• Betonul (respectiv betonul armat) este în prezent materialul cel mai răspândit pentru executarea barajelor de greutate, îndeosebi datorită proprietăţilor sale.

• Betonul este o mixtură minerală formată din agregate (nisip, pietriş), care formează scheletul de rezistenţă, ciment şi apă, care reprezintă liantul hidraulic. Se obţine un conglomerat care are la început proprietăţi plastice, putând fi turnat în forme (cofraje) diferite, iar apoi se întăreşte căpătând rezistenţă mecanică. Betonul folosit la baraje trebuie să aibă calităţi suplimentare faţă de betoanele utilizate la construcţiile nehidrotehnice, datorită acţiunii unor factori ca: infiltraţia apei, variaţiile de temperatură şi umiditate, îngheţul şi dezgheţul repetat, acţiunea corozivă a apei etc. Ca urmare betonul hidrotehnic trebuie să prezinte proprietăţi de rezistenţă mecanică, impermeabilitate, rezistenţa la îngheţ - dezgheţ şi la acţiuni corozive, degajare de căldură, rezistenţă la acţiunile de cavitaţie şi abrazive ale apei şi debitului solid transportat de aceasta. Proprietăţile menţionate se obţin prin alegerea corespunzătoare a materialelor componente, folosirea unei tehnologii de confecţionare adecvate şi printr-un control riguros al calităţilor betonului.

2.3.3 Elemente constructive ale barajelor de greutate

2.3.3.1. Betonul şi proprietăţile sale

Agregatele componente ale betonului (nisip şi pietriş) trebuie să provină din roci stabile,

dure, dense şi nealterate. Ele nu trebuie să reacţioneze cu cimentul sau să fie solubile în

contact cu apa. Dimensiunile agregatelor trebuie să respecte condiţiile prevăzute de

standarde, respectând proporţii corespunzătoare între diferitele fracţiuni de dimensiuni.

• Cimentul este un amestec de silicaţi bazici de calciu (componenta principală fiind silicatul tricalcic 3CaO⋅SiO2), aluminat de calciu şi ferit de calciu. Funcţie de proprietăţile cerute el conţine în diferite proporţii şi alte elemente cum ar fi: oxizi de magneziu, sodiu şi potasiu, trioxizi de sulf, fier şi aluminiu etc.

• Cimentul se obţine prin calcinarea unui amestec de piatră de var şi argilă, în proporţiile

cerute de compoziţia finală dorită, în cuptoare rotative la temperaturi de 1400 - 15000C.

Produsul astfel rezultat (clincher) se macină apoi în mori cu bile până la obţinerea fineţii

necesare.

• Betonul prezintă o serie de proprietăţi, care trebuie avute în vedere, dintre care cele mai

importante sunt:

a) căldura de hidratare : reacţia care are loc la amestecarea cimentului cu apă este o

reacţie exotermă, la 1 kg de ciment degajându-se în timp de 7 zile circa 60 - 120 kcal.

Această cantitate de căldură, numită de hidratare, încălzeşte betonul, a cărui

temperatură poate ajunge, funcţie de cea iniţială, la 500 - 600C. Sub acţiunea acestei

variaţii de temperatură betonul se dilată, iar în timpul răcirii care urmează se contractă;

dacă aceste deformaţii sunt împiedicate, în beton iau naştere eforturi care pot duce la

fisurarea sa. În consecinţă este necesar să se ia măsuri pentru a micşora pe cât posibil

căldura de hidratare, cum ar fi de exemplu: un dozaj de ciment cât mai redus posibil,

folosirea apei cu temperaturi cât mai scăzute, chiar a cuburilor de gheaţă, prevederea în

blocurile de beton a unor ţevi prin care să circule apă de răcire, răcirea agregatelor

înainte de formarea amestecului, turnarea betonului în faze diferite etc.

• b) marca betonului reprezintă rezistenţa mecanică de rupere la

compresiune a unei epruvete din beton la 28 de zile de la turnare, când se

consideră că s-a terminat întărirea betonului (priza). Există betoane cu mărci

diferite, mergând de la B 100, la care rezistenţa la rupere din compresiune

este σrc=100 daN/cm2, până la B 500 σr

c=500daN/cm2

• Rezistenţa de rupere la întindere a betonului este mult mai mică, de ordinul

(1/12 -1/14) σrc în cazul întinderii pure şi de ordinul (1/5 - 1/6) σr

c în cazul

întinderii provenite din încovoiere. De exemplu, pentru un beton B 300 (cu

marca 300) valorile de mai sus sunt: σrc=300daN/cm2, σr

tp=20 – 26 daN/cm2,

σrti=50 – 60 daN/cm2 . Deci, betonul este un material care rezistă mult mai bine

la solicitări de compresiune, decât la cele de întindere.

c) factorul apă - ciment : cantitatea de apă necesară formării betonului se

poate exprima prin însumarea cantităţii ah necesară procesului de hidratare şi a celei

necesare realizării amestecului aam (care în acelaşi timp dă fluiditatea şi plasticitatea

betonului în prima sa fază): a = ah + aam

Dacă c este cantitatea de ciment folosită, atunci raportul a/c se numește

factorul apă – ciment

(2.31)

• Factorul apă - ciment este cu atât mai mare, cu cât dozajul de ciment este mai mic. Valorile uzuale pentru un beton hidrotehnic depind în primul rând de dozajul de ciment (kg/m3) și sunt cuprinse în limitele a/c=0,5 – 1.

• Apa de amestec este un element care influenţează negativ proprietăţile betoanelor, deoarece prin evaporarea ei în timp rezultă o porozitate mai mare a betoanelor (rezistenţe mai mici, permeabilitate mai mare, rezistenţă la îngheţ - dezgheţ mai mică) şi variaţii de volum, în special contracţie din uscare. De aceea se urmăreşte să se reducă cât mai mult această cantitate, deci să se micşoreze factorul a/c. Deoarece însă realizarea amestecului necesită apă, se încearcă micşorarea acesteia prin introducerea unor substanţe de aditivare, numite plastifianţi, care micşorează frecările şi favorizează realizarea amestecului.

d) gelivitatea betonului reprezintă rezistenţa acestuia la acţiunea

repetată de îngheţ - dezgheţ. Această rezistenţă este influenţată de o serie de

factori cum ar fi : calitatea agregatelor utilizate, a cimentului şi a adaosurilor,

porozitatea betonului. O acţiune favorabilă o au aditivii plastifianţi, prin

reducerea raportului a/c, a măririi lucrabilităţii şi prin antrenarea de bule de aer

în masa betonului. Pentru baraje gelivitatea betonului trebuie să fie de circa

100 – 150 cicluri succesive de îngheţ - dezgheţ.

2.3.3.2. Rosturile barajelor Rostul reprezintă suprafaţa de contact între două blocuri de beton, sau între beton şi

rocă. La un baraj din beton există trei tipuri diferite de rosturi:

a) rosturi de fundaţie; b) rosturi de lucru; c) rosturi de dilataţie.

a. Rostul de fundaţie reprezintă suprafaţa de contact a barajului de beton cu roca de

fundaţie sănătoasă (după ce s-a excavat stratul de rocă alterată). Această suprafaţă se tratează astfel

încât să favorizeze un contact cât mai intim între beton şi rocă şi să realizeze o stabilitate la alunecare

cât mai bună.

În acest scop, pentru a înlătura stratul de oxizi ce se formează la suprafaţa rocii datorită

contractului cu aerul şi agenţii atmosferici, aceasta se spală cu jeturi puternice de apă sub presiune,

se curăţă pe porţiuni şi se usucă cu jeturi de aer.

Pentru a favoriza stabilitatea la alunecare se pot crea la piciorul amonte, la cel aval sau pe

toată talpa de fundaţie, adâncituri sub formă de pinteni şi redane,sau se înclină suprafaţa spre amonte

(figura 2.12.b). În secţiune longitudinală fundaţia se poate executa în trepte, dar şi ca o suprafaţă

continuă, pentru avantajele de ordin static şi eliminarea concentrării de eforturi (figura 2.12a).

Dacă terenul de fundaţie prezintă fisuri importante, în scopul consolidării se realizează

injecţii cu lapte de ciment pe o adâncime de 5 - 10 m, la presiuni de 2 - 4 at. Pentru

impermeabilizarea terenului de fundaţie se realizează perdele sau voaluri de etanşare. Acestea se

execută prin foraje de mare adâncime, dintr-o galerie specială de injecţii situată la piciorul amonte al

barajului (figura 2.12.c). După forare se injectează lapte de ciment cu pompe speciale cu presiuni

până la 100 at.

Fig. 2.12: Rosturi de fundație a.Secţiune longitudinală: 1. în trepte; 2 continuă.

b. Rostul de lucru reprezintă suprafaţa de separaţie dintre două lamele de beton turnate

în corpul barajului la un anumit interval de timp. Turnarea betonului în corpul barajului nu se poate

face în mod continuu deoarece tehnologic instalaţiile de preparare a betonului şi de transport a acestuia până la locul de turnare au o capacitate limitată, iar pe de altă parte este necesar să existe

un interval de timp în care căldura din procesul de hidratare să poată fi degajată în exterior.

Din aceste motive turnarea betonului se face în etape succesive pe blocuri (ploturi) şi

lamele. Grosimea unei lamele este de cca 2-3 m (figura 2.13). În intervalul de timp care trece de la

realizarea lamelei precedente, până la turnarea celei următoare, betonul se întăreşte şi în contact cu

agenţii atmosferici formează o suprafaţă acoperită cu oxizi care nu favorizează contactul intim între

cele două straturi succesive de beton.

Fig. 2.13: Realizarea barajului în etape succesive

c) Rosturile de dilataţie (transversale), care segmentează barajul pe toată înălţimea sa,

sunt suprafeţe special prevăzute în corpul barajului, cu scopul de a permite variaţiile de volum ale

blocurilor de beton adiacente şi deformaţii inegale ale fundaţiei. Aceste rosturi trebuie să fie

impermeabile, să realizeze o monolitizare a construcţiei, dar în acelaşi timp să permită deplasările

relative ale ploturilor după toate cele 3 direcţii. De aceea, funcţie de tipul rosturilor, mărimea şi

direcţia deformaţiilor posibile, se prevăd diverse sisteme de etanşare a rosturilor de dilataţie, aşa

cum se vede din figura 2.13.

În general la un asemenea rost, din amonte spre aval, se prevede: o pană de beton de

diferite forme, o tolă metalică sau bandă cauciucată pentru etanşare, un puţ de vizitare şi zona

curentă a rostului. În spaţiul dintre pana amonte şi puţul de vizitare, rostul se umple cu un material

izolant: mastic bituminos sau asfaltic, carton bitumat, pânză de iută bitumată, panouri de plută sau

azbest. De la puţul de vizitare spre aval se recomandă ca rostul să fie lăsat liber, pentru a permite

circulaţia apelor de infiltraţie spre aval. Etanşarea propriu-zisă a rostului o realizează tola plasată la 1

- 1,5 m de paramentul amonte. Ea poate fi metalică (cupru, oţel inoxidabil, fier zincat), din cauciuc

sintetic sau din PVC.

Fig. 2.13: Realizarea barajului în etape succesive

Fig.2.13. Diverse tipuri de rosturi de dilataţie şi modul lor de etanşare

a. drepte joantive; b. poligonale joantive; c. duble, lărgite; d,e. cu contur poligonal;

1. tolă de cupru; 2.mastic bituminos; 3. pană de beton armat; 4. puţ de vizitare; 5.

scară; 6. pânză de iută bitumată; 7. placă de asfalt cu azbest.

2.3.3.3. Galeriile barajelor Barajele din beton nu sunt masive, ele fiind străbătute pe verticală, orizontală şi în

sens transversal de un număr mare de galerii. Acestea sunt de mai multe tipuri: 1. de injecţii; 2. de drenaj; 3. de vizitare.

1. Galeriile de injecţii sunt galerii situate pe talpa de fundaţie, din care cu ajutorul unor

instalaţii şi echipamente speciale se execută voalurile şi perdelele de injecţii pentru

impermeabilizarea terenului de fundaţie (figura 2.12.c).

2. Pentru a evita acţiunea dăunătoare a apelor de infiltraţie, asupra betonului, în

apropierea paramentului amonte de prevăd reţele de tuburi care să dreneze debitul de apă infiltrat.

Aceste tuburi conduc apele drenate în galerii orizontale de drenaj sau spre puţurile de vizitare a

rosturilor de dilataţie. Din acestea apele drenate sunt evacuate spre aval prin alte galerii transversale.

3. Galeriile şi puţurile de vizitare se folosesc pentru supravegherea reţelelor de drenaj şi

evacuare a apelor de infiltraţie, supravegherea şi întreţinerea dispozitivelor de etanşare a rosturilor,

supravegherea comportării betoanelor şi a gradului lor de fisurare, instalarea aparatelor de măsură

pentru supravegherea comportării barajelor. Aceste galerii se prevăd în special în zona amonte a

barajului, la 5 - 6 m de parament şi la distanţe de 20-30 m pe verticală, dar şi în corpul barajului când

este cazul (figura 2.14.a). Ele pot avea forme diferite (figura 2.14.b), iar dimensiunile minime sunt de

1,20 x 2,0 m şi pot creşte până la 2,00 x 3,00 m.

Fig. 2.14. Galeriile de vizitare şi drenaj

a. amplasare în corpul barajului; b. forme ale galeriilor.

1. puţuri de drenaj; 2 galerii de vizitare; 3. galeria de injecţii 4. voal de etanşare; 5. rost

transversal; 6. rigolă; 7. umplutură.

Barajele de greutate prezintă o serie de avantaje, în raport cu alte tipuri de baraje, printre

care:

- se pot construi în văi având secţiuni transversale foarte variate ca formă;

- pot fi realizate în condiţii geologice mai puţin bune;

- execuţia lor este simplă, nu necesită o manoperă costisitoare şi se poate folosi

intens mecanizarea;

- pot fi executate şi în zone cu condiţii climatice grele;

- pot fi executate atât ca baraje deversoare, cât şi ca baraje nedeversoare;

-exploatarea barajelor de greutate este relativ simplă.

Barajele de greutate au însă şi o serie de dezavantaje, cum ar fi:

- necesită volume mari de beton, fără a utiliza în suficientă măsură capacitatea de

rezistenţă a betonului;

- coeficienţi de siguranţă reduşi;

- consumuri mari de ciment şi agregate, precum şi o durată de execuţie mare;

-posibilitatea pierderii caracterului de monolit în cazul unei fisuraţii avansate.

Cel mai grandios baraj este Izvorul Muntelui - Bicaz, construit în perioada 1955 - 1960 pe

râul Bistriţa, având o înălţime de 127 m, un volum de beton de 1.625.000 m3, lungimea la

coronament de 435 m şi realizând o acumulare de 1.230.000.000 m3, lacul având o

lungime de 35 km, şi o suprafaţă de circa 35 hectare. În figura 2.15. se prezintă o vedere

în plan şi o secţiune transversală prin acest baraj.

2.3.4 Avantajele şi dezavantajele barajelor de

greutate

Fig. 2.15. Barajul Izvorul Muntelui – Bicaz. Secţiune transversală.