Pn – III – pte raport ştiinţific şi tehnic în extenso

3.DESCRIEREA ŞTIINŢIFICĂ ŞI TEHNICĂ

3.1.Analiza comparativa a solutiilor de urmarire a comportarii barajelor la nivel mondial

3.1.1. Amenajari hidrotehnice, tipuri de baraje hidrotehnice şi problemele specifice

Amenajările hidroelectrice, considerate ca infrastructuri critice, prin pericolul potenţial pe care-l reprezintă în caz de degradare, au în compunere urmǎtoarele structuri principale [Stu1]:

Barajele de acumulare au rolul de a asigura retenţia apei în lacuri, în vederea utilizării ei sau rolul de regularizare a debitelor râurilor. Barajele sunt foarte variate şi au înalţimi între 10m - 250m.

Descǎrcǎtorii de apǎ au rol de reglare a nivelurilor în acumulari. Se realizeazǎ ca deversori şi sunt echipaţi cu instalaţiile hidromecanice: stavile, vane, mecanisme de acţionare,

Prizele de apǎ, dispuse în baraj sau pe maluri, sunt destinate să asigure captarea apelor.

Aducţiunile principale şi secundare au rolul de a transporta apa (zeci sau sute de m³/s) de la punctele de captare. În aducţiuni apa curge liber (în canale, galerii) sau sub presiune (conducte).

Camerele (castele) de echilibru realizează legătura între aducţiuni şi conductele forţate. Au rolul de a menţine echilibrul hidraulic din aducţiuni, la acţionarea vanelor.

Casele vanelor, dispuse în aval de camerele de echilibru, cuprind mecanismele de închidere şi deschidere a accesului apei spre centrală prin conductele forţate.

Conductele sau galeriile forţate, conduc apa de la camera de echilbru la centrală, pe o diferenţă de nivel şi pantă mare, fiind foarte solicitate static şi dinamic.

Centralele hidroelectrice cuprind vanele de admisie, turbinele hidraulice, generatoarele electrice, mecanismele de reglare a sarcinii, staţiile electrice de transformare, instalaţiile de control.

Canalele sau galeriile de fugă conduc apele folosite de turbine spre punctele de restituţie în cursurile de apă. Curgerea în galeriile de fugă se poate face sub presiune.

Barajele hidrotehnice se clasifică în funcţie de caracteristicile constructive în următoarele tipuri:

Baraje de greutate (exemplu barajul Bicaz), sunt construcţii masive executate din beton, care rezistă forţei de împingere a apei prin acţiunea propriei greutăţi, asigurând stabilitatea barajului la răsturnare prin momentul creat faţă de piciorul aval şi la alunecare, prin forţele de frecare care acţionează de-a lungul suprafeţei de fundaţie. Solicitări normale la care sunt supuse aceste baraje sunt: presiunea hidrostatică şi hidrodinamică; subpresiunea; presiunea aluviunilor; greutatea proprie; precomprimarea barajului şi a rocii de fundaţie; variaţiile de temperatură ale apei.

Baraje în arc sau dublu arc sunt construite dintr-o membrană de beton, de grosime variabilă, curbată în plan orizontal şi în plan vertical. Presiunea hidrostatică a apei (principala încărcare) este preluată de beton, iar eforturile sunt transmise către versanţi şi terenul de fundaţie. Acesta se face în plan orizontal prin intermediul arcelor, iar în plan vertical prin cel al consolelor. Astăzi în lume sunt peste 300 de mari baraje în arc. La noi în ţară sunt mai multe baraje în arc, cel mai important fiind barajul Vidraru-Argeş, înalt de 167 m. Alte baraje în funcţiune: Negovanu-Sadu (H=62 m), Teliuc-Cerna (H =48 m), Baciu-Doamnei (H=34 m), Paltinul-Doftana (H=108 m), Tarniţa -Someş (H=97m), Galbenu-Lotru (H = 60 m), Tău–Sebeş (H = 78 m). Solicitările care acţionează asupra barajului arcuit sunt identice cu cele de la barajele de greutate. Deoarece barajele arcuite transmit terenului eforturi mai mari, calităţile geologice necesare fundaţiei şi ancorările laterale sunt mai pretenţioase, iar monitorizarea eforturilor este extrem de importantă. Forţele care acţionează generează deformări mari (elastice reversibile şi deformări plastice remanente). Fig.3.1.1. Baraje greutate

Fig.3.1.2. Baraje în arc Romania

Baraje de piatră sunt alcătuite dintr-o umplutură de piatră, care formează corpul de rezistenţă şi dintr-un element de etanşare a acestui corp. Elementul de etanşare a unui baraj de piatră poate fi dispus în interiorul corpului, de obicei la mijloc, caz în care poartă denumirea de diafragmă, sâmbure sau nucleu, sau pe paramentul amonte al corpului, când poartă denumirea de ecran sau mască. Etanşarea poate fi realizată din materiale rigide (lemn, metal, beton, beton armat, torcret) sau plastice (pământuri argiloase, materiale bituminoase, materiale plastice etc.). Un baraj de piatră transmite terenului de fundaţie eforturi mai mici decât un baraj de beton de înălţime egală, dar mai mari decat un baraj de pământ. Terenului de fundaţie i se cer calităţi care să asigure tasări reduse şi stabilitate, sub acţiunea sarcinilor transmise de baraj, permeabilitate redusă şi rezistenţă ridicată la acţiunea apelor de infiltraţie (terenuri stâncoase).

Baraje de pământ sunt alcătuite dintr-o umplutură omogenă sau neomogenă de materiale locale, nisipuri, nisipuri argiloase, argile nisipoase, argile şi pietrişuri, reprezentând tipul cel mai vechi de baraj. Secţiunea transversală a unui baraj de pământ este de obicei trapezoidală, cu talazurile (amonte şi aval) line, rezultate din condiţiile de stabilitate. Barajele de pământ se pot executa, pe orice teren de fundaţie, cu excepţia terenurilor cu materiale solubile în apă (ghips, sare etc.), a straturilor groase de turbă sau a rocilor cu proprietăţi mecanice foarte neuniforme. Dacă materialul de umplutură este uniform şi asigură prin calităţile proprii etanşeitatea şi rezistenţa profilului, barajul este de tip omogen. Dacă profilul barajului este realizat din materiale diferite, care asigură etanşeitatea (ecrane sau nuclee de argilă, beton, metal etc.) şi respectiv rezistenţa (nisipuri, pietrişuri), barajul este de tip neomogen. Atunci când materialul pentru construcţia barajului este parţial pamânt şi parţial piatră, barajul se numeşte de tip mixt. Principala cauză a producerii avariilor barajelor de pamânt este deversarea apelor peste coronament în timpul execuţiei sau în timpul exploatării, dacă evacuatorii de ape mari au fost insuficient dimensionaţi. Alte cauze sunt: infiltraţiile prin corpul barajelor, sufoziile şi afuierile, alunecările taluzurilor şi tasările mari, care produc fisuri periculoase, ca şi infiltraţiile pe lângă conductele ce traversează barajul. Fig.3.1.3 Baraje de pamant baa. 2.4 Tipuri de baraje de pamânt

Fig.3.1.4. Baraje de piatra

3.1.2. Urmarirea comportarii constructiilor hidrotehnice

3.1.2.1. Monitorizarea comportării barajelor bazată pe inspecţie vizuală şi sensori încorporaţi

Întrucât barajele constituie unul din reperele construcţiilor hidrotehnice cele mai expuse degradării şi în acelaşi timp deprecierea lor este generatoare de mari pericole, vizand arii extinse, prezenta lucrare îşi propune o analizǎ a parametrilor şi metodelor de monitorizare existente. Parametrii monitorizaţi vizează două categorii: apă şi mediu (nivelul apei în lac; debitele afluite/defluite; temperaturi; date meteo) şi răspunsul sistemului baraj-fundaţie la acţiunile apei şi ale mediului. Pentru baraje în funcţie de materialele utilizate, avem următorii parametrii monitorizaţi:

• 
  Pentru baraje de beton: deplasările absolute ale barajului şi fundaţiei, deplasări relative între ploturi, evoluţia temperaturilor în beton, eforturi şi deformaţiile în baraj şi fundaţie, fisuri, presiuni interstiţiale şi subpresiuni, debite de infiltraţii.
  
• 
  Pentru baraje de umpluturi: deplasările şi tasările sistemului baraj-fundaţie, infiltraţiile şi, presiunea apei din pori în elementele de etanşare, eforturi efective şi totale, infiltraţii prin versanţi, deplasări ale versanţilor, deformaţiele şi eforturile în lucrările asociate barajului.
  

Metodele de monitorizare utilizate sunt: inspecţia vizuală şi monitorizarea prin sensori şi traductori

A.Inspecţia vizuală, efectuată de personal calificat, reprezintă prima opţiune în monitorizarea stării şi analiza comportării barajelor. În baza acumulării experienţei de zeci de ani de utilizare a metodei, s-au creat premizele inspecţiei prin metode de vizualizare şi analiză computerizată. La construcţiile de beton se urmareste: (i)Aspectul general al suprafeţelor şi muchiilor: Continuitatea (plană, spaţială şi liniară) la paramente, coronament, pasarele, puţuri, galerii, console etc; Deplasări generale şi diferenţiate, tasări, inclinări, rotiri; Degradări: fisuri, crăpături, exfolieri, eroziuni, rupturi, dislocări, desprideri, segregări, goluri de cavitate, dezveliri şi coroziuni de armătură; Înfiltraţii (exfiltraţii) în câmp sau pe rosturi de lucru; Depuneri minerale (calcită). (ii) Starea rosturilor. (iii) Funcţionalitatea şi starea de drenaj. La construcţii din materiale locale (pamant, piatra) se urmăreste: (i) Starea suprafetelor, a peretelui de etanşare şi a piciorului barajului. (ii) Starea corpului de umplutură şi gradul de eroziune a fundaţiei. (iii) Starea zonelor exterioare, taluzul aval, canalele de scurgere, rigole (iiii) Albia râului amonte şi aval.

B.Monitorizarea barajelor prin sensori şi traductori încorporaţi sau AMC

Majoritatea barajelor şi IHC, chiar şi cele cu o vechime de peste 50 ani, au incorporate în structura sute de aparate de masura şi control (AMC), cu citire iniţial manuală şi apoi automatş, destinate supravegherii şi creşterii siguranţei în exploatare a acestor structuri. În Studiul intocmit se face un inventar detaliat a parametrilor măsuraţi pe plan mondial prin AMC-uri, sensori şi traductori. Din „Normativul pentru urmărirea comportării construcţiilor hidrotehnice NT 087/03” (legea 466.2003) au fost preluate în studiu tipurile de AMC-uri sensori şi traductori utilizaţi în Romania, parametrii masuraţi pe tipuri de baraje, exemplificaţi mai jos pentru barajele de greutate şi în arc [Npc4] .

Structura	Parametrii supravegheţi	Tip AMC
Corp baraj	Deplasări orizontale	(Tele)Pendul direct
	Tasări	Reperi de nivelment
	Deformaţii unitare	Teleformetre
	Eforturi unitare totale şi interstiţiale	Traductor presiune coardă vibrant - (CV)
	Temperatura betonului	Teletermometre (teletermetre)
	Deplasări relative la rosturi	Teledilatometru, Extensometre
	Temperatura aerului, apei	Termometre
	Nivelul apei în lac	Prize de presiune, Limnimetre
	Acţiuni seismice	Accelerografe
Fundatie	Presiune interstiţială (pămînt)	(Tele)Piezometre
	Presiunea apei (rocă)	(Tele)Piezometre
	Deplasări verticale	Extensometru în foraj
	Deplasări orizontale	(Tele)Pendul invers; Inclinometru cu CV
	Seisme	Accelerografe

Majoritatea sensorilor şi traductorilor (AMC) menţionati au fost incorporati în structura barajului la construirea acestuia şi sunt în mare parte dispozitive analogice, proiectate a fi măsurate manual cu micrometre, şublere, punţi de masură, volt/ampermetre, frecventmetre clasice sau cu dispozitive optice specifice de masură (cordiscop pentru pendule).

Majoritatea sensorilor şi AMC-urilor menţionate au fost incorporaţi în structura barajului la construirea acestuia şi sunt în mare parte dispozitive analogice, proiectate a fi măsurate manual cu micrometre, şublere, punţi de masură, volt/ampermetre, frecvenţmetre clasice sau cu dispozitive optice specifice de măsura (cordiscop pentru pendule). AMC de generaţie nouă sunt dispozitive cu ieşiri în semnal unificat de curent/ tensiune sau cu ieşiri digitale pe bus-uri şi protocoale standardizate. AMC-urile de prima generaţie nu pot fi schimbate fiind în număr foarte mare (sute/mii), majoritatea fiind incastrate în structura barajelor. Problema care se pune la automatizarea achiziţiei de date este compatibilizarea acestora, prin module adaptor specifice, cu AMC-uri cu ieşire digitală sau cu IED-uri (inteligent electronic devices) de ultimă generaţie.

Baraj de greutate	Baraj în arc Preluat din NT087/03

Fig.3.1.5 Echiparea cu AMC a a barajelor de greutate şi în arc

3.1.3. Situatia monitorizarii barajelor hidrotehnice în Romania

3.1.3.1 Barajele din Romania

În Studiul elaborat au fost analizate un număr de 168 de baraje, din care mentionăm câteva din cele mai importante, cu anul construirii si inălţimea lor. S-au inventariat: 23 baraje în arc (Vidraru 1965-167m, Dragan 1987-120m, Paltinu 1971- 108m); 4 baraje greutate: (Bicaz 1956-121m); 4 baraje cu contraforturi (Poiana Uzului 1973-82m, Gura Raului 1980-71m); 4 baraje arocamente (Siriu 1994-122m, Vidra 1973-121m, Cerna 1979-110); 87 baraje greutate şi pământ (Porţile de Fier PF1 1971-60m, PF2-1984-35m, Costeşti 1978-43m); 45 baraje de pământ (Maneciu 1994-75m, Motru 1982-48m). Din analiza făcută au rezultat următoarele concluzii:

În perioada 1960-1995 au fost construite un număr mare de baraje, de diferite tipuri, aflate acum în proprietatea Administratiei Nationale Apele Române şi a SC Hidroelectrica SA. Barajele au fost dotate, din construcţie, cu AMC-uri de diferite generaţii, conforme nivelului tehnologic din momentul execuţiei. Există o mare varietate de AMC-uri, învechite, axate pe măsurători manuale, provenite de la diverşi producători. Mulţi dintre sensorii şi traductorii integraţi în structura barajelor nu mai sunt în funcţiune, s-au degradat sau nu mai pot fi citiţi din cauza degradării firelor de conexiune sau din lipsa dispozitivelor specifice (punţi de măsură specializate, cordiscoape, etc).

3.1.3.2. Monitorizarea barajelor în Romania

În România, incepând cu anii ’90, principalele baraje, au inceput sa fie dotate cu: AMC-uri moderne cu module de teletransmisie a datelor masurate (telependule, teleprezmetre, limnimetre cu data logger, debitmetre cu ultrasunete), data logger (inregistratoare automate de date) şi staţii automate de achiziţie date. În present, marile baraje ale Hidroelectrica SA dispun de peste 20 staţii automate de achiziţie pentru monitorizarea parametrilor acestora. Astfel: la barajul Dragan se monitorizează cca 371 AMC şi 11 telependule, staţie achiziţie montată 1993; la barajul Tarniţa se monitorizează cca 83 AMC şi 7 telependule, staţie achiziţie montată 1996; la barajul PF2 se monitorizează 170 AMC şi 7 telependule, staţie achiziţie montată 1999; la barajul PF1 se monitorizează cca 300 AMC prin staţii achiziţie montate 1999-2003; la barajul Poiana Ruscă se monitorizează cca 300 AMC prin staţii achiziţie montate 2005-2010. Numărul de baraje monitorizate prin achiziţia automată a datelor este redus, echipamentele eterogene, de generaţii diferite, neunitare ca modalităţi de raportare. La barajele Hidroelectrica a fost implementat un program de gestiune a datelor, masurate automat sau manual, provenite de la toate barajele. Metodele moderne de supraveghere, ca video-inspecţia sau utilizarea sensorilor optici nu au fost implementate până în prezent. În conformitate cu Legea siguranţei barajelor (nr.466/2001) activitatea de urmărire a comportării construcţiilor hidrotehnice UCCH, se organizează pe trei niveluri [GCH3]: nivelul I se desfăşoară la baraj şi constă din observaţii vizuale, măsurători şi prelucrarea primară a rezultatelor cu verificarea depăşirii unor criterii de avertizare, realizate de personalul de exploatare cu sarcini specifice sau automat; nivelul II cuprinde sinteza periodicǎ a observaţiilor şi a măsurătorilor efectuate la nivelul I şi a inspecţiilor anuale, cu interpretarea acestora într-un document sinteză anuală realizată de către specialişti; nivelul III este reprezentat de analiza şi avizarea rapoartelor de sinteză anuale, realizată de către o comisie de specialişti.