REGULARIZAREA CURSURILOR DE APA. PRINCIPII, METODE SI LUCRARI - consolidari de maluri

REGULARIZAREA CURSURILOR DE APA. PRINCIPII, METODE SI LUCRARI

Regularizari de rauri este o ramura a constructiilor hidrotehnice care se ocupa cu studiul si influentarea in sensul dorit, prin lucrari ingineresti a proceselor de albie.

Scopul final al lucrarilor de regularizari este crearea echilibrului intre curent si albie fara a intrerupe procesele de albie.

Procesele de albie sunt acele fenomene care se produc in mod natural datorita curgerii debitului lichid, a celui solid si a gheturilor, dupa cum urmeaza:

- eroziunea malurilor si a patului albiei in cazul in care viteza are valori mari rezulta aluviuni

- depunerile de aluviuni in zonele unde viteza apei in albie scade sub anumite valori.

- ca urmare a eroziunilor si depunerilor se produce evolutia in timp a traseului in plan si a profilului lolngitudinal al raului.

Pentru ca am vorbit de rolul vitezei de curgere a apei in albie, trebuie aratat ca ea este guvernata de legea lui Chezy:

Se poate constata foarte usor dependenta care apare intre viteza de curgere a apei - v -si panta raului - i (c - coeficientul lui Chezy; R - raza hidraulica).

Daca panta e mare rezulta o viteza mare de curgere si se produce eroziunea patului albiei. Daca scade panta atunci scade si viteza, producandu-se depunerea materialului transportat de curentul da apa (aluviuni).

Repartitia vitezei de curgere in albie se face ca in desenele urmatoare:

Fig. 73

Principalele obiective ale lucrarilor de regularizare sunt:

a) - apararea malurilor si protectia constructiilor, terenurilor agricole si a altor bunuri materiale

b) - apararea constructiilor de traverse (poduri, conducte aeriene, cabluri electrice)

c) - realizarea conditiilor necesare pentru functionarea diferitelor lucrari hidrotehnice proiectate pe rau (prize de apa, etc.).

d) - sporirea capacitatii de transport a albiei (pentru a lupta impotriva inundatiilor); scaderea nivelului apelor subterane pentru realizarea de desecari).

e) - amenajarea confluentelor si ramificatiilor

f) - apararea contra inundatiilor (indiguiri, etc.)

g) - amenajarea albiilor pentru navigatie

h) - amenajarea albiilor in zonele unde s-au facut modificari artificiale ale albiei, sau chiar albii noi.

Generalitati asupra cursurilor de apa

Cursurile naturale de apa pot fi permanente sau temporare.

Ele sunt alimentate din scurgerile de suprafata (dupa precipitatii) si din straturile de apa subterane.

Paraurile, raurile si fluviile se varsa in alte ape curgatoare, in lacuri, mari sau oceane.

Alcatuirea unui curs de apa:

a) -bazin hidrografic

b) -izvor

c) -albie (depresiune naturala sau fagas sapat de rau).

Bazinul hidrografic este teritoriul (suprafata) de pe care un curs de apa isi aduna apele. Poate exista un bazin hidrografic de suprafata (superficial) si un b.h. subteran.

Fig. 74

Raurile alimentate preponderent subteran au debite relativ uniforme iar cele alimentate preponderent superficial au debite neuniforme.

Confluenta este locul de unire a doua cursuri de apa (cel mai mic este afluent, celalalt, curs principal sau emisar).

Kilometrarea raurilor se face de la varsare catre izvoare.

In profilul longitudinal al raului, gura de varsare joaca rolul de baza de eroziune (pe traseul raului nu se pot produce eroziuni sub aceasta cota).

La varsarea in mare fluviile pot avea delta sau estuar (daca in marea respectiva exista flux - reflux, adica maree).

Fig. 75 Delta Dunarii

Dunarea are o delta de aproximativ 5600 km² (in 2004; 4420 km² in Romania). In anii 1924-1960 erau transportate 67,5 milioane tone aluviuni pe an ceea ce ducea la o avansare de 25 m/100 ani. "Delta" secundara a bratului Chilia avansa cu circa 100 ha/an. In anii 1982-2006 transportul de aluviuni a scazut la 21 milioane tone pe an.

Aparitia "barei" de la Sulina se explica prin pierderea de energie a curentului de apa al Dunarii la varsarea in Marea Neagra. Din acest motiv aluviunile transportate se depun in fata gurilor de varsare. Digurile senalului navigabil au ajuns la aproape 8 km, avansand in perioada de constructie cu 80 ÷ 100m pe an.

1/12 din suprafata deltei Dunarii e formata din grinduri (suprafete de teren formate din depuneri in albie majora, care se inunda la ape mari).

Clasificarea cursurilor de apa

Clasificarea cursurilor de apa se poate face dupa mai multe criterii:

I). Dupa pozitia fata de teren:

permanente (alimentare subterana si de suprafata ≈ 115.000 km in Romania).

temporare (alimentare de suprafata)

II). Dupa pozitia fata de teren:

de suprafata

subterane (in zonele carstice)

III). Dupa cantitatea de apa transportata:

parau

rau

fluviu (locul I. Nil - 6670 km, locul 17 Dunarea 2850 km)

IV). Dupa regiunea in care curge:

rau de munte

rau de deal

rau de ses

Nota. Unele rauri curg in mai multe regiuni.

Reteaua hidrografica este totalitatea cursurilor de apa de pe un teritoriu.

Retea hidrografica poate fi:

permanenta

temporara

Indicele de densitate al retelei:

∆ = [km / km²]

in care: L_ca - lungimea cursurilor de apa (km); S - suprafata teritoriului pe care studiem densitatea retelei hidrogafice (km²)

Densitatea este in functie de cel mai mic rau luat in considerare (dupa permanenta, dupa debit, etc.).

In tara noastra ∆ = 0 km/km² (pe harti 1 : 200.000; s-au considerat cursurile permanente si cele semipermanente)

La munte : ∆ = 1÷ 1,2 km/km². La ses : ∆ = 0,3 km/km².

In conditiile existentei unui teren impermeabil (infiltratii reduse), a vegetatiei sarace si a ploilor torentiale se dezvolta o retea temporara deasa. Daca terenul este permeabil si vegetatia bine dezvoltata atunci reteaua temporara va fi slab reprezentata si va predomina reteaua permanenta.

Elementele regimului hidrologic

Regimul hidrologic este suma fenomenelor si proceselor ce definesc caracterul unui curs de apa.

Elementele regimului hidrologic sunt:

A) - debitul lichid - Q_lichid [m³/s] (Q_min, Q_max, Q_med, coeficient de neuniformitate, hidrograf)

B) - debitul solid - Q_solid [kg/s] :

- in suspensie, generand turbiditatea, notata ƍ si exprimata in [g/l]; [kg/m³]

- tarat [kg/s]

C) - Viteza de curgere (marime, distributie in albie si in lungul cursului de apa)

D) - Forma albiei si stabilitatea ei

E) - Nivelurile de apa :

H_MM (maxim maximorum sau istoric)

H _{M med} (media nivelelor maxime anuale)

H ₀ (nivel mediu multianual, este media nivelelor medii anuale)

H_{e med} (etiaj mediu; media etiajelor pe 10 ani consecutivi)

Etiaj este nivelul asigurat in albie 355 zile /an

H _{m mediu} (nivel minim mediu; media celor mai mici nivele anuale, existente 365 zile/an)

H_mm (nivel minim minimorum sau istoric

Elementele regimului hidrologic sunt inregistrate zilnic la statiile hidrometrice si apoi sunt prelucrate statistic.

Diferenta H_MM - H_mm se numeste amplitudine absoluta inregistrata la o statie hidrometrica.

1 Hidrograd = (H_MM - H_mm)/10

Factorii care influenteaza scurgerea lichida pot fi :

a)      Naturali clima (ploi, temperaturi, vanturi)

neclimatici (topografia, geologia, pedologia si vegetatia)

b) Omul direct, prin lucrari in albie

indirect, prin lucrari in bazinul hidrografic

Principalele tipuri de lucrari de regularizare a albiilor raurilor

1. Tipurile caracteristice de lucrari de regularizare se clasifica dupa pozitia fata de albia riului in: lucrari transversale si lucrari longitudinale.

a) lucrari transversale

- epiuri

- diguri de inchidere

- praguri de fund

b) lucrari longitudinale - diguri longitudinale

- de aparare a malurilor

- diguri de dirijare

- diguri de aparare contra inundatiilor - consolidari de mal

In practica se fac lucrari mixte (se executa combinat ambele tipuri de lucrari).

Epiurile sunt constructii transversale asezate perpendicular sau sub un unghi oarecare fata de directia de curgere a raului. Ele au un capat incastrat in mal si celalalt liber in albie. Rolul lor este sa apere malurile, sa adinceasca albia si sa dirijeze curentii.

Digurile de inchidere bareaza albia de la un mal la celalalt, pentru intreruperea totala sau partiala a scurgerii pe bratul respectiv.

Pragurile de fund se construiesc pentru intarirea fundului albiei in zone cu adincimi mari si eroziuni intense ale patului albi ei. Se executa in special pe riurile navigabile, pentru ridicarea cotei profilului in lung (in anumite situatii se pot executa cu ecluze).

Digurile de dirijare folosesc la devierea treptata a curentului in directia dorita, pentru inlaturarea neparalelismului curentilor (de exemplu, la confluente) sau protejarea altor lucrari (epiuri).

Digurile longitudinale de aparare a malurilor fixeaza traseul si apara malurile concave atunci cand linia traseului de regularizare nu coincide cu linia malurilor. Daca se executa insubmersibile (adica nu vor fi depasite de nivelul maxim al apei) ele pot asigura simultan si apararea impotriva inundatiilor.

Digurile de protectie contra inundatiilor apara de inundare la ape mari teritoriile cu cote joase din lunca raului. Ele se executa la minim 30-40 m de mal (zona intre dig si mal va fi folosita pentru gropile de imprumut, gropi din care se extrage pamantul necesar executiei digurilor) si au directia paralela cu tendinta generala de curgere in albie. Ele nu trebuie sa fie obligatoriu paralele cu malurile.

Protectiile de mal apara de curenti si de valuri malurile erodabile sau care deja au fost afectate de eoroziune. Se executa chiar pe talazul in contact cu apa al malului riului.

Exista de asemenea lucrari speciale de regularizare:

- strapungeri de coturi (albii artificiale, pentru scurtarea sinuozitatilor albiei raului, etc.).

- santuri de dragaj (se executa in albie intre doua zone de mare adincime, pentru a usura scurgerea aluviunilor ).

- panouri plutitoare (nu au contact cu malurile sau fundul albiei; influenteaza circulatia transversala in albie ).

Constructii si lucrari de regularizare

Lucrarile de regularizare se aseaza in majoritatea cazurilor direct pe fundul albiei. De aceea baza lucrarii trebuie protejata cu saltele de fascine, berme sau pinteni scurti.

Fig. 76

a) Conditii cerute constructiei de regularizare a albiilor:

- Sa reziste la actiunea apei, valurilor si ghetii

- Sa fie stabile la alunecare si rasturnare

- Sa fie elastice pentru a permite tasarii si afuierii fara a iesi din functiune

- Sa aiba baza asigurata impotriva afuierii

- Sa fie usor de executat si intretinut (folosirea materialelor locale)

- Sa se poata executa mecanizat (cele cu volum mare)

b) Alegerea tipului de lucrare si a materialului de constructie depind de:

- Destinatia lucrarii de regularizare

- Durata de serviciu a lucrarii - provizorie sau definitiva

- Importanta lucrarii

- Caracteristicile hidrodinamice ale curentului (debit, viteza)

- Adincimea albiei, materialul patului, debitul solid, tendinta de evolutie a albiei

- Regimul gheturilor

- Timpul, mijloacele de executie si materialele locale disponibile

Se recomanda ca pentru lucrarile de regularizare sa se foloseasca in general materiale locale: piatra, pamint, lemn. Pe riurile de munte se vor folosi: bolovanis, pietris, lemn. Pe riurile de deal se vor folosi: prundis, nisip mare (care vor fi eventual protejate cu dale din beton sau beton armat, prefabricate coborite pina la cota afuierilor probabile). Pe riurile de ses se vor folosi: nisip si material lemnos.

Lucrari permeabile (filtrante)

Actiunea lucrarilor filtrante asupra curentului de apa este legata in primul rand de disiparea (consumarea, reducerea) energiei curentului de apa.

 

Fig. 77

Avantajele lucrarilor filtrante:

- Actiune atenuata a curentului asupra lucrarii,

- Nu produc curenti circulari in spatiile dintre lucrari,

- Permit trecerea debitului lichid iar a lui debitului solid doar partial,

- Afuierile (spalarile de material solid, eroziunile) sunt mai mici decit la lucrarile impermeabile,

- Sunt mai ieftine.

Dezavantajele lucrarilor filtrante:

- Produc afuieri pe toata lungimea constructiei,

-Necesita obsrevarea atenta si permanenta. Prin retinerea corpurilor plutitoare se pot colmata si transforma in lucrari impermeabile fara sa fi fost calculate ca atare (se distrug sub presiunea apei).

Aceste tipuri de lucrari se utilizeaza frecvent pe cursurile mijlocii si inferioare ale riurilor.

Lucrarile permeabile se executa sub forma de:

- Perdele de arbori sau fascine,

- Panouri oscilante,

- Garduri de nuiele,

- Sisteme plutitoare,

- Estacade din piloti de lemn sau beton armat,

- Tetraedre si carcase,

- Constructii din prefabricate.

Perdele de arbori se pot executa daca viteza apei este sub 1, 5m/s. Lucrarile de aparare a malurilor constau in asezarea intima pe taluz a arborilor intregi, asa cum au fost taiati (cu crengi si cu frunze).

a - fixarea traseului albiei

b - fixarea arborilor

c - aparare de mal

d - epiuri din arbori

e - fixarea arborilor

Fig 78 Lucrari din arbori

Arbori folositi: foioase sau conifere (doar unde nu sunt variatii de nivel ale apei, pentru ca in acele zone lemnul putrezeste si coniferele sunt mai sensibile).

2. Panouri oscilante

Se realizeaza din 5-6 fascine alaturate sau din gratare de lemn, solidarizate printr-o 'bila' de lemn orizontala.

a - din fascine

b- din gratare de lemn

Fig. 79 Panouri oscilante

3. Garduri de nuiele se pot realiza in mai multe variante:

- simple,

- cu fascine la baza,

- cu contrafisa,

- cu deschidere la fund

- duble, lestate cu piatra si moazate (legate).

a - gardulet simplu b - gardulet cu contrafise

c - gardulet cu fascine la baza

d - gardulet cu deschidere la fund

e - gardulet dublu (intre cele doua se pune piatra de rau)

Fig. 79 Gardulete de nuiele

4.Sisteme plutitoare (panouri Potapov) se utilizeaza pentru dirijarea curentilor de apa de suprafata (cu incarcare redusa de aluviuni) catre captarile de apa si a curentilor de fund (incarcati cu aluviuni) catre malul opus.

a - amplasarea bateriei de panouri

 

b - din tabla sudata c - din lemn

Fig. 80 Panouri plutitoare

5. Estacade sau siruri de piloti (din lemn sau beton armat). Lucrari executate: epiuri, diguri longitudinale si de inchidere.

Avantaje:

- Executie rapida,

- Cost scazut (mai ales de lemn),

- Mecanizare.

Pilotii de lemn rezista prost la variatii de nivel si se inlocuiesc cu cei din beton armat - B.A.

6. Tetraedre si carcase

Tetraedrele se fac din beton simplu si se prevad cu urechi din otel beton pentru a putea fi manipulate cu macaraua.

Fig. 81 Tetraedru din beton simplu

Carcasele (tetraedrice sau tip Jack) se fac din sine de cale ferata sau alte profile metalice grele (uzate). Din carcase sau tetraedre de beton se pot realiza epiuri.

Fig. 82 Epiu din tetraedre din beton asezate pe saltea de fascine

1 - ancorare, 4 - blocuri din beton

7. Constructii din prefabricate din beton (simplu sau armat)

Fig. 83 Epiuri permeabile executate din prefabricate

Lucrarile din prefabricate au urmatoarele avantaje:

- lucrarile se pot lungi si scurta fara greutati, prin montare sau demontare de prefabricate,

- se pot executa cu protejarea prealabila a fundului albiei cu saltea de fascine sau cu geotextile.

Lucrari impermeabile

Lucrarile impermeabile sunt acele lucrari care nu lasa curentul de apa sa treaca prin corpul lor. Se pot executa urmatoarele tipuri de lucrari:

1. Din pachetaje de nuiele si piatra,

2. Din pachetaje cu schelet de rezistenta,

3. Din gabioane,

4. Din casoaie de lemn (chertat sau ne chertat) sau beton armat, umplute cu piatra de rau,

5. Din piatra,

6. Din pamint,

7. Mixte.

1. Pachetaje de nuiele si piatra

Se folosesc pentru lucrari provizorii pe riuri de munte si deal, pentru aparare si regularizare. Se utilizeaza, alternativ, straturi de nuiele (fascine), piatra si paie.

Fig. 84 Sectiune in dig sau epiu

2. Pachetaje cu schelet de rezistenta (realizat prin baterea de piloti de lemn si legarea - moazarea - acestora).

Fig. 85 Epiu din pachetaje cu schelet de rezistenta

3. Lucrari de gabionare

Se realizeaza aparari de maluri abrupte, protectia fundului epiuri, diguri longitudinale, protectia taluzelor lucrarilor de pamint in cazul curentilor cu viteze cuprinse intre 3-5 m/s.

Avantaje:

- Lucrari elastice,

- Usor de pus in operare,

- Valorifica piatra marunta,

- Se comporta bine in orice conditii climatice si hidrologice.

Dezavantajul principal este ca se pot degrada prin ruperea plaselor datorita deformatiilor sau coroziunii (necesita executarea atenta a patului de fundare)

a - pe saltea de fascine

b - pe saltele din gabioane

Fig. 86 Epiu din gabioane

4. Lucrari din casoaie

Sunt compuse din cutii de lemn sau prefabricate de beton armat, umplute cu pietre.

Sunt rezistente, elastice, se executa repede (deasupra sau sub nivelul apei).

Dezavantajul celor din lemn este ca putrezesc la ape cu nivel variabil.

Fig. 87 Casoaie din lemn imbinat fara chertare (fara cioplirea

lemnului la zonele de intersectie - suprapunere)

Fig. 88 Casoaie realizate prin chertarea lemnului

5. Lucrari din piatra

Sunt lucrari permanente, de mare rezistenta, se executa pe orice riu, in orice conditii hidrologice. Executia se poate realiza la uscat sau sub apa.

Se pot executa epiuri, diguri de inchidere, diguri longitudinale, praguri de fund.

Avantaje:

- Rezistenta mare,

- Executie simpla,

- Reparare usoara,

- Executie mecanizata.

Fig. Dig

Fig. Epiu submersibil

Lucrarile din piatra se fac intotdeauna cind avem piatra la dispozitie.

6. Lucrari din pamint

Au o larga raspindire in lucrarile de regularizari. Materialul se considera pamant daca are diametrul granulelor sub 2mm.

Avantaje:

- Folosirea materialelor locale,

- Simplitate,

- Cost redus,

- Mecanizarea executiei.

Metode de executie:

- Prin aluvionare,

- Cu ajutorul masinilor terasiere.

Fig. 91 Dig din pamant

7. Lucrari mixte

Lucrarile se pot executa din saltele de fascine (la partea inferioara) combinate cu aurocamente, blocuri de piatra, gabioane, etc. (la partea superioara).

Fig. 92 Epiu submersibil din piatra si fascine (sectiune transversala)

Fig. 93Epiu insubmersibil din piatra si fascine (vedere longitudinala

a zonei capului si sectiunea transversala) [1]

Aparari si consolidari de maluri

Cauzele de producere si metodele de combatere a degradarii malurilor:

a) Cauzele degradarii malurilor

1. Actiunea hidrodinamica a apei (curent sub un anumit unghi, valuri, virtejuri).

2. Actiunea statica sau dinamica a gheturilor sau flotantilor (plutitorilor) : aderenta, presiunea statica - prin dilatare, presiunea dinamica - prin izbire, blocarea sectiunii prin zai si zapoare.

3. Dezagregarea pamintului (malului) sub actiunea agentilor atmosferici (inghet­-dezghet, scurgerea apei - siroire, vint).

4. Alunecarea malului (afuierea bazei taluzului, stagnarea apelor mari, coborirea brusca de nivel a apei, infiltratii prin taluz, straturi acvifere).

b) Metode de combatere a degradarii malurilor:

1. Impotriva actiunii hidrodinamice a apei:

- reducerea vitezei,

- devierea curentului,

-eliminarea virtejurilor (racordari progresive si hidrodinamice),

- reducerea inaltimii valurilor,

- protectia malurilor cu imbracaminti adecvate.

2. Impotriva actiunii ghetii:

- reducerea vitezei,

- devierea curentului,

-eliminarea virtejurilor (racordari progresive si hidrodinamice),

- reducerea inaltimii valurilor,

-masuri specifice: sectiuni suficiente pentru scurgerea sloiurilor care duc la evitarea aparitiei zapoarelor in zonele cu albii sinuoase.

3. Impotriva actiunii agentilor atmosferici:

- inierbare.

- plantare de arbusti si arbori.

- protejarea taluzelor si a suprafetelor pe care se scurge apa cu imbracaminti adecvate.

4. Impotriva alunecarilor:

- masuri preventive - exploatarea corecta a nivelelor de apa

- masuri hidrotehnice - ingineresti:

- taluzarea malului la un unghi mai mic decit unghiul de frecare interioara al materialului,

- pinteni sau banchete la baza taluzului,

- baterea de piloti sau palplanse la baza taluzului.

Lucrari de aparare a malurilor

Pentru apararea malurilor cursurilor de apa se efectueaza lucrari transversale fata de directia de curgere (epiuri) si/sau lucrari longitudinale (diguri, consolidari de maluri).

Cazuri intilnite:

a) Maluri inundabile :

- dig longitudinal de protectie contra eroziunilor si inundatiilor,

- dig cu traverse de protectie contra afuierii.

b) Maluri neinundabile:

- epiuri,

- consolidari de maluri.

Fig. 93

Fig. 94 Amplasarea epiurilor in lungul malului: 2 - epiuri nesolicitate, 5 - epiu suprasolicitat, intre 4 si 5 - mal expus la eroziune.

Capetele epiurilor trebuie sa se inscrie pe o curba continua si in conformitate cu caracteristicile curentului si ale planului de regularizare, acoperindu-se reciproc astfel incit curentul sa nu le loveasca la radacina (existind riscul de distrugere).

Consolidari de maluri

Consolidarile (protectiile) de mal se fac diferentiate pe zone, in functie de gradul de solicitare a taluzului de catre curentul de apa.

Zona I : rar supusa actiunii curentului, va primi o protectie usoara care se executa la uscat,

Zona II : necesita imbracaminte rezistenta la actiunea valurilor si ghetii; se executa la uscat,

Zona III : cea mai importanta pentru stabilitatea malului, permanent solicitata de curentul de apa (permanent sub apa).

A) Consolidari in Zona 1:

1. insamintare cu ierburi,

2. brazduire continua sau in carouri,

3. plantatii de salcie (prin butasi) in linii paralele sau in carouri.

Fig. 95 Zonarea protectiilor de mal

B) Consolidari in Zona II:

1. Protectie din nuiele:

- straturi de nuiele fixate cu tarusi,

- gardulete de nuiele - in carouri, umplute cu piatra sparta.

2. Protectie din piatra:

- aurocamente,

- pereu uscat - simplu sau dublu,

- pereu rostuit - simplu sau dublu,

3. Imbracaminti din beton si beton armat:

- turnate la fata locului (monolite),

- din prefabricate.

4. Materiale si imbracaminti asfaltice:

- mastic bituminos - utilizat la rosturile dintre dale (bitum + filer),

- mortar bituminos (bitum + filer + nisip),

- beton asfaltic (bitum + filer + nisip + pietris dublu concasat - numit criblura)

C) Consolidari in Zona III:

- saltele de fascine,

- anrocamente,

- blocuri mari din beton sau piatra naturala,

- saltele din dale din beton armat, articulate.

Fig. 96 Protectie de mal din panouri impletite [8]

Fig. 97 Protectie de mal din nuiele (a) si nuiele lestate (b) [8]

Fig. 98 Protectie de mal cu pereu uscat de piatra si cilindri de fascine

Fig. 99 Protectie de mal din pereu de piatra rostuit cu mortar

Fig. 100 Protectie de mal cu pereu de piatra: a - rostuit cu mortar; b - uscat [8]