Constructii Hidrotehnice-Caverne

7/23/2019 Constructii Hidrotehnice-Caverne

http://slidepdf.com/reader/full/constructii-hidrotehnice-caverne 1/13

Cavernele centralelor hidroelectrice subterane

Construcia centralelor hidroelectrice în subteran, în timpul şi după cel de-al doilea războimondial, era motivată de considerente de securitate. Progresele înregistrate de tehnologia şiechipamentele de execuie în subteran şi în consecina scăderea costurilor au f ăcut caamplasarea centralelor în subteran să devină o soluie economică. Aceste aspecte, precum şi

dezvoltarea căptuşelilor din beton armat şi mai târziu a execuiei puurilor şi galeriilor foratenecăptuşite, au oferit o libertate mai mare în concepia schemelor hidroenergetice,independent de topografia de la suprafaa terenului (fig. 1).

Figura 1 Evolu ia schemelor amenajărilor hidroenergetice [1]

În general criteriile de amplasare a centralelor hidroelectrice in subteran pot fi definite astfel:

−

dificultăile legate de găsirea unui amplasament corespunzător din punct de vederegeo-morfologic la suprafaă;− posibilitatea de concentrare într-o singură treaptă a unei căderi mai mari decât într-o

amenajări la suprafaă;− posibilitatea executării lucrărilor în subteran, f ără întreruperi, indiferent de condiiile

climatice;− grad de securitate mai mare decât în cazul centralelor aeriene.

Dispoziia constructivă a acestor centrale hidroelectrice subterane și a instalaiile aferentecuprinde caverne a căror dimensiuni sunt de obicei de ordinul 12-25 m lăime și până la 35m

înălime. Lăimea și înălimea depind de mărimea și tipul echipamentelor. Lungimea acestorcaverne poate fi de ordinul zecilor de metri, de obicei 40 – 60 m, dar poate ajunge și până 100

m.Volumul excavat este cuprins intre 10.000 și 50.000 m3

. În Norvegia au fost construite în jur de 200 de astfel de centrale hidroelectrice subterane.În general centralele hidroelectrice pot fi amenajate în caverne subterane numai atunci cândsunt asigurate condiii geologice favorabile. Alegerea amplasamentului în subteran se facedacă este asigurată acoperirea suficientă cu rocă. În general rezultă locaii la adâncimi foartemari, acolo unde eforturile din masiv sunt considerabile. Acest lucru necesită o investigare astării de efort în avans pentru găsirea locaiei optime şi a orientării celei mai favorabile acavernelor și galeriilor auxiliare.



În amplasament pot fi întâlnite însă roci de diferite tipuri, cu diferite caracteristicistratigrafice. Acestea influenează în special modul în care este tratată căptuşeala tavanului şia pereilor cavernei. În funcie de acest criteriu centralele subterane pot fi clasificate după cumurmează:

−

Centrale cu excavaia complet necăptuşită, executate numai în roci cu rezistenă excepională. Există un număr foarte limitat de astfel de central în Suedia şi Norvegia.

−

Centrale la care excavaia are pereii necăptuşii dar tavanul este protejat de o boltă dinbeton. În unele cazuri se prevede o a doua boltă interioară, mult mai subire, carecreează un interspaiu pentru colectarea apelor de infiltraie, care au trecut eventualprin bolta superioară, aflată în contact cu roca. Pereii necăptuşii ai cavernei seprotejează în general contra degradării cu un strat de mortar torcretat. Pereii săliimaşinilor se execută la o distană de cca. 80 cm de rocă, asigurându-se astfel un spaiupentru drenarea apei infiltrate şi circulaia aerului. Acesta este tipul cel mai frecvent

întâlnit la centralele executate până în prezent în condiii geologice foarte bune.−

Centrale cu tavanul şi pereii căptuşii în situaia în care există presiuni lateralesemnificative. Atunci când presiunile laterale sunt foarte mari se adoptă o seciune înformă de potcoavă. În acest caz planşeele de beton armat de la diverse niveluriacionează ca nişte rigidizări transversale ale căptuşelii cavernei.

Centrala împreună cu galeria de aduciune, galeria forată şi galeria de fugă formează unsistem hidraulic complex. Fenomene hidraulice deosebite sunt legate de regimul nepermanentde curgere care apare în aduciune şi în galeria de fugă, la închideri şi deschideri bruşte aleaccesului apei către turbine În funcie de modul de realizare al acestui sistem se deosebesc 5tipuri de centrale subterane:

1. Centrale cu galerie de fugă cu nivel liber, f ără castel de echilibru în aval;2.

Centrale cu galerie de fugă sub presiune şi castel de echilibru în aval;3.

Centrale cu galerie de fugă cu nivel liber şi castel de echilibru cu aciune parială înaval;

4.

Centrale cu galerie de fugă sub presiune şi castele de echilibru în amonte şi aval;5.

Centrale cu galerie de fugă sub presiune f ără castele de echilibru.

Centralele cu galerie de fugă cu nivel liber şi f ără castel de echilibru în aval se adoptă îngeneral în cazul echipării cu turbine Pelton. Lungimea galeriei de fugă în acest caz trebuie să fie redusă, iar nivelul apei la restituia în râu nu trebuie să aibă variaii prea mari. În modobişnuit această soluie necesită castele de echilibru mari în amonte. Galeria de fugă sedimensionează astfel încât seciunea şi panta să asigure curgerea cu nivel liber, atât în regimpermanent la debit maxim cât şi în regim nepermanent la apariia undelor de presiune. Înregim permanent nivelurile se determină printr-un calcul curent de remuu, iar la deschidereabruscă a turbinelor se calculează supraînălările care apar. O condiie extremă impune ca, laspargerea unei conducte, nivelul apei la extremitatea amonte a galeriei de fugă să nudepăşească cota planşeului generatoarelor.

Centralele cu galerie de fugă sub presiune şi castel de echilibru în aval au galeria de aduciunefoarte scurtă, ceea ce micşorează efectele loviturii de berbec şi deci nu necesită castel deechilibru în amonte. Ele se adoptă în mod curent în cazul echipării cu turbine Francis, dacă lungimea galeriei de fugă este foarte mare. Castelul de echilibru, din aval trebuie să fie dispusla o distană cât mai redusă de aspiratorul turbinelor, pentru a evita depresiunile ce apar întubul de aspiraie. Condiiile mişcării nepermanente din aspirator impun cota de amplasare aturbinelor. Calculul hidraulic al castelului se face cu ecua iile curente privind oscilaiile dincastelele de echilibru. Soluia se poate aplica şi atunci când la restituie nivelurile aval auvariaii mari determinate de variaiile de debit.



În funcie de sistemul hidraulic pe care centrala îl alcătuieşte cu galeriile de aduciune,galeriile sau puurile forate şi galeriile de fugă, în practica românească, au fost realizateurmătoarele două tipuri de centrale subterane:

1.

centrale cu galerie de fugă cu nivel liber şi castel de echilibru în amonte (Corbeni peArgeş, Ciunget pe Lotru, Mărişelu pe Someşul cald)

2.

centrale cu galerie de fugă sub presiune şi castele de echilibru în amonte şi în aval(Gîlceag pe Sebeş)Căderile în cazul acestor tipuri de centrale variaza între 45 şi 865 m.

Figura 2 Centrala hidroelectrică Ş ugag (Sebe ş)

În cazul centralei subterane Şugag (fig. 2) camera batardoului aflată la capătul amonte algaleriei de fugă ce debuşează în lacul Tău joacă şi rol de castel de echilibru, pentru ca apelelacului să nu pună sub presiune galeria.

Costul structurilor subterane sunt depind în mare măsură şi de distana dintre cavernele

învecinate, dimensiunea acestora precum și lungimea și dimensiunile galeriilor de legătură.De aceea trebuie optimizată schema în așa fel încât cavernele să fie plasate la o distană câtmai mică cu putină. O regulă de bun sim ar fi o distană de 1-1,5 ori lăimea cavernei, însă trebuie luată în considerare geometria locală a rosturilor.

Un aspect important al acestor scheme este acela că uneori pot include de asemenea o staiede transformare subterană situată chiar lângă caverna centralei, care împreună cu un numărulmare de galerii transversale, galerii sau puuri de acces, situate la diverse niveluri înconjoară caverna principală. Acestea fapt influenează redistribuirea eforturilor în masa de rocă șiconduce la apariia unor concentrări de eforturi în apropierea deschiderilor.



Figura 3 Dispozi ie generală la o centrală hidroelectrica subterană cu sta ie de transformatoare subterană

Alcătuirea constructivă a centralei subterane depinde în mare măsură şi de poziia vanelor. Laamenajările recente există tendina de a amplasa vanele în aceeaşi cavernă cu sala maşinilor,pentru a reduce volumul excavaiilor şi a se putea folosi acelaşi pod rulant.

Figura 4 CHE Ciunget (Lotru)

La numeroase centrale executate până în prezent, vanele sunt amplasate însă într-o cavernă separată, pentru a se evita accidentele care s-ar putea produce în cazul unei spargeri aconductei forate. Ca urmare se prevede o galerie de ocolire a sălii maşinilor, prin care apapoate fi evacuată la nevoie din casa vanelor spre galeria de fugă.



Figura 5 CHE Br ădi şor Aplasarea vanelor in caverne adiacente cavernei centralei

Casa vanelor poate fi amplasată la o anumită distană de centrală, sau adiacentă acesteia (Fig.4). Alegerea uneia dintre cele două soluii se face în funcie de condiiile geologice. Lacentralele de tip suedez casa vanelor lipseşte complet şi se prevăd numai stavile la captare.Poziia şi cota de montaj a centralei subterane este influen ată de accesul în centrală. Îngeneral sunt prevăzute două căi de acces:

− pentru echipament greu;− pentru personal, care în unele cazuri poate fi comună cu galeria de cabluri.

Pentru echipamentul greu, calea de acces poate fi realizată sub formă de:

− tunel de acces auto;−

put vertical;−

galerie inclinata.

Soluia se adopta pe baza criteriilor tehnico-economice şi în funcie de condiiile topograficeşi geologice.Tunelul de acces în perioada de execuie a centralei serveşte pentru transportul sterilului,betonului şi utilajului de execuie. Panta acestor tuneluri este redusă (1.4-1.5%).

Dimensiunile seciunilor transversale ale cavernelor sunt cu mult mai mari decât cele aletunelelor sau galeriilor. Dacă se iau în consideraie numai cavernele centralelor hidroelectricesubterane, în ultimele decenii s-au construit peste 400 de asemenea lucrări, cu deschideri între15 şi 30 m şi înălimi de 30...40 m. În acord cu tendina din domeniul lucrărilor subterane, înmod frecvent sprijinirile se realizează prin ancorare şi şpri-beton. Bolile cavernelor suntiniial stabilizate prin astfel de sprijiniri, dar ulterior sunt prevăzute cu protecii din betonarmat puternice, pe întreaga lungime a cavernei, chiar dacă sprijinirea a fost dimensionată pentru a prelua singură efectele de interaciune. Dintre cavernele realizate până în prezent,



numai 12% au rămas cu bolta nebetonată, 10% au numai fâşii alternante betonate, iar restul auboli din beton armat dimensionate pentru a prelua singure împingerile date de eventualeleinstabilităi, f ără a ine cont de aportul sprijinirii.

Ca urmare, problema stabilităii excavaiei capătă la rândul ei noi dimensiuni, în special încazul masivelor de rocă stratificate sau afectate de sisteme de discontinuităi cu orientare

defavorabilă. În acelaşi timp, importana lucrărilor de sprijinire provizorie şi apoi definitiveprovine din faptul că cedarea sprijinirii bolii sau a pereilor laterali are urmări mult mai gravedecât în cazul galeriilor sau tunelelor, conducând de obicei la părăsirea amplasamentului.Pentru a asigura definirea corectă a fazelor de excavare şi dimensionarea corespunzătoare alucrărilor de sprijinire şi de cămăşuire definitivă sunt necesare informaii corecte privindstratificaia, direcia şi căderea discontinuităilor, rezistena rocii şi în special rezistena laforfecare pe discontinuităi, localizarea zonelor slabe şi a discontinuităilor majore etc. [5]

În prima fază, investigaiile de teren se bazează pe foraje executate în amplasament, în care sefac încercări de deformabilitate şi de absorbie specifică de apă, iar pe carotele extrase se facdeterminări ale indicelui RQD şi a rezistenelor mecanice ale rocii. În a doua fază, în modobligatoriu se realizează cel puin o galerie de studii în zona bolii viitoarei caverne, din carese fac cartări geologice de detaliu, determinări ale efortului iniial din teren, încercări dedeformabilitate la scară mare etc. Cunoaşterea în detaliu şi cu grad mare de încredere acaracteristicilor rocii permite analiza stabilităii excavaiei, inând seama că masa de rocă esteun element activ în reechilibrarea masivului după excavare şi nu un element pasiv care semanifestă numai prin presiuni de împingere [1]

O caracteristică importantă este dată de faptul că, spre deosebire de majoritatea galeriilor sautunelelor de dimensiuni uzuale, excavarea cavernelor nu se face la sec iune plină ci etapizat,

în faze succesive, care asigură condiii de stabilitate mult mai bune. Datorită deschiderilor şi

înălimilor mari, se excavează iniial bolta cavernei, într-o succesiune care să permită permanent controlul stabilităii. Există o mare varietate a secvenelor posibile, dar fiecaredintre acestea corespunde unei anumite situaii din teren. În figura 6 se prezintă, cu titlul deexemplu, două posibile secvene de excavare şi sprijinire în zona bolii.

În primul caz (fig. 6, a) se realizează iniial o galerie direcională centrală, sprijinită cu şpri-beton, după care excavaia se lărgeşte spre cuzinei, concomitent cu ancorarea. În cel de aldoilea caz (fig. 6, b), excavarea se începe cu două galerii direcionale în zona cuzineilor,sprijinite prin ancorare. Deschiderea excavaiei bolii se face către zona centrală, utilizândroca neexcavată de sub boltă pentru suportul cofrajului bolii. În ambele cazuri, înainte de

începerea excavării zonei inferioare a cavernei propriu-zise se betonează bolta, cu rol de

cămăşuială definitivă. În lungul cavernei, deschiderea excavaiei bolii se face în sistemul culamele campioane alternante, păstrând între ele roca neexcavată cu rol de suport. Excavarealamelelor rămase se face numai după execuia bolii de beton armat aferentă lamelelorexcavate, care are astfel şi rol de sprijinire pentru excavarea din a doua fază.

În cele ce urmează se detaliază tehnologia de excavaie/susinere în cazul bolii unei caverne.

Iniial, după realizarea accesului se pleacă cu o galerie de studii care va releva geologia zonei în care urmează să fie executată caverna.



Figura 6. Faze de execu ie la excavarea şi sprijinirea bol ii:

a – cu galerie direc ională centrală; b – cu galerii direc ionale la cuzine i. [1]

Se deschide prima lamelă , astfel se crează front de lucru pentru cele două galerii

direc ionale.

Se deschid cele două galerii direcionale, care ulterior vor servi betonării cuzineilor



Concomitent cu terminarea galeriilor direcionale se începe deschiderea lamelelor (a cărorlungime variază între 2-8 metrii.

Deschiderea lamelelor se face concomitent cu susinerea cu ancore a bolii respectiv plasă şitorcret.

Se continuă deschiderea lamelelor şi instalarea sistemelor de susinere, pe tronsoanealternative, astfel se micşorează treptat pilierii formai între lamele, asigurându-se totodată stabilitatea deschiderii.



Pe măsură ce se avansează cu deschiderea lamelelor se cofrează şi betonează şi bolta.

În cele din urmă se finalizează excavaia şi susinerea cavernei, prin îndepartarea definitivă apilierilor si încheierea lucrărilor de sustinere la bolta.



Instalarea ancorelor se face imediat după fiecare etapă de deschidere a excavaiei din zonabolii, cât de repede permite tehnologia de excavare. În cazul rocilor cu %50≥ RQD , aşa cumsunt cele din amplasamentele marilor caverne subterane, predimensionarea ancorării se faceadmiând că presiunea de fretare pe care trebuie să o asigure la limită ancorarea este de

B p r anc γ = )2,0...1,0( , unde r γ este greutatea specifică a rocii, iar B este deschiderea

cavernei [2] Stabilitatea zonei ancorate depinde însă în mare măsură de orientarea şi naturadiscontinuităilor rocii (plane sau rugoase, cu sau f ără umplutură). Chiar în cazul unor rocisocotite excelente ( %)100...90= RQD pot apărea instabilităi dacă sunt rosturi lise, cuumplutură argiloasă. În figura 7 este prezentat un grafic care precizează capacitatea portantă aancorării în funcie de unghiul de frecare în lungul discontinuităilor. Se observă că anc p (presiunea suportată de ancore) depăşeşte recomandările preliminare şi poate ajunge la

B p r anc γ = în cazul unor rosturi lise, cu frecare interioară de 150.În ceea ce priveşte lungimea ancorelor din zona bolii, aceasta se stabileşte de obicei înfuncie de deschiderea cavernei. În figura 8 sunt sintetizate recomandările lui Pender şiRabcewicz, precum şi tendina înregistrată la lucrările de dată mai recentă [2].

Figura 7 Necesarul de ancorare, exprimat prin raportul anc p / γr , în func ie de unghiul de frecare internă pe

discontinuit ă i. [22]

Fig. 2.21. Recomand ări privind lungimea ancorelor din zona bol ii.[2]



Stabilizarea bolii în cazul rocilor cu stratificaie orizontală.

Sunt analizate rocile cu stratificaie orizontală la care grosimea stratelor este mică în raport cudeschiderea excavaiei, iar legăturile interstrate sunt slabe, permiând separarea între strate şialunecarea reciprocă a acestora.

În asemenea cazuri, stratul expus prin excavare se deformează sub propria greutate, î şi pierdecontactul cu stratul imediat superior şi capătă un comportament de placă sau de grindă.Asimilarea lui, din punct de vedere al comportării structurale cu o grindă de lăime unitară,este uzual folosită în analiza stabilităii.

La verificarea stabilităii excavaiei, respectiv la dimensionarea sprijinirilor sunt întâlnite două moduri de abordare. În primul mod de abordare se face apel la teoria deformaiei elastice agrinzilor, iar dimensionarea este bazată pe noiunea de efort de întindere admisibil al rocii. Încel de al doilea mod de abordare se consideră că fisurile de întindere preexistentefragmentează grinda într-o succesiune de bolari şi, ca urmare, greutatea proprie este preluată prin efect de boltă. [1]

CENTRALA SUBTERAN MĂRIŞELU

Centrala hidroelectric Mărişelu face parte din prima treapt a amenajrii potenialuluihidroenergetic al bazinului hidrografic Someşul Mic, având o putere instalat de 220MW şi oproducie medie de energie de 390GW/an.

Centrala este amplasat într-o cavern subteran cu dimensiunile de 72x18x36m, careadăposteşte cele trei grupuri de 85.50 MW fiecare. O seciune transversal prin central esteprezentat în figura de mai jos.

Sec iune transversal caracteristic prin caverna centralei (a) şi zonarea rocii inconjur toare (b)

Caverna centralei este situat în munii Gilu, la 1km amonte de confluena pârâuluiLeşu cu Someşul Cald, la cca 100 m adâncime şi 150 m lateral în versant. Roca în care s-aexcavat caverna este constituit din şisturi cuaritice slab micacee pe planurile de şistuozitate.Structura tectonic este complex, fiind determinat atât de procesul de formare al şisturilorcât şi de fenomenele de contact ale acestora cu graniele situate la cca 1000 m spre vest.Direcia şistuozitii, în general orientat N-S, este frecvent întrerupt de plane tectonice,manifestate ca falii cu zone de brecifiere de 0.25…2.50 m.



Realizarea cavernei centralei a început dup execuia accesului principal pentrutransport auto şi a accesului secundar prin pu. Tehnologia de excavare şi betonare în zonasuprastructurii a cuprins trei etape. Etapele I şi II sunt prezentate în figura urmatoare.

În prima etapă s-a executat o galerie direcional la cota 528 mdM (cota relativă 14.00), care a strbtut longitudinal întreaga cavern şi a legat cele doua accese. Deasemenea, în aceeaşi etap s-a executat o a doua galerie direcional sub bolta cavernei şi

şulere pentru evacuarea gravitaional a sterilului rezultat din excavarea bolii. În etapa a douas-a realizat excavarea şi betonarea bolii. Prevederile din proiect indicau excavarea bolii înlamele de 4 m, atacarea lor urmând a se face în sistemul campion-schluss, cu betonarealamelelor campioane înainte de atacarea lamelelor schluss. În realitate, excavarea şi betonareas-a facut dup un program modificat. S-au excavat şi betonat în prima faz lamelele campion13-10-7-16-4-1 şi apoi s-au excavat schluss-uri formate din lamelele duble 2/3-5/6 etc., cu ovitez de înaintare sporit.

Sprijinirea provizorie a conturului excavat al bolii s-a f cut cu ancore betonate de2.50 m, plas de armare de 10x10 cm şi şpri beton în grosime de 10 cm. Betonarea bolii s-af cut la rândul ei în doua faze. În prima s-au betonat cuzineii amonte şi aval, în excavaiipregtite odat cu deschiderea calotei.

Figura 10 Tehnologia de execu ie a cavernei centralei Mariselu

În a doua faz s-a betonat bolta propriu-zisă, cu pompare de beton pe vertical şidistribuie manual a betonului pe orizontal. În aceast a doua faz, în cazul lamelelor duble,de 8 m, betonarea s-a f cut cu dificultate datorit lipsei accesului lateral. Din aceste motive, la



unele lamele, dintre care s-au consemnat lamelele 5/6 şi 11/12, s-a obinut involuntar un rostde lucru dat de întreruperea betonrii înainte de betonarea treimii centrale a bolii.

În etapa a III-a s-a executat, sub protecia bolii de beton armat, excavarea restuluicavernei şi protecia prin ancore şi şpri-beton a pereilor cavernei pe înălimea supra-structurii. Între cuzineii bolii şi platforma de montaj, situat la cota galeriei direcionale,excavarea s-a f cut în trepte înalte de 3 m şi lungi de 4 m, iar susinerea pereilor excavaiei s-

a f cut cu ancore de 4…6 m lungime dispuse într-o reea de 2x2 m şi cu şpri beton în grosimede 15 cm pe o plas de armare cu ochiuri de 10x10 cm.

Documents

Constructii Hidrotehnice-Caverne