Evacuatorii de ape mari

EVACUATORII DE APE MARI

Evacuatorii de ape mari sunt uvraje special realizate in corpul barajelor sau adiacente acestora, cu scopul de a permite tranzitarea, din bieful amonte in bieful aval, a debitelor maxime ce apar pe cursurile de apa in perioadele de ape mari, precum si descarcarea apei din lac in caz de revizii sau avarii ale barajului sau chiuvetei lacului de acumulare.

Ansamblul uvrajelor care formeaza evacuatorii de ape mari este format din: deversoare de diferite tipuri, goliri intermediare sau de fund si disipatori de energie.

Descarcarea apelor mari, a gheturilor si plutitorilor, precum si reglarea nivelului apei din lacurile de acumulare se face fie cu scurgere libera, prin dispozitive amplasate la partea superioara a barajelor, numite descarcatoare de suprafata sau deversoare, fie sub presiune, prin dispozitive amplasate la adancime, numite goliri intermediare sau de fund.

1. Deversoare de suprafata

1.1. Clasificarea deversoarelor

Deversoarele pot fi considerate ca fiind orificii mari, deschise la partea superioara, practicate intr-un perete vertical prin care curge un lichid cu suprafata libera. Un deversor este caracterizat prin urmatoarele elemente geometrice (figura 1): profilul transversal ABCD, flancurile AB si CD, profilul longitudinal EFG, creasta deversorului BC, grosimea pragului c, inaltimea pragului P, latimea deversorului b. Elementele hidraulice care caracterizeaza curgerea peste un deversor sunt: inaltimea lamei deversante H, care se masoara la o distanta a = (3-4)H in amonte de creasta deversorului, viteza de apropiere (acces) v₀ , adica viteza medie a lichidului in dreptul sectiunii transversale unde se masoara H, sarcina deversorului

adica energia specifica totala a curentului de lichid fata de creasta deversorului, caderea deversorului z (diferenta intre nivelul apei in amonte si aval), inaltimea de inecare h_n = H - Z.

Deversoarele se clasifica dupa mai multe criterii:

Dupa grosimea si profilul pragului deversorului exista( figura 2a):

- deversoare cu muchie ascutita a_1;

- deversoare cu profil practic a₂;

- deversoare cu prag lat a₃.

Dupa gradul de aerare a lamei deversante deversoarele pot fi :

- cu lama aerata (daca p₁ = p_at)

- cu lama neaerata (p₁ ≠ p_at) .

Dupa forma sectiunii transversale exista deversoare:

- dreptunghiulare,

- triunghiulare,

- trapezoidale,

- poligonale,

- parabolice,

- hiperbolice (figura 2b).

Dupa pozitia crestei deversorului fata de directia vitezei de acces (figura 2c) exista:

- deversoare frontale (1⁰),

- oblice (2⁰),

- laterale (3⁰),

- poligonale (4⁰),

- curbe (5⁰),

- inelare (6⁰).

In raport cu pozitia nivelului aval al lichidului fata de creasta deversorului exista:

- deversoare libere (neinecate), daca nivelul aval al lichidului este sub creasta deversorului (h_av< P)

- deversoare inecate, daca nivelul aval al lichidului depaseste creasta deversorului (h_av > P), (figura 1).

In sfarsit dupa conditiile de acces ale apei (figura 2d) exista:

- deversoare fara contractie laterala, la care latimea B a canalului de acces este egala cu latimea b a frontului deversant (figura 2d₁)

- deversoare cu contractie laterala (b < B), la care liniile de curent sunt deviate in plan orizontal si formeaza zone de desprinderi. Contractia laterala apare si in cazul fractionarii frontului deversant prin prezenta pilelor. Contractia laterala poate fi de asemenea partiala (figura 2d₂) sau totala (figura 2d₃).

1.2. Calculul debitului evacuat de un deversor

Structura formulei de calcul a debitului deversat se determina prin consideratii teoretice, iar coeficientul de debit se determina experimental. Daca se considera lama deversanta ca o suma de lame elementare de inaltime dz si latime b(z), debitul teoretic elementar evacuat va fi:

iar debitul total:

Daca se cunoaste forma sectiunii transversale se poate stabili forma concreta, finita, a relatiei (1.). Astfel:

a) in cazul unui deversor dreptunghiular, deoarece b = constant, se obtine imediat :

sau daca viteza de apropiere v₀ nu este neglijabila rezulta:

Coeficientul m poarta numele de coeficient de debit al deversorului si variaza in limite destul de largi (m = 0,300,55) in functie de caracteristicile geometrice si hidraulice ale deversorului. Ele se calculeaza cu o formula de tipul

in care σ, ε, k sunt coeficienti de corectie, egali cu unitatea cand deversorul se afla in conditii normale si diferiti de unitate cand exista abateri de la aceste conditii. Principalele abateri sunt:

- inecarea deversorului, a carei influenta se introduce prin coeficientul de inecare σ ;

- contractia laterala, introdusa prin coeficientul de contractie ε ;

- oblicitatea deversorului, introdusa prin coeficientul k.

Deversorul fara inecare, fara contractie laterala, asezat perpendicular pe albie, se considera ca avand conditii normale si deci σ = 1, ε = 1, k = 1. De asemenea se considera conditie normala curgerea in albie de sectiune dreptunghiulara, ceea ce determina structura relatiei (2) si care se schimba pentru alte forme ale sectiunii.

In conditii normale m = m₀ , coeficientul numindu-se coeficient de forma si depinzand de profilul transversal. Acest coeficient s-a determinat pe cale experimentala si exista un numar mare de formule care dau valorile acestuia, cu rezultate ce difera de la autor la autor cu pana la 5 %.

Pentru deversoarele cu muchie ascutita, fara contractie laterala, se pot folosi formulele propuse de :

- Bazin (in 1898)

Al doilea termen din prima paranteza reprezinta corectia pentru influenta tensiunii superficiale, iar paranteza mare reprezinta corectia pentru viteza de apropiere (acces) v₀ .

- Rehbock (in 1929), (erori sub 1 %)

Pentru deversoarele cu contractie laterala, studiate prima oara de Frese, se poate utiliza formula propusa de S.I.A.S. (Societatea inginerilor si arhitectilor din Elvetia) in anul 1947:

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

b) in cazul unui deversor triunghiular se obtine :

si dupa integrare:

Acest deversor este foarte indicat pentru masurarea debitelor mici, data fiind sensibilitatea mai mare a acestui deversor in raport cu H. Pentru calculul lui μ se indica formulele:

- Barr μ = 0,565 + 0,0868 H^-0,05

- Cone μ = 0,6222 H^-0,02

In practica se obisnuieste sa se lucreze cu α = 90⁰ si s-a determinat experimental μ = 0,60. Se obtine formula lui Thompson:

Foarte des se foloseste formula lui Gourley:

c) in cazul unui deversor de sectiune trapezoidala, debitul poate fi calculat ca suma debitelor printr-un deversor dreptunghiular de latime b si printr-un deversor triunghiular cu unghiul la varf α (triunghi egal cu suma triunghiurilor marginale, cu unghiul la varf α/2). Se obtine:

In mod analog se pot obtine formule si pentru alte forme ale sectiunii transversale.

1.3. Deversoarele cu profil practic

A. Descriere si rol functional

Deversoarele cu profil practic sunt deversoare la care profilul EFG este realizat cu elemente curbe (figura 2a₂) si care sunt folosite la realizarea practica a portiunii deversante a barajelor din beton. Forma profilului longitudinal a rezultat din necesitatea de a ghida lama deversanta si a evita fenomenul de neaerare a lamei. Aceste deversoare pot fi de doua feluri: cu profil fara vacuum si cu profil cu vacuum.

Deversoarele cu profil practic (curb) fara vacuum sunt astfel construite incat suprafata de contact a lamei deversante cu paramentul deversorului sa nu apara vacuum. In ipoteza unui fluid perfect profilul care satisface aceasta conditie este cel realizat dupa forma panzei inferioare a lamei aerate la un deversor cu muchie ascutita (figura 3.). Este evident ca o asemenea conditie se poate satisface doar pentru o singura valoare a sarcinii deversorului, la care se calculeaza coincidenta formelor, sarcina numita de calcul H_c . Profilul construit in acest mod se numeste profil Bazin. La un astfel de profil se asigura o scurgere linistita a apei, fara spatii depresionare si cu coeficienti de debit mari. Cand conturul profilului deversorului este plasat sub intradosul lamei, la deversare apar zone depresionare, profilul se numeste vacuumat si are coeficient de debit marit. Datorita scurgerii instabile, produsa de spatiile depresionare, apar insa vibratii care pot pune in pericol barajele zvelte, ceea ce conduce la o limitare a domeniului de utilizare a deversoarelor vacuumate.

Revenind la deversoarele fara vacuum trebuie mentionat ca profilul Bazin nu indeplineste bine conditia enuntata, deoarece lichidul real difera de cel perfect (prin vascozitate). Cu scopul de a gasi forma optima a profilului deversorului, care sa satisfaca conditiile de presiune, s-au efectuat studii numeroase si ca urmare au aparut un numar mare de profile, printre care cele propuse de Marchi, Creager, Ofiterov, 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 - Ofiterov. In tabelul 1 si in figura se dau coordonatele a doua asemenea profile: profilul A cu parament amonte vertical (m₀ = 0,49) si profilul B cu paramentul amonte inclinat la 45⁰ (m₀ = 0,48). Coordonatele (x^x, y^x) se dau pentru sarcina H^x = 1 m.

Coordonatele profilului deversor Creager - Ofiterov pentru H = 1 m

Pentru o sarcina Hc≠1 m, coordonatele profilului curbiliniu se deduc prin multiplicare cu Hc , adica:

Cele doua tipuri diferite A si B ale acestui profil rezulta din necesitatea racordarii profilului curbiliniu al deversorului la cei doi paramenti (amonte si aval) ai barajului. Avand in vedere ca inclinarile λ si λ₁ ale celor doi paramenti sunt determinate, ca si H_c , profilul curbiliniu trebuie incadrat intr-un spatiu bine precizat MNPR, tangent la parametrul aval, asa cum se vede din figura 5. Daca profilul deversorului isi are originea in afara cadrului MNPR (ca in figura 5a) racordarea cu parametrul amonte al barajului se face cu o verticala, rezultand tipul de deversor A, iar daca origina ramane in interiorul cadrului MNPR (ca in figura 5b) racordarea cu parametrul amonte se face cu o dreapta la 45⁰ , rezultand tipul de deversor B.

Cercetari mai recente efectuate de W.E.S. au condus la recomandarea unor profile deversante definite prin relatii de tipul

in care k si n sunt parametri care depind de panta parametrului amonte. In figura 6. sunt prezentate cateva tipuri de asemenea profile. Coeficientul lor de debit are valori cuprinse intre 0,48 si 0,50.

B. Calculul debitului evacuat de un deversor cu profil practic

Debitul evacuat de un deversor cu profil practic se determina cu o formula de forma

in care pentru m se foloseste relatia (3.). Valorile coeficientului de debit m₀ se corecteaza, dupa caz, pentru diferite abateri: de la sarcina de calcul H_c, influenta vitezei de acces, contractie, inecare etc.

In cazul in care grosimea lamei deversante H devine mai mare decat cea pentru care a fost calculat deversorul, H_c , incep sa apara depresiuni care maresc coeficientul de debit; in acest mod debitul evacuat poate creste cu pana la 10 % fara a se produce vibratii periculoase. La o scadere a lui H, sub valoarea lui H_c , coeficientul de debit se inrautateste. De regula functionarea deversorului se face la sarcini H ≤ H_c . In acest caz pentru calculul coeficientului de debit pot fi folosite urmatoarele formule datorate lui N.N.Pavlovski si valabile pentru P > 5 m .

Profilul A

Profilul B:

In cazul deversoarelor cu contractie laterala, sau cu pile intermediare, trebuie introdus, conform formulei (3), coeficientul ε . Dupa Creager se poate folosi formula

iar lungimea contractata bc rezulta:

In aceste formule n reprezinta numarul contractiilor laterale (n = 2 pentru un deversor cu o singura deschidere, n = 4 pentru un deversor cu doua deschideri etc.), iar ζ un coeficient care tine seama de forma pilelor, avand valorile date in figura 7 a. Valorile coeficientului ζ scad cand pila avanseaza in amonte de creasta deversorului (figura 7 b). In tabelul 2 se prezinta aceste valori pentru diferite marimi ale avansului pilei "a" fata de creasta deversorului.

In situatiile in care nivelul apei din aval depaseste cota crestei deversorului (Z < H), curgerea este inecata si capacitatea de evacuare scade, ceea ce se ia in considerare prin coeficientul de inecare σ . Experientele au aratat ca daca raportul Z/P este mai mare decat o anumita valoare critica lama deversorului este libera, iar racordarea cu nivelul aval se face cu salt indepartat. In aceasta situatie, scurgerea peste deversor nu mai depinde de inaltimea apei in bieful aval, σ = 1. Daca raportul se produce inecarea lamei.

Pentru deversorul cu muchie ascutita valoarea coeficientului de inecare se poate calcula cu relatia:

Pentru deversorul cu profil practic, valorile coeficientului de inecare se dau tabelar in functie de raportul : (tabelul 3)

C. Determinarea adancimii contractate

Sectiunea minima a lamei deversante se realizeaza la piciorul aval al deversorului (figura 8), fie ea C -C. Adancimea apei in aceasta sectiune se numeste adancime contractata si se noteaza cu h_c.

Calculul acesteia se poate face scriind relatia lui Bernoulli pentru doua puncte de pe suprafata libera a apei in amonte si in sectiunea contractata:

cum

si notand

se obtine

in care

Deoarece debitul specific este :

se obtine

din care se determina h_c prin aproximatii succesive.

D. Elemente constructive

Deversoarele cu profil practic se utilizeaza in mod curent la barajele masive din beton (de greutate, greutate in arc, evidate), la care centrala nu se gaseste la piciorul barajului. Profilul deversorului se racordeaza cu parametrul aval al barajului, asa cum s-a aratat in figura 5, dupa care racordarea se face cu disipatorul de energie. Cu scopul de a evita volume mari de excavatii si lucrari suplimentare, amplasarea deversorului in profilul transversal al vaii se face in zona albiei minore, iar latimea deversorului este conditionata de latimea acesteia (figura 9). Pentru ca apa deversata sa nu se raspandeasca pe paramentul aval, lama este ghidata de doua ziduri marginale pana in disipatorul de energie. Astfel de deversoare s-au realizat in tara noastra la barajele Izvorul Muntelui-Bicaz (patru campuri deversoare avand fiecare b = 11,50 m si putand evacua un debit maxim de 2400 m³/s), Portile de Fier I (14 campuri de cate 25 m, despartite prin pile de 7 m grosime, 15000 m³/s), Stramtori, Poiana Uzului etc.

In unele cazuri, cand configuratia terenului permite acest lucru, deversorul frontal se amplaseaza pe unul din versanti, sau chiar pe ambele, la racordul cu malul (barajul Tarnita pe Somes), fiind urmat de un canal cu panta rapida, care conduce apa ,in albia raului (vezi paragraful 1.5.).

La barajele evidate sau cu contraforti, in zona deversorului, paramentul aval se realizeaza sub forma unei placi deversante tip trambulina sau racordata la disipator (de exemplu barajul Firiza).

La barajele descompuse amplasarea deversorului in corpul barajului se face prin amenajarea unuia dintre campuri ca bloc deversor.

Fig. 9. Vedere aval a unui baraj deversor din beton

In cazul barajelor arcuite, la cele cu bolti multiple si la cele in pile si placi, profilul practic al deversorului se racordeaza cu un aruncator-nas, lama de apa fiind lasata sa cada liber in aval de baraj (figura 10), la distanta suficient de mare de piciorul aval al barajului (de exemplu in cazul barajelor Vidraru - Arges, Negovanu - Sadu, Galbenu - Lotru, Teliuc s.a.).

In multe cazuri deversoarele sunt echipate cu stavile plane, segment sau clapeta, (exemplu barajul Izvorul Muntelui - Bicaz, barajul Portile de Fier I etc.). Aceste deversoare evacueaza debite importante, cu inaltimi mari ale lamei deversante, fara a cobori nivelul de retentie.   Aceasta constituie un avantaj, caci se evita o pierdere de cadere.

Este indicat ca punctul de sprijin al stavilei sa nu se gaseasca chiar pe creasta deversorului, ci la o oarecare distanta in aval, pentru a evita situatia in care la ridicarea stavilei jetul de apa sa fie orientat pe orizontala. Acest punct de sprijin se stabileste prin studii pe model astfel incat jetul sa tasneasca pe o directie paralela cu paramentul aval.

De asemenea prin studii pe model se stabileste modalitatea de deschidere a stavilelor (ordinea de deschidere, gradul de ridicare a fiecarei stavile in fiecare etapa), astfel incat sa nu se produca in aval (disipator si albia raului) fenomene periculoase. Aceste indicatii trebuie respectate cu strictete de personalul ce exploateaza barajele.