C a p i t o l u l 4

EVACUATORII DE APE MARI Evacuatorii de ape mari sunt uvraje special realizate în corpul barajelor sau adiacente acestora, cu scopul de a permite tranzitarea, din bieful amonte în bieful aval, a debitelor maxime ce apar pe cursurile de apă în perioadele de ape mari, precum şi descărcarea apei din lac în caz de revizii sau avarii ale barajului sau chiuvetei lacului de acumulare. Ansamblul uvrajelor care formează evacuatorii de ape mari este format din: deversoare de diferite tipuri, goliri intermediare sau de fund şi disipatori de energie. Descărcarea apelor mari, a gheţurilor şi plutitorilor, precum şi reglarea nivelului apei din lacurile de acumulare se face fie cu scurgere liberă, prin dispozitive amplasate la partea superioară a barajelor, numite descărcătoare de suprafaţă sau deversoare, fie sub presiune, prin dispozitive amplasate la adâncime, numite goliri intermediare sau de fund. 4.1. Deversoare de suprafaţă

4.1.1. Clasificarea deversoarelor Deversoarele pot fi considerate ca fiind orificii mari, deschise la partea superioară, practicate într-un perete vertical prin care curge un lichid cu suprafaţă liberă. Un deversor este caracterizat prin următoarele elemente geometrice (figura 4.1): profilul transversal ABCD, flancurile AB şi CD, profilul longitudinal EFG, creasta deversorului BC, grosimea pragului c, înălţimea pragului P, lăţimea deversorului b. Elementele hidraulice care caracterizează curgerea peste un deversor sunt: înălţimea lamei deversante H, care se măsoară la o distanţă a = (3-4)H în amonte de creasta deversorului, viteza de apropiere (acces) v0 , adică viteza medie a lichidului în dreptul secţiunii transversale unde se măsoară H, sarcina deversorului

2gαV

HH20

0 +=

FIGURA 4.2. adică energia specifică totală a curentului de lichid faţă de creasta deversorului, căderea deversorului z (diferenţa între nivelul apei în amonte şi aval), înălţimea de înecare hn = H - Z.

Deversoarele se clasifică din mai multe puncte de vedere . După grosimea şi profilul pragului deversorului există( figura 4.2a):

- deversoare cu muchie ascuţită a1; - deversoare cu profil practic a2; - deversoare cu prag lat a3.

După gradul de aerare a lamei deversante deversoarele pot fi : - cu lamă aerată (dacă p1 = pat) - cu lamă neaerată (p1 ≠ pat) .

Din punct de vedere al formei secţiunii transversale există deversoare:

- dreptunghiulare, - triunghiulare, - trapezoidale, - poligonale, - parabolice, - hiperbolice (figura 4.2b).

După poziţia crestei deversorului faţă de direcţia vitezei de acces (figura 4.2c) există:

- deversoare frontale (10), - oblice (20), - laterale (30), - poligonale (40), - curbe (50), - inelare (60).

In raport cu poziţia nivelului aval al lichidului faţă de creasta deversorului există:

- deversoare libere (neînecate), dacă nivelul aval al lichidului este sub creasta deversorului (hav< P)

- deversoare înecate, dacă nivelul aval al lichidului depăşeşte creasta deversorului (hav > P), (figura 4.1).

În sfârşit după condiţiile de acces ale apei (figura 4.2d) există:

- deversoare fără contracţie laterală, la care lăţimea B a canalului de acces este egală cu lăţimea b a frontului deversant (figura 4.2d1)

- deversoare cu contracţie laterală (b < B), la care liniile de curent sunt deviate în plan orizontal şi formează zone de desprinderi. Contracţia laterală apare şi în cazul fracţionării frontului deversant prin prezenţa pilelor. Contracţia laterală poate fi de asemenea parţială (figura 4.2d2) sau totală (figura 4.2d3).

4.1.2. Calculul debitului evacuat de un deversor Structura formulei de calcul a debitului deversat se determină prin consideraţii teoretice, iar coeficientul de debit se determină experimental. Dacă se consideră lama deversantă ca o sumă de lame elementare de înălţime dz şi lăţime b(z), debitul teoretic elementar evacuat va fi:

dzb(z)2gzdAvdQ

z

z ⋅⋅=⋅=

2gzv =Debitul elementar real se calculează deci cu relaţia dzb(z)2gzµdQµdQdQ vcr ⋅⋅⋅=⋅=⋅⋅= ϕϕ

iar debitul total

dzb(z) z2gµQH

0r ⋅⋅⋅= ∫ (4.1)

Dacă se cunoaşte forma secţiunii transversale se poate stabili forma concretă, finită, a relaţiei (4.1.). Astfel:

a) în cazul unui deversor dreptunghiular, deoarece b = constant, se obţine imediat

3/23/2r H2gbmH2gbµ

32Q ⋅⋅⋅=⋅⋅⋅= (4.2)

sau dacă viteza de apropiere v0 nu este neglijabilă rezultă

⋅−

⋅+⋅⋅⋅=

3/220

3/220

r 2gvα

2gvα

H2gbmQ (4.2’)

Coeficientul m poartă numele de coeficient de debit al deversorului şi variază în limite destul de largi (m = 0,30...0,55) în funcţie de caracteristicile geometrice şi hidraulice ale deversorului. Ele se calculează cu o formulă de tipul m = m0 σ ε k ... (4.3) în care σ, ε, k ... sunt coeficienţi de corecţie, egali cu unitatea când deversorul se află în condiţii normale şi diferiţi de unitate când există abateri de la aceste condiţii. Principalele abateri sunt:

- înecarea deversorului, a cărei influenţă se introduce prin coeficientul de înecare σ ;

- contracţia laterală, introdusă prin coeficientul de contracţie ε ; - oblicitatea deversorului, introdusă prin coeficientul k.

Deversorul fără înecare, fără contracţie laterală, aşezat perpendicular pe albie, se consideră ca având condiţii normale şi deci σ = 1, ε = 1, k = 1. De asemenea se consideră condiţie normală curgerea în albie de secţiune dreptunghiulară, ceea ce determină structura relaţiei (4.2) şi care se schimbă pentru alte forme ale secţiunii.

În condiţii normale m = m0 , coeficientul µ32mo ⋅= numindu-se coeficient de

formă şi depinzând de profilul transversal. Acest coeficient s-a determinat pe cale experimentală şi există un număr mare de formule care dau valorile acestuia, cu rezultate ce diferă de la autor la autor cu până la 5 %.

Pentru deversoarele cu muchie ascuţită, fără contracţie laterală, se pot folosi formulele propuse de :

- Bazin (în 1898)

+⋅+⋅

+=

2

o PHH0,551

H0,00270,405m

Al doilea termen din prima paranteză reprezintă corecţia pentru influenţa tensiunii superficiale, iar paranteza mare reprezintă corecţia pentru viteza de apropiere (acces) v0 .

- Rehbock (în 1929), (erori sub 1 %)

23

H0,00111

P0,00009

PH0,08130,6035µ

+⋅

+⋅+=

Pentru deversoarele cu contracţie laterală, studiate prima oară de Frese, se poate utiliza formula propusă de S.I.A.S. (Societatea inginerilor şi arhitecţilor din Elveţia) în anul 1947:

+

+⋅

+⋅

⋅−

+

⋅+=

24

2

2

PHH

Bb0,51

1,6H1000Bb33,615

Bb0,0370,578µ

valabilă în limitele P ≥ 0,3 m; 0,025 ≤ H ≤ 0,8 m; H ≤ P; b > 0,3 B.

b) în cazul unui deversor triunghiular se obţine

HzH

bb(z) −

=

( ) zdzzHHb2gµQ

H

or ⋅−⋅= ∫

şi după integrare

25

25

r H2g2αtgµ

158H2g

Hbµ

154Q ⋅⋅⋅=⋅⋅⋅= (4.4)

Acest deversor este foarte indicat pentru măsurarea debitelor mici, dată fiind sensibilitatea mai mare a acestui deversor în raport cu H. Pentru calculul lui µ se indică formulele: - Barr µ = 0,565 + 0,0868 H-0,05 - Cone µ = 0,6222 H-0,02

În practică se obişnuieşte să se lucreze cu α = 900 şi s-a determinat experimental µ = 0,60. Se obţine formula lui Thompson: Qr = 1,42 H5/2 (4.4’) Foarte des se foloseşte formula lui Gourley

2,47r H

2αtg1,32Q ⋅⋅= (4.4’’)

c) în cazul unui deversor de secţiune trapezoidală, debitul poate fi calculat ca suma debitelor printr-un deversor dreptunghiular de lăţime b şi printr-un deversor triunghiular cu unghiul la vârf α (triunghi egal cu suma triunghiurilor marginale, cu unghiul la vârf α2 ). Se obţine:

25

23

H2αtg2g'µ'

158Hb2gµ'

32Q ⋅⋅⋅+⋅⋅⋅= (4.5)

În mod analog se pot obţine formule şi pentru alte forme ale secţiunii transversale.

4.1.3. Deversoarele cu profil practic

A. Descriere şi rol funcţional Deversoarele cu profil practic sunt deversoare la care profilul EFG este realizat cu elemente curbe (figura 4.2a2) şi care sunt folosite la realizarea practică a porţiunii deversante a barajelor din beton. Forma profilului longitudinal a rezultat din necesitatea de a ghida lama deversantă şi a evita fenomenul de neaerare a lamei. Aceste deversoare pot fi de două feluri: cu profil fără vacuum şi cu profil cu vacuum. Deversoarele cu profil practic (curb) fără vacuum sunt astfel construite încât suprafaţa de contact a lamei deversante cu paramentul deversorului să nu apară vacuum. În ipoteza unui fluid perfect profilul care satisface această condiţie este cel realizat după forma pânzei inferioare a lamei aerate la un deversor cu muchie ascuţită (figura 4.3.). Este evident că o asemenea condiţie se poate satisface doar pentru o singură valoare a sarcinii deversorului, la care se calculează coincidenţa formelor, sarcină numită de calcul Hc . Profilul construit în acest mod se numeşte profil Bazin. La un astfel de profil se asigură o scurgere liniştită a apei, fără spaţii depresionare şi cu coeficienţi de debit mari. Când conturul profilului deversorului este plasat sub intradosul lamei, la deversare apar zone depresionare, profilul se numeşte vacuumat şi are coeficient de debit mărit. Datorită scurgerii instabile, produsă de spaţiile depresionare, apar însă vibraţii care pot pune în pericol barajele zvelte, ceea ce conduce la o limitare a domeniului de utilizare a deversoarelor vacuumate. Revenind la deversoarele fără vacuum trebuie menţionat că profilul Bazin nu îndeplineşte bine condiţia enunţată, deoarece lichidul real diferă de cel perfect (prin vâscozitate). Cu scopul de a găsi forma optimă a profilului deversorului, care să satisfacă condiţiile de presiune, s-au efectuat studii numeroase şi ca urmare au apărut un număr mare de profile, printre care cele propuse de Marchi, Creager, Ofiţerov, Smetana, sau mai recent profilele WES (Waterways Experiment Station, Vicksburg). Unul din profilele cel mai des utilizate la barajele din beton (de greutate, evidate etc.) este profilul Creager - Ofiţerov. În tabelul 4.1 şi în figura 4.4. se dau coordonatele a două asemenea profile: profilul A cu parament amonte vertical (m0 = 0,49) şi profilul B cu paramentul amonte înclinat la 450 (m0 = 0,48). Coordonatele (xx, yx) se dau pentru sarcina Hx = 1 m.

Fig. 4.3. Forma lamei aerate la deversorul cu muchie ascuţită

A

Coordonatele profilului deversor Creager – Ofiţerov pentru H = 1 m

Figura 4.4. Profilele Creager – Ofiţerov de tip A şi B pentru sarcina H* = 1m.

Tabelul nr.4.1.

PROFILUL A PROFILUL B y y

Pânză teoretică Pânză teoretică

x

Sup. Inf.

x

Sup. Inf.

0,0 0,126 -0,831 0,126 0,0 0,043 -0,781 0,043 0,1 0,036 -0,803 0,036 0,1 0,010 -0,756 0,010 0,2 0,007 -0,772 0,007 0,2 0,000 -0,724 0,000 0,3 0,000 -0,740 0,000 0,3 0,005 -0,689 0,005 0,4 0,007 -0,702 0,007 0,4 0,023 -0,648 0,023 0,6 0,060 -0,620 0,063 0,6 0,090 -0,552 0,090 0,8 0,142 -0,510 0,153 0,8 0,189 -0,435 0,193 1,0 0,257 -0,380 0,267 1,0 0,321 -0,293 0,333 1,2 0,397 -0,219 0,410 1,2 0,480 -0,120 0,500 1,4 0,565 -0,030 0,590 1,4 0,665 0,075 0,700

1,7 0,870 0,305 0,920 1,7 0,992 0,438 1,050 2,0 1,220 0,693 1,310 2,0 1,377 0,860 1,470 2,5 1,960 1,500 2,100 2,5 2,140 1,710 2,340 3,0 2,820 2,500 3,110 3,0 3,060 2,760 3,390 3,5 3,820 3,660 4,260 3,5 4,080 4,000 4,610 4,0 4,930 3,000 3,610 4,0 5,240 5,420 6,040 4,5 6,220 6,540 7,150 4,5 6,580 7,070 7,610

Pentru o sarcină Hc≠1 m, coordonatele profilului curbiliniu se deduc prin multiplicare cu Hc , adică x = xx Hc ; y = yx Hc ; (4.6) Cele două tipuri diferite A şi B ale acestui profil rezultă din necesitatea racordării profilului curbiliniu al deversorului la cei doi paramenţi (amonte şi aval) ai barajului. Având în vedere că înclinările λ şi λ1 ale celor doi paramenţi sunt determinate, ca şi Hc , profilul curbiliniu trebuie încadrat într-un spaţiu bine precizat MNPR, tangent la parametrul aval, aşa cum se vede din figura 4.5. Dacă profilul deversorului îşi are originea în afara cadrului MNPR (ca în figura 4.5a) racordarea cu parametrul amonte al barajului se face cu o verticală, rezultând tipul de deversor A, iar dacă origina rămâne în interiorul cadrului MNPR (ca în figura 4.5b) racordarea cu parametrul amonte se face cu o dreaptă la 450 , rezultând tipul de deversor B.

a

Fig. 4.5. Încadrarea profilului Creager-Ofiţerbeton

recente efectuate de W.E.S. au condus la recomandarelaţii de tipul

zHkx 1nc

n ⋅⋅= −

în care k şi n sunt parametri care depind de panta pprezentate câteva tipuri de asemenea profile. Coeficie0,48 şi 0,50.

b.

ov la un baraj de

Cercetări mai rea unor profile deversante definite prin

(4.7.) arametrului amonte. În figura 4.6. sunt ntul lor de debit are valori cuprinse între

x

Fig.4.6. Deversoare cu profile tip W.E.S.

B. Calculul debitului evacuat de un deversor cu profil practic

Debitul evacuat de un deversor cu profil practic se determină cu o formulă de forma

23

H2gbmQ ⋅⋅⋅= (4.8.) în care pentru m se foloseşte relaţia (4.3.). Valorile coeficientului de debit m0 se corectează, după caz, pentru diferite abateri: de la sarcina de calcul Hc, influenţa vitezei de acces, contracţie, înecare etc. În cazul în care grosimea lamei deversante H devine mai mare decât cea pentru care a fost calculat deversorul, Hc , încep să apară depresiuni care măresc coeficientul de debit; în acest mod debitul evacuat poate creşte cu până la 10 % fără a se produce vibraţii periculoase. La o scădere a lui H, sub valoarea lui Hc , coeficientul de debit se înrăutăţeşte. De regulă funcţionarea deversorului se face la sarcini H ≤ Hc . În acest caz pentru calculul coeficientului de debit pot fi folosite următoarele formule datorate lui N.N.Pavlovski şi valabile pentru P > 5 m Profilul A

+=

co H

H0,250,7850,49m când 0,8HH

c

≤ ;

+=

co H

H0,120,88o,49m când 0,8HH

c

> ;

Profilul B:

+=

co H

H0,3100,850,48m când 0,5HH

c

≤ ;

20

co H

H0,48m ⋅= când 0,5Hc

H> ;

În cazul deversoarelor cu contracţie laterală, sau cu pile intermediare, trebuie introdus, conform formulei (4.3), coeficientul ε . După Creager se poate folosi formula

b

Hζn0,11ε c⋅⋅⋅−= (4.9)

iar lungimea contractată bc rezultă (4.10) cc Hζn0,1bbεb ⋅⋅⋅−=⋅⋅= În aceste formule n reprezintă numărul contracţiilor laterale (n = 2 pentru un deversor cu o singură deschidere, n = 4 pentru un deversor cu două deschideri etc.), iar ζ un coeficient care ţine seama de forma pilelor, având valorile date în figura 4.7 a. Valorile coeficientului ζ scad când pila avansează în amonte de creasta deversorului (figura 4.7 b). În tabelul 4.2 se prezintă aceste valori pentru diferite mărimi ale avansului pilei “a” faţă de creasta deversorului. Tabelul 4.2

Valori Forma pilei în amonte a = 0 a = 0,5 H a = H

Dreptunghiulară 1,00 0,50 0,25 Circulară 0,70 0,47 0,23 Triunghiulară (α = 900) 0,70 0,47 0,23 Ogivală (α = 300) 0,40 0,24 0,16

Fig. 4.7. Coeficientul de formă al pilelo

a

r

În situaţiile în care nivelul apei din aval depăşeşte cota crestei deversorului (Z < H), curgerea este înecată şi capacitatea de evacuare scade, ceea ce se ia în considerare prin coeficientul de

înecare σ . Experienţele au arătat că dacă raportul PZ este mai mare decât o anumită valoare

critică crP

Z

lama deversorului este liberă, iar racordarea cu nivelul aval se face cu salt

îndepărtat. În această situaţie, scurgerea peste deversor nu mai depinde de înălţimea apei în

bieful aval, σ = 1. Dacă raportul ( )PZ < ( )crP

Z se produce înecarea lamei.

Pentru deversorul cu muchie ascuţită valoarea coeficientului de înecare se poate calcula cu relaţia:

HZ

Ph0,211,05σ

3n ⋅

⋅+⋅= , hn = H - Z, (4.11)

Pentru deversorul cu profil practic, valorile coeficientului de înecare se dau

tabelar în funcţie de raportul Hh n (tabelul 4.3)

Tabelul 4.3

Hh n

0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 0,95

σ

0,99 0,981

0,970

0,960

0,937

0,907

0,856

0778 0,621

0,439

C. Determinarea adâncimii contractate

Secţiunea minimă a lamei deversante se realizează la piciorul aval al deversorului (figura 4.8), fie ea C -C. Adâncimea apei în această secţiune se numeşte adâncime contractată şi se notează cu hc. Calculul acesteia se poate face scriind relaţia lui Bernoulli pentru două puncte de pe suprafaţa liberă a apei în amonte şi în secţiunea contractată:

g2

vζz

gρp

g2vα

zgρ

pg2vα 2

cc

C2cc

AA

2AA

⋅⋅++

⋅+

⋅⋅

=+⋅

+⋅⋅

cum pA = pC = pat , zA = P + H , zC= hc ; vA = v0 , ααCAα ≅≅

şi notând g2vα

HH2o

o ⋅⋅

+=

se obţine ( )covC hHPg2v −+⋅⋅⋅= ϕ (4.12)

în care 90,97...0,9ζα

1v =

+=ϕ

Deoarece debitul specific este

( )cocvcC hHPg2hhvbQq −+⋅⋅⋅⋅=⋅== ϕ

se obţine ( )cov

c hHPg2qh

−+⋅⋅⋅=ϕ

(4.13)

din care se determină hc prin aproximaţii succesive.

D. Elemente constructive Deversoarele cu profil practic se utilizează în mod curent la barajele masive din beton (de greutate, greutate în arc, evidate), la care centrala nu se găseşte la piciorul barajului. Profilul deversorului se racordează cu parametrul aval al barajului, aşa cum s-a arătat în figura 4.5, după care racordarea se face cu disipatorul de energie. Cu scopul de a evita volume mari de excavaţii şi lucrări suplimentare, amplasarea deversorului în profilul transversal al văii se face în zona albiei minore, iar lăţimea deversorului este condiţionată de lăţimea acesteia (figura 4.9). Pentru ca apa deversată să nu se răspândească pe paramentul aval, lama este ghidată de două ziduri marginale până în disipatorul de energie. Astfel de deversoare s-au realizat în ţara noastră la barajele Izvorul Muntelui-Bicaz (patru câmpuri deversoare având fiecare b = 11,50 m şi putând evacua un debit maxim de 2400 m3/s), Porţile de Fier I (14 câmpuri de câte 25 m, despărţite prin pile de 7 m grosime, 15000 m3/s), Strâmtori, Poiana Uzului etc. În unele cazuri, când configuraţia terenului permite acest lucru, deversorul frontal se amplasează pe unul din versanţi, sau chiar pe ambele, la racordul cu malul (barajul Tarniţa pe Someş), fiind urmat de un canal cu pantă rapidă, care conduce apa ,în albia râului (vezi paragraful 4.1.5.). La barajele evidate sau cu contraforţi, în zona deversorului, paramentul aval se realizează sub forma unei plăci deversante tip trambulină sau racordată la disipator (de exemplu barajul Firiza). La barajele descompuse amplasarea deversorului în corpul barajului se face prin amenajarea unuia dintre câmpuri ca bloc deversor.

Disipator de

Goliri de fund

Creasta Ziduri marginale

coroname

Fig. 4.9. Vedere aval a unui baraj deversor din beton

Fig. 4.10. Deversoare cu profil practic şi nas la baraje arcuite

În cazul barajelor arcuite, la cele cu bolţi multiple şi la cele în pile şi plăci, profilul practic al deversorului se racordează cu un aruncător-nas, lama de apă fiind lăsată să cadă liber în aval de baraj (figura 4.10), la distanţă suficient de mare de piciorul aval al barajului (de exemplu în cazul barajelor Vidraru - Argeş, Negovanu - Sadu, Galbenu - Lotru, Teliuc ş.a.). În multe cazuri deversoarele sunt echipate cu stavile plane, segment sau clapetă, (exemplu barajul Izvorul Muntelui - Bicaz, barajul Porţile de Fier I etc.). Aceste deversoare evacuează debite importante, cu înălţimi mari ale lamei deversante, fără a coborî nivelul de retenţie. Aceasta constituie un avantaj, căci se evită o pierdere de cădere.

Este indicat ca punctul de sprijin al stavilei să nu se găsească chiar pe creasta deversorului, ci la o oarecare distanţă în aval, pentru a evita situaţia în care la ridicarea stavilei jetul de apă să fie orientat pe orizontală. Acest punct de sprijin se stabileşte prin studii pe model astfel încât jetul să ţâşnească pe o direcţie paralelă cu paramentul aval. De asemenea prin studii pe model se stabileşte modalitatea de deschidere a stavilelor (ordinea de deschidere, gradul de ridicare a fiecărei stavile în fiecare etapă), astfel încât să nu se producă în aval (disipator şi albia râului) fenomene periculoase. Aceste indicaţii trebuie respectate cu stricteţe de personalul ce exploatează barajele.