3.5.

Barajele arcuite3.5.1. Definiii, clasificare

Barajele arcuite (n arc) sunt barajele la care presiunea hidrostatic a apei (principala ncrcare) este preluat de ctre o membran din beton, de grosime variabil, curbat att n plan orizontal, ct i n plan vertical, i care lucreaz ca o structur complex n spaiu. Transmiterea eforturilor ctre versani i terenului de fundaie se face n plan orizontal prin intermediul arcelor, iar n plan vertical prin cel al consolelor. Barajele n arc sunt din ce n ce mai rspndite datorit avantajelor pe care le prezint, dintre care amintim: volume de beton mult mai reduse dect la barajele de greutate, o utilizare mai eficient a proprietilor de rezisten a betonului, o durat mai mic de execuie, o degajare mai bun a cldurii etc. Astzi n lume sunt peste 300 de baraje n arc, dintre care peste 150 cu nlimi mai mari de 75 m (cteva asemenea baraje i caracteristicile lor sunt redate n tabelul 3.1.). La noi n ar exist n funciune mai multe asemenea baraje, altele fiind n construcie sau n faz de proiectare. Cel mai important este barajul Vidraru de pe Arge, nalt de 167 m, care este n acelai timp unul din cele mai mari i mai bine realizat baraj de acest fel din lume. Alte baraje n funciune sunt : Negovanu - Sadu (H = 62 m), Teliuc - Cerna (H = 48 m), Baciu - Doamnei (H = 34 m), Vlsan (H = 24 m), Cumpnia (H =33 m), Paltinul Doftana (H = 108 m), Tarnia - Some (H = 97 m), Galbenu -Lotru (H = 60 m), Tu - Sebe (H = 78 m), pe Rul Mare, Dmbovia, Drgan, Cerna, Brdior, etc. Barajele n arc se pot clasifica din mai multe puncte de vedere. Dup modul de transmitere a eforturilor, provenite din diverse ncrcri, ctre terenul de fundaie, exist: - baraje de greutate n arc, construite n vi mai deschise, la care sarcinile sunt preluate n cea mai mare parte de console (care sunt elemente mai rigide); la aceste tipuri de baraje, raportul dintre deschiderea vii la cota coronamentului L i nlimea barajului H, este cuprins ntre L/H = 1,5.........3,5; - barajele n arc pur (L/H < 2), realizate de obicei n vi nguste i adnci (chei), la care sarcinile sunt preluate n cea mai mare parte de ctre arce (elemente mai rigide dect consolele).

Fig.3.23. Reeaua de arce i console la un baraj arcuit

3.5.2. Condiii geologice Deoarece barajele arcuite transmit terenului eforturi mai mari, calitile geologice necesare fundaiei sunt mult mai pretenioase. Rocile din amplasamentul barajului trebuie s fie rezistente, monolite, nedeformabile, etane i nedegradabile n contact cu apa. Astfel de caliti au rocile de natur eruptiv i metamorfic, precum i cele sedimentare de bun calitate. Proprietile fizico - mecanice ale rocilor pot fi mbuntite prin lucrri de consolidare (injecii, voaluri de etanare). Calitile de rezisten mecanic, impermeabilitate, omogenitate a rocii de fundaie, se determin prin studii foarte amnunite n zona amplasamentului barajului, zona cuvetei lacului i a zonelor adiacente. Insuficiena studiilor geologice i geotehnice poate duce la accidente grave. n mod uzual valorile eforturilor admisibile ale rocii de fundaie trebuie s depeasc 40 - 50 daN/cm2, iar modulul de elasticitate s depeasc 100.000 daN/cm2. 3.5.3. Condiii morfologice n cazul barajelor arcuite forma vii are o influen mare asupra modului n care se traseaz barajul, asupra formei i dimensiunilor acestuia. O modalitate de a caracteriza aceast form este raportul = L/H definit mai sus, care ns nu caracterizeaz foarte bine aceast form. Un alt mod de a caracteriza forma vii a fost propus de F.Tlke, cu ajutorul expresiei LH z S (z) = H n care este un coeficient de form a vii, aa cum se observ n figura 3.24. Se observ dS(z) z = x (z) = L , iar pentru z = H, rezult x = L. c: dz H Cele mai convenabile sunt albiile de form simetric. Vile asimetrice pot fi ns simetrizate prin excavaii sau cu ajutorul unor reazeme speciale (culee). Aici se include i soluia unei rezemri continue pe ntreg conturul (baraje cu rost perimetral) Tendina actual este de a adapta structura barajului la morfologia orict de divers a vii. n ceea ce privete orientarea liniilor de nivel, situaia cea mai favorabil este aceea n care ele prezint o divergen spre amonte. Cu ct arcele componente atac terenul sub unghiuri mai apropiate de 90%, cu att mai avantajoas va fi comportarea barajului. -1

Fig.3.24. Caracterizarea formei albiei, soluii de simetrizare

3.5.4. Profile caracteristice Pentru un baraj arcuit este caracteristic seciunea transversal obinut prin planul vertical n care nlimea barajului este maxim. Aceast seciune, care servete la trasarea n plan i la definirea formei geometrice a barajului, poart denumirea de seciune maestr.

HC

Fig.3.25. Seciunea maestr i caracteristicile ei

Fig.3.26. Seciuni maestre ale unor baraje n arc din Romnia

La proiectarea unui baraj n arc este util s se cunoasc seciunile maestre ale unor baraje deja executate n condiii geologice i morfologice similare. Prin analogie cu acestea se poate admite o seciune maestr cu ajutorul creia se efectueaz o prim trasare a

noului baraj. Prin ncercri de nscriere n teren i verificri statice succesive se ajunge apoi la o form optim. Pentru uurina trasrii i a calculelor statice este recomandabil ca seciunea aleas s aib o form continu, cu grosimea variind, funcie de nlime, dup o lege analitic. Orice seciune maestr are urmtoarele elemente caracteristice ( figura 3.25): - nlimea Hc, care este nlimea constructiv a barajului; - limea seciunii la coronament b; - limea seciunii la talpa de fundaie B; - razele rj ale fiecrui arc i linia centrelor acestora; - grosimea arcelor ej; - unghiul la centru 2j al fiecrui arc. La un arc zonele ncastrrii n cei doi versani se numesc nateri, iar zona median a arcului se numete cheie. Fiecare seciune maestr poate fi caracterizat prin raportul ntre limea la baz B i nlimea Hc, numit coeficient de zvelte. Progresele nregistrate n domeniul construciei barajelor arcuite au permis construirea unor baraje din ce n ce mai zvelte. Recordul l deine barajul Tolla din Corsica, nalt de 88 m, avnd B = 2,43 m i b = 1,50 m, cu un volum de beton de numai 12.500 m3. n figura 3.26.sunt prezentate seciunile maestre ale unor baraje n arc din ara noastr, iar n figura 3.27. este prezentat vederea n plan i o seciune transversal a barajului Vidraru de pe rul Arge. Pentru determinarea preliminar a dimensiunilor unei seciuni maestre se pot folosi i multe formule rezultate din prelucrarea statistic a datelor privind baraje deja executate. De exemplu: grosimea la coronament se poate estima cu una din relaiile: b = 0,02 Ld; b = 0,012 (Ld + Lc); b = 0,03 R; b = 0,01 (2 R + Hc), n care Ld este lungimea desfurat a coronamentului, iar R raza medie a coronamentului. Pentru grosimea B la baz se pot folosi formulele : B = 0,1 L; B = (0,075.......0,100) Ld 3.5.5. Barajele cu rost perimetral Eforturile transmise terenului de fundaie sunt mai mici, iar calculele statice sunt mai simple, n situaia n care profilul vii este simetric. n plus continuitatea elementelor geometrice i a fundaiilor evit concentrrile de eforturi i apariia fisurilor. De asemenea, modul de rezemare pe roca de fundaie este considerat mai avantajos dac se realizeaz sub forma unei rezemri simple, dect sub forma unei ncastrri perfecte. De aceea constructorii italieni au propus ca rezemarea unui baraj arcuit s se fac pe ntreg perimetrul vii, prin intermediul unui soclu separat de corpul barajului printr-un rost perimetral (figura 3.28) Soclul simetrizeaz valea, realizeaz continuitatea geometric i modereaz eforturile transmise terenului, iar rostul, etanat n amonte, asigur rezemarea simpl a structurii. Soclurile pot fi de 3 tipuri: normal, cu pinten aval i cu contrasoclu. Primul baraj de acest tip a fost realizat la Osiglia ntre 1937 - 1939 (Hc = 76 m, L/Hc = 2,43), iar cel mai nalt baraj de acest tip este cel de la Vaiont (Frana) care are 262 m. La noi n ar a intrat n exploatare n 1971 barajul de la Paltinul, pe rul Doftana, care are o nlime Hc = 108 m, lungimea pe coronament Lc= 460 m, limea la coronament b = 6 m i cea la baz B = 16 m. 3.5.6. Elemente de ordin constructiv ale barajelor arcuite 3.5.6.1. Amenajarea fundaiilor La executarea excavaiilor unui baraj arcuit se urmrete realizarea unei continuiti n profil longitudinal i o eventual simetrizare a vii. n construcia barajelor moderne s-a renunat la realizarea fundaiilor n trepte, care fac ca barajul s fie expus fisurrii

provocate de proeminenele de pe contur. Cnd forma vii prezint neregulariti sau o uoar asimetrie este avantajos ca, prin excavaii suplimentare raionale, acestea s fie nlturate.

n cazul n care versanii fac unghiuri mai mari dect 300 - 400 cu orizontala i deci ploturile componente au tendina s alunece, fundaia se pstreaz continu. Stabilitatea se asigur fie ncepnd construcia din vale spre versani i sprijinind ploturile unele pe altele

(cnd rosturile sunt joantive), fie prevznd butoni de rezemare ntre ploturi (cnd rosturile sunt duble), aa cum se vede din figura 3.29 a. La versani foarte abrupi pentru a evita intersectarea suprafeelor rosturilor sub un unghi foarte ascuit cu fundaia, se obinuiete ca rosturile s fie orientate n partea lor inferioar normal pe fundaie. n seciune transversal, suprafaa de fundaie a ploturilor poate fi uor nclinat spre amonte i prevzut eventual cu o adncitur pentru pintenul barajului. Cnd exist galerii de injecii de consolidare i impermeabilizare, talpa de fundaie este orizontal. (figura 3.29 b).

soclu normal soclu cu pinten aval soclu cu contrasoclu 1.soclu; 2. rostul perimetral; 3. plombe; 4. contrasoclu; 5. ancore; 6. galerie de injecie FIG.3.28. BARAJE ARCUITE CU ROST PERIMETRAL Pe versani fundaiile naterilor se orienteaz radial, astfel nct arcele s atace terenul la 900 (figura 3.29 c). Se admite ca unghiul de atac cu versantul s se reduc, dar fundaia trebuie s rmn radial. O regul empiric cere ca rezultanta forelor s fac un unghi mai mare de 300 cu linia terenului din aval. Pentru a evita volume mari de excavaii se pot adopta fundaii n trepte ale naterilor. 3.5.6.2. Rosturile de contracie ale barajelor arcuite Pentru a evita fisurarea betonului barajele n arc se construiesc din ploturi cu limea de 10-15 m, separate prin rosturi verticale radiale (figura 3.30). Acestea pot fi rosturi lrgite, cu limea de 1-1,5 m, cu proeminene i adncituri, sau rosturi joantive de lime redus, cu contur poligonal.

Pentru asigurarea caracterului monolit al barajului arcuit, rosturile se injecteaz cu lapte de ciment. Rosturile lrgite se nchid dup ce s-a degajat cea mai mare parte a cldurii de hidratare i s-au produs fenomenele de contracie.

a

b

c

Fig. 3.29. Amenajarea fundailor: a) n seciune longitudinal; b) n seciune transversal; c)fundarea nasterilor

Fig.3.30. Rosturi de contracie la un baraj arcuit

De aceea injectarea rosturilor ncepe dup 6-8 luni de la turnarea ploturilor. Rosturile joantive se execut mai uor, dar necesit rcirea artificial a betonului, n care scop se introduc reele de evi prin care circul ap de rcire. De exemplu la barajul Vidraru exist peste 100 km de eav pentru apa de rcire. Rosturile sunt prevzute n amonte i n aval cu dispozitive de etanare. Etanarea amonte se poate face cu tol de cupru de 1,5.....2 mm grosime, sudat cap la cap, sau cu tol de cupru combinat cu un prism de material bituminos. n aval se prevd tole de cupru sau zinc de aceleai dimensiuni. La barajele moderne se realizeaz etanarea prin benzi din material plastic (PVC, de exemplu band tip SIKA). Deoarece barajele n arc au grosimi mai mici i sunt realizate din beton cu caliti superioare, mai puin permeabile, la aceste baraje nu este necesar o reea de drenaj. La barajele de greutate n arc, care sunt mai groase, se prevede o reea de drenaj la circa 2 m de paramentul amonte, format din tuburi poroase cu diametrul de 20-30 cm. Galeriile i puurile de vizitare au aceleai funciuni ca i la barajele de greutate, fiind ns de dimensiuni minime i puternic armate, deoarece ele micoreaz seciunea activ a barajului. 3.5.7. Calculul barajelor arcuite La calculul static al barajelor n arc se iau n considerare doar solicitrile care au rol determinant n alegerea formei i soluiei lucrrii. Acestea sunt: presiunea hidrostatic (principala solicitare) , ncrcrile provenind din variaiile de temperatur (n special la barajele mai subiri), forele seismice i greutatea proprie (n special n cazul barajelor de greutate n arc). Alte fore, cum ar fi subpresiunea, mpingerea gheii .a., sunt neglijabile. Metodele de calcul static al barajelor n arc sunt diverse i au evoluat n timp. La nceputul secolului XX metoda de calcul utilizat era aceea a arcului pur, care consider barajul ca fiind format din inele circulare (arce) suprapuse i care acioneaz independent unele de altele. Admindu-se ipoteza c aceste inele sunt subiri i nchise, ele se dimensionau cu formula pr cazanelor, e = e , lund n calcul un efort de compresiune egal cu jumtate din cel ad admisibil. Deoarece ns arcele componente ale unui baraj real sunt ncastrate n versani, ele nu se pot deforma liber, ca pereii unui cazan. Reaciunile din ncastrare produc eforturi de tensiune mari. n consecin au aprut metode care au permis calculul arcelor rigid ncastrate n versani (Ritter 1913, Cain 1921), ca i luare n consideraie a influenei deformabilitii rocii de fundaie (Vogt -1925). De asemenea s-au dezvoltat metode de calcul a arcelor de grosime variabil, la diverse solicitri. Odat cu acceptarea ideii c solicitrile se transmit prin corpul barajului att n planuri orizontale, prin intermediul arcelor ncastrate n versani, ct i n planuri verticale, prin intermediul consolelor ncastrate n fundaie, a fost necesar apariia altor metode de calcul. Dificultatea acestor metode const n determinarea modului n care se repartizeaz presiunea hidrostatic i celelalte solicitri, ntre arce i console. Exist dou procedee: a. pe baza condiiei ca deplasrile arcelor i consolelor, exprimate funcie de sarcinile necunoscute, s fie identice n nodurile reelei. Procedeul se aplic n seciunea maestr (metoda egalrii deformaiilor n seciunea maestr, Woogard 1904, Ritter 1913) sau pe toat reeaua (Stucky 1922). b. admiterea unor repartiii arbitrare a sarcinilor ntre arce i console i corectarea acestei repartiii n mod succesiv, pn cnd deplasrile din noduri devin identice. Metoda numit a sarcinilor de prob a fost propus de Noetzli n 1921 i dezvoltat ulterior de inginerii americani.

Ulterior un baraj arcuit s-a considerat ca fiind o plac curb n spaiu, de grosime variabil, rezemat elastic pe contur. Exist ns dificulti n formularea i rezolvarea ecuaiilor difereniale ale comportrii unei astfel de structuri. Muli autori au simplificat ecuaiile neglijnd termenii cu importan mai mic i au propus unele integrri analitice (Westergaard 1928, Tlke 1938, Lombardi 1955). Utilizarea calculatoarelor a permis n continuare s se obin soluii numerice din ce n ce mai exacte. Dup 1960 s-a dezvoltat o metod de calcul bazat pe elemente finite, care permite rezolvarea mai rapid i mai exact. n ncheiere trebuie menionat c n acest domeniu o contribuie important iau adus i oamenii de tiin i inginerii romni, att n dezvoltarea metodelor de calcul (R.Pricu, M. Constantinescu, A. Popovici, D. Stamatiu), ct i n conceperea, proiectarea i execuia unor baraje arcuite cu parametri performani n Europa i pe plan mondial (ISPH, Hidroconstrucia SA, Energoconstrucia SA).