ΠΥΡΗΝΕΣ ΓΕΩΦΡΑΓΜΑΤΩΝ

Τμήμα Δασολογίας & Διαχείρισης Περιβάλλοντος & Φυσικών Πόρων Εργαστήριο Διευθέτησης Ορεινών Υδάτων και Διαχείρισης Κινδύνου Προπτυχιακό Πρόγραμμα Σπουδών ΠΥΡΗΝΕΣ ΓΕΩΦΡΑΓΜΑΤΩΝ Φώτης Π. Μάρης Αναπλ. Καθηγητής

Ζώνες Τμήμα Φράγματος Υλικό κατασκευής 1 Πυρήνας Αδιαπέραστα υλικά 2 Φίλτρο Διαβαθμισμένο αμμώδες υλικό 3 Στραγγιστήριο Διαβαθμισμένο χαλικώδες υλικό 4 Κελύφη Αμμοχάλικα, κορήματα, κερματισμένος βράχος 5 Ανάντη ζώνη προστασίας Ογκόλιθοι Τρόχμαλοι 6 Κατάντη ζώνη προστασίας Λίθοι - Κροκάλες 2

Υλικά Ο πυρήνας του γεωφράγματος είναι το πρακτικά αδιαπέραστο στοιχείο του αναχώματος. Για την κατασκευή του μπορούν να χρησιμοποιηθούν υλικά που περιέχουν ποσοστό λεπτόκοκκο κλάσματος (διερχόμενο από το Πρότυπο Κόσκινο ASTM No 200 0,076mm) μεγαλύτερο από 15%. Όταν το ποσοστό αυτό ξεπερνάει το 15%, προσδίδει ιδιότητες χαμηλής διαπερατότητας στο σύνολο του υλικού. Επομένως για την κατασκευή αδιαπέραστων πυρήνων φραγμάτων μπορούν να χρησιμοποιηθούν εδαφικά υλικά, που περιέχουν λεπτόκοκκο κλάσμα μεγαλύτερο από 15% έως και περισσότερο από 90%. 3

Έρευνες Πεδίου Ο αρχικός εντοπισμός υλικών πιθανώς κατάλληλων για πυρήνα γεωφράγματος πραγματοποιείται στα πλαίσια των γεωλογικών μελετών. Ο λεπτομερής έλεγχος για υλικά πυρήνα φράγματος πραγματοποιείται στα πλαίσια των γεωερευνητικών εργασιών (γεωτεχνικές έρευνες) και περιλαμβάνει έλεγχο καταλληλότητας υλικού και έλεγχο επάρκειας. Οι έλεγχοι καταλληλότητας και επάρκειας γίνονται με δειγματοληψίες υλικού από πυρήνες γεωτρήσεων, από σκάμματα ή από τάφρους. 4

Γεωερευνητικές εργασίες Έρευνες πεδίου Γεωτρήσεις δειγματοληπτικές (διάμετρος οπών, τύποι γεωτρυπάνων) Γενική γεωλογία (χαρακτηρισμός, κατάταξη, ηλικία, σειρά απόθεσης κλπ) Τεχνική γεωλογία (διάβρωση, αποσάθρωση, κερματισμός, ασυνέχειες, αντοχή) Τεχνικογεωλογικές αποτυπώσεις Γεωτρήσεις παρατήρησης στάθμης νερού Διασκοπήσεις (Σεισμικές, Ηλεκτρικές) Δειγματοληψίες πετρωμάτων Έρευνες εργαστηρίου Ορυκτολογικές αναλύσεις Κατάταξη πετρωμάτων Έρευνα για διογκούμενα υλικά Έρευνα δανειοθαλάμων υλικών και λατομείων Έρευνα για απαιτούμενους χώρους Εδαφικά υλικά για πυρήνα Υλικά για κελύφη Υλικά για φίλτρα στραγγιστήρια Υλικά για αδρανή σκυροδέματος Υλικά για λιθορριπές προστασίας αναχωμάτων Χώροι απόρριψης ακατάλληλων υλικών (προϊόντα εκσκαφών) Χώροι αποθήκευσης υλικών 5

Γεωτρήσεις Δυνατότητα δειγματοληψίας από οποιοδήποτε βάθος, αλλά υπάρχει η αβεβαιότητα των κοκκομετρικών αναλύσεων, λόγω πιθανής έκπλυσης υλικού κατά την δειγματοληψία (εάν η όλη εργασία δεν γίνει με ιδιαίτερη προσοχή), ασάφεια ελέγχου της φυσικής υγρασίας (δείγματα με φραγμό). Διάμετρος δειγμάτων 101, 76, 56 mm. 6

Σκάμματα Βάθος συνήθως 3 4 m (σπανίως 6 m με μεγάλους εκσκαφείς) ή κλιμακωτά με προωθητή. Δυνατότητα λήψης αδιατάρακτων δειγμάτων, καθώς και για φυσική υγρασία. Σύνθετα δείγματα και δείγματα σε διάφορα βάθη. Διαστάσεις σκαμμάτων: μήκος 3 6 m, πλάτος 1 2 m (ανάλογα με το πλάτος του κάδου του εκσκαφέα και της σύνθεσης των υλικών). 7

Τάφροι Εκσκαφή με προωθητή ή φορτωτή. Πλάτος τάφρου μεγαλύτερο από το μαχαίρι του προωθητή (της τάξης των 4m) και μήκος μεγαλύτερο από 10m. Δυνατότητες δειγματοληψίας όπως στα σκάμματα, αλλά με καλύτερη δυνατότητα διερεύνησης, λόγω μεγάλου μήκους των τάφρων. 8

Από την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των εργαστηριακών δοκιμών και των θέσεων δειγματοληψίας, γίνεται οριοθέτηση των δανειοθαλάμων. Λόγω αδυναμιών στον έλεγχο επάρκειας καθώς και των σημαντικών απωλειών υλικού που παρατηρούνται κατά την ανάπτυξη και αξιοποίηση των δανειοθαλάμων, είναι σκόπιμο ο διαθέσιμος προς εκμετάλλευση όγκος υλικού να είναι κατά 50 έως 75% μεγαλύτερος του απαιτούμενου για ενσωμάτωση στον πυρήνα. 9

Έρευνες εργαστηρίου Σε δείγματα εδαφικού υλικού από γεωτρήσεις, σκάμματα κλπ, εκτελούνται δοκιμές για προσδιορισμό των χαρακτηριστικών και των ιδιοτήτων του υλικού. Οι εργαστηριακές δοκιμές δίνουν στοιχεία για τα μοναδιαία βάρη των υλικών (ξηρό, υγρό, κορεσμένο, υπό άνωση), τη φυσική υγρασία, την αντοχή, τη διαπερατότητα, τα χαρακτηριστικά της συμπύκνωσης και στης στερεοποίησης κλπ. Με βάση τα αποτελέσματα των εργαστηριακών δοκιμών στα δείγματα υλικού, γίνεται ομαδοποίηση των υλικών (αν απαιτείται) και ορίζονται οι περιβάλλουσες των καμπυλών κάθε δανειοθαλάμου. Κατά κανόνα παρατηρείται μεγάλο εύρος διακύμανσης των κοκκομετρικών καμπυλών. 10

Έρευνες εργαστηρίου Μοναδιαία βάρη των υλικών (ξηρό, υγρό, κορεσμένο, υπό άνωση), Κοκκομετρικές αναλύσεις, Φυσική υγρασία, Παράμετροι αντοχής (φ, c, q), Διαπερατότητα, Χαρακτηριστικά συμπύκνωσης, στερεοποίησης κλπ, Διογκούμενα ορυκτά. 11

Υψόμετρο Στέψης Πυρήνα Η στέψη του πυρήνα πρέπει να βρίσκεται σε μεγαλύτερο υψόμετρο από την ανώτατη στάθμη αποθήκευσης (ΑΣΑ) και κατά κανόνα ταυτίζεται με την ανώτατη στάθμη πλημμύρας (ΑΣΠ). Η στέψη του πυρήνα μπορεί να προβλεφθεί υψηλότερα από την ΑΣΠ σε περιπτώσεις φραγμάτων με μεγάλο ελεύθερο ύψος (Fb). 14

Ελεύθερο ύψος φράγματος Fb To ελάχιστο ελεύθερο ύψος φράγματος (Fb) ορίζεται ως η κατακόρυφη απόσταση μεταξύ της ανώτατης στάθμης πλημμύρας (ΑΣΠ) του ταμιευτήρα (που εμφανίζεται κατά τη διάρκεια της πλημμύρας σχεδιασμού του έργου) και της στέψης του φράγματος. Σημειώνεται ότι η ΑΣΠ ορίζεται λαμβάνοντας υπόψη την ανάσχεση της πλημμύρας που πραγματοποιείται στον ταμιευτήρα. To ελεύθερο ύψος του φράγματος προκύπτει από το άθροισμα: της ανύψωσης της στάθμης του ταμιευτήρα λόγω ανέμου Su, της αναρρίχησης του κύματος Ru, στο ανάντη πρανές του φράγματος, της πιθανής κάθιζησης της στέψης του φράγματος λόγω σεισμού Se, του περιθωρίου ασφαλείας λόγω αβεβαιοτήτων της υδρολογικής μελέτης Sh. Fb = Su + Ru + Se + Sh 15

Πλάτος Στέψης Πυρήνα Θεωρητικά απαιτείται μηδενικό πλάτος στη στέψη του πυρήνα. Κατασκευαστικοί όμως λόγοι αλλά και λόγοι αντιμετώπισης μετακινήσεων της στέψης του φράγματος ως αποτέλεσμα σεισμικών καταπονήσεων, επιβάλουν την κατασκευή του πυρήνα με πλάτος στέψης της τάξης των 4m. Σε περιοχές με σοβαρό πρόβλημα σεισμικών καταπονήσεων καθώς και σε φράγματα μεγάλου ύψους, είναι σκόπιμο να εφαρμοστούν μεγαλύτερα πλάτη πυρήνα στη στέψη (6 10m). 16

Κλίσεις Πρανών Οι κλίσεις των πρανών του πυρήνα προκύπτουν από το απαιτούμενο πλάτος του πυρήνα και κατά συνέπεια είναι συνάρτηση της μέγιστης αποδεκτής υδραυλικής κλίσης κατά πλάτος του πυρήνα. Συνήθεις κλίσεις είναι 1:5 και 1:4, ενώ για πτωχά υλικά (με ποσοστό λεπτόκκοκων < 25%) καθώς και σε περιπτώσεις προβληματικών θεμελιώσεων, εφαρμόζονται ηπιότερες κλίσεις της τάξης π.χ. 1:2,5. Σε περιπτώσεις προβληματικών θεμελιώσεων, εναλλακτικά μπορεί να εφαρμόζεται διαπλάτυνση του πυρήνα σε επαφή με τη θεμελίωση, ώστε να βελτιώνεται η υδραυλική κλίση στην περιοχή αυτή που παρουσιάζει μεγαλύτερη ευαισθησία, χωρίς να αυξάνεται σημαντικά ο όγκος του συνόλου του πυρήνα. 17

Συνήθως εφαρμόζεται η ίδια κλίση στο άναντες και στο κάταντες πρανές του πυρήνα. Στις περιπτώσεις αυτές ο πυρήνας αναφέρεται ως κεντρικός. Εάν η κλίση του άναντες πρανούς είναι διαφορετική από εκείνη του κάταντες, ο πυρήνας αναφέρεται ως κεκλιμένος. Δεν υπάρχει ουσιαστικός περιορισμός στην εφαρμογή ήπιων κλίσεων στο άναντες πρανές του πυρήνα καθώς και απότομων κλίσεων, ακόμα και κατακόρυφης στην κάταντες παρειά. 20

Κεντρικός πυρήνας 21

Κεκλιμένοι Πυρήνες Οι βασικοί λόγοι εφαρμογής κεκλιμένων πυρήνων είναι τρεις: 1. Βελτιστοποίηση της θέσης θεμελίωσης του πυρήνα, λόγω μορφολογίας εδάφους, 2. Βελτιστοποίηση της θέσης θεμελίωσης του πυρήνα λόγω χαρακτηριστικών των γεωλογικών σχηματισμών του υποβάθρου (π.χ. θεμελίωση σε αδιαπέρατο σχηματισμό) ή για αποφυγή ζωνών ή περιοχών του πετρώματος που παρουσιάζουν ανεπιθύμητες αδυναμίες π.χ. ρήγματα ή ζώνες διάτμησης. 3. Μείωση των επιπτώσεων από την ανάπτυξη του Φαινομένου του Θόλου, κατά το οποίο οι τάσεις στο υλικό πυρήνα είναι μικρότερες από αυτές που αντιστοιχούν στο φορτίο των υπερκείμενων υλικών. Εάν η ελάχιστη τάση σε οποιαδήποτε θέση του πυρήνα είναι μικρότερη από την πίεση νερού στη θέση αυτή, θα αναπτυχθεί υδραυλική θραύση του υλικού και εύκολη ανάπτυξη διόδων ροής νερού. 22

Φαινόμενο Θόλου Το υλικό πυρήνα (αργιλικό) είναι περισσότερο συμπιεστό από τα υλικά των κελυφών (αμμοχάλικα λιθορριπή κλπ). Κάτω από το ίδιο φορτίο υπερκειμένων, ο πυρήνας μπορεί να υποστεί υψηλότερη καθίζηση από τα γειτονικά του κελύφη. Λόγω της συνάφειας μεταξύ των υλικών του πυρήνα και των κελυφών παρατηρείται ανάρτηση του υλικού πυρήνα στις γειτονικές του ζώνες. Λόγω της ανάρτησης, οι τάσεις σε οποιοδήποτε οριζόντιο επίπεδο δεν αντιστοιχούν στο φορτίο των υπερκειμένων υλικών, αλλά είναι μικρότερες. Η μείωση των τάσεων από την τιμή γ*h αναφέρεται ως φαινόμενο του θόλου. 23

Μη επιτρεπτή θέση κεκλιμένου πυρήνα 26

Υγρασία Οι πυρήνες των γεωφραγμάτων είναι από πλευράς αντοχής, οι ασθενέστερες ζώνες του αναχώματος (π.χ. γωνία εσωτερικής τριβής φ<25ο και συνοχή c<5kn/m2). Επομένως καταβάλλεται κάθε προσπάθεια να επιτευχθεί με τη συμπύκνωση του υλικού στο ανάχωμα η οικονομικά υψηλότερη αντοχή του. Η αντοχή είναι συνάρτηση της πυκνότητας του υλικού και επομένως στόχος είναι η επίτευξη υψηλής πυκνότητας με συμπύκνωση του υλικού. Ένας παράγων που έχει καθοριστική συμβολή στην επίτευξη υψηλής πυκνότητας είναι η υγρασία του υλικού κατά τη συμπύκνωση. Η επίδραση της υγρασίας και η επιταχυνόμενη πυκνότητα ελέγχονται με τη συσκευή Proctor (τυποποιημένος εργαστηριακός εξοπλισμός). Από την εκτέλεση της δοκιμής προκύπτει ότι για μια συγκεκριμένη ποσότητα ενέργειας συμπύκνωσης, υπάρχει ένα ποσοστό υγρασίας που δίνει την μεγαλύτερη πυκνότητα (βέλτιστη υγρασία Wopt), ενώ για υγρασίες μικρότερες ή υψηλότερες της βέλτιστης, η πυκνότητα που επιτυγχάνεται είναι χαμηλότερη. 27

Στόχος είναι η συμπύκνωση του υλικού πυρήνα να γίνει στη βέλτιστη, κατά περίπτωση, υγρασία του υλικού. Τα εδαφικά υλικά βρίσκονται στον δανειοθάλαμο στην φυσική τους υγρασία, που μπορεί να είναι μικρότερη ή μεγαλύτερη της βέλτιστης. Μπορεί επομένως να απαιτηθεί ύγρανση ή ξήρανση του υλικού πυρήνα πριν από τη χρήση του στο ανάχωμα. Η ύγρανση επιτυγχάνεται με διαβροχή και ανάμιξη, ενώ η ξήρανση επιτυγχάνεται με αναμόχλευση. Σημειώνεται ότι από τη στιγμή που το υλικό πυρήνα εκσκαφθεί στον δανειοθάλαμο, η υγρασία του επηρεάζεται από τη θερμοκρασία και υγρασία του αέρα καθώς και από τις καιρικές συνθήκες. Η υγρασία κατά τη συμπύκνωση καθορίζεται στις Τεχνικές Προδιαγραφές του έργου και αναφέρεται σε εύρος υγρασίας (π.χ. +3 έως -2 της βέλτιστης). Σε επαφή με τη θεμελίωση καθώς και σε περιοχές του πυρήνα όπου αναμένονται σχετικές μετακινήσεις υλικού (π.χ. γειτνίαση με απότομα αντερείσματα ή υβώματα της θεμελίωσης) το υλικό του πυρήνα πρέπει να τοποθετείται με αυξημένη υγρασία ώστε να μειώνεται ο κίνδυνος ρωγματώσεων. 31

Διάστρωση & Συμπύκνωση Διαβροχή επιφάνειας θεμελίωσης για καλύτερη πρόσφυση και αύξηση υγρασίας, Μεταφορά και εκφόρτωση, Διάστρωση με προωθητή ή διαστρωτήρα, Συμπύκνωση με: Κατσικοπόδαρο, Κοπανοφόροκυλινδρο συμπυκνωτή, Ελαστιχοφόρο συμπυκνωτή 37

Προετοιμασία θεμελίωσης, Απομάκρυνση χαλαρών 38

Καθαρισμός με αέρα 40

Προετοιμασία θεμελίωσης 41

Διαβροχή 42

Διάστρωση με λαστιχοφόρο προωθητή και διαβροχή 43

Συμπύκνωση με κατσικοπόδαρο 44

Κοπανοφόρος κυλινδροσυμπιεστής 45