756

Erozija renog dna i oteenje betona odskonog praga preliva brane erdap 1

ivodar Eri1

APSTRAKT: U radu se prikazuje erozija renog dna nizvodno od preliva i oteenja betona potopljenog odskonog praga. Ispituju se uzroci ovih pojava i procenjuju neeljene posledice daljeg razvoja erozije i oteenja betona. Opisuje se strujna slika u donjoj vodi preliva pri razliito otvorenim ustavama na prelivnim poljima. Prikazuju se podaci o dosadanjem pogonu ustava na prelivu i predlae pogon kojim bi se ublaio eroziono-abrazioni napad na reno dno i betonsku konstrukciju. Preporuuju se mere za popravku oteenog betona i mere za dodatnu zatitu betona i fundamenata odskoka i horizontalne zatitne ploe.

Kljune rei: potopoljeni odskok, strujna slika, erozija, abrazija.

Riverbed Erosion and Damages of Flip Bucket

Concrete at Djerdap 1 Dam Spillway

ABSTRACT: This paper discusses riverbed erosion downstream from the spillway and

damages of the concrete of submerged flip bucket. It analyses causes of these

phenomena and assesses undesirable consequences of further erosion development and

damages of concrete. It also describes flow pattern in the spillway tail water with

various openings of spillway bay gates. The paper presents data about previous

operation of spillway gates and proposes operation that would mitigate erosion-abrasion

impact on the riverbed and concrete structure. In addition, measures for the repair of

damaged concrete and for additional protection of concrete and foundations of the flip

bucket and horizontal protective slab are recommended.

Key words: submerged flip bucket, flow pattern, erosion, abrasion.

1ivodar Eri, dipl. in. gra., Energoprojekt-Hidroinenjering a.d., Bul. Mihajla Pupina 12, 11070 Novi Beograd

757

1 Uvod

Morfoloke promene u renom koritu nizvodno od preliva brane erdap 1 zapaene su jo u periodu izgradnje. Prvo snimanje stanja renog dna, realizovano 1972. godine, potvruje pretpostavku o znaajnoj eroziji na samom poetku eksploatacije. Merenja stanja nizvodnog renog dna, realizovana 2007. godine, pokazala su da je erozija zapaeno napredovala u odnosu na stanje registrovano 1972. godine. Sem erozije renog dna, uoena su i oteenja betona nizvodnih pragova betonskih konstrukcija koja su prvi put konstatovana merenjima u 1988. godini. Meutim, ima osnova za pretpostavku da su oteenja betona poela sa prvim prelivanjem preko brane. Erozija renog dna i abrazija betona e se nastaviti i u dolazeem vremenu, pa je mogue da ovi procesi dostignu razmere koje bi ugrozile stabilnost preliva, ukoliko se ne preduzmu odgovarajue mere zatite oteenih betonskih objekata od daljeg napredovanja oteenja. Pozitivan uinak se moe postii odgovarajuim graevinskim merama i to ravnomernijim pogonom svih prelivnih polja.

2 Karakteristini parametri i dimenzije

Preliv brane erdap 1 ima 14 prelivnih polja, svako irine 25,0 m. Polja od I do VII su na srpskoj, a polja od VIII do XIV su na rumunskoj teritoriji. Ukupna irina renog korita izmeu mainskih zgrada je 441,0 m. Maksimalni zabeleeni nivo gornje vode u periodu prelivanja osmotren je na koti 69,96 m.n.m., a minimalni na koti 62,40 m.n.m.

Odgovarajui nivoi donje vode kretali su se u granicama od 43,94 m.n.m. do 36,25 m.n.m. u periodu pre izgradnje HE erdap 2, odnosno u granicama od 43,92 m.n.m. do 41,04 m.n.m. posle izgradnje HE erdap 2. Preliv ine prelivni prag sa krunom na koti 55,2 m.n.m. i odskoni prag cilindrinog oblika. Na poljima I-VI i XI-XIV najnia taka na odskonom pragu je na koti 26,0 m.n.m., a najvia na koti 31,0 m.n.m. Na ostalim prelivnim poljima najnia taka je na koti 24,5 m.n.m., a najvia na koti 28,0 m.n.m. Deonice sa razliitim visinskim poloajem odskonog praga nisu meusobno razdvojene razdelnim zidovima. Izgraene su 2 horizontalne zatitne betonske ploe u produetku odskonog praga. Prva ploa je naspram prelivnih polja I, II i III, duine 56,0 m, sa dnom na koti 31,0 m.n.m. i odvojena je bonim zidovima od susednih deonica. Druga ploa je izmeu ose petog i ose sedmog prelivnog polja, nepravilnog je poligonalnog oblika i maksimalne

duine 25,5 m. U toku izgradnje prelivnih polja od VII do XII, na reno dno su sputeni betonski blokovi teine 11,0 t i 20,0 m kao i betonski tetrapodi teine 20,0 t sa ciljem da se sprei razgradnja stene pod dejstvom fluktuirajuih hidrodinamikih pritisaka. Instalisani protok hidroelektrane je 9.600 m

3/s, a dotok verovatnoe prevazi-laenja 0,0001 je 22.300 m3/s.

758

3 Erozija renog dna i oteenja betona

3.1 Dosadanji razvoj erozije renog dna

Promena morfologije renog korita nizvodno od prelivne brane prati se od poetka eksploatacije HE erdap 1. Stanje renog dna na srpskom delu mereno je svake godine u periodu 1972 1979. Zatim su usledila merenja u 1982, 1985, 1988, 1990, 2002, kao i svake godine u periodu od 2005. do danas. Stanje renog dna na rumunskom delu mereno je svake godine u periodu 1972 1979, a zatim samo u godinama 1982, 1985. i 1988. Snimanja nisu vrena u periodu 1989 2006. Pod pretpostavkom da su stanja renog dna u podunim i poprenim profilima izmerena dovoljno tano, iz registrovanih podataka se moe zakljuiti da je proces promene geometrije renog dna dinamikog karaktera. Naime, iz registrovanih podataka se vidi da je u skoro svakom mernom profilu dolazilo do zasipanja najdubljih erozionih

jama, iskopanih u prethodnim godinama, a zatim do iznoenja nasutog materijala u sledeim godinama i poveanja dubine erozione jame usled dodatne erozije stenske mase.

Mapa izolinija renog dna, uraena na osnovu detaljnog snimanja ehosonderom (HE erdap; Tehnika sluba; 2007.) pokazuje da je najdublja eroziona jama registrovana naspram prelivnog polja IX (dno na koti 17,0 m.n.m. i u zoni razdelnog

zida izmeu polja VII i VIII (dno na koti 18,0 m.n.m.). Najdublje erozije renog dna udaljene su od nizvodnog lica cilindrine bunice oko 30 45 m. Najdublja erozija neposredno uz nizvodno lice bunice i praga horizontalne zatite naspram polja VI, nije se spustila ispod kote 21,0 m.n.m. Fundament nizvodnog praga bunice prelivnog polja VIII je na koti 16,0 m.n.m.

Direkcija za unutranje plovne puteve (Odsek za hidrografsko snimanje) izvrila je hidrografsko snimanje renog dna u februaru 2010. godine (Slika 1). Stanja renog dna u 2007. i 2010. godini malo se razlikuju. Na Slici 2 prikazan je poduni profil bunice i renog dna u zoni razdelnog zida izmeu polja VII i VIII. u 1974, 1988. i 2007. godini. Na profilu du razdelnog zida izmeu polja VI i VII i du zatitne ploe naspram polja VI (Slika 3) zapaa se erozija dna ispod betonske ploe, to ini da je stabilnost kraja betonske ploe ve sada ugroena, jer ona praktino visi iznad erodovanog renog dna, a nije armirana.

Slika 1. Stanje renog dna 2010. godine

759

Slika 2. Poduni profil bunice i renog dna u zoni razdelnog zida izmeu polja VII i VIII. u 1974, 1988. i 2007. godini

Slika 3. Profil du razdelnog zida izmeu polja VI i VII i zatitne ploe u 1974, 1988. i 2007. godini

Hidraulika modelska ispitivanja su vrena 1963, 1966, 1973. i 1974. godine u laboratorijama Instituta Jaroslav erni [6], Graevinskog fakulteta u Beogradu [4, 5] i laboratoriji ISPH-LH u Bukuretu [8] na ravanskim i semiravanskim modelima i modelima celine. Na svim modelima su ispitivane konane dubine erozione jame u pokretnom dnu modela. Kote dna najdubljih erozionih jama kretale su se u veoma

irokom intervalu i uglavnom su zavisile od nivoa donje vode. Na ravanskim i semiravanskim modelima konstatovano je da bi eroziona jama konane dubine mogla da ima dno na kotama u intervalu od 25,5 m.n.m. do 27,5 m.n.m. [6], odnosno na koti

24,0 m.n.m. [4, 5], pri nivou donje vode na koti 42,0 m.n.m. Na modelu celine

(laboratorija ISPH-LH, [8]), najnie kote dna erozionih jama kretale su se u granicama od 26,0 m.n.m. do 16,0 m.n.m. u zavisnosti od eme prelivanja. Iz uporeenja izmerenih kota dna erozionih jama u prirodi i konanih kota dna, izmerenih na hidraulikom modelu, moe se zakljuiti da hidraulika modelska ispitivanja na ravanskim modelima veoma malo doprinose kvantitativnom poznavanju

razvoja erozionog procesa, a posebno malo doprinose pri proceni konane dubine erozione jame u prirodi, s obzirom da su konane dubine, izmerene na modelima, ve prevaziene u praksi a da erozione jame u prirodi verovatno jo nisu dostigle svoju konanu dubinu.

3.2 Oteenja betona

Oteenja betonskih povrina preliva prvi put su registrovana u maju 1988. godine. Ali, poto su se i pre ove godine deavala velika i dugotrajna prelivanja, verovatno je da su oteenja poela sa prvim prelivanjima preko preliva. U ovoj godini, kao i u sledeih nekoliko godina, oteenja su podvodno snimana video kamerom u nekoliko izabranih podunih profila. Poslednje i najobimnije podvodno snimanje video kamerom realizo-

1974.

1988.

2007.

1974.

1988.

2007.

760

vano je 2007. godine. Snimljeno je stanje betonskog praga horizontalne zatitne ploe naspram polja V, VI i VII (10 profila) i stanje nizvodnog vertikalnog lica bunice (10 profila). U 19 profila konstatovano je oteenje betona, a najvea duina oteenja od 5,57 m, mereno u pravcu strujanja vode, izmerena je u pragu horizontalne zatitne ploe u produetku razdelnog zida izmeu prelivnih polja V i Vi. Rezultati snimanja video kamerom u odreenim profilima kvantitativno su malo korisna, jer ne daju podatke o rasprostranjenosti oteenja du kontura bunice i zatitne betonske ploe. U februaru 2010. godine izvreno je hidrografsko snimanje zone bunice kori-enjem multibim sistema Fansweep20. Snimljena su stanja dna cilindrine bunice, horizontalnog dela na kraju bunice, kosog nizvodnog lica bunice i gornje povrine horizontalne zatitne ploe. Delimino je snimljeno stanje nizvodnog vertikalnog lica zatitne ploe naspram polja V, VI i VII i to uglavnom nizvodni deo koji je priblino paralelan podunoj osi brane. Rezultati merenja detaljno su prikazani u elaboratu [3]. U sadraju ovog rada je sledei kratak prikaz registrovanih oteenja betona.

3.2.1. Koso nizvodno lice zavrnog praga bunice

Oteenje nizvodnog lica bunice je kontinualno poev od prelivnog polja IX pa do polja XIV. Na poljima od XI do XIV oteenja su iznad kote 29,5 m.n.m. i verovatno su povezana sa oteenjima na horizontalnom delu bunice. Najvea dubina kaverni u ovoj zoni oteenja je oko 3,0 m. Ukupna duina oteenog dela nizvodnog lica je oko 110 m. U zoni prelivnih polja IX i X oteeni beton je izmeu kota 25,5 m.n.m. i 27,0 m.n.m, a najvea dubina kaverne je oko 4,8 m. Ukupna duina oteenog dela nizvodnog lica na ovoj deonici je oko 50,0 m. Ovim snimanjem nisu registrovana

oteenja betona u zoni prelivnih polja VIII i IX na duini od oko 35 m. Meutim, oteenja betona u ovoj zoni su podvodno snimljena video kamerom u sva tri profila, to navodi na zakljuak o pogrenim merenjima 2010. godine ili o pogrenoj integraciji izmerenih vrednosti. U preostaloj zoni prelivnih polja VII i VIII ukupna duina na kojoj su registrovana oteenja je oko 25,0 m. Meutim, na ovoj duini oteenja nisu kontinualna ve mestimino razbacana, kako po visini, tako i po duini. Nalaze se izmeu kota 24,0 m.n.m. i 26,5 m.n.m. Dubine oteenih zona kreu se u intervalu od 0,5 m do 4,0 m.

Ni u jednoj do danas realizovanoj akciji nije registrovano stanje kosog nizvodnog

lica praga bunice naspram prelivnih polja IV i V, kao ni vertikalnog lica zavrnog praga betonske zatite naspram prelivnih polja I, II i III.

3.2.2. Gornja povrina i prag zatitne betonske ploe naspram prelivnih polja V, VI i VII

Detektovana su oteenja betona na celoj gornjoj povrini ploe, dubine od deset do osamdeset santimetara. Izrazito je oteenje u vidu brazde u pravcu renog toka duboke oko 80 cm, irine u dnu od 2,0 m do 4,0 m, koja poinje u zoni bunice. Trasa brazde priblino prati trasu rasedne linije. Oteenja na vertikalnom nizvodnom licu zavrnog praga zatitne ploe nisu merena 2010. godine po celom obimu ploe. Meutim, merenja iz 2007. i 2010. godine nedvosmisleno pokazuju da je vertikalno lice praga oteeno po celom obimu, prag mestimino potpuno odnet, a betonska horizontalna ploa potkopana.

761

3.2.3. Cilindrino dno bunice

Hidrografski je snimljena deonica bunice naspram prelivnih polja od V do XIV. Rezultati hidrografskog snimanja bunice otkrivaju da je betonsko dno oteeno na celoj snimljenoj duini. Dubine oteenih delova kreu se u intervalu od 20 cm do preko 1,0 m, a preovlaujua dubina oteenja nalazi se u intervalu od 20 40 cm. Povrine oteenog betona se znaajno razlikuju u vioj (dno na koti 26,0 m.n.m.) i nioj bunici (dno na koti 24,5 m.n.m). Dno u vioj bunici je oteeno samo u zoni najniih kota u skoro kontinualno brazdi irine oko 5,0 m i dubine od 20 cm do 40 cm. U nioj bunici oteeno je skoro celo dno ovog objekta (kruni deo i, naroito, izlazni deo u uzlaznom nagibu).

Nije mereno stanje vertikalnog prelaza sa nie na viu bunicu, a ne bi bilo logino da on nije oteen. U bunici su evidentirane dve erozione brazde u pravcu strujanja vode. Prva je oko sredine estog prelivnog polja, koja se nastavlja u napred opisanu erozionu brazdu na gornjoj povrini zatitne ploe. Druga je u prelivnom polju XII u profilu unutranje strane razdelnog zida izmeu polja XII i XIII, maksimalne dubine do 0,8 m i nepra-vilnog je oblika.

3.2.4. Izlazni horizontalni deo bunice

Ovaj deo bunice snimljen je istovremeno sa cilindrinim delom i takoe samo naspram prelivnih polja od V do XIV. Uglavnom su konstatovana oteenja na celoj duini spoja horizontalnog dela sa uzvodnim i nizvodnim kosim povrinama bunice. Dubine oteenja na prelazu kose uzvodne povrine u horizontalu su u intervalu od 20 40 cm. Dubine oteenja na nizvodnoj ivici su vee i kreu se u granicama od 20 cm do preko 200 cm. Posebno su duboka oteenja ivice naspram prelivnog polja XIII. Duboka oteenja na nizvodnoj ivici su najverovatnije povezana sa oteenjima kosog nizvodnog lica praga bunice. Horizontalni deo bunice je zaseen sa dve abrazione brazde koje su u nastavku brazdi detektovanih u cilindrinoj bunici u zoni prelivnih polja VI i XII. Oba zaseka su dubine 20 40 cm.

3.2.5. Dodatna merenja

U junu 2011. godine, ekipa ronilaca je izvrila vizuelni kontrolni pregled odreenih zona dna bunice u prelivnim poljima VI, VII, XII i XIII i video kamerom snimila oteenja betona. Snimci su potvrdili stanje dna bunice, snimljenog u februaru 2010. godine.

Na Slici 4 prikazan je izgled oteenog praga bunice u zoni prelivnog polja VIII. Odneti zavrni prag i potkopana zatitna ploa u zoni prelivnog polja VI prikazan je na Slici 5. Horizontalna projekcija bunice sa naznaenim oteenjima dna u prelivnim poljima VI, IX i XII prikazana je na Slici 6. Dno vie bunice je na celoj duini oteeno kao dno u polju XII, a oteenja dna nie bunice na celoj duini su priblino ista kao u poljima VI i IX.

762

Slika 4. Izgled oteenog praga bunice u zoni prelivnog polja VIII

Slika 5. Potkopana zatitna ploa u zoni prelivnog polja VI

Prelivno polje VI Prelivno polje IX Prelivno polje XII

Slika 6. Prikaz oteenja betona prelivnih polja VI, IX i XII

4 Karakteristike glavnih uzroka produbljenja renog korita i oteenja betona

Produbljenje renog korita i oteenja betona su oekivane pojave u zonama preliva ovoga tipa. Produbljenje (erozija) renog dna je posledica razornog dejstva fluktuiraju-ih dinamikih sila na dodiru voda stena, a oteenja betona su, u konkretnom sluaju, uglavnom nastala usled stalnog i dugotrajnog udaranja u beton tvrdog stenskog

materijala koji struja vode vue sa sobom (abrazija betona). Sadanja geometrija renog dna i obim oteenja betona uglavnom su posledica intenziteta i trajanja prelivanja, vremenski i kvantitativno nejednakog protoka kroz prelivna polja, geoloko-mineralokih karakteristika stenske mase u renom koritu i strujne slike u donjoj vodi preliva.

763

4.1 Prelivanje i upravljanje prelivnim poljima

U periodu od 1972. do 2008. godine kroz prelivna polja je proteklo ukupno

141,9 x 109

m3 vode. Od ove koliine kroz rumunska prelivna polja je proteklo 47,7%.

U ovom periodu nije bilo prelivanja u 5 godina. Manje od 1 x 109m

3/god. prelilo je u 17

godina, a izmeu 1 x 109 m3/god. i 5 x 109 m3/god. prelilo je u 4 godine. U 7 godina prelilo je izmeu 5 x 109 m3/god i 10 x 109 m3/god., a preko 10 x 109 m3/god. u 4 godine. Maksimalna koliina vode od 31,5 x 109 m3/god. prelila je u 2006. godini. Najdue prelivanje u toku jedne godine trajalo je 103,5 dana, a maksimalni registrovani srednji

dnevni protok preko preliva u ovom periodu iznosio je 8.314,0 m3/s. Histogram ukupnih

godinjih prelivanja prikazan je na Slici 7.

Slika 7. Godinja zapremina protekle vode preko prelivnih polja

U dosadanjem periodu eksploatacije najvie je bilo optereeno prelivno polje VIII, a najmanje prelivna polja I, XIII i XIV (Slika 8). Najdue u pogonu bilo je polje VIII (ukupno 570,6 dana) i preko njega je prelilo 14,87% od ukupne koliine prelivene vode. Maksimalni srednji dnevni protok od 1.632 m

3/s zabeleen je 2005. godine na prelivnom polju X. Veliki srednje dnevni protok od 1130 m

3/s osmatran je u 2006.

godini na prelivnim poljima VIII, X i XI. Maksimalni trenutni protok od 1.740 m3/s

registrovan je 2005. godine na prelivnom polju X. Maksimalni trenutni protoci isputani su tokom dana najvie 4 sata. Izuzetak je isputanje trenutnog protoka od 1.142 m3/s preko prelivnog polja XI u trajanju od 72 sata.

Slika 8. Godinje zapremine protekle vode po prelivnim poljima

Registrovani hidrogrami protoka kroz prelivna polja pokazuju da prelivanje nije

bilo ravnomerno rasporeeno na sva prelivna polja u svim godinama, a u nekim godinama ova neravnomernost bila je izuzetno izraena. Upravljanje prelivnim poljima u 8 godina bitno se razlikuje od ravnomernog optereenja svih prelivnih polja, kako je to preporueno na osnovu hidraulikih modelskih ispitivanja. Slika 9 ilustruje neravnomerno upravljanje prelivnim poljima Prikazani su srednje

dnevni protoci preko prelivnih polja u tri vremenska preseka 2006. godine.

764

Slika 9. Srednji dnevni protoci po prelivnim poljima u periodu povodnja 2006. godine

4.2 Geoloko-mineraloke karakteristike stenske mase u renom koritu

U grai stenske mase u renom koritu neposredno nizvodno od preliva uestvuju meta-morfne stene (kristalasti kriljci i gnajsevi) i magmatske stene (amfiboliti i graniti) [2].

Stenske mase su heterogene, anizotropne i diskontinualne, pa se njihova svojstva

u zoni preliva menjaju, kako po dubini, tako i po prostoru. Naspram prelivnih polja I, II

i III, u grai stenske mase najvie uestvuju kataklaziti, biotitski gnajsevi i kriljavi biotitski gnajsevi. U zoni prelivnih polja IV i V najvie su zastupljeni kriljci, kriljavi biotitski gnajsevi i kataklaziti. U geolokoj grai stenske mase u zoni prelivnih polja VI i VII najvie ima biotitskih gnajseva, a znaajno uee imaju rasedne zone sa ispunom od glinovito-peskovitog materijala i jako mehaniki oteenih mekih gliniziranih i alterisanih biotitskih gnajseva sa pojavama zdrobljenih zona milonita. U zoni prelivnih polja VIII, IX, X i XI najzastupljeniji su biotitski gnajsevi i biotitsko-kvarcitni

gnajsevi, a znaajno je uee rasednih zona. U stenskoj masi naspram prelivnih polja XII, XIII i XIV najvie ima biotitskih gnajseva. Stenska masa je izdeljena realnim planarama sklopa i to povrima mehanikog i litolokog diskontinuiteta. U podruju brane diskontinuiteti su kriljavost, kliva, pukotine, prsline, rasedi i tektonske zone. Orijentacija inenjersko-geolokih jedinica u odnosu na smer toka je horizontalna ili sa padom u smeru toka.

Otpornost stenske mase na eroziju i njen abrazioni potencijal su od posebnog

interesa, s obzirom da su erozija dna i abraziona oteenja betona glavne teme ovog rada.

Otpornost stenske mase na eroziju odreena je prema metodologiji, opisanoj u [1, 7], Klasifikacija je izvrena na osnovu litolokog sastava tla, fiziko-mehanikih svojstava stene, homogenosti stenske mase, orijentacije glavnih struktura u odnosu na

smer vodnog toka i izdeljenosti stenske mase. Prema ovoj metodi, inenjersko-geoloke jedinice u zoni oko nizvodnih krajeva bunice i zatitne betonske ploe, svrstane su u sledee tri klase: stene otporne na eroziju (amfiboliti), stene umereno otporne na eroziju (granognajsevi, biotitsko-kvarcitni gnajsevi, kataklaziti) i stene podlone eroziji (biotitski gnajsevi, kriljavi biotitski gnajsevi, kriljci i rasedne zone). U zoni nepo-sredno nizvodno od betonskih objekata danas nema originalnog, vrlo erodibilnog tla.

Stenska masa u zoni krajeva betonskih objekata najveim delom pripada klasi stena podlonih eroziji ili umereno otpornih na eroziju. Od svih geolokih tvorevina du

765

nizvodnog kraja betonskih konstrukcija najvie su podlone eroziji rasedne i tektonske zone. Sa stanovita erozije, zona naspram prelivnih polja I, II i III je najmanje erodibilna. Sa geoloke take gledita, najdublja eroziona jama se moe oekivati naspram prelivnog polja VI. Geoloki sklop terena naspram prelivnih polja IV i V omoguava formiranje erozionih jama manje dubine. Velika zastupljenost stena podlonih eroziji naspram prelivnih polja od VII do XIV ine ovu zonu pogodnom za formiranje erozionih jama velike dubine.

Abrazija, kao posredna erozija, znaajni je uesnik u eroziji dna ispod betonskih konstrukcija a i uzrok je oteenja, registrovanih na betonskim objektima. Intenzitet abrazionog dejstva odreuje mineraloki sastav stene. Najveu tvrdou imaju kvarcne stene sa kristalizacionom vezom. Prema rezultatima mineralokih ispitivanja, uee kvarca u sastavu metamorfita kree se u granicama od 80% do 40%. Najvie ga ima u biotitsko-kvarcitnim gnajsevima (80%-60%), a najmanje u kriljcima (50%-40%). U konkretnom sluaju, kvarc je u sastavu svih inenjersko-geolokih jedinica, pa se one, po abrazionom potencijalu, mogu svrstati u jednu od sledeih klasa: stene sa izuzetno abrazionim potencijalom (granognajsevi i biotitsko-kvarcitni gnajsevi); stene sa vrlo

velikim abrazonim potencijalom (amfiboliti i kataklaziti); stene sa velikim abrazionim

potencijalom (biotitski gnajsevi); stene sa srednjim abrazionim potencijalom (kriljavi biotitski gnajsevi); stene sa malim abrazionim potencijalom (kriljci) i meke stene (stene iz rasednih i tektonskih zona).

Generalni zakljuak analiza na temu abrazionog potencijala je da su, u renom koritu nizvodno od prelivne brane, prisutne inenjersko-geoloke jedinice sa izuzetno i vrlo velikim abrazivnim potencijalom (granognajsevi, biotitsko-kvarcitni gnajsevi,

amfiboliti i kataklaziti). Komade ovih geolokih jedinica, iznete iz stenske mase pod dejstvom hidrodinamikih pritisaka, vrtlona struja sa vertikalnom osom i velikih razmera (pojava potpuno mogua u realnom pogonu) moe da odnese u bilo koji deo bunice i nizvodnog renog dna tako da, sa stanovita abrazije, njihov prirodni poloaj du prelivne brane uopte nije bitan. U svetskoj praksi je zabeleeno da su relativno male koliine veoma tvrdog materijala napravile velika oteenja betona hidrotehnikih objekata, tako da koliina tvrdog materijala koji vue struja vode nije toliko vana koliko je vaan intenzitet i trajanje vrtlonog strujanja u blizini betonskih objekata.

4.3 Karakteristike stujnih slika

Strujna slika u prostoru koji obuhvata bunicu i jedan deo nizvodnog renog korita du rumunskog i srpskog dela prelivne brane je veoma komplikovana, jer zavisi od vie prostorno promenljivih elemenata, od kojih su najuticajniji: oblik i dimenzije bunice, nain upravljanja prelivnim poljima, prilazni hidrauliki elementi i nivoi donje vode [2]. Napred nabrojani uticaji kreiraju trodimenzionalno strujanje vode, dok dvodimenzio-

nalno strujanje na celoj duini preliva moe da se ostvari samo pod izuzetnim uslovima (to se u dosadanjoj praksi nije dogodilo), kao i na relativno kratkim segmentima du preliva, to je uobiajena pojava kod preliva sa vie prelivnih polja. Bunica preliva je cilindrinog oblika sa nizvodnom uzlaznom deonicom u nagibu od 16

o i zavrnim horizontalnim delom duine oko 3,0 m. Oblik bunice je

identian obliku nazubljenog potopljenog odskoka (slotted roller bucket) kome su izostavljeni zubi. Jednoliku strujnu sliku du preliva znatno remeti stepenasti poduni presek bunice i betonske zatitne ploe naspram nekih prelivnih polja.

766

Na osnovu ispitivanja na 2D i 3D hidraulikim modelima i osmatranja strujanja vode na prototipu moe se zakljuiti da protoci u prelivnim poljima formiraju strujne slike, kako u samoj bunici, tako i u renom koritu nizvodno od nje. Strujna slika je trodimenzionalna ako je protok razliit u prelivnim poljima ili je neko od njih zatvoreno ili dvodimenzionalna ako je protok u svim poljima isti. U proteklom periodu

eksploatacije prelivanje preko prelivnih polja u bilo kom vremenskom preseku bilo je

izrazito neravnomerno i promenljivo sa vremenom Strujna slika u zoni bunice i nizvodnog renog korita bila je, generalno, trodimenzionalna i promenljiva tokom vremena.

Prilazni hidrauliki elementi od primarnog interesa su: specifini protok prelivnog polja (m

3/s/m) i hidrauliki gradijent. Hidrauliki gradijent u odreenom vremenskom trenutku je isti za sva prelivna polja, ali specifini protok po poljima moe da bude razliit jer zavisi od otvora donje sekcije zatvaraa na prelivu. Nivo donje vode je vrlo uticajan na izgled strujne slike u renom koritu nizvodno od bunice. Naime, od nivoa donje vode zavisi da li e se u donjoj vodi formirati strujanje sa mlazom uperenim ka povrini vode ili strujanje sa dodatnim usmeravanjem mlaza ka dnu renog korita. Nivo donje vode zavisi od dva meusobno zavisna parametra: protoka preko preliva i protoka kroz turbine i treeg, nezavisnog parametra: normalnog radnog nivoa vode sistema erdap 2 koji samo do izvesnih protoka utie na nivo donje vode sistema erdap 1. Tako, na primer, nivo donje vode sistema erdap 1, pri prelivanju 3.300 m3/s preko preliva, moe da bude na koti koja odgovara protoku od 3.300 m

3/s (teoretska pretpostavka da nijedan agregat nije u

pogonu), ali i na koti koja odgovara protoku od 12.000 m3/s (sluaj kada su sve

proizvodne jedinice hidroelektrane u pogonu: 9.600 + 3.300 = 12.900 m3/s).

4.3.1 Strujna slika u bunici

U zoni bunice prelivne brane se, po pravilu, formiraju dva razliita strujanja vode: donje, sa kompaktnim mlazom koji prati krivolinijski oblik bunice, upravljen ka povrini vode na izlazu i gornje, sa vrtlonim kretanjem vode u negativnom smeru i sa horizontalnom osom vrtloenja (Slika 10).

Slika 10. Normalna strujna slika u bunici

Donji kompaktni mlaz ne prati geometriju dna na izlazu, pa se iznad ovog,

horizontalnog dela bunice formira vrtlono strujanje sa velikim kavitacionim potencijalom.

U sluajevima kada je jedno ili vie susednih polja u pogonu, a bono susedno polje (jedno ili vie njih) to nije, formirae se strujanje vode du bunice naspram

767

susednog polja koje nije u pogonu zbog razliitih nivoa vode u bunici koja nije u pogonu i nivoa vode u suenom preseku granine bunice koja je u pogonu.

4.3.2 Strujna slika u renom koritu naspram prelivnih polja I, II, III (zona A)

Karakteristino za strujanje vode u renom koritu neposredno nizvodno od kraja zatitne ploe u zoni A je formiranje vrtlonog strujanja u erozionoj jami ispod glavnog vodnog toka, sa horizontalnom osom i pozitivnim smerom vrtloenja, kao i vrtloga sa vertikalnom osom, neposredno nizvodno od bonih zidova zatitne ploe (Slika 11).

Slika 11. Tipina strujna slika u zoni A (jednaki protoci u prelivnim poljima)

Boni vertikalni vrtlozi su razliite veliine i intenziteta u zavisnosti od neravnomernosti protoka u prelivnim poljima I, II i III. Intenzitet horizontalnog vrtloga

je takoe promenljiv du nizvodne ivice zatitne ploe, ako su razliiti protoci u prelivnim poljima.

4.3.3 Strujna slika u zoni zatitne ploe naspram polja V, VI i VII (zona B)

Strujna slika u zoni B (zona sa nizvodnom zatitnom ploom nepravilnog oblika u osnovi, bez ograniavajuih bonih zidova) slina je napred opisanoj generalnoj strujnoj slici u zoni A u svim moguim scenarijima prelivanja (jednaki ili nejednaki protoci, neka polja zatvorena). Neogranienost zone B bonim zidovima donekle menja strujnu sliku na ivicama betonske ploe jer se du cele ivice formiraju horizontalni vrtlozi sa posledinom erozijom renog dna neposredno uz ivicu. Nejednaki protoci u prelivnim poljima zone B izazivaju formiranje vertikalnih

vrtloga na granicama susednih polja sa razliitim proticajima. Ovi vrtlozi bi mogli da poveaju eroziju renog dna, ukoliko se ne izgube pre silaska sa betonske ploe. Iskljuenje iz pogona jednog, dva ili sva tri prelivna polja u zoni B izaziva formiranje vrtlonog strujanja vode u ovoj zoni naspram zatvorenih prelivnih polja. Modelska ispitivanja su pokazala da se u sluaju zatvaranja polja V ili VII, ili oba, formiraju vertikalni vrtlozi neposredno uz ivicu horizontalne betonske ploe, najnepo-voljniji po eroziju dna.

768

4.3.4 Strujna slika u zoni nezatienog renog dna (zona C)

U zoni C se nalaze prelivna polja IV, prva polovina polja V, druga polovina polja VII i

sva polja od VIII do XIV. U ovoj zoni nema zatite dna od erozije betonskom ploom, pa se neposredno nizvodno od bunice formiraju strujne slike samo u nizvodnom renom koritu. Slino kao u zonama A i B, i u ovoj zoni karakter strujanja zavisi od naina upravljanja prelivnim poljima i od nivoa donje vode. Pri jednakim protocima u svim poljima strujanja je uglavnom dvodimenzionalno

sa dve mogue strujne slike, zavisno od nivoa donje vode. Ako je nivo vode dovoljno visok, mlaz vode, najpre upravljen ka povrini, ponovo uranja u donju vodu i udara u reno dno, slino kao mlaz odbaen sa betonskog odskoka (Slika 12).

a) Nizak nivo donje vode b) Visok nivo donje vode

Slika 12. Tipine strujne slike u zoni C

Karakteristino za obe strujne slike je da se priblino polovina duine prvog gornjeg valjka nalazi u donjoj vodi izvan betonske bunice i da se u oba sluaja, neposredno nizvodno od bunice formira donji vrtloni valjak sa horizontalnom osom i sa pozitivnim pravcem vrtloenja. Prema hidraulikim modelskim ispitivanjima u laboratoriji Graevinskog fakulteta u Beogradu [4], lokacija zone udara pri istom specifinom protoku blia je odskonom pragu to je vea dubina donje vode. Pri nejednakim protocima u susednim prelivnim poljima, strujanje vode u

nizvodnom renom koritu ima trodimenzionalne karakteristike jer se na granicama susednih polja formiraju vertikalni vrtlozi. Uticaj ovog vrtloenja na eroziju dna je negativan (erozija se poveava), to su pokazala sva ispitivanja na 3D hidraulikim modelima. Negativan uticaj se poveava sa poveanjem razlike u proticajima u susednim poljima. Ipak, i u sluaju nejednakog protoka u prelivnim poljima mogu da se, zavisno od nivoa donje vode, formiraju dve razliite, napred opisane, strujne slike sa karakteristinim donjim vrtlonim valjkom. Ako je jedno ili vie susednih polja zatvoreno, takoe se formiraju boni vertikalni vrtlozi naspram zatvorenih prelivnih polja, uz pratee vrtloge manjih razmena na granici pravolinijskog i vrtlonog strujanja.

769

5 Poreklo erozije dna i oteenja betona

5.1 Erozija renog dna

Erozija stenovitog renog dna neposredno nizvodno od bunice deavala se u sluajevima kada je erozioni potencijal vodnog toka, preostao posle rasipanja kinetike energije u bunici, prevazilazio sposobnost stenskih formacija da se odupru eroziji. U konkretnom sluaju, erozioni potencijal definiu vrednosti fluktuirajue komponente hidrodinamike sile koja se formira na dodiru vodastena u zoni donjeg vrtlonog valjka i zoni udara uranjajueg vodnog mlaza u dno. Sam proces erozije stenske mase je poznat: propagacija hidrodinamikih pritisaka u pukotinski sistem, hidrodinamiki prolom pukotine sa zatvorenim krajem i razbijanje stenske mase, izbacivanje blokova

stene iz prirodnog leita pod dejstvom hidrodinamikog uzgona i usitnjavanje izbaenih blokova usled dugotrajnog meusobnog sudaranja u vrtlonoj struji vode. Eroziju dodatno poveava abrazija osnovne stene. Uinak ovog procesa u eroziji osnovne stenske mase je znaajan ako je osnovna stena u dnu meka od komada stene koje struja vode vue sa sobom. Uee abrazije u eroziji renog dna nizvodno od prelivne brane je posebno veliko u zoni rasada.

Generalni zakljuak o eroziji renog dna neposredno iza bunice je da su vrtlono strujanje u donjem valjku, udar uranjajueg vodnog mlaza u dno i abrazija osnovne stene glavni uzroci erozije renog dna nizvodno od bunice. Erozija renog dna nije jednolika du preliva. Iz snimljenih podataka jasno je da su se najdublje erozione jame formirale u zonama prelivnih polja sa istovremeno

najveim maksimalnim protocima i najveim koliinama prelivene vode, odnosno sa najduim trajanjem prelivanja. Nepodudarno trajanje prelivanja u susednim poljima ili izostavljanje pojedinih prelivnih polja iz pogona stvara uslove za formiranje vertikalnog

vrtlonog strujanja velikih razmera naspram polja koja nisu u pogonu kao i manjih vertikalnih vrtloga na granici razliitih oblika strujanja. Prvi vrtlozi vuku sa sobom erodovani materijal koji se taloi u prostoru vrtloenja velikih razmera, dok drugi, manji vrtlozi, poveavaju obim erozije dna u zoni njihovog formiranja. I taloenja u zoni prelivnih polja koja nisu u pogonu i poveana erozija dna na granici izmeu polja, registrovani su merenjima na terenu. S obzirom na sve realne kombinacije protoka u

prelivnom polju i dubine (nivoe) donje vode, ua zona maksimalne turbulencije vode i maksimalne erozije dna, pomerala se i pomerae se du renog korita, erodojui na taj nain traku renog dna, irine od oko 50 m. Na sledeih pedesetak metara, erozija dna je uglavnom izazvana turbulencijom vode pri dnu vodnog toka upravljenog nizvodno.

Erozija dna ispod betonske konstrukcije registrovana je na prototipu samo ispod

betonske ploe naspram prelivnih polja V, VI i VII. Erozija ovog dela renog dna je posledica abrazije osnovne stene ispod betonske ploe materijalom koji vrtloni tok nosi sa sobom. Procenjuje se da fluktuacija pritiska ima malo uee (ili ga uopte nema) u eroziji stene ispod betonske ploe. Abrazija dna i oteenje betona su se dogaali simultano u toku vremena, a krajnji rezultat razvoja ovih fizikih procesa je potkopavanje betonske ploe. Na prototipu nije registrovana erozija dna ispod betonske ploe, a da beton praga nije oteen. Proces ruenja stenske mase u blizini zavrnog praga zatitne ploe i podvlaenje vrtlonog valjka ispod betonske konstrukcije razvijalo se postepeno (Slika 13). Ovaj proces jo nije okonan.

770

Slika 13. Razvoj oteenja betona i erozije renog dna ispod betonske ploe

Generalni zakljuak o eroziji renog dna ispod betonske zatitne ploe je da je abrazija osnovne stene uzrok erozije renog dna ispod betonske konstrukcije. U konkretnom sluaju desila se i jednovremena erozija betona i stenske mase u zoni vertikalnog eonog zida zavrnog praga zatitne ploe. Dosadanja terenska merenja nisu pokazala da se erozija renog dna u bilo kojoj zoni preliva nalazi u stanju konane dinamike ravnotee.

5.2 Oteenje betona

Oteenje betona na nizvodnom elu praga bunice nastala su usled stalnog i dugotrajnog udaranja tvrdog stenskog materijala u elo praga (Slika 14). Proces razaranja betona razvijao se postepeno, a brzina i obim razaranja zavisili su od trajanja,

veliine i nejednakosti protoka u prelivnim poljima.

Slika 14. Razvoj oteenja betonskog praga bunice

Proces oteenja betona se nastavlja, pa bi oteenje moglo da dospe do nizvodne drenane galerije, to bi ugrozilo stabilnost prelivne brane. Oteenje gornje povrine betonske zatitne ploe u obliku brazde nastalo je usled koncentrisanog toka vuenog nanosa koga su boni vrtlozi ubacivali u vodni tok u polju VI, kada je ono bilo u pogonu, a oba bona polja to nisu. Trenutno ne postoji opasnost da e betonska ploa debljine 3,0 m biti preseena, ali je neophodno da se oteenja betona paljivo prate. Oteenja dna cilindrine bunice su posledica abrazije betona stenskim materijalom koji vrtlona strujanja ubacuju u bunicu. Razlog za veu oteenost betona

771

u nioj bunici je u vremenski duem i kvantitativno veem korienju prelivnih polja od V do X u odnosu na ostale, s obzirom da su u praksi, saglasno sa propisanim planom

pogona, uvek najpre otvarana srednja prelivna polja. Ovakav nain korienja prelivnih polja ima za posledicu formiranje bonih vrtloga koji su vukli erodovani materijal i ubacivali ga u delove bunice naspram bonih prelivnih polja koja nisu bila u pogonu. Ubaeni materijal je nosila struja vode upravna na glavni tok, nastala kao posledica razliitih nivoa vode na delu bunice naspram prelivnih polja koja su u pogonu i onih koji nisu u pogonu. Vueni materijal je ubacivan u prelivni mlaz koji ga je izbacivao iz bunice i pri tome derao dno njenog izlaznog dela, formirajui dve abrazione brazde u zonama prelivnih polja VI i XII. Najverovatnije je da su se poetne brazde ba u ovim poljima formirale sluajnim sticajem odgovarajuih okolnosti. Dalja koncentracija nanosa u poetnoj brazdi i njeno produbljenje tokom vremena je logian nastavak abrazionog procesa koji e se nastaviti i u budunosti, ali moe da bude znatno usporen vremenski i kvantitativno jednolikim pogonom svih prelivnih polja. Trenutno stanje

oteenja ne predstavalja opasnost po stabilnost prelivne brane, ali bi to moglo postati ukoliko se ubrza proces abrazije.

Oteenja na izlaznom delu bunice su abrazionog karaktera i povezana su sa oteenjima nizvodnog ela praga bunice.

6 Mere za popravku oteenja betona i zatitu fundamenata betonskih objekata od potkopavanja

Oteenja betona na krajevima betonskih objekata u zoni preliva deavae se celog ivotnog veka hidroelektrane. Sa poveanjem dubine donje vode zbog sputanja renog dna usled erozije, usporavae se erozioni proces, ali e tvrdih kamenih komada u donjoj vodi uvek biti, horizontalni povratne vrtlozi e se uvek formirati, pa e betonske povrine bunice i zatitne ploe uvek biti izloene abraziji. Meutim, ve je danas jasno da se moraju popraviti postojea oteenja betona praga bunice i spreiti dalji razvoj potkopavanja temelja zatitne ploe naspram prelivnih polja V, VI i VII. Potkopavanje temelja betonskih objekata moglo bi da se sprei izgradnjom tepiha od tekih uzajamno povezanih betonskih ploa koje bi inile jednu elastinu konstruktivnu celinu, prilagodljivu promeni geometrije renog dna usled erozije. Izradom elastinog tepiha se ne spreava abrazija praga bunice ili praga zatitne ploe, jer e povratni vrtlozi vui kameni materijal po gornjoj povrini tepiha sve dok ne udari u nizvodno lice praga bunice ili zatitne ploe. Znatno uinkovitija mera je izrada vertikalne dijafragme u blizini oteene betonske povrine kojim se omoguava popravka oteenog betona i dodatno titi temelj od potkopavanja. Dijafragma moe da bude od betona ili elika, a jedna od moguih varijanti je dijafragma od buenih betonskih ipova sa zatitnom elinom kolonom. Dijafragma bi bila privrena za neoteeni beton horizontalnog dela bunice horizontalnom elinom ploom kao sastavnim konstruktivnim delom sanacionih mera. Ekonomski vrlo atraktivna dodatna mera za smanjenje erozionog potencijala

prelivnog mlaza vode postigla bi se izmenom Uputstava za upravljanje ustavama na prelivu. Nova Uputstva trebalo bi da se zasnivaju na stavu da ukupni dotoci koji se prelivaju treba da budu ravnomerno rasporeena na sva prelivna polja (ili veinu njih), kako po koliini tako i po trajanju. Sem toga, treba onemoguiti subjektivni pogon

772

ustavama uvodei deliminu automatizaciju upravljanja pomou odgovarajueg rau-narskog programa.

7 Zakljuak

Registrovano je znatno sputanje renog dna nizvodno od preliva u odnosu na prirodno stanje pre izgradnje hidroelektrane. Potkopani su fundamenti zatitne ploe naspram prelivnih polja V, VI i VII. Takoe su registrovana oteenja nizvodnog lica betonskog praga bunice, cilindrinog dna bunice, horizontalnog izlaznog dela bunice, gornje povrine zatitne ploe i njenog zavrnog praga. Erozija renog dna je posledica razornog uticaja hidrodinamikih pritisaka na kontaktu voda stena u zoni donjeg horizontalnog vrtloga i zoni udara uranjajueg mlaza u reno dno kao i abrazije meke stenske mase usled dugotrajnog udara tvrdih komada stene koje vrtloni tok vue sa sobom. Dubina erozije renog dna nije ista naspram svih prelivnih polja. Najvea je naspram prelivnih polja sa najduim trajanjem prelivanja i najveom koliinom prelivene vode. Oteenja svih betonskih povrina nastala su usled dugotrajnog udaranja (abrazije) vrstih komada kamena u ove povrine. Velike razmere oteenja nizvodnog lica praga bunice i zavrnog praga zatitne ploe zahtevaju preduzimanje odgo-varajuih mera za popravku oteenja betona i zatitu temelja betonskih objekata od potkopavanja.

Dodatna mera za smanjenje erozionog potencijala prelivne vode je ravnomeran

pogon svih prelivnih polja i onemoguavanje subjektivizma u upravljanju ustavama na prelivu.

Literatura

1. Annandale, G.W.; (2002), Quantification of the relative ability of rock to resist

scour; EPFL, Lansanne.

2. Energoprojekt-Hidroinenjering (2010), Ekspertiza stanja slapita prelivne brane erdap 1 sa predlogom mera za dodatnu zatitu; I Ekspertiza, Beograd.

3. Energoprojekt-Hidroinenjering (2011), Ekspertiza stanja slapita prelivne brane erdap 1 sa predlogom mera za dodatnu zatitu; II Studija izvodljivosti; Beograd.

4. Graevinski fakultet (1973), Studija o eroziji i zatiti dna ispod brane erdap, Prvi izvetaj, Beograd.

5. Graevinski fakultet (1974), Studija o erozij i zatiti dna ispod brane erdap; Drugi izvetaj, Beograd.

6. Institut Jaroslav erni, Modelska ispitivanja brane i slapita erdap, Beograd. 7. May, J.N., Wibobo, J.L. (2002), Geotechnical aspects of rock erosion; EPFL,

Lausanne.

8. Morraru, J. (2008), Slapite brane Portile de Fiera; Modelska ispitivanja u rumunskim laboratorijama (na rumunskom), Bukuret.