ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΜΑΚΡΟΧΡΟΝΙΑΣ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΤΟΥ ΦΡΑΓΜΑΤΟΣ ΚΡΕΜΑΣΤΩΝ ΜΕ ΒΑΣΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΓΕΩΔΑΙΤΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΚΑΙ ΜΕΤΑΒΟΛΩΝ ΣΤΑΘΜΗΣ ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΣΤΥΛΙΑΝΗΣ Ι. ΠΥΘΑΡΟΥΛΗ Πολιτικού Μηχανικού, MSc. ΠΑΤΡΑ 2007
UNIVERSITY OF PATRAS SCHOOL OF ENGINEERING DEPARTMENT OF CIVIL ENGINEERING STUDY OF THE LONG-TERM BEHAVIOUR OF KREMASTA DAM BASED ON THE ANALYSIS OF GEODETIC DATA AND RESERVOIR LEVEL FLUCTUATIONS by STELLA I. PYTHAROULI Dpl. Cvl Engneer, M.Sc. Thess submtted to the Unversty of Patras for the Degree of Doctor of Phlosophy Patras, 2007
ΠΡΟΛΟΓΟΣ Μετά τις αστοχίες των φραγμάτων Μalpasset (1959) και Vaont (1963) έχει γίνει κατανοητό ότι η ασφάλεια των φραγμάτων απαιτεί τη συστηματική τους παρακολούθηση (montorng). Βασικός στόχος της παρακολούθησης είναι οι μεταβολές στη γεωμετρία του φράγματος, που αποτελούν ίσως και τη μοναδική παράμετρο που επηρεάζεται από το σύνολο των φορτίων που δρουν στην κατασκευή. Οι γεωδαιτικές μέθοδοι αποτελούν βασικό μηχανισμό ελέγχου της μεταβολής της γεωμετρίας. Παρότι όμως τουλάχιστον για τέσσερις δεκαετίες γίνονται συστηματικός ή έστω περιορισμένος έλεγχος εκατοντάδων ή χιλιάδων μεγάλων φραγμάτων (ύψους στέψης >15m, ταξινόμηση κατά ICOLD) σε όλο τον κόσμο, τα διαθέσιμα στοιχεία, μετρήσεις και αποτελέσματα των αναλύσεων τους, είναι στην καλύτερη περίπτωση πενιχρά. Ειδικότερα, τα διαθέσιμα δεδομένα συνήθως περιορίζονται σε αναφορές για μετακινήσεις της στέψης και στην περίοδο λίγο μετά την κατασκευή (περίοδος πρώτης πλήρωσης) και με βάση πολύ απλές μεθόδους επεξεργασίας των δεδομένων. Για το λόγο αυτό μια σειρά από σημαντικά ερωτήματα παραμένουν αναπάντητα: (1) Ποιος είναι ο μηχανισμός της μακροχρόνιας (>20 χρόνια) παραμόρφωσης των διαφόρων τύπων φραγμάτων; (2) Πώς μεταβάλλονται οι μετακινήσεις ενός φράγματος σε σχέση με παράγοντες όπως οι μεταβολές της στάθμης του ταμιευτήρα και αλλά και η γεωμετρία του ίδιου του φράγματος; Η διατριβή αυτή αποτελεί μια προσπάθεια να συμβάλλουμε στο να απαντηθούν τα παραπάνω ερωτήματα, η σημασία των οποίων είναι κεφαλαιώδους σημασίας για την ασφάλεια των φραγμάτων, τα περισσότερα από τα οποία στην Ευρώπη και αλλού βρίσκονται μάλλον σε στάδιο ή προστάδιο γήρανσης, και συνεπώς σε περίοδο αυξημένης επικινδυνότητας. Η έννοια της παραμόρφωσης δεν αντιμετωπίζεται με τη στενή έννοια του όρου αλλά αποκλειστικά ως μεταβολή της γεωμετρίας της κατασκευής λόγω διαφορικών μετακινήσεων. Η διατριβή αυτή εντάσσεται στα πλαίσια ενός έργου που χρηματοδοτήθηκε από τη Γενική Γραμματεία Έρευνας Τεχνολογίας και τη ΔΕΗ και βασίζεται σε ένα μοναδικό στον κόσμο αρχείο: τις καταγραφές των μετακινήσεων 25 σημείων ελέγχου εγκατεστημένων όχι μονάχα στη στέψη αλλά και στο ανάντη και κατάντη πρανές του
φράγματος των Κρεμαστών. Οι μετρήσεις αυτές καλύπτουν μια χρονική περίοδο μεγαλύτερη των 35 ετών (1966 2003) και περιόδους απότομης μεταβολής της στάθμης ταμιευτήρα ενός από τα μεγαλύτερα χωμάτινα φράγματα της Ευρώπης. Η μελέτη αυτή έχει τις εξής συνιστώσες: Πρώτον, τη συλλογή, τυποποίηση και αξιολόγηση των πρωτογενών γεωδαιτικών μετρήσεων ελέγχου του φράγματος αλλά και των μεταβολών της στάθμης του ταμιευτήρα, και δημιουργία αρχείων δεδομένων τεκμηριωμένης ακρίβειας και απαλλαγμένα από χονδροειδή και συστηματικά σφάλματα. Δεύτερο, την αναπαράσταση της ιστορίας του φράγματος όσον αφορά προβλήματα στη μέχρι τώρα λειτουργία του (διαρροές κτλ), μικροαστοχίες και επισκευές, αλλά και σημαντικά για το φράγμα γεγονότα όπως περίοδοι λειτουργίας των υπερχειλιστών κτλ. Τρίτο, διεξοδική διερεύνηση της διεθνούς βιβλιογραφίας με σκοπό της γνώση των μεθόδων και αποτελεσμάτων άλλων ερευνητών αλλά και την συγκριτική ανάλυση παραμέτρων που προκύπτουν από το φράγμα των Κρεμαστών με άλλα φράγματα. Τέταρτο, την αναζήτηση, χρησιμοποίηση και ανάπτυξη υπολογιστικών εργαλείων με σκοπό την επεξεργασία των ιδιόμορφων γεωδαιτικών δεδομένων (κυρίως μικρές ή μεγάλες χρονοσειρές με μεταβλητό ρυθμό δειγματοληψίας και κενά). Πέμπτο, την επεξεργασία των διαθέσιμων στοιχείων με βάση τις σημερινές τεχνολογικές δυνατότητες και απαιτήσεις και κύριο στόχο α) τη διερεύνηση της μακροχρόνιας τάσης (trend) παραμόρφωσης, β) ανάλυση των μετατοπίσεων σημείων ελέγχου στο πεδίο συχνοτήτων και χρόνου, αλλά και θέσης στο σώμα του φράγματος, γ) απόκριση του φράγματος στην ταυτόχρονη επίδραση παραμέτρων όπως η στάθμη ταμιευτήρα και η βροχόπτωση. Ελπίζεται ότι η εργασία αυτή καθαυτή θα αποδειχθεί χρήσιμη για την κατανόηση της συμπεριφοράς ενός από τα πλέον σημαντικά φράγματα διεθνώς, αλλά και ότι τα υπολογιστικά εργαλεία τα οποία αναπτύχθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν για το σκοπό αυτό θα αποδειχθούν χρήσιμα και για άλλες εφαρμογές.
ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η στιγμή που θα έγραφα το κομμάτι αυτό νόμιζα ότι δεν θα έφτανε ποτέ, τόσο που μερικές φορές αναρωτιόμουν γιατί ξεκίνησα να κάνω αυτό το διδακτορικό. Τώρα που κατάφερα να φτάσω στο τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω μέσα από την καρδιά μου όλους εκείνους που με βοήθησαν να ολοκληρώσω αυτή τη δουλειά. Πρώτα θα ήθελα να πω ένα μεγάλο ευχαριστώ στον επιβλέποντα αυτής της διατριβής Αναπλ. Καθηγητή κ. Ευστάθιο Στείρο. Η ολοκλήρωση αυτής της διατριβής έγινε πραγματικότητα χάρις τη δική του συνεργασία, καθοδήγηση και ενθάρρυνση όλα αυτά τα χρόνια. Οι συμβουλές και οι προτάσεις του κατά τη διάρκεια της ανάλυσης καθώς επίσης οι διορθώσεις των κειμένων κατά τη συγγραφή βελτίωσαν σημαντικά την τελική μορφή αυτής της διατριβής. Κ. Στείρο, ευχαριστώ πολύ για το συνεχές ενδιαφέρον σας για την πρόοδο της δουλειάς μου, για τις εποικοδομητικές συζητήσεις μας, για τις πολύτιμες συμβουλές σας και την ικανότητά σας να ρίχνετε πάντα άπλετο φως σε οτιδήποτε φάνταζε απόλυτο σκοτάδι. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τα μέλη της τριμελούς συμβουλευτικής επιτροπής του διδακτορικού μου, καθηγητές κ. Βασίλειο Καλέρη και κ. Μιχάλη Βραχάτη για τα εποικοδομητικά τους σχόλια και παρατηρήσεις. Σημαντική ήταν η συμβολή του προσωπικού της ΔΕΗ στην συλλογή των δεδομένων που χρησιμοποίησα στη διατριβή μου καθώς επίσης πληροφοριών σχετικά με την ιστορία του φράγματος. Ευχαριστώ πολύ για τη βοήθειά τους τους κ.κ Γ. Λέρη, Δ/ντη Εκμετάλλευσης Υδροηλεκτρικών Έργων, Κ. Σκούρτη, τέως Τομεάρχη Ασφάλειας Υδροηλεκτρικών Έργων, Α. Κουντούρη Τομεάρχη Ασφάλειας Υδροηλεκτρικών Έργων και Φ. Στρεμμένο, Μηχανικό Δ/νσης Υδροηλεκτρικών Έργων της ΔΕΗ καθώς επίσης και πολυάριθμους υπαλλήλους της ΔΕΗ τόσο στα κεντρικά όσο και στον ΥΗΣ Κρεμαστών. Δεν θα μπορούσα να μην ευχαριστήσω όλους όσους βρίσκονται και εργάζονται στο Εργαστήριο Γεωδαισίας και Γεωδαιτικών Εφαρμογών όπου και πραγματοποίησα ολόκληρη σχεδόν τη μελέτη μου. Τον κ. Παναγιώτη Τριανταφυλλίδη για την συμβολή του σε ότι δυσκολίες αντιμετώπισα με την τεχνολογία, την κα. Ρένα Καμπέρη για τη βοήθειά της σε διοικητικά θέματα και όχι μόνο, την Δρ. Βαΐα Κοντογιάννη που πάντοτε μοιράζονταν μαζί μου τις πρόσφατες εμπειρίες της στην πραγματοποίηση μιας διδακτορικής διατριβής, την κα. Άννα
Νικητοπούλου, τον κ. Παναγιώτη Ψιμούλη και την κα. Ευαγγελία Κοκκίνου που μοιράστηκαν μαζί μου τον ίδιο χώρο εργασίας, για τη συμπαράστασή τους και τη βοήθειά τους σε ότι και αν χρειάστηκα. Θα ήταν παράληψη να μην ευχαριστήσω τον κ. Γιώργο Παπαγιαννόπουλο που μέσα από τις συζητήσεις μας στα διαλείμματα για καφέ συνέβαλλε στην καλύτερη κατανόηση τεχνικών και μαθηματικών/υπολογιστικών θεμάτων που με απασχολούσαν. Ένα πολύ μεγάλο ευχαριστώ στους γονείς μου, Γιάννη και Πέρσα που είναι πάντα δίπλα μου, με συμβουλεύουν και με στηρίζουν ηθικά, συναισθηματικά και οικονομικά και στην αδερφή μου Χαρά που πάντα πίστευε σε μένα και τις δυνατότητές μου, ίσως μερικές φορές περισσότερο και από τον ίδιο μου τον εαυτό. Τέλος ευχαριστώ όλους τους φίλους μου που έγιναν οι δικοί μου άνθρωποι μέσα στα χρόνια που πέρασαν εδώ στην Πάτρα και κυρίως τη Μυρτώ, το Μιχάλη και τον Jock για τη φιλία τους, τις ατέλειωτες συζητήσεις μας και την ικανότητά τους να μου ανεβάζουν το ηθικό όταν πολλές φορές όλα φαίνονταν να καταλήγουν σε αδιέξοδο. Σας ευχαριστώ θερμά όλους Πάτρα 2007 v
ΠΕΡΙΛΗΨΗ Για τέσσερις τουλάχιστον δεκαετίες η παρακολούθηση (montorng) των φραγμάτων αποτελεί βασική προϋπόθεση για τη διασφάλιση της σωστής λειτουργίας τους και την αποφυγή αστοχιών οι οποίες δεν είναι μεν πολύ συχνές έχουν όμως εξαιρετικά μεγάλη ένταση καταστροφικών αποτελεσμάτων, πρωτογενών και δευτερογενών. Η παρακολούθηση των φραγμάτων είναι ιδιαίτερα σημαντική κατά τη διάρκεια δύο περιόδων αυξημένου κινδύνου αστοχιών: (1) της πρώτης πλήρωσης (που μπορεί να επιτελείται τμηματικά, σε περιόδους που απέχουν μέχρι και δεκαετίες, όπως στην περίπτωση του φράγματος των Κρεμαστών) και (2) της γήρανσης (κατά μέσο όρο μερικές δεκαετίες μετά την πρώτη πλήρωση). Σημαντικό τμήμα της παρακολούθησης αυτής καλύπτουν γεωδαιτικές μέθοδοι που αφορούν την καταγραφή των μετακινήσεων σημείων ελέγχου εγκατεστημένων μόνιμα πάνω στο φράγμα με στόχο την ανίχνευση τυχόν παραμορφώσεων (αλλαγή της γεωμετρίας) στο σώμα του φράγματος αλλά και τυχόν μετατόπισή του από το πεδίο θεμελίωσης. Παρότι η συστηματική παρακολούθηση είναι εξαιρετικά διαδεδομένη, υπάρχει εξαιρετική σπάνις δεδομένων και συστηματικών μελετών σχετικά με τη μακροχρόνια συμπεριφορά των φραγμάτων για διάφορους λόγους (σκόπιμη απόκρυψη στοιχείων, κακή ποιότητα καταγραφών κτλ.). Στην πλειοψηφία τους τα διαθέσιμα στοιχεία αφορούν κυρίως την περίοδο της πρώτης πλήρωσης με τις μετακινήσεις να καλύπτουν διάστημα < 10 ετών. Βασικός στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η μελέτη των γεωδαιτικών στοιχείων του Φράγματος Κρεμαστών, ενός από τα μεγαλύτερα χωμάτινα φράγματα στην Ευρώπη (ύψος 160m και μήκος στέψης 456m) και ενός φράγματος σε δυσμενές σεισμοτεκτονικό και γεωλογικό περιβάλλον (έντονη σεισμικότητα, ανομοιογενή θεμέλια, με υλικά διαπερατά και τεκτονισμένα), με σκοπό να διερευνηθούν: (1) Οι λεπτομέρειες της παραμόρφωσης του φράγματος βάσει μακροχρόνιων δεδομένων γεωδαιτικά καταγεγραμμένων μετατοπίσεων (> 30 ετών) (2) Ο συσχετισμός των μετακινήσεων με τη στάθμη της λίμνης, τη βροχόπτωση και μικροαστοχίες ή πλημμύρες που εμφανίστηκαν. Τα διαθέσιμα γεωδαιτικά στοιχεία κάλυπταν τη χρονική περίοδο Ιούνιος 1966 Μάιος 2003 και περιελάμβαναν τις οριζόντιες αποκλίσεις από ευθυγραμμία και τις v
κατακόρυφες μετακινήσεις ως προς μια χωροσταθμική αφετηρία 25 σημείων ελέγχου εγκατεστημένων στη στέψη και τα πρανή του φράγματος. Ήταν επίσης διαθέσιμες οι παρατηρήσεις της στάθμης ταμιευτήρα και οι τιμές της βροχόπτωσης στην περιοχή του φράγματος. Οι συνολικές οριζόντιες αποκλίσεις των σημείων ελέγχου στη χρονική περίοδο που εξετάστηκε έφτασαν τα 30cm και οι συνολικές κατακόρυφες μετακινήσεις τα 77cm. Η ακρίβεια των μετακινήσεων εκτιμήθηκε πολύ καλύτερη από 1mm για τις οριζόντιες αποκλίσεις και 1.3mm για τις κατακόρυφες μετακινήσεις. Από την ανάλυση στο πεδίο του χρόνου προέκυψε ότι οι παρατηρήσεις μπορούν να προσεγγιστούν με ένα πολυώνυμο 4 ου βαθμού εντός του χρονικού διαστήματος που καλύπτουν οι μετρήσεις. Οι παραμορφώσεις είναι μόνιμες, ενώ παρουσιάζουν τάση για σταθεροποίηση. Το εύρος των μετακινήσεων δεν κρίνεται ανησυχητικό λαμβάνοντας υπόψη την ηλικία του φράγματος (> 40 χρόνων). Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσίασε η συνεχής κίνηση προς τα ανάντη πέντε σημείων έλεγχου στο κατάντη πρανές. Πιθανότερη αιτία εκτιμήθηκε ότι αποτελούν οι διαρροές στο φράγμα που συγκεντρώνονται στη σήραγγα αποστράγγισης σε θέση κοντά στα εν λόγω σημεία. Για τη διερεύνηση της επίδρασης της στάθμης ταμιευτήρα και της βροχόπτωσης στις μετακινήσεις του φράγματος εφαρμόστηκε αρχικά φασματική ανάλυση με σκοπό τον προσδιορισμό των κύριων περιόδων των διαθέσιμων παρατηρήσεων. Χρησιμοποιήθηκαν (α) οι μετασχηματισμοί Fourer, όπου το επέτρεπαν οι συνθήκες και (β) το κανονικοποιημένο περιοδόγραμμα Lomb. Για την εφαρμογή του τελευταίου αναπτύχθηκε ειδικό λογισμικό σε γλώσσα προγραμματισμού Fortran. Η φασματική ανάλυση των τιμών της στάθμης του ταμιευτήρα κατέληξε στον προσδιορισμό > 10 κύριων περιόδων με εμφανώς υπερέχουσα την ετήσια. Οι κύριες περίοδοι που εντοπίστηκαν για τις τιμές της βροχόπτωσης αντιστοιχούσαν στην ετήσια και τη χειμερινή συνιστώσα. Όπως ήταν αναμενόμενο, οι μετακινήσεις των σημείων ελέγχου δεν παρουσίαζαν περιοδικότητα. Στη συνέχεια εφαρμόστηκε ανάλυση στο πεδίο χρόνου συχνοτήτων με εφαρμογή των Μετασχηματισμών Ζ κυματιδίων με βάρη. Η μέθοδος οδήγησε στο συσχετισμό κάποιων από τα μέγιστα που εντοπίστηκαν στο φασματόγραμμα της στάθμης του ταμιευτήρα με συγκεκριμένα συμβάντα όπως π.χ. το άνοιγμα των θυρών των υπερχειλιστών. Με χρήση της μεθόδου γραμμικής συσχέτισης και ενός hgh-pass φίλτρου προσδιορίστηκαν οι κρίσιμες τιμές (thresholds) για τη στάθμη λίμνης και τη v
βροχόπτωση πέρα από τις οποίες ο ρυθμός μεταβολής των καθιζήσεων φαίνεται να αυξάνει υπερβολικά. Διαπιστώθηκε ότι για στάθμες λίμνης > 270m και βροχόπτωση > 130mm/μήνα οι καθιζήσεις της στέψης αυξάνονται σημαντικά. Δεδομένου ότι η στάθμη ταμιευτήρα πήρε για πρώτη φορά τη μέγιστη τιμή της 28 χρόνια μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής του φράγματος κατέστη δυνατή η μελέτη της απόκρισης του φράγματος σε συνθήκες πρώτης πλήρωσης κάτι που υπό άλλες συνθήκες δεν θα ήταν εφικτό καθώς οι μετρήσεις των μετακινήσεων ξεκίνησαν σχεδόν ένα χρόνο μετά το κλείσιμο της σήραγγας εκτροπής. Διαπιστώθηκε ότι η ανύψωση της στάθμης σε τόσο υψηλά επίπεδα αύξησε σημαντικά το ρυθμό των καθιζήσεων. Το φαινόμενο ήταν περισσότερο έντονο για τα σημεία της στέψης. Εκτός από την ανάλυση των δεδομένων, έγινε μία σχεδόν πλήρης καταγραφή, αξιολόγηση και ταξινόμηση των διαθέσιμων στη διεθνή βιβλιογραφία μελετών φραγμάτων με βάση γεωδαιτικά δεδομένα. Από τη βιβλιογραφική αυτή προσέγγιση προσδιορίστηκε ένα εύρος κρίσιμων τιμών (0.8 1%) για την αναμενόμενη καθίζηση της στέψης ως ποσοστό του ύψους του φράγματος. Για την περίπτωση του φράγματος των Κρεμαστών το ποσοστό αυτό είναι ίσο με 0.48% αρκετά χαμηλότερα από το ανώτατο όριο του 1%. Δεδομένου ότι το φράγμα των Κρεμαστών είναι ηλικίας > 40 ετών και επομένως αυξημένης κατά τεκμήριο επικινδυνότητας, προτείνεται η συνέχιση της παρακολούθησης των μετακινήσεών του και η ενίσχυσή τους με όργανα νεότερης τεχνολογίας κυρίως GPS των οποίων έχει γίνει πιλοτική μόνο εφαρμογή. Επιπλέον, λαμβάνοντας υπόψη ότι μέχρι σήμερα δεν έχει επιχειρηθεί η πρώτη πλήρωση του φράγματος στο επίπεδο που προέβλεπε η μελέτη λόγω αύξησης των διαρροών σε μη επιτρεπτά επίπεδα προτείνεται η ανάπτυξη ενός τρισδιάστατου μοντέλου που να προβλέπει την εξέλιξη των μετακινήσεων στο χώρο και τη συμπεριφορά του πυρήνα για υψηλές στάθμες λίμνης. Τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής μπορούν να αποτελέσουν τη βάση για τη δημιουργία ενός τέτοιου μοντέλου. v
SUMMARY Montorng has proved to be crucal for the safety of dams. Geodetc methods play an mportant role on ths. The am of geodetc montorng s the detecton of any change on the dam geometry as well as any dsplacements of ts foundatons. Despte the fact that dams are systematcally montored for the last decades, long-term montorng records and ther analyses are extremely rare n the lterature. The majorty of avalable data cover only the perod of the frst fllng or a few years later (< 10 years). The am of ths study was the analyss of the geodetc montorng record of Kremasta Dam, one of the hghest earthfll dams n Europe (160m hgh and 456m long) for the frst tme after ts constructon. The avalable data cover a perod of > 35 years (1966 2003) and consst of the horzontal deflectons and vertcal dsplacements of 25 control statons establshed on the crest and the body of the dam relatve to reference ponts on stable ground as well as the reservor level fluctuatons and the ranfall heght at the dam area. Maxmum horzontal deflecton was equal to 30cm whle maxmum vertcal dsplacements were up to 77cm. The accuracy of the data was found to be better than 1mm for horzontal deflectons and 1.3mm for vertcal dsplacements. Analyss n the tme doman revealed that dsplacements can be descrbed by a 4 th degree polynomal and have a tendency of stablzaton. The ampltude of dsplacements s normal compared to the age of the dam. On the other hand, a part of the downstream slope was found to move systematcally upstream. Ths phenomenon s possbly due to leakage that can be up to 200lt/sec. Spectral analyss usng Fourer Transforms and Lomb Perodogram was appled n order to nvestgate the effects of reservor level fluctuatons and ranfall on the behavour of Kremasta dam. A domnant perod of 1 year was found present n reservor level and ranfall tmeseres whle no perodcty was detected n the values of dsplacements. Tme-frequency analyss usng Weghted Wavelet Z Transforms revealed that there s a relatonshp between some of the peaks of the obtaned spectrogram and specfc events e.g. the operaton of spllways n 1996. A hgh-pass flter n combnaton wth lnear correlaton method was appled n order to defne the crtcal values for (1) reservor level elevaton, (2) rate of reservor v
level fluctuatons and (3) ranfall rate above whch the settlement rate of the crest ncreases sgnfcantly. These thresholds are equal to 270m, 1.3m/month and 130mm/month respectvely. Statstcal analyss of the crest settlements of > 40 earthfll dams (up to 30 years old) wth central clay core revealed that crest settlements of up to 0.8 1% of dam heght can be consdered to be normal. In case of Kremasta Dam ths percentage s up to 0.48% whch s wthn safety lmts. Kremasta Dam s > 40 years old and thus the contnuaton of montorng ts dsplacements s suggested n order to ensure the dam s safety. Geodesy Laboratory of Patras Unversty and Publc Power Corporaton are workng on the desgn of a new geodetc montorng system of Kremasta Dam based on modern nstruments lke GPS. Results of ths study, the frst study of the long-term behavour of Kremasta Dam, could also be used n the development of a 3-D model for predcton of the dam s dsplacements and the behavour of the clay core under hgh water levels. x
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κατάλογος Σχημάτων Κατάλογος Πινάκων σελ. v x xv xx 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ 1.2 ΤΥΠΟΙ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ 1.3 ΑΣΤΟΧΙΕΣ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ 1.4 ΠΑΘΟΛΟΓΙΑ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ 1.5 Η ΣΥΣΤΗΜΑΤΙΚΗ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ (MONITORING) ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ ΩΣ ΠΡΟΫΠΟΘΕΣΗ ΑΠΟΦΥΓΗΣ ΑΣΤΟΧΙΩΝ 1.5.1 Παρακολούθηση χωμάτινων φραγμάτων 1.5.2 Παρακολούθηση της αλλαγής της γεωμετρίας του φράγματος 1.5.2.1 Σχεδιασμός δικτύου ελέγχου μετακινήσεων 1.5.2.2 Μέτρηση μετακινήσεων 1.6 ΜΕΛΕΤΕΣ ΓΕΩΔΑΙΤΙΚΩΝ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΩΝ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ: Η ΜΕΧΡΙ ΤΩΡΑ ΕΜΠΕΙΡΙΑ 1.7 ΤΥΠΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΕΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ 1.7.1 Χωμάτινα φράγματα 1.7.2 Φράγματα από σκυρόδεμα 1.8 ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΓΕΩΔΑΙΤΙΚΩΝ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΩΝ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ: ΟΙ ΜΕΧΡΙ ΣΗΜΕΡΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 1.8.1 Ανάλυση συμπεριφοράς φραγμάτων στο Ελλαδικό χώρο: Η μέχρι τώρα εμπειρία 1.8.1.1 Φράγμα Μόρνου 1.8.1.2 Φράγμα Λάδωνα 1.8.1.3 Φράγμα Θησαυρού 1.8.1.4 Άλλα Φράγματα 1.8.2 Φράγμα Κρεμαστών 1.8.3 Παραμόρφωση φραγμάτων: Τελικά πόσο καλά τη γνωρίζουμε; 1.9 ΣΥΜΒΟΛΗ ΤΗΣ ΠΑΡΟΥΣΑΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ ΣΤΗ ΓΝΩΣΗ ΤΩΝ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΕΩΝ ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ 2. ΜΕΛΕΤΕΣ ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΕΩΝ ΧΩΜΑΤΙΝΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ 2.1 ΦΡΑΓΜΑ ATATURK (ΤΟΥΡΚΙΑ) 2.1.1 Γενικά Χαρακτηριστικά 2.1.2 Προβλήματα σταθερότητας 1 1 2 3 6 7 9 12 12 13 16 24 24 25 26 27 28 28 28 28 29 29 30 32 32 32 32 x
2.1.3 Αίτια μεγάλων καθιζήσεων 2.2 ΦΡΑΓΜΑ BELICHE (ΠΟΡΤΟΓΑΛΙΑ) 2.2.1 Γενικά Χαρακτηριστικά 2.2.2 Προβλήματα σταθερότητας 2.2.3 Αίτια παραμορφώσεων 2.3 ΦΡΑΓΜΑ WEST (ΗΠΑ) 2.3.1 Γενικά Χαρακτηριστικά 2.3.2 Παραμορφώσεις και αίτια παραμορφώσεων 2.4 ΦΡΑΓΜΑ ΜΟΡΝΟΥ (ΕΛΛΑΔΑ) 2.4.1 Γενικά Χαρακτηριστικά 2.4.2 Παραμορφώσεις του φράγματος 2.5 ΦΡΑΓΜΑ ΚΑΣΤΡΑΚΙΟΥ (ΕΛΛΑΔΑ) 2.5.1 Γενικά Χαρακτηριστικά 2.5.2 Αποτελέσματα προκαταρκτικής μελέτης μετακινήσεων 2.6 ΆΛΛΑ ΦΡΑΓΜΑΤΑ 2.7 ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΑΝΑΜΕΝΟΜΕΝΗΣ ΚΑΘΙΖΗΣΗΣ ΥΨΟΥΣ ΦΡΑΓΜΑΤΟΣ 3. ΦΡΑΓΜΑ ΚΡΕΜΑΣΤΩΝ 3.1 ΘΕΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ - ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ 3.2 ΤΕΧΝΙΚΟ-ΓΕΩΛΟΓΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ 3.2.1 Γεωλογικά στρώματα στη θέση του φράγματος 3.2.2 Ρήγματα στην περιοχή του φράγματος 3.3 ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΟΥ ΦΡΑΓΜΑΤΟΣ ΤΩΝ ΚΡΕΜΑΣΤΩΝ 3.3.1 Κατασκευή 3.3.2 Πλήρωση του ταμιευτήρα 3.3.3 Προβλήματα λειτουργίας 3.3.3.1 Σεισμικότητα 3.3.3.2 Διαρροές 3.3.3.3 Παραμορφώσεις στέψης 3.3.4 Λειτουργία του υπερχειλιστή 3.4 ΣΗΜΑΝΤΙΚΟΤΗΤΑ - ΕΠΙΚΙΝΔΥΝΟΤΗΤΑ ΦΡΑΓΜΑΤΟΣ 3.4.1. Πιθανές επιπτώσεις αστοχίας του φράγματος Κρεμαστών 4. ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΤΟΥ ΦΡΑΓΜΑΤΟΣ ΚΡΕΜΑΣΤΩΝ 4.1 ΔΙΑΡΡΟΕΣ 4.2 ΥΔΡΟΣΤΑΤΙΚΕΣ ΠΙΕΣΕΙΣ ΣΤΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ 4.3 ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΕΙΣ 4.3.1 Οπτική παρακολούθηση 4.3.2 Παρακολούθηση με γεωτεχνικά μέσα 4.3.3 Παρακολούθηση με γεωδαιτικά μέσα 4.3.3.1 Μέτρηση σχετικών μετακινήσεων 4.3.3.2 Μέτρηση απόλυτων μετακινήσεων σελ. 34 34 34 35 35 36 36 36 37 37 37 38 38 39 39 40 45 45 48 49 50 51 51 52 52 52 54 59 60 61 62 63 63 64 64 65 65 65 66 67 x
5. ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΑΝΑΛΥΣΗΣ 5.1 ΜΟΡΦΗ ΤΩΝ ΑΡΧΕΙΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ 5.2 ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ 5.2.1 Μέτρηση των οριζόντιων αποκλίσεων 5.2.2 Μέτρηση κατακόρυφων μετακινήσεων 5.2.3 Συχνότητα μετρήσεων των μετακινήσεων 5.2.4 Μέτρηση του υψομέτρου της στάθμης της λίμνης 5.2.5 Μέτρηση ύψους βροχής 5.2.6 Ακρίβεια των μετρήσεων 5.2.6.1 Ακρίβεια οριζόντιων μετακινήσεων 5.2.6.2 Ακρίβεια των κατακόρυφων μετακινήσεων 5.3 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΤΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ 6. ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ 6.1 ΕΞΟΜΑΛΥΝΣΗ ΧΡΟΝΟΣΕΙΡΩΝ 6.1.1 Kινητός μέσος όρος 6.2 ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ ΚΑΜΠΥΛΗΣ ΣΕ ΔΕΔΟΜΕΝΑ 6.2.1 Νόρμες l 1, l 2 και l : Εξισώσεις 6.2.1.1 Νόρμες l 1, l 2 και l : Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα 6.2.2 Μέθοδος Ελαχίστων Τετραγώνων 6.2.3 Αξιολόγηση προσαρμογής 6.2.3.1 Έλεγχος κανονικής κατανομής 6.3 ΡΥΘΜΟΣ ΜΕΤΑΒΟΛΗΣ 6.3.1 Ρυθμός μεταβολής των τιμών μιας χρονοσειράς 6.4 ΕΤΕΡΟΣΥΣΧΕΤΙΣΗ (CROSS-CORRELATION) 6.4.1 Διαδικασία εφαρμογής της μεθόδου 6.4.2 Προϋποθέσεις εφαρμογής της μεθόδου ετεροσυσχέτισης 6.4.3 Στατιστική σημαντικότητα τιμών συντελεστή ετεροσυσχέτισης 6.5 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΟΡΙΑΚΩΝ ΤΙΜΩΝ (THRESHOLDS - ΚΑΤΩΦΛΙΑ) ΣΤΗΝ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ 6.6 ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 6.6.1 Μετασχηματισμοί Fourer 6.6.1.1 Παρουσία Θορύβου 6.6.1.2 Αντιμετώπιση του θορύβου με τη χρήση παραθύρων (wndows) 6.6.2 Κανονικοποιημένο Περιοδόγραμμα Lomb 6.7 ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΧΡΟΝΟΥ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ 6.7.1 Μετασχηματισμός Fourer κατά τμήματα (Short tme Fourer Transform) 6.7.2 Μετασχηματισμοί Κυματιδίων 6.7.2.1 Ορισμός μετασχηματισμού κυματιδίου (wavelet transform, WT) 6.7.2.2 Διάκριση μετασχηματισμών κυματιδίων 6.7.2.3 Επιλογή κυματιδίου 6.7.3 Εφαρμογή μετασχηματισμών κυματιδίων στην περίπτωση μη ισαπέχοντων δεδομένων 6.7.3.1 Μετασχηματισμός Z κυματιδίου με βάρη 6.8 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΝΕΟΥ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ ΦΑΣΜΑΤΙΚΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ 6.8.1 Το πρόβλημα σελ. 69 69 71 72 73 74 74 74 75 75 76 77 79 79 80 80 81 83 84 84 86 88 88 89 89 90 91 91 93 93 95 96 96 99 100 101 101 103 105 105 106 107 108 x
6.8.2 Ήδη υπάρχοντες κώδικες 6.8.3 Ο κώδικας Normperod 6.8.3.1 Εισαγόμενα (nput) 6.8.3.2 Εξαγόμενα (output) 6.8.3.3 Αξιοπιστία του κώδικα Normperod 6.9 ΑΛΛΟΙ ΚΩΔΙΚΕΣ 6.9.1 Κώδικας Rate 6.9.2 Κώδικας Pckup 7. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ 7.1 ΒΗΜΑ 1: ΣΥΛΛΟΓΗ, ΤΥΠΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΩΝ ΠΡΩΤΟΓΕΝΩΝ ΓΕΩΔΑΙΤΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΟΥ ΦΡΑΓΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΤΩΝ ΜΕΤΑΒΟΛΩΝ ΤΗΣ ΣΤΑΘΜΗΣ ΤΟΥ ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑ 7.1.1 Στατιστική σημαντικότητα καταγραφών 7.1.2 Εντοπισμός χονδροειδών σφαλμάτων στις καταγραφές 7.1.2.1 Έλεγχος ύπαρξης χονδροειδών σφαλμάτων στις καταγραφές των μετακινήσεων 7.2 ΒΗΜΑ 2: ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΒΟΛΩΝ ΤΗΣ ΣΤΑΘΜΗΣ ΤΟΥ ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑ 7.2.1 Σχηματισμός χρονοσειράς στάθμης λίμνης 7.2.1.1 Στάδιο Α. Ανάλυση στο πεδίο του χρόνου 7.2.1.2 Στάδιο Β. Ανάλυση στο πεδίο των συχνοτήτων 7.2.1.3 ΣΤΑΔΙΟ Γ. Ανάλυση στο πεδίο χρόνου - συχνοτήτων 7.3 ΒΗΜΑ 3: ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΕΩΝ ΤΩΝ ΣΗΜΕΙΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΟΥ ΦΡΑΓΜΑΤΟΣ 7.3.1 Σχηματισμός χρονοσειρών μετακινήσεων 7.3.2 Στάδιο Α. Ανάλυση στο πεδίο του χρόνου 7.3.2.1 Προσδιορισμός μακροχρόνιας τάσης 7.3.3 Στάδιο Β. Ανάλυση στο πεδίο συχνοτήτων 7.3.4 Στάδιο Γ. Ανάλυση στο πεδίο χρόνου συχνοτήτων 7.4 ΒΗΜΑ 4: ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΕΩΝ ΤΩΝ ΣΗΜΕΙΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΕ ΣΧΕΣΗ ΜΕ ΤΗ ΘΕΣΗ ΤΟΥΣ ΠΑΝΩ ΣΤΟ ΦΡΑΓΜΑ 7.5 ΒΗΜΑ 5: ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΤΙΜΩΝ ΤΗΣ ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΗΣ 7.5.1 Δημιουργία της χρονοσειράς της βροχόπτωσης 7.5.2 Ανάλυση της χρονοσειράς της βροχόπτωσης 7.6 ΒΗΜΑ 6: ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΩΝ ΚΑΘΙΖΗΣΕΩΝ ΤΟΥ ΦΡΑΓΜΑΤΟΣ ΣΤΙΣ ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΕΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ (ΣΤΑΘΜΗ ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑ, ΡΥΘΜΟΣ ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΗΣ, ΡΥΘΜΟΣ ΜΕΤΑΒΟΛΗΣ ΣΤΑΘΜΗΣ ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑ) 7.6.1 Διερεύνηση των καθιζήσεων της στέψης 7.6.2 Διερεύνηση επιρροής λοιπών παραμέτρων σελ. 108 109 109 110 111 111 111 112 113 113 114 114 115 116 116 117 118 118 119 119 120 120 122 123 123 124 124 124 126 128 129 x
8. ΑΝΑΛΥΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ 8.1 ΒΗΜΑ 1: ΣΥΛΛΟΓΗ, ΤΥΠΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΩΝ ΠΡΩΤΟΓΕΝΩΝ ΓΕΩΔΑΙΤΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΟΥ ΦΡΑΓΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΤΩΝ ΜΕΤΑΒΟΛΩΝ ΤΗΣ ΣΤΑΘΜΗΣ ΤΟΥ ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑ 8.1.1 Στατιστική σημαντικότητα καταγραφών 8.1.2 Εντοπισμός χονδροειδών σφαλμάτων στις καταγραφές των μετακινήσεων 8.1.2.1 Ερμηνεία των χονδροειδών σφαλμάτων που εντοπίστηκαν 8.1.3 Σύνθεση τελικών χρονοσειρών 8.2 ΒΗΜΑ 2: ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΒΟΛΩΝ ΤΗΣ ΣΤΑΘΜΗΣ ΤΟΥ ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑ 8.2.1 Στάδιο Α: Ανάλυση στο πεδίο του χρόνου 8.2.1.1 Εντοπισμός μέγιστων και ελάχιστων τιμών στάθμης 8.2.1.2 Εντοπισμός περιόδων στις οποίες παρατηρήθηκε συνεχής αύξηση ή μείωση της στάθμης του νερού 8.2.1.3 Υπολογισμός Ρυθμού Μεταβολής της Στάθμης 8.2.2 Στάδιο Β: Ανάλυση στο πεδίο των συχνοτήτων 8.2.2.1. Ανάλυση κατά Fourer 8.2.2.2. Ανάλυση με το κανονικοποιημένο περιοδόγραμμα Lomb 8.2.2.3 Σύγκριση αποτελεσμάτων φασματικής ανάλυσης που προέκυψαν με εφαρμογή των μετασχηματισμών Fourer και του Κανονικοποιημένου περιοδογράμματος Lomb. 8.2.3 Στάδιο Γ: Ανάλυση τιμών στάθμης ταμιευτήρα στο πεδίο χρόνου συχνοτήτων 8.2.3.1 Ανάλυση με εφαρμογή των μετασχηματισμών Z κυματιδίων με βάρη (weghted wavelet Z transform, WWZ) 8.2.3.2. Αντιμετώπιση προβλήματος λογισμικού WnWWZ 8.2.3.3 Υπολογισμός φασματογράμματος 8.3 ΒΗΜΑ 3: ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΕΩΝ ΤΩΝ ΣΗΜΕΙΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΟΥ ΦΡΑΓΜΑΤΟΣ 8.3.1 Στάδιο Α. Ανάλυση στο πεδίο του χρόνου 8.3.1.1 Προσδιορισμός γραμμής τάσης μετακινήσεων 8.3.1.2 Προσδιορισμός του μέγιστου βαθμού του πολυωνυμικού μοντέλου 8.3.1.3 Προσδιορισμός του μέγιστου αριθμού των όρων του εκθετικού μοντέλου 8.3.1.4 Εξισώσεις Μοντέλων και Μέθοδος Προσαρμογής 8.3.1.5 Γραμμή τάσης κατακόρυφων μετακινήσεων 8.3.1.6 Γραμμή τάσης Οριζόντιων αποκλίσεων 8.3.2 Στάδιο Β. Ανάλυση στο πεδίο συχνοτήτων 8.3.2.1 Δημιουργία χρονοσειρών υπολοίπων 8.3.2.2. Φασματική Ανάλυση Υπολοίπων 8.4 ΒΗΜΑ 4: ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΕΩΝ ΤΩΝ ΣΗΜΕΙΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΕ ΣΧΕΣΗ ΜΕ ΤΗ ΘΕΣΗ ΤΟΥΣ ΠΑΝΩ ΣΤΟ ΦΡΑΓΜΑ 8.4.1. Ταξινόμηση των μετακινήσεων ως προς τη θέση των σημείων ελέγχου πάνω στο φράγμα σελ. 130 130 130 130 132 135 136 137 137 138 139 140 140 141 143 144 145 145 146 149 149 149 150 151 152 154 156 159 159 159 161 162 xv
σελ. 8.4.1.1 Οριζόντιες Αποκλίσεις 8.4.1.2 Μετακινήσεις με φορά προς τα ανάντη 8.4.1.3 Κατακόρυφες μετακινήσεις 8.4.2. Συσχέτιση οριζόντιων αποκλίσεων κατακόρυφων μετακινήσεων 8.4.2.1 Χρονοσειρές που χρησιμοποιήθηκαν στην ανάλυση 8.4.2.2 Υπολογισμός ρυθμού μεταβολής των κατακόρυφων μετακινήσεων ως προς τις οριζόντιες αποκλίσεις 8.4.2.3 Είδος συσχέτισης μεταξύ κατακόρυφων μετακινήσεων οριζόντιων αποκλίσεων 8.5 ΒΗΜΑ 5: ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΤΙΜΩΝ ΤΗΣ ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΗΣ 8.5.1. Δημιουργία της χρονοσειράς της βροχόπτωσης 8.5.2 Ανάλυση της χρονοσειράς της βροχόπτωσης 8.5.2.1 Στάδιο Α. Ανάλυση στο πεδίο του χρόνου 8.5.2.2 Στάδιο Β. Ανάλυση στο πεδίο των συχνοτήτων 8.5.2.3 Σύγκριση χαρακτηριστικών βροχόπτωσης και στάθμης ταμιευτήρα 8.5.2.4 Προσδιορισμός της χρονικής υστέρησης μεταξύ βροχόπτωσης και μεταβολής στάθμης 8.6 ΒΗΜΑ 6: ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΩΝ ΚΑΘΙΖΗΣΕΩΝ ΤΗΣ ΣΤΕΨΗΣ ΤΟΥ ΦΡΑΓΜΑΤΟΣ ΣΕ ΣΧΕΣΗ ΜΕ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΑΛΛΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ (ΣΤΑΘΜΗ ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑ, ΡΥΘΜΟΣ ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΗΣ, ΡΥΘΜΟΣ ΜΕΤΑΒΟΛΗΣ ΣΤΑΘΜΗΣ ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑ) 8.6.1 Επιρροή Παράγοντα 1: Συμπύκνωση αργιλικού πυρήνα 8.6.2 Επιρροή Παράγοντα 2: Μεταβολή της στάθμης του ταμιευτήρα 8.6.2.1 Διερεύνηση της επιρροής του ύψους του νερού στον δείκτη καθίζησης 8.6.2.2 Προσδιορισμός της κρίσιμης τιμής (threshold) της στάθμης ταμιευτήρα πέρα από την οποία το νερό επηρεάζει τις καθιζήσεις της στέψης 8.6.3 Επιρροή Παράγοντα 3: Βροχόπτωση 8.6.4 Διερεύνηση της ταυτόχρονης αλληλεπίδρασης του ύψους του νερού, του ρυθμού μεταβολής του και του ρυθμού μεταβολής της βροχόπτωσης στις καθιζήσεις της στέψης 9. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ 10. ΣΥΝΟΨΗ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 11. ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 162 164 167 169 169 170 172 175 176 176 176 179 182 183 185 186 187 187 188 190 191 195 199 206 208 xv
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 1.1α Σχήμα 1.1β Σχήμα 1.2 Σχήμα 1.3 Σχήμα 1.4 Σχήμα 1.5 Σχήμα 1.6 Σχήμα 1.7α Σχήμα 1.7β Σχήμα 1.8 Σχήμα 1.9 Σχήμα 2.1 Σχήμα 2.2 Σχήμα 2.3 Σχήμα 2.4 Σχήμα 2.5 Σχήμα 2.6 Σχήμα 2.7 Σχήμα 2.8 Σχήμα 3.1 Σχήμα 3.2 Σχήμα 3.3 Σχήμα 3.4 Σχήμα 3.5 Σχήμα 3.6 Σχήμα 3.7 Σχήμα 3.8 Σχήμα 3.9 Το φράγμα Sadd el-kafara (Αίγυπτος) Το Μυκηναϊκό φράγμα Τίρυνθας Βασικοί τύποι φραγμάτων Πόλη Johnstown μετά την αστοχία του φράγματος South Fork το 1889. Το χωριό Longarone πριν και μετά την αστοχία του φράγματος Vaont το 1963. Το φράγμα Vaont όπως φαίνεται από τα ανάντη Ανάντη όψη του φράγματος Campos Novos Ποσοστό % των αιτιών αστοχιών φραγμάτων κατά την περίοδο 1900 1975. Ποιοτικό διάγραμμα μεταβολής της επικινδυνότητας ενός φράγματος με το χρόνο Δίκτυο ελέγχου μετακινήσεων του φράγματος Benmore Αλλαγές στη γεωμετρία ενός σώματος Κάθετη τομή φράγματος Ataturk, Τουρκία Χρονική μεταβολή των καθιζήσεων κατά μήκος της στέψης του φράγματος Ataturk. Κατακόρυφη τομή του φράγματος Belche, Πορτογαλία Κατακόρυφη τομή του φράγματος West (ΗΠΑ) Χρονική εξέλιξη των μετακινήσεων της στέψης του φράγματος του Μόρνου Κατακόρυφη τομή φράγματος Καστρακίου Μέγιστη παρατηρηθείσα καθίζηση στέψης ως προς το ύψος φράγματος στη μέγιστη διατομή Καθιζήσεις των φραγμάτων του Σχ. 2.7 ως ποσοστό του ύψους τους Το φράγμα των Κρεμαστών. Κατάντη όψη Κάθετη τομή του φράγματος των Κρεμαστών στη μέγιστη διατομή Κάτοψη της περιοχής κατασκευής του φράγματος των Κρεμαστών. Λεκάνη απορροής ταμιευτήρα φράγματος Κρεμαστών. Γεωλογικός χάρτης της περιοχής της λίμνης των Κρεμαστών Γεωλογική τομή στη θέση της μέγιστης διατομής του φράγματος Κρεμαστών Ρηξιγενείς ζώνες στην περιοχή κατασκευής του φράγματος Κρεμαστών Επίκεντρα των σεισμών που καταγράφηκαν την περίοδο Σεπτέμβριος 1965 Φεβρουάριος 1966 στην περιοχή του φράγματος των Κρεμαστών Μεταβολές της στάθμη του νερού στον ταμιευτήρα και αριθμός σεισμικών γεγονότων που καταγράφηκαν στην περιοχή των Κρεμαστών σελ. 1 1 2 3 5 5 6 8 8 13 16 33 33 35 36 38 38 42 43 45 46 47 48 49 49 51 53 54 xv
Σχήμα 3.10 Σχήμα 3.11 Σχήμα 3.12 Σχήμα 3.13 Σχήμα 3.14 Σχήμα 3.15 Σχήμα 3.16 Σχήμα 3.17 Σχήμα 4.1 Σχήμα 4.2 Σχήμα 4.3 Σχήμα 4.4 Σχήμα 4.5 Σχήμα 5.1 Σχήμα 5.2 Σχήμα 5.3 Σχήμα 5.4 Σχήμα 5.5 Σχήμα 5.6 Σχήμα 6.1 Σχήμα 6.2 Σχήμα 6.3 Σχήμα 6.4 Σχήμα 6.5 Σχήμα 6.6 Σχήμα 7.1 Σχήμα 7.2 Σχήμα 7.3 Διαρροές στον κατάντη πόδα του φράγματος Κρεμαστών την περίοδο 1966-1967 Διαρροές στο αριστερό αντέρεισμα των Κρεμαστών Διαρροές στο δεξί αντέρεισμα του φράγματος Κρεμαστών Περιοχές όπου εντοπίστηκαν διαρροές στα Κρεμαστά Το ρήγμα D στην περιοχή των Κρεμαστών Οι διαρροές στο δεξί αντέρεισμα των Κρεμαστών Νέος ασφαλτικός τάπητας στη στέψη του φράγματος των Κρεμαστών σε τμήμα που είχε υποστεί καθίζηση. Αεροφωτογραφίες της περιοχής του συγκροτήματος Αχελώου Σύστημα παρακολούθησης διαρροών και υδροστατικών πιέσεων στο φράγμα των Κρεμαστών. Υδατόφραγμα για τη μέτρηση των διαρροών στον κατάντη πόδα του φράγματος Κρεμαστών Θέσεις εγκατάστασης των επιμηκηνσιομέτρων και του ανεστραμμένου εκκρεμούς στο φράγμα Κρεμαστών Γεωδαιτικό σύστημα παρακολούθησης των μετακινήσεων του φράγματος των Κρεμαστών. Ένα από τα σταθερά σημεία αναφοράς στο φράγμα Κρεμαστών Μορφή excel αρχείου των μετακινήσεων του φράγματος των Κρεμαστών Τμήμα του φύλλου εργασίας excel με τις καταγραφές του υψομέτρου της στάθμης ταμιευτήρα Κρεμαστών Τμήμα του φύλλου εργασίας excel με τις καταγραφές των τιμών της βροχόπτωσης Ιστόγραμμα τιμών χρονικού διαστήματος μεταξύ διαδοχικών μετρήσεων των μετακινήσεων του φράγματος Κρεμαστών Αρχή μέτρησης των οριζόντιων αποκλίσεων Κρεμαστών Υπολογισμός μήκους τόξου S για πολύ μικρές γωνίες θ Προσαρμογή καμπύλης σε δεδομένα Μέθοδος διασυσχέτισης Μεθοδολογία προσδιορισμού οριακών τιμών για την αλληλεπίδραση μεταξύ δύο μεγεθών. Η βασική αρχή της προσέγγισης μιας χρονοσειράς με κυματίδια Σχηματική απεικόνιση των υπολογισμών κατά την εφαρμογή του WT Παράδειγμα WT ημιτονικού σήματος Διάγραμμα ροής του βήματος 1 της ανάλυσης των δεδομένων του φράγματος Κρεμαστών Μεθοδολογία ανάλυσης των τιμών της στάθμης της λίμνης Κρεμαστών Μεθοδολογία ανάλυσης των μετακινήσεων του φράγματος των Κρεμαστών σελ. 55 55 56 56 57 59 60 62 63 64 65 66 67 69 70 70 71 72 77 83 89 92 101 102 103 114 117 120 xv
Σχήμα 7.4 Ετήσιος ρυθμός καθίζησης των σημείων ελέγχου της στέψης του φράγματος Κρεμαστών. Σχήμα 8.1 Φράγμα Κρεμαστών: Ενδεικτικά Διαγράμματα Κανονικής Κατανομής υπολοίπων Σχήμα 8.2 Φράγμα Κρεμαστών: Εντοπισμός χονδροειδών σφαλμάτων στα υπόλοιπα των καθιζήσεων Σχήμα 8.3 Φράγμα Κρεμαστών: Εντοπισμός χονδροειδών σφαλμάτων στα υπόλοιπα των οριζόντιων αποκλίσεων Σχήμα 8.4 Μεταβολή του υψομέτρου στάθμης ταμιευτήρα Κρεμαστών Σχήμα 8.5 Χρονική μεταβολή της στάθμης του νερού στον ταμιευτήρα Κρεμαστών Σχήμα 8.6 Ημερήσιος ρυθμός μεταβολής του νερού στον ταμιευτήρα Κρεμαστών Σχήμα 8.7 Φασματική ανάλυση τιμών ταμιευτήρα Κρεμαστών Σχήμα 8.8 Φασματόγραμμα των τιμών της στάθμης ταμιευτήρα Κρεμαστών Σχήμα 8.9 Οριζόντιες αποκλίσεις των σημείων ελέγχου Κρεμαστών Σχήμα 8.10 Χρονική εξέλιξη των κατακόρυφων μετακινήσεων του φράγματος Κρεμαστών Σχήμα 8.11 Μεταβολή του συντελεστή r 2 για τους διάφορους βαθμούς πολυωνύμου Σχήμα 8.11 Προσαρμογή πολυωνύμου 4 ου βαθμού στις καθιζήσεις του φράγματος Κρεμαστών Σχήμα 8.12 Προσαρμογή πολυωνύμου 4 ου βαθμού στις οριζόντιες μετακινήσεις του φράγματος Κρεμαστών Σχήμα 8.13 Περιοδογράμματα κατά Lomb για τις οριζόντιες αποκλίσεις και καθιζήσεις του φράγματος Κρεμαστών Σχήμα 8.14 Διάκριση οριζόντιων αποκλίσεων φράγματος Κρεμαστών σε τέσσερις ζώνες. Σχήμα 8.15 Κατανομή των οριζόντιων αποκλίσεων του φράγματος Κρεμαστών Σχήμα 8.16 Οριζόντια απόκλιση προς τα ανάντη σημείων ελέγχου Σ29 Σ34 στο φράγμα Κρεμαστών Σχήμα 8.17 Σχηματική μορφή της Ερμηνείας Νο 2 Σχήμα 8.18 Διάκριση κατακόρυφων μετακινήσεων φράγματος Κρεμαστών σε τέσσερις ζώνες Σχήμα 8.19 Κατανομή των καθιζήσεων του φράγματος Κρεμαστών Σχήμα 8.20 Ρυθμοί μεταβολής των καθιζήσεων ως προς τις οριζόντιες αποκλίσεις του φράγματος Κρεμαστών Σχήμα 8.21 Συσχέτιση μεταξύ κατακόρυφων και οριζόντιων μετακινήσεων σημείων Σ15 Σ20 στο φράγμα Κρεμαστών Σχήμα 8.22 Συσχέτιση μεταξύ κατακόρυφων και οριζόντιων μετακινήσεων σημείων Σ21 Σ27 στο φράγμα Κρεμαστών Σχήμα 8.23 Συσχέτιση μεταξύ κατακόρυφων και οριζόντιων μετακινήσεων σημείων Σ28 Σ37 στο φράγμα Κρεμαστών Σχήμα 8.24 Μηνιαίο ύψος βροχής στην περιοχή του φράγματος Κρεμαστών Σχήμα 8.25 Μέσο μηνιαίο ύψος βροχόπτωσης στην περιοχή του φράγματος Κρεμαστών. σελ. 127 132 133 134 138 139 140 143 148 150 151 152 156 158 160 163 163 164 166 168 169 171 174 174 175 177 178 xv
Σχήμα 8.26 Σχήμα 8.27 Σχήμα 8.28 Σχήμα 8.29 Σχήμα 8.30 Σχήμα 8.31 Σχήμα 8.32 Σχήμα 8.33 Σχήμα 8.34 Σχήμα 8.35 Σχήμα 9.1 Σχήμα 10.1 Μέσος μηνιαίος ρυθμός βροχόπτωσης στην περιοχή του φράγματος Κρεμαστών Μηνιαίος ρυθμός μεταβολής της βροχόπτωσης στην περιοχή του φράγματος Κρεμαστών Φασματική ανάλυση τιμών βροχόπτωσης της περιοχής του φράγματος Κρεμαστών Διάγραμμα διασυσχέτισης βροχόπτωσης και στάθμης λίμνης Κρεμαστών Μεταβολή του δείκτη καθίζησης για όλα τα σημεία ελέγχου του φράγματος Κρεμαστών Μεταβολή του δείκτη καθίζησης ως προς τη στάθμη του ταμιευτήρα Κρεμαστών Μεταβολή του συντελεστή συσχέτισης μεταξύ των τιμών του δείκτη καθίζησης και της στάθμης ταμιευτήρα Κρεμαστών ως προς το ύψος του νερού Μεταβολή του δείκτη καθίζησης ως προς το μέσο ρυθμό μεταβολής της στάθμης ταμιευτήρα Κρεμαστών Διάγραμμα δείκτη καθίζησης ως προς το μέσο ρυθμό βροχόπτωσης στην περιοχή του φράγματος Κρεμαστών Συγκριτική μεταβολή του ρυθμού μεταβολής της στάθμης του ταμιευτήρα, της βροχόπτωσης, του ύψους του νερού και του δείκτη καθίζησης ως συνάρτηση του χρόνου Καθίζηση στέψης ως ποσοστό του ύψους του φράγματος Κρεμαστών. Συνοπτικό Διάγραμμα μέγιστου εύρους καθίζησης στέψης ως προς το ύψος φράγματος σελ. 178 179 181 184 187 188 189 190 191 193 195 203 xx
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 1.1 Ανάλυση της συμπεριφοράς φραγμάτων με βάση γεωδαιτικά δεδομένα Πίνακας 3.1 Γεωμετρικά χαρακτηριστικά φράγματος Κρεμαστών Πίνακας 3.2 Χαρακτηριστικά μεγέθη της τεχνητής λίμνης Κρεμαστών Πίνακας 8.1 Χρονοσειρές δεδομένων του φράγματος Κρεμαστών που χρησιμοποιήθηκαν σε κάθε βήμα της ανάλυσης Πίνακας 8.2 Χρονικές Περίοδοι Σημαντικών Μεταβολών της Στάθμης Ταμιευτήρα Κρεμαστών Πίνακας 8.3 Φασματική ανάλυση τιμών στάθμης ταμιευτήρα Κρεμαστών: Σύγκριση κύριων περιόδων Πίνακας 8.4 Συγκριτικά αποτελέσματα φασματικής ανάλυσης και ανάλυσης με χρήση των μετασχηματισμών κυματιδίων της χρονοσειράς της στάθμης ταμιευτήρα Κρεμαστών Πίνακας 8.5 Φράγμα Κρεμαστών - Κατακόρυφες μετακινήσεις: Συντελεστές r 2 Πίνακας 8.6 Φράγμα Κρεμαστών -Οριζόντιες αποκλίσεις: Συντελεστές r 2 Πίνακας 8.7 Αποτελέσματα φασματικής ανάλυσης των υπολοίπων των μετακινήσεων του φράγματος Κρεμαστών με χρήση του κανονικοποιημένου περιοδογράμματος Lomb Πίνακας 8.8 Διάκριση σημείων ελέγχου φράγματος Κρεμαστών σε ζώνες με βάση τις οριζόντιες αποκλίσεις τους. Πίνακας 8.9 Διάκριση σημείων ελέγχου φράγματος Κρεμαστών σε ζώνες με βάση τις κατακόρυφες μετακινήσεις τους. Πίνακας 8.10 Αρχικές συνθήκες για τον υπολογισμό της οριακής τιμής της στάθμης ταμιευτήρα Κρεμαστών με χρήση του κώδικα Pckup. Πίνακας 8.11 Φράγμα Κρεμαστών: Τιμές στάθμης ταμιευτήρα, μέσου μηνιαίου ρυθμού μεταβολής της στάθμης και μέσου μηνιαίου ρυθμού μεταβολής της βροχόπτωσης στις χρονικές περιόδους με τιμές του δείκτη καθίζησης > 0.02 σελ. 18 46 47 135 139 144 149 155 157 161 162 168 189 192 xx
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ Η κατασκευή φραγμάτων ξεκίνησε πολύ παλιά, πριν από 6000 χρόνια περίπου, όταν ο άνθρωπος στην προσπάθειά του να καλύψει τις ανάγκες του για νερό κατασκεύασε τα πρώτα χωμάτινα φράγματα. Το αρχαιότερο γνωστό χωμάτινο φράγμα στον κόσμο χτίστηκε το 4000 π.χ. περίπου στην πόλη Jawa της Ιορδανίας (Kersel, 1985). Από τα αρχαιότερα θεωρείται επίσης το φράγμα Sadd el-kafara (Σχ. 1.1α) που κατασκευάστηκε στην Αίγυπτο την περίοδο 2950-2750π.Χ (Sngh and Varshney, 1995). Στην Ελλάδα το αρχαιότερο γνωστό φράγμα είναι στην Μυκηναϊκή Αργολίδα (Τίρυνθα, Σχ. 1.1β) (Balcer, 1974; Zangger, 1993), και το οποίο είναι περισσότερο γνωστό από Τηλεκάρτα!!! (α) (β) Σχήμα 1.1 (α) Φράγμα Sadd el-kafara (Αίγυπτος, από Schntter, 1994) και (β) Μυκηναϊκό φράγμα Τίρυνθας (http://www.newtrns.gr/trnsgude4.htm) όπως διασώζονται σήμερα. 1
Με την πάροδο του χρόνου οι διαστάσεις των φραγμάτων γίνονταν μεγαλύτερες και οι τεχνικές κατασκευής τους συνεχώς βελτιώνονταν κυρίως λόγω της καλύτερης κατανόησης των ιδιοτήτων των υλικών κατασκευής. Η συμβολή της γεωλογίας στο σχεδιασμό φραγμάτων είναι εξαιρετικά σημαντική (Μουτάφης, 1991), το ίδιο και η ανάπτυξη της γεωτεχνικής μηχανικής. Η συμβολή του Terzagh (1925) ειδικότερα αποδείχθηκε σταθμός στην κατανόηση της συμπεριφοράς αυτής της κατηγορίας φραγμάτων. 1.2 ΤΥΠΟΙ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ Σύμφωνα με τους Penman et al. (1999) και την The Brtsh Dam Socety (http://www.brtshdams.org/) τα φράγματα ανάλογα με το υλικό κατασκευής τους διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες: τα φράγματα από σκυρόδεμα και τα αναχώματα. Οι δύο αυτές κατηγορίες διαιρούνται σε άλλες υποκατηγορίες με βάση τον τρόπο κατασκευής τους, το σχήμα τους, τον τρόπο με τον οποίο αναλαμβάνουν και μεταφέρουν τα φορτία (κυρίως του νερού) που δέχονται κτλ (Σχ. 1.2). Οι κατηγορίες στις οποίες ταξινομούνται τα φράγματα είναι στην πραγματικότητα πολύ περισσότερες καθώς το σχήμα και γενικότερα τα χαρακτηριστικά των φραγμάτων μεταβάλλονται ανάλογα με την περιοχή και το σκοπό για τον οποίο κατασκευάζονται. Σχήμα 1.2 Διάκριση φραγμάτων ανάλογα με το υλικό και τον τρόπο κατασκευής τους με βάση την κατηγοριοποίηση κατά Penman et al., 1999 και την The Brtsh Dam Socety (http://www.brtshdams.org/) 2
1.3 ΑΣΤΟΧΙΕΣ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ Η γνώση που απαιτείται για την κατασκευή φραγμάτων σε αρκετές περιπτώσεις ήταν απόρροια μεγάλων καταστροφών. Οι μηχανισμοί που επηρεάζουν τη συμπεριφορά των φραγμάτων έγιναν περισσότερο κατανοητοί μέσω της αστοχίας μερικών από αυτά. Κάποιες αστοχίες είχαν τεράστιες συνέπειες κυρίως επειδή προκάλεσαν το θάνατο χιλιάδων ανθρώπων. Αστοχίες φραγμάτων έχουν καταγραφεί ήδη από το 1219 (Lev and Salvador, 1992) και συνεχίζουν να καταγράφονται μέχρι και σήμερα. Μεταξύ των σύγχρονων, πολύνεκρων αστοχιών φραγμάτων συμπεριλαμβάνονται εκείνες των South Fork (1889, ΗΠΑ), Malpasset (1959, Γαλλία), Vaont (1963, Ιταλία) και Banqao Dam (1975, Κίνα). Το φράγμα South Fork στην Πενσυλβανία (Η.Π.Α.) ήταν ένα χωμάτινο φράγμα ύψους 21.9m και μήκους στέψης 284m. Το Μάιο 1889 μετά από εκτεταμένες πλημμύρες και αδυναμία του υπερχειλιστή να αποφορτίσει τον ταμιευτήρα, ένα κύμα ύψους 0.5m πέρασε πάνω από τη στέψη του φράγματος προκαλώντας την αστοχία του (Penman et al., 1999). Το νερό που απελευθερώθηκε έφτανε σε όγκο τους 20 εκατομμύρια τόνους και κατέληξε στην πόλη Johnstown 23km κατάντη του φράγματος καταστρέφοντάς την σχεδόν ολοκληρωτικά (Σχ. 1.3). Το αποτέλεσμα ήταν ο θάνατος 2209 ανθρώπων (Penman et al., 1999) και ανυπολόγιστες υλικές ζημιές (http://en.wkpeda.org/wk/johnstown_flood). Η αστοχία του φράγματος South Fork έκανε φανερή την ανάγκη για παρακολούθηση, συντήρηση και διασφάλιση της σωστής λειτουργίας στο μέλλον όχι μόνο του ίδιου του φράγματος αλλά και των δευτερευόντων κατασκευών του όπως π.χ. οι υπερχειλιστές,. Σχήμα 1.3 Ότι απέμεινε από την πόλη Johnstown μετά την αστοχία του φράγματος South Fork το 1889. Τα 20 εκατομμύρια τόνων νερού που απελευθερώθηκαν προκάλεσαν το θάνατο 2209 ανθρώπων και υλικές ζημιές ύψους 17 εκατομμυρίων δολαρίων (από http://www.pbs.org) 3
Η πρώτη μεγάλη καταστροφή εξαιτίας αστοχίας φράγματος στον 20 ο αιώνα ήταν εκείνη του φράγματος Malpasset στη Γαλλία το 1959 (Londe, 1976). Πρόκειται για ένα τοξωτό φράγμα από σκυρόδεμα ύψους 60m και μήκους στέψης 223m. Δυστυχώς ρωγμές που είχαν εμφανιστεί κοντά στο πόδι της κατάντη πλευράς δεν έτυχαν της απαιτούμενης προσοχής και εβδομάδες αργότερα μετά την εμφάνισή τους το φράγμα αστόχησε. Έρευνες έδειξαν ότι η αστοχία οφειλόταν στην παρουσία ενός ρήγματος που δεν είχε εντοπιστεί κατά τη διάρκεια μελέτης του φράγματος. Το νερό συγκεντρώνονταν κάτω από το φράγμα χωρίς να έχει δυνατότητα διαφυγής μέσα από το βράχο με αποτέλεσμα την παρουσία ασυνήθιστα μεγάλων πιέσεων κάτω από την κατασκευή (Beller, 1967). Τελικά ολόκληρος ο τοίχος του φράγματος κατέρρευσε, απελευθερώνοντας ένα κύμα νερού ύψους 40m που κατέστρεψε τα χωριά Malpasset και Bozon, προκάλεσε το θάνατο 421 ανθρώπων και υλικές καταστροφές κόστους 68 εκατομμυρίων δολαρίων (http://en.wkpeda.org/wk/malpasset). Η περίπτωση του φράγματος Malpasset αποτέλεσε μια από τις αιτίες που οδήγησαν τελικά στην καθιέρωση της συνεχούς και συστηματικής παρακολούθησης των ήδη υπαρχόντων φραγμάτων και στη λεπτομερή μελέτη της γεωλογίας της περιοχής όπου πρόκειται να κατασκευαστεί ένα φράγμα. Παρόλα αυτά η καταστροφή δεν έρχεται πάντα μόνο με την αστοχία του ίδιου του φράγματος. Χαρακτηριστική είναι η περίπτωση του φράγματος Vaont (Ιταλία), ενός τοξωτού φράγματος από σκυρόδεμα, ύψους 262m και μήκους στέψης 190m. Την αστοχία του τον Οκτώβριο 1963 προκάλεσε μια κατολίσθηση συνολικού όγκου 260*10 6 m 3 ανάντη του φράγματος. Η κατολίσθηση ενεργοποιήθηκε κατά την διάρκεια της πρώτης πλήρωσης του ταμιευτήρα, μετά από δύο εβδομάδες συνεχούς βροχόπτωσης και παρά τα μέτρα ελέγχου που είχαν ληφθεί (Kersch, 1964). Το νερό που εκτοπίστηκε πέρασε πάνω από τη στέψη του φράγματος στην κοιλάδα κατάντη με ένα κύμα ύψους 250m προκαλώντας το θάνατο 1909 ανθρώπων και ανυπολόγιστες υλικές ζημιές καταστρέφοντας ολοκληρωτικά τα χωριά Longarone (Σχ. 1.4), Prago, Rvalta, Vllanova και Fae (Graham, 1999). Παρά την καταστροφή το φράγμα δεν υπέστη σημαντικές φθορές. Ακόμη και σήμερα διατηρείται στη θέση του ακέραιο (Σχ. 1.5). 4
(α) (β) Σχήμα 1.4 (α) Το χωριό Longarone πριν την αστοχία του φράγματος Vaont το 1963. (β) Το χωριό Longarone μετά την αστοχία του φράγματος Vaont. Το χωριό θάφτηκε κάτω από τόνους λάσπης. Όταν το κύμα του νερού έφτασε στο χωριό είχε ύψος 70m (από www.vajont.net). Σχήμα 1.5 Το φράγμα Vaont όπως φαίνεται από τα ανάντη μετά την κατολίσθηση 260*10 6 m 3 εδαφικού υλικού στον ταμιευτήρα του. Το φράγμα δεν καταστράφηκε ωστόσο η χωρητικότητα του ταμιευτήρα είναι πλέον περιορισμένη (από www.vajont.net). Η μεγαλύτερη καταστροφή από αστοχία φράγματος που έχει καταγραφεί μέχρι και σήμερα κυρίως ως προς τον αριθμό των απωλειών ανθρωπίνων ζωών είναι εκείνη που προκλήθηκε από την αστοχία του φράγματος Banqao, ενός χωμάτινου φράγματος ύψους 118m, στην Κίνα το 1975 (Graham, 1999; McCully, 2001). Ο απολογισμός ήταν 231000 άνθρωποι νεκροί εκ των οποίων οι 145000 πέθαναν εξαιτίας των επιδημιών που ακολούθησαν τις πλημμύρες (Qng, 1998). Η αστοχία του φράγματος αποδόθηκε στη ραγδαία αύξηση της στάθμης στον ταμιευτήρα του λόγω 5
ισχυρών και μεγάλης διάρκειας βροχοπτώσεων. Το ύψος της βροχής έφτασε το ένα μέτρο μέσα σε τρεις ημέρες. Η βροχή κατέστρεψε το σύστημα τηλεπικοινωνιών με αποτέλεσμα οι υπεύθυνοι του φράγματος να μην ενημερώνονται για τις καιρικές συνθήκες και τη στάθμη του νερού στα ανάντη. Αυτό σε συνδυασμό με τη μειωμένη δυνατότητα των υπερχειλιστών να διοχετεύσουν τα πλημμυρικά νερά εξαιτίας κακής συντήρησης οδήγησε στην αστοχία του φράγματος. Οι πλέον πρόσφατες σημαντικές αστοχίες φραγμάτων είναι εκείνες του φράγματος Zeyzoun στη Συρία (2002) και των φραγμάτων Campos Novos (Σχ. 1.6) στη Βραζιλία (2006) και Gusau στη Νιγηρία (2006). Η αστοχία του πρώτου είχε ως αποτέλεσμα το θάνατο 10 ανθρώπων και τεράστιες υλικές ζημιές (http://news.bbc.co.uk/1/h/world/mddle_east /2027410.stm Η αστοχία του δεύτερου μπορεί να μην είχε απώλειες ανθρωπίνων ζωών αλλά προκάλεσε σημαντικές υλικές ζημιές καθώς 3000 άνθρωποι αναγκάστηκαν να εγκαταλείψουν τα σπίτια τους (www.ens-newswre.com/ens/jun2006/2006-06-29-01.asp). Η αστοχία του φράγματος στη Νιγηρία προκάλεσε το θάνατο 40 ατόμων και 1000 ακόμη οικογένειες έχασαν τις περιουσίες τους (www.cnn.com). Σχήμα 1.6 Ανάντη όψη του φράγματος Campos Novos (Sao Paolo, Βραζιλία) μετά την αστοχία του. Ολόκληρη η ποσότητα νερού στον ταμιευτήρα απελευθερώθηκε αναγκάζοντας 3000 ανθρώπους να εγκαταλείψουν τα σπίτια τους (από www.ensnewswre.com/ens/jun2006/2006-06-29-01.asp) 1.4 ΠΑΘΟΛΟΓΙΑ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ Οι αστοχίες των φραγμάτων χαρακτηρίζονται ως γεγονότα «χαμηλής πιθανότητας, υψηλών απωλειών» (Commttee on Safety of exstng dams, 1983). Οι αστοχίες που έχουν σημειωθεί μέχρι σήμερα έδειξαν ότι και μόνο οι υλικές ζημιές 6
που προκαλούνται (αγνοώντας το μεγάλο αριθμό θυμάτων) μπορεί να φτάσουν ακόμη και το κόστος κατασκευής του φράγματος (Kalustyan, 1995). Σύμφωνα με στοιχεία της ICOLD (1973) η αιτία αστοχίας ενός φράγματος εξαρτάται τόσο από τον τύπο του (χωμάτινο ή από σκυρόδεμα) όσο και από την ηλικία του. Για τα φράγματα από σκυρόδεμα, κυριότερη αιτία είναι η αστοχία στη θεμελίωση. Για τα χωμάτινα φράγματα οι διαρροές αποτελούν τη σημαντικότερη αιτία αστοχίας ιδιαίτερα για τα φράγματα στα οποία δεν υπάρχει ενίσχυση του πυρήνα με γεωσυνθετική μεμβράνη (Atmatzds et al., 1994) και ακολουθεί η υπερπήδηση του νερού πάνω από τη στέψη. Το Σχ. 1.7α δείχνει σε ποσοστό % τις αιτίες αστοχίας μεγάλων φραγμάτων (με ύψος >15m) την περίοδο 1900 1975. Στα στοιχεία δεν συμπεριλήφθηκαν αστοχίες φραγμάτων που σημειώθηκαν κατά τη διάρκεια της κατασκευής ή λόγω πολέμου. Η επικινδυνότητα των φραγμάτων έχει άμεση σχέση και με την ηλικία τους. Η διάρκεια ζωής τους καλύπτει μερικές δεκαετίες, για φράγματα από οπλισμένο σκυρόδεμα και μπορεί να ξεπεράσει κατά πολύ τα 100 χρόνια αν πρόκειται για χωμάτινα φράγματα. Οι χρονικές περίοδοι που χαρακτηρίζονται ως υψηλής επικινδυνότητας είναι η περίοδος κατά την πρώτη πλήρωση και η περίοδος γήρανσης που ακολουθεί αρκετά χρόνια μετά την κατασκευή (Σχ. 1.7β). 1.5 Η ΣΥΣΤΗΜΑΤΙΚΗ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ (MONITORING) ΤΩΝ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ ΩΣ ΠΡΟΫΠΟΘΕΣΗ ΑΠΟΦΥΓΗΣ ΑΣΤΟΧΙΩΝ Η μέχρι τώρα εμπειρία έχει δείξει ότι η αστοχία των φραγμάτων ακολουθεί τη συσσώρευση φαινομένων τα οποία μπορούν να εντοπιστούν και να ποσοτικοποιηθούν (πχ διαρροές, παραμόρφωση) σε πρώιμο στάδιο. Τα φαινόμενα αυτά είναι δυνατό συνήθως όχι μόνο να προβλεφθούν αλλά και να αντιμετωπιστούν. Συνεπώς, η σωστή λειτουργία των φραγμάτων εξασφαλίζεται με τη σωστή συντήρηση και παρακολούθησή τους. Δεν είναι τυχαίο το γεγονός ότι κυρίως μετά τις αστοχίες των φραγμάτων Malpasset και Vaont εντάθηκε η παρακολούθηση (montorng) των φραγμάτων με την εγκατάσταση οργάνων και την ανάπτυξη νέων μεθόδων και συστημάτων παρακολούθησης (Heck, 1984; Penman et al., 1999). 7
Σχήμα 1.7α Ποσοστό % των αιτιών αστοχιών φραγμάτων κατά την περίοδο 1900 1975. Δεν συμπεριλήφθηκαν οι αστοχίες που σημειώθηκαν κατά τη διάρκεια της κατασκευής ή εξαιτίας πολέμου (τροποποιημένο από Commttee on Safety of Exstng Dams, 1983). Σχήμα 1.7β με το χρόνο Ποιοτικό διάγραμμα μεταβολής της επικινδυνότητας ενός φράγματος Η παρακολούθηση των φραγμάτων ξεκινά ήδη από την περίοδο της κατασκευής. Στη φάση αυτή πρωταρχικός ρόλος της παρακολούθησης είναι η ασφάλεια και στη συνέχεια η επιβεβαίωση των παραδοχών που έγιναν κατά το σχεδιασμό. Μετά το πέρας της κατασκευής η παρακολούθηση εφαρμόζεται με στόχο τον έλεγχο της σταθερότητας του φράγματος κυρίως κατά τη διάρκεια της πρώτης πλήρωσης αλλά και μετέπειτα, μακροχρόνια, για τη διασφάλιση της σωστής λειτουργίας του (ICOLD, 1988; Stewart and Tsakr, 2001). Η παρακολούθηση γίνεται τόσο οπτικά όσο και με τη χρήση ειδικού εξοπλισμού. 8
1.5.1 Παρακολούθηση χωμάτινων φραγμάτων Τα χωμάτινα φράγματα χρήζουν μεγαλύτερης ανάγκης για παρακολούθηση σε σύγκριση με τα φράγματα από σκυρόδεμα. Βασικό χαρακτηριστικό τους είναι ότι δεν επηρεάζονται από θερμοκρασιακές μεταβολές και γενικά δεν ακολουθούν την ελαστική συμπεριφορά των φραγμάτων από σκυρόδεμα (Hudnut and Behr, 1998) παρά το γεγονός ότι ενδείξεις ελαστικής συμπεριφοράς χωμάτινου φράγματος έχουν διαπιστωθεί από τους Gkas et al. (2005) για το φράγμα του Μόρνου Για τα χωμάτινα φράγματα η οπτική εξέταση από κάποιον ειδικό αποτελεί καταρχήν ένα αξιόπιστο τρόπο εντοπισμού μιας πιθανής δυσλειτουργίας ή τοπικής αστοχίας της κατασκευής (Penman et al., 1999). Η παρακολούθηση ολοκληρώνεται με τη χρήση ειδικών οργάνων και συσκευών για τη μέτρηση 1) των διαρροών εντός και γύρω από το ανάχωμα, 2) των κινήσεων του αναχώματος και της θεμελίωσής του, 3) των επιπέδων και της πίεσης του νερού τόσο στο εσωτερικό του αναχώματος όσο και στη θεμελίωσή του (Commttee on Safety of exstng Dams, 1983). Οι καταγραφές των παραπάνω παραμέτρων όταν είναι συνεχείς και συστηματικές αποτελούν ένα σημαντικό εργαλείο για τον μηχανικό που είναι υπεύθυνος για την ασφάλεια της κατασκευής και ο οποίος είναι σε θέση να ξεχωρίσει ποιες από τις καταγεγραμμένες μεταβολές είναι σημαντικές και ποιες όχι. Ο εντοπισμός οποιασδήποτε απόκλισης από τη φυσιολογική τιμή και αλλαγής συμπεριφοράς του φράγματος αποτελεί στοιχείο για περαιτέρω αναλύσεις (Penman et al., 1999). Κάτι τέτοιο προϋποθέτει την ύπαρξη μιας πλήρους και συνεχούς βάσης δεδομένων καταγραφών που καλύπτουν μια ικανοποιητικά μεγάλη (> 10 ετών) χρονική περίοδο (De Sorts and Paolan, 2006). Τα χαρακτηριστικά εκείνα τα οποία καταγράφονται στην παρακολούθηση ενός αναχώματος μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις μεγάλες κατηγορίες (Commttee on Safety of exstng Dams, 1983; Dunnclff, 1993): 1. Υδραυλικά και γεωτεχνικά χαρακτηριστικά. Καταγράφεται η ποσότητα των διαρροών, η πίεση του νερού μέσα και γύρω από το φράγμα και ελέγχεται αν οι ιδιότητες π.χ. διαπερατότητα κτλ. των υλικών που αποτελούν την κατασκευή παραμένουν σύμφωνες με όσα αναφέρονται στη μελέτη του έργου. Η μέτρηση της ποσότητας τυχόν διαρροών από το ανάχωμα, τα αντερείσματα και τη θεμελίωση του φράγματος είναι απαραίτητη. Για το σκοπό αυτό μπορούν να χρησιμοποιηθούν διαφόρων τύπων υδατοφράγματα. Παράλληλα θα πρέπει να 9