Τμήμα Δασολογίας & Διαχείρισης Περιβάλλοντος & Φυσικών Πόρων Εργαστήριο Διευθέτησης Ορεινών Υδάτων και Διαχείρισης Κινδύνου Προπτυχιακό Πρόγραμμα Σπουδών Ορεινή Υδρονομική ΙΙ Υδρονομικά Έργα Τόμος ΙΙβ Φώτης ΜΑΡΗΣ Αναπλ. Καθηγητής Δ.Π.Θ.
Τεχνικά ή δομικά έργα στις διευθετήσεις χειμαρρικών ρευμάτων Τα τεχνικά ή δομικά υδρονομικά έργα, που χρησιμοποιούνται στις διευθετήσεις χειμαρρικών ρευμάτων, είναι τα φράγματα, οι παράλληλοι τοίχοι, τα αναχώματα, οι λιθεπενδύσεις, οι πρόβολοι, οι δεξαμενές απόθεσης υλικών, οι ρυθμιστικές δεξαμενές, οι λιθορριπές, οι διαμορφώσεις των κοιτών, οι αγωγοί μεταφοράς ύδατος (κλειστοί, ανοικτοί), οι υδρομαστεύσεις, οι δεξαμενές ύδατος κλπ. 2
Φράγματα - Κατηγορίες Τα φράγματα είναι κτίσματα (τοίχοι), που θεμελιώνονται κάθετα προς τη διεύθυνση ροής των ρευμάτων και επιδιώκουν διάφορους σκοπούς σχετικούς με τη ρύθμιση της ροής του χειμαρρικού ύδατος και τον έλεγχο των υλικών που αυτά μεταφέρουν. Ως χαμηλά θεωρούνται τα φράγματα, των οποίων το συνολικό ύψος δεν υπερβαίνει τα 25 30m, οπότε η μορφή του φράγματος διαμορφώνεται ανεξάρτητα από το ύψος του. Ως συμπαγή χαρακτηρίζονται τα φράγματα εκείνα, των οποίων τα υλικά δόμησης δημιουργούν στερεό σώμα, σε αντίθεση με τα ημιχαλαρά και τα χαλαρά φράγματα (γεωφράγματα), των οποίων τα υλικά δεν σχηματίζουν στερεό σώμα. 3
Υδρονομικοί σκοποί Οι κύριοι υδρονομικοί σκοποί που επιδιώκονται με την ίδρυση φραγμάτων κατά τις δευθετήσεις χειμαρρικών ρευμάτων, είναι οι εξής: Η στερέωση της κοίτης (φράγματα στερέωσης), Συγκράτηση στερεών υλικών (φράγματα συγκράτησης), Δημιουργία τεχνητών δεξαμενών ταμίευσης νερού (φράγματα ταμίευσης), Ρύθμιση της υδατοπαροχής (φράγματα ελέγχου πλημμυρικών αιχμών), Αποτροπή των γεωλισθήσεων (φράγματα αντιγεωλισθητικά), Έλεγχος της στερεομεταφοράς (φράγματα διαλογής, εκκένωσης), Έλεγχος της λαβαμεταφοράς (λαβαθραυστήρες, λαβαμετασχηματιστές), Θραύση της υδραυλικής ενέργειας του νερού (τραχείες ράμπες), Συνδυασμός των παραπάνω και άλλοι σκοποί (ιχθυοκομία, αναψυχή, τουρισμός, κλπ.). 4
Τύποι φραγμάτων Με βάση το ύψος και ανάλογα με την υδραυλική συμπεριφορά τους, τα φράγματα διακρίνονται ως εξής: Φράγματα ζωστήρες,, (μηδενικό( ύψος και χρησιμοποιούνται για τη στερέωση της υφιστάμενης κοίτης), Φράγματα ουδοί,, (ύψος( έως 2m, δρουν ως βυθισμένοι εκχειλιστές), Φράγματα μέσου ύψους,, (ύψος( 2 6 m, αποσκοπούν στη στερέωση της κοίτης και δρουν ως ελεύθεροι εκχειλιστές), Μεγάλα φράγματα,, (ύψος( μεγαλύτερο από 8m, επιδιώκουν τη συγκράτηση των φερτών υλών). 5
6
7
8
9
Με βάση το είδος των υλικών κατασκευής τα φράγματα μπορούν να διακριθούν στις εξής κατηγορίες: Λίθινα με κονίαμα (λιθόδμητα) ή χωρίς κονίαμα (ξηρολίθινα), Σκυροδεμάτινα (οπλισμένα ή μη), Από σκληρό επίχωμα, Γεώδη (χωμάτινα, λιθόρριπτα), Ξύλινα, Μεταλλικά, Από κλαδοπλέγματα ή φακελώματα, Από προκατασκευασμένα υλικά, Μικτά. 10
Από στατική άποψη, δηλαδή ανάλογα με τον τρόπο, που παραλαμβάνουν και εξουδετερώνουν τις δυνάμεις, που ασκούνται σ αυτά, τα φράγματα διακρίνονται σε: Φράγματα Βάρους, τα οποία εξουδετερώνουν τις δυνάμεις που δέχονται, με το ίδιο βάρος της κατασκευής, Φράγματα μεταφοράς δυνάμεων, τα οποία μεταβιβάζουν μερικά ή ολικά τις ασκούμενες δυνάμεις στα πρανή (φράγματα δοκοί, καμπύλα, κλπ.), Μικτά φράγματα βάρους και μεταφοράς δυνάμεων. 11
Θέσεις ίδρυσης φραγμάτων Ως κατάλληλες θέσεις για την ίδρυση των φραγμάτων εκλέγονται κατά κανόνα βραχώδεις διατομές της κοίτης. Όπου δεν υπάρχουν τέτοιες διατομές, τα φράγματα μπορούν να κατασκευάζονται σε οποιαδήποτε θέση της κοίτης, αφού βέβαια ληφθούν όλα τα απαραίτητα μέτρα για την εξασφάλιση τους. Η τοποθέτηση του άξονα του φράγματος γίνεται πάντα κάθετα στον άξονα ροής της κοίτης, εφόσον αυτή είναι ευθύγραμμη. Εάν ο άξονας της κοίτης είναι καμπύλος, τότε η τοποθέτηση του φράγματος γίνεται κάθετα προς την επιθυμητή πορεία ροής του νερού στα κατάντη. 12
13
Μέρη και μορφές φραγμάτων Στέψη (Crest) Crest): είναι το ανώτατο τμήμα του φράγματος, υπεράνω του οποίου ρέουν τα χειμαρρικά ύδατα και μεταφέρονται τα στερεά υλικά. Κατασκευάζεται με αυξημένη αντοχή. Διάρρους (Spillway) Spillway): είναι το σκαφοειδές τμήμα της στέψης, δια του οποίου διέρχονται τα χειμαρρικά νερά. Θεμέλια (foundation): Πρόκειται για το τμήμα του φράγματος, το οποίο αρχίζει από τον πυθμένα και τα πρανή της κοίτης και εισχωρεί μέσα στο έδαφος. Πτερύγια: Είναι τα εκατέρωθεν τμήματα στη στέψη του φράγματος, με τα οποία διαμορφώνεται ο διάρρους και προστατεύονται τα πρανή της κοίτης από υποσκαφή. Κορμός: Πρόκειται για το τμήμα του φράγματος μεταξύ της στέψης και των θεμελίων. Ρύγχος ή γείσο: Είναι η προεξοχή της στέψης του διάρρου προς τα κατάντη, με την οποία απομακρύνεται ο υδάτινος κορμός και τα υλικά που αυτός μεταφέρει, ώστε να μην προσκρούουν στο κάταντες μέτωπο του φράγματος. 14
15
Σε κάτοψη τα φράγματα μπορούν να κατασκευάζονται Ευθύγραμμα (α), Τεθλασμένα (δ, ε), Καμπυλόγραμμα (β), Ευθυγραμμοκαμπυλόγραμμα (γ), Συρταρωτά (στ). 16
Βοηθητικά μέρη Πρόφραγμα Κοιτόστρωση μεταξύ του φράγματος και του προφράγματος, Πλευρικοί τοίχοι στήριξης στα κατάντη και στα ανάντη του φράγματος 17
Μορφή σε πρόοψη Ως προς τη μορφή τους σε πρόοψη τα φράγματα διακρίνονται ως εξής: Πλήρη ή ευθύγραμμα, Βαθμιδωτά, Θολωτά. 18
Διατομή φραγμάτων Η μορφή της διατομής των φραγμάτων εξαρτάται από το εάν το σώμα τους κατασκευάζεται συμπαγές ή χαλαρό. Στα συμπαγή φράγματα η μορφή της διατομής τους μπορεί αν είναι: Ορθογωνική, Τραπεζοειδής, Με κεκλιμένα και τα δύο μέτωπα, Με κεκλιμένο το άναντες και κατακόρυφο το κάταντες, Με κεκλιμένο το κάταντες και κατακόρυφο το άναντες, Με βαθμιδωτά και τα δύο μέτωπα, Με βαθμιδωτό το κάταντες και κατακόρυφο ή κεκλιμένο το άναντες, Με βαθμιδωτό το άναντες και κατακόρυφο ή κεκλιμένο το κάταντες, Με κάταντες τεθλασμένο και άναντες κατακόρυφο ή κεκλιμένο ή βαθμιδωτό. Σιγμοειδής, Σχήματος L ή με πέλμα, Διαφόρων άλλων σχημάτων. 19
20
21
Διάρρους φράγματος Ο διάρρους καθορίζει την κατεύθυνση ροής των χειμαρρικών υδάτων προς τα κατάντη του φράγματος και απομακρύνει τα νερά από τα ευδιάβρωτα πρανή. Σε γεώδη και ημιβραχώδη πρανή, ο διάρρους διαμορφώνεται με την κατασκευή των πτερυγίων. Στα βραχώδη πρανή δεν συνίσταται η κατασκευή πτερυγίων. Το μέγιστο πλάτος του διάρρου δεν υπερβαίνει το πλάτος της υφιστάμενης κοίτης. Ο διάρρους μπορεί να έχει τις εξής μορφές: Ορθογωνικός, Τραπεζοειδής, Ημικυκλικός, Τριγωνικός, Σύνθετος. Στην πράξη χρησιμοποιείται κατά κανόνα διάρρους με τραπεζοειδή μορφή. 22
23
Υδατοχετοί Οι οπές ή υδατοχετοί αποτελούν διάκενα στον κορμό των φραγμάτων, τα οποία ιδρύονται για τη διευθέτηση των φυσικών υδατορευμάτων. Αποσκοπούν στην εκροή των υδάτων που συσσωρεύονται στα ανάντη του φράγματος για διάφορους σκοπούς ως εξής: Μείωση της ασκούμενης υδροστατικής δύναμης στο άναντες μέτωπο του (ανακουφιστικοί οχετοί), Αποφυγή του διαποτισμού των προσχώσεων και των κλιτύων του ρεύματος με νερό, που μπορεί να οδηγήσει σε ολισθήσεις (στραγγιστικοί οχετοί), Διοχέτευση των χαμηλών υδάτων του ρεύματος κατά το χρόνο της κατασκευής του έργου (εκτρεπτικοί οχετοί), Επιβολή διαλογής στα φερτά υλικά (οχετοί διαλογής ή μεγαλοχετοί). Κατασκευάζονται με μορφή τετραγώνου ή ορθογωνίου, θολωτοί ή κυκλικοί. Οι διαστάσεις, ο αριθμός και η θέση των οχετών εξαρτώνται κατά κανόνα από τον επιδιωκόμενο σκοπό, το υπέργειο ύψος του φράγματος και το πλάτος της κοίτης. 24
25
Διαστάσεις Φραγμάτων Οι κύριες διαστάσεις που καθορίζουν την μορφή και το μέγεθος των φραγμάτων, είναι οι εξής: Το υπέργειο ύψος του κορμού του φράγματος, Το ύψος του διάρρου υπεράνω αυτού, Το βάθος θεμελίωσης του φράγματος εντός του γεωϋποθέματος, Οι κλίσεις των μετώπων του φράγματος, Το πάχος της στέψης, Το ανάπτυγμα ή μήκος του φράγματος (μαζί με το βάθος θεμελίωσης στα πρανή). 26
Υπέργειο ύψος φράγματος Το υπέργειο ύψος του φράγματος καθορίζεται με βάση τον επιδιωκόμενο σκοπό και το είδος της κατασκευής. Σε κοίτες ρευμάτων με ισχυρή κλίση είναι δυνατό να διαφέρει σημαντικά το υπέργειο ύψος του φράγματος μεταξύ του ανάντη και του κατάντη πέρατος της βάσης του, όταν αυτή έχει σημαντικό πάχος (φράγματα βάρους). Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιείται η έννοια του υδρονομικού ύψους. Ως υδρονομικό ύψος φράγματος σε κοίτες με ισχυρή κλίση λαμβάνεται το ημιάθροισμα του ύψους στα κατάντη (h 1 ) και εκείνου στα ανάντη (h 2 ) του φράγματος. 27
Ύψος διάρρου Οι τρόποι υπολογισμού των διαστάσεων του διάρρου αναφέρονται στον υδραυλικοτεχνικό προσδιορισμό του διάρρου για δεδομένη, μέγιστη υδατοστερεοπαροχή. Παρέχουν το ελάχιστο μέγεθος διάρρου για συγκεκριμένες συνθήκες χειμαρρικότητας και διαστάσεις φράγματος. Ο διάρρους στην τελική του μορφή μπορεί να διαμορφώνεται με διαστάσεις μεγαλύτερες από την ελάχιστη τιμή, αρκεί το ανάπτυγμα της άνω βάσης του να μην υπερβαίνει το πλάτος της κοίτης του χειμάρρου, εκτός και αν γίνει επένδυση των πρανών με προστατευτικούς τοίχους στήριξης. 28
Πριν απ την πρόσχωση το φράγμα λειτουργεί ως ελεύθερος ή βυθισμένος εκχειλιστής. Μετά την πλήρη πρόσχωσή του, λειτουργεί ως στοιχειώδης διατομή της κοίτης, η οποία έχει την κλίση αντιστάθμισης. Επομένως, από υδραυλική άποψη πριν από την πρόσχωση του φράγματος η απαιτούμενη ελάχιστη επιφάνεια του διάρρου είναι μεγαλύτερη από ότι μετά την πρόσχωσή του, επειδή η μέση ταχύτητα ροής του ρεύματος είναι μικρότερη, όσο το φράγμα λειτουργεί ως εκχειλιστής. Βέβαια μετά την πρόσχωσή του, προστίθεται στην υδατοπαροχή και η στερεοπαροχή του χειμαρρικού ρεύματος. Παρ όλα αυτά ο διάρρους είναι επαρκής, όταν υπολογίζεται μόνο με βάση την υδατοπαροχή για φράγμα, που δρα ως εκχειλιστής. 29
1. Διάρρους με τραπεζοειδή διατομή 3 3B + 2B 2 Q = 1.90 H 5 2. Διάρρους με ορθογωνική διατομή 3 2 Q = 1.90 H B 1 2 Β 1 : Άνω βάση τραπεζίου (m) Β 2 : Κάτω βάση τραπεζίου (m) Β: Βάση του ορθογωνίου (m) Η: Ύψος διάρρου (m) Q: Υδατοστερεοπαροχή (m 3 /sec) 30
Ένας άλλος τρόπος υπολογισμού του ορθογωνικού διάρρου όχι όμως ως εκχειλιστή, αλλά με τη θεώρηση του φράγματος ως τμήματος της κοίτης, δίνεται από τον Müller ως εξής: Καταρχήν υπολογίζεται το κρίσιμο βάθος ροής h kr ως εξής: Q h = = B g 2 2 3 3 kr 2 Το βάθος αυτό το αποκτούν τα χειμαρρικά νερά στο τμήμα της κοίτης πίσω από το διάρρου και μάλιστα σε απόσταση 2 ~ 3 φορές το ύψος του. Το κρίσιμο βάθος αποτελεί πάντοτε μέγεθος, το οποίο δεν μπορεί να υπερβληθεί από το νερό κατά τη ροή του υπεράνω της στέψης του φράγματος. Με βάση λοιπόν αυτό διαμορφώνονται και οι λοιπές διαστάσεις του διάρρου. Για μεγαλύτερη δε ασφάλεια είναι δυνατό κατά τον Müller, αντί του κρίσιμου βάθους να χρησιμοποιείται το ολικό ύψος ενέργειας του νερού που απορρέει, το οποίο δεν είναι ποτέ δυνατό να υπερβεί η στάθμη του νερού. Το ύψος αυτό προσδιορίζεται από τη σχέση: q g H = 3 h 3 q 3 kr = 2 2 g 2 31
3. Διάρρους με ημικυκλική διατομή f = 0.13 0.26 c e 4. Διάρρους προφράγματος Λειτουργεί ως βυθισμένος εκχειλιστής, οπότε παραλείπεται η ταχύτητα προσπέλασης και ο διάρρους υπολογίζεται με τον εξής τύπο: Q = 0.385 μ β 2g h 3 2 f e : Το βέλος και (m) c: η χορδή του κύκλου (m) μ: 0,63 h: f e 32
33
Μετατροπή ορθογωνικού διάρρου σε τραπεζοειδή 34
Πάχος Στέψης Για τη στέψη γίνεται δεκτό, ότι το ελάχιστο πάχος της δεν μπορεί να είναι μικρότερο των 0,80 ~ 1,00 m. Σε περίπτωση κατασκευής ρύγχους το μήκος του ρύγχους εξαρτάται από την κλίση του κατάντη μετώπου και του μήκους του άλματος των νερών. 35
Βάθος Θεμελίωσης Το βάθος θεμελίωσης μιας φραγματικής κατασκευής εξαρτάται άμεσα από το βάθος της υποσκαφής, που αναμένεται, ότι θα δημιουργηθεί στη συγκεκριμένη θέση ίδρυσής της. Συνεπώς, η θεμελίωση κάθε φράγματος πρέπει να γίνεται βαθύτερα από την αναμενόμενη υποσκαφή, ως εξής: Από τα δεδομένα του φράγματος και του ρεύματος (q max, d 90 ) υπολογίζεται με τη βοήθεια του τύπου του Κωτούλα, το βάθος της μέγιστης δυνατής υποσκαφής στη θέση ίδρυσής του. Για λόγους ασφαλείας το βάθος θεμελίωσης υπολογίζεται 0,2 ~ 1,5m μεγαλύτερο από το βάθος της υποσκαφής. 36
Κλίσεις στα μέτωπα του φράγματος Η κλίση του κατάντη μετώπου πρέπει να προσδιορίζεται με τέτοιο τρόπο, ώστε να μην προσκρούει σ αυτό ο υδάτινος κορμός. Ο προσδιορισμός της κλίσης του κάταντες μετώπου γίνεται ως εξής: x 1 1 = : h 4 5 Όπου χ: οριζόντια προεξοχή του φράγματος και h: ύψος φράγματος 37
Ανάπτυγμα φράγματος Το ανάπτυγμα (μήκος) του φράγματος εξαρτάται από το πλάτος της κοίτης στη θέση ίδρυσης του, από την αντοχή του γεωϋποθέματος και από το είδος της φραγματικής κατασκευής. 38
Υδατοχετοί Οι υδατοχετοί υπολογίζονται με βάση τους εξής τύπους: Για ορθογωνική διατομή: Q F 2g h Για κυκλική διατομή: 2 Q 13.9 r h Όπου μ: συντελεστής με τιμή 0,63 r: ακτίνα καμπυλότητας (m) F: επιφάνεια υδατοχετού (m 2 ) g: επιτάχυνση βαρύτητας (9,81 m/s 2 ) h: ύψος της στάθμης του ύδατος στα ανάντη, υπεράνω του κέντρου της οπής (m) 39
Πάχος φράγματος Το πάχος του φράγματος είναι συνάρτηση του ύψους και του πλάτους και της αντοχής της κατασκευής, καθώς και του είδους του γεωϋποθέματος. Καθορίζεται με βάση κυρίως στατικά ή και υδραυλικά κριτήρια σε συνάρτηση και με τις διαστάσεις που αναφέρθηκαν. 40
Σχεδίαση διατομής φραγμάτων Αφού καθοριστούν με ειδική διαστασιολόγηση οι παραπάνω διαστάσεις του φράγματος, γίνεται στη συνέχεια η σχεδίαση της διατομής του με τον έξης τρόπο: Τα δεδομένα από τους υπολογισμούς των διαστάσεων σχεδιάζονται υπό κλίμακα, αφού προηγουμένως καθοριστούν οι κλίσεις των μετώπων του φράγματος. 41