Rodzaje zapór i uwarunkowania ich realizacji. Zapory są istotnym elementem naszej. Ośrodek Technicznej Kontroli Zapór

Transkrypt

1 Władysław Jankowski, Iwona Chmielewska Ośrodek Technicznej Kontroli Zapór Rodzaje zapór i uwarunkowania ich realizacji Niedobór wody słodkiej w skali światowej oraz konieczność jej magazynowania dla zapewnienia potrzeb zwiększającej się populacji ludzkiej stwarza potrzebę budowy zbiorników wodnych ( GW nr 1/2008). Powstają one w wyniku budowy różnego rodzaju zapór. Przedstawiono podstawowe rodzaje budowanych na świecie zapór, wymagania techniczne i realizacyjne oraz ograniczenia związane z ich budową. Zapory są istotnym elementem naszej infrastruktury hydrotechnicznej. Mimo licznych głosów krytycznych, wynikających z niekorzystnego oddziaływania na środowisko, są i będą realizowane. Jest to związane z licznymi i ważnymi funkcjami tworzonych przez zapory zbiorników. Z uwagi na niedobór słodkiej wody na świecie za- Rys. 1. Zapora nasypowa z narzutem kamiennym (Dams and The World Water 2007) Fot. 1. Zapora ciężka betonowa (Dams and The World Water 2007) Rys. 2. Ciężka zapora betonowa (Dams and The World Water 2007) Gospodarka Wodna nr 7/

2 zapora powinna mieć odpowiednią wielkość przelewów i upustów zabezpieczających przed przelaniem wody ze zbiornika podczas ekstremalnych dopływów. Wymagania administracyjne: Fot. 2. Budowa zapory z betonu walcowanego Penn Forest (USA) (Dams and The World Water 2007) Fot. 3. Betonowa zapora łukowa (Dams and The World Water 2007) pory i zbiorniki wodne są niezbędnym elementem infrastruktury tworzonej przez człowieka. Kształtowanie zasobów wodnych poprzez budowę zapór i zbiorników jest metodą sprawdzoną, o czym świadczy ponad 50 tys. wielkich zapór (wg nomenklatury ICOLD) wybudowanych dotychczas na świecie. Zapory muszą więc spełniać techniczne i administracyjne wymagania zapewniające warunki bezpieczeństwa, skuteczną oraz ekonomiczną eksploatację. Projekt, budowa Wymagania techniczne: oraz eksploatacja wszystkich rodzajów zapór musi odpowiadać następującym technicznym i administracyjnym wymaganiom. zapora, fundament i przyczółki powinny zapewniać stateczność pod działaniem wszystkich rodzajów obciążeń (m.in. obciążenie wodą ze zbiornika, trzęsienie ziemi); zapora i podłoże powinny być dostatecznie wodoszczelne i wyposażone w odpowiednią aparaturę kontrolno-pomiarową do kontroli przecieków, pozwalającą na bezpieczną eksploatację oraz utrzymywanie projektowanej objętości wody w zbiorniku; zapora powinna mieć odpowiednią wysokość konstrukcji nadwodnej zapobiegającą przelaniu się fali powstającej na zbiorniku; przyczółki powinny mieć możliwość takiego samego osiadania jak fundament zapory; Zapora powinna mieć: możliwość ręcznej obsługi i uruchamiania urządzeń przepustowych, odpowiedni rodzaj oprzyrządowania do kontroli działania, plan pomiarów i kontroli stanu technicznego zapory i budowli towarzyszących, plan działania w wypadku zagrożenia, program okresowych inspekcji, przeglądów ogólnych, ocen oraz odpowiednich modyfikacji, dokumentację projektową, powykonawczą oraz zapisy działań eksploatacyjnych, wspierać środowisko naturalne. Przeznaczenie zapór Tak jak w wypadku wszystkich wielkich konstrukcji zarówno prywatnych, jak i publicznych zapory są budowane z określonym przeznaczeniem. W zamierzchłych czasach były budowane jako budowle jednozadaniowe: do zaopatrzenia w wodę lub nawodnień. W związku z rozwojem cywilizacji obok zaopatrzenia w wodę i nawodnień zaczęły występować inne potrzeby, takie jak regulacja przebiegu fali powodziowej, żegluga, jakość wody, kontrola osadu oraz energetyka. Dziś zapory buduje się w wielu różnych celach. Czasami dodatkowym zyskiem dla ludności jest wykorzystywanie rekreacyjne zbiorników wodnych. Zapory są kamieniem węgielnym w rozwoju i gospodarowaniu zasobami wodnymi w dorzeczach rzek. Zapory wielozadaniowe są bardzo ważnym elementem rozwoju poszczególnych państw, gdyż ludność uzyskuje korzyści ekonomiczne z własnych, pojedynczych inwestycji. Rodzaje zapór Klasyfikację zapór prowadzi się na podstawie rodzaju materiałów użytych do ich budowy. Zapory wykonane z betonu, kamienia lub murowane nazywane są zaporami ciężkimi, łukowymi bądź filarowymi. Zapory budowane z gruntu lub skał nazywa się zaporami nasypowymi. 286 Gospodarka Wodna nr 7/2008

3 Zapory nasypowe są wykonywane przy użyciu narzutu ziemnego bądź skalnego lub kombinacji narzutu ziemnego i skalnego. Projektanci decydują się na ten rodzaj zapór zwykle wtedy, gdy grunt lub skały występują na obszarze projektowanej zapory w wystarczającej ilości. Zapory nasypowe stanowią ok. 75% wszystkich rodzajów zapór na świecie. Budowane wyłącznie z gruntu nazywa się ziemnymi, a z narzutu skalnego narzutowymi. Wiele z zapór jest wykonanych w kombinacji gruntu i narzutu skalnego są to zapory ziemne z narzutem kamiennym. Zapory ciężkie z uwagi na ciężar własny są konstrukcją, która w wystarczający sposób przejmuje obciążenia od magazynowanej w zbiorniku wody. Niektóre z wcześniej wybudowanych zapór (te wykonane z bloków ceglanych i betonu) znane są pod nazwą zapór murowanych. Obecnie zapory ciężkie wykonywane są głównie z betonu wylewanego lub betonu walcowanego w technologii tzw. RCC (beton układany warstwami, który potem jest dogęszczany poprzez walcowanie). Zapory łukowe są to zapory betonowe zakrzywione w kształcie łuku w kierunku przepływu wody w rzece. Większość z nich buduje się w wąskich wąwozach. Parcie napierającej na ten typ zapory wody przenoszone jest, z uwagi na kształt zapory, poprzez przyczółki na ściany skalne wąwozu. Zapory łukowe wymagają do budowy znacznie mniej betonu niż o analogicznej długości zapory ciężkie. Z drugiej jednak strony niezbędna jest odpowiednia wytrzymałość skał zarówno tworzących brzegi doliny, jak też podłoże zapory. Nazwa zapory filarowe (czasami przyporowe) bierze się z szeregu pionowych podpór, jakie ma zapora, zwanych filarami. Filary są rozmieszczone wzdłuż ściany zapory od strony dolnej wody. Ta ściana zapory filarowej jest pochylona zwykle pod kątem ok. 45 o. Konstrukcja zapory filarowej pozwala w ten sposób przenosić parcie wody na ścianę odwodną poprzez filary na fundamenty zapory. Należyte działanie zapory zapewniają różne konstrukcje i urządzenia. Należą do nich: zbiornik, przelewy, upusty i urządzenia kontrolne. W wypadku zapory z elektrownią wodną dochodzą jeszcze rurociągi zasilające, generatory i rozdzielnia. Zbiornik jest elementem gromadzącym wodę. Fot. 4. Zapora filarowa (Dams and The World Water 2007) Dlatego też musi być prowadzona stała kontrola dopływu, a zrzuty ze zbiornika dokonywane są pod kątem uzyskiwania maksymalnych korzyści (np. energetycznych). W okresie normalnych warunków działania poziom zbiornika jest utrzymywany tak, aby zapewnić wymagany poziom dolnej wody. Wykonuje się to zwykle za pomocą urządzeń upustowych. W warunkach powodzio- Fot. 5. Zapora nasypowa w Idaho (USA). Przelew boczny (Dams and The World Water 2007) Gospodarka Wodna nr 7/

4 Fot. 6. Zapora betonowa łukowa. Przelewy centralne (Dams and The World Water 2007) wych poziom zbiornika utrzymują przelewy i urządzenia upustowe łącznie. Poziom zbiornika służącego do regulacji przepływu w rzece jest utrzymywa- ny w taki sposób, by był przygotowany na przejęcie w okresie powodzi maksymalnej objętości fali powodziowej. Przy przeznaczeniu do nawodnień zbiornik jest napełniany wczesną jesienią i w okresie zimowym do maksymalnej wysokości, zaś bezpiecznie opróżniany w okresach niedoborów wody. Zbiorniki zrealizowane do celów energetycznych z reguły starają się utrzymać stały poziom wody, aby zapewnić ciągłość spadu hydroelektrowni. Jakość wody jest istotnym aspektem dla podtrzymania równowagi w przyrodzie pomiary dla zachowania jakości wody są włączone w system niezbędnych działań związanych ze współczesnymi Fot. 7. Budowa ciężkiej zapory łukowej Katse (Lesotho) (Dams and The World Water 2007) Fot. 8. Budowa ciężkiej zapory łukowej Villerest (Francja) (Dams and The World Water 2007) zaporami. Ujęcia wlotowe na różnych głębokościach pozwalają na selektywny wybór i mieszanie wody w taki sposób, aby uzyskać pożądaną temperaturę oraz zawartość tlenu niezbędną do poprawy warunków środowiskowych wody poniżej zapory. Przepławki dla ryb, szeregi basenów na różnych wysokościach wykonywanych lub już istniejących na współczesnych zaporach, pozwalają na niezakłóconą migrację ryb. Do ochrony ryb przed turbinami generatorów używa się specjalnych ekranów. Odkąd współczesne zapory stały się wielozadaniowe, przepływ musi być zagospodarowywany bardzo ostrożnie i w sposób ciągły, tak aby zoptymalizować korzyści ekonomiczne oraz potrzeby środowiska. Wszystkie czynności eksploatacyjne związane z zaporą są kontrolowane i kierowane z centrali lub sterowni. Wyposażona ona jest w niezbędne urządzenia (m.in. monitory, oprogramowane komputery, systemy komunikacyjne) pozwalające personelowi odpowiadającemu za eksploatację zapory na zachowanie jej bezpieczeństwa w każdych okolicznościach. Monitorowane są także warunki atmosferyczne, dopływ, poziom zbiornika oraz poziom wody poniżej. Dodatkowo z centrali kontroluje się fizyczne parametry ma- 288 Gospodarka Wodna nr 7/2008

5 teriałowe zapory i jej zachowanie na podstawie rejestrowanych wyników z zamontowanej w obiekcie oraz we wnętrzu zapory aparatury kontrolno- -pomiarowej. Wybór lokalizacji oraz rodzaju zapory Fot. 9. Zapora ziemna nasypowa (Dams and The World Water 2007) Rys. 3. Podział zapór z materiałów miejscowych z uwagi na konstrukcję (Fanti 1972) Wybór rodzaju zapory w stosunku do projektowanej lokalizacji zależy od możliwości rozwiązań technicznych, ekonomiki przedsięwzięcia oraz uwzględnienia istniejących warunków środowiskowych. Na wczesnym etapie projektowania zapory szczegółowo rozpatruje się kilka wariantów lokalizacyjnych oraz możliwych rodzajów zapór. Po wykonaniu opracowań hydrologicznych przygotowywany jest program badawczy dla każdej z projektowanych lokalizacji. Obejmuje on niezbędne wiercenia geologiczne dla określenia fizycznych cech gruntów i skał podłoża, a także próbne wykopy. W niektórych wypadkach, aby ocenić potencjalne przesiąki, wykonuje się próbne pompowanie. Przygotowywany jest kosztorys projektu oraz inne niezbędne opinie i analizy dotyczące: hydrologii, hydrauliki, geotechniki i geologii. W wyborze lokalizacji uwzględnia się także ekologiczne wymogi jakości wody, istniejące systemy ekologiczne oraz zasoby kulturowe. Wskaźnikami, które są brane pod uwagę przy wyborze rodzaju zapory, są: topografia, geologia, warunki posadowienia, hydrologia, trzęsienia ziemi i możliwość pozyskiwania materiałów do budowy. Podłoże pod budowę zapory powinno być odpowiednio wytrzymałe i najlepiej lite. Wąskie doliny z płytko położonymi skałami preferują zapory betonowe. Szerokie doliny, o zróżnicowanym położeniu podłoża skalnego, są właściwe do realizacji zapór nasypowych. Ziemne zapory nasypowe są powszechnie stosowanym rodzajem zapór z uwagi na możliwość wykorzystania do ich budowy całej objętości urobku z wymaganych wykopów. Możemy wyróżnić następujące konstrukcje zapór nasypowych z materiałów miejscowych (rys. 3): zapory bez odrębnych elementów uszczelniających (a jednorodna, b strefowana), zapory z elementami uszczelniającymi (c z rdzeniem gruntowym, d z rdzeniem niegruntowym przepona, e ze skarpowym elementem uszczelniającym niegruntowym, f z ekranem gruntowym, g z gruntowym rdzeniem pochyłym). Rysunek ilustruje wyłącznie konstrukcję samej zapory, bez względu na rodzaj podłoża. Budowa zapory Wykonanie zapory jest przedsięwzięciem wymagającym wielkiej ilości materiałów, wyposażenia oraz pracowników różnej specjalności. Budowa trwa zwykle ok. 4 5 lat, a dla zapór projektowanych jako wielozadaniowe nawet 7 do 10 lat. Budowa zapory rozpoczyna się po przeniesieniu z dna doliny i zmianie tras istniejących poniżej oraz powyżej projektowanej zapory i zbiornika dróg, linii elektrycznych i sieci gazowych. Pierwszym etapem przygotowania terenu budowy jest likwidacja zadrzewienia i innej niepożądanej roślinności, a także budynków mieszkalnych, gospodarczych i innej zbędnej zabudowy. Po zmianie kierunku koryta rzeki przygotowywane są warunki do rozpoczęcia wykopów, a następnie bezpośrednia realizacja konstrukcji zapory. Budowę zapory prowadzi się z reguły na szerokości połowy koryta rzeki, podczas gdy cały przepływ rzeki jest przepuszczany drugą połową. W niektórych wypadkach bardziej opłacalne jest wykonanie kanału lateralnego, bądź tunelu w przyległej ścianie doliny. Taki tunel może być budowlą okresową lub też częścią projektowanych upustów i pozwala na przerzucenie przepływu rzeki poza obszar bezpośred- Gospodarka Wodna nr 7/

6 Autor po wnikliwych badaniach modelowych przeprowadzonych w Instytucie Budownictwa Wodnego PAN w Gdańsku przedstawia wzór na graniczną zdolność kotwiącą płyt i na średnie graniczne ciśnienie na powierzchni kwadratowej płyty kotwiącej. Z wzorów tych wynikają zależności pochodne: na graniczną zdolność kotwiącą i na graniczne przemieszczenie płyt kotwiących. Fot. 10. Przykład pozytywnych relacji wykonanego zbiornika ze środowiskiem (Dams and The World Water 2007) niej budowy zapory w czasie trwania robót. Przy przyjęciu wariantu z budową tunelu bądź kanału lateralnego wykonywane są w korycie rzeki powyżej tych budowli tamy podłużne, kierujące wodę do tunelu lub kanału. Po wykonaniu projektowanych upustów bądź przelewów następuje skierowanie na nie przepływu rzeki dla zabezpieczenia się przed możliwością przelania się wody na etapie realizacji pozostałej części zapory. Czasami zapewnienie suchego placu budowy wymaga skonstruowania grodzy poniżej. W końcowym okresie budowy zapora na całej długości jest budowana do pełnej, projektowanej wysokości. Podsumowanie Budowa zapór i zbiorników ma wpływ na środowisko. Następują zmiany w naturalnym cyklu hydrologicznym, zbiorowiskach roślinnych i warunkach życia zwierząt. Skala tego wpływu zależy od powierzchni i warunków przyrodniczych obszaru, na którym przewidywany jest rozwój, a także od rozwiązań technicznych zapory i zbiornika. Troska o kwestie środowiskowe, w tym prognoza wpływu podjętych działań na środowisko, powinna być niezbędnym elementem cyklu planowania i projektowania zapory. Właściwy wybór lokalizacji zapory uwzględniający stan środowiska przyrodniczego, łącznie z poprawnie wykonanym projektem, który ogranicza zmiany w istniejących warunkach przyrodniczych, pozwalają na minimalizację szkodliwego wpływu zapory na środowisko. Popieranie i wspomaganie planu zarządzania zasobami wodnymi o szerokim zasięgu może poprawić ochronę środowiska zarówno dla istniejących, jak też nowo projektowanych zapór i zbiorników wodnych. Zależnie od regionalnych czy lokalnych potrzeb projekt powinien obejmować ochronę, łagodzenie i poprawę istniejących warunków środowiskowych. Ważne, dla środowiska przyrodniczego, działania można podjąć także na etapie eksploatacji obiektu. Można np. część zbiornika wydzielić na potrzeby rozwoju terenów bagiennych, organizmów wodnych i zwierząt. Dla ochrony cennych siedlisk można budować sztuczne wyspy, dodatkowe zapory boczne. Wiele istniejących już zapór w Europie i Azji zmodyfikowano w taki sposób, aby spełniały wymogi ekologiczne. Jako przykład można wymienić zbiornik Rottach w Bawarii (Niemcy). Rozwiązania takie są możliwe do przeprowadzenia w większości istniejących i projektowanych zbiorników wodnych na świecie. LITERATURA 1. Dams and The World Water. ICOLD K. FANTI i in., 1972: Budowle piętrzące, Arkady. 3. Zapory wodne a środowisko. Deklaracja ICOLD Płyty kotwiące są istotnym elementem konstrukcji nabrzeży oczepowych. Zapewniają im bowiem równowagę, przyjmując na siebie poprzez zakotwienie w gruncie parcie gruntu działające na ściankę szczelną tych nabrzeży (rys. 1 GW nr 2/2007). Zakotwienia płytami kotwiącymi są znacznie tańsze od tych za pomocą kozłów palowych. Dlatego są często i chętnie stosowane do umocnienia brzegów rzek, kanałów i zbiorników wodnych oraz drugorzędnych nabrzeży portowych. W związku z tym celowe było opracowanie dobrego wzoru określającego ich zdolność kotwiącą. Źródłem tej zdolności jest odpór gruntu. Wzbudza się on z chwilą, gdy płyty naciskają na grunt, przemieszczając się w następstwie parcia gruntu na ściankę szczelną. Gdy teoria ze względu na niezwykle skomplikowany przebieg fizycznego zjawiska jest bezradna i nie jest w stanie podać miarodajnego rozwiązania (tj. sprawdzonego doświadczalnie), to wtedy zachodzi niezbędna konieczność posłużenia się badaniami modelowymi. Z taką sytuacją mamy do czynienia w szczególnym i osobliwym przypadku określania zdolności kotwiącej płyt kotwiących. W związku z tym wymuszone zostały kosztowne i żmudne wieloletnie badania modelowe opublikowane przez W. Buchholza [1, 2], H. Petermanna [2, 5] i St. Hückla [3, 4]. Były one jedyną możliwością rozwiązania tego zagadnienia. W okresie późniejszym zajmowałem się tym zagadnieniem w znacznie szerszym zakresie, badając cały przebieg kształtowania się procesu odporu. W wyniku przeszło 250 żmudnych, kosztownych, 10-letnich badań modelowych wykonanych pod kierunkiem prof. Hückla podałem m.in. empiryczną zależność na graniczną zdolność kotwiącą płyt [8, 9]. 290 Gospodarka Wodna nr 7/2008