Baraje din materiale locale

Materialele locale, care se preteaza la constructia barajelor si care se gasesc de obicei in vecinatatea amplasamentului barajului, sunt diferite pamanturi (nisip, argila, etc) si materiale din piatra (pietris, bolovanis, piatra de diferite dimensiuni).

Barajele din materiale locale se caracterizeaza prin simplitatea constructiei si prin costul relativ redus. Aceste baraje elimina transporturi si tehnologii costisitoare, nu folosesc materiale deficitare si reprezinta in general solutii optime din punct de vedere tehnic si economic. Ele trebuie sa indeplineasca doua conditii esentiale: sa fie constructii stabile si sa fie cat mai putin permeabile.

Datorita dezvoltarii si perfectionarii cunostintelor din domeniul mecanicii pamanturilor, a mijloacelor si metodelor de executie a volumelor mari de lucrari de terasamente, in ultima perioada de timp s-au realizat un numar din ce in ce mai mare de asemenea baraje. In prezent peste 2/3 din barajele ce se executa sunt baraje din materiale locale. De asemenea s-a ajuns la performante deosebite in privinta inaltimii barajelor si a volumelor acestora. Astfel, cel mai inalt baraj din lume este in prezent barajul din materiale locale de la Nourek, pe raul Vash (Tadjikistan), de 317 m si care are un volum de 58 ⋅ 10⁶ m³ ca volum, cele mai mari sunt barajele de la Tarbela (H = 148 m) pe Indus in Pakistan, care are 142 ⋅ 10⁶ m³, urmat de barajele Fort Peck (H = 76 m) cu 96,03 ⋅ 10⁶ m³ si Oroville (H = 236 m) cu 59,64 ⋅ 10⁶ m³, ambele din SUA.

In tara noastra s-au realizat in ultimii ani importante lucrari de pamant, atat in domeniul hidroameliorativ, cat si in domeniul hidroenergetic. Astfel lungimea digurilor de aparare construite in lunca Dunarii depaseste 500 km, totalizand un volum de terasamente de peste 25 ⋅ 10⁶ m³. Amenajarea hidroenergetica a raului Bistrita a necesitat, pentru cele 8 lacuri dintre Bicaz si Bacau, diguri cu inaltimi intre 5 si 15 m, insumand peste 30 km lungime si un volum de 2,1 ⋅ 10⁶ m³. Ulterior asemenea amenajari, cu performante superioare, s-au realizat pe Arges, Olt si alte rauri interioare. In prezent in tara noastra exista realizate de asemenea peste 20 de baraje mari din materiale locale. Dintre acestea se remarca barajul Vidra pe Lotru ( H = 124 m, V_b = 3,8 ⋅ 10⁶ m³), Mariselu pe Somes (H = 102 m), Siriu pe Buzau (H = 115 m), Oasa pe Sebes (H = 106 m) si altele.

Clasificarea barajelor din materiale locale se face din mai multe puncte de vedere. In functie de materialul principal utilizat exista: baraje de pamant, baraje din anrocamente si baraje mixte (pamant si piatra).

Caracteristicile pamanturilor

Pamantul este alcatuit din trei faze: solida, lichida si gazoasa. Faza solida este alcatuita din particule de diferite marimi. Particulele de diametre apropiate formeaza fractiuni granulometrice. In golurile dintre particulele fazei solide se gasesc apa si aer.

Materialele locale care se folosesc la constructia barajelor trebuie sa aiba o serie de calitati, care rezulta din proprietatile acestora. Principalele caracteristici ale unui material sunt urmatoarele:

a. curba granulometrica a pamantului este reprezentarea grafica a cantitatii de pamant (in procente din greutate) dintr-o anumita proba, functie de diametrul particulelor care alcatuiesc proba (figura 3.31). Ea se determina prin cernerea probei succesiv prin site cu dimensiunile ochiurilor din ce in ce mai mici si cantarindu-se greutatea materialului care nu a trecut prin ochiurile sitei.

Functie de dimensiunile particulelor componente, materialele se impart in:

- piatra, daca d = 20 - 200 mm;

- pietris    d = 2 - 20 mm;

- nisip foarte mare    d = 1 - 2 mm;

- nisip mare    d = 0,5 - 1 mm;

- nisip mijlociu    d = 0,2 - 0,5 mm;

- nisip fin    d = 0,1 - 0,2 mm;

- nisip foarte fin    d = 0,05 - 0,1 mm;

- prafuri    d = 0,005 - 0,05 mm;

-argile d<0,005 mm

Alura curbei granulometrice ne da indicatii asupra gradului de uniformitate a materialului. Materialele trebuie sa contina fractiuni din toate diametrele: prea mult material fin nu este indicat, deoarece este usor spalat de apa, iar o cantitate prea mare de material grosier mareste gradul de permeabilitate. Se defineste chiar un indice de uniformitate a materialului: u=d50% / d10%

in functie de ale carui valori materiale pot fi:

- uniforme daca u < 5;

- cu uniformitate mijlocie pentru 5 < u < 15;

- neuniforme pentru u > 15.

Ideal ar fi ca materialul sa aiba particule din toate fractiunile: materialul grosier ar constitui scheletul de rezistenta, asigurand stabilitatea, iar materialul mai fin, impanat in golurile celui grosier, ar asigura impermeabilizarea barajului.

b. porozitatea materialului reprezinta raportul dintre volumul golurilor Vg si cel total Vt al unei probe de pamant: n= Vg / Vt

De regula volumul golurilor este umplut cu un anumit volum de apa Vw si cu un volum de aer Va, Vg= Vw+Va. Diferenta dintre volumul total si volumul golurilor reprezinta volumul fazei solide Vs sau volumul plinului Vp = Vs.

c. cifra porilor ε reprezinta raportul dintre volumul golurilor Vg si volumul plinului (fazei solide) Vp al unei probe de pamant: ε = Vg/Vp=n/n-1

d. greutatea specifica a fazei solide Ys este raportul

Ys Gs/Vs

iar greutatea volumica a pamantului este Yv G/Vt

in care G =Gw+Gs ,Gw fiind greutatea apei si Gs a fazei solide.

e. umiditatea pamantului este raportul dintre greutatea apei din pori si greutatea partii solide: w=Gw/Gs

Mai mentionam ca in cazul unui material putem vorbi deci de trei valori ale greutatii sale specifice:

- in stare uscata    Yu=Ys·(1-n)

- in stare umeda(normala) Yv= Ys·(1-n)·(1+w)

- in stare imersata     Y'=(Ys-Y)·(1-n)

Daca intreg volumul golurilor este umplut cu apa (Vg=Vw) se spune ca pamantul este saturat cu apa, iar umiditatea W se numeste umiditate de saturatie (sau maxima) Ws:

Ws=Ga/Gs=(Y·n)/Ys·(1-n)=ε·Y/Ys

f. gradul de saturatie este raportul dintre umiditatea pamantului in stare naturala si umiditate de saturatie s = W/Ws

Functie de gradul de saturatie cu apa pamanturile pot fi:

- uscate daca    s ≤ 0,4;

- umede pentru     0,4 < s ≤ 0,8;

- foarte umede     0,8 < s < 1;

- saturate     s = 1;

g. gradul de compactarea (indesare) Pamanturile necoezive se caracterizeaza prin asezarea mai afanata sau mai indesata a fazei solide. Gradul de indesare sau de compactare a unui pamant se defineste prin raportul: D=εmax-ε/εmax- εmin cu cifra porilor ε.

Functie de valoarea lui D pamanturile necoezive pot fi:

- afanate pentru    0 < D < 0,33

- cu compactare mijlocie daca 0,33 < D < 0,66

- compacte daca 0.66<D ≤ 1

Mai trebuie aratat ca pamanturile se caracterizeaza prin plasticitate, adica prin proprietatea de a putea fi modelate in anumite limite de umiditate.

h. rezistenta la forfecare a pamantului τ este efortul unitar maxim care se dezvolta intr-un plan de alunecare in momentul ruperii. El se determina prin incercari de laborator .

i. permeabilitatea pamanturilor este proprietatea acestora de a lasa apa sa curga prin porii sai. Tinand seama ca apa curge prin spatiile dintre particulele solide, miscarea acesteia este deosebit de complicata. Pentru a o putea studia se foloseste un model simplu (propus de Darcy), considerand ca debitul de fluid ce strabate pamantul (mediu poros) foloseste intreaga sectiune A a probei, fara a tine seama deci de existenta particulelor solide. Evident, in acest caz , viteza de miscare a apei prin mediul poros(viteza de infiltratie) Va, va fi mai mica decat cea reala Va=nVr.

Darcy a propus ca aceasta viteza sa fie determinata prin relatia

Va=ki , in care i reprezinta panta hidraulica a curgerii (panta liniei piezometrice), iar k o marime caracteristica a pamantului, constanta in anumite limite ale pantei si avand dimensiunile unei viteze.

Aceasta marime se numeste coeficient de permeabilitate si poate fi usor determinat, in mod experimental,. Pamanturile au diverse valori medii ale acestui coeficient, ca de exemplu:

- argila    k = 10^-7 cm/s;

- nisip argilos     k = 10^-3 - 10^-5 cm/s;

- nisip fin     k = 10^-3 - 10^-4 cm/s;

- nisip mediu k = 10^-2 - 10^-3 cm/s;

- nisip mare     k = 10^-1 - 10^-2 cm/s;

- pietris, prundis k = 10 - 10^-1 cm/s.

Infiltratia prin corpul barajelor de pamant

Asa cum s-a mentionat deja ,barajele de pamant trebuie sa fie cat mai putin permeabile.

Din punct de vedere al infiltratiei, barajele de pamant se impart in:

- baraje omogene, al carui corp este alcatuit dintr-un singur fel de material (aceeasi valoare a lui k);

- baraje neomogene, in corpul carora se folosesc materiale diverse (nisip, pietris, argila), cu valori diferite ale coeficientului de permeabilitate, in special cu scopul de a micsora debitul de infiltratie.

Calculul infiltratiei prin baraje omogene de pamant

Infiltratia se face pe baza legii lui Darcy. Miscarea are caracterul unei

miscari potentiale plane putandu-se trasa chiar si un spectru hidrodinamic al ei. Daca suprafata libera a curgerii este o curba de forma ABC, exista trei zone caracteristice si anume: (1) zona prismului amonte, (2) zona centrala si (3) zona prismului aval.

Calculul infiltratiei prin baraje neomogene

A. Sectiunea transversala a unui baraj de pamant este de forma trapezoidala cu paramenti avand una sau mai multe inclinari. Pantele rezulta in functie de inaltimea barajului, de caracteristicile pamantului, de natura terenului de fundatie, precum si de rezultatul calculului infiltratiilor si de stabilitate.

Pentru baraje cu inaltimi pana in 20 m, rezulta pante ale taluzului amonte de 1:2 1:3, iar ale celui aval de 1:1,5 ..1:2,5. Pentru inaltimi mai mari se poate ajunge in amonte la 1:3 ..1:4, in aval la 1:2 ..1:3,5, realizandu-se chiar taluzuri frante cu inclinare mai mica la partea inferioara .In punctele de schimbare a pantei, sau la distante pe verticala de 25-40 m, se prevad adesea, in special pe taluzul aval, berme orizontale, cu latimea de 2-3 m si prevazute cu rigole pentru colectarea apelor de ploaie ce se scurg pe taluz . Pentru a proteja taluzul aval impotriva siroirii apelor de ploaie (care ar degrada acest taluz), in afara bermelor, se prevede inierbarea acestuia. Nu este insa permisa plantarea pe taluz a unor arbusti sau ierburi cu radacini adanci. Inierbarea favorizeaza totodata stabilitatea taluzului.

Practica a dovedit ca pierderea stabilitatii taluzelor se face prin alunecarea pamantului dupa niste suprafete aproximativ cilindrice . Cum coeficientul de stabilitate la alunecare reprezinta raportul intre momentul fortelor care dau stabilitate Ms si cel al fortelor de alunecare Ma    Ks= Ms/Ma=1,3 . . ..1,5 trebuie luate masuri care sa mareasca M_s si sa micsoreze M_a. Una din aceste masuri se refera la indepartarea liniei de infiltratie de taluzul aval. Aceasta se poate face in mai multe moduri, prin realizarea unor elemente drenante, sub forma de filtru invers, situate la piciorul aval al barajului sau chiar in zona centrala. Tubul de drenaj central, desi reduce mult zona influentata de infiltratie, are dejavantajul ca se poate infunda si reparatiile nu se mai pot realiza.

Pentru a proteja taluzul aval, in special in zona piciorului aval, impotriva fenomenelor de inghet dezghet se utilizeaza placaje cu bolovani sub forma de filtru invers.

In zona superioara a taluzului amonte se realizeaza un element din beton armat, care are rolul de a sparge valurile si de a opri deferlarea lor peste coronament. Daca coronamentul este circulabil, se realizeaza un drum cu trotuare si rigole, care se sprijina pe o fundatie din beton.

B.Etansarea corpului barajului

Barajele omogene sunt realizate dintr-un amestec natural (acelasi in tot corpul barajului) format dintr-o parte de rezistenta (pietris, nisip mare) si una de etansare (nisip argilos, argila).In cazul barajelor neomogene corpul acestora este format dintr-o parte de rezistenta (materiale necoezive si permeabile) si un element de etansare. Etansarea se realizeaza printr-un nucleu de argila sau printr-o diafragma de beton (sau mai rar metalica) situate in centrul sectiunii transversale, sau prin masca, ecran de argila, de beton armat sau din asfalt, situate pe taluzul amonte sau in apropierea acestuia .

Uneori se simte nevoia ca etansarea sa se faca si in zona fundatiei. Aceasta se poate face cu: pinteni sau diafragme din argila sau beton, voaluri de injectii duse pana la roca impermeabila, palplanse metalice, avantradier din argila (cu o lungime de aproximativ 10 ori inaltimea barajului.

C. Realizarea corpului barajelor de pamant se poate face prin doua metode:

- depunerea materialului in stare uscata, adus cu mijloace auto sau mecanizate, in straturi succesive (cu grosimea de 30-50 cm) si compactarea artificiala prin mai multe treceri (cel putin 6-7) a diferitelor utilaje de compactat (cilindri de otel de 10-20 t, cilindri picior de oaie, compactoare cu pneuri);

- sedimentarea materialului extras din cariere si adus in amplasament prin mijloace hidraulice.

Elemente constructive ale barajelor din anrocamente

Dupa modul de realizare al corpului barajului exista: baraje din anrocamente aruncate, din zidarie uscata (blocuri de piatra aranjata, fara mortar) si baraje mixte.

Forma sectiunii transversale este de asemenea un trapez, inclinarea taluzelor rezultand din calculul de stabilitate si depinzand de un numar mare de elemente: inaltimea barajului, modul de realizarea al acestuia, modul de etansare s.a.. Aceste inclinari sunt cuprinse intre 1:0,5 ;1:2. Latimea coronamentului se alege functie de existenta cailor de acces peste baraj, fiind cel putin de 3 m la barajele de inaltime mica si 5-7 m la cele inalte. In cazul barajelor inalte taluzurile barajelor de anrocamente se intrerup la circa 10-15 m diferenta de nivel, realizandu-se berme cu latimea de 1-2 m. Forma sectiunii transversale poate suferi deformari datorita tasarilor generale (in toata masa barajului) sau locale (in anumite puncte ale barajului). Aceste tasari se produc sub actiunea greutatii proprii (mai ales in perioada de constructie ) si a presiunii apei (in special dupa umplerea lacului). Ordinul de marime al tasarilor este de 0,2 .3% din inaltimea barajului si de obicei se realizeaza in primul an dupa umplerea lacului de acumulare. Cunoasterea exacta a tasarilor este necesara deoarece in functie de valorile acestora se alege sistemul de etansare al barajului. De asemenea se alege tehnologia de executie care sa reduca la maxim tasarile corpului barajului. Executia barajului din anrocamente se face in doua moduri: - prin asezarea anrocamentelor in straturi cu grosimi intre 1 si 2 m si compactarea lor cu utilaje de cilindrare; -prin aruncarea anrocamentelor de la inaltime, de pe o platforma numita estacada, formand straturi de 10-12 m inaltime, compactarea realizandu-se prin stropirea cu cantitati mari de apa cu ajutorul unor hidromonitoare speciale. Anrocamentele folosite la realizarea barajelor trebuie sa aiba anumite caracteristici de rezistenta printre care: rezistente mecanice si la gelivitate mari, rezistenta la soc, sa nu fie casante, sa fie rezistente la actiunile chimice ale apelor agresive. Important este ca anrocamentele sa aiba anumite dimensiuni si o anumita forma; aceste elemente influenteaza volumul de goluri, tasarea corpului barajului si a paramentilor. Nu sunt indicate formele alungite, care conduc la suprafete mici de contact intre blocuri si deci la eforturi mari, ceea ce implica strivirea materialului. De asemenea este necesar sa existe fractiuni diferite ale dimensiunilor anrocamentelor, cele cu dimensiuni mici umpland golurile dintre cele cu dimensiuni mari. Anrocamentele si zidaria de piatra uscata au goluri mari intre ele si natural sunt permeabile. Impermeabilizarea barajelor se asigura de aceea cu ajutorul unor ecrane sau masti prevazute pe paramentul amonte sau a unor diafragme sau nuclee in interiorul corpului barajului . Dupa materialul din care se executa, mastile pot fi din beton, beton armat, lemn, metal, mastic bituminos, asfalt. Dupa modul in care pot prelua tasarile si deplasarile relative mastilor pot fi: rigide, semielastice si elastice. Mastilor din lemn si metal se aplica la baraje de mica inaltime. Desi prezinta avantaje cum ar fi o etansare satisfacatoare si o adaptare buna la deformatii, aceste masti se folosesc azi din ce in ce mai putin, metalul si lemnul devenind materiale deficitare. In plus mastile metalice corodeaza in timp, iar cele din lemn putrezesc sau sunt inflamabile. In prezent cele mai utilizate sunt mastile din beton armat .Acestea trebuie sa reziste la solicitarile din presiunea apei si a ghetii, sa fie impermeabile si sa urmareasca deformatiile taluzului amonte. Pentru a rezista solicitarilor mastile din beton se armeaza, pe doua randuri la adancime si pe un rand in apropierea coronamentului. Grosimea placii de beton este la baza de aproximativ 1% din inaltimea barajului, subtiindu-se in zona coronamentului unde ajunge la 0,20,3 m. Masca este formata din placi cu dimensiuni variind intre 8 si 15 m. Intre placi se prevad rosturi etansate cu tola de cupru sau cu benzi de cauciuc. La baza paramentului amonte placa reazema pe un pinten (vatra) de beton, incastrat in terenul de fundatie si din care se poate realiza si voalul de injectii. Daca betonul este turnat direct pe stratul de anrocamente, facand corp comun cu acestea , masca este rigida, ea preluand deformatiile paramentului si deci putand fisura. Daca placa din beton armat se aseaza pe un strat de beton de egalizare, ceea ce permite deformarea independenta a anrocamentelor fata de ecran, masca este elastica, fiind deci mai buna in exploatare, dar in acelasi timp mai costisitoare.

Mastile executate din beton bituminos au avantajul ca urmaresc, fara sa se deterioreze, toate deformatiile paramentului. Ele se toarna sub forma unui covor continuu (nu exista rosturi) pe intreg paramentul amonte si se pot executa in intregime dupa terminarea umplerii corpului barajului. De asemenea sunt mai usor de controlat si intretinut . Exista insa dezavantajul major ca, sub actiunea factorilor externi, isi pierde o parte din calitati, materialul imbatraneste, devine casant si chiar permeabil. De asemenea la temperaturi ridicate poate deveni fluent, curge si deci exista riscul de a nu mai asigura impermeabilizarea dorita. De aceea folosirea acestor tipuri de masti trebuie facuta cu mult discernamant si trebuie gasit un asfalt bituminos care sa-si pastreze calitatile (rezistenta mecanica, plasticitate, etanseitate, stabilitate la temperaturi ridicate) intr-un interval mare de variatie posibila a temperaturilor.

Asa cum s-a aratat la inceputul acestui paragraf in tara noastra s-au executat si sunt in continuare in curs de executie importante lucrari si baraje din materiale locale. In figura alaturata este prezentata o sectiune transversala a barjului Vidra executat pe Lotru. Este un baraj alcatuit din anrocamente, cu nucleu central de argila. Are inaltimea maxima de 124 m, latimea coronamentului de 10 m, si lungimea de 380 m, iar latimea maxima la baza a barajului este de 487 m. Barajul are un volum total de 3.800.000 m³ si realizeaza o acumulare de 340.000.000 m³, ceea ce inseamna un coeficient de acumulare β = 89,5 m³ apa / m³ baraj.