HIDROENERGETSKA POSTROJENJA

Dijelimo ih na:1. PRIBRANSKA POSTROJENJA(brana, evakuacioni organi za velike vode,

dovodni organi za strojaru, strojara unutar tijela brane)2. DERIVACIONA POSTROJENJA(brana, evakuacioni organi za velike

vode, dovodni organi tj. derivacije pod tlakom ili sa slobodnim nivoom znatne dužine-desetine km, strojara)

Brane dijelimo na:1. BETONSKE-gravitacione(svojom težinom tj. masom obezbjeđuju

stabilnost unutar profila i temelja)2. NASUTE(stabilnost obezbjeđuje masivnošću tj. težinom, grade se od

lokalnih materijala i generalno su ekonomski prihvatljivije od betonskih zbog niže cijene ugradbenog materijala koji je prirodni)

3. LUČNE(stabilnost obezbjeđuju temeljenjem u bokovima i u dnu sa djelovanjem sa okolnom stjenskom masom. Potrebne mase betona su značajno manje što je ekonomski prihvatljivije, ali je teško obezbijediti stabilnost bokova i temelja, te vododrživost, bez obzira na vrstu opterećenja koje može biti statičko ili dinamičko)

Akumulacije Formiranjem akumulacije u potpunosti se mijenjaju:

1. transportne karakteristike prirodnog vodotoka(zadržavanje vučenog i suspendovanog nanosa-čestice dovoljno velike da se gravitaciono spuštaju dole)

2. dolazi do promjene pornih tlakova unutar stjenskog masiva koji okružuje akumulaciju posebno u uvjetima promjenjivih razina vode(posljedica su mikroseizmičke aktivnosti na širem prostoru brane i akumulacije, pojava odrona,…)

3. mikroklimatske promjene unutar šireg prostora akumulacije(promjena temperatura prirodnih vodotoka dešava se na način da vodotoci nizvodno imaju manju temperaturu nego u prirodnom stanju, promjena vlažnosti u zraku uslijed pojačanog isparavanja,…)

temperaturna stratifikacija(standardna)

Evakuacioni organiBrane u svom sastavu obavezno imaju prelivne organe za evakuaciju ekstremno velikih količina voda. Obaveza projektanta je provjera hidrauličke i konstruktivne stabilnosti svih objekata unutar brane i korita nizvodno od brane za proračune rangova javljanja velikih voda

Dovodni organi za strojeveTo su redovito sustavi pod tlakom i ovisno da li se radi o pribranskim ili derivacionim postrojenjima grade se od čeličnih ili betonskih cijevi.

Dovodni organi do strojare završavaju spiralnim objektima različitog tipa ovisno od tipa turbina.

StrojareOvisno od tipa postrojenja strojare su zasebni objekti kod derivacija ili objekti unutar brana kod pribranskih postrojenja. Mogu biti:

nadzemne podzemne-češće jer donja voda treba biti iznad aktivnog dijela

turbine, inače bi bilo dosta neiskorištenog pada.KAVITACIJA-zbog podtlaka se izdvajaju mjehurići i kad se vraćaju bombardiraju metalne dijelove.

ISTRAŽNI RADOVI

Inženjersko-geološke i hidro-geološke podjele

Stabilnost, sigurnost i dugovječnost hidrotehničkih građevina ovise između ostalog od problema temelja koji mogu biti: geološki, hidraulički, mehanički.Svaki tehnički zahvat u stjenskom masivu kao što su: temelji kod izgradnje visokih brana, dovodni i odvodni organi velike dužine, podzemne strojarnice,… može djelovati na dva načina:

1. poremećaji-prirodne geološke i hidrogeološke ravnoteže2. stvaranje novih hidro-geoloških i hidrauličkih uvjeta u toku građenja

i eksploatacije putem injektiranja tekućine u podzemlje, akumuliranja vode, djelovanjem vode pod utjecajem gravitacije ili umjetno izazvanih sila(mikroseizmičke).

Ovi utjecaji vezani su za hidrauličke karakteristike podzemlja koji u aluvijalnim tlima izgledaju nešto jasnije. U stjenskim masivima ovise o strukturnim diskontinuitetima koji su rašireniji blizu površine, ali mogu biti duboki nekoliko km. Takvi diskontinuiteti utječu na fizičko-mehanička svojstva stijena i stjenskih masiva naročito na fenomene koji uzrokuju transport zraka i vode kroz prostor. Istraživanja ukazuju na dominantan utjecaj pukotina. Prema nekim autorima pukotine su zatvorene, pod

utjecajem lito-statičkih tlakova, na dubini 2-4 km, a rasjedi na dubini 4-12 km, što znači da se naši objekti temelje u područjima gdje su diskontinuiteti još otvoreni.Filtracija u ispucanim stijenama razlikuje se od filtracije u tlu tako da danas imamo i specijalnu znanstvenu disciplinu-hidrauliku stijena. Sa tog aspekta nas zanimaju 2 problema:

1. značaj prirodnih hidrauličkih karakteristika podzemlja i njihov utjecaj na hidrotehnički objekt

2. utjecaj hidrotehničkog objekta na izmjenu prirodnih hidrauličkih karakteristika podzemlja imajući u vidu utjecaj faktora-vrijeme.

MONITORING-permanentan proces osmatranja, mjerenja i obrade kvantitativno-kvalitativnih veličina i parametara stabilnosti objekata kojim se reguliraju količine i kvaliteta voda sa tim objektima.

U izučavanju ovih svojstava stjenskih masiva koristimo pomoć raznih tehničkih disciplina: istražna bušenja, geofizička istraživanja, daljinska detekcija.

1.Daljinska detekcija-ne razarajuća metodaPosebnu pažnju u toku istražnih radova moramo posvetiti akumulacionim prostorima gdje se općenito ističu:

o problemi vododrživostio problemi potapanja velikih površina, obradivih područja, naselja i

komunikacijao hidrološke, hidrauličke i meteorološke promjeneo geološka degradacija, rizik od padinske erozije, ugrožavanje

stabilnosti padina radi učestale ili stalne promjene nivoa u akumulaciji

o rizik od fluvijalne dinamike, mogućnost formiranja i pojave velikih vodnih valova

o hidro-geološki monitoringo inducirane seizmičke pojave

FLUVIJALNA dinamika-pomjeranje materijala zemljine kore

U najnovije vrijeme primjenjuju se nove metode tzv. metode daljinske detekcije koje su razvijene korištenjem snimaka iz aviona i satelita.Površina avionskih snimaka je 25x25 km, a veće površine(200x200 km)pokrivaju sateliti.Najvažnije metode daljinske detekcije su:

o multispektralna daljinska detekcija -osniva se na činjenici da svaki predmet na Zemlji ima određeni intenzitet zračenja u spektralnoj skali i na razne načine upija, odražava i prelama svijetlost.

o elektromagnetna radijacija -omogućuje izlazak iz uskih granica vidljivog spektra, svaki snimak sadrži oko 250 tonova, a svaki ton predstavlja određenu geološku formaciju ili prepoznatljivu pojavu i neku drugu karakteristiku zemljine kore ili površine. Posebnim elektromagnetskim uređajem vrši se očitavanje i interpretacija snimka u ovisnosti od valne duljine i frekvencije elektrom. valova.

o infracrvena termografija-koristi činjenicu da tijela različite temperature različito zrače u infracrvenom dijelu spektra. Danas je sa satelitima ta osjetljivost prepoznatljiva pri promjeni od 0,2 ºC.

2.Geofizička istraživanja-sama po sebi nisu dovoljna i nemaju univerzalni karakter. Njihova puna vrijednost i efikasnost može se očekivati samo u kombinaciji sa ostalim istraživačkim metodama i postupcima, ali u hidro-tehnici ove metode su neizbježne. Inženjersku geofiziku treba tretirati kao oblast geoloških znanosti koja proučava karakteristike zemljine kore i to njenih gornjih horizonata u vezi sa inženjerskom djelatnošću.

METODE KARAKTERISTIKE KOJE SE MJEREGravitacijska Gravitaciono poljeMagnetna Stalna i inducirana mag. poljaSeizmička Brzina seizmičkih valovaRadio-metrijska Radio-m. valoviElektričnog potencijala Razlika el. pot. u raznim materijalimaSpecifičnog el.otpora Raz. el. pot. i jačine strujeElektromagnetna Prostiranje elektrom.valovaTermalna Razlike u temperaturama

Statička ispitivanja deformacijskih karakteristika stijena «IN SITU»

Hidraulički tlačni jastuk:Na mirnom mjestu u stijeni se pažljivo iskopa specijalni prorez u koji se postavi limeni jastuk promjera 2 m, a međuprostor između stijene i jastuka se ispuni betonom. Prorez u stijeni orijentira se prema tome pod kojim kutom u odnosu na slojevitost ili ispucanost stijene se želi izazvati opterećenje. Dijametar jastuka se može odabrati prema potrebi

Mjerenje deformacija vrši se pomoću deformetara koji se postave po obodu pomoću vodokazne cijevi ispunjene vodom pomoću ručne pumpe, vrši se tlačenje u jastuku. Pomoću pumpe voda se tlači u limeni jastuk i tako izaziva hidrostatički tlak u tlačnom jastuku koji se preko betonske ispune(oslonaca)prenosi na stijenu. (3000 m/s kroz beton se prenosi tlak, 1400 m/s voda)Stijena se pod djelovanjem hidrostatičkog tlaka deformira uslijed čega se povećava volumen jastuka. Povećanje V jastuka izaziva spuštanje razine vode u vodokaznoj cijevi. Na osnovu razmjere na vodokaznoj cijevi zna se V tlačene vode, a na osnovi poznate površine poprečnog presjeka jastuka može se izračunati prosječna deformacija stijene kod primijenjenog tlaka.

Ispitivanje karakteristika, otpornosti na klizanje i smicanje «IN SITU»

Ova terenska ispitivanja kod hidrot.građevina imaju veliki značaj jer se tom vrstom ispitivanja dobiju osnovne karakteristike otpornosti: Kut trenja φ i kohezija cAko se radi o ispitivanjima u osnovnoj stijeni onda se govori o smicanju, a ako se ispitivanja vrše u temeljnoj plohi na kontaktu beton-stijena onda se govori o klizanju. Smicanje(jedan materijal) i klizanje(više mat.) su naponi u istoj ravni.Naročito je značajno utvrditi karakteristike otpornosti na smicanje duž pukotina jer temelji hidrot.građevina mogu biti ugroženi uslijed postojanja pukotina i na većim udaljenostima od objekta. Kada se radi o ispitivanju koeficijenta trenja rezultati ovise o razmjeri uzorka duž pukotine koja se ispituje. Utjecaj razmjere manje utječe na vrijednost kohezije(smicanje) nego adhezije(klizanje). Otpornost na smicanje vrši se kohezijom. Ispitivanjem na trenje moraju se utvrditi otpornosti na smicanje u f-ji vremena te max.otpornost i rezidualna otpornost. Za ispitivanje otpornosti na smicanje duž pukotina «IN SITU» obično se koriste podzemne galerije dimenzija 2x2 m radi lakšeg osiguranja sila koje se primjenjuju u istraživanju. Dimenzije i broj uzoraka ovise o većem broju činilaca kao što su: tip i dimenzije hidrot.građ., pukotinski sustav i njegov utjecaj na stabilnost i sigurnost objekta.

Temeljenje hidrot.građevina

Nijedna konstrukcija ne prianja za temelje kao brana(zbog svoje mase)tako da brane iz okolne stijene čine cjelinu. Stijena u temeljima brane je dio zemljine kore koji je podložan fizičkim i kemijskim utjecajima kao i utjecaju tektonskih sila. Ti fenomeni se potenciraju velikim nagibima(gradijentima)tlakova kao razlike gornjeg i donjeg nivoa. To je popraćeno procesom ispiranja, loma između gornjeg i donjeg nivoa, dekompozicijama materijala, pokretima brane i temelja, i sl. Osnovni tehnički i ekonomski kriteriji bili bi da fundament u širem značenju te riječi i brana moraju pružiti otpor silama akumulirane vode istog reda veličine, međutim ovaj kriterij teško je ostvariti jer je realno teško odrediti realne granice nosivosti i otpornosti tla stijene. S druge strane brana kao umjetno tijelo izgrađuje se od materijala koji ne mogu biti ispod nekih uvjetnih granica čvrstoće.Osnovne karakteristike fundiranja brana su: deformabilnost(samo do neke granice, npr.viseći most-stabilan i neugodan), vodopropusnost, stabilnost, priprema temelja.

Kod fundiranja u kršu moramo računati sa: sufozijom(procesi iznošenja sitne frakcije iz heterogenog sastava

stjenske mase kroz privilegovane pravce kretanja podzemnih voda), rastvaranje(0,5 mm godišnje), kolmiranje(začepljivanje)-polje poroznosti mijenja osobine

NOSIVOST TEMELJA

Dokaz nosivosti temelja zasniva se na:1. determinističkom pristupu2. probabilističkom pristupu

1. det.pristup podrazumijeva baratanje sa veličinama koje možemo dobiti nekim formulama.

Kriterij dop.napona:

k-koef.sigurnosti dat kao globalni faktor u odnosu na gustoću materijala.Neizvjesnost realnih karakteristika veličina koje ulaze u proračun te njihov stohastički karakter odstupanja od realnosti, uvjetovana fizikalnim i matematskim modelima, doveli su do postupaka koji se temelje na teoriji vjerojatnoće i razvoja probabilističkih postupaka.

2.prob.metoda se zasniva na graničnom stanju korištenjem nejednadžbe R UR-proračunska otpornostU-proračunski utjecaj

Možemo je napisati i u obliku

Φ-faktor indukcije čvrstoćeR -normativni(nominalni) kapacitet(nosivost) prema pravilimaDesna strana predstavlja sumu različitih opterećenja(utjecaja)Q (stalni teret, din.opt., potres, itd.) koja su pomnožena odgovarajućim faktorom opt.tj.parcijalnim koef.sigurnosti Parc.koef.sigurnosti uzima se zbog nepovoljnih varijacija, opterećenja, zbog njihovog slučajnog pojavljivanja i nepouzdanosti njihove veličine, npr.faktor opterećenja za dinamičko opt. ili potres treba biti veći od onog za stalni teret, jer je neizvjesnost veća u varijaciji njihovih veličina za vrijeme trajanja konstrukcije. Faktori i određuju se na osnovu vjerojatnosti. Naime, svi utjecaji U ne pojavljuju se sa jednakom vjerojatnošću, zbog toga se usvajanje veličine utjecaja vrši «TEŽINSKIM KOEFICIJENTOM» u ovisnosti o vijeku trajanja hidr.građevine(obično 50-100 g.)

DEFORMABILNOST TEMELJA

Ovisi o karakteru slojevitosti i o načinu prijenosa sila sa konstrukcije na stijenu na temeljima. Deformacione karakteristike stijene u temeljima

mogu se poboljšati injektiranjem sa injekcionom smjesom na bazi cementa. Uspjeh injektiranja ovisi o nagnutosti slojeva, o međuslojnoj ispuni, o ispucanosti stjenskog masiva te o otvorenosti i ispuni pukotina. U slučaju pukotina potrebno je vršiti čišćenje i ispunjavanje pukotina betonom. Deformacione karakteristike niže su od polaznih tj.od onih vrijednosti modula elastičnosti i modula deformacija koji su usvojeni u proračunima.Reologija je znanstvena disciplina koja proučava vezu između sila(naprezanja) i deformacija u toku vremena. Tako utvrđene reološke zakonitosti uz uporabu suvremenih računara, omogućavaju da se prouči složeno ponašanje kompleksa: brana-stijenska masa-voda.

VODOPROPUSNOST TEMELJA

Prema hidro-geološkim karakteristikama razlikujemo terene sa:-intergranuliranom -pukotinskom-pukotinsko-kavernoroznom poroznošću koja je karakteristična za krš.Tlo se os stijene razlikuje po stupnju i karakteru vodopropusnosti. Naime, vodopropusnost kod pora se razlikuje od vodoprop.kod pukotina. Veliki broj različitih pravaca pukotina u stijenama može uvjetovati vrlo različite vrijednosti procjeđivanja vode u različitim pravcima, što ovisi o pravcu pružanja, razmaku otvorenosti i ispuni pukotina. Srednja filtraciona brzina u nekoj propustljivoj, homogenoj sredini proporcionalna je padu

pijezometarske linije, a određena je zakonom Darcy-ja:

J-pad pijezometarske linije energije što je jednako padu pijezometarske linijev-brzina kretanja podzemne vode

H-razlika u tlaku između gornje i donje vodeL-dužina do temelja

k-koef.filtracije koji ovisi o stupnju poroznosti tla

Koef.propusnosti je osnovni pokazatelj transportnih karakteristika sredine za model homogene i kontinuirane sredine. Praksa je pokazala da u istoj sredini može postojati razlika koef.filtracije u horizontalnom i vertikalnom pravcu. Ova karakteristika zove se ANIZOTROPIJA(a).

Kod temeljenja hidroteh.građevina na tlu postoji opasnost od kontaktne dezintegracije tla i iznošenja čestica duž temeljne plohe.

Kritični gradijent za različite vrste tla su slijedeći:TLO JGline 1,2Ilovača 0,65Šljunak 0,45Pijesak 0,29-0,38 Da bi se spriječila opasnost od kidanja i hidraulički lom tla, dužina puta filtracije mora zadovoljiti slijedeći empirijski uvjet: L-dužina filtracijeH=H -H razlika nivoa gornje i donje vodeC-vrijednost suprotna hidrauličkom gradijentu

TLO CMulj i prašinasti pijesak 18Sitan pijesak 15Krupnozrni pijesak 12Šljunak i šljunkoviti pijesak 9Šljunak i drobina 4-6Glinovito tlo 5-9

Stijene se oblikuju sekundarnom poroznošću, pukotinska poroznost kod koje se mogu razlikovati lokalna i regionalna ispucanost. Regionalna ispucanost ima nepravilne prostorne položaje dok se lokalne pukotine obično javljaju u određenim grupama koje se izdvajaju na osnovu geneze, istog prostornog položaja i istog intenziteta pojavljivanja. Vrsta ispucanosti se određuje neposrednim smicanjem na terenu. Lokalna ispucanost uglavnom je vezana za površinske dijelove zemljine kore za razliku od regionalne koja je prisutna i u velikim dubinama. Posebnu pažnju zaslužuju karbonatne stijene(vapnenci i dolomiti) koji sadrže veliki broj izvora, ponora, estavela koje je potrebno registrirati u okviru prethodnih istraživanja. Kod podzemnih objekata(tuneli pod tlakom) važno je i pitanje kretanja novoformiranog podzemnog toka oko tunelskih cijevi, jer prostor oko tunelske cijevi ima drenažnu f-ju kako za prirodne vode tako i za procjedne vode kroz tunelsku procjedu. Veliki broj istraživača proučavao je propusnost u ispucanim stjenskim masivima korištenjem istražnih bušotina i ispitivanjem vodopropusnosti u njima.Opći teoretski izraz ima oblik: Q=c*k*HQ-proticajk-koef.vodopropusnostiH -neto pritisak ispitivanjac-koef.oblika(šupljina koje se ispituju)

HIPOTEZE

Hipoteza elipsa

a,b-poluosovine elipsef-dužina ispitivanja

hipoteza krug

c=4*π*ll-polumjer kruga

UZGON

Filtracioni pritisci u temeljima hidroteh.objekata koji nastaju kao posljedica razlike tlakova gornje i donje vode te uslijed toga strujanja kroz tlo dovode do pojave uzgona. Ovo važno pitanje mnoge su zemlje regulirale propisima za projektiranje i izgradnju visokih brana.

Uzgon u temeljima brane treba stalno kontrolirati jer se te vrijednosti mijenjaju sa starošću objekata. Svaka promjena u filtracionim pritiscima upućuje na oprez posebno ako se tokom vremena oni povećavaju. Na nekim objektima je utvrđeno da na vrijednost uzgona utječu i oborine. Svaka promjena boje vode koja se procjeđuje traži max.pažnju. Promjena boje je česta promjena nakon snažnog seizmičkog udara.Procurivanje oko temelja u slučaju kratkog puta i visokog filtracionog pritiska može da ugrozi i stabilnost lučnih brana. Osmatranjem u prirodi nakon pražnjenja nekih akumulacija zbog kontrole utvrđeno je da se uz uzvodnu ivicu temelja kod betonskih brana obično javlja pukotina u stijeni koja prati ivicu temelja. Osim statičkog djelovanja uzgona treba voditi računa i o silama hidrostatičkog pritiska na bokovima i pornim pritiscima unutar tijela brane. Veliki broj primjera u praksi je da sigurnost brane ugrožena preko stabilnosti bokova i na relativno velikim udaljenostima od pregradnog profila. Pukotinska porna voda u proslojcima ispune s jedne strane djeluje plastificirajuće na materijale ispune, a sa druge strane kad padne pritisak pukotinske vode pri spuštanju nivoa vode u akumulaciji pritisak porne vode ne može da se snizi istom brzinom zbog male propustljivosti ispune i tada dolazi do predtlaka(povećanog tlaka)

pukotinske porne vode. Ukoliko se prethodnim pojavama pridruži iznenadna pojava stanja naprezanja u stijeni(vibracije uslijed rada evakuacionih organa, snažni seizmički udari, itd.)tada može doći do potpunog nestanka trenja u djeliću sekunde što dovodi do kolapsa.Kao zaštitu od uzgona graditelji su nakon 1900.g.počeli upotrebljavati drenaže u temeljima i u tijelu brane. Sve brane u SAD-u od 1915.g.imaju obavezno ugrađene drenažne sustave. Kod lučnih brana utjecaj uzgona je zanemariv sa gledišta sigurnosti objekta. Utjecaj filtracije razmatra se uglavnom sa stanovišta zaštite temelja od ispiranja(sufozije)Iskustva su pokazala da drenaže ne mogu u potpunosti eliminiraju utjecaj filtracione vode samo kombinirano djelovanje drenaža i injekcionih zavjesa može da smanji ove utjecaje na prihvatljivu mjeru.Postupak injektiranja je star i datira od 1802.g.kada je jedan francuski inženjer utiskivanjem plastične gline uspio smanjiti procjeđivanje vode ispod jedne brodske provodnice.Stalna primjena injektiranja u svrhu kontrole procjeđivanja i uzgona počinje od 1936.g. Vodonepropusne zavjese imaju zadatak da na najmanju moguću mjeru smanje količinu filtrirane vode i produže put procjeđivanja. Kao posljedice toga smanjuju se sile uzgona i hidrostatičke sile na bokovima. Smanjenjem proticaja, pritisaka i brzine filtracione vode uklanja se opasnost od mehaničke i kemijske sufozije terena. Pred injekcionu zavjesu postavlja se i uvjet eliminiranja gubitaka vode iz akumulacionog bazena.

Prva indikacija sufozije je mutna voda.Kod izbora dimenzija inj.zavjesa polazi se sa stajališta ekonomski prihvatljivih gubitaka vode pod uvjetom da se ne ugrožava sigurnost odabranog tipa brane i funkcionalnosti inj.zavjese. Još uvijek je u upotrebi poznati kriterij dozvoljene vodopropusnosti koje je postavio 1920.g.francuz Ližon koji glasi: dozvoljena vodopropusnost je 2-5 Ližona (Lu=1 l/min*m*10 bar)Spomenuti kriterij često puta je uvjetovao veliku dubinu inj.zavjese i veliku dužinu njenog prostiranja na bokovima koje se sa stajališta sigurnosti brane nisu mogli opravdati, a troškovi realizacije su bili jako visoki. Inj.zavjesu treba smatrati kao produženje brane u podzemlje kroz jednu diskontinuiranu, anizotropnu i često nedovoljno proučenu sredinu(nedostupnu ljudskom oku). Inj.zavjesom ne smiju se pogoršati uvjeti prijenosa sila sa hidroteh.objekta na oslonce(temelje). Znači osim hidro-geoloških parametara na orijentaciju i položaj inj.zavjesa utječu geometrijske i druge karakteristike hidroteh.građevine. Zavjese velikih površina čije se dimenzije i funkcionalnost ne mogu jednoznačno odrediti mijenjaju odnos sila u području temelja i pregradnog profila. Zavjese u toku eksploatacije akumulacije moraju da sačuvaju svoju efikasnost.Izbor smjese za injektiranje mora osigurati dovoljnu vitkost zavjese. Izbor ovisi o vodopropusnosti.Ako je vodopropusnost veća od 5 Lu tada prednost treba dati kemijskim injekcionim smjesama. Inj.smjese na bazi cementa su ekonomski prihvatljivije.

BRANE

o najstarija poznata zidana brana je u Egiptu, visine je 15 m i izgrađena je 2700.g.p.K i služila je za kontrolu i zaštitu od poplava.

o najstarija nasuta brana je u Kini, visine 30 m, izgrađena 240.g.p.Ko lučna brana visine 100 m izgrađena je oko 1400.g.o u našem okruženju najstarija je brana Klinje(zidana, kamena, lučna)o najveća u našem okruženju je Mratinje visoka 220 m, lučna, izrađena

1977.g.o najviša bet.gravitaciona brana u svijetu je u Švicarskoj, 284 m,

izgrađena 1961.g.o visoke brane su one koje su veće od 15 m, a i one veće od 10 m ako

imaju dužinu u kruni veću od 500 m ili ostvaruju akumulaciju veću od 100 000 m tj.ako je max.kol.vode na preljevu veća od 2 000 m/s.

Nasute braneKoriste prirodna nalazišta materijala i karakterističan je trapezni pop.presjek. Razlikuju se:

- zemljane brane od prirodnog materijala homogenog presjeka bez zaptivnog jezgra

- zemljane brane od prirodnog materijala heterogenog sastava sa nepropusnim glinenim jezgrom(vertikalni ili kosi)ili sa jezgrom od nekog drugog nepropusnog ili slabo propusnog materijala

- brane od kamenog nabačaja sa vertikalnim ili kosim nepropusnim jezgrom od prir.mat.

- kombinirani tip brane od kamenog nabačaja sa uzvodnim nepropusnim ekranom(AB, asfalt-betonske, liveni asfalt,…)

- poseban tip nasutih brana od pijeska, šljake iz termoelektrana,…

Pri projektiranju nasutih brana posebnu pozornost treba usmjeriti na:1. propusnost-procjeđivanje vode kroz tijelo brane,

temeljno tlo ili stijenu i duž kontakta temelja brane sa tlom ili stijenom.

2. nosivost-otpornost brane i temelja(tla i stijene)da preuzme opterećenje

3. stišljivost-mogućnost nastanka deformacija bez ugrožavanja sigurnosti i stabilnosti brane.

Prvi zadatak se odnosi na hidrauličku stabilnost brane i temelja, a druga 2 na statičku i dinamičku stabilnost.

PROPUSNOST

Procurivanje vode u temeljima i kroz tijelo brane ako nije kontrolirano i u projek.granici često puta je razlog proboja i rušenja nasutih brana. Da bi se zaštitili od hidrauličke erozije, koja ovisi od ukupne količine procjedne vode i gradijenta tlaka, ugrađuju se zaštitni filtri. Filtarske zone se sastoje od jednog ili više filtracijskih slojeva čija je svrha da spriječe unutarnju eroziju i prenošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtr.slojevi moraju zadovoljiti uvjete:o propusnost filtra mora biti znatno veća od propusnosti materijala iz

kojeg voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi daljnje

prenošenje sitnih čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutarnju eroziju filtra

raspored dijametara zrna u filtarskim slojevima ide od sitnijeg prema krupnijem poštujući Terzagijevo pravilo po kojem granulacija mora biti

takva da filtar bude dovoljno propusan i da sa sigurnošću zadrži čestice tla i jezgre.Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti samo ugradnjom drenažnog sustava koji može biti linijski i plošni. Drenovi služe za odvodnju procjedne vode i rade se sa materijalima velike propusnosti

Kod nasutih brana sa uzvodnim AB ekranom debljina ekrana može se odrediti pomoću empirijskog izraza: d=(0,3+0,001H)/(0,3+0,0073H)Bez obzira koje se rješenje primjenjuje(temeljni klin, dijafragma, injekciona zavjesa, konsolidacija temelja) projektom se mora predvidjeti protu-erozivna Zaštita temelja radi njihove hidrauličke stabilnosti. Treba težiti da se porni pritisci u jezgru i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum i preko drenažnog sustava izvedu van nizvodne kosine brane.

ANALIZA STABILNOSTI

Projektom je neophodno provesti analizu stabilnosti uzvodne i nizvodne kosine. Pri tome se φ i c usvajaju na osnovu ispitivanja nekonsolidiranih i nedreniranih uzoraka a pri opitima na smicanje. To odgovara privremenom stanju tj.brzom građenju bez promjene vlažnosti u jezgru i nasipu. Nedrenirani i nekonsolidirani opiti vrše se na vodom zasićenom uzorku gdje ne postoji mogućnost otjecanja vode pri povećanom opterećenju na uzorak.Alternativno, vrši se ispitivanje stabilnosti kosina za slučaj sporog građenja što je u našim uvjetima realnije. Tada se usvajaju parametri otpornosti dobiveni opitima na konsolidiranim i dreniranim uzorcima, uz uvođenje pornih pritisaka pri proračunu. Za ovaj slučaj opterećenja obično se zahtjeva min.faktor sigurnosti 1,5. U praksi se stabilnost brana provjerava i na utjecaj potresa. Analiza se provodi za određeno seizmičko opterećenje na svim analiziranim površinama smicanja. Poseban problem kod nasutih brana od sitnozrnih materijala jeste «likvetakcija» kod snažnih seizmičkih udara. Proces likvetakcije je pretvaranjeRastresite zrnate sredine u tečno agregatno stanje pod utjecajem vibracija a uslijed brzog porasta pornog pritiska. Prema iskustvu i literaturi ako je propusnost pješčanog nasipa veća od k>1 cm/s=10 M/s, nema opasnosti od likvetakcije. Pri građenju nasutih brana, treba voditi računa i o tlu na kojem se brana temelji. U pogledu tla ona se mogu podijeliti na manje i više seizmički opasna. Manje opasna su čvrste i zdrave stijene jer se ravnomjerno prenose ubrzanja uslijed potresa. Seizmički opasna tla su rastresita tla koja upijaju vodu, te šut, glina i močvarna tla.

STIŠLJIVOST

Temeljna karakteristika stišljivosti je slijeganje brane, tj.mogućnost nastanka deformacija tijela brane bez ugrožavanja stabilnosti i sigurnosti brane. Kod određivanja konstruktivnih dimenzija nasutih brana potrebno je

analizirati slijeganje brane i njene podloge, prvenstveno zbog određivanja konstruktivnog nadvišenja. Za proračun je potrebno poznavati modul stišljivosti sloja koji se sliježe i rasprostiranje polja naprezanja. Uobičajeno se koristi teorije Bousinesqua za homogen i izotropan elastičan podprostor. Kod nasutih brana, od kamenog nabačaja grubo se računa slijeganje, iznosi oko 2% visine brane u danom presjeku.

GLINENA JEZGRA

Osnovna karakteristika glinenog jezgra je koeficijent filtracije k i indeks plastičnosti I . Širina i debljina jezgra ovisi o visini brane i izboru materijala za jezgro. Posebnu pažnju treba posvetiti kontaktu jezgre sa tlom. Poboljšanju kontakta pridonosi temeljna ploča i blagi nagib temeljne spojnice na uzvodnu stranu.

Slijeganje glinenog jezgra je mjerodavno za ukupno slijeganje brane. Vrijeme konsolidacije glinenog jezgra teoretski beskonačno. Proračun toka deformacija se vrši na osnovu rezultata edometarskih opita, sa spriječenim bočnim deformacijama, na uzorcima gline koja će se ugraditi u jezgro. Za svaku branu neophodnoje odrediti deformacije za tri karakteristična vremenska presjeka:

1. u periodu građenja2. za vrijeme prvog punjenja akumulacije3. u eksploatacijskom periodu

GEOMETRIJSKE I KONSTRUKTIVNE KARAKTERISTIKE

ŠIRINA KRUNE BRANE

Ovisi o radnom prostoru. Osim toga širina u kruni utječe i na sigurnost pri eventualnom prelijevanju, kao i pri velikim seizmičkim aktivnostima.

H-najveća dubina

U Europi je češće: (m)

VISINA BRANE IZNAD USPORA

Izgradnjom evakuacionih organa ograničava se razina vode u akumulaciji i u vrijeme velikih vodnih valova čime se isključuje mogućnost prelijevanja preko krune brane. Prelijevanje preko brane predstavlja najveću opasnost za ovaj tip brana. Proračun slobodne visine brane temelji se na pretpostavci da će se max.poplavni val dogoditi kod pune akumulacije i da

će se u isto vrijeme razviti, zbog djelovanja vjetra, veliki valovi u akumulaciji određene vjerojatnosti pojave. Prema tome slobodna visina brane je f-ja visine vala i hidro-dinamičkog učinka vala na kosinu brane pri max.vodostaju u akumulaciji.

GRAVITACIONE BRANE

To su masivne brane, pretežno betonske, koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom. Od glavnog značaja kod ovih brana je stabilnost koja se analizira kao kod krutog tijela. Čvrstoća materijala u pravilu nikad nije presudna jer se dimenzije određuju iz uvjeta da ne dođe do zatežućih naprezanja. Klasične metode projektiranja grav.brana bile su uglavnom empirijske. Prevladavalo je mišljenje da je brana stabilna ako zadovoljava slijedeće uvjete stabilnosti:

1. težina brane mora biti dovoljno velika da osigura sigurnost protiv prevrtanja oko centra(nizvodna ivica pop.presjeka)

2. ista težina mora biti dovoljna da osigura branu na klizanje duž temeljne plohe.

Danas se uglavnom grade betonske brane koje se tretiraju kao čvrsta elastična tijela. Oblik gravitacione brane, njen kontakt u temelju i nagib temeljne spojnice od presudnog su značaja za stabilnost brane. Gravitaciona brana se svojom težinom suprotstavlja djelovanju vanjskih aktivnih sila, tj.brana bi bila otpornija i stabilnija sa većom masom. Međutim, iz ekonomskih razloga teži se izgradnji brane uz najmanji utrošak materijala, uz garantiranu stabilnost i otpornost.Prema dokazima koji se ne prilažu, uz djelovanje:Težine brane G, hidrost.pritiska P , i uzgona U, racionalan oblikbrane bio bi:

Gornji izraz za «n» dobiven je iz uvjeta da je za pomenuta opterećenja naprezanje na uzvodnoj ivici temelja i da je d min. Teško je izgraditi branu sa «podvjesom», a vrijednost n je mala pa se uzima n=0. tako se dobije presjek brane sa vertikalnim uzvodnim licem, tzv.osnovni trokut brane. Teoretski, optimalni profil brane nikad se ne upotrebljava nego «praktični» profil.

Gravitacionu branu promatramo kao konzolu promjenjive debljine tj.promjenjive mase, pop.presjeka i mom.inercije. Na kontaktnoj površini temelja djeluju moment M, normalna sila N i transverzalna sila T. Uslijed ovih sila brana se kao kruto tijelo pomjera translatorno , i rotaciono

.

Na kontaktnoj površini brana leži kao kruto tijelo, a podloga se tretira kao elastično popustljiva u translatornom i rotacionom smislu. Pri tome se smatra da presjeci ostaju ravni što u realnosti nije slučaj. Otpornost na klizanje brane duž temeljne plohe kao i otpornost na smicanje u temeljima zavisi od adhezije, kohezije i kuta trenja na kontaktu beton-stijena. Nagle promjene nagiba na nizvodnom i uzvodnom licu brane mogu izazvati neprihvatljive koncentracije napona i izbjegavaju se gdje je god to moguće. Naročito treba paziti na oblikovanje nizvodnog lica brane u području krune brane. Prijelaz na krunu mora biti krivolinijski. Gravitacione brane se danas u najvećem broju prave od betona koji mora zadovoljavati projektni kriterij u pogledu čvrstoće, vodopropusnosti i trajnosti. Karakteristike betona se mijenjaju sa vremenom i ovise o vrsti cementa, agregata, aditiva i o njihovom odnosu u mješavini sa vodom. Gravitacione brane mogu biti preljevne i ne-preljevne. Češći slučaj je da se preljev nalazi u tijelu brane. Po pravilu, kod preljevnih brana brzotok se nalazi na tijelu brane. Na brzotok se nastavlja slapište koje služi za disipaciju energije. Temeljni ispusti i razni zahvati vode također se smještaju u tijelo brane.

OPTEREĆENJE BRANE

Da bi osigurali branu, analizirano stanje napona i deformacija, moraju se poznavati sile na konstrukciju. Sve sile dijelimo na:

1. zapreminske sile -sile koje ovise od zapremine tijela i javljaju se unutar konture tijela i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi.

U ove sile spadaju: sile uslijed hidratacije i ambijentalnih temperatura, sile skupljanja i bubrenja u betonu, sile težine(ovise o masi), inercijalne sile.

2. površinske sile -sile koje djeluju na površini brane i prenose se preko njene konture:-kontinuirane sile(uzgon)-koncentrirane sile(razna hidromehanička oprema)

Druga podjela sila koje djeluju na branu osniva se na njihovom karakteru opterećenja. Te sile mogu djelovati pojedinačno ili u raznim kombinacijama:-statička opterećenja-dinamička opt.-ciklička opt.

Hidrostatički tlak od akumulacije i donje vode(H , H )Opterećenje od akumulacije (H ) i donje vode(H )određeno je razinom vode u akumulaciji koja ovisi o pogonskim uvjetima i vodostaju donje vode koji je određen krivuljom vodostaja. To su glavna aktivna opterećenja koja djeluju okomito na dodirne površine.Vlastita težinaTo je jedina sila(V )koja korisno djeluje na stabilnost brane. Pretpostavlja se da se prenosi vertikalno na temelje, bez bočnog djelovanja susjednih blokova(efekt trenja). Za veličinu vlastitog opterećenja uzima se težina betona sa pripadajućom hidro-mehaničkom opremom. Ukoliko je vertikalno lice brane zakošeno, vertikalna komponenta težine vode djeluje pozitivno u smislu težine brane(V ).VALOVI

Uslijed kontinuiranog djelovanja tangencijalne komponente vjetra na površini vode u akumulaciji mogu se javiti valovi koji izazivaju dodatnu hidro-dinamičku silu koja ovisi o brzini, trajanju i smjeru vjetra.Vjetar koji traje max.broj dana je dominirajući, a vjetar sa max.brzinom je vladajući vjetar. Hidrod.sila vala računa se kao hidrostatički tlak na

uzvodno lice brane. Izdizanje srednje razine vala:

L-duljina poluvalaH-dubina vode u akumulaciji

LED

Pritisak leda može, na lokacijama gdje su zimske temp.niske i gdje se stvori debela kora, izazvati značajno opterećenje uzvodnog lica brane. Pritisak leda nastaje uslijed termičke ekspanzije leda i djelovanja tang.komponente vjetra. Hvatište sile izazvane pritiskom leda(H )nanosi se u visini max.uspona. To je kontinuirana sila koja djeluje u visini krune brane.

NANOS

Projektant je dužan da prikupi i prouči sve raspoložive podatke o transportu nanosa, prije nego odluči je li potrebno uzimati u obzir dodatno opterećenje od pritiska nanosa koji će biti istaložen uz uzvodno lice brane u toku eksploatacijskog perioda.

UNUTARNJI HIDROSTATIČKI TLAK

H.s.tlak uzrokovan tlakom vode iz akumulacije i donje vode javlja se unutar brane i temelja zbog prisutnih pora, prslina, pukotina, radnih i dilatacionih spojnica. Zbog toga se razlikuju unutarnji tlak u tijelu brane i unutarnji tlak u temeljima.

Unutarnji h.s.tlak u tijelu brane raspoređuje se uzduž horizontalnih presjeka kroz branu i pretpostavlja se da se raspoređuje linearno od punog h.s.tlaka, na uzvodnom licu brane, do nule, tj.tlaka donje vode na nizvodnom licu brane. Raspodjela tlaka vode u tijelu brane je vrlo složena i kontrolira se instrumentima. Taj tlak smanjuje vertikalni napon pritiska u betonu u horizontalnim presjecima kroz branu što negativno utječe na sigurnost brane. Često na gravitacionim branama, uz uzvodno lice, predviđaju se vert.drenaže zbog zaštite i kontrole raspodjele unutarnjih pritisaka. Efikasnost drenaže ovisi o razmaku vertik.drenažnih cijevnih otvora.

TEMPERATURNI UTJECAJ

Kod gravitacionih brana razlikujemo dva vida temperaturnih utjecaja i to:-temp.promjene uvjetovane egzotermijom betona(imaju značajnu ulogu zbog dimenzija grav.brana)-vanjski temp.utjecaji

OLAKŠANE GRAVITACIONE BRANE

To su brane sa velikom šupljinom u tijelu brane. Dimenzije otvora ovise o namjeni. U većini primjera služe za smještaj hidro-električnih instalacija. Težina umanjuje silu gravitacije i zbog toga te brane obično imaju nagnuto uzvodno lice i osnovicu znatno širu, obično veću od 0,67H.

Poseban problem se javlja uslijed koncentracije napona oko otvora velikih dimenzija i pojava zona zatezanja, ne samo na rubu otvora nego i uzvodnom i nizvodnom licu. Blaži nagib uzvodnog lica i šira osnovica trebaju ostvariti stabilnost brane na klizanje i prevrtanje. Kod analize stabilnosti treba se uzeti u proračunu i težina hidrodin. i hidroelektr.opreme. Hidroelektrana tj.sklop turbina-generator vezan je s jedne strane za hidraulički dovodno-odvodni sustav, a s druge hidro-energetski sustav.Promjene koje se događaju u oba sustava pobuđuju dinamička opt.koja mogu biti dinamičkog, hidrauličkog i mah.karaktera. Brana mora biti tako dimenzionirana da može preuzeti statička i dinamička opt.agregata što praktično znači da temelji agregata koji su sastavni dio gravitacione brane moraju biti armirani. Problem dimenzioniranja elemenata olakšane gravitacione brane također je vrlo složen u području preljeva i ispusta u brani. Nizvodni luk temelja obično se štiti slapištem( bučnicom) od erozivnog i vrtložnog djelovanja donje vode. U pravilu, područje strojarnice zaštićeno je produžnim razdjelnim zidom koji odvaja prostor slapišta od prostora difuzora. Često puta na grav.dio brane nastavlja se olakšani grav.dio sa preljevom, ispustom i sa slapištem. U tom slučaju objekt slapišta s branom čini jednu cjelinu kod proračuna njene stabilnosti. Neke grav.brane izrađene su sa šupljinom u nivou temelja. Na taj način znatno je umanjen utjecaj uzgona jer šupljine su u biti veliki drenažni otvori u tijelu brane. Kod tih brana može se javiti jedino problem stabilnosti na klizanje i isplivavanje u slučaju visokog nivoa vode.

BRANE SA KONTRAFORIMA

Brana sa kontraforima sastoji se od autostabilnih bet.konstrukcija(kontrafora)postavljenih na odgovarajućem razmaku koji se sa uzvodne strane povezuju pločama koje mogu biti ravne ili lučne. Kod ovih brana postoji velika sloboda u izboru i u praksi se susreću brojna i razna rješenja. Profil olakšanih grav.brana spomenutih u prethodnom poglavlju sličan je profilu grav.brana sa blažim uzvodnim licem i širom osnovicom u temeljima. Praksa je pokazala da se pri tome znatno gubi na težini i često se ne može postići zadovoljavajuća stabilnost. Ta činjenica dovela je do ideje da se šupljine u grav.brani drugačije rasporede. Povećanju stabilnosti doprinosi i činjenica da je zbog otvorenih površina u temeljima i uzgon znatno smanjen. Slijedeći korak u razvoju bio je težnja da se izbjegne koncentracija napona pa se na lomovima rade zaobljenja.

Da bi se izbjegao moment savijanja na glavi kontrafora koji djeluje kao konzola i zbog koncentracije rezultante hidrostatičkog tlaka na glavi u osovini kontrafora, masivna glava kontrafora ima zaobljen oblik. Opterećenje ovog tipa brane slična su kao kod grav.brana s napomenom da je uzgon znatno manji nego kod klasičnih grav.brana. Međutim, djelovanje potresa nešto je veće zbog inercijalnog djelovanja stupca vode na zakošeno djelovanje brane. Ove brane sa kontraforima su znatno osjetljivije na seizmičke udare i ubrzanja su paralelna sa krunom brane(okomito na kormilo). Globalna sigurnost ovog tipa olakšane grav.brane provjerava se kao kod klasičnih grav.brana-protiv prevrtanja, klizanja i isplivavanja. Da bi se eliminirale pojave pukotina u kontraforima u tijeku građenja i eksploatacije predviđaju se konstruktivne spojnice koje prate trajektorije manjih napona. Posebna pažnja je na temeljima i nekada se za temelje koriste temeljne ploče. Brane sa kontraforima lakše «premošćavaju» lokalna defektna mjesta duž temeljne plohe i različitost deformacionih karakteristika jer su elementi brane neovisni. Poseban problem su dilatacione spojnice, osiguranje kontakta između kontrafora, nepropusnost vode i dreniranje voda.

UNUTARNJI H.S.TLAK USLIJED EGZOTERMIJE BETONA

Zbog hidratacije cementa dolazi do porasta temperature betona u masi

koja se približno može proračunati po formuli:

q-hidratacijska toplina cementa (60-90 Kcal/kg)c-količina cementa (kg/m )φ-zapreminska gustoća betona (kg/m )α-spec.toplina betona (0,25 Kcal/kg ˚C)

Vidimo da će porast temperature u betonskoj masi biti manji što je manja količina cementa i što je manja hidratacijska toplina cementa. Temperatura svježeg betona raste odmah nakon ugradnje i dostiže svoj maximum nakon 3-7 dana i to znači da je proces egzotermije relativno kratak. Zatim dolazi do prirodnog određivanja topline preko konture betonskog bloka, dok je u središtu mase betona sniženje temperature naznatno i može trajati godinama. Uslijed toga na periferijama bloka dolazi do pojave vlačnih naprezanja i pukotina ako je savladana vlačna čvrstoća betona.

LUČNE BRANE

Lučnim branama nazivamo brane čiji je horizontalni presjek krivolinijskog oblika, tj.u obliku luka. Opterećenje prenose uglavnom na bokove. Sigurnost i stabilnost konstrukcije ovisi o fizikalno-mehaničkom karakteru materijala u konstrukciji i nosivosti temelja. Ekonomičnije su od gravitacionih(40-60%). Brže se grade ali i zahtijevaju bolje uvjete fundiranja, što zahtijeva visokorazvijenu tehnologiju pripreme i ugradnje betona, savjestan i iskusan nadzor i strogu kontrolu u toku građenja i eksploatacije. Lučna brana može se predstaviti kao pločasti svod koji je na

3 strane oslonjen(ukliješten). To je statički višestruko neodređena konstrukcija, koju da bi lakše analizirali, moramo podijeliti u elemente prostih oblika. Prvu primjenu statike za rješavanje problema lukova dao je francuski znanstvenik «Lahire» 1695.g., grafičkom konstrukcijom. Razni autori(Šezi, Coloumb) dalje su razvijali teoriju lukova, uglavnom na principu da je lučni svod dobro odabran, ako linija pritisaka ne izlazi izvan granica samog svoda. To znači da dimenzije i oblik svoda moraju biti takvi da moment savijanja u pojedinim presjecima, izazvan vanjskim opterećenjem, bude što manji, tj.da ga uopće nema. Navier 1825.g. dokazuje, na osnovu mjerenja, da su dimenzije dobro odabrane ako se linija pritisaka nalazi u granicama srednje trećine presjeka, što znači da nema vlačnih naprezanja. Nakon 1920.g. projektanti primjenjuju proračune koji se zasnivaju na teoriji nezavisnih horizontalnih lučnih elemenata koji se postavljaju jedan iznad drugog. U proračunu se uzima u obzir i promjena temperature, a pretpostavlja se i upetost tj.krutost temelja. Sustav samostalnih lukova osniva se na pretpostavci da horizontalni lukovi prenose opterećenje na bokove potpuno neovisno. Ova pretpostavka u statičkom smislu predstavlja dezintegraciju jednog površinskog sustava na niz nezavisnih linijskih sustava. Brana se zamjenjuje nizom samostalnih lukova obično na razmacima 10 m visine. Svaki luk ispituje se u visini od 1 m na hidrostatičko opterećenje i utjecaj vanjske, ravnomjerno raspoređene temperature. Luk kojem se debljina mijenja(ili ne)po utvrđenom geometrijskom zakonu tri puta je statički neodređen. Nepoznate su: moment, normalna i poprečna sila. Rješenje se postiže na način da se sustav pretvori u statički određen, u kojem stat.sile figuriraju kao vanjsko opt., a za osnovni sustav se uzima zakrivljena konzola, el.uklještena u osloncima. Za tako zadani sustav postavlja se sustav jednadžbi uzimajući u obzir el.deformaciju temelja. Pri ispitivanju neovisnih lukova uzima se u obzir i razlika u temperaturi između uzvodnog i nizvodnog lica brane i usvaja se kao ravnomjerno raspoređena po presjeku. Pretpostavka o neovisnim lukovima može se ostvariti kod uskih kanjona gdje je odnos širine i visine pregradnog profila mali. Kod širokih kanjona to nije slučaj jer upravo u donjim dijelovima brane koji su najviše opterećeni dolazi do aktiviranja vertikalnih elemenata-konzola čiji se utjecaj ne može zanemariti.

METODA TEMELJNE KONZOLE

Za proračun sustava lukovi-temeljna konzola, brana se podjeli na niz horizontalnih lukova tako da se dobije statički sustav sa toliko nepoznatih koliko ima presječnih točaka lukova i konzole. Hidrostatičko opterećenje na branu se podijeli tako da su deformacije lukova od pripadajućih dijelova opterećenja jednake deformacijama konzole od njoj pripadajućeg opterećenja.

METODA VIŠE LUKOVA I VIŠE KONZOLA

Ova metoda izjednačenja radijalnih deformacija lukova i konzola u analiziranim točkama ne predstavlja veliki kvalitativni napredak u odnosu na prethodno opisani proračun. Kvalitativno, dobije se jasniji uvid u naponsko stanje zahvaljujući povećanom broju konzola. Osnovno je da raspodjela naprezanja na lukove i konzole nije jednolika po cijeloj dužini luka. Na osloncima veći dio hidrostatičkog opterećenja preuzimaju konzole.

METODA LJUSKE

Lučne brane po svom obliku spadaju u kategoriju plitkih ljuski gdje je odnos tetive prema strijeli luka veći od 5:1. Srednja površina takve ljuske može se smjestiti između dvije koaksijalne cilindrične površine. Granični konturni uvjeti u ovisnosti su od modula elastičnosti betona E i modula deformacija stijena. Diferencijalne jednadžbe su vrlo komplicirane i teške za riješiti. Bez obzira na napredak numeričke metode i proračuna, svaki složeniji objekt lučne brane redovito se ispituje na fizikalnom modelu geometrijske razmjere 1:50 do 1:80.

Kod lučnih brana max.naponi javljaju se u ravninama uzvodnog i nizvodnog lica uz pretpostavku:

o brana kao betonska konstrukcija jednorodno i izotropno tijeloo između napona i deformacija postoji linearan odnos što je obzirom

na puzanje betona prihvatljivo samo do neke određene veličine naprezanja

o modul elastičnosti kod tlačnih i vlačnih naprezanja jednak

Ukoliko se prekorači vlačna čvrstoća betona, naročito u vertikalnim elementima-konzolama, moguća je pojava horizontalnih pukotina na vanjskom licu brane koje ne ugrožavaju sigurnost brane, ali se moraju izbjeći zbog održanja betonske konstrukcije, ali i estetskog izgleda.

STABILNOST TEMELJA

Stabilnost temelja na smicanje ocjenjuje se na osnovu geometrije diskontinuiteta i parametara otpornosti na smicanje. U većini slučajeva cijeli problem se promatra 2D u horizontalnom i vertikalnom presjeku. Ovakva analiza više odgovara slučaju kada se brana proračunava kao niz nezavisnih lukova. Napredak u tretiranju temelja lučnih brana bio je da se stabilnost provjerava preko uvjeta ravnoteže sila koje djeluju na trodimenzionalno stijensko tijelo koje je ograničeno stvarnim ravninama diskontinuiteta. Parametri otpornosti na smicanje po diskontinuitetima utvrđuju se istražnim radovima.Za odgovarajući matematički model mora se definirati:

o geometrijao osobine materijala u brani i temeljimao opterećenja: -statička: vl.težina, uzgon, led, pritisci injektiranja, hidrostat.opt.

-seizmička: potres

-termička: vanjski i unutarnji temperaturni utjecaji -specijalna: eksplozivni udari, valovi uslijed odrona,…Ova opterećenja mogu biti pojedinačna ili u kombinaciji.U vezi geometrije jasno je da svaka brana sa temeljima predstavlja 3D objekt. Metoda konačnih elemenata prilagodljiva je za skoro sve praktične potrebe geometrijske idealizacije. Generalno se primjenjuje 2D i 3D analiza. Kod termičkih opterećenja potrebno je razlikovati stanja uslijed razvoja i disipacije hidratacione topline i cikličke termičke promjene u toku eksploatacijskog perioda konstrukcije. Termička opterećenja izazvana cikličnim godišnjim temperaturnim promjenama uzimaju se u obzir pri analizi naponskog stanja. Potrebno je istaći i važnost utjecaja diskontinuiteta u tijelu brane ili u temeljima bilo da su oni postojeći ili nastaju u tijeku eksploatacije. Njihovo uvođenje u proračun se zasniva na činjenici da ne mogu prenositi napone zatezanja i da mogu prenositi smičuće napone ograničene trenjem na diskontinuitetima.

EKSPERIMENTALNE METODE PROJEKTIRANJA

Matematskim modelima teško je odrediti složenije uvjete temeljenja. Do razvoja numeričkih matem.modela veliku primjenu imala su fizikalna ispitivanja na modelima manje razmjere. Interesantno je napomenuti da se slijedeća rečenica u slobodnom prijevodu pripisuje Michelangelu: «najbolje potrošen novac onoga koji hoće graditi je novac potrošen na modele».

GEOMETRIJSKI KRITERIJI OBLIKOVANJA LUČNIH BRANA

Geometrijski uvjeti temeljenja kod projektiranja lučnih brana postavljaju oštrije kriterije nego kod drugih tipova brana jer je lučno djelovanje

ograničeno odnosom

L-dužina u kruniH-visina brane

Nekada se smatralo da se lučna brana ne može izgraditi ako je

>3,5(najveći broj izgrađenih brana ima =3). Danas je taj odnos znatno

veći(brana u Francuskoj Jate 1959.g. = =9,75; Span u Švicarskoj

1967.g. = =8,9;u Južnoj Africi 1972.g. = =10,4). Što je veći

to je konstrukcija «smijelija». Topografski uvjeti i oblik pregradnog profila također igra veliku ulogu u oblikovanju brane. Razlikujemo slijedeće oblike:

Karkteristike pregradnog profila opisuju se odnosom

<3 klinast

<6 uska dolina

>6 široka dolina

Naročito treba paziti na oblik doline nizvodno od brane. Potrebne su posebne mjere opreza ako se dolina širi. Lučnu branu zamišljamo podijeljenu na vertikalne i horizontalne elemente, odnosno na lukove i konzole i kod toga razlikuju se vitkost konzole, vitkost luka i kutna otvorenost luka.

Vitkost konzole dana je odnosom d/H. Što je taj odnos manji brana je vitkija i na toj osnovi lučne brane se razlikuju:d/H=0,2 tankostijened/H=0,2-0,4 debelostijened/H=0,35-0,67 lučnogravitacioned/H>0,67 gravitacione

Vitkost luka dana je odnosom R/d

RIJEČNE POKRETNE PREGRADE

Riječne pokretne brane(pregrade) grade se u nizinskim dijelovima rijeka gdje su korita široka i pretežno se nalaze u nekoherentnim materijalima. Riječne pregrade se sastoje od većeg broja protočnih polja sa ustavama, koje preuzimaju hidrostatička opterećenja i prenose na stupove. Ustave su u pravilu metalne i lagane, kada su spuštene preuzimaju hidrost.opt. kao i dinamičko koje prenose na stupove i cijelu betonsku konstrukciju. Pregrade imaju malu težinu i s obzirom na površinu temelja prenose relativno malo specifično opterećenje na tlo. Dimenzije brane, površina i oblik temeljne plohe moraju biti tako odabrani da pregrada bude sigurna i otporna na klizanje i smicanje.Otpornost brane na klizanje može se postići, odnosno povećati na razne načine: sidra, AB dijafragme, šipovi, zamjena materijala u temeljnoj plohi, uzvodni i nizvodni zastori, itd.Proviranje vode može u slučaju kratkog puta i velikog uzgona ugroziti stabilnost objekta jer dovodi do ispiranja sitnih čestica i do loma u

temeljnom tlu, pa ga treba svesti na najveću moguću mjeru. Put procjeđivanja se može produžiti polaganjem tepiha od betona ili gline na uzvodnoj strani brane. Filtri i drenaže se postavljaju iza nizvodne nožice brane. Zaštita protiv procjeđivanja kod pregrade na stjenovitoj podlozi vrši se injekcionom zavjesom. Općenito problem procjeđivanja vode ispod riječnih pregrada fundiranih na nanosu je jedan od najznačajnijih problema jer je prisutna opasnost od hidrauličkog loma tla. Radi velikog gradijenta pri strujanju, formira se sila pritiska veća od težine čestica tla, odnosno čim efektivni hidraulički gradijent postane veći od kritičnog gradijenta za određeno temeljno tlo nastaje razaranje tla. Laboratorijskim ispitivanjima su utvrđena 3 stupnja opasnosti ovisno o neujednačenosti čestica pjeskovitog tla i kritičnog gradijenta i to za:

=

10 hidraulički slom «ključanje» =0,3-0,2

10< 20 hidraulički slom «erozija čestica» =0,2>20 erozija i iznošenje čestica =0,1

Ispiranje materijala kontinuirano se širi duž konture objekta pri čemu izlazni gradijenti postaju sve veći i odnošenje sitnih čestica se intenzivira. Hidraulička erozija počinje sa nizvodne i napreduje prema uzvodnoj strani stvarajući kanale ispod brane. Na nizvodnoj strani se može javiti voda u obliku izvora a nakon par godina pojavljuje se i mutna voda u većim količinama. Kada se ovo desi hidraulički slom se desi veoma brzo.(mjereno satima). Riječne pregrade imaju veliki značaj i široku primjenu u riječnim dolinama za potrebe vodoprivrede(odvodnja, navodnjavanje), u hidroenergetici i u riječnoj plovidbi(prevodnice).