαµηλότερες από την ατµοσφαιρική επάνω από τη στέψη, προκαλώντας κατ αυτόν τον τρόπο προβλήµατα που συνδέονται µε τη δηµιουργία κοιλοτήτων. Η ροή επάνω από έναν υπερχειλιστή προκαλεί την αυτό-διεγειρόµενη δόνηση, κατά την οποία εµπλέκονται τρία στοιχεία συνδυαζόµενα σε ζεύγη: ο πίδακας νερού, η στέψη ή κορυφή υπερχείλισης, και το «µαξιλάρι» αέρα µεταξύ του φράγµατος και του πίδακα νερού. Αυτό µπορεί να αποφευχθεί µε τη χρησιµοποίηση διαχωριστών στην στέψη. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 353

354 Η εγκάρσια τοµή ενός φράγµατος συνήθως καθορίζεται και διαστασιολογείται για να καλύψει τις απαιτήσεις ευστάθειάς του. Η βέλτιστη κεφαλή µπορεί να επιτευχθεί µε την δηµιουργία µίας ανάντη προεξοχής, όπως µπορεί να φανεί στον σχήµα παραπλεύρως, η οποία να προεξέχει όχι λιγότερο από 0,3 φορές το ύψος του φράγµατος. Με τον ταµιευτήρα σε κάποια ιδιαίτερη στάθµη η παροχή εκφόρτισης ή εκροής επάνω από τον υπερχειλιστή θα είναι ανάλογη προς το µήκος της. Είναι δυνατό να γίνουν παραλλαγές στη µορφή της κάτοψης της στέψης του υπερχειλιστή έτσι ώστε να αυξάνεται το ενεργό µήκος, όπως για παράδειγµα, ορθογώνιος υπερχειλιστής σχήµατος «ορνιθορύγχου» ή µε τριγωνικά τµήµατα. Στα στενά φαράγγια είναι συχνά σκοπιµότερο και προσφορότερο να επιλεχθεί ένας υπερχειλιστής τύπου εσωτερικής οπής (glory holes spillway). Σε αυτή την περίπτωση επιλέγεται ο σχεδιασµός ενός υπερχειλιστή τύπου εσωτερικής οπής (glory holes spillway) επειδή περιλαµβάνει ροή νερού επάνω από τον υδατοθυροφράκτη, ελεύθερη ή επιβαλλόµενη ροή σε ένα κατακόρυφο φρεάτιο, ροή γύρω από την καµπύλη κεφαλή του υπερχειλιστή τύπου εσωτερικής οπής και τέλος ροή προς την σήραγγα εκφόρτισης ή εκροής. εδοµένου ότι οι ταχύτητες είναι πολύ υψηλές στο κατώτατο σηµείο του κατακόρυφου φρεατίου είναι πολύ πιθανόν να εµφανιστούν ζηµιές στην επένδυση του φρεατίου και της σήραγγας. Το κύριο µειονέκτηµα µε την κατασκευή των υπερχειλιστών τύπου εσωτερικής οπής (glory holes spillway) είναι ότι πέρα από µια ορισµένη ποσότητα παροχής εκφόρτισης ή εκροής, η ποσότητα αυτή της παροχής εκφόρτισης ή εκροής αυξάνεται µε πολύ αργό ρυθµό σε σχέση µε την αύξηση του υδραυλικού φορτίου. Εποµένως, λόγω του µειονεκτήµατος αυτού, δεν παρέχει οποιοδήποτε ουσιαστικό περιθώριο για κάποιο σφάλµα υποεκτίµησης της µέγιστης πληµµυρικής παροχής αιχµής που θα παροχετευτεί µέσω του υπερχειλιστή αυτού του τύπου. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 354

355 9.4. Υπερχειλιστές ελεγχόµενης ή περιορισµένης υπερχείλισης. Η απόφαση για την κατασκευή υδατοφρακτών είναι συχνά οικονοµική, αλλά µερικές φορές η τοπογραφία και η µορφολογία της περιοχής µπορεί να είναι ο καθοριστικός παράγοντας. Οι υδατοφράκτες χρησιµοποιούν µηχανικές εγκαταστάσεις που καµιά φορά είναι εκτεθειµένες σε δυσλειτουργίες, αλλά παρόλα αυτά µπορούν να τοποθετηθούν κάτω από το νερό και µπορούν να λειτουργούν κάτω από οποιοδήποτε υδραυλικό φορτίο και έτσι είναι χρήσιµες στο να παροχετεύουν τις πληµµύρες κατά τη διάρκεια της κατασκευής ή στο να ελέγχουν ένα ταµιευτήρα κατά την διάρκεια της πλήρωσής του. Ο υπεύθυνος µηχανικός του φράγµατος ενδιαφέρεται για τα φορτία που συγκεντρώνονται σε ορισµένα µέρη του φράγµατος από το σύστηµα υποστήριξης και λειτουργίας των υδατοφρακτών. Αυτό είναι πολύ σηµαντικό όταν µια πύλη του υδατοφράκτη κλείνει και άλλη παραµένει ανοικτή. Οι µεγάλοι υδατοφράκτες απαιτούν ειδικό ξυλότυπο για την σκυροδέτησή τους, περίπλοκες ενισχύσεις µε χαλύβδινο οπλισµό και πιθανώς προένταση των αγκυρίων, δηλαδή απαιτούν ιδιαιτερότητες που ανεβάζουν το κόστος κατασκευής. Το ελάχιστο µήκος του υδατοφράκτη καθορίζεται από τα φερτά υλικά (συντρίµµια και µπάζα) που να αναµένεται να διέλθουν µέσω της κάθε πύλης. Η θέση που επιλέγεται θα πρέπει να είναι εύκολα προσπελάσιµη ατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας του υδατοφράκτη και του φράγµατος αλλά και κατά τη διάρκεια των ακραίων πληµµυρικών παροχών αιχµής. Ο µηχανικός θα πρέπει να είναι υπεύθυνος για τις διαδικασίες λειτουργίας των υδατοφρακτών. Οι αυτόµατοι υδατοφράκτες µπορεί να προτιµούνται για τις πιο αποµακρυσµένες θέσεις, αλλά όµως ζητήµατα που αφορούν την δαπάνη εγκατάστασης και λειτουργίας τους αλλά και την αξιοπιστία της λειτουργίας τους δεν ευνοούν την εγκατάστασή τους. Τύποι υδατοφρακτών. Η τάση είναι πάντα προς την µεριά της απλότητας στην κατασκευή. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 355

356 Υδατοφράκτες τύπου «κατακόρυφων ανελκυστήρων». Υπερχειλιστής Φράγµατος Nanairo, στην Ιαπωνία µε υδατοφράκτες τύπου κατακόρυφου ανελκυστήρα. Φράγµα Eildon, στην Αυστραλία. Υπερχειλιστής µε υδατοφράκτες τύπου κατακόρυφου ανελκυστήρα «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 356

357 Καταδυόµενοι ακτινωτοί υδατοφράκτες. Χρησιµοποιούνται για να παρέχουν µεγαλύτερη παροχή εκφόρτισης νερού για το συγκεκριµένο µέγεθος πύλης του υδατοφράκτη. Τοξωτό φράγµα Sainte-Croix. Καταδυόµενος ακτινωτός υδατοφράκτης. Υδατοφράκτες µε κάλυπτα (Flapgates). Υπερχειλιζόµενο φράγµα. Υδατοφράκτης µε κάλυπτο και µε κατάντη γρύλο. 1. Πλάκα από σκυρόδεµα. 2. Βάση κάλυπτρου. 3. Τρίποδο. 4. Αντιστήριξη. 5. Ολισθητήρας. 6. Γρύλος. 7. Στροφέας. 8. Στοά επιθεώρησης. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 357

358 ιογκούµενο φράγµα. Αποτελείται από ύφασµα επενδεδυµένο µε καουτσούκ, που διαµορφώνεται ως σωλήνας σφράγισης, ικανό να ανθίσταται σε πιέσεις είτε αέρα είτε νερού, προσαρµόσιµο σχετικά εύκολα στην εγκατάστασή του για τον έλεγχο των πληµµύρων και για άλλους σκοπούς. Φράγµα Koombooloomba, στην Αυστραλία. ιογκούµενο γεωύφασµα φράγµατος (Fabridam). Πλεονεκτήµατα των διογκούµενων φραγµάτων. Συγκριτικά χαµηλότερο κόστος κατασκευής, Μικρή συντήρηση, Εύκολα ταπεινούµενα ώστε να επιτραπεί η ελεύθερη ροή των νερών της πληµµύρας, και Σχεδιασµένα έτσι ώστε να αποτρέπουν αυτοµάτως οποιαδήποτε ενδεχόµενη βλάβη από το πληµµυρικό νερό εφ' όσον το προκύπτον πληµµυρικό κύµα είναι αποδεκτό για να παροχετευτεί στην κατάντη κοιλάδα. Μειονεκτήµατα των διογκώσιµων φραγµάτων. Σχετικά περιορισµένη διάρκεια ζωής της τάξης των 20 ετών, Τρωτά σε επιθέσεις βανδαλισµού και τροµοκρατίας, ιαθεσιµότητα κατασκευαστικών µερών αντικατάστασης στο µέλλον, και Πιθανότητα κατάντη πληµµύρας λόγω δυσλειτουργίας τους. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 358

359 9.5. Υπερχειλιστές µε κυλίστρα υδατόπτωσης. Μια κυλίστρα υδατόπτωσης είναι το µέσον δια του οποίου το νερό µεταφέρεται επάνω από τη στέψη του φράγµατος στην κοίτη του ποταµού κάτω από το φράγµα. Η λειτουργία της είναι να αποτρέπει και να προστατεύει από ζηµιές τα τοιχώµατα των κοιλάδων που θα µπορούσαν να θέσουν σε κίνδυνο το φράγµα. Μπορεί και χρησιµεύει ή και όχι στην εκτόνωση µέρους της ενέργειας του νερού. Υπερχειλιστής τύπου καταρράκτη. Χρησιµοποιείται για να εκτονώνει και να απελευθερώνει την ενέργεια του νερού. Η βραχοµάζα θα πρέπει να είναι συµπαγής, αρκετά ισχυρή και απαλλαγµένη από πυκνά συστήµατα διακλάσεων. Η βραχοµάζα που εκσκάπτεται για την θεµελίωση του φράγµατος θα πρέπει να χρησιµοποιείται στην κατασκευή του φράγµατος για να είναι το έργο οικονοµικά βιώσιµο. Ευθυγραµµισµένες κυλίστρες υδατόπτωσης. Στις περισσότερες των περιπτώσεων απαιτείται µια ευθυγραµµισµένη κυλίστρα υδατόπτωσης από σκυρόδεµα. Το πλάτος της κυλίστρας υδατόπτωσης καθορίζεται από το µήκος και τη διάταξη της στέψης του υπερχειλιστή, τη συνολική ενέργεια στο νερό και την οικονοµική σχέση µεταξύ του πλάτους (συµπεριλαµβανοµένων και των δαπανών εκσκαφής) και του ύψους των πλευρικών τοιχωµάτων της κυλίστρας υδατόπτωσης. Το ύψος των πλευρικών τοιχωµάτων είναι επίσης σηµαντικό επειδή το νερό θα µπορούσε να διαβρώσει τα πλευρικά πρανή. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 359

360 Στο κατώτατο σηµείο της κυλίστρας υδατόπτωσης το νερό µπορεί να παροχετευτεί σε µία λεκάνη καταστροφής ή εκτόνωσης της ενέργειας, ή να κατευθυνθεί σε περιστροφή σε έναν κάδο έτσι ώστε ένα µεγάλο µέρος της ενέργειάς του να απελευθερώνεται στον αέρα. Οι δονήσεις από την ροή του νερού θα µπορούσαν να προκαλέσουν µετακίνηση των πλακών και ακόµη και αστοχία τους. Είναι ουσιαστικό εποµένως να αγκυρώνονται οι πλάκες στην βραχοµάζα µε χαλύβδινους τένοντες και βλήτρα. Το σχήµα παραπλεύρως παρουσιάζει τον σωστό τρόπο τοποθέτησης των πλακών έτσι ώστε να µην ανυψώνονται προς τα επάνω Υπερχειλιστές Λεκάνη καταστροφής ενέργειας. Η µετάβαση των πληµµυρικών νερών από την στάθµη του ταµιευτήρα στο επίπεδο των κατάντη του φράγµατος νερών εξόδου θα περιλάβει την καταστροφή ή εκτόνωση τεράστιας ποσότητας ενέργειας. Οι ταχύτητες και οι πιέσεις που περιλαµβάνονται είναι τεράστιες και καταστρεπτικές. Ελεύθερη υδατόπτωση. Η ενέργεια που απελευθερώνεται από την ελεύθερη πτώση του νερού σε µία κατάντη κιβωτοειδή δεξαµενή (Cofferdam) της λεκάνης ηρεµίας είναι πολύ υψηλή και µπορεί να δηµιουργήσει µεγάλα προβλήµατα διαβρωτικών εκσκαφών. Για παράδειγµα η διαβρωτική εκσκαφή από την ελεύθερη υδατόπτωση στο φράγµα Kariba είναι πάνω από 50 m. Υπερχειλιστής τύπου κάδου αντιλακτίσµατος. Ο σκοπός αυτού του τύπου είναι να ρίχνει το νερό αρκετά µακριά από την κατασκευή. Το εκτοξευόµενο νερό από έναν υπερχειλιστή τύπου οριζόντιας εκτόξευσης φεύγει µε οριζόντια κατεύθυνση, ενώ το εκτοξευόµενο νερό από ένα υπερχειλιστή τύπου κάδου αντιλακτίσµατος ανακλάται και εκτρέπεται προς τα επάνω προκαλώντας κατ αυτόν τον τρόπο εκτόνωση του νερού στον αέρα. Πάντα να λαµβάνεται υπόψη ότι ο ψεκασµός που παράγεται από τους υπερχειλιστές µπορεί να προκαλέσει ζηµιές στον περιβάλλοντα χώρο της ευρύτερης περιοχής αλλά και µπορεί να έχει και επιπτώσεις και στις κοντινές ηλεκτρικές εγκαταστάσεις. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 360

361 Α. Λεκάνη στροβιλισµού. Β. Κάδος ανάκλασης. Γ. Κάδος αντιλακτίσµατος.. Μη-ακτινωτός υπερχειλιστής και κάδοι τύπου υδροφράκτη. Ε. Καταστροφέας ενέργειας τύπου «Schoklitsch». Λεκάνες ηρεµίας. Συνδέονται συνήθως µε τα φράγµατα υπερχείλισης τύπου βαρύτητας. Η εκτόνωση ή καταστροφή της ενέργειας εξαρτάται από το σχηµατισµό στροβίλων, αναταραχής (τυρβώδης ροή) ή/και µόνιµου κυµατισµού κατά την ροή του νερού. Στην επιφάνεια της λεκάνης ηρεµίας παρέχεται συχνά «οδόντωση» (ή αγρίεµα της επιφάνειας µε εσοχές και προεξοχές) για να βοηθήσει στην εκτόνωση ή καταστροφή της ενέργειας. Οι τεχνητοί ογκόλιθοι της λεκάνης ηρεµίας υποβάλλονται σε τέτοιες ιδιαίτερα υψηλές κυµαινόµενες πιέσεις που µπορούν να εµφανιστούν σοβαρές σπηλαιώσεις (από τις δίνες του νερού) και ακόµα και η καταστροφή τους. Το σχήµα παραπλεύρως παρουσιάζει ένας υπερχειλιστή µε µία ποδιά ρυθµιστικού διαφράγµατος ποδιών που χρησιµοποιείται για την εκτόνωση ή καταστροφή της ενέργειας του νερού. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 361

362 9.7. Υπερχειλιστές Εικόνες φωτορεαλισµού τρισδιάστατης προσοµοίωσης. Έχει πραγµατοποιηθεί από τους µελετητές Fayi Zhou και C.S. Song µία τρισδιάστατη προσοµοίωση και απεικόνιση (3-D) της ελεύθερης επιφάνειας του νερού επάνω από έναν υπερχειλιστή µε κυλίστρα υδατόπτωσης. Κατά τον σχεδιασµό ενός υπερχειλιστή, πρέπει να είναι γνωστή η διάταξη της ελεύθερης επιφάνειας κάτω από διαφορετικές γεωµετρίες του υπερχειλιστή. Η τρισδιάστατη ελεύθερη επιφάνεια ροής σε έναν υπερχειλιστή µε κυλίστρα υδατόπτωσης είναι ένα εξαιρετικά κρίσιµο χαρακτηριστικό. Για το λόγο αυτό θα πρέπει να αναπτύσσεται ένα πρότυπο (µοντέλο) ασταθούς τρισδιάστατης ροής µε ελεύθερη επιφάνεια νερού που να βασίζεται στις αρχές και στις έννοιες των συµπιεστών υδροδυναµικών εξισώσεων και των µεγάλων ροών µε περιδίνηση χρησιµοποιώντας κάποια προγράµµατα και αλγόριθµους διεξοδικών πεπερασµένων στοιχείων. Η διαδικασία προσοµοίωσης χωρίζεται σε τρία στάδια για µεγαλύτερη υπολογιστική αποδοτικότητα. Πρώτα καθορίζεται η κατανοµή του κατά προσέγγιση περιγράµµατος της ελεύθερης επιφάνειας του νερού καθώς και η µέση ταχύτητα ροής του νερού υποθέτοντας µία σταθερή µονοδιάστατη και µη κολλώδη ροή. Στην συνέχεια προσοµοιώνεται η πλήρως αναπτυγµένη τρισδιάστατη τυρβώδης ροή, κρατώντας το περίγραµµα της ελεύθερης επιφάνειας του νερού σταθερό. Τέλος, η ελεύθερη επιφάνεια του νερού αφήνεται ελεύθερη να κινηθεί και προσοµοιώνεται η πλήρως αναπτυγµένη ροή µε τα ισχυρά κύµατα βαρύτητάς της. Χρησιµοποιούνται µαθηµατικές προσεγγίσεις για την εξοµάλυνση της ελεύθερης επιφάνειας του νερού καθώς και περιορισµοί στην οξύτητα των κυµάτων για να επιβεβαιωθεί η αριθµητική σταθερότητα, ενώ µπορούν να επιλυθούν κύµατα µέχρι µιας ορισµένης οξύτητας. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 362

363 Στην συνέχεια παρουσιάζεται ένα τρισδιάστατο σχέδιο της ελεύθερης επιφάνειας νερού κατά µήκος ολόκληρης της περιοχής ενός υπερχειλιστή. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 363

364 Στην συνέχεια παρουσιάζεται ένα τρισδιάστατο σχέδιο της ελεύθερης επιφάνειας νερού στο ανώτερο µέρος ενός υπερχειλιστή. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 364

365 Στην συνέχεια παρουσιάζεται ένα τρισδιάστατο σχέδιο της ελεύθερης επιφάνειας νερού στο κατώτερο µέρος ενός υπερχειλιστή. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 365

366 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. 1. ΓΕΝΙΚΑ. 2. ΕΚΤΡΟΠΗ ΠΟΤΑΜΩΝ. 3. ΦΡΑΓΜΑΤΑ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ. 4. ΦΡΑΓΜΑΤΑ ΑΝΑΧΩΜΑΤΙΚΟΥ ΤΥΠΟΥ Γενικά περί κατασκευής. 1. Ασφάλεια. 2. Προδιαγραφές. 3. Εγκαταστάσεις και εξοπλισµός. 4. Το κόστος και ο έλεγχός του Ασφάλεια. Με το συνεχώς αυξανόµενο ύψος των φραγµάτων υπάρχει όλο και µεγαλύτερη ανάγκη για λήψη διάφορων µέτρων προφύλαξης, και ιδιαιτέρως κατά της πτώσης αντικειµένων ή και προσώπων. Οι διπλής κυρτότητας κατασκευές έχουν καταστήσει την πρόσβαση και τη µετακίνηση του προσωπικού δύσκολη. Όλο το προσωπικό επί τόπου του έργου θα πρέπει να είναι επάγρυπνο καθ όλο το εικοσιτετράωρο για τον έλεγχο των ατυχηµάτων που µπορούν να συµβούν. Το γεγονός µπορεί να διασφαλιστεί µε τακτικές συνεδριάσεις του προσωπικού και των αντιπροσώπων του εργατικού δυναµικού, όπου η γνώση και η εµπειρία µπορούν να συγκεντρωθούν και να αντιπαρατεθούν, και ιδιαίτερα κατά το στάδιο του προγραµµατισµού µιας ασυνήθιστης επέµβασης ή λειτουργίας του φράγµατος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 366

367 Φωτογραφία φράγµατος κατά την φάση της κατασκευής του Προδιαγραφές. Για όλους τους τύπους των φραγµάτων, οι προδιαγραφές θα πρέπει να καλύπτουν τα ακόλουθα θέµατα: Η απαιτούµενη ηµεροµηνία για την ολοκλήρωση του έργου, µε σύνταξη ενός προγράµµατος χρονοδιαγράµµατος που να δείχνει τις διακεκριµένες ηµεροµηνίες ολοκλήρωσης του κάθε σταδίου των εργασιών. Ο βαθµός ευθύνης που γίνεται αποδεκτός από τον ανάδοχο κατασκευαστή του έργου σχετικά µε την διαστασιολόγηση των εργασιών εκτροπής του ποταµού, τις απώλειες λόγω πληµµύρων, τη ρύπανση των ποταµών και τη γενικότερη φροντίδα και προστασία του ποταµού. Καθάρισµα της ευρύτερης περιοχής του έργου και των ιδιαίτερων θέσεων εργασίας. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 367

368 Η έκταση της απαιτούµενης προετοιµασίας της θεµελίωσης, καθώς και η κατανοµή της ευθύνης για απρόβλεπτες συναντούµενες συνθήκες ή φαινόµενα κατά την φάση της κατασκευής. Προστασία του περιβάλλοντος, περιβαλλοντικά αποδεκτή διάθεση των εκσκαφθέντων εδαφών, αποκατάσταση των περιοχών των δανειοθαλάµων, αποκατάσταση της περιοχής, κ.λ.π.. Προκαταρκτική εργασία που θα πρέπει να γίνει από τον κύριο και ιδιοκτήτη του έργου και καθορισµός του βαθµού ευθύνης που γίνεται αποδεκτός από τον κύριο και ιδιοκτήτη του έργου για τις συνέπειες µιας τέτοιας εργασίας Εγκαταστάσεις και εξοπλισµός. Το κόστος της αγοράς του εξοπλισµού, της εγκατάστασης και της λειτουργίας του είναι σηµαντικά στοιχεία του προϋπολογισµού του έργου. Σε ένα φράγµα που περιλαµβάνει 2 περίπου εκατοµµύρια κυβικά µέτρα σκυροδέµατος, η αγορά, η εγκατάσταση και η λειτουργία του εξοπλισµού αντιπροσωπεύσουν το % περίπου του συνολικού κόστους του φράγµατος. Σε ένα φράγµα αναχωµατικού τύπου αυτό µπορεί να είναι της τάξης του %. Είναι εποµένως σηµαντικό να επιλεχτούν οι σωστές εγκαταστάσεις για να επιτευχθεί το βέλτιστο κόστος. Η σύνταξη των κατάλληλων προδιαγραφών που θα χρησιµοποιηθούν σε µερικές σηµαντικές προσκλήσεις ενδιαφέροντος και στην συνέχεια στις αναθέσεις των συµβάσεων των εργολαβιών είναι επίσης πολύ σηµαντική εργασία και ευθύνη του φορέα και κυρίου του έργου, έτσι ώστε να εξασφαλίζεται ότι ο καταλληλότερος εξοπλισµός και εγκαταστάσεις θα ταιριάξουν για την κάθε επιµέρους ιδιαίτερη εργασία. Για παράδειγµα, οι µεταφορείς των δοµικών υλικών θα πρέπει να αντιστοιχηθούν και να ταιριάξουν µε τον εξοπλισµό των παρακείµενων λατοµείων. Επίσης για παράδειγµα, για την συµπύκνωση των αναχωµάτων από εδαφικό ή βραχώδες υλικό, θα είναι σηµαντικό να επιλεχθεί ο πιο κατάλληλος εξοπλισµός και τα µηχανήµατα, γεγονός που µπορεί να επιτευχθεί και να καθοριστεί καλύτερα µε τη βοήθεια κατασκευής ενός δοκιµαστικού αναχώµατος. Είναι επίσης απαραίτητο να υπάρξει ένας ανεφοδιασµός από ανταλλακτικά του εξοπλισµού και των δοµικών µηχανηµάτων, δεδοµένου ότι πολλές περιοχές είναι αποµακρυσµένες. Το εργοτάξιο και οι εγκαταστάσεις θα πρέπει να είναι απλά και αδρά, και κατά προτίµηση σε ενιαία και αυτόνοµα µέρη ή τµήµατα ώστε να απλοποιείται η αντικατάσταση των µερών τους. Συνεπώς ο στόχος όλων των εργολάβων φραγµάτων θα πρέπει να είναι η χρησιµοποίηση υψηλής ποιότητας δοµικών υλικών και κατασκευαστικού εξοπλισµού, και όχι να θυσιάζεται η ποιότητα του έργου στο βωµό κάποιας αµφισβητήσιµης εξοικονόµησης του κόστους του έργου, γεγονός που σίγουρα θα απέδιδε φτωχή πρακτική και αποτέλεσµα από την άποψη της µηχανικής του έργου Το κόστος και ο έλεγχός του. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 368

369 Η Ασφάλεια, το Χρονοδιάγραµµα και το Κόστος είναι αλληλένδετα στοιχεία και συνήθως αλληλοσυγκρουόµενα. Η ασφάλεια είναι πάντα ο κυρίαρχος παράγοντας σε τέτοιου είδους έργα, και ως εκ τούτου το χρονοδιάγραµµα και το κόστος συσχετίζονται άµεσα µε την προκύπτουσα ποιότητα και τον βαθµό τελειότητας και λεπτοµέρειας που απαιτείται. Υπάρχει πάντα ένα βέλτιστο χρονοδιάγραµµα για οποιαδήποτε λειτουργία και πέρα από αυτό το χρονοδιάγραµµα θα απαιτηθούν πρόσθετες δαπάνες. Το συνολικό κόστος αποτελείται από τις άµεσες δαπάνες για το εργατικό δυναµικό και τα δοµικά υλικά, συν τα γενικά έξοδα του διατιθέµενου κεφαλαίου και των τόκων. Οι τόκοι είναι πάντα πέρα από τον έλεγχο του µηχανικού. Όσον αφορά τις άµεσες δαπάνες, η επιλογή του τύπου του φράγµατος θα είναι η σηµαντικότερη απόφαση και αυτό θα επηρεαστεί καθοριστικά από τις τοπικές συνθήκες του έργου παρά από τους λεπτοµερείς οικονοµικούς και λογιστικούς µαθηµατικούς υπολογισµούς. Μερικές ερωτήσεις παρακάτω επεξηγούν τους λόγους: Απαιτείται εργασία υψηλού αριθµού απασχολουµένων και εργατικού δυναµικού προς όφελος της τοπικής κοινότητας; Είναι η υψηλής εξειδίκευσης εργασία διαθέσιµη στην περιοχή; Ποιος βαθµός µηχανοποίησης είναι επιθυµητός ή δυνατός στην ιδιαίτερη αυτή περιοχή και για το συγκεκριµένο έργο; Σε ένα φράγµα από σκυρόδεµα, για παράδειγµα, η κατανοµή των δαπανών µπορεί να αναλύεται χονδρικά σύµφωνα µε τον ακόλουθο πίνακα: οµικά Υλικά 25 % Ξυλότυποι 20 % Αγορά εργοταξιακού εξοπλισµού 19 % Λειτουργία και συντήρηση εργοταξιακού εξοπλισµού 19 % Τοποθέτηση και ωρίµανση του σκυροδέµατος 4 % Πρόψυξη του σκυροδέµατος 3 % Επεξεργασία του σκυροδέµατος 3 % Σε ένα χωµάτινο φράγµα, για παράδειγµα, η κατανοµή των δαπανών µπορεί να αναλύεται χονδρικά σύµφωνα µε τον ακόλουθο πίνακα: Λειτουργία λατοµείων για την παραγωγή δοµικών υλικών % Μεταφορά % Τοποθέτηση και συµπύκνωση δοµικών υλικών % Κυλίνδρωση µετώπου πρανών, πλέγµατα, στεγανώσεις, κ.λ.π % Εκτροπή ποταµών. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 369

370 Ανεξάρτητα από τον τύπο φράγµατος, είναι απαραίτητο να αποµακρυνθεί το νερό από την περιοχή της λεκάνης κατάκλισης και από την ζώνη έδρασης του σώµατος του φράγµατος για την τελική γεωλογική και γεωτεχνική επιθεώρηση, για την βελτίωση και την γεωτεχνική αναβάθµιση της ζώνης θεµελίωσης καθώς και για την προετοιµασία του χώρου, αλλά και για τα πρώτα στάδια της κατασκευής του φράγµατος. Το µέγεθος, η µέθοδος και το κόστος των εργασιών εκτροπής των ποταµών θα εξαρτηθούν από τη διατοµή της κοιλάδας, το υλικό των στρωµάτων θεµελίωσης στον ποταµό, τον τύπο του φράγµατος, τις αναµενόµενες υδρολογικές συνθήκες κατά τη διάρκεια του χρόνου που απαιτούνται για αυτήν την φάση των εργασιών, και τελικά και από τις συνέπειες που µπορούν να προκληθούν από µία ενδεχόµενη αστοχία οποιουδήποτε µέρους των προσωρινών εργασιών κατασκευής του φράγµατος. Στις περισσότερες θέσεις φραγµάτων θα είναι απαραίτητο να µετακινηθεί ο ποταµός ενώ κατασκευάζεται ένα τµήµα του φράγµατος και αυτό το τµήµα θα ενσωµατώσει είτε στα µόνιµα είτε στα προσωρινά ανοίγµατα µέσω των οποίων ο ποταµός θα εκτραπεί κατά το δεύτερο στάδιο της κατασκευής. Εάν το άνοιγµα της πρώτης εκτροπής δεν είναι αρκετά µεγάλο τα αρχικά στάδια της κατασκευής θα πληµµυρίσουν, και εάν τα ανοίγµατα ων εξόδων του δεύτερου σταδίου είναι πάρα πολύ µικρά, ολόκληρες οι εργασίες θα πληµµυρίσουν. Σε µερικές θέσεις φραγµάτων υπάρχει ένα ευδιάκριτο εποχιακά µεταβαλλόµενο σχέδιο ροής των ποταµών και εποµένως θα µπορούσε «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 370

371 ληφθεί κάποιο πλεονέκτηµα από το γεγονός αυτό, αν και θα πρέπει πάντα να λαµβάνεται σοβαρά υπόψη ότι η φύση και τυχαία είναι και απρόβλεπτη. Η κατασκευή του φράγµατος «Hendrik Verwoerd» στην Νότια Αφρική απαίτησε µια ιδιαίτερα περίπλοκη διάταξη εγκιβωτισµένων µικρών προφραγµάτων ή κιβωτοειδών προφραγµάτων (cofferdams), για να γίνει εφικτή η κατασκευή του. Αναπτύχθηκε µια προσέγγιση που βασίστηκε στη συχνότητα και στη κατανοµή των πληµµύρων που θα µπορούσαν να εµφανιστούν κατά τη διάρκεια µιας περιόδου πέντε ετών που προβλεπόταν η κατασκευή του. Το ακόλουθο κείµενο αποτελεί απόσπασµα από τις αρχικές λεπτοµερείς προδιαγραφές και την συγγραφή υποχρεώσεων: Πρώτο στάδιο (A): Κατασκευή ζευγµάτων (πλέγµατα από ξύλα ή groynes) στην κάθε απέναντι όχθη του ποταµού σε µια µικρή απόσταση ανάντη του φράγµατος, για να αλλάξει η κατεύθυνση της ροής του ποταµού και έτσι να µετακινηθεί το χαµηλό κανάλι νερού προς την αριστερή όχθη του ποταµού στην άµεση ζώνη έδρασης του φράγµατος. Κατασκευή ενός ηµικυκλικού τοξωτού εγκιβωτισµένου µικρού προφράγµατος ή κιβωτοειδούς προφράγµατος (cofferdam) από σκυρόδεµα στην δεξιά όχθη του ποταµού. Αποµάκρυνση του νερού µε άντληση από αυτό το κιβωτοειδές πρόφραγµα (cofferdam) και στην συνέχεια εκσκαφή µέσα σε αυτό για την θεµελίωση και κατασκευή των κύριων τεχνητών ογκολίθων του φράγµατος, της αναλογίας ή του ποσοστού της ποδιάς υπερχείλισης που αναλογεί και του τµήµατος του µεσοποτάµιου κιβωτοειδούς προφράγµατος (cofferdam). Σκυροδέτηση των κύριων τεχνητών ογκολίθων του φράγµατος, µε αρίθµηση 14 έως 28 µέχρι την κατώτατη στάθµη των µέτρων, της αναλογίας ή του ποσοστού της ποδιάς υπερχείλισης που αναλογεί και των τµηµάτων του µεσοποτάµιου κιβωτοειδούς προφράγµατος (cofferdam) µέσα σε αυτό το κιβωτοειδές πρόφραγµα. Στους κύριους αυτούς τεχνητούς ογκόλιθους του φράγµατος που κατασκευάζονται σε αυτό το στάδιο, διαµορφώνονται προσωρινά ανοίγµατα µέσω των οποίων θα εκτραπεί αργότερα ο ποταµός. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 371

372 εύτερο στάδιο (B) & (Γ). Κατασκευή ενός ηµικυκλικού τοξωτού εγκιβωτισµένου µικρού προφράγµατος ή κιβωτοειδούς προφράγµατος (cofferdam) από σκυρόδεµα στην αριστερή όχθη του ποταµού. Κατασκευή των πλευρικών τµηµάτων των ανάντη και κατάντη µεσοποτάµιων κιβωτοειδών προφραγµάτων (cofferdams) από σκυρόδεµα που διασχίζουν τον ποταµό ανάντη και κατάντη του κεντρικού τµήµατος του φράγµατος. Εκσκαφή ενός καναλιού κατά µήκος της δεξιάς όχθης, που οδηγεί στα προσωρινά ανοίγµατα µέσω του φράγµατος, κατεδάφιση των τµηµάτων του κιβωτοειδούς προφράγµατος (cofferdam) της δεξιάς όχθης για να επιτραπεί η εκτροπή του ποταµού µέσω των προσωρινών ανοιγµάτων και αποµάκρυνση από το κανάλι εκτροπής της δεξιάς όχθης όσο απαιτείται. Κοπή ενός καναλιού µέσω του τµήµατος του ζεύγµατος (πλέγµατος από ξύλα ή groyne) της δεξιάς όχθης δίπλα στην όχθη για να διαµορφωθεί µια είσοδος προς το κανάλι εκτροπής που περιγράφηκε ανωτέρω. Τοποθέτηση της λιθοριπής (rockfill) για να συνδεθούν µεταξύ τους τα ζεύγµατα (πλέγµατα από ξύλα ή groynes) της δεξιάς και της «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 372

373 αριστερής όχθης έτσι ώστε να εκτραπεί η ροή του ποταµού προς το κανάλι εκτροπής της δεξιάς όχθης, και µε αυτόν τον τρόπο να µειώνεται η ταχύτητα ροής του νερού στην γειτονική περιοχή των µεσοποτάµιων κιβωτοειδών προφραγµάτων (cofferdams). Ολοκλήρωση του ανάντη µεσοποτάµιου κιβωτοειδούς προφράγµατος (cofferdam) και ολοκλήρωση του κατάντη µεσοποτάµιου κιβωτοειδούς προφράγµατος (cofferdam). Τοποθέτηση των άχρηστων υλικών που εκσκάπτονται κατά τις εργασίες, στο κανάλι πληµµύρας επί της αριστερής όχθης ανάντη του φράγµατος για να αποτραπεί το πληµµύρισµα του ποταµού προς την προστατευµένη περιοχή από τα µεσοποτάµια κιβωτοειδή προφράγµατα (cofferdams). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 373

374 Τρίτο στάδιο (Γ) & ( ) & (Ε). Αποµάκρυνση του νερού µε άντληση από το κιβωτοειδές πρόφραγµα (cofferdam) της αριστερής όχθης και στην συνέχεια εκσκαφή µέσα σε αυτό για την θεµελίωση και κατασκευή των κύριων τεχνητών ογκολίθων του φράγµατος, και της αναλογίας ή του ποσοστού της ποδιάς υπερχείλισης. Σκυροδέτηση των τεχνητών ογκολίθων του φράγµατος, µε αρίθµηση 9 έως 27 µέχρι την κατώτατη στάθµη των µέτρων. Κατεδάφιση του µεσοποτάµιου κιβωτοειδούς προφράγµατος (cofferdam) της αριστερής όχθης. Κατεδάφιση του υπόλοιπου τµήµατος του µεσοποτάµιου κιβωτοειδούς προφράγµατος (cofferdam) της δεξιάς όχθης µέσα στις ζώνες που προστατεύονται από τα µεσοποτάµια κιβωτοειδή προφράγµατα (cofferdams). Αποµάκρυνση του νερού µε άντληση από το µεσοποτάµιο κιβωτοειδές πρόφραγµα (cofferdam) και στην συνέχεια εκσκαφή µέσα σε αυτό για την θεµελίωση και κατασκευή των τεχνητών ογκολίθων του φράγµατος µε αρίθµηση 1 έως 7 και 2 έως 12, και της αναλογίας ή του ποσοστού της ποδιάς υπερχείλισης. Σκυροδέτηση των τεχνητών ογκολίθων του φράγµατος, µε αρίθµηση 1 έως 7 και 2 έως 12 σε τέτοια επίπεδα ώστε οι αρµοί συστολής στο «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 374

375 χαµηλότερο µέρος του φράγµατος µέχρι την στοά επιθεώρησης να µπορούν να τσιµεντενιαστούν. Σκυροδέτηση µέσα στα µεσοποτάµια κιβωτοειδή προφράγµατα (cofferdams) της αναλογίας ή του ποσοστού της ποδιάς υπερχείλισης κατάντη των τεχνητών ογκολίθων του φράγµατος, µε αρίθµηση 1 έως 7 και 2 έως 12. Ψύξη του σκυροδέµατος και εισπίεση σιµεντενέµατος στους αρµούς κατασκευής του φράγµατος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 375

376 Η εκτροπή του ποταµού µπορεί επίσης να επιτευχθεί µε τη βοήθεια µιας σήραγγας εκτροπής, η οποία εξαρτάται από τη φύση της βραχοµάζας και του βάθους της διάβρωσης και αποσάθρωσής της και θα πρέπει να είναι µακριά από το ίδιο το φράγµα για να µην αλληλοεπηρεάζεται µε την θεµελίωση του φράγµατος. Η σήραγγα θα πρέπει επίσης να είναι επαρκούς διατοµής ώστε να αποφευχθεί η πιθανότητα έµφραξής της. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 376

377 10.3. Κατασκευή Φραγµάτων από Σκυρόδεµα. 1. Παραγωγή Αδρανών Υλικών. 2. ιαχείριση σκυροδέµατος, τοποθέτηση και στερεοποίησή του. 3. Ξυλότυποι σκυροδέτησης. 4. Ενσωµατωµένα στοιχεία στο σκυρόδεµα. 5. Ψύξη του σκυροδέµατος. 6. Οικονοµική κατασκευή Παραγωγή Αδρανών Υλικών. Η καταλληλότητα και αποδοχή των φυσικών αδρανών υλικών κρίνεται από τις φυσικές, µηχανικές και χηµικές ιδιότητες του υλικού, την δυνατότητα πρόσβασης στον χώρο εµφάνισής του για την εξόρυξη και εκµετάλλευσή του, την εγγύτητα του αποθέµατος στην περιοχή κατασκευής του φράγµατος και την οικονοµική εργασιµότητα της απόθεσης των φυσικών αδρανών υλικών ιαχείριση σκυροδέµατος, τοποθέτηση και στερεοποίησή του. Η διαδικασία που υιοθετείται για την µεταφορά του σκυροδέµατος από τους αναµίκτες προς το φράγµα διέπεται από τις συνθήκες και τις ιδιαιτερότητες «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 377

378 της κάθε περιοχής. Το πρόβληµα για το σκυρόδεµα είναι να µεταφερθεί στο φράγµα µε το λιγότερο δυνατό διαχωρισµό του ή αλλαγή στη συνεκτικότητά του, έτσι ώστε να µπορεί να συµπυκνωθεί οµοιόµορφα στο φράγµα χωρίς µεγάλη προσπάθεια. Η δηµιουργία καλωδιαδρόµων είναι πιθανώς η απλούστερη µέθοδος στην µεταφορά του έτοιµου σκυροδέµατος. Οι ανακλινόµενοι αναµίκτες σκυροδέµατος θα προµηθεύουν τους κάδους µεταφοράς του σκυροδέµατος, οι οποίοι µε την σειρά τους θα κινούνται προς ένα σηµείο περισυλλογής τους κάτω από τον καλωδιάδροµο, και τέλος θα µεταφέρονται οµαλά στην υπό κατασκευή µονολιθική δοµή ή κατασκευή ή µπλοκ του φράγµατος όπου και θα εκκενώνονται γρήγορα µέσω µιας υδραυλικής θύρας. Καλωδιάδροµος µεταφοράς δοµικών υλικών τύπου τριών πύργων. Εναλλακτικά µπορεί να εξεταστεί και η κατασκευή µίας ταινίας µεταφοράς, αλλά υπάρχουν προβλήµατα µε την διατήρηση της θερµοκρασίας σταθερή κατά τον θερµό καιρό και επίσης κατά τις θυελλώδεις συνθήκες. Οι ταινίες µεταφοράς συνήθως καλύπτονται και φυσιέται κρύος αέρας επάνω από το σκυρόδεµα για να πέσει η θερµοκρασία τοποθέτησης του σκυροδέµατος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 378

379 Η τοποθέτηση ενός σκυροδέµατος «χαµηλής κάθισης», τέσσερα στρώµατα σε συνολική προσθήκη 2,3 µέτρων. ονητές τοποθετηµένοι σε ελκυστήρες στο φράγµα «Emosson», στην Ελβετία. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 379

380 Η κατάλληλη και ορθή στερεοποίηση του σκυροδέµατος χαµηλούκαθίσµατος είναι επίµοχθη και απαιτεί συνεχή επίβλεψη. Ο αποδοτικότερος συµπυκνωτής είναι συνήθως ένας µεγάλος φορητός δονητής δύο ατόµων Ξυλότυποι σκυροδέτησης. Αν και το ύψος προσθήκης σκυροδέµατος που χρησιµοποιείται ευρύτατα είναι της τάξης του 1,5 m, στα µεγάλα φράγµατα χρησιµοποιείται συχνά ένα ύψος προσθήκης της τάξης των 2,3 µε 3,0 m. Με τα µεγαλύτερα ύψη προσθήκης σκυροδέµατος υπάρχουν λιγότερες µετακινήσεις των καλουπιών (ξυλοτύπων) σκυροδέτησης και λιγότερες οριζόντιες επιφάνειες µεταξύ των προσθηκών που απαιτούνται να καθαρίζονται. Τα καλούπια υψηλής προσθήκης είναι µοναδικά για κάθε έργο και ιδιαίτερα ακριβά και µε µικρότερη προοπτική για επαναχρησιµοποίησή τους. Επίσης απαιτείται βαρύτερος εξοπλισµός για την ανύψωσή τους, αλλά εγείρονται συγχρόνως και προβλήµατα αυξηµένης θερµότητας µε κίνδυνο ανάπτυξης ρωγµατώσεων στην µάζα του σκυροδέµατος. Οι σύγχρονοι ξυλότυποι (καλούπια σκυροδέτησης) είναι συνήθως χαλύβδινοι και σχήµατος προβόλου, όπως φαίνεται στην παρακάτω φωτογραφία. Όπου είναι δυνατόν η χρήση καλουπιών (ξυλοτύπων) ολίσθησης µπορεί να επισπεύσουν την εργασία και να µειώσουν τις απαιτούµενες δαπάνες. Σε µερικές θέσεις κατασκευής φραγµάτων µπορεί να είναι προσφορότερο να χρησιµοποιηθούν προκατασκευασµένες πλάκες σκυροδέµατος αντί για ξυλότυπο ή καλούπι µε ταυτόχρονη χρήση αντιπηκτικών παραγόντων σκυροδέµατος στην εσωτερική επιφάνεια. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 380

381 Ενσωµατωµένα στοιχεία στο σκυρόδεµα. Η εγκατάσταση ενσωµατωµένων στοιχείων στο φράγµα είναι πάντα µια σηµαντική πηγή καθυστέρησης στην κατασκευή. Για τον λόγο αυτό θα πρέπει να έχει εκτελεστεί ένας προγραµµατισµός πριν από την έναρξη κάθε κατασκευαστικής δραστηριότητας µε µεγάλη προσοχή και λεπτοµέρεια. Για παράδειγµα στην κατασκευή των υπερχειλιστών υπάρχει συνήθως µία µεγάλη πολυπλοκότητα στην τοποθέτηση του χαλύβδινου οπλισµού, στην προένταση, στις αρθρώσεις των θυροφρακτών, στα φρεάτια αποστράγγισης και στα φρεάτια των θυροφρακτών. Υπάρχει διεθνώς µια τάση να χρησιµοποιούνται στοιχεία προκατασκευασµένου σκυροδέµατος στις στοές και σήραγγες για να κερδισθεί χρόνος, αν και αυτό αποτρέπει την επιθεώρηση του σκυροδέµατος στο εσωτερικό του φράγµατος. Η απλούστερη µέθοδος στην κατασκευή µίας στοάς είναι η τοποθέτηση κατακόρυφων καλουπιών (ξυλοτύπων) που επεκτείνονται στο πλήρες ύψος της προσθήκης σκυροδέµατος. Όταν αυτοί θα αφαιρεθούν, µπορούν να τοποθετηθούν δοκοί ή πλάκες προκατασκευασµένου σκυροδέµατος επάνω από το άνοιγµα και να σκυροδετηθούν µέχρι την επόµενη προσθήκη σκυροδέµατος. Συνήθως απαιτείται ενίσχυση µε χαλύβδινο οπλισµό επάνω και κάτω από τις ορθογωνικής διατοµής στοές και αυτό επιτυγχάνεται καλύτερα µε προκατασκευασµένα στοιχεία Ψύξη του σκυροδέµατος. Η µέθοδος της ψύξης του σκυροδέµατος κατά τη διάρκεια των λίγων πρώτων ηµερών µετά από την σκυροδέτηση µπορεί να είναι υψίστης σηµασίας για την αποφυγή της ρωγµάτωσης του σκυροδέµατος. Είναι ουσιαστικό να δοθεί η απαιτούµενη προσοχή τόσο στους εσωτερικούς όσο και στους εξωτερικούς παράγοντες που µπορούν να προκαλέσουν ρωγµάτωση. Η απαιτούµενη προσοχή αναφέρεται στα ακόλουθα θέµατα: Άνοδος θερµοκρασίας. Αυτή θα εξαρτηθεί από την θερµότητα ενυδάτωσης του τσιµέντου, την ποσότητα του τσιµέντου ανά κυβικό µέτρο, την θερµοκρασία του σκυροδέµατος κατά την τοποθέτηση του και από τον ρυθµό ή την ταχύτητα της κατασκευής. Εκτόνωση και διαφυγή θερµότητας. Αυτό θα εξαρτηθεί από τις συνθήκες έκθεσης του σκυροδέµατος στο περιβάλλον, συµπεριλαµβανοµένης και της θερµοκρασίας του υποκείµενου σκυροδέµατος, καθώς και από την ικανότητα της θερµικής διάχυσης του σκυροδέµατος. Εάν θεωρηθεί απαραίτητο να θερµανθεί η υποκείµενη στρώση του σκυροδέµατος το ποσοστό ανύψωσης της θερµοκρασίας του δεν θα πρέπει να υπερβεί τους 2 Κελσίου ανά ηµέρα. Περιοριστικές επιρροές λόγω κρύας εφαπτόµενης επιφάνειας. Για παράδειγµα µία κρύα βραχώδης επιφάνεια ή µία µάζα σκυροδέµατος ηλικίας 14 ηµερών θα καθορίσει, ανάλογα µε την θερµική αγωγιµότητα, το πάχος προσθήκης του σκυροδέµατος επάνω από την κρύα επιφάνεια. ιάταξη ψυκτικών σωληνώσεων. Οι ψυκτικές σωληνώσεις τοποθετούνται συνήθως στο 0,25 και στο 0,75 επί το πάχος της «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 381

382 στρώσης της προσθήκης σκυροδέµατος. Η διάταξη αυτή είναι περισσότερο αποδοτική απ' ό,τι να τοποθετούνται στην κορυφή της προηγούµενης προσθήκης σκυροδέµατος και στο µέσον του πάχους της στρώσης της νέας προσθήκης σκυροδέµατος. Το οριζόντιο διάστηµα θα εξαρτηθεί από τον ρυθµό διάχυσης και διαφυγής της θερµότητας που απαιτείται καθώς και από την θερµοκρασία του νερού ψύξης (δηλ. το νερό των ποταµών ποικίλης θερµοκρασίας ή το τεχνητά ψυχωµένο νερό). Τοπικές καιρικές συνθήκες. Αναφερόµαστε στην υγρασία, στην θερµοκρασία και στην ένταση των ανέµων Οικονοµική κατασκευή. Αν και γενικώς τα φράγµατα από σκυρόδεµα είναι ακριβά, η µηχανοποίηση κατά τη διάρκεια των τελευταίων 40 ετών έχει µειώσει στο ένα τέταρτο περίπου τον αριθµό των ανθρωποωρών που απαιτούνται για να σκυροδετηθεί σωστά ένα κυβικό µέτρο σκυροδέµατος σε ένα φράγµα µαζικής σκυροδέτησης. Αν και κάθε µηχανικός προσπαθεί για την τελειότητα, θα πρέπει να δίδεται ιδιαίτερη προσοχή στο βαθµό εκείνο τελειότητας που είναι πραγµατικά απαραίτητος. Η στενή συνεργασία µεταξύ του ιδιοκτήτη ή κυρίου του έργου και του αναδόχου θα γλιτώσει χρόνο και χρήµα. Οι κυριότερες ερωτήσεις που θα πρέπει να υποβάλλονται σε όλα τα στάδια εξέλιξης του έργου είναι του τύπου: Επιτρέπεται να σχεδιαστεί και να γίνει αποδεκτή µία εφελκυστική εντατική κατάσταση στο σκυρόδεµα; Ο σχεδιασµός και η δηµιουργία αψίδας ή τόξου στο φράγµα θα οδηγήσει στη γενικότερη οικονοµία του; Είναι οι διαµήκεις αρµοί συστολής απαραίτητοι στα µεγάλα φράγµατα βαρύτητας; Μπορούν οι εγκάρσιες αρµοί συστολής να παραβλεφθούν, ή να τοποθετηθούν σε αραιότερα διαστήµατα, κ.λ.π.; Ποίου βαθµού καθάρισµα είναι απαραίτητος στους οριζόντιους αρµούς συστολής της κατασκευής; Θα πρέπει να προδιαγράφεται κατά τον σχεδιασµό του φράγµατος το πάχος της στρώσης της προσθήκης σκυροδέµατος ή θα πρέπει να προσδιορίζεται ανάλογα µε τις επί τόπου συνθήκες και τα µεταβαλλόµενα δεδοµένα; Θα πρέπει να προδιαγράφεται η περιεκτικότητα του σκυροδέµατος σε τσιµέντο ή θα πρέπει να προδιαγράφονται µόνο οι απαιτηµένες ιδιότητες του τελικού σκυροδέµατος; Μπορούν να δικαιολογηθούν φράγµατα περίπλοκου σχήµατος; Θα πρέπει οι βοηθητικές εργασίες να εκτελούνται ξεχωριστά από τις κύριες εργασίες του φράγµατος ώστε να ελαχιστοποιηθεί η παρενόχληση τους και να εκτελούνται σε µια συνεχή ή και κυκλική διαδικασία κατασκευής του φράγµατος; Ποίος είναι ο βέλτιστος σχεδιασµός και διάταξη για τις απαραίτητες στοές και σήραγγες στο σώµα του φράγµατος; «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 382

383 10.4. Κατασκευή Φραγµάτων Αναχωµατικού τύπου. 1. Γενικά. 2. Φάσεις κατασκευής. 3. Ανάπτυξη λατοµείων και οδών προσπέλασης. 4. Συµπύκνωση εδαφικών υλικών. 5. Χωµάτινα φράγµατα. 6. Φράγµατα υδραυλικής επίχωσης. 7. Λιθόριπτα φράγµατα Γενικά. Μπορεί να επιτευχθεί σηµαντική οικονοµία εάν υπάρξει ένας «προοδευτικός σχεδιασµός». Ο στόχος είναι να παρασχεθεί ένας τέτοιος ευέλικτος σχεδιασµός ώστε να µπορεί να καλυφθεί και το ενδεχόµενο ότι τα δοµικά υλικά µπορεί να µην είναι σε απόλυτη πραγµατική συµφωνία µε τα δείγµατα που εξετάστηκαν εργαστηριακά ή ότι οι συνθήκες θεµελίωσης να αποδειχθούν διαφορετικές από αυτές που υιοθετήθηκαν κατά τον σχεδιασµό Φάσεις κατασκευής. 1. Αξιολόγηση των σχεδίων, των προδιαγραφών, των βασικών προϋποθέσεων και απαιτήσεων, και των χαρακτηριστικών στοιχείων της περιοχής του έργου. 2. Προγραµµατισµός και σχεδιασµός των εργασιών. 3. Προετοιµασία της περιοχής για την κατασκευή και λειτουργία του έργου. 4. Οικοδόµηση της κατασκευής του φράγµατος. 5. Καθαρισµός της περιοχής και αποκατάσταση του περιβάλλοντος Ανάπτυξη λατοµείων και οδών προσπέλασης. Η χωροθέτηση των λατοµείων θα πρέπει να καθοριστεί αρχικά µε βάση την ποιότητα της βραχοµάζας. Για παράδειγµα, η διακλασµένη, τεµαχισµένη, ή κατακερµατισµένη βραχοµάζα θα πρέπει να είναι υγιής, σκληρή (υψηλής αντοχής σε µονοαξονική θλίψη) και καθαρή από λεπτόκοκκα και αργιλικά ή οργανικά υλικά. Εάν η θέση δεν χωροθετήται σε µία συγκεκριµένη και µοναδική περιοχή µε βάση τα ποιοτικά κριτήρια της βραχοµάζας, τότε είναι επιθυµητό να ξεχωρίζονται οι θέσεις των λατοµείων και οι δρόµοι προσπέλασής τους για την κάθε διαφορετική εργασία όπως είναι η κατασκευή του σώµατος του φράγµατος τα έργα προσαγωγού του φράγµατος, η κατασκευή του υπερχειλιστή ή η κατασκευή σταθµών «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 383

384 παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Θα πρέπει επίσης να δίδεται ιδιαίτερη προσοχή σε περιβαλλοντικούς παράγοντες όπως είναι ο θόρυβος, η δόνηση από τις εκρηκτικές ύλες και η σκόνη. Κατά τον σχεδιασµό της εκρηκτικής γόµωσης, θα πρέπει να εξετάζεται η µορφή της πηρούνας. Π.χ για τους λαστιχοφόρους φορτωτές είναι επιθυµητή µία πλατιά και χαµηλή πηρούνα που προεξέχει αρκετά έξω από την πρόσοψη για να ελαχιστοποιούνται οι δαπάνες φόρτωσης. Οι οδοί προσπέλασης θα πρέπει να κατασκευάζονται έτσι ώστε να ταιριάζουν µε την απαραίτητη ταχύτητα της κατασκευής, και αυτό περιλαµβάνει και το µέγεθος και τον αριθµό των µεταφορικών µέσων. Οι οδοί προσπέλασης θα πρέπει κατά προτίµηση να είναι τουλάχιστον 13 m πλάτους για την κυκλοφορία δύο οχηµάτων. Οι κλίσεις θα πρέπει να είναι τέτοιες ώστε να δίδουν το ελάχιστο δυνατόν κόστος στα σχετικά απαιτούµενα οχήµατα ώστε να αντεπεξέλθουν στις συνθήκες φόρτισής τους. Η καταλληλότερη γενική διάταξη και ο σχεδιασµός των οδών προσπέλασης και των κεκλιµένων ράµπων προσπέλασης µπορεί να διευκολυνθεί κατά πολύ µε την δηµιουργία προσοµοιωµάτων (µοντέλων) υπό κλίµακα Συµπύκνωση εδαφικών υλικών. Λεπτόκοκκα εδαφικά υλικά. Θα πρέπει να κατασκευάζονται δοκιµαστικά αναχώµατα για να προσδιορίζονται οι σχέσεις µεταξύ της περιεκτικότητας σε νερό ή ποσοστού υγρασίας, του πάχους στρώµατος, του τύπου του µηχανήµατος κυλίνδρωσης, του αριθµού περασµάτων του µηχανήµατος κυλίνδρωσης και της προκύπτουσας σχετικής πυκνότητας καθώς και της διαπερατότητας του εδαφικού υλικού επίχωσης. Η προσθήκη νερού κατά τη διάρκεια της συµπύκνωσης βελτιώνει συνήθως την υδατοστεγανότητα των υπολειµµατικών εδαφών κατά έναν παράγοντα της τάξης τουλάχιστον του δέκα σε σύγκριση µε τη συµπύκνωσή τους που εκτελείται προς την ξηρά πλευρά της βέλτιστης περιεκτικότητας σε νερό ή του βέλτιστου ποσοστού υγρασίας. Πλαστικοί άργιλοι. Όταν τα εδάφη αυτού του τύπου είναι λίγο υγρότερα από την βέλτιστη περιεκτικότητα σε νερό ή το βέλτιστο ποσοστό υγρασίας τους, µπορούν να συµπυκνωθούν µε λαστιχοφόρα µηχανήµατα κυλίνδρωσης, τα οποία είναι εφοδιασµένα µε µία δεξαµενή νερού και τροφοδοτούν το συµπυκνούµενο έδαφος. Ένα µειονέκτηµα των λαστιχοφόρων µηχανηµάτων κυλίνδρωσης είναι ότι µερικά εδαφικά υλικά τείνουν να διαµορφώνουν επίπεδα στρώσης και διάτµησης. εδοµένου ότι τα λεπτόκοκκα υλικά είναι συνήθως ευαίσθητα στην υγρασία θα πρέπει ο υπεύθυνος µηχανικός του εργοταξίου να είναι εξαιρετικά προσεκτικός µε τις καιρικές συνθήκες. Σε περίπτωση που αναµένεται δυνατή βροχή η επιφάνεια του λεπτόκοκκου εδαφικού υλικού θα πρέπει να κυλινδρώνεται οµαλά και µε ικανοποιητική κλίση ώστε να αποστραγγίζεται το νερό εύκολα χωρίς να λιµνάζει στην περιοχή εργασίας. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 384

385 Αποστραγγιστικά φίλτρα και µεταβατικές ζώνες. Το πάχος των ζωνών των αποστραγγιστικών φίλτρων και των ζωνών µετάβασης θα εξαρτηθεί τόσο από την πίεση νερού που αναµένεται να αναπτυχθεί όσο και από το κόστος των διαθέσιµων υλικών. Σε ένα µεγάλο φράγµα τα λεπτόκοκκα υλικά των αποστραγγιστικών φίλτρων προέρχονται συνήθως από θραυστό και κοσκινισµένο βράχο και είναι συνήθως ακριβά. Το πλάτος τους είναι συνήθως το στενότερο από µπορεί να τοποθετηθεί και να συµπυκνωθεί. Ο καθορισµός των ορίων τοποθέτησης της ζώνης των αποστραγγιστικών φίλτρων και µετάβασης είναι ένα πολύ σηµαντικό θέµα, ειδικά στα κυρτά φράγµατα µε µία λεπτή ζώνη λεπτόκοκκου φίλτρου. Ο αριθµός των περασµάτων του µηχανήµατος κυλίνδρωσης θα πρέπει να καθορίζεται έτσι ώστε η µελλοντική καθίζηση λόγω στερεοποίησης του αργιλικού πυρήνα και η καθίζηση της ζώνης των φίλτρων να πλησιάζουν όσο το δυνατόν περισσότερο η µία την άλλη. Συµπύκνωση θραυστού βράχου. Για την συµπύκνωση των βραχωδών υλικών θα πρέπει κανονικά να χρησιµοποιείται ένα µηχάνηµα δονητικής κυλίνδρωσης µε χαλύβδινη στεφάνη. Στα κεκλιµένα µέτωπα πρανών ένα µηχάνηµα κυλίνδρωσης 1,5 τόνου είναι πιο χρήσιµο και αποδοτικό. Το δε πάχος του στρώµατος της λιθοριπής καθώς και το µέγιστο αποδεκτό µέγεθος των χρησιµοποιούµενων λατυπών του βράχου είναι παράγοντες που θα πρέπει να εξετάζονται κατά το στάδιο του σχεδιασµού του φράγµατος. Χρήση νερού για την υποβοήθηση της συµπύκνωσης της λιθοριπής. Ένα υγρό βραχώδες υλικό συµπυκνώνεται καλύτερα όταν κυλινδρώνεται παρά ένα ξηρό βραχώδες υλικό. Κατά κύριο λόγο, η τριβή (δηλαδή η γωνία εσωτερικής τριβής) γίνεται µικρότερη µεταξύ των βραχωδών υλικών και επιπλέον σε πολλούς τύπους βραχωδών υλικών µειώνεται την αντοχή τους όταν βρέχονται µε αποτέλεσµα να εµφανίζεται συντριβή στα σηµεία της επαφής µεταξύ των κόκκων τους κατά τη διάρκεια του τρίτου ή του τέταρτου περάσµατος της κυλίνδρωσης και να συµπυκνώνονται καλύτερα. Πρόβλεψη για τοποθέτηση οργάνων µέτρησης. Το γεγονός αυτό συνήθως ενοχλεί την ταχύτητα κατασκευής του φράγµατος και µπορεί να προκαλέσει κάποιες σηµαντικές καθυστερήσεις στην εργασία του δοµικού εξοπλισµού που θα αποφέρει µε την σειρά του οικονοµικές απώλειες. Εντούτοις µπορεί να χαθούν ζωτικής σηµασίας πληροφορίες για τη συµπεριφορά και την ασφάλεια του φράγµατος εάν δεν δοθεί η απαιτούµενη προσοχή στην εγκατάστασή τους Χωµάτινα φράγµατα. Οι σηµαντικότερες µεταβλητές που έχουν επιπτώσεις στην κατασκευή των χωµάτινων αναχωµάτων είναι η κατανοµή των εδαφικών υλικών, η µέθοδος τοποθέτησής τους, η περιεκτικότητα σε νερό ή το ποσοστό υγρασίας τους, και η συµπύκνωσή τους. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 385

386 Τα εδάφη µπορούν να ταξινοµηθούν µε βάση τις εδαφοµηχανικές τους ιδιότητες σε διάφορες κατηγορίες. Αυτές οι κατηγορίες χωρίζονται σε δύο κύριες οµάδες µεγέθους εδαφικών κόκκων: τα χονδρόκοκκα ή αδρόκοκκα εδάφη και τα λεπτόκοκκα εδάφη. Τα χονδρόκοκκα ή αδρόκοκκα εδάφη είναι εκείνα τα εδάφη όπου το µέγεθος των κόκκων τους είναι µεγαλύτερο από το µέγεθος του κόσκινου µε αριθµό 200 και περιλαµβάνουν τα χαλίκια και τις άµµους. Τα λεπτόκοκκα εδάφη είναι εκείνα τα εδάφη όπου το µέγεθος των κόκκων τους είναι µικρότερο από το µέγεθος του κόσκινου µε αριθµό 200 και περιλαµβάνουν τις ιλύες και τις αργίλους. Τα χονδρόκοκκα ή αδρόκοκκα εδαφικά υλικά χρησιµοποιούνται στις εξωτερικές ζώνες ενός χωµάτινου αναχώµατος ή ενός φράγµατος αναχωµατικού τύπου, και τα λεπτόκοκκα εδαφικά υλικά χρησιµοποιείται στον αδιαπέρατο πυρήνα ή στο κεντρικό τµήµα του φράγµατος. Μια δοκιµή κοκκοµετρικής ανάλυσης µε κόσκινα θα προσδιορίσει το επί τοις εκατό ποσοστό ενός υλικού που περνά ένα δεδοµένο µέγεθος κόσκινων. Το εδαφικό υλικό θα πρέπει να τοποθετείται σε οριζόντια στρώµατα πάχους όχι περισσότερο των 15 cm και µετά να συµπυκνώνεται επαρκώς. Το εδαφικό υλικό θα πρέπει να είναι οµοιογενές και απαλλαγµένο από ενδιαστρωµένους φακούς ή ζώνες διαφορετικής σύστασης και κοκκοµετρικής σύνθεσης, από οργανικά υλικά, ή από άλλες ατέλειες. Πριν από την τοποθέτησή του, το υλικό θα πρέπει να έχει τη βέλτιστη περιεκτικότητα σε νερό ή ποσοστό υγρασίας µε σκοπό την βέλτιστη συµπύκνωσή του. Η βέλτιστη περιεκτικότητα σε νερό ή ποσοστό υγρασίας που παράγει τη µέγιστη δυνατή σχετική πυκνότητα ενός συγκεκριµένου εδαφικού υλικού, µπορεί να προσδιοριστεί µε κατάλληλες εργαστηριακές δοκιµές όπως είναι η δοκιµή κατά Proctor ή η τροποποιηµένη δοκιµή κατά Proctor. Η καλή συµπύκνωση ενός συνεκτικού εδάφους, όπως είναι η άργιλος ή η ιλύς µειώνει τη διαπερατότητα και αυξάνει τη διατµητική αντοχή και τη σταθερότητα και ευστάθεια των πρανών του φράγµατος. Ο εξοπλισµός για την συµπύκνωση των υλικών περιλαµβάνει µηχανήµατα κυλίνδρωσης τύπου κατσικοπόδαρου (sheep-foot rollers), πνευµατικών κυλίνδρων (pneumatic rollers), και χειροκίνητων συµπιεστών (hand tampers). Η ξηρή πυκνότητα του εδάφους δεν θα πρέπει να είναι µικρότερη από το 95 τοις εκατό της τυποποιηµένης δοκιµής κατά Proctor Φράγµατα υδραυλικής επίχωσης. Εκσκαφή. Εκτελείται µε βυθοκόρους, ή µε υδραυλικούς γιγάντιους εκσκαφείς ή εν ξηρώ µε την βοήθεια µίας άρπαγας. Η επιλογή της µεθόδου εξαρτάται από τη συνοχή και συνεκτικότητα του εδάφους και από την µορφολογία και τοπογραφία της περιοχής. Μεταφορά. Τα υλικά µεταφέρονται ως υδραυλικό αιώρηµα σε σωληνώσεις. Μία τυπική σύνθεση µίγµατος αποτελείται από 10 έως 20 % από στερεά κατ όγκο ή από 25 έως 50% από στερεά κατά βάρος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 386

387 Κατασκευή επίχωσης. Για να αρχίσει η επίχωση θα πρέπει να κατασκευάζονται δύο παράλληλα αναχώµατα επί ή ακριβώς µέσα στον πόδα του αναχώµατος όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Συνήθως αυτά µπορεί να είναι τα µόνιµα βραχώδη άκρα του αναχώµατος αλλά µπορεί επίσης να αποτελούνται και από κυλινδρωµένο διαπερατό εδαφικό υλικό. Οι σωληνώσεις (που ονοµάζονται σωληνώσεις «ακτών») τοποθετούνται επάνω από αυτά τα αναχώµατα ή φέρονται σε χαµηλά τρίποδα ακριβώς επάνω από αυτά. Παρέχονται εξαγωγές για να επιτρέπουν την πλήρη εκφόρτιση και αποστράγγιση του σωλήνα. Κατά την πλήρωση, αφήνονται διάφορες παρακείµενες εξαγωγές για να εκτονώνουν και να αποστραγγίζουν την περιοχή µεταξύ των αναχωµάτων. Τα χονδρόκοκκα υλικά καθιζάνουν κοντά στα σηµεία εκφόρτισης ενώ τα λεπτόκοκκα υλικά µεταφέρονται στο κέντρο, ακόµα σε αιώρηση. Κατ αυτόν τον τρόπο δηµιουργείται µια λίµνη µεταξύ των «ακτών». Το επίπεδο του πυρήνα είναι πάντα κάτω από το επίπεδο των «ακτών» επειδή ο ρυθµός ιζηµατογένεσης είναι εκεί πολύ πιο αργός. Σχήµα. ιάταξη κατασκευής χωµάτινου φράγµατος µε υδραυλική επίχωση. Στοιχεία και συστατικά µέρη κατασκευής ενός χωµάτινου φράγµατος µε υδραυλική επίχωση: Σωληνώσεις «ακτών», Ανάχωµα ποδός αρχής, Ανάχωµα ποδός τέλους, «Ακτή», Ανάχωµα, Σώµα φράγµατος, Λίµνη κατά την έναρξη µιας νέας υδραυλικής επίχωσης, Λίµνη κατά το πέρας µιας προηγούµενης υδραυλικής επίχωσης, Χονδρόκοκκο υλικό, Λεπτόκοκκο υλικό, «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 387

388 Το πλάτος του πυρήνα ελέγχεται από το ποσοστό των λεπτόκοκκων υλικών στο έδαφος των χρησιµοποιούµενων δανειοθαλάµων και την στάθµη του νερού στη κεντρική λίµνη του πυρήνα. Κατά την έναρξη κάθε υδραυλικής επίχωσης ύψους 1 έως 2 m, η στάθµη στη κεντρική λίµνη του πυρήνα ανυψώνεται και δηµιουργεί κάποιο πλάτος κάπως µεγαλύτερο από το µέγιστο όριο του πυρήνα επεκτεινόµενο εκατέρωθεν προς το σώµα του φράγµατος. Η πλήρωση αρχίζει όταν τα χονδρόκοκκα υλικά κατακάθονται (ιζηµατοποιούνται) στην «ακτή» επάνω από τη λίµνη και «καταπατούν» στα όρια της λίµνης. Καθώς η «ακτή» αυξάνεται η κεντρική λίµνη του πυρήνα στενεύει και γίνεται βαθύτερη. Η υδραυλική πλήρωση σταµατά όταν το πλάτος της λίµνης πλησιάσει το ελάχιστο επιτρεπόµενο πλάτος του πυρήνα. Κατ αυτόν τον τρόπο σχηµατίζεται µια ζώνη κεντρικού πυρήνα µε εκατέρωθεν οδοντωτές άκρες, όπως παρουσιάζεται στο παραπάνω σχήµα. Επαναλαµβάνοντας την διαδικασία της υδραυλικής επίχωσης. Είναι σπάνιο ότι η «ακτή» θα προσαρµοστεί επακριβώς στην επιθυµητή µορφή του φράγµατος όπως ακριβώς σχεδιάστηκε δεδοµένου ότι η υδραυλική απόθεση ποικίλει µε την απόσταση από την έξοδο της σωλήνωσης της υδραυλικής επίχωσης. Για τον λόγο αυτόν εκσκάπτονται και τοποθετούνται περιοριστικοί τάφροι στις εξωτερικές άκρες του σώµατος του φράγµατος ώστε να αναδιαµορφώνουν το φράγµα στις κατάλληλες και επιθυµιτέες διαστάσεις του, όπως προβλέφθηκαν κατά τον σχεδιασµό του. Κατόπιν κατασκευάζεται, όπου και όταν είναι απαραίτητο, ένα νέο ζευγάρι αναχωµάτων τέλους και αρχής, και κατ αυτόν τον τρόπο η διαδικασία επαναλαµβάνεται. Κατά διαστήµατα αναπτύσσονται προεξοχές αργιλικού υλικού του πυρήνα προς το σώµα του φράγµατος πέρα από τα προκαθορισµένα όρια. Αυτοί θα πρέπει να αφαιρούνται και να αποµακρύνονται µε εκσκαφή τους έξω από την ζώνη αυτή, και κατόπιν και αντικαταστώνται µε κατάλληλο υλικό του σώµατος του φράγµατος. Επίσης οι προεξέχουσες ζώνες από υλικό του σώµατος του φράγµατος προς τον πυρήνα είναι εξίσου επικίνδυνες και θα πρέπει να αποµακρύνονται. Αυτές οι προεξέχουσες ζώνες από υλικό του σώµατος του φράγµατος αναπτύσσονται από κατολισθήσεις που δηµιουργούνται πολλές φορές προς την αρκετά βαθιά λίµνη του κεντρικού πυρήνα ή ως αποτέλεσµα ενός πάρα πολύ µικρού ποσοστού διαθέσιµων λεπτόκοκκων υλικών στους χρησιµοποιούµενους δανειοθαλάµους. Για την εκσκαφή του υλικού του πυρήνα χρησιµοποιείται ένας µικρός υδραυλικός βυθοκόρος και στην συνέχεια εκφορτίζεται το µίγµα πίσω στη κεντρική λίµνη του πυρήνα έτσι ώστε τα χονδρόκοκκα υλικά να διασκορπιστούν ευρέως στην λεπτόκοκκη µάζα του υλικού του πυρήνα. Η επανάληψη του σώµατος του φράγµατος τείνει επίσης να µειώσει τη χαλαρή δοµή των δοµικών υλικών που αναπτύσσεται συχνά όταν εναποτίθενται υδραυλικά και ιζηµατοποιούνται λεπτόκοκκες άµµοι µέσα στο νερό. Τέτοια χαλαρά και µη συνεκτικά εδάφη (φ c = 0) είναι πιθανές πηγές αστοχιών και είναι πραγµατικοί κίνδυνοι για την υδραυλική κατασκευή φραγµάτων. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 388

389 Λιθόριπτα φράγµατα. Πιέσεις πόρων. Η υπερβολική προσπάθεια συµπύκνωσης σε σχέση µε ένα ιδιαίτερο εδαφικό υλικό µπορεί να προκαλέσει πιέσεις πόρων στο επίχωµα µεγαλύτερες από τις πιέσεις ανύψωσης ή υποπίεσης που θα προκύψουν από την πλήρωση του ταµιευτήρα. Αυτό θα σήµαινε έναν χαµηλότερο συντελεστή ασφάλειας κατά τη διάρκεια της κατασκευής από όταν είναι το φράγµα σε µόνιµη λειτουργία. Εάν αυτό δεν µπορεί να γίνει αποδεκτό από την άποψη της ασφάλειας του φράγµατος τότε θα πρέπει να ξοδευτούν πρόσθετα χρήµατα για να εξασφαλίσουν την ευστάθεια των πρανών του σώµατος του φράγµατος κατά τη διάρκεια της κατασκευής. Από την άλλη πλευρά, µια περιστροφική ολίσθηση των πρανών του σώµατος του φράγµατος κατά τη διάρκεια της κατασκευής δεν θα συγκρινόταν από την άποψη της σπουδαιότητας µε µια περιστροφική ολίσθηση σε ένα ολοκληρωµένο φράγµα µετά από την κατασκευή του. Εποµένως ο κίνδυνος αυτός θα µπορούσε να θεωρηθεί ως ένας δικαιολογηµένος και κατά κάποιο τρόπο αποδεκτός κίνδυνος σε σχέση µε τον βραχυπρόθεσµο χρόνο κατασκευής του σώµατος του φράγµατος. Εάν η ανάληψη αυτού του κινδύνου γίνει αποδεκτή τότε θα ήταν υποχρεωτικό να ελέγχονται και να παρακολουθούνται οι πιέσεις νερού πόρων έτσι ώστε να γίνει έγκαιρα γνωστό όταν ο συντελεστής ασφάλειας µειωθεί πολύ και πλησιάσει το ελάχιστο αποδεκτό όριό του σύµφωνα µε την µελέτη. Στην περίπτωση αυτή θα πρέπει να γίνει µείωση της πίεσης νερού πόρων κατά την διάρκεια της κατασκευής για να αποφευχθεί κάποια αστοχία του φράγµατος. Ένα πλεονέκτηµα του λεπτού αδιαπέρατου αργιλικού πυρήνα είναι ότι οι πιέσεις νερού πόρων κατά την κατασκευή θα έχουν µειωθούν κατά 50 % µέχρι το τέλος της περιόδου κατασκευής. Στους παχύς όµως αδιαπέρατους αργιλικούς πυρήνες, οι πιέσεις αυτές µπορούν να παραµείνουν σε υψηλά επίπεδα για χρόνια µετά την ολοκλήρωση της κατασκευής. Ακατέργαστη ή «στοιβασµένη» επίχωση (Dumped Rockfill). Με την µέθοδο αυτή το κύριο σώµα της επίχωσης τοποθετείται µε την πρακτική της ακατέργαστης ή «στοιβασµένης» επίχωσης (Dumped Rockfill). Το αρχικό µέρος της επίχωσης στοιβάζεται ακατέργαστα (δηλαδή πετιέται) από τους γερανούς τύπου «άρπαγας» ή «καλωδιαδρόµου», ή και από κεκλιµένες ράµπες στα αντερείσµατα του φράγµατος που διαµορφώνουν ένα ανάχωµα ή µια τράπεζα (πλατώ) απόθεσης. Το υπόλοιπο της επίχωσης στοιβάζεται ακατέργαστα (δηλαδή πετιέται) από την κορυφή αυτού του αναχώµατος, επιτρέποντας στο βράχο να πέσει κάτω κατρακυλώντας επί της επιφάνειας του σχηµατιζόµενου κεκλιµένου πρανούς. Η συνδυασµένη επίδραση της ολίσθησης, της πτώσης και της πρόσκρουσης κάνει τα κοµµάτια του υλικού της επίχωσης να ενσφηνώνονται αρκετά σφιχτά το ένα µε το άλλο µεταξύ τους µε αποτέλεσµα να συµπυκνώνουν κατά αυτόν τον τρόπο το τελικό προϊόν της επίχωσης. εν θα πρέπει να υπάρχουν στο υλικό της ακατέργαστης ή «στοιβασµένης» επίχωσης (Dumped Rockfill) λεπτόκοκκα εδαφικά υλικά σε ποσοστό µεγαλύτερο του 15%, δεδοµένου ότι αποτρέπουν την καλή «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 389

390 συµπύκνωση της επίχωσης και καθιστούν την αποστράγγιση του νερού ιδιαίτερα δύσκολη. Κυλινδρωµένη Λιθοριπή. Όταν ο βράχος είναι µαλακός και θραύεται εύκολα σε κοµµάτια µικρότερα από το ένα τρίτο του κυβικού µέτρου, µπορεί να χρησιµοποιηθεί η µέθοδος της κυλινδρωµένης Λιθοριπής. Στην περίπτωση αυτή η λιθοριπή τοποθετείται σε στρώµατα και κατόπιν κυλινδρώνεται χρησιµοποιώντας βαριά λαστιχοφόρα µηχανήµατα κυλίνδρωσης (οδοστρωτήρες) καθώς και βαριά µηχανήµατα δονητικής κυλίνδρωσης. Συνήθως απαιτούνται τέσσερα έως οκτώ περάσµατα του λαστιχοφόρου µηχανήµατος κυλίνδρωσης για να επιτευχθεί ένας καλός βαθµός συµπύκνωσης της επίχωσης ή λιθοριπής. Αναδιαµόρφωση της επίχωσης. Μία ακατέργαστη ή «στοιβασµένη» επίχωσης (Dumped Rockfill) δηµιουργεί κλίσεις µετώπων των πρανών τους που ισορροπούν σε µία κλίση της τάξης της γωνίας ανάπαυσης του υλικού, που ισούται περίπου µε την γωνία εσωτερικής τριβής (φ) του υλικού. Εάν απαιτείται µια πιο επίπεδη κλίση στα πρανή µπορεί να διαµορφωθεί µε χρήση ειδικών οριζοντίων παρακρηπίδων. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 390

391 11. ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ - ΑΣΚΗΣΕΙΣ Ερωτήσεις. Ερώτηση 1 η πολλαπλής επιλογής. Στην περίπτωση που ο λόγος του µήκους της χορδής προς το ύψος του φράγµατος στην στέψη του είναι κάτω από 3, και η βραχοµάζα στην ζώνη θεµελίωσης του φράγµατος είναι σε θέση να παραλάβει υψηλές τάσεις θεµελίωσης, καθώς και είναι εξασφαλισµένο ότι η θεµελίωση του φράγµατος δεν είναι σε θέση να αστοχήσει σε µοντέλο διατµητικής αστοχίας (δηλαδή αστοχία λόγω ολίσθησης του φράγµατος επί του εδάφους θεµελίωσής του), τότε ποία µορφή φράγµατος θα ήταν η περισσότερο κατάλληλη και θα προτείνατε, και γιατί; 1. Λιθόριπτο Φράγµα. 2. Λεπτό τοξωτό φράγµα ή Λεπτό φράγµα διπλής κυρτότητας - φράγµα θόλων (Cupola Dam). 3. Αντηριδωτό Φράγµα. 4. Φράγµα Πολλαπλών Θόλων. 5. Φράγµα Βαρύτητας από σκυρόδεµα. 6. Παχύ τοξωτό φράγµα. 7. Χωµάτινο Φράγµα Υδραυλικής Επίχωσης. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 391

392 Ερώτηση 2 η πολλαπλής επιλογής. Η εξεταζόµενη επίδραση αναφέρεται σε περιοδικές διακυµάνσεις της στάθµης της επιφάνειας νερού στον ταµιευτήρα ενός φράγµατος, θεωρείται ότι σχετίζεται µε ή τίθεται σε κίνηση από το διαλείποντα αέρα, τις ποικίλες ατµοσφαιρικές πιέσεις, τους σεισµούς ή την ανώµαλες εισροή και την εκροή του ύδατος. Αφότου αφαιρείται η παραγωγική επιρροή οι ταλαντώσεις υποχωρούν. 1. Τεκτονική Επίδραση. 2. Σεισµική Επίδραση. 3. Επίδραση έξαλλου τµήµατος του σώµατος του φράγµατος. 4. Επίδραση Seiche (Κυµατοειδής κίνηση του νερού στον ταµιευτήρα λόγω φυσικών αιτιών, όπως λόγω διακοπτόµενου (διαλείποντος) ανέµου, µεταβολών στην ατµοσφαιρική πίεση, σεισµού και κίνησης της γης). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 392

393 Ερώτηση 3 η πολλαπλής επιλογής. Ποιος τύπος υπερχειλιστή είναι αυτός που απεικονίζεται στο ακόλουθο σχήµα; 1. Βοηθητικός Υπερχειλιστής. 2. Υπερχειλιστής Βάσεως. 3. Υπερχειλιστής τύπου «σιφωνίου». 4. Υπερχειλιστής τύπου αυτοκαταστρεφόµενης κατασκευής υπερχείλισης έκτακτης ανάγκης (fuse-plug spillway). «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 393

394 11.2. εδουλευµένα Παραδείγµατα. εδουλευµένο Παράδειγµα 1. Υπολογίστε τον συντελεστή διατµητικής τριβής και τον συντελεστή ασφάλειας σε ανατροπή για την εγκάρσια τοµή του φράγµατος όπως φαίνεται στην συνέχεια: Φορτία Κατακόρυφα (V) Οριζόντια (H) Βραχίονας Ροπής (L) Ροπές (M D M R ) KN KN m KN.m Νερό Ίζηµα (Ιλύς) , Ίδιον βάρος (Α) , Ίδιον βάρος (Β) Υποπίεση ή Πίεση Ανύψωσης (α) Υποπίεση ή Πίεση Ανύψωσης (β) Υποπίεση ή Πίεση Ανύψωσης (γ) Άθροισµα V = KN Άθροισµα H = KN , Άθροισµα M D (Θετικές) = KN.m Άθροισµα M R (Αρνητικές) = KN.m «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 394

395 Συντελεστής ιατµητικής Τριβής: F sf ca + = ΣV tan(φ) ΣH F sf 500, tan(50) = = 4,20 (Ικανοποιητικός > 4) Έλεγχος σε Ανατροπή: F o ΣM = ΣM R D F o = = 1, (Ικανοποιητικός > 1,5) Συµπέρασµα: εν υφίσταται κανένας κίνδυνος ολίσθησης ή ανατροπής του φράγµατος. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 395

396 εδουλευµένο Παράδειγµα 2. Ευστάθεια σε ανατροπή. Ένα φράγµα βαρύτητας κινδυνεύει να ανατραπεί, να ολισθήσει ή να παρουσιάσει ρωγµές από τάσεις εφελκυσµού. Αν δεχθούµε ότι δεν υπάρχουν υποπιέσεις κάτω από το φράγµα, τότε οι δυνάµεις που τείνουν να ανατρέψουν το φράγµα είναι η συνισταµένη πίεση Η. Σε αντιστάθµισµα της πίεσης το φράγµα αντιπαραθέτει το βάρος του Β. Οι ροπές τους στο σηµείο Α είναι όπως φαίνονται στο παρακάτω σχήµα. Μ Β = Β 2/3 λ h Μ Η = Η h/3 αλλά Η = 1/2 γ h 2 και Β = 1/2 γ λ h 2 µε γ = 1 tn/m 3 και γ = 2,4 tn/m 3. Έτσι έχουµε: Μ Β = 2/3 1/2 γ λ 2 h 3 Μ Η = 1/2 γ h 2 h/3 και Μ Β / Μ Η > = 1,5 ή 2 γ' λ 2 > = 1,5 γ ή «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 396

397 λ 1,5 γ/2 γ' = 0,56 Αν δεχθούµε ότι στο φράγµα ασκούνται και δυνάµεις από την υποπίεση του νερού που διηθείται κάτω από το φράγµα, τότε υπολογίζεται στην παραπάνω σχέση και η ροπή ανατροπής της συνισταµένης δύναµης των υποπιέσεων. Αν συµβολίσουµε µε Μ αν τις ροπές στο σηµείο Α των δυνάµεων που τείνουν να ανατρέψουν το φράγµα και Μ Β τη ροπή του βάρους του φράγµατος, τότε ο λόγος Μ Β / Μ αν > κ που πρέπει να είναι µεγαλύτερος από το συντελεστή ασφάλειας σε ανατροπή, που δίνεται σε σχετικό πίνακα και ισούται µε 1,5. Αν υπολογιστεί τριγωνική η κατανοµή υποπιέσεων το λ παίρνει την τιµή λ = 0,80. Οι υποπιέσεις αντιµετωπίζονται µε τη δηµιουργία κατακόρυφων αποστραγγιστικών γεωτρήσεων που καταλήγουν στην στοά επισκέψεων κατά µήκος του φράγµατος. Πρόβληµα: Φράγµα βαρύτητας συγκρατεί ανάντη στήλη νερού ύψους 30,00 m. Η στέψη του φράγµατος έχει πλάτος 4,00 m και η ανάντη παρειά του είναι κατακόρυφη, όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήµα. εχόµαστε ότι αναπτύσσονται υποπιέσεις άνωσης στην βάση θεµελίωσης του φράγµατος που είναι ίσες µε το 60% της υδροστατικής πίεσης στο ανάντη άκρο της βάσης θεµελίωσης του φράγµατος, και 0% στο κατάντη άκρο της βάσης θεµελίωσής του, όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήµα. Σύµφωνα µε τους κανονισµούς, για να µην κινδυνεύει το φράγµα από ανατροπή, θα πρέπει ο λόγος των ροπών όλων των δυνάµεων ως προς το κατάντη άκρο του φράγµατος (Ο) να είναι µεγαλύτερος από 1,5. Οι δυνάµεις που ασκούνται ανά µέτρο µήκους φράγµατος είναι όπως φαίνονται στο ακόλουθο σχήµα. ίδονται: α) Μονάδα βάρους Σκυροδέµατος, γ c = 25 KN/m 3 ή 2,5 t/m 3. β) Μονάδα βάρους Νερού, γ w = 10 KN/m 3 ή 1,0 t/m 3. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 397

398 Ζητούνται: Ζητείται να βρεθεί το συνολικό πλάτος της βάσης θεµελίωσης του φράγµατος, ώστε το φράγµα να µην κινδυνεύει από ανατροπή (υπό την επίδραση των ασκούµενων ροπών όλων των δυνάµεων). Λύση: Οι δυνάµεις που ασκούνται ανά µέτρο µήκους φράγµατος είναι όπως φαίνονται στο παρακάτω σχήµα. ίνονται: α) Το βάρος Β 1, που είναι ίσο µε: Β 1 = γ' h b = 2,5 (t/m 3 ) 30,00 (m) 4,00 (m) Β 1 = 300 (t/m). β) Το βάρος Β 2 του τριγωνικού τµήµατος, που είναι ίσο µε: Β 2 = 1/2 γ' h x =2,5 (t/m 3 ) 30,00 (m) x/2 (m) «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 398

399 Β 2 = 37,5 x (t/m). γ) Η συνισταµένη πίεση Η του νερού, που ασκείται στην κατακόρυφη παρειά και είναι ίση µε: Η = ½ γ h 2 = 1/2 1 (t/m 3 ) 30 2 (m 2 ) Η = 450 (t/m) δ) Η συνισταµένη των υποπιέσεων Α που ασκείται στη βάση του φράγµατος είναι (δεχόµαστε υποπίεση το 60% της υδροστατικής στο κατώτερο σηµείο). Α = 1/2 γ 0,6 h (x+4) = ½ 1 (t/m 3 ) 0,6 30,00 (m) (x+4) (m) A = 9 (x+4) (t/m). Για να µην κινδυνεύει το φράγµα από ανατροπή, πρέπει ο λόγος των ροπών όλων των δυνάµεων προς το κατάντη άκρο του φράγµατος 0 να είναι µεγαλύτερος από 1,5 κ = Μ Β / M αν > 1,5 Μ 2x Β 1(x+ 2) + Β2 3 = h 2( x+ 4) Η + A x 2 Β κ = = 2 Μ αν 6x + 300x x και 25x x > = 1,5 (6x x ) 16x x 6294 >= 0 x > = 14 m άρα L > = = 18 m. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 399

400 εδουλευµένο Παράδειγµα 3. Ευστάθεια σε ολίσθηση. Ένα φράγµα µπορεί να ολισθήσει πάνω στη βάση του ή κατά ένα οποιοδήποτε οριζόντιο επίπεδο, όταν οι οριζόντιες δυνάµεις (ΣΗ) πάνω από το επίπεδο ολίσθησης είναι µεγαλύτερες από την αντίσταση των τριβών, που είναι ίσες µε: (V εφ(φ) + L C) = (Β-Α) εφ(φ) + L C όπου: V το σύνολο των κατακόρυφων δυνάµεων Φ γωνία εσωτερικής τριβής (για σκυρόδεµα εφ(φ) = 0,66 έως 0,75) Β ίδιον βάρος του φράγµατος Α συνισταµένη άνωση L το πλάτος του φράγµατος στη διατοµή ελέγχου C διατµητική αντοχή σκυροδέµατος (C = 50 Kg /cm 2 ) Μπορούµε δηλαδή να πούµε ότι, για να µην υπάρχει ολίσθηση, θα πρέπει (V εφ(φ) + L C) > Κ Η ή Σ(Β - Α). εφφ ΣΗ + L. C Κ όπου Κ συντελεστής ασφάλειας που πρέπει να είναι µεγαλύτερος από το συντελεστή ασφάλειας σε ολίσθηση, που δίνεται σε σχετικό πίνακα και ισούται µε 4. Για φράγµατα όπου η καταστροφή τους συνεπάγεται χάσιµο ανθρώπινων ζωών και άλλων σοβαρών επιπτώσεων ο συντελεστής λαµβάνεται ίσος µε 4. Ανάµεσα στο φράγµα και τη θεµελίωσή του, η αύξηση της αντίστασης σε ολίσθηση επιτυγχάνεται µε την βαθµιδωτή διαµόρφωση της επιφάνειας θεµελίωσης. Η αύξηση των τριβών κυρίως ανάµεσα σε δύο στρώσεις σκυροδέµατος επιτυγχάνεται µε τον προσεκτικό καθαρισµό της κάτω «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 400

401 επιφάνειας και τη διασπορά ενός λεπτού στρώµατος καθαρού τσιµέντου πριν από την έγχυση του σκυροδέµατος. Πρόβληµα: Να γίνει ο έλεγχος σε ολίσθηση στη βάση του φράγµατος του παρακάτω σχήµατος. ίδονται: Μονάδα βάρους Νερού, γ = 10 KN/m 3 ή 1,0 t/m 3. Μονάδα βάρους Σκυροδέµατος, γ = 2,5 t/m 3. Υποπιέσεις άνωσης = 60% της υδροστατικής πίεσης. Συνοχή του εδάφους θεµελίωσης του φράγµατος, c = 5000 KN/m 2 ή 5 MN/m 2 ή 500 t/m 2. Γωνία εσωτερικής τριβής του εδάφους θεµελίωσης του φράγµατος, φ = 35 ο => εφ(φ) = 0,70 Λύση: Α. Υπολογισµός φορτίων. 1. Η = ½ γ h 2 = ½ 1 (t/m 3 ) 30 2 (m) = 450 (t/m) 2. ΣΒ = Β 1 + Β 2 = 2,5 (t/m 3 ) 4 (m) 30(m) + ½ 2,5 (t/m 3 ) 30 (m) 16 (m) = 300 (t/m) (t/m) = 900 (t/m) 3. A = ½ γ h L = ½ 1 (t/m 3 ) (0,60 30) (m) 20 (m) = 180 (t/m) Αντικαθιστούµε τις τιµές αυτές στη σχέση και βρίσκουµε: «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 401

402 ( ) 0, = = 23,34> 4 Εποµένως δεν υπάρχει κίνδυνος ολίσθησης του φράγµατος πάνω στη βάση του. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 402

403 εδουλευµένο Παράδειγµα 4. Έλεγχος των αναπτυσσόµενων τάσεων. Αν Β είναι η κατακόρυφη δύναµη που ασκείται σε ένα οριζόντιο επίπεδο πλάτους b, τότε η µέση τάση στο επίπεδο θα είναι: σ 0 = B/b Η κατανοµή των τάσεων θα είναι οµοιόµορφη, µόνον αν η δύναµη ασκείται στο κέντρο της διατοµής. Αν η δύναµη ασκείται εκτός του κέντρου, τότε οι τάσεις στα δύο άκρα θα είναι: σ Ε = B/b (1 ± 6 e/b) µε e την εκκεντρότητα (e = ΣΜ/ΣΒ) Αν e = b/6 τότε από την πιο πάνω σχέση θα έχουµε σ Ε = 0 που σηµαίνει ότι, αν δεν θέλουµε εφελκυστικές τάσεις, η εκκεντρότητα δεν πρέπει να είναι µεγαλύτερη από e = b/6, ή πιο απλά η συνισταµένη πρέπει να περνάει κάπου µέσα από το µεσαίο ένα τρίτο της διατοµής. Πρόβληµα: Να γίνει έλεγχος τάσεων στη βάση του φράγµατος µε τα στοιχεία του προηγούµενου παραδείγµατος. Λύση. Β 1 = 300 (t/m), B 2 = 600 (t/m) Βρίσκουµε τις ροπές στο µέσο Κ της βάσης. Μ Β1 = 300 (t/m) 8 (m) = (tm/m) Μ Β1 = 600 (t/m) 0,67(m) = 402 (tm/m) M H = 450 (t/m) 10 (m)= (tm/m) ΣΜ = = (tm/m) «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 403

404 e = Μ/Β = /900 = -1,89 m το µείον σηµαίνει ότι η εκκεντρότητα βρίσκεται προς τα κατάντη του Κ. σ ΣΒ e 900 1,89 t t 1 ± 6 = 1 ± 6 = από+ 19,48 έως + 70, 51 2 b b m m = 2 Οι υποπιέσεις, που στο κατάντη άκρο του φράγµατος είναι µηδέν (όταν δεν υπάρχει νερό κατάντη) και στο ανάντη ίσες µε το 60% της υδροστατικής, µεταβάλλονται γραµµικά. Στην περίπτωση του παραδείγµατος θα είναι: σ κ = 0, σ α = 0,6 γ h = 0,6 1 (t/m 3 ) 30 (m) =18 (t/m 2 ) Έτσι η τάση στο ανάντη άκρο θα είναι: σ α = 19,48-18,00 = 1,48 (t/m 2 ), ενώ στο κατάντη σ κ = 70,51 + 0,00 = 70,51 (t/m 2 ) εν αναπτύσσονται εφελκυστικές τάσεις και συνεπώς δεν υπάρχει κίνδυνος ρηγµατώσεων. «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 404

405 «ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ» 405