Υλικά και τρόπος κατασκευής χωμάτινων φραγμάτων

Τμήμα Δασολογίας & Διαχείρισης Περιβάλλοντος & Φυσικών Πόρων Εργαστήριο Διευθέτησης Ορεινών Υδάτων και Διαχείρισης Κινδύνου Προπτυχιακό Πρόγραμμα Σπουδών Υλικά και τρόπος κατασκευής χωμάτινων φραγμάτων Φώτης Π. Μάρης Αναπλ. Καθηγητής

ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΚΑΙ ΦΥΣΗ ΤΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ Τα εδάφη προέρχονται από την μηχανική και χημική αποσάθρωση των πετρωμάτων υπό την επίδραση της ατμόσφαιρας καθώς και βιολογικών παραγόντων. Τα υλικά της αποσάθρωσης που παράγονται και παραμένουν στον τόπο σχηματισμού τους ονομάζονται αυτόχθονα, ενώ τα υλικά που μεταφέρονται σε χαμηλότερες θέσεις, με την δράση του ανέμου ή νερού (χείμαρροι), ονομάζονται προσχωσιγενή. 2

3

Το έδαφος είναι ένα μη συμπαγές πολυφασικό υλικό, που αποτελείται από ασύνδετους ή ελαφρά συνδεδεμένους στερεούς κόκκους, τα κενά μεταξύ των οποίων (πόροι) περιέχουν υγρά (συνήθως νερό) ή/και αέρια (συνήθως αέρα). Τα εδαφικά υλικά προέρχονται από τη μηχανική ή/και χημική αποσάθρωση των πετρωμάτων. Η φύση του εδάφους 4

Μηχανική αποσάθρωση Κατατεμαχισμός και θρυμματισμός του πετρώματος Οφείλεται σε παράγοντες όπως ο παγετός, οι συνεχείς θερμοκρασιακές μεταβολές, η διάβρωση από το νερό και τον αέρα, οι λειτουργίες φυτών ζώων και του ανθρώπου Αποτελεί τον βασικότερο παράγοντα δημιουργίας χονδρόκοκκων εδαφών (χαλικιών, άμμου) 5

Χημική αποσάθρωση Αποσύνθεση του πετρώματος Οφείλεται στην οξείδωση, ενανθράκωση, αναγωγή και άλλων χημικών διεργασιών Αποτελεί τον σημαντικότερο παράγοντα γένεσης λεπτόκοκκων εδαφών (ιλύος και αργίλου) 6

Βασικός παράγοντας που είναι υπεύθυνος για την φύση των εδαφών και τον προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων τους, είναι η ορυκτολογική σύσταση. Ορυκτό είναι ένα φυσικά ομοιογενές στερεό συστατικό του φλοιού της γης, το οποίο κάτω από ορισμένες φυσικοχημικές συνθήκες έχει καθορισμένη χημική σύσταση και κρυσταλλική δομή, επομένως ορισμένες φυσικές σταθερές και ιδιότητες. 7

Η Άργιλος Η άργιλος είναι κλαστικό ίζημα που αποτελείται κατά το πλείστον από ορυκτά της αργίλου (καολινίτης, μοντμοριλλονίτης, ιλλίτης) και χλωρίτη. Το μέγεθος των κόκκων των ορυκτών είναι μικρότερο των 0.002 mm. Το μόριο της Αργίλου αποτελείται από ένα στερεό πυρήνα χαλαζία και από μια διπλή ηλεκτρική στρώση. Η εσωτερική στρώση είναι συνδεδεμένη με το μόριο και είναι φορτισμένη αρνητικά και η εξωτερική στρώση αποτελείται από θετικά ιόντα + + + + + _ + _ + Η άργιλος χαρακτηρίζεται ως το κολλοειδές τμήμα του εδάφους, γι αυτό και τα συνεκτικά εδάφη είναι πλούσια σε Άργιλο 8

Ταξινόμηση των εδαφών Η ταξινόμηση των εδαφών γίνεται με βάση το σκοπό χρησιμοποίησης (υλικό δόμησης ή θεμελίωσης) και ως συνέπεια έχουμε τρία κριτήρια διάκρισης. 9

ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΕΔΑΦΩΝ Η Ολοκληρωμένη έρευνα του υπεδάφους απαιτεί την συστηματική κατάταξη Αυτή γίνεται με βάση το των διαφόρων εδαφών το σκοπό χρήσης του εδάφους (ως υλικό δομής ή θεμελίωσης) 1 ο Κριτήριο: Συνοχή Εδάφη μη Συνεκτικά ή χωρίς συνοχή ή Ψαθυρά Εδάφη Αυτά που δεν έχουν συνοχή (Χαλίκια, Άμμος) Συνεκτικά Εδάφη Αυτά που έχουν συνοχή και μπορούν να κοπούν κατά κατακόρυφες επιφάνειες (Πηλός, Άργιλος) 10

2 ο Κριτήριο: Χημική Σύσταση Πυριτικά ή χαλαζιακά εδάφη Ασβεστολιθικά εδάφη Ασβεστούχα εδάφη Μαρμαρυγιακά εδάφη Οργανικά εδάφη 11

3 ο Κριτήριο: Μέγεθος των εδαφικών κόκκων Χάλικες (Gravel)) 60 mm 2 mm Χονδρική κατάταξη Άμμος (Sand)) 2 mm 0.06 mm Ιλύς (Silt)) 0.06 mm 0.002 mm Άργιλος (Clay)) < 0.002 mm 12

Απαιτήσεις κατασκευής γεωφραγμάτων 1. Χρήση εδαφικών υλικών υψηλής διατμητικής αντοχής, ώστε να έχουν ικανοποιητική ευστάθεια με απότομες κλίσεις πρανών (μικρός όγκος φράγματος, και συνεπώς μικρό κόστος). 2. Χρήση εδαφικών υλικών μικρής διαπερατότητας, ώστε να συγκρατούν το νερό του ταμιευτήρα. 3. Έδραση και πλευρικά αντερείσματα σε εδάφη μικρής διαπερατότητας (ώστε να μην συμβαίνουν διαφυγές νερού του ταμιευτήρα) και σχετικώς υψηλής αντοχής (ώστε να μην υπάρχει κίνδυνος ολίσθησης του φράγματος). 4. Τέλος, χρήση υλικών που είναι επιτόπου διαθέσιμα σε επαρκείς ποσότητες. 13

Γεωτεχνική έρευνα Οι στόχοι της γεωτεχνικής έρευνας είναι: Ο προσδιορισμός των ιδιοτήτων σχηματισμού θεμελίωσης φράγματος (επιλογή θέσης κατασκευής φράγματος ή και λήψη μέτρων βελτίωσης θεμελίωσης) και συνθηκών στον ταμιευτήρα. Έρευνα δανειοθαλάμων και εντοπισμός κατάλληλων υλικών κατασκευής, Οι μέθοδοι της γεωτεχνικής έρευνας είναι: Γεωλογικοί χάρτες, τοπογραφικοί χάρτες, αεροφωτογραφίες, γεωφυσικές μέθοδοι, ερευνητικά φρέατα, γεωτρήσεις, δειγματοληψίες, δοκιμές πεδίου και εργαστηριακές δοκιμές. 14

15

Θεμελίωση Οι απαραίτητες προϋποθέσεις μιας καλής θεμελίωσης για χωματίνο φράγμα, είναι να παρέχει ανθεκτική στήριξη στο επίχωμα για όλες τις συνθήκες διάβρωσης και φόρτισης, καθώς επίσης και επαρκή αντίσταση στην διήθηση του ύδατος για την αποφυγή απώλειας μεγάλης ποσότητας ύδατος. Η σημασία της σωστής αντιμετώπισης της θεμελίωσης λαμβάνει ιδιαίτερη έμφαση από το γεγονός ότι το 40% όλων των αστοχιών στα χωμάτινα φράγματα και το 12% όλων των θραύσεων αποδίδονται στην αστοχία της θεμελίωσης (Καράλης,, 2001) 16

Ο πυρήνας Ο πυρήνας εξασφαλίζει την στεγανότητα του φράγματος. Ο πυρήνας ενός γεωφράγματος είναι το πρακτικά αδιαπέραστο στοιχείο του αναχώματος. Για την κατασκευή του μπορούν να χρησιμοποιηθούν υλικά που περιέχουν ποσοστό λεπτόκοκκου κλάσματος μεγαλύτερο από 15%, διότι αυτό προσδίδει ιδιότητες χαμηλής διαπερατότητας στο σύνολο του υλικού. Το πλέον συνηθισμένο υλικό συμπύκνωσης για την κατασκευή του πυρήνα είναι η άργιλος η οποία στην καθαρή της μορφή είναι υλικό που συμπυκνώνεται δύσκολα. Επίσης όσο περισσότερο άργιλος εμπεριέχεται στη σύσταση του εδάφους, τόσο λεπτότερος είναι δυνατόν να κατασκευαστεί ο πυρήνας. 17

Με τη συμπύκνωση του αργιλικού πυρήνα Μειώνεται η συμπιεστότητα του και συνεπώς μειώνονται οι καθιζήσεις μετά την κατασκευή του φράγματος, Αυξάνεται η διατμητική αντοχή του και συνεπώς αυξάνει ο συντελεστής ασφάλειας των πρανών του φράγματος, Μειώνεται η διαπερατότητα του, Οι ιδιότητες του γίνονται περισσότερο ομοιόμορφες 18

19

20

Φίλτρα Λειτουργία των φίλτρων : 1. Αποφυγή υδραυλικής διάβρωσης (μεταφοράς εδαφικών κόκκων) κατά την κίνηση του νερού (λόγω υδραυλικής κλίσης) από λεπτόκοκκο προς αρκετά πιο χονδρόκοκκο υλικό. Η τάση αυτή προκαλείται από την κίνηση του διηθούμενου νερού διαμέσου του φράγματος. Τέτοιο είναι το φίλτρο στο κάταντες άκρο του αργιλικού πυρήνα προς το κατάντη σώμα στήριξης 2. Έμφραξη τυχόν αναπτυσσόμενων ρωγμών του πυρήνα για την αποφυγή ροής νερού διαμέσου του πυρήνα από το άναντες σώμα στήριξης. Τέτοιο είναι το φίλτρο ανάντη του πυρήνα. Η μελέτη του υλικού του φίλτρου βασίζεται στις μελέτες του Sherard και τις σχετικές οδηγίες της US Department of Agriculture, Soil Conservation Service. 21

22

23

24

Στραγγιστήρια Είναι ζώνες υψηλής διαπερατότητας, από καθαρά χαλίκια και κροκάλες, που έχουν τη δυνατότητα να απομακρύνουν από το ανάχωμα του φράγματος οποιαδήποτε διηθούμενα νερά, ώστε να μην είναι δυνατή η ανάπτυξη πιέσεων. 25

26

27

Κελύφη Στηρίζουν τον πυρήνα και είναι το κυρίως σώμα του φράγματος. Κατά κανόνα χρησιμοποιούνται υλικά με αντοχή υψηλότερη από τα υλικά πυρήνα. Τα κελύφη των χωμάτινων φραγμάτων μπορούν να κατασκευαστούν από γαιώδη υλικά. Στα γαιώδη υλικά περιλαμβάνονται: Τα αμμοχάλικα από αποθέσεις χειμάρρων, Υλικά παλαιών αναβαθμίδων ποταμών, Πλευρικά κορήματα και Αποσαθρωμένος βράχος 28

29

Λιθορριπή προστασίας άναντες πρανούς Προστατεύει το άναντες πρανές του αναχώματος από τη διαβρωτική καταπόνηση των κυματισμών που αναπτύσσονται στον ταμιευτήρα. Για την κατασκευή της ζώνης αυτής μπορούν να χρησιμοποιηθούν λίθοι κατάλληλων διαστάσεων, ώστε να μη μετακινούνται από τις ωθήσεις των κυματισμών. 30

Λιθορριπή προστασίας κάταντες πρανούς Προστατεύει το κάταντες πρανές του αναχώματος από τη διαβρωτική ενέργεια του νερού της βροχής και κυρίως των ρυακιών που σχηματίζονται (αυλακωτή διάβρωση). Μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση (επίστρωση του πρανούς) κροκάλων ή λίθων με απαιτήσεις μέγιστης, μέσης και ελάχιστης διάστασης, καθώς και στρώση φυτοκάλυψης. 31