REGIONALNI VODOVODNI SISTEM LOPATNICA - PRILOG
JEDNOM SAVREMENOM PRISTUPU ZA PROJEKTOVANJE
PRIBRANSKIH BETONSKIH KONSTRUKCIJA
Žika Smiljković, Dipl. Inž.
Tamara Šumar, Dipl. Inž.
Energoprojekt – Hidroinženjering, A.D. Beograd
Rezime
Sistem za vodosnabdevanje „Lopatnica“ čine nasuta brana sa kontrolisanim prelivom i prateći
pribranski objekti među kojima su brzotok sa slapištem, vodozahvatna kula, optočni tunel i dva
mosta – za pristup vodozahvatnoj kuli i prelaz preko preliva. Početna geološka istraživanja su
pokazala da se prateći objekti fundiraju u peridotitima različitog stepena ispucalosti u
zavisnosti od dubine.
U ovakvim geotehničkim uslovima projektant je trebalo da definiše noseće sisteme konstrukcija,
materijale za konstrukcije i da iste potkrepi odgovarajućim statičkim i seizmičkim proračunima.
Radi se o nivou Idejnog projekta na kome je trebalo obaviti ova razmatranja.
Stenska masa kao integralni deo konstrukcije je idealizovana tako da ponašanje sistema stenabeton zadovoljavajuće odgovara ponašanju konstrukcije u toku građenja i eksploatacije. Ovo
postavlja pristup projektanta ispred klasičnih pristupa ograničenih samo na betonsku
konstrukciju. Noseći sistem, izvan onoga koji obezbeđuje stenska masa, je projektovan od
betona i armiranog betona. Za analizu napona i deformacija u konstrukcijama na nivou Idejnog
projekt, primenjeni su dvodimenzionalni proračunski modeli. Ovde je metod konačnih
elemenata našao svoju punu primenu, posebno imajući u vidu kompozitne proračunske modele
stena-beton, što ovu metodu čini atraktivnijom u odnosu na njene efekte u klasičnom
zgradarstvu.
Kljucne reci: beton, stenska masa, noseći sistem beton-stena, metod konačnih elemenata.
UVOD
Definisanje tehničkih rešenja konstrukcija je bilo jedan od osnovnih zadataka Idejnog
projekta Regionalnog vodovodnog sistema Lopatnica. U tu svrhu, projektant je trebalo
da definiše noseće sisteme konstrukcija, materijale za konstrukcije i da iste potkrepi
odgovarajućim statičkim i seizmičkim proračunima. Za potrebe definisanja tehničkih
rešenja u Idejnom Projektu, Projektant je trebalo da koristi rezultate izvršenih geoloških
istražnih radova.
Umirujući bazen
Nasuta brana
Brzotok
Optočni tunel
Preliv sa ustavama
N
W
Vodozahvatna kula
E
S
Sigurnosni preliv
Šematski prikaz pribranskih konstrukcija RVS Lopatnica
REZIME O IZVRŠENIM ISTRAŽNIM RADOVIMA
Istrazne radove za fazu idejnog projekta je izvrsio Institut J. Černi, Beograd.
Istraživanja su ukazala da se u zoni fundiranja objekata radi o stenskoj masi homogenog
litološkog sastava, a da u inženjerskogeološkom smislu istu karakteriše manja
heterogenost i nešto više izražena anizotropija u horizontalom u odnosu na vertikalni
pravac. Takođe, laboratorijska ispitivanja na uzorcima stene su dovela do zaključka da
je stena na mestima uzorkovanja bila jako izmenjena procesom serpentizacije koji je
uticao na smanjenje fizičko-mehaničkih svojstava stene. U pogledu pukotinske
poroznosti klasifikovani su :
intenzivno ispucali peridotiti u pripovršinskoj stenskoj masi i u rasednim zonama,
dubina prostiranja 2.5 do 6.5 m, RQD = 30-45%,
umereno ispucali peridotiti, dubina prostiranja 5 do 15 m, RQD = 60-75%, i
malo ispucali peridotiti, dubina prostiranja od 15 m nadalje, RQD ≥75%.
Izuzev portalnih deonica i zona presecanja raseda procenjeno je da će se najveći deo
preostale deonice optočnog tunela izvoditi u perodotitima male ispucalosti koji su
ocenjeni kao sredina solidnih geotehničkih svojstava. Rasedi koji su u istražnim
elaboratima obeleženi sa R2 i R10, su nađeni da će prognozno presecati trasu optočnog
tunela u njenom središnjem delu
Analizom seizmičkog hazarda, koja je obuhvatila pregled seizmotektonskih uslova u
širem regionu lokacije, određena je frekvencijalna distribucija magnituda zemljotresa i
izvršen je proračun seizmičkog hazarda, max horizontalnog ubrzanja i max horizontalne
brzine, sve relevantno za zonu objekata brane. Pri ovome, max horizontalno ubrzanje na
površini terena lokacije pribranskih objekata, je određeno na bazi geotehničkih modela
koji su bili formirani na osnovu rezultata refrakcione seizmike dobijenih na
laboratorijskim uzorcima stene.
U daljem se daje prikaz parametara seizmičkih rizika usvojenih za fazu idejnog
projekta:
Z1 (normalni projektni zemljotres): ah =0.17g, av =0.11g, povratni period 218 god.
Z2 (maksimalni projektni zemljotres): ah =0.22g, av =0.14g, povratni period 949
god.
STENSKA MASA KAO INTEGRALNI DEO NOSEĆE KONSTRUKCIJE
Ovde se radi o zonama stenske mase koje u procesu prijema opterećenja sadejstvuju sa
konstrukcijama od betona, i kao takve predstavljaju integralni element nosećeg sistema
beton-stenska masa. Obim pružanja ovih zona je definisan konturama proračunskih
modela. Pod terminom „opterećenje“ se u konkretnom slučaju, između ostalog,
podrazumeva: sopstvena težina stenskog materijala, primarni (početni) pritisci u
stenskom masivu, hidrostatički pritisak na betonske delove nosećeg sistema, sopstvena
težina betonskih elemenata konstrukcije, pritisak od kontaktnog injektiranja, pritisak
nasutog materijala na betonske elemente konstrukcije, itd.
Stenska masa u zonama gde su projektovane pribranske konstrukcije je klasifikovana u
tri kvazihomogene zone:
Zona intenzivno ispucalih peridotita (1),
Zona umereno ispucalih peridotita (2), i
Zona malo ispucalih peridotita (3)
U kontinuitetu gornjega, formirano je nekoliko inženjerskogeoloških odnosno
geotehničkih modela stenske mase u kojima su modelirana fizičko-mehanička i
hidrogeološka svojstva iste od interesa za proračun konstrukcija.
Opis
Ed
γ
3
(zona stenske (kN/m ) (MPa)
mase)
(1)
25.5
(2)
27.6
(3)
26.8
μ
τ
(MPa)
φ
σ(MPa)
Stepen
Monoaksi- vodopropusnosti
jalna čvstoća
Vodopropusna
1030 0.30 0.14 ÷ 0.70 22º ÷ 30º
27
sredina
Vodonepropusna
4000 0.28 0.35 ÷ 2.13 24º ÷ 32º
40
sredina
Vodonepropusna
6000 0.26 0.54 ÷ 2.67 26º ÷ 37º
42
sredina
Ovim modelima je za fazu idejnog projekta pripisano svojstvo homogenosti i
anizotropije. Takodje, usvojen je zakon linearne promene pocetnih napona po dubini
geo-stuba, što podrazumeva dominiranje geostatičkih efekata. Odnos: horizontalne
prema vertikalnoj naponskoj komponenti λ= 0.35, je usvojen kao konstanta po
geostatičkoj dubini.
O IZBORU MATERIJALA I NOSEĆIH KONSTRUKTIVNIH SISTEMA
S obzirom na vododrživost kao jednu od glavnih operativnih uloga pribranskih
konstrukcija, noseći sistem konstrukcija izvan onih koje obezbeđuje sama stenska masa,
su projektovani od betona i armiranog betona.
Imajući u vidu odnos krutosti različitih tipova konstrukcija i stenske mase i prirodu
prenosa eksploatacionih opterećenja, u idejnom projektu su definisane tri vrste
betonskih konstrukcija:
Konstrukcije koje nemaju interaktivni odnos sa stenskom masom, kao što su to
konstrukcije servisnih mostova.
Betonske konstrukcije koje su delimično ili po celom obimu u kontaktu sa
stenskom masom, kao što su to – optočni tunel, vodozahvatna kula, brzotok i
slično.
Fleksibilna konstrukcija (primenjena kod tunela i stenskih kosina) koja uključuje
armiranje i fleksibilnu oblogu stenske mase (torkret i tenzioni ankeri).
Dva poslednja od navedenih tipova konstrukcija u sadejstvu sa stenom oformljuju
sistem beton-stenska masa, koji se kompozitno suprotstavlja eksploatacionim
opterećenjima.
Šematski prikaz konstrukcije umirujućeg bazena – konstrukcija u kontaktu sa stenskom masom
U slučaju fleksibilnih konstrukcija, koje su u opštem slučaju komponovane od
samonosivog prstena stenske mase, treba istaći njihovo kompozitno delovanje u procesu
prenosa eksploatacionih opterećenja. Zadatak ovog sistema je demobilizacija
sekundarnih pritisaka stenske mase na betonske delove konstrukcija, čime se značajno
pospešuje ekonomičnost betonske obloge. Primarni sistem za osiguranje samonosivosti
stenske konstrukcije, ili takozvani sistem za ojačanje stenske konstrukcije, je predviđen
od čeličnih remenata, normalnog portland-cementnog torkreta MB30, ojačanog
čeličnom mrežom. Ulogu armiranja stenske mase u ovom slučaju preuzimaju stenski
ankeri od čelika kvaliteta Č0501, RA 400/500.
Pločasti ili površinski sistemi od armiranog betona su usvojeni kao glavni noseći
elementi konstrukcija kao sto su to – tuneli, vodozahvatna kula, brzotok i slično. S
obzirom na ulogu koja je dodeljena fleksibilnoj konstrukciji, betonske konstrukcije
dobijaju ulogu hermetizatora (barijere) u odnosu na vodenu komponentu, bilo da se radi
o podzemnoj vodi ili o vodi koju ove konstrukcije drže. Saglasno tome, betonske
konstrukcije su namenjene za prijem sopstvene težine, hidro pritisaka, zatim opterećenja
od zemljotresa, i da ih u interakciji sa stenskom masom prenesu na istu. Tako je sistem
beton-stenska masa u konkretnom slučaju ograničen na jednosmerno delovanje – prema
stenskoj masi, dok je obrnuti proces anuliran fleksibilnom konstrukcijom.
O METODI PRORAČUNA KONSTRUKCIJA
Za analizu napona i deformacija u konstrukcijama na nivou idejnog projekta primenjeni
su dominantno dvodimenzionalni proračunski modeli. Shodno usvojenom konceptu
ponašanja stenske mase, primenjen je princip kontinualnosti u proračunskim modelima,
u kojima su stenskoj masi, betonu i armiranom betonu, pripisana svojstva kontinualnih
sredina. Kod svih proračuna primenjen je metod konačnih elemenata.
Za konstrukcije u interakciji sa stenskom masom korišćen je programski paket
SAP2000-9, pri čemu je stenska masa po zonama modelirana kao homogena izotropna
sredina. Osnovni nedostatak primene ovog programskog paketa je u tome što ne
omogućava modeliranje stenske mase kao elastičnog poluprostora. Ovo je prevaziđeno
na taj način što je izolovan i posmatran onaj deo stenske mase u kome se očekuju
promene prirodne naponsko-deformacione slike usled interakcije sa konstrukcijom, uz
zadavanje odgovarajućih graničnih uslova po konturi.
Legenda
betonska konstrukcija
intaktna stenska masa
zona oštecena miniranjem
Model umirujućeg bazena sa graničnim uslovima po konturi
Takođe, pojavio se problem na kontaktu konstrukcije i podloge, jer se u prirodi pri
određenim kombinacijama opterećenja može desiti da dodje do lokalnih odvajanja
konstrukcije od podloge, što se u modelima manifestuje pojavom napona zatezanja.
Kako je pojava napona zatezanja na kontaktu betonske konstrukcije i stene nemoguća,
primenjen je iterativni pristup pri čemu su na mestima pojave napona zatezanja čvorovi
između elemenata fizički razdvojeni kako bi se u sledećoj iteraciji na istom mestu
pojavilo razmicanje čvorova. Primenom neke od novijih verzija programa ovakvi
problemi će moći da budu rešeni primenom veznog elementa „gap“ između pomenutih
čvorova. Ova veza dozvoljava isključivo pojavu napona pritiska među čvorovima, u
suprotnom dopušta njihovo slobodno razmicanje.
U slučaju analize fleksibilnih konstrukcija primenjen je program PHASE2, namenjen
prevashodno rešavanju problema iz oblasti mehanike stena. U ovim modelima
primenjen je Mor-Kulonov kriterijum tečenja. Analiza ponašanja konstrukcije je vršena
fazno, s obzirom da ono u mnogome zavisi od procenta izvršenih deformacija konture
iskopa. U prvoj fazi analiziran je nepodgrađen iskop, uz primenu teorije elastičnosti,
kako bi se locirale zone sa faktorom sigurnosti manjim od 1, odnosno zone u kojima se
javlja tečenje. U drugoj fazi posmatran je iskop u interakciji sa podgradom uz primenu
visko-elasto-plastičnog modela. Imajući u vidu idealizovan model stenske mase, kao i
procenu o vremenskom ponašanju stenskog materijala u zonama formiranja sekundarnih
naponskih polja, pretpostavljena je izvesnost aktiviranja pune nosivosti fleksibilne
konstrukcije u trenutku kada deformacija iskopa dostigne 30% svoje krajnje vrednosti.
ISPITIVANJE STABILNOSTI KONSTRUKCIJA
Za razliku od pristupa koji je primenjen pri proračunu napona i deformacija u
konstruktivnom sistemu beton-stenska masa, pri proračunu stabilnosti konstrukcije su
posmatrane kao nedeformabilna tela. Teorijski, i stabilnost objekta bi se mogla
analizirati primenom istih metoda sa zadavanjem odgovarajućih konturnih i prelaznih
uslova na kontaktu betona i stene. Međutim, s obzirom da je u pitanju nivo idejnog
projekta, analiza stabilnosti je izvršena primenom klasičnog pristupa.
Analiza stabilnosti za normalne eksploatacione uslove opterećenja i izuzetne uslove
opterećenja pri zemljotresu, odnosno, velikim vodama, pokazale su da su sve
konstrukcije stabilne, sa izuzetkom umirujućeg bazena koji se pokazao kao podložan
isplivavanju. Skoro izvesno prisustvo pulzacionih pritisaka na ploču umirujućeg bazena
iza brzotočnih zuba, proizvelo je opredeljenje za primenu prethodno napregnutih
kablova za osiguranje permanantene stabilnosti bazena. Za fazu idejnog projekta
izabrani su kablovi klase B, kvaliteta Y186087 sistema koji je razvio IMS Beograd.
O DIMENZIONISANJU KONSTRUKCIJA
Betonske i armirano-betonske konstrukcije dimenzionisane su prema graničnim
naponima dobijenim iz proračuna metodom konačnih elemenata. Pri tom, da masivni
betonski preseci ne bi bili prearmirani, nije korišćena mogućnost programa da da
rezultantne sile u zadatom preseku. Armatura je usvajana iz uslova pokrivanja
naponskog dijagrama i uslova ravnoteže proračunskih napona i sila koje bi preuzeli
pritisnuti deo betona i armatura.
1
-10738.58
kN/m 2
1
-2071.46
4083.40
Prikaz naponske slike na mestu krute veze ploče i zida umirujućeg bazena
Kada se radi o fleksibilnim konstrukcijama za osiguranje stenskog iskopa, proces
njihovog dimenzionisanja je uključivao izbor kapaciteta tenzionih ankera, i to isto za
prskani beton (torket) i čelične remenate tamo gde su oni bili potrebni, što je sve skupa
u sadejstvu sa stenskom masom, obezbeđivalo dugotrajnu stabilnost stenskog iskopa.
U pogledu doprinosa fleksibilnih konstrukcija proisteklih iz pomenutih modela,
posebno valja istaći:
Anuliranje zatežućih napona u stenskoj masi kao potencijalnog izvora nestabilnosti
- efekat koji je bio aktuelan u slučaju kalote tunelskog iskopa.
Obezbedjenje numeričke konvergencije modela a time i fizičke stabilnosti iskopa.
Osiguranje stabilnosti zona tečenja stenske mase, što se pokazalo aktuelnim u
bokovima optočnog tunela na delu presecanja rasednih zona.
Optočni tunel – rasedne zone sa jako ispucalim peridotitima
Polje vertikalnih napona σyy(MPa) u elasto-plastičnom modelu stenska masa - elastična
podgrada
Zbog ograničenog fonda podataka o istražnim radovima kada su u pitanju fizičkomehanička svojstva stenske mase, i nedostatka podataka o primarnim naponima
pribeglo se postupku dimenzionisanja fleksibilne konstrukcije baziranom na „radnim
naponima“, bez faktorizacije opterećenja i karakteristika materijala, kao nešto što je
dovoljno tačno za fazu idejnog projekta.
ZAKLJUČAK
U sklopu ovog članka definisana su tehnička rešenja konstrukcija do obima primerenog
fazi idejnog projekta. Radi dalje optimizacije potrebno je dodatno istražiti parametre
deformabilnosti stenske mase, parametre na smicanje stenske mase, sisteme ispucalosti i
preciznije, dubine pružanja kvazihomogenih zona u stenskim domenima koji okružuju
pomenute konstrukcije. Sa takvom podrškom i daljim prilagođenjem prikazanih
proračunskih metoda došlo bi se do pouzdanijih geotehničkih modela a time i do
rezultata proračuna koji bi bili primereni glavnom projektu.
LITERATURA
Institut J. Černi, Beograd: „Izveštaji o izvršenim geološkim istražnim radovima za fazu
idejnog projekta Regionalnog Sistema za Vodosnabdevanje Lopatnica“, 2006.
Univerzitet u Beogradu: „Beton i armirani beton prema BAB87“, Beograd, 2000.
Građevinski fakultet Univerziteta u Beogradu: „Zbirka jugoslovenskih pravilnika i
standarda za građevinske konstrukcije, Knjiga 1 Dejstva na konstrukcije“, Beograd, 1995.
Z. Smiljkovic & B. Damjanac: „Petrolium Storage Engineering. Interaction phenomena in
the large rock caverns for petrolium products repository“, Proceedings of international
congress in tuneling, Toronto, 1989.
Summary
Lopatnica Water Supply System - Ahead of an Uptodate Approach for Design of Dam Associated Concrete Structures
The dam site of Lopatnica Water Supply System consists of a rock-fill dam accommodated with
mechanically controlled spillway, and of the appurtenant concrete structures. The latter refer to
– spillway weir followed by chute and stilling basin, then the off-take tower, diversion tunnel,
and the two bridges, the one - serving off-take tower and another - crossing over the spillway
weir. Inception geological investigations have indicated peridotitic origin of the rock mass underlying the site, cracking and faulting of which differ by its depth.
Under such geotechnical conditions, the Consultant had to define the carrying systems of the
structures and the structural materials, backing the same with appropriate structural analyses.
Here it was dealt with the final design phase of the Project.
Idealization of the rock mass which is taken to be a part of carrying system, with the aim to
achieve a reasonable correspondence of the coupled computation model to the in situ structure,
placed the Consultant’s approach foreword the conventional methods restricted solely to concrete structure. The carrying system, beyond that provided by rock mass, was designed to be
made of plane and reinforced concrete. For the phase of final design, the two-dimensional
computational models were employed to effectuate the stress-strain analyses of the structure.
Here the finite elements method achieved its full vigour, particularly bearing in mind the coupled rock mass-concrete computation models, which makes the method more attractive in comparison to its effects related to conventional buildings engineering.
Key Words: Concrete, rock mass, coupled system rock mass - concrete.
Download

regionalni vodovodni sistem lopatnica - prilog