SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

GEOTEHNIČKI FAKULTET

NIKOLA KOCIJAN

ANALIZA OSIGURANJA VODODRŽIVOSTI BRANA I

AKUMULACIJA

DIPLOMSKI RAD

VARAŽDIN, 2011.

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

GEOTEHNIČKI FAKULTET

DIPLOMSKI RAD

ANALIZA OSIGURANJA VODODRŽIVOSTI

BRANA I AKUMULACIJA

KANDIDAT: MENTOR:

NIKOLA KOCIJAN doc. dr. sc. Krešo Ivandić

VARAŽDIN, 2011.

SADRŽAJ: 1. UVOD .......................................................................................................................1

2. NASUTE BRANE .....................................................................................................3

2.1. VRSTE NASUTIH BRANA ...............................................................................6

2.1.1. Homogena nasuta brana ...............................................................................6

2.1.2. Zonirana nasuta brana ..................................................................................7

2.1.3. Nasute brane s uzvodnim nepropusnim ekranom ..........................................8

3. ISTRAŽIVANJA MATERIJALA NASUTIH BRANA .............................................9

3.1. GEOLOGIJA I STRUKTURE .......................................................................... 10

3.1.1. Sondažno bušenje....................................................................................... 11

3.1.2. Istražni potkopi, usjeci, zasjeci ................................................................... 12

3.1.3. Geoelektrično sondiranje ............................................................................ 12

3.1.4. Seizmičko sondiranje ................................................................................. 12

3.1.5. Mjerenje vodopropusnosti terena................................................................ 13

3.2. GEOTEHNIČKA ISTRAŽIVANJA ................................................................. 15

3.2.1. Materijali u temelju .................................................................................... 15

3.2.3. Materijali za nasipanje brane ...................................................................... 15

3.3. ISPITIVANJE UZORAKA U LABORATORIJU ............................................. 16

3.3.1. Klasifikacija ............................................................................................... 17

3.3.2. Pokusi zbijanja materijala .......................................................................... 17

3.3.3. Rubni uvjeti i otpornost materijala ............................................................. 18

4. IZBOR TIPA BRANE ............................................................................................. 19

4.1. UTJECAJ TEMELJA NA TIP BRANE ............................................................ 20

4.2. MATERIJALI ZA NASIPANJE BRANE ......................................................... 21

4.3. KLIMATSKI UVJETI I ROK GRAĐENJA BRANE ....................................... 22

4.4. FUNKCIJE REZERVOARA I SKRETANJE VODE ZA VRIJEME

GRAĐENJA............................................................................................................ 23

5. ELEMENTI OBLIKOVANJA BRANE................................................................... 24

5.1. ŠIRINA KRUNE BRANE ................................................................................ 24

5.2. KOTA KRUNE BRANE .................................................................................. 26

5.3. TRASA OSI BRANE ....................................................................................... 27

5.4. OBLIKOVANJE KOSINA ............................................................................... 28

6. TEMELJENJE I HIDRAULIČKA STABILNOST KOSINE ................................... 28

6.1. STATIČKI UVJETI TEMELJENJA BRANE ................................................... 29

6.2. PROCJEĐIVANJE VODE KROZ TEMELJ I BRANU .................................... 30

6.2.1. Stacionarno strujanje vode u brani .............................................................. 31

6.2.2. Nestacionarno strujanje vode u brani .......................................................... 33

6.2.3. Protok kroz branu i temelj .......................................................................... 35

6.3. ZAŠTITA OD NEPOVOLJNIH POSLJEDICA STRUJANJA VODE .............. 36

6.3.1. Unutrašnja erozija ...................................................................................... 37

6.3.2. Procjeđivanje kroz jezgru i temeljno tlo ..................................................... 38

7. DETALJI DIMENZIONIRANJA BRANE .............................................................. 39

7.1. OPTEREĆENJE BRANE ................................................................................. 39

7.2. STABILNOST KOSINA .................................................................................. 40

7.3. DEFORMACIJE BRANE I TEMELJA ............................................................ 44

7.4. ZAŠTITA UZVODNE KOSINE OD EROZIJE ................................................ 45

7.5. ZAŠTITA NIZVODNE KOSINE ..................................................................... 46

7.6. KONTAKTNI PROBLEMI .............................................................................. 47

7.7. PUKOTINE U JEZGRI BRANE ...................................................................... 47

7.8. ASEIZMIČKO OBLIKOVANJE BRANE ........................................................ 48

8. NASUTA BRANA - "LIPA" ................................................................................... 49

8.1. ANALIZA PROCJEĐIVANJA......................................................................... 50

8.2. ANALIZA STABILNOSTI .............................................................................. 52

8.3. NAPONSKO DEFORMACIJSKA ANALIZA ................................................. 57

9. ZAKLJUČAK ......................................................................................................... 62

10. LITERATURA ...................................................................................................... 64

11. SAŽETAK ............................................................................................................ 64

1

1. UVOD

Izgradnja bilo koje građevine gotovo redovito uključuje iskop, premještanje i ugradnju

zemljanog materijala u odgovarajući nasip. Nasip je, dakle, umjetna tvorevina izgrađena

iz prirodnog materijala nasipanjem. Gotovo redovito uvjeti uporabivosti i stabilnosti

građevine koja će se graditi na nasipu ili koju tvori sam nasip, traže odgovarajuću

krutost i čvrstoće nasipanog materijala. Zbijanje nasipanog tla povećava njegovu krutost

i čvrstoću pa će se nasipi vrlo često tijekom gradnje zbijati.

Posebnu vrstu nasipa čine brane. Brane su nasipi koji služe za zadržavanje vode ili neke

druge tekućine. Zbog toga se, osim traženih svojstava za nasipe, za brane traži mala

vodopropusnost ili vododrživost, kao i neka druga pogodna svojstva. Ti se uvjeti mogu

postići izborom vrste tla, pripremom tla prije ugradnje, ugradnjom i zbijanjem tijekom

ugradnje te pogodnim oblikovanjem nasipa. Izgradnja nasipa i brana obično traži velike

zemljane radove iskopa, premještanja, nasipavanja i zbijanja. Potreba za racionalnom

izgradnjom uz održavanje kvalitete i što manjih troškova dovela je do razvoja

odgovarajućih postupaka ispitivanja i preporuka za projektiranje koji omogućuju

optimalni izbor materijala, oblikovanje te način ugradnje i zbijanja da bi se postigli

traženi uvjeti.

Nasipi često služe kao brane akumulacijskih jezera, kao obrambeni nasipi od poplava ili

kao građevine koje ograničavaju odlagališta rudarske ili industrijske tekuće jalovine.

Takvi nasipi nazivaju se branama ili hidrotehničkim nasipima. Kako nasipi obično nisu

potpuno nepropusni bez obzira iz kojeg su tla izgrađeni, u brana će nastati procjeđivanje

vode iz područja većeg hidrauličkog potencijala u zone s nižim potencijalom. Kako bi

se to procjeđivanje svelo na najmanju moguću mjeru, nasipi trebaju zadovoljiti neki

kriterij vododrživosti. To se može postići ugradnjom slabo propusnih vrsta tla, ako

takva stoje na raspolaganju. Slabo propusna tla, s druge strane, imaju redovito i manju

čvrstoću od dobro propusnih tla.

2

Kada je raspoloživost pogodnih vrsta tla za brane ograničena, pribjegava se oblikovanju

brana na način da se razdvoje funkcije čvrstoće od funkcija vododrživosti. Tako nastaju

zonirane brane u kojima je dio, obično središnji, služi za smanjenje procjeđivanja, a

drugi, obično na uzvodnoj i nizvodnoj strani, za osiguranje stabilnosti građevine.

Kod zoniranih brana, voda koja se procjeđuje prolazi iz zone slabo propusnog u zonu

dobro propusnog tla. Kako su čestice slabo propusnog tla mnogo manje od veličina pora

dobro propusnog tla, javlja se opasnost od odvajanja tih čestica pod silama strujnog

tlaka od osnovne mase materijala te od njihovog postupnog iznošenja kroz dobro

propusne zone brane. Ako takav proces potraje, mogu se kroz zone slabo propusnog tla

stvoriti kanali koji omogućuju prodiranje vode pod većim brzinama, što pospješuje

daljnju eroziju sitnozrnog tla, daljnje povećanje kanala i konačno urušavanje i potpuno

rušenje brane. Takav proces, koji se naziva cijevljenje, u svakom slučaju treba spriječiti.

To se postiže ugradnjom filtara na sučelju tla bitno različitih veličina zrna. Filtri služe

za sprječavanje iznošenja sitnih čestica. Izrađuju se iz tla odgovarajućeg

granulometričkog sastava po posebnim pravilima i čine ključan element osiguranja

stabilnosti zoniranih brana. Istraživanja su dovela do izrade pravila za dimenzioniranje

odgovarajućih filtara.

U načelu slična pojava pojavi cijevljenja u nasutim branama je i pojava površinske

erozije pri procjeđivanju. U tom slučaju iznošenje čestica sitnozrnog tla nastaje na

mjestima na kojima procjedna voda izlazi na nizvodnu površinu brane ili površinu tla

nizvodno od brane. I tu pojavu treba spriječiti, prvenstveno oblikujući branu tako da se

izbjegne izlazak procjedne vode na površine koje su zbog sitnih zrna osjetljive na

eroziju. Zato se u branu ugrađuju drenovi koji skupljaju procjednu vodu i uredno je

odvode iz brane bez opasnosti od iznošenja sitnih čestica. Ti se drenovi obično izrađuju

iz dobro propusnog, dakle krupnozrnog, tla pa je i na njihovom sučelju sa sitnozrnim

tlom potrebna filtarska zaštita.

3

2. NASUTE BRANE

Brana je stalna ili privremena građevina koja pregrađuje riječno korito radi podizanja

razine i akumuliranje vode za dobivanje energije, za natapanje ili reguliranje protoka.

Razlikuju se visoke i niske brane. Prema međunarodno prihvaćenoj definiciji visoke

brane su one kojima visina od temelja do krune iznosi više od 15m, odnosno one više od

10m ako su dulje od 500m po kruni, ako jezero sadrži više od 100 000 m³ vode ili ako

preko preljeva valja propuštati više od 2000m³/s. I druge brane više od 10m koje leže na

kompliciranim temeljima ili imaju druge izuzetne karakteristike, smatraju se visokim

branama.

Niske brane su prema definiciji sve one niže od 10m, odnosno 15m. To su građevine

koje privremeno ili trajno skreću vodu iz prirodnog korita pri temeljenu građevina ili u

kanale za navodnjavanje i slično. One se grade i uzduž rijeke radi zaštite okolnog

područja od poplave. Te niske brane općenito se nazivaju obrambeni nasipi, vrlo su

duge građevine, a samo su povremeno izložene maksimalnom opterećenju. Zbog toga u

projektima za građenje obrambenih nasipa valja voditi računa o ekonomičnosti, s jedne

strane, i o riziku od oštećenja pri preplavljivanju, zbog neprikladne konstrukcije,

materijala ili temelja, s druge, kako bi se ostvarilo najprikladnije rješenje.

Brane se grade od različitih postojanih materijala. Prema vrsti materijala i konstrukciji

razlikujemo brane građene od kamena, betona ili armiranog betona, koje mogu biti

masivne, raščlanjene ili lučne. Cilj ovog razmatranja su nasute brane koje se grade od

rasutih materijala na prikladan način raspoređenih unutar presjeka građevine, ugrađenih

zbijanjem.

4

Osnovni uvjeti koje mora zadovoljiti projekt i građenje nasute brane jesu:

• Brana i njezin temelj moraju biti malo propusni za vodu, kako filtracijski protok

ne bi ugrozio stabilnost, funkciju i ekonomičnost građevine.

• Tijelo brane valja dimenzionirati tako da:

• Deformacije brane ostanu u funkcionalno prihvatljivim granicama;

• Sigurnost protiv sloma zbog djelovanja sila na tijelo brane ili na temelj

bude zadovoljavajuća;

• Tijelo brane i temeljno tlo ispod nje budu dovoljni sigurni od erozijskog

djelovanja podzemne vode;

• Kruna brane bude dovoljno visoko iznad najvišeg mogućeg vodostaja

uskladištene vode kako bi se spriječilo preplavljivanje vode preko brane.

Ostvarenje zamisli u građenju neke nasute brane zahtijeva opsežan sustavni rad. Valja

naći najpogodnije mjesto za postavljanje građevine, ustanoviti prirodne uvijete u

temeljima i bokovima, odrediti mjesta, vrste i količinu dostupnog materijala za tijelo

brane, ispitati mjerodavne fizikalne parametre materijala za građenje brane i onih u

njezinoj podlozi. Na temelju svih tih podataka valja pronaći najpogodnije tehničko

rješenje proučavanjem varijanti.

Projekt svake velike i male brane mora sadržavati ove podatke:

• geološke podloge i seizmičke osnove šire okoline mjesta odabranoga za

građenje i područja akumulacijskog bazena;

• dokumentaciju o izvršenim istraživanjima na terenu i u laboratoriju;

• proračune s kojima se dokazuje stabilnost građevine i njezine deformacije za sva

mjerodavna opterećenja;

• proračune kojima se dokazuje sigurnost od ispiranja brane i njezina temelja

erozijskim djelovanjem procjedne vode;

• sve potrebne crteže za sigurno ostvarenje građevine;

• detaljne tehničke specifikacije za sve radne operacije pri građenju.

5

Slika 1. Pogled na nasutu branu i osnovni nazivi

U ovom radu služit ćemo se sljedećom terminologijom:

• kruna brane je gornja vodoravna površina građevine koja spaja dvije obale

doline u kojoj se nalazi brana;

• kosine brane su vanjske kosine površine na uzvodnoj i nizvodnoj strani koje

omeđuju građevinu u dolini;

• os brane je simetrala krune brane u tlocrtu i okomica kroz sredinu brane u

poprečnom presjeku;

• bokovi brane su površine doline u području u kojem se ona naslanja;

• temelj brane je tlo ispod donje plohe doline, na kojem se oslanja tijelo brane,

a i konstrukcijski elementi ugrađeni u tlo ispod razine temelja da bi se

kontroliralo procjeđivanje vode;

• tijelo brane je volumen materijala omeđen krunom, uzvodnom i nizvodnom

kosinom, plohom temelja i bokova;

• visina brane je alternativno razmak između prvobitne razine terena i najviše

kote krune brane, odnosno između dna iskopa za temelje i najviše kote krune

brane;

• visina uspora je razlika između razine vode u vodotoku prije građenja

objekta i najviše računske razlike vode u novom jezeru;

• kota uspora je razina vode u novom jezeru uzvodno od brane.

6

2.1. VRSTE NASUTIH BRANA

Iako nasuta brana prenosi na podlogu velike sile zbog vlastite težine, one se

raspodjeljuju na veliku površinu terena, pa se takva brana može graditi i na temelju

nepovoljnih svojstava - veća stišljivost i mala čvrstoća na smicanje. Na takvoj se

podlozi ne bi mogla postaviti masivna kruta betonska brana koja prenosi sile na manju

površinu, pa zahtijeva veću čvrstoću podloge, a zbog vlastite krutosti ne podnosi veće

diferencijalne deformacije podloge. Kad god temeljno tlo na mjestu brane nije prikladna

stijena, valja istraživanja orijentirati na branu nasutog tipa od lokalnih materijala.

U uspješno projektiranoj i podignutoj nasutoj brani na najbolji se način iskorištavaju

materijali iz njezine neposredne blizine, kako bi građevina bila tehnički sigurna i

funkcionirala prema očekivanju uz minimum utrošenih sredstava i rada. Ako bi se

projektom brane planirala doprema velikih količina materijala s većih udaljenosti, ako

bi se predvidjelo selektiranje iskopanih prirodnih materijala tako da se veće količine

odbacuju, možemo zaključiti da taj projekt ne bi bio najpovoljniji. Neovisno o raznim

predrasudama valja proučiti osobine svih materijala u blizini iduće brane i predvidjeti

njihovo ponašanje u brani, na temelju čega se može zaključiti koji su od njih između

raznih mogućih alternativa najpovoljniji. Nasute brane svrstavaju se u tri osnovna tipa:

homogene, zonirane i nasute brane s uzvodnim nepropusnim ekranom.

2.1.1. Homogena nasuta brana

Homogene nasute brane sastoje se od jedne vrste materijala, koji mora biti dovoljno

malo propustan da procjeđivanje kroz branu ostane u tehnički prihvatljivim granicama.

Sasvim homogena brana ne može biti trajno stabilna, pa mora imati barem neke

drenove. Oni mogu biti plošni ispod nizvodnog dijela brane, propusna nizvodna stopa

brane ili vertikalni dren u sredini presjeka spojen s nizvodnom stopom. Voda

prikupljena u drenu ispušta se kroz posebne otvore u nizvodnoj stopi brane na najnižem

horizontu. Vodoravne drenaže lakše se ugrađuju od uspravnih, ali nisu dovoljno

efikasne ako tijelo brane nije izotropno propusno.

7

Iako je materijal u brani homogen po vrsti, nasip postaje anizotropno propustan zbog

ugrađivanja u slojevima. Propusnost je u vodoravnom smjeru znatno veća nego u

horizontalnome.

Slika 2. Primjer homogene brane

2.1.2. Zonirana nasuta brana

U branama zonirana presjeka raspoređuju se unutar presjeka materijali različitih

svojstava tako da se, njihove karakteristične osobine iskoriste na najbolji način kako bi

se osigurala stabilnost i ekonomičnost brane. Materijali male propusnosti imaju malu

otpornost na smicanje, pa zahtijevaju blage kosine. Polupropusni materijali propuštaju

veće količine vode, ali im je otpornost na smicanje veća.

Svaka zona u presjeku brane ima posebnu funkciju ovisnu o osobinama materijala.

Zonu sastavljenu od malo propusnog materijala nazivamo jezgra; ona sprječava jače

procjeđivanje vode kroz branu. Uzvodno i nizvodno od jezgre su potporne zone, koje se

grade od znatno propusnijih materijala veće otpornosti. Uzvodna zona mora biti

dovoljno propusna da voda u porama materijala ne zaostaje znatno za vodostajem pri

brzim oscilacijama vode u jezeru, kako bi se spriječila pojava jačega strujnog tlaka u

brzom snižavanju nivoa usporene vode. Nizvodna potporna zona može biti manje

propusna ako se drenažama spriječi izviranje procjedne vode na površini nizvodne

kosine.

Raspored vrsta materijala u zone unutar poprečnog presjeka, dimenzije zona i detalji

međusobnih odnosa ovise o svojstvima i o cijeni dostupnih vrsta materijala, o

osobinama temeljnog tla, o uvjetima građenja i, donekle, o shvaćanjima i iskustvu

projektanta.

8

Mogu se, dakle, u poprečnom presjeku jedne brane odabrati različite dispozicije

prisutnih vrsta materijala koje su tehnički i ekonomski jednako opravdane.

Dimenzije presjeka brane bitno ovise o položaju i debljini jezgre. Ona može biti tanak

sloj nepropusna materijala na uzvodnoj kosini brane ili široka uzvodna zona.

Na granici između materijala različita sastava u presjeku brane mijenja se gradijent tlaka

procjeđivanja vode. Na tim granicama strujanje može iznositi sitne čestice iz manje

propusnoga u šire pore jače propusnog materijala. Nastala bi pri tome erozija i

postepena degradacija jezgre, što se sprečava ugradnjom prijelaznih zona materijala

koje blokiraju migraciju sitnih čestica iz sloja u sloj. Te se zone nazivaju filtarski

slojevi. Filtarski su slojevi vrlo bitan detalj kojim se onemogućuje postepena

degradacija zoniranih nasutih brana i osigurava trajno funkcioniranje drenažnih slojeva.

Slika 3. Primjer zonirane nasute brane

2.1.3. Nasute brane s uzvodnim nepropusnim ekranom

Nasute brane s uzvodnim ekranom grade se kad u blizini uopće nema materijala za

jezgru ili kad su klimatski uvjeti sasvim nepovoljni za ugrađivanje gline. Nepropusni

ekran može biti od armirana betona ili od asfaltnog betona, a ima i kamenih nasutih

brana s uzvodnom oblogom od drvenih platica i od čeličnog lima. Deformacijska i

termička svojstva ekrana znatno se razlikuju od onih nasutog materijala. U ekranu

nastaju deformacije i nepovoljna stanja napona, pa konstrukcijskim mjerama treba što

sigurnije spriječiti nepovoljne posljedice. Uzvodni nepropusni ekran, bitan element za

dobro funkcioniranje brane, stalno je izložen atmosferskim utjecajima (grijanje,

hlađenje, kemijski procesi itd.).

9

Nasuta brana, po sebi prirodna građevina, stabilna i nepromjenljiva u ljudskim

mjerilima vremena, tako postaje umjetna građevina neusklađena s okolinom i podložna

znatnim promjenama za razmjerno kratko vrijeme. Zato bi trebalo izbjegavati građenje

nasutih brana s uzvodnim nepropusnim ekranom ako se to može izbjeći.

Kad nema drugog rješenja, trebalo bi posvetiti posebnu pažnju:

• izboru materijala za ekran koji će u određenim uvjetima najbolje podnositi

nepovoljne ambijentalne utjecaje;

• konstrukcijskom rješenju fleksibilnog, a nepropusnog spoja ekrana s temeljem

po perimetru ekrana;

• dobrom dreniranju podloge ekrana;

• pravilnoj konstrukciji dilatacijskih spojnica i njihovoj besprijekornoj izvedbi.

Na temelju dosadašnjeg iskustva može se utvrditi da nasute brane s uzvodnim ekranom

zadaju u pogonu više brige od ostalih tipova nasutih brana.

3. ISTRAŽIVANJA MATERIJALA NASUTIH BRANA

Već ranije smo opisali ukratko osnove za izbor mjesta brane i značenje, koje za taj izbor

imaju morfologija doline i riječnog toka, podaci o geologiji, tektonici, stabilnosti

bokova i o problemima temeljenja za izbor šireg područja za postavljanje brane. Nakon

toga valja istraživati uže područje za branu, da bi se utvrdio njezin konačan smještaj i

sve činjenice mjerodavne za izbor tipa brane, rješenje temeljenja, oblikovanje i

dimenzioniranje njezina tijela. Istraživanja na terenu valja programirati tako da se prvo

spoznaju bitni i mjerodavni odnosi i osobine: Tad počinje nova faza istraživanja koja će

dati sve detalje struktura i parametre potrebne da bi se razradio projekt. Tu su geološka

povijest, stratigrafija i litologija, tektonika i strukturni odnosi u bazenu i na mjestu

brane, geotehničke osobine bokova bazena i brane, podaci o propusnosti stijena i o

kretanju podzemne vode.

10

3.1. GEOLOGIJA I STRUKTURE

Istraživanjem geološke građe terena u širokoj zoni akumulacijskog bazena valja utvrditi

uvjete u kojima se akumulirana voda može sačuvati u jezeru, a i ekološke posljedice

takva zahvata. Veliko značenje ima utvrđivanje prostiranja naslaga koje su propusne i

onih koje su malo propusne za vodu, njihov položaj u odnosu prema usporenoj vodi i

prema susjednim dolinama. Poznavanje stratigrafskih odnosa, litologije i povijesti

postanka područja od velike je koristi za usmjeravanje istraživanja na značajne podatke.

Tektonski odnosi daljnji su element prijeko potreban za osvjetljavanje prirodnih uvjeta i

problema. U tome su bitni postojeći rasjedi, njihova aktivnost, karakter i stupanj

poremećenja i degradacije naslaga u rasjednim zonama. Rasjedi su posebno zanimljivi

kao putovi cirkulacije i odvođenja akumulirane vode izvan bazena.

Istraživanje uže zone bazena usredotočuje se na odnose i pojave u bazenu i na mjestu

građenja brane. Zanimljivi su morfologija, povijest i starost najmlađih morfoloških

promjena, stupanj postignute stalnosti ili nestabilnost današnjeg reljefa.

Bokovi dolina, posebno strme padine, često su u labilnoj ravnoteži, pa i male promjene

postojećih uvjeta mogu izazvati poremećaje katastrofalnih razmjera. Promjena

uravnoteženog režima infiltracije oborina u tlo, trošenja vode za vegetaciju, promjene

prirodnih uvjeta i mogućnosti dreniranja, mogu biti dostatne da izazovu kritične

promjene ravnoteže, kliženja i rušenja bokova doline koja mogu kompromitirati projekt.

Na mjestu brane nastaje najveći poremećaj hidrodinamičke ravnoteže podzemne vode.

Propusnost formacija, privilegirani putovi procjeđivanja i druge činjenice važne su za

ocjenu otješnjenja temelja brane kako bi se procjeđivanje zadržalo u granicama koje su

tehnički dopustive i ekonomski razumne.

Veoma važne podatke pruža slika razine i kretanja vode u podzemlju u okolini

budućega akumulacijskog bazena i na mjestu brane. Proučavanje tih činjenica služi

ocjeni promjena koje bi nastale nakon usporavanja vode u bazenu, otkrivanju mogućih

mjesta i pravaca gubitka vode, ocjeni sigurnosti i procjeni količine gubitka iz budućeg

jezera i posebno oko brane i ispod nje.

11

Razjašnjenju dubinskog prostiranja slojeva i orijentacije rasjeda i drugih elemenata koji

se ne mogu ustanoviti kartiranjem same površine terena, služe posredne i izravne

metode istraživanja i kombinacija tih metoda.

Posredne metode su:

• geoelektrično sondiranje kojim se mjeri promjena električnog otpora formacije

stijene ili tla u prostoru;

• geoseizmičko sondiranje kojim se mjeri brzina prostiranja izravnih i

reflektiranih uzdužnih i poprečnih valova izazvanih udarcima ili slabim

eksplozijama na nekim mjestima površine ili u bušotinama.

Izravne metode istraživanja su:

• sondažno bušenje s vađenjem uzoraka tla i ispitivanja u bušotinama;

• sondažne jame, usjeci i potkopi.

3.1.1. Sondažno bušenje

Izbor tipa bušilice i metodu sondažnog bušenja za geološko istraživanje i za istraživanje

temelja brane valja prilagoditi vrsti stijena i materijala kako bi se izvadila što manje

poremećena jezgra. Promjer bušenja, izbor pribora za bušenje i vađenje uzoraka, režim

bušenja, sastav isplake i tlak za cirkulaciju isplake, detalji su koji uvelike utječu na

kvalitetu i količinu jezgre. S posebnom se pažnjom buši u jako razlomljenoj i mekoj

stijeni, te u čvrstome prekonsolidiranom koherentnom tlu. Iz takvih je materijala

vađenje neporemećenih uzoraka nemoguće ako se neodgovarajućim režimom bušenja,

prejakom cirkulacijom isplake i drugim neprikladnim postupcima materijal lomi i mrvi

već ispod sječiva krune, pa se jezgrena cijev ili cilindar za neporemećene uzorke puni

materijalom što je u samom procesu bušenja razlomljen. Jezgre dobivene bušenjem

spremaju se u sanduke s oznakom dubine vađenja uzoraka, što će služiti za detaljnu

geološku, petrografsku, mineralošku i geotehničku identifikaciju stijene i tla kroz koji je

prošla bušotina.

12

3.1.2. Istražni potkopi, usjeci, zasjeci

Istražni potkopi, usjeci i zasjeci omogućuju neposredan pregled materijala i utvrđivanje

svih geoloških i geotehničkih detalja od interesa da se utvrdi raspored i svojstva

materijala. Ti su radovi razmjerno skupi i zahtijevaju dosta vremena. Zato se u

istraživanju odabranog mjesta građenja oni uzimaju kao dopuna podacima koji se dobiju

već opisanim metodama. Istraživanje pomoću potkopa za neposredno promatranje i

proučavanje materijala prijeko je potrebno upravo onda kad su osobine materijala na

granici prihvatljivoga za određeni tip brane.

3.1.3. Geoelektrično sondiranje

Raspodjela električnog potencijala nametnutoga u dvije točke površine terena u polju

ovisi o udaljenosti medu točkama u kojima se mjeri, o položaju točaka u kojima je

nametnut potencijal i o osobinama stijene ili tla u kojem se širi električno polje. Što su

točke u kojima se mjeri potencijal međusobno udaljenije na površini, to mjerenje

zahvaća svojstva materijala do veće dubine. Iz mjerenja na međusobno različito

udaljenim točkama jednog profila računaju se promjene električnih karakteristika

materijala u prostoru, a iz poznatoga specifičnog otpora materijala ustanovljuje se slijed

slojeva u profilu. Specifični električni otpor ovisi o osobinama materijala, ali ta ovisnost

nije uvijek jednoznačna. Tako je specifični otpor:

• u gustim, čvrstim stijenama velik;

• u nevezanim i u mekim vlažnim stijenama malen;

• u nevezanim i u mekim suhim stijenama velik.

3.1.4. Seizmičko sondiranje

Brzina širenja uzdužnih i poprečnih elastičnih valova u elastičnom mediju ovise o

elastičnim parametrima E i υ. Kad medij nije homogen, brzine širenja se na putu između

dvije točke mijenjaju, a na granicama među slojevima različitih osobina, valovi, zbog

refrakcije i refleksije, mijenjaju smjer.

13

Na jednom se mjestu udarcem ili eksplozijom iniciraju elastični valovi, a brzina širenja

direktnih i reflektiranih valova iz jednoga i refrakcije valova iz dubljih slojeva

registriraju se s više geofona na različitim udaljenostima od mjesta udarca. Moguće je i

prozračivanje formacija udarcima u dubini i mjerenjem brzine širenja valova između

dvije ili više bušotina i na različitim razinama (Cross hole-metoda). Iz brzine prostiranja

uzdužnih i poprečnih elastičnih valova računaju se: modul elastičnosti E, modul

smicanja G i Poissonov koeficijent υ prozračenog obujma.

3.1.5. Mjerenje vodopropusnosti terena

Značajna osobina temeljne stijene pod branom je njezina vodopropusnost.

Vodopropusnost se mjeri u bušotinama tijekom sondiranja u odsjecima duljine od 3 do

5 m (Nonveiller, 1970). Kad se postigne željena dubina, obustavi se bušenje, a mjesto

bušaćeg pribora spusti se na kraju dovodne cijevi posebno brtvilo koje se učvrsti na

gornjem kraju dionice. Kroz cijev se utiskuje voda pod tlakom i mjeri se protok pri

različitom tlaku iznad razine podzemne vode. Podaci služe za izračunavanje

vodopropusnosti određene dionice stijene u Lugeonovim jedinicama:

1�� =�

�∙�∙�� ; gdje je:

• Q – izmjereni protok u litrama

• t – proteklo vrijeme u minutama

• l – duljina dionice u metrima

• p – hidrostatski pretlak vode na dubini sredine dionice u kilopaskalima

Koeficijent propusnosti po Darcyju računa se uz pretpostavku laminarnog strujanja

iz ispitane dionice približno iz:

� = 1.3 ∙ 10����(��

�).

Mjerenje propusnosti nevezanih naslaga vrlo je delikatan zadatak. Veoma su korisna

ispitivanja po Lefrancu, ali se moraju provoditi vrlo pažljivo kako bi se izbjegle

pogreške koje mogu dati nerealne višestruko veće koeficijente propusnosti

(Muller,1968).

14

Pokus je najbolje raditi u tri faze:

• mjeri se specifični protok Q u cm³/s potreban za održavanje konstantna pretlaka

H u cm;

• mjeri se brzina padanja razine vode u bušotini dH/dt pri dotoku Q=0 i početnoj

visini pretlaka H;

• snižava se razina u bušotini žličarenjem za H cm ispod NPV i mjeri brzinu

porasta razine vode u bušotini dH/dt.

Slika 4. Shema mjerenja vodopropusnosti Lefrancovom metodom: (a) mjerenje kroz dno bušotine, (b)

mjerenje kroz stjenku bušotine duljine L, (1) čep od nabijene plastične gline, (2) perforirana obložena

cijev

U praksi se ponekad koeficijent propusnosti nekoherentnih materijala procjenjuje i iz

granulometrijske krivulje pomoću raznih empirijskih odnosa. Budući da koeficijent

propusnosti ovisi ponajviše o dimenzijama pora, a one o dimenzijama, obliku i

zbijenosti materijala, empirijski izrazi stvaraju iluziju o točnosti. Za grube procjene

raspona koeficijenta propusnosti dovoljni su odnosi iz sljedeće tablice.

Tablica 1. Raspon koeficijenta propusnosti raznih materijala

Materijal Šljunak Pijesak Sitnovit

pijesak i prah Glina

k(cm/s) 10� � 10� 10� � 10�� 10�� � 10�� 10��

Upotreba u brani

propusni dijelovi nasipa, filtarski slojevi

prijelazne zone, nepropusna jezgra

15

3.2. GEOTEHNIČKA ISTRAŽIVANJA

Svi nevezani materijali u temelju pod branom i oni što dolaze u obzir za nasipanje tijela

brane ispituju se geotehnički. Uzorci se materijala klasificiraju kako bi se identificirala

vrsta i ustanovilo prostiranje naslaga jednakih ili sličnih svojstava, pa se biraju uzorci za

detaljno ispitivanje u laboratoriju, gdje se utvrđuju njihove fizičke i mehaničke osobine.

3.2.1. Materijali u temelju

Stišljivost, čvrstoća i propusnost nevezanih naslaga u temelju pod branom mogu biti

povoljne ili nepovoljne za oslanjanje brane. Za projekt potrebni su parametri svojstava

materijala u terenu koji se utvrđuju metodama ispitivanja in situ i na neporemećenim

uzorcima u laboratoriju. Budući da se neporemećeni uzorci ne mogu vaditi iz

nekoherentnih naslaga, a kvaliteta uzoraka iz koherentnih naslaga često ne zadovoljava,

valja dati prednost ili barem provesti neka ispitivanja osobina in situ. To su dinamičko i

statičko penetracijsko sondiranje što putem statističke korelacije daju veze s

parametrima stišljivosti i čvrstoće. Zatim je tu mjerenje čvrstoće na smicanje pomoću

krilne sonde koja je posebno prikladna za koherentne naslage male čvrstoće. U

koherentnom sloju veće čvrstoće korisno je mjerenje čvrstoće na blokovima in situ, koje

daje nižu, ali realniju čvrstoću od malih uzoraka ispitivanih u laboratoriju.

3.2.3. Materijali za nasipanje brane

U nasute brane ugrađuju se svi prirodni, dorađeni ili prerađeni materijali. Mogu se

ugraditi i materijali kojih svojstva nisu sasvim postojana ako se time ne smanjuje

sigurnost ili ne ugrožava funkcija brane ispod prihvatljive donje granice za vijek njezina

trajanja, što se mora dokazati ispitivanjem. Za nasipavanje brane ekonomični su

materijali velike otpornosti na smicanje, relativno male stišljivosti, a, oni za jezgru

moraju biti i malo propusni. Materijali moraju biti i relativno malo osjetljivi na

promjene vlažnosti pri ugrađivanju.

16

To su međusobno proturječna svojstva pa će se rijetko naći tako povoljni materijali.

Kombinacijom više vrsta materijala različitih osobina u zoniranom presjeku brane dati

će funkcionalno i ekonomski najpovoljniji poprečni presjek brane. Povoljna je

kombinacija veće količine propusna materijala velike otpornosti za potporne zone s

manjom količinom materijala male propusnosti i manje otpornosti za jezgru. Raspored

materijala u presjeku brane i odnos količina propusnog i nepropusnog materijala ovisit

će u svakom pojedinom slučaju.

Udaljenost od mjesta ugrađivanja ponekad će biti presudna za izbor materijala zato što

povoljniji materijali iz veće udaljenosti mogu biti manje ekonomični od nepovoljnijih

materijala bliže brani. Tako osim geotehničkih osobina u izboru materijala povoljnih za

ugrađivanje u branu imaju znatnu ulogu troškovi prijevoza materijala do mjesta

ugrađivanja. Materijali za brane razlikuju se:

• po svojstvima;

• po mogućnosti ugrađivanja;

• po namjeni.

3.3. ISPITIVANJE UZORAKA U LABORATORIJU

Parametri osobina materijala za projektiranje brana utvrđuju se ispitivanjem uzoraka u

laboratoriju u neporemećenom stanju (iz temelja) i na prerađenim uzorcima materijala

koji će se u procesu građenja kopati, preraditi i zbijati. Prerađeni uzorci pripremaju se

zbijanjem ili gnječenjem u kalupe što simulira proces ugrađivanja u branu.

Parametri deformabilnosti, konsolidacije pornog tlaka, čvrstoće za smicanje i koeficijent

propusnosti mjere se u laboratoriju na uzorcima koji se pripremaju zbijanjem uz

optimalnu vlagu i s energijom koja će se upotrijebiti za ugrađivanje u branu. Tako

pripremljeni uzorci nisu potpuno zasićeni, a parametri služe da se izračuna deformacija

brane u vrijeme dovršenja građenja, i neposredno nakon toga, ali i za računanje porasta

pornog tlaka tijekom građenja.

17

3.3.1. Klasifikacija

Tehničkim normativom (Pravilnik, 1975, čl. 46—50) propisana je jedinstvena

klasifikacija s 12 grupa nekoherentnih i 10 grupa koherentnih materijala. Pokusi za

klasifikaciju dijelom se rade na terenu, a dijelom u laboratoriju. Na terenu se

poduzimaju jednostavni identifikacijski pokusi kojima se dosta sigurno materijali mogu

razvrstati u 22 spomenute skupine. Već terenski pokusi dopuštaju dobru osnovu u

izboru materijala za građenje. U laboratoriju utvrđuje se granulometrijski sastav,

granice konzistencije, vlažnost, koeficijent pora i zasićenost neporemećenih uzoraka.

3.3.2. Pokusi zbijanja materijala

Gustoća materijala ugrađena u razne zone nasute brane ovisi o njegovim osobinama, o

debljini slojeva pri ugrađivanju, o vlažnosti materijala, o karakteristikama strojeva za

zbijanje i o radu utrošenome za zbijanje. Ovisnost između vlažnosti, gustoće zbijena

materijala i rada utrošenoga za zbijanje ispituje se pokusom koji je Proctor (1933) prvi

predložio i uveo u praksu. Danas se on upotrebljava u dvije verzije - prvobitnoj prema

standardu ASTM. D-698-58T i modificiranoj prema ASTM D-1557-58T. U

laboratoriju se uzorci materijala pripremljeni s različitom vlagom u cilindru, standardom

propisanih dimenzija, zbijaju batom propisane težine, koji pada s određene visine.

Vlažnost i zbijenost ugrađena materijala utječu na stišljivost i porni tlak pri

opterećivanju. Što je više vlage u materijalu i što je više rada utrošeno na zbijanje, to

više rastu stišljivost i porni tlak, a to povećava slijeganje i smanjuje čvrstoću na

smicanje.

18

3.3.3. Rubni uvjeti i otpornost materijala

Rubni uvjeti uzoraka koji se ispituju u laboratoriju moraju odgovarati onima pri

opterećenju materijala u brani kako bi parametri ustanovljeni na uzorku dali pouzdane

rezultate u računima. To se odnosi na parametre čvrstoće i deformabilnosti. Otpornost

na smicanje ispituje se standardnim pokusima izravnog smicanja s nametnutom plohom

sloma i u triaksijalnim aparatima s nametnutim glavnim naponima. Rubni uvjeti oba

pokusa različiti su od onih pri slomu u brani koji nastaje u uvjetima ravninskog stanja

napona ili deformacija, pri čemu su glavni naponi � > �� > ��. U triaksijalnom

pokusu tenzor je napona radijalno simetričan. Rubni su uvjeti u aparatu za direktno

smicanje veoma složeni i nepoznati, pa se čak ni ploha sloma ne poklapa točno s

ravninom između okvira aparata. U oba pokusa uzorak je u stanju napona različitome

od onoga u prototipu. Znatno je bliže odnosima u brani pokus kojim se ispituju

prizmatični uzorci s različitim glavnim naponima na sve tri glavne ravnine. Ispitivanja

su pokazala da takvo ravninsko ispitivanje daje nešto veće parametre čvrstoće na

smicanje nego troaksijalni aparat.

Slom nastaje u nekoherentnom i koherentnom materijalu kad naponi smicanja � prijeđu

kritičnu veličinu pa se uz stalan napon povećava deformacija. Otpor smicanju, �

funkcija je efektivnoga normalnog napona definirana Mohr-Coulombovim zakonom:

� = ! ′ + �#′ $%&′,

gdje su odsječak na ordinati (kohezija) c' i kut čvrstoće na smicanje &′ izraženi za

efektivne napone �( = � � ); u je porni tlak zbog promjene tenzora napona.

Parametri čvrstoće utvrđuju se u laboratoriju prikladnim pokusima na uzorcima

materijala. Uzorci se opterećuju do sloma ili do velike deformacije, pa se na osnovi

rezultata izračunaju parametri čvrstoće i pornog tlaka. Pokusi kojima se mjeri čvrstoća

uzoraka su:

• troaksijalni pokusi;

• Pokusi direktnog smicanja.

19

Uzorci koji se ispituju moraju biti:

• neporemećeni iz slojeva tla u temelju brane;

• zbijeni u laboratoriju po Proctorovu postupku za materijale koji će se ugrađivati

u branu.

4. IZBOR TIPA BRANE

Projekti nasutih brana i izbor tipa, temelje se na analitičkoj studiji rezultata istražnih

radova na terenu i u laboratoriju. Najveće značenje pri izboru tipa brane imaju:

• geologija i tektonika odabranog mjesta brane;

• seizmičnost područja;

• osobine temeljnog tla: stišljivost, otpornost i propusnost slojeva tla ispod brane;

• vrste, količine i svojstva materijala za nasipavanje brane;

• udaljenost različitih vrsta materijala za nasipanje od brane;

• visina uspora i ostvarenje objekta odjednom ili u nekoliko etapa.

Određen utjecaj na izbor najpovoljnijeg tipa mogu još imati:

• način osiguranja građevne jame od preplavljivanja;

• evakuacija vode za vrijeme građenja do osiguranja punog kapaciteta

evakuacijskih organa;

• klimatske prilike na mjestu podizanja brane;

• rizik za nizvodno područje pri pojavi incidenta za vrijeme građenja i u

iskorištavanju

• akumulacije

Morfološke karakteristike mjesta odabranoga za branu te geološke i geomehaničke

osobine materijala imaju pri odabiranju najprikladnijeg tipa brane veliku ulogu.

20

Nakon što su istraženi temelji i pozajmišta na terenu, te ispitan materijal u laboratoriju,

valja proučiti karakteristike izabranog mjesta koje utječu na projekt brane, a to su:

• morfologija odabranog profila doline;

• karakteristike temelja brane;

• klimatski uvjeti na mjestu građenja;

• vrste i količine različitih vrsta materijala za nasipanje;

• udaljenost pozajmišta tih materijala od brane;

• mogućnosti razvitka pristupnih putova od pozajmišta do mjesta ugrađivanja u

svim fazama građenja;

• rok građenja brane.

Već prema pojedinim obilježjima bit će prikladniji neki tipovi, pa će se u tako suženim

okvirima naći moguća rješenja. Ta rješenja poprečnog presjeka brane valja detaljnije

istražiti te proračunati stabilni nagib kosina i druge detalje o kojima ovisi

zadovoljavajuća sigurnost građevine. Tad se za tehnički prihvatljive varijante

analiziraju troškovi i rokovi građenja. Te studije otkrivaju varijantu koja daje optimum

sigurnosti uz ekonomičnost i lakoću građenja.

4.1. UTJECAJ TEMELJA NA TIP BRANE

Izbor tipa brane ovisi o čvrstoći, stišljivosti, propusnosti i o stupnju homogenosti

materijala u temelju. Na stjenovitom temelju može se iskoristiti velika čvrstoća

materijala nasipa, kao što je to kod kamenog nasipa, da bi se podigla brana sa strmim

vanjskim kosinama i male kubature. Na temeljnom tlu od malo otpornih glinovitih

naplavina, kosine moraju biti blaže pa veća otpornost kamenog nasipa ne bi mogla

poslužiti. Tad se i s materijalima manje otpornosti postiže dovoljna sigurnost kosina. U

tim uvjetima bi nasip od kamena došao samo u obzir ako bi bio jeftiniji nego onaj od

šljunka ili glinovita materijala.

21

Naslage veće propusnosti u gornjem sloju temelja zahtijevaju alternativno jedno od ova

dva rješenja:

• u određenom dijelu ispod brane propuštan se materijal iskopa i zamijeni manje

• propusnim;

• procjeđivanje vode kroz propusne naslage ispod brane i nepovoljno djelovanje

velikih izlaznih gradijenata toka vode spriječi se drugim tehničkim mjerama.

To može biti:

• injektirana zavjesa kroz propusne naslage;

• nepropustan vodoravan zastor na propusnom sloju uzvodno od jezgre do

potrebne udaljenosti ispred brane;

• nepropusna kontinuirana dijafragma kroz propusne naslage;

• vodoravni drenažni slojevi ispod nizvodnog klina brane i drenažna zavjesa od

bunara ispod nizvodne kosine.

O lokalnim će uvjetima u konkretnom primjeru ovisiti koja od iznesenih mogućnosti

ima tehničku i ekonomsku prednost.

4.2. MATERIJALI ZA NASIPANJE BRANE

Vrste i količine materijala koji su dostupni za nasipanje u blizini brane vrlo utječu na

izbor njezina tipa. Nasuta brana može se raditi od svakog materijala koji je u blizini

mjesta građenja. Umijeće je projektanta da na najbolji način iskoristi ono što je

najekonomičnije, a tehnički dovoljno sigurno. Kad se može birati, prednost će imati

materijali iz pozajmišta uzvodno od brane. S manje prikladnim materijalima iz područja

budućeg jezera može se, u određenim okolnostima, podignuti ekonomičnija brana nego

s boljim materijalom s drugih pozajmišta iz veće daljine. Tako u izboru povoljnih

materijala za branu osim geotehničkih svojstava znatnu ulogu imaju troškovi prijevoza

materijala do mjesta ugrađivanja. Veliki troškovi za prijevoz materijala veće otpornosti

s daljeg pozajmišta mogu opravdati nasipanje cijelog presjeka brane od jeftinijeg

materijala manje otpornosti s bližeg pozajmišta.

22

Male količine skupih propusnih materijala veće otpornosti dovoljne su da se brana

projektira sa strmijim kosinama. Drenirajući slojevi ili zone od propusna materijala

smanjuju nepovoljni utjecaj pornog tlaka i zaostalih visokih vodostaja u nepropusnoj

uzvodnoj zoni za naglog pada vodostaja u jezeru. Ugrađivanje malih količina skupih

propusnih materijala može pridonijeti znatnom smanjenju ukupnog obujma i cijene

brane. Dakle, nema pravila za izbor najpovoljnijeg presjeka; to ovisi o nizu okolnosti

koje treba istražiti kako bi se našlo najbolje rješenje.

Kad u blizini ima malo nepropusnog materijala, bit će povoljan tip od propusnog

materijala s tankom jezgrom od gline uzvodno od osi brane ili s nekom membranom na

uzvodnoj kosini. Najpovoljniji položaj jezgre ovisi o odnosu između cijene ugrađenoga

propusnog materijala i gline, te o načinu građenja.

Ponekad blizu gradilišta uopće nema glinovitih materijala male propusnosti, nego samo

kamena, šljunka ili pijeska relativno velike propusnosti. Homogen nasip od tih

materijala statički je stabilan, ali se kroz njega procjeđuje veća količina vode pa je u

tome opasnost od erozije i prodora vode. Odgovarajućim zoniranjem i filtrima može se

to spriječiti. Ostaje pitanje količine procijeđene vode, koju valja računom dokazati. Ako

je procjeđivanje veće od prihvatljivoga, može se i s malim količinama malo propusnog

materijala, koje se dodaju i miješaju s lokalnim jeftinim propusnijim materijalom,

znatno smanjiti protok.

4.3. KLIMATSKI UVJETI I ROK GRAĐENJA BRANE

Ugrađivanje materijala u brane na različite je načine osjetljivo prema oborinama. One

nisu smetnja za jako propusne materijale (kamen, šljunak, krupan pijesak) kad je rad

dobro mehaniziran. Malo propusni glinoviti i prašinasti materijali zahtijevaju kontrolu

vlažnosti u granicama prikladnim za ugrađivanje. Malo propusni koherentni materijali

su osjetljiviji prema promjenama vlažnosti pri ugrađivanju što je niži indeks

plastičnosti.

23

Rok građenja ponekad bitno utječe na izbor najpovoljnijeg projekta brane. Skuplji

projekt s kraćim rokom građenja može biti povoljniji ako se prije mogu ostvariti koristi

od investicije. Brzo građenje nasutih brana sa širokom jezgrom od malo propusnog

materijala izaziva velik porast pornog tlaka za vrijeme izvedbe; vanjske kosine moraju

zbog toga biti blago nagnute pa je veća i ukupna kubatura građevine. Prikladnom

dispozicijom drenova smanjit će se porast pornog tlaka, postići veća ekonomičnost

projekta i skratiti rok građenja.

4.4. FUNKCIJE REZERVOARA I SKRETANJE VODE ZA

VRIJEME GRAĐENJA

Svrha usporavanja vode i funkcija akumulacijskog rezervoara u hidrotehničkom sistemu

također utječu na izbor tipa brane i na detalje njezina projekta. Za neke detalje projekta,

kao otješnjenje temelja i izbor manje ili više propusnog materijala za branu, može biti

mjerodavan odnos između ukupne raspoložive količine vode i one vode što se

ekonomski iskorištava. Ako je vrijednost vode velika, opravdani su i znatni troškovi da

se smanji gubitak procjeđivanjem ispod temelja i kroz branu, pa se tome moraju

prilagoditi detalji rješenja za sprečavanje procjeđivanja vode. To vrijedi posebno za

duge niske brane za obranu od poplave ili brane za retenziju poplavnih valova. Takve

brane ne moraju biti nepropusne za vodu jer male količine procjedivanja nisu štetne za

branjeno područje.

Problemi što nastaju oko skretanja rijeke za vrijeme podizanja i temeljenja brane mogu

utjecati i na izbor njezina tipa. Dispozicije za skretanje vode ovise o specifičnim

uvjetima, kao što su:

• morfologija terena na mjestu brane;

• hidrološke karakteristike vodotoka;

• vrste i opseg radova za temeljenje brane;

• štete što mogu nastati pri preplavljivanju djelomično dovršenih radova;

• opasnosti za nizvodno područje pri pojavi proboja zagatne brane.

24

Najčešće se za derivaciju vode za vrijeme građenja planira jedan ili više obilaznih

tunela u bokovima doline. Za propuštanje vode u vrijeme radova iskorištavaju se i

ispusti za pogon akumulacije, kao što su dovodni tuneli za hidroelektranu, ili

regulacijski ispusti za natapanje. Skretanje rijeke i usporavanje potrebno da bi se voda u

dovoljnoj količini propustila kroz defivacijske tunele, postiže se pomoću

zagata(predbrane-pomoćne brane). Oni su različite konstrukcije, a vrlo se često grade

kao niske nasute brane.

5. ELEMENTI OBLIKOVANJA BRANE

Širina krune brane i njezina visina iznad najviše razine vode u jezeru polazni su podaci

za utvrđivanje njezina poprečnog presjeka. Zato ih valja odrediti kao osnove za

oblikovanje brane. Trasa osi brane daljnji je element o kojem ovisi njezino oblikovanje.

5.1. ŠIRINA KRUNE BRANE

Iako nema posebnih razloga da širina krune bude ovisna o visini nasute brane, ipak je

pred nekoliko desetljeća bilo uobičajeno da se ona odabere u granicama:

* = 1 + + ∙ √-, sa + = 1.6 � 1.65.

Težnja da se smanji kubatura govori u prilog što je moguće užoj kruni, ali se time

ovisno o geometriji, ne štedi više od 1 do 5% obujma brane za 1 m suženja krune, širina

krune nema većeg utjecaja na sigurnost od kliženja pokosa brane. Međutim, mnogi

drugi razlozi opravdavaju izbor veće širine krune. Na slici 5. prikazana je širina krune

ovisno o najvećoj visini nekih brana u svijetu.

25

Slika 5. Dijagram širine krune u odnosu prema visini za različite brane i krivulje širine prema jednađbi

Pri izboru širine krune uzima se u obzir ovo:

• mogućnost kretanja strojeva i vozila u završnoj fazi građenja brane, mogućnost

kretanja vozila za održavanje u pogonu i, eventualno, za javni promet ako on

prolazi preko krune brane;

• rezerva sigurnosti od erozije nastupi li nepredviđeno oštećenje krune brane i

pojave li se poprečne pukotine kroz jezgru brane;

• uvjet sigurnosti pri oštećenju krune djelovanjem jakog potresa kad je brana u

zoni jake seizmičnosti.

Jak potres izaziva najveće pomake i oštećenja na kruni brane. S većom širinom

povećava se rezerva materijala i smanjuje opasnost od prodora vode pri jačem oštećenju

krune. Zbog svih tih razloga opravdano je zaključiti da se većom širinom krune

povećava sigurnost brane u pogonu i u izuzetnim okolnostima. Posebno valja težiti

većoj širini krune kad je brana na morfološki ili geotehnički nepovoljnoj osnovi, zbog

čega nastaju diferencijalne deformacije koje pogoduju otvaranju pukotina u jezgri.

Također, kad je brana u jakoj potresnoj zoni projektira se široka kruna.

26

5.2. KOTA KRUNE BRANE

Visina krune brane iznad najviše razine vode u jezeru vrlo je značajan činilac njezina

osiguranja od opasnosti preplavljivanja i rušenja. Više okolnosti može uzrokovati da

najviša razina vode u jezeru bude povremeno iznad projektirane. To su, kako je

skicirano na slici 6:

• debljina mlaza 0� iznad praga preljeva ili položaja zapornica za reguliranje

razine jezera pri nadolasku katastrofalnoga vodnog vala;

• visina penjanja valova uz kosinu 0 pri djelovanju najjačeg vjetra u

najnepovoljnijem smjeru;

• porast razine jezera uz branu 01 zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode

vjetrom;

• porast razine uz branu 0� zbog pojave polaganih oscilacija jezera.

Slika 6. Elementi za računanje kote krune brane

Radi osiguranja brane treba pretpostaviti da sve spomenute pojave djeluju istodobno i

tako zbirno maksimalno dižu razinu jezera iznad normalne projektom određene kote

vode, iako vjerojatnost koincidencije svih nepovoljnih stanja može izgledati veoma

mala. Ako je kota najviše radne razine vode u jezeru �2, onda će projektna kota krune

brane biti:

�3 = �4 + 0� + 0 + 01 + 0� + 5 = �3 + ∆-,

u čemu je5 sigurnosni dodatak za pokrivanje rizika. Visina 5 bit će to veća što su veće

štete koje bi izazvalo preplavljivanje krune u predjelu nizvodno od brane.

27

Štete ovise o naseljenosti predjela, o volumenu jezera, o visini brane, a rizik pojave o

pouzdanosti meteoroloških i hidroloških podataka. Preporučuje se da sigurnosni

dodatak bude u granicama:

0.3 < 5 < 1.58.

U seizmički jako aktivnim područjima potres može izazvati valove i veće visine, pa u

nedostatku računa valja povećati sigurnosnu visinu 5 za još 1,5 - 3 m ovisno o veličini

jezera, o visini brane, o seizmičkoj aktivnosti i opasnosti od šteta nizvodno od brane.

5.3. TRASA OSI BRANE

Od većine većih nasutih brana sagrađenih do prije 20 godina bila je u pravcu da spaja

dvije odabrane točke na suprotnim bokovima. Kad su oblici padina omogućavali da se

smanji obujam nasipa trasom osi koja slijedi povoljna izbočenja bokova, os je bila i

zakrivljena. Danas se još projektiraju brane s osi u pravcu, ali je trasa osi često uzvodno

konveksno zakrivljena i kad to ne smanjuje kubaturu. Tako konveksno podignuta brana

zbija se u smjeru osi tijekom slijeganja i deformiranja tijela brane prema nizvodnom

smjeru pod djelovanjem tlaka usporene vode. Mišljenja su donekle podijeljena o tome

postiže li se olučenjem osi brane željeni učinak, ali je činjenica da se zalučena os brane

pri pomicanju tijela brane u nizvodnom smjeru skraćuje. To ne mora znatnije povećati

tlačne vodoravne napone, ali može kompenzirati deformaciju u zonama istezanja i time

spriječiti otvaranje poprečnih pukotina u višim zonama jezgre. Zbog toga se

preporučuje jače uzvodno olučenje osi brane kad su oblici padina pod branom

nepravilni, padine strme, presjek doline nesimetričan i nepravilan.

28

5.4. OBLIKOVANJE KOSINA

Uzvodna i nizvodna kosina brane oblikuju se s nagibima koji zadovoljavaju zahtjev

sigurnosti od klizanja iz računa stabilnosti. Tako nastaje jednolična površina uzvodne i

nizvodne kosine.

U našim projektima, a i u svijetu, često se na nizvodnoj i na uzvodnoj površini kosine

ugrađuju vodoravne plohe "berme", koje prekidaju tu jednoličnu plohu, a sežu preko

cijele duljine kosine s jednog do drugog boka doline. U većini primjera nema posebna

razloga da se prekida površina kosina brane bermama. Ostavljanje berma može biti

tehnološki uvjetovano na kosinama brana od nasutog kamena, kad je, naime, prirodni

nagib kamene kosine strmiji od projektiranoga. Tada se povlačenjem ruba nasipa na

redovnim visinskim intervalima formira stepeničasta kosina koja slijedi projektirani

prosječni nagib kosine. Prije se smatralo da su berme na visinskim razmacima od oko

10 m potrebne kao komunikacije uzduž kosine brane, i za zaštitu nizvodne kosine

zemljanih brana od erozije pri intenzivnim oborinama. Danas, kad su tu građevni

strojevi i vozila kojima se svladava bez teškoća strmi usponi, otpada potreba da se

vožnja po kosini brane omogući bermama. Iskustvo je pokazalo da se zemljane kosine

prikladnim zasijavanjem biološki mogu trajno sačuvati od erozije i pri vrlo jakim

oborinama.

6. TEMELJENJE I HIDRAULIČKA STABILNOST KOSINE

Dobro projektirana i podignuta brana mora postati harmonična cjelina s temeljnim tlom,

a uz dovoljnu vjerojatnost da neće nastati kritično stanje s obzirom na deformacije,

mehanički ili hidraulički slom, regresivnu eroziju ili količinu procjedivanja. Radi

sistematiziranja problema može se temeljno tlo na kojem leži nasuta brana rasporediti u

pet tipičnih grupa ovisno o otpornosti, deformabilnosti, propusnosti i sklonosti eroziji.

U tablici 2 je opis je tih grupa.

29

Tablica 2. Shema osobina temeljnog tla

Grupa (1)

Opis (2) Otpornost (3) Deformabilnost (4) Propusnost (5) Problemi (6)

I Čvrsta

homogena stijena

velika neznatna mala do veoma

mala nema

II Čvrsta

razlomljena stijena

velika mala srednja do

velika gubitak vode

III Rastrošena razlomljena

stijena

veliak do srednja

srednja mala do velika gubitak vode, opasnost od

erozije

IV Zbijeno

nevezano tlo mala mala do srednja srednja

regresivna erozija

V Stišljivo

nevezano tlo velika velika

veoma mala do mala

slijeganje, slom tla, erozija,

ispiranje

Tih pet skupina samo grubo shematizira osnovne tipove i najznačajnije probleme koje

valja riješiti za uspješno temeljenje brana. U svakome će konkretnom primjeru

slojevitost, rasjedi, prirodna nehomogenost terena, razina podzemne vode u bokovima i

drugi geološki i geotehnički detalji karakterizirati ambijent temelja i uokviriti probleme

koje treba riješiti na najprikladniji način.

6.1. STATIČKI UVJETI TEMELJENJA BRANE

Dubina i širina baze temelja brane na stijeni ovisi o debljini rastresitog sloja ispod

razine terena i o nagibu stabilne kosine brane. Nagibi kosine brane i njezina širina na

razini temelja ne ovise o uvjetima sigurnosti od sloma u temeljnom tlu.

Kad brana leži na nekoherentnim ili koherentnim sedimentima širina i dubina temeljenja

ovise o stišljivosti i otpornosti na smicanje slojeva temeljnog tla i o promjeni tih

osobina s dubinom. Ako su osobine naslaga nepovoljne za temeljenje, a dubina do

stijene ili do čvrstih naslaga nije velika, može se razmišljati o uklanjanju nepovoljnog

materijala do potrebne dubine da bi se temelj oslonio na povoljno tlo. No ako je dubina

velika, brana se oblikuje za jače slijeganje tla i s blažim nagibom kosina koji

zadovoljava sigurnost od sloma tla u temelju.

30

U nekim će okolnostima dobro doći postupci kojima se ubrzava konsolidacija

i povećava čvrstoća na smicanje kao:

• predopterećenje tla uz dreniranje bunarima ili drugim vertikalnim drenovima u

prikladnom rasporedu;

• ugrađivanje balasta na terenu uz stopu kosina brane radi povećanja čvrstoće tla;

• vibroflotacija, posebno ako je tlo pjeskovito;

• dinamičko nabijanje.

6.2. PROCJEĐIVANJE VODE KROZ TEMELJ I BRANU

Voda usporena pred branu teče kroz temeljno tlo ispod nje i kroz sve zone materijala u

poprečnom presjeku od uzvodne do kraja nizvodne kosine. Na raspodjelu potencijala i

gradijenta tlaka u tim prostorima i protok utječe propusnost materijala u brani i u

temeljnom tlu pod njom.

Za proučavanje utjecaja procjeđivanja vode kroz tlo treba poznavati:

• visinu potencijala h u točkama (xyz) domene 9 ∈ ;³ na. slici 7.;

• i hidrodinamičke sile što djeluju na tlo u području strujanja vode;

• gradijent tlaka u kritičnim zonama domene 9;

• protok kroz branu i temelj.

Slika 7. Domena 9 ∈ ;³

31

6.2.1. Stacionarno strujanje vode u brani

Prema Darcyevu zakonu brzina vode je u svakoj točci domene:

< = � ∙ =,

pri čemu je � koeficijent propusnosti u smjeru toka, a = je gradijent potencijala u smjeru

toka:

= =>?

>�.

Funkcija potencijala 0(�, A, B) mora zadovoljit Laplaceovu jednađbu:

∆0(C, A, B) = 0,

koja za homogen anizotropno propustan materijal, izražen u komponentama u smjeru

osi koordinatnog sustava, glasi:

�D>²?

>D²+ �E

>²?

>E²+ �F

>²?

>F²= 0.

Potencijal 0(CAB) mora zadovoljiti još i uvjete na granicama. Granični uvjeti naznačeni

su na slici 8. za primjer nasute brane homogena presjeka na nepropusnoj osnovi, a na

slici 9. za nasutu branu s nepropusnom jezgrom na propusnom temelju.

Slika 8. Granični uvjeti strujanja vode kroz branu

Slika 9. Granični uvjeti brana na propusnom temelju

32

Za pojednostavljeno analitičko rješenje Laplaceove jednadžbe pretpostavlja se da je:

• tok vode stacioniran i derivacija je protoka s vremenom u svakoj točki >G

>�= 0

• voda nestišljiva i njezin se obujam ne mijenja pri promjeni tlaka;

• brzina toka u domeni mala i inercijalne sile od promjene brzine mogu se

zanemariti, H =>I

>�∙JKL= 0;

• obujam i svojstva tla ne ovise ni o promjeni napona ni o vremenu.

Laplaceova jednadžba može se integrirati analitički samo za jednostavnu konfiguraciju

domene i za jednostavne rubne uvjete. Rezultat integracije su jednadžbe

ekvipotencijala, kojima je visina potencijala 0 =∝∙ - = �NOP$., i jednadžbe strujnica,

linija najveće brzine vode. Grafički prikaz ekvipotencijala i strujnica je strujna mreža

(slika 10) za procjeđivanje ispod masivne brane. Ekvipotencijale su konfokalne

hiperbole, a strujnice elipse.

Slika 10. Strujna mreža toka ispod masivne brane

Za rješenje funkcije potencijala u nehomogenom polju, u drugim složenim uvjetima i

pri složenim rubnim uvjetima primjenjuju se druge približne metode. To su:

• hidraulički modeli u smanjenom mjerilu;

• analogni modeli;

• grafičko približno rješenje;

• numerička aproksimacija funkcije potencijala.

33

6.2.2. Nestacionarno strujanje vode u brani

Kad se visina potencijala i rubni uvjeti na granicama područja toka vode mijenjaju,

polje potencijala ovisi i o vremenu. Za ilustraciju, neka posluži na slici 11. poprečni

presjek homogenog nasipa kod kojeg se kota uspora na uzvodnoj strani postepeno

snizuje. Nakon sniženja razine vode za ∆-, od kote (1) na kotu (2), dio (QR) uzvodne

ekvipotencijalne plohe (SQ) postaje slobodna površina vode. Na tom dijelu uzvodne

konture voda, zbog nastale promjene, prestaje teći u nasip i djelomično teče i prema

uzvodnoj kosini. Slobodna površina RQ! nakon sniženja vodostaja za ∆- postepeno

mijenja oblik i položaj, kako je skicirano točkasto-crtkanim linijama, te nakon

određenog vremena postiže novu ravnotežu za snižen vodostaj na položaju RT!.

Slika 11. Nestacionaran protok kroz homogen nasip

Slika 12. Početna strujna mreža pri naglom pražnjenju bazena

34

Zaostajanje vode u nasipu iznad razine jezera tijekom snižavanja ovisi o brzini tog

snižavanja, <� = ∆-: ∆$, i o odnosu između te brzine, poroziteta n i koeficijenta

propusnosti � materijala nasipa. Što je veća brzina snižavanja vodostaja (<�), što je veći

porozitet O nasipa i što je manji koeficijent propusnosti � nasipa, to će proteći više

vremena dok se voda iz zone RTQ iscijedi iz tla prema konturama nasipa, pa će razina

vode u nasipu više zaostajati za razinom jezera. Strujne mreže u uzvodnoj kosini na slici

12. početno su stanje nakon trenutnog sniženja vodostaja do kote temelja (<� = ∞), u

vrijemenu kad voda počinje strujati prema nizvodnoj kosini, što je najnepovoljnije

početno stanje. Kad se razina jezera ispred brane s uspravnom jezgrom u sredini snizi

od najviše kote do dna bazena, za visinu uspora - kroz vrijeme $ brzinom <� = -: $,

voda i u nasipu ispred jezgre pada, pa je uz jezgru na koti 0� iznad baze. Na slici 13.

strujna je mreža za polaganije sniženje vodostaja. Za vrijeme dok je razina pala do kote

temelja, iscijedila se neka količina vode iz materijala uzvodne kosine, pa je i slobodno

lice vode snizilo na razinu (0P). Razlika (- � 0�) ovisi o brzini padanja vodostaja (<�),

o ukupnom volumenu vode u materijalu kosine n.A, dakle o njegovu porozitetu (O) i o

nagibu kosine (8), o koeficijentu propusnosti (�) i o gradijentu tlaka, s čime je

povezana brzina kretanja vode u nasipu.

Slika 13. Strujna mreža pri snižavanju razine jezera brzinom <�

35

6.2.3. Protok kroz branu i temelj

Protok kroz promatrani presjek dobiva se integriranjem umnoška brzine i površine

presjeka. Po Darcyjevu zakonu brzina toka je u smjeru strujnice < = = ∙ �, pa je protok

kroz presjek ∆+:W = = ∙ � ∙ ∆+. Zbog stalnosti volumena vode protječe kroz svaki

strujni kanal na svakoj ekvipotencijali jednaka količina pa je, s oznakama na slici 14.:

W = < ∙ ∆+ = = ∙ � ∙ ∆+,

Slika 14. Protok kroz branu

pri čemu je ∆+ protjecajni presjek pa će uzduž strujnog kanala vrijediti ∆+ = Q� ∙ 1.

Razlika potencijala između susjednih ekvipotencijala je:

∆0 =X

#Y,

gdje je O broj ekvipotencijalnih intervala ∆0, pa je s razmakom Z� između

ekvipotencijala = =X

#Y.

S tim je W = �X

#Y∙�[∙ Q� protok kroz jedan strujni kanal. Kroz O� strujnih kanal potječe

ukupno:

\ = O� ∙ W = � ∙ - ∙][�[∙#[#Y

.

Kad se područje sastoji od više materijala različite propusnosti računa se protok za

svaku zonu posebno.

36

6.3. ZAŠTITA OD NEPOVOLJNIH POSLJEDICA STRUJANJA

VODE

Usporena se voda procjeđuje kroz sve zone brane od uzvodne kosine, kroz jezgru, kroz

drenove i kroz tlo u temelju ispod brane, pa u manjoj ili većoj količini izvire na

površinu terena nizvodno od brane ili u prikladno postavljene drenove. Procjeđivanje

kroz temelj i branu može izazvati nepovoljne posljedice, kao:

• hidrauličku nestabilnost tla na mjestu izviranja vode nizvodno od brane;

• unutrašnju eroziju u materijalu nejednolike granulacije i na granicama između

materijala različite granulacije i propusnosti;

• ekonomski osjetan gubitak vode kroz pore u materijalu.

Intenzitet i značenje svake od iznesenih posljedica ovisi o gradijentu tlaka u

hidrodinamičkom polju, o propusnosti materijala, o njegovu granulometrijskom sastavu

i o brzini strujanja vode. Prikladnim mjerama može se svaka nasuta brana projektirati

tako da se izbjegnu opasnosti i nepovoljne posljedice procjeđivanja vode kroz branu i

temelj. Projektiranje mjera zaštite i osiguranja od nepovoljnih posljedica strujanja vode

kroz branu i temelje osniva se na poznavanju funkcije potencijala što je osnova za

računanje raspodjele hidrodinamičkog tlaka, gradijenta tlaka, smjera i brzine strujanja

vode i protoka kroz branu i temelj. Mjere zaštite i osiguranja brane obuhvaćaju:

• sprečavanje hidrauličkog sloma tla i regresivne erozije;

• sprečavanje unutrašnje erozije u tlu i u tijelu brane;

• kontroliranje protoka od procjeđivanja kroz branu i temelj u prihvatljivim

granicama.

37

6.3.1. Unutrašnja erozija

Unutrašnja erozija je proces u kojem struja vode zahvaća ili otkida i prenosi čestice tla

kroz pore. One se mogu ponovno taložiti na mjestima gdje se brzina smanjuje u širokim

porama, ili gdje su pore uže od čestica. Ta pojava je ponekad opasna u prirodnome

nehomogenom tlu; na mjestu odnošenja tlo se razrahljuje, što pod opterećenjem izaziva

dodatne deformacije, a ako proces traje dugo, mogu nastati i urušavanja. Unutar brane

erozija može početi na granicama između materijala sitnijeg i krupnijeg zrna, što bi u

krajnjemu izazvalo i proboj brane. Erozija se može nastaviti do jačeg razrahljivanja i

urušavanja zone ako se proces ne zaustavi zadržavanjem iznesenih čestica na nizvodnoj

propusnijoj granici.

Na svim granicama između materijala različite granulacije valja ugraditi filtarske

prijelazne slojeve. Njih treba osigurati i oko svih drenažnih slojeva gdje je hidraulički

gradijent velik. Filtarska zaštita teorijski nije potrebna uzvodno od malo propusne

jezgre jer se tu ne može očekivati prenošenje čestica iz krupnijega u sitniji materijal.

Filtarske se zone ugrađuju ipak i uzvodno od jezgre u branama s uzvodnom potpornom

zonom od kamena nasipa ili drugoga krupnozrnog materijala. Pri pojavi pukotina u

jezgri struja vode bi iz tih filtarskih zona unijela u pukotinu sitne čestice i tako je

ponovno zatvorila, za račun određenog razrahljenja nekoherentnog filtra.

Granulacija filtarskog sloja mora garantirati stabilnost od unutrašnje erozije samog

filtra, pa koeficijent jednoličnosti, odnosno raspon promjera zrna, ne smije biti prevelik.

Da bi se zaštitio od erozije sitnozrnastog na granici s krupnozrnastim materijalom, valja

ugraditi filtar od nekoliko slojeva kojih je granulacija uzastopno krupnija. Filtarske

prijelazne zone u branama sastoje se od dva ili tri sloja kontrolirane granulacije.

Sastav materijala filtarskih slojeva mora zadovoljavati ove uvjete:

• stabilnost od unutrašnje erozije;

• takva granulacija da sitne frakcije finijeg sloja ne mogu proći kroz pore

krupnijeg sloja;

• propusnost krupnijega barem 10 puta veća od propusnosti finijeg sloja;

granulacija takva da materijal ne segregira pri ugrađivanju.

38

6.3.2. Procjeđivanje kroz jezgru i temeljno tlo

Ukupan protok procjeđivanja vode iz jezera zbroj je protoka kroz jezgru i kroz temelj.

Uzduž osi brane visina je promjenjiva od najmanje na krajevima bokova do najvišeg

presjeka u dionici brane kroz korito rijeke. Protok se računa iz rješenja funkcije

potencijala za domenu brane i temeljnog tla. Temeljno tlo koje je slučajna prirodna

tvorevina, a brana, koja je građena po specifikacijama projekta, je jednoličnije strukture

te je protok kroz prirodnu sredinu temelja veći od protoka kroz branu. Zato se poduzete

mjere za smanjivanje protoka odnose upravo na temeljno tlo.

Za računanje protoka kroz jezgru, što je po konfiguraciji brane prostorno strujanje,

zadovoljava aproksimacija ravninskog rješenja za nekoliko sektora različite visine.

Strujna mreža za svaki sektor daje podatke za izračun te pri tome valja uračunati

anizotropiju propusnosti jezgre brane. Odnos između propusnosti u vodoravnom i

uspravnom smjeru mjeri se na zbijenim uzorcima u laboratoriju po Proctorovu

postupku.

Geološki detalji temeljnog tla ili stijene mogu imati presudno značenje za protok kroz

temelj brane u koritu i na bokovima. Zato istraživanjima treba ustanoviti postojanje i

značenje detalja kao što su tektonski blokovi i karakter diskontinuiteta koji ih

razdvajaju, karakter i međusobna povezanost pukotinskih sistema, slojevitost i značaj

slojnih ploha i slično. Te činjenice i podaci jezgrovanja istražnih bušotina, sistematskog

mjerenja propusnosti pojedinih dionica bušotina, podaci o razini podzemne vode i o

njezinu odnosu prema razini rijeke, osnove su koje pomažu da se stijena rajonira u

područja u kojima temeljno tlo ima slične osobine. Za ta se područja iz podataka

mjerenja propusnosti u bušotinama ocjenjuje vjerojatan koeficijent propusnosti i raspon

u kojem on može varirati. S tim se osnovama izračunava funkcija potencijala u prostoru

ispod brane pomoću fizikalnog, analognog ili matematičkog modela kako bi se dobili

gradijenti tlaka i protok pri raznim vodostajima. Račun otkriva najveće gradijente, zone

koncentracije toka i maksimalni protok. Ukupni gubitak vode filtracijom kroz temelj

tijekom godine računa se integracijom protoka s razinom jezera između najvišeg najniže

kote. Na tim se podacima osniva ocjena jesu li gradijenti i protok kroz temeljno tlo

prihvatljivi po kriteriju sigurnosti brane (erozija, uzgon) i ekonomskom značenju

gubitka vode.

39

Ako jedan ili oba kriterija ne zadovoljavaju, valja projektnim mjerama svesti gradijente

ili protok u okvire prihvatljivih veličina. Mjere koje se poduzimaju kad su gradijenti ili

protok, ili oba elementa, veći od tehnički ili ekonomski prihvatljive veličine, jesu:

• produljenje puta procjeđivanja izradom uzvodnoga i nizvodnog vodoravnog

zastora od gline ili drugoga nepropusnog materijala, npr. folije;

• produljenje ili zatvaranje puta procjeđivanja izradom nepropusne uspravne

zavjese od žmurja (dijafragme ili membrane);

• produljenje ili zatvaranje puta procjeđivanja izradom malo propusne injekcijske

zavjese.

7. DETALJI DIMENZIONIRANJA BRANE

Dimenzije brane definirane su funkcionalnim uvjetima, kojima se određuje kota i širina

krune brane. Koti krune dodaje se visina za kompenzaciju slijeganja nakon što se dovrši

nasipanje kako bi bili zadovoljeni funkcionalni zahtjevi i dugo vremena nakon završetka

radova. Tim se uvjetima određuje vrh brane, a širina njezine osnove u poprečnom

presjeku ovisi o nagibu uzvodne i nizvodne kosine brane. Nagib kosina mora zadovoljiti

prihvatljivu sigurnost od sloma klizanjem kosina i brane na podlozi. Što su kosine blaže

nagnute, to je sigurnost brane veća, ali se s blažim nagibom kosina povećavaju njezin

obujam i cijena. Valja, dakle, naći kompromis između cijene i dovoljne sigurnosti.

7.1. OPTEREĆENJE BRANE

Opterećenja i sile koje djeluju na branu su stalne, promjenjive i povremene. Stalno

opterećenje je gravitacija. Promjenjiva su opterećenja:

• tlak akumulirane vode;

• uzgon;

• hidrodinamički tlak u zonama kroz koje voda struji;

• porni pretlak u zonama koje su zasićene vodom.

40

Povremena opterećenja su :

• dinamičke sile mase izazvane potresom.

Sva ova opterećenja izazivaju napone i promjene napona u brani kojih su posljedica

promjene volumena materijala, od vrijemena ugrađivanja do stanja prilagođenoga

ravnoteži s novim opterećenjem. U nepovoljnim okolnostima pojavljuju se velike

plastične deformacije u nekim zonama, najviše u kosinama.

7.2. STABILNOST KOSINA

Materijal brane u ravnoteži je na kosinama ako je čvrstoća na smicanje materijala u

svim točkama na kosini i u njoj veća od napona smicanja koji su potrebni da se održi

ravnoteža. Granično stanje ravnoteže nastaje pri nepovoljnom opterećenju ili prestrmom

nagibu kosine, kad su u nekome kontinuiranom području u kosini naponi smicanja

potrebni da se održi ravnoteža jednaki čvrstoći materijala ili veći od nje. U tom se stanju

pojavljuju velike deformacije što je jednako slomu kosine. Budući da prirodni materijali

ugrađeni, u branu nisu sasvim homogeni, i zato parametri otpornosti i deformacije nisu

u svim točkama identični, slom se ne mora pojaviti istodobno u cijelom području, nego

se pri porastu opterećenja postepeno širi od zona najmanje čvrstoće uz postepeno

rastuću deformaciju. Nagib kosina brane valja odabrati tako da ni uz najnepovoljnije

opterećenje prosječni napon potreban za održavanje ravnoteže ne prekorači čvrstoću

smanjenu faktorom sigurnosti.

Hidrostatski tlak akumulirane vode glavno je opterećenje koje brana osim vlastite težine

mora sigurno preuzeti i prenijeti na podlogu. No različita stanja brane tijekom građenja i

u času njegova završetka s maksimalnom razinom usporene vode, u brzom pražnjenju

jezera i pri potresu zahtijevaju zasebno proučavanje.

41

Tri su mjerodavna stanja za statička opterećenja:

• stabilnost kosina brane i temelja za vrijeme građenja;

• stabilnost nizvodne kosine pri punom jezeru. To je glavno opterećenje koje

djeluje na branu; računom se nalazi dovoljan faktor sigurnosti nizvodne kosine;

• stabilnost uzvodne kosine pri brzom pražnjenju jezera od maksimalne do

moguće minimalne ili do najnepovoljnije razine vode u jezeru.

Stabilnost kosina brane za različita opterećenja dokazuje se analizom mogućeg stanja

napona uzduž nekih pretpostavljenih ploha sloma u tijelu brane pri kojem je njezin

segment iznad plohe sloma u ravnoteži uz jednolično angažiranje dijela otpora smicanju

� . Dio otpora smicanju potreban za ravnotežu segmenta određuje faktor sigurnosti �̂.

Taj je faktor najmanja od vrijednosti izračunanih za više mogućih ploha. Poznato je više

metoda za rješavanje tog zadatka koji je višestruko statički neodređen. Kad je kosina

homogena, proučava se ravnoteža segmenta kao cjelina pa se, oslanjajući se na Mohr-

Coulombov uvjet sloma može računati s rezultantom napona uzduž plohe sloma. Ako se

ploha sloma pretpostavi u obliku dijela kružnice, statička se neodređenost svodi na

jedan uvjet.

Pretpostavi li se raspodjela uzdužnih napona uzduž kružnice, određen je time i položaj

rezultante otpora smicanju, pa se da izračunati nepoznati faktor sigurnosti. Dvije

ekstremne moguće pretpostavke prikazane na slici 15:

• da su naponi koncentrirani u točki (a), gdje rezultanta normalnih sila N siječe

kružnicu;

• da su naponi koncentrirani na krajevima kružnice (b) i (c) u dvije normalne sile

_ i _�

daju najmanju i najveću vrijednost �̂ , a razlika među njima raspon je mogućih rješenja.

Budući da ni jedna od pretpostavki fizički nije ostvariva, realistična se vrijednost �̂

nalazi između izračunatih ekstrema. Taj zaključak vrijedi općenito za bilo koju metodu

računanja faktora sigurnosti kosina.

42

Slika 15. Alternative uravnoteženja sile na kružnom segmentu sloma u homogenoj brani u točki S,

odnosno u Q i !.

Kad je kosina nehomogena segment se podijeli na O lamela kako bi parametri čvrstoće

uzduž baze svake od njih bili stalni. Na slici 16. prikazana je djelomično uronjena

kosina kroz koju struji voda, podijeljena na lamele. Naznačena je linija nivoa

potencijala na pretpostavljenoj plohi sloma i razina vode ispred kosine.

Slika 16. Segment sloma uzvodne kosine zonirane brane: (gore) podjela na lamele; (dolje) rezultante

napona na konturama lamela (1), (=) i (O)

43

Strujni se tlak uzima u račun tako da se ploha lamele iznad razine vode množi

zasićenom `, a ispod nje uronjenom težinom `′, dok se sile pornog pretlaka �a�, �]a i

�a računaju od nivoa potencijala, kako je skicirano na lamelama Z, = i O. Kad se uzmu

sve nepoznate sile i veličine i zadovolje uvjeti sloma uz faktor sigurnosti �̂, izlazi da uz

3O jednadžaba ravnoteže lamela ima 2O +l previše nepoznanica. Valja pretpostaviti

2O + Z veličine da bi se zadatak mogao riješiti, a pretpostavke moraju još zadovoljiti

uvjet da sila na kraju O-te lamele bude jednaka nuli, da položaj bočne sile medu

lamelama bude u rasponu

�∙ 0a < <a < 2/3 ∙ 0a i da tangencijalna rezultanta sile među

lamelama bude manja od čvrstoće, iz čega izlazi:

P=Oda =�e∙?efge∙�h�ij∙�Lke

ge ili $%la =

ge∙mno ie��e∙?ege∙pqmie

.

Bishop (1955) je dao rješenje ovog zadatka za kružnu plohu sloma, zanemario je

ravnotežu momenata pojedine lamele i pretpostavio da su kutovi da pa rješenje glasi:

�̂ =∑ [!a

( ∙ Za + (ta +t

� � )a ∙ Qa) ∙ $%la] ∙18va

#aw

∑ (ta +t

�) ∙ sin {a#aw

sa: 8∝a = cos{a +mno ve∙�Lke

~[.

Budući da je jednadžba implicitna po �̂, rješenje treba tražiti iteracijom koja brzo

konvergira.

Morgenstern i dr. (1965) riješili su neodređenost definiranja velikog broja pretpostavki

potrebnih za računanje faktora sigurnosti na plohi sloma općeg oblika uvođenjem

funkcije:

sin d(C) = � ∙ �(C).

Za različite se funkcije raspodjele �(C) faktor sigurnosti računa brzo pomoću programa.

Fizikalna se kompatibilnost rješenja kontrolira položajem hvatišta sila među lamelama.

Odbacuju se rješenja koja ne zadovoljavaju prije spomenute uvjete, a fizikalno

kompatibilna rješenja daju gornju i donju granicu raspona faktora sigurnosti, koje se u

svim ispitanim primjerima kreću u uskom rasponu od max �̂ do min �̂ ≤ 0,05.

44

7.3. DEFORMACIJE BRANE I TEMELJA

Zemljani materijali, bilo prirodno taloženi ili nasuti i zbijeni, deformiraju se pri

promjeni opterećenja. Ukupnu deformaciju možemo podijeliti na tri komponente:

• distorzijske deformacije nastale bez promjene volumena tijekom promjene

opterećenja;

• volumenske deformacije nastale istiskivanjem vode iz pora nakon opterećenja

uz postepenu konsolidaciju pornog pretlaka;

• viskozne deformacije nastale polaganom distorzijom i promjenom volumena

strukture tla pri konstantnom naponu; viskozna deformacija može trajati dugo

vremena nakon dovršenja konsolidacijskog slijeganja.

Vektor pomaka po volji odabrane točke na površini ili u brani odražava ukupnu

deformaciju podloge i nasutog tijela brane. Komponente vektora pomaka su uspravna, u

smjeru gravitacije, i vodoravne, u smjeru uspravno i paralelno s osi brane. Sve tri

komponente bitne su za dimenzioniranje i za pravilno oblikovanje brane. Najvažnije je

slijeganje - uspravna komponenta deformacije � u smjeru gravitacije, o veličini koje

ovisi visina nadvišenja upravo dovršene krune brane iznad projektirane kote krune. Na

slici 17. prikazan je proces slijeganja neke točke u brani ili na njezinoj površini s

vremenom, od početka ugrađivanja materijala iznad kote te točke.

Slika 17. Slijeganje točke A u brani tijekom vremena: �- slijeganje tijekom građenja; �#-ukupno

slijeganje sloja 0�; ∆�#-slijeganje po dovršetku građenja

45

7.4. ZAŠTITA UZVODNE KOSINE OD EROZIJE

Valovi i njihova visina glavni su uzročnici oštećenja uzvodne kosine brane. Visina vala

ovisi o brzini i trajanju vjetra, o njegovu razmahu, dubini vode i o geometrijskim

odnosima bazena. Energiju kojom val udara u kosinu raspršuje njezina hrapavost i

dizanje mase vode uz kosinu, a drugi mjerodavni faktori za učinak vala na kosinu su

njezin nagib i kut pod kojim val nailazi na ravninu kosine. Valovi koji koso dolaze na

kosinu brane dobivaju na visini krećući se uzduž nje i djeluju nepovoljnije na oblogu i

na prijelazni sloj pod njom od valova koji nailaze okomito na kosinu. Valovi koji

nastaju u jezeru za vtijeme puhanja jakog vjetra najviši su pri punom jezeru jer je tad

duljina razmaka vjetra najveća. Dinamička energija valova nepovoljno djeluje na

kosinu, izaziva eroziju pri uzlaznoj i pri silaznoj struji vode u slijedu amplituda valova.

Zalet vala uz kosinu diže vodu na visinu veću od visine vala, što ugrožava i viši dio

kosine pa i krunu brane. Što je val viši, to je i jače njegovo dinamičko djelovanje na

kosinu u zoni razine jezera.

Zaštita kosine od erozije djelovanjem valova ostvaruje se prikladnom oblogom. Ona

može biti:

• zatvorena i kompaktna;

• od rasutog materijala.

Obloge glatka tipa manje su opterećene dinamičkim djelovanjem mase vode u pokretu.

Zauzvrat je visina zaleta vode na takvoj oblozi velika. Hrapave obloge jako su

opterećene dinamičkim učinkom vala, ali je visina zaleta vode manja jer se energija

mase vode raspršuje turbulentim strujanjima u prelaženju preko blokova i kroz praznine

među njima. Trajnost obloge bilo kojeg tipa ovisi o njezinoj konstrukciji i prikladnim

dimenzijama, a vrlo mnogo o solidnosti izrade. Valovi načinju zatvorene obloge stalnim

djelovanjem na mjestima početnih defekata. Utjecajem atmosferilija, termičkim

efektima dnevnih i sezonskih oscilacija temperature, turbulencijom i kavitacijom pri

dinamičkom radu uzbibane vode proširuju se i progresivno pogoršavaju i mali početni

defekti. To s vremenom ugrožava integritet obloge i iziskuje troškove za popravak.

46

Izbor između nabrojenih mogućnosti zaštite uzvodne obloge ovisi u svakome

konkretnom slučaju o visini i učestalosti valova, o mogućnosti dobave materijala i

procjeni troškova građenja i održavanja.Pri inače jednakim odnosima prednost ima

obloga od rasuta materijala, koja smanjuje visinu penjanja vala, a time i kotu krune i

kubaturu brane. Projektant ima dosta slobode da u projekt unese invenciju i inicijativu u

pronalaženju najprikladnijeg rješenja.

7.5. ZAŠTITA NIZVODNE KOSINE

Mjere i opseg zaštite nizvodne kosine od erozije ovise o klimatskim uvjetima na brani i

o materijalima koji se mogu ugraditi na kosini. Gdje su oborine obilne s jakim

pljuskovima i slijeva se za kratko vrijeme velika količina vode niz kosinu i s jakim

erozijskim djelovanjem. U sušnim predjelima ili za dugotrajnih sušnih sezona površina

se dezintegrira i vjetar izaziva eroziju stalno odnoseći materijal. U hladnim predjelima

led i snijeg pridonose oštećenju i dezintegraciji kosine. Popravljanje štete od erozije

može biti i teško i skupo. Zato projektom valja utvrditi tip oblaganja i zaštite nizvodne

kosine koji se ostvaruje na gotovoj brani. Dva tipa zaštite nizvodne kosine dolaze u

obzir: vegetacijski pokrov ili sloj kamena ili krupna šljunka.

Vegetacijski sloj vrlo je dobra zaštita od erozije u gotovo svim klimatskim uvjetima s

dovoljno oborina za trajnu vegetaciju. Vegetacija koja prirodno uspijeva na terenu oko

brane najprikladnija je u te svrhe. Podloga mora biti povoljna za razvoj korijena. Ako je

materijal nizvodne kosine brane veoma propuštan, vegetacijski se sloj intenzivno

drenira pa za sušna razdoblja raslinje ne uspijeva ili uvene. To se sprečava ugradnjom

dovoljno debelog sloja manje propusna materijala ispod aktivnoga vegetacijskog sloja u

kojem će se kapilarno zadržati dovoljno vlage za održavanje vegetacije.

Nekoherentan sloj od nasuta sitna kamena ili šljunka prikladna je zaštita nizvodne

kosine u suhom podneblju gdje vegetacija ne bi trajno uspijevala bez posebne njege.

Debljina takve obloge mora biti najmanje od 15 do 30 cm, ali i veća ako je kosina od

koherentna ili malo propusna materijala, kako bi oborine najvećeg intenziteta koji se

može pojaviti otjecale niz kosinu kroz propustan sloj obloge.

47

Najveće zrno ne mora biti krupnije od 8 cm. Radi veće propusnosti prikladniji je

jednolično graduiran od dobro graduiranog šljunka ili sitna kamena.

Ako je nizvodna kosina od propusna nasipa, od šljunka ili kamena, nije potreban

poseban zaštitni sloj; dovoljno je da se kosina poravna u granicama dopuštene

tolerancije oko projektirane ravnine.

7.6. KONTAKTNI PROBLEMI

Svaka granica između materijala različitih obilježja kroz koje struji voda potencijalno je

vrlo velikoj opasnosti od erozije. Zato ih u projektu valja najpažljivije razraditi, a u

građenju najsavjesnije ostvariti. Zanemarivanje naoko sitnih i nevažnih detalja može biti

granica koja vodi neuspjehu, a ponekad i u katastrofu. Posebno su osjetljive granice

između brane i temelja, gdje su hidraulički tlak i gradijent veliki, zatim granice gdje se

stječu manje i jače deformabilni materijali, kao što su kose plohe i strme plohe kontakta

jezgre i temelja na bokovima, kontakti između jezgre i betonskih građevina na kojima

ona leži ili se na njih naslanja. Kod brana koje se nalaze na propusnijem stišljivom

temeljnom tlu u koje se radi otješnjenja ugrađuje kruća nepropusna membrana, na

dodiru membrane s jezgrom koncentriraju se velike sile i pomaci što može

kompromitirati nepropusnost pa se ta zona mora posebno obraditi.

7.7. PUKOTINE U JEZGRI BRANE

Iako je ispiranje jezgre kroz pukotine koje su u njoj nastale tijekom vremena vjerojatno

najčešći uzrok rušenju ili oštećenju nasutih brana, tom je pitanju u stručnoj literaturi

poklonjeno razmjerno malo pažnje, a pukotine u jezgri kao uzrok oštećenju vjerojatno

često nisu ni uočene. Danas se zna da se pukotine ponekad ne mogu izbjeći pa u

projektu valja isplanirati mjere kojima se smanjuje otvaranje pukotina i koje štite branu

od oštećenja ako one nastanu.

Pukotine nastaju u jezgri brane zbog nekoliko razloga:

• nejednolično slijeganje jezgre uzduž osi brane;

• nejednolično slijeganje temelja u poprečnom smjeru;

48

• jednostrano slijeganje podloge brane pod težinom usporene vode;

• hidrauličko raspucavanje.

Posljedice se deformacija moraju u projektu svestrano proučiti i treba osigurati mjere

koje će onemogućiti pojavu nepovoljnih posljedica što bi narušile sigurnost i

funkcionalni integritet brane. Opasnosti za sigurnost brane što ih donose pukotine u

jezgri sprečavaju se aktivnim i pasivnim mjerama.

Aktivne mjere obuhvaćaju:

• ublažavanje naglih promjena nagiba u osnovi brane u uzdužnom i poprečnom

smjeru;

• ugrađivanje gline s većim potencijalom rastezanja u zonama gdje se očekuje

nastanak pukotina.

Pasivna je mjera rigoroznija gradacija i povećanje debljina zona filtara ispred jezgre i

iza nje na mjestima koja naginju raspucavanju.

7.8. ASEIZMIČKO OBLIKOVANJE BRANE

Oštećenje brane od potresa nastaje zbog različitih uzroka, kao što su njezina nedovoljna

otpornost, deformacije u njezinoj temeljnoj podlozi ili zbog efekata potresa na vodu u

jezeru. Oštećenja zbog nedovoljne otpornosti brane obuhvaćaju:

• klizanje kosina;

• smanjenje slobodne visine iznad kote jezera zbog potresom izazvanog slijeganja;

• klizanje brane na temelju;

• erozija kroz pukotine nastale u potresu.,

Oštećenja od deformacija u temeljnoj stijeni mogu nastati kad se brana gradi preko

aktivnog rasjeda ili na jako stišljivu materijalu. Oštećenja zbog djelovanja potresa na

vodu u jezeru pojavljuju se zbog:

• preplavljivanja krune brane učinkom seiša;

• preplavljivanja krune zbog porasta razine jezera pri klizanju velikih masa s

bokova doline u jezero;

• preplavljivanja krune pri rušenju ili oštećenju preljevne građevine ili ispusta za vodu.

49

Mjere kojima se sprečavaju štete od potresa valja obuhvatiti aseizmičkim projektom

brane.

Neka opća pravila za aseizmičko projektiranje brane obuhvaćaju:

• izbjegavanje smještaja brane na aktivnom rasjedu;

• zoniranje materijala i odabir nagiba kosina tako da sigurnost protiv slomu pri

dinamičkom opterećenju bude dovoljna;

• predviđanje velikog nadvišenja krune iznad kote uspora;

• zoniranje materijala tako da uzvodno i nizvodno od jezgre budu široke zone

prijelaznih materijala koji nisu podložni otvaranju pukotina;

• planiranje široke jezgre od materijala u kojem se nastale pukotine ponovno

zatvaraju;

• proučavanje mogućnosti klizanja i odrona velikih masa s bokova u jezero i

predviđanje mjera da se takve pojave suzbiju ili svedu u prihvatljive granice.

Iskustvo je pokazalo da su nasute brane sigurne u potresu ako su u projektu sadržane

sve potrebne mjere osiguranja. Teška oštećenja nastala su uglavnom na nasutim

branama kad djelovanje potresa na brane još nije bilo poznato.

8. NASUTA BRANA - "LIPA"

Planirana retencija Lipa se nalazi u slivu Pazinskog potoka s pregradnim profilom

udaljenim 1.5 km od utoka u Pazinski potok. Slivno područje retencije iznosi 6.83 km2.

Ukupna zapremina iznosi V = 295.500 m3, dok je zapremina do kote preljeva Vp =

260.000 m3. Kota dna retencije je na apsolutnoj koti 286.00 m.n.m, a kota preljeva na

289.50 m.n.m. Kota maksimalnog uspora je na apsolutnoj koti 290.000 m.n.m, a kota

krune brane 2 m više tj. na 292.000 m.n.m. Duljina brane u kruni je 230 m, s visinom 6

m.

Retencija je dimenzionirana tako da se 100-godišnji vodni val reducira na protok ne

veći od 3.0 m3/s, dok će se 1000-godišnji vodni val reducirati na protok do 4.0 m3/s.

50

8.1. ANALIZA PROCJEĐIVANJA

U svrhu ocjene hidrauličke stabilnosti i količine procjedne vode kroz branu provedena

je analiza procjeđivanja za maksimalnu razinu uspora. Za ovu razinu projekta

provedena je stacionarna analiza tečenja kroz tlo i tijelo brane. Proračun je proveden

korištenjem programskog paketa GeoStudio 2007 SEEP/W (for finite element sepage

analysis, GEO-SLOPE International Ltd., Calgary, Canada). Zadaća rješavanja

stacionarnog tečenja provodi se numeričkim postupcima korištenjem metode konačnih

elemenata. Vrijednosti koeficijenata vodopropusnosti pojedinog sloja odabrane su na

osnovu rezultata provedenih istraživanja. Za koherentne materijale koeficijent

vodopropusnosti određen je provedbom edometarskim pokusa i Le Franc-ovim

terenskim ispitivanjem pojedinog sloja. Vodopropusnosti nekoherentnih materijala

određene su na osnovu korelacija iz granulometrijskih krivulja, ili iskustveno.

Tablica 2. Usvojene računske vrijednosti koeficijenata vodopropusnosti

Materijal k [m/s]

Dren 10-2

Tijelo brane_1 (glina) 2×10-10

Tijelo brane_2 (zaglinjeni šljunak) 10-3

Podinski sloj gline- CH 10-8

Podinski sloj gline- CI 10-8

Podinski sloj lapora 10-8

Odabrana je slijedeća projektna situacija:

• Maksimalni radni vodostaj - kota 290.0 m.n.m. (+4.0 m)

Na slijedećim slikama prikazane su konturne linije jednakih ukupnih potencijala, te

vrijednosti hidrauličkih gradijenata.

51

Slika 18. Rezultati analize procjeđivanja za vodostaj u retenciji 290.0 m.n.m. s prikazom

ekvipotencijala (linije koje spajaju točke istog ukupnog potencijala)

Slika 19. Rezultati analize procjeđivanja za vodostaj u retenciji 290.0 m.n.m. – hidrualički

gradijenti ixy

Izgled strujne mreže ukazuje na formiranje tokova vode već u tijelu brane, bez

eventualno značajnijih gradijenata ispod nizvodne nožice. Gradijenti toka vode su u

granicama ixy = 0.2 – 0.3, ali na području središnjeg tijela brane, što znači da nema

opasnosti od pojave hidrauličkog sloma.

Analizom procjeđivanja utvrđuje se da je projektirana građevina hidraulički stabilna te

da nema potrebe za nikakvim eventualnim posebnim zahvatima.

15.

5

15.5

15.5 15

.5 15 .5 15.5 1

5.5

16

16

16 16 1

6 16

16

16.5

16.5 16.5

16. 5

16.5

16. 5

16.5

1

6.5

17

17

1

7

17

17 17

17

17.

5

1 7

.5

17.

5 17

.5

17

.5

17.5 17.5

1 8

18

1 8

18

18 18

18

.5

18

.5

18

.5

18.5

18.5 18.5

19

1

9

0 sec

290.000 m.n.m.

286.000 m.n.m.

1:2.5 1:2.5

2.2

842e

-00

8 m

3/se

c 3

.613

2e-0

09

m3/

sec

Udaljenost (m)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Vis

ina (

m)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

0.2

0.4 0.4

0.4

0.6

0 sec

290.000 m.n.m.

286.000 m.n.m.

1:2.5 1:2.5

2.2

842e

-00

8 m

3/se

c 3

.613

2e-0

09

m3/

sec

Udaljenost (m)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Vis

ina (

m)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

52

8.2. ANALIZA STABILNOSTI

Analize stabilnosti su provedene u cilju potvrde odabira geometrije i proračunskih

karakteristika materijala brane i temeljnog tla. Proračunom minimalnog faktora

stabilnosti za odabrane klizne plohe provjerena je stabilnost uzvodnog i nizvodnog

pokosa brane u interakciji s temeljnog tla. Analize stabilnosti provedene su u

programskom paketu GeoStudio 2007 SLOPE/W (for slope stability, GEO-SLOPE

International Ltd., Calgary, Canada) koji omogućava brzu provedbu velikog broja

analiza stabilnosti po pretpostavljenim cilindričnim ili cilindrično-poligonalnim kliznim

plohama. Analize su provedene korištenjem metode Morgenstern-Price za kružne klizne

plohe. Računske vrijednosti parametara materijala su odabrane na osnovu provedenih

terenskih te laboratorijskih istražnih radova, kao i iskustveno. Drenirani parametri

čvrstoće za koherentne materijale su dobiveni iz rezultata direktnog smicanja te

triaksijalnog pokusa (CIU). Za nekoherentne materijale definirani su parametri na

temelju korelacija s brojem udaraca iz standardnog penetracijskog pokusa (SPT).

Računska zapreminska težina svih materijala iznosi: γ =19 kN/m3.

Tablica 3. Usvojene računske vrijednosti parametara tla

Materijal c'[kN/m2] ϕ'[˚] cu[kN/m2]

Dren 0 33 -

Tijelo brane_1 (glina) 5 24 40

Tijelo brane_2 (zaglinjeni

šljunak)

1 33 -

Podinski sloj gline- CH 30 18 40

Podinski sloj gline- CI 10 28 60

Podinski sloj lapora 100 53 150

53

Analize stabilnosti su provedene za odabrane računski nepovoljne projektne situacije, u

kojima se građevina može naći na kraju izvedbe i tijekom eksploatacije. Odabrane su 4

različite projektne situacije. Analize su provedene u cilju iznalaženja minimalnih

vrijednosti faktora sigurnosti protiv otkazivanja nosivosti na pretpostavljenim kružnim

kliznim plohama sloma.

Projektna situacija 1 - Kraj izgradnje

• analiza stabilnosti uzvodnog i nizvodnog pokosa pregrade s nedreniranim

parametrima.

Projektna situacija 2 - Voda u akumulaciji na koti 290.0 m.n.m.

• Voda u akumulaciji na koti max. uspora - analiza nizvodnog pokosa s

dreniranim parametrima. Pretpostavka o ostvarenom stacionarnom tečenju

između akumulacije i zaobalja. Za potrebe analize preuzeta je raspodjela pornih

pritisaka iz analiza procjeđivanja prikazanih u prethodnom odjeljku.

Projektna situacija 3 – Naglo sniženje vode u akumulaciji

• Naglo sniženje vode u akumulaciji - analiza stabilnosti uzvodnog i nizvodnog

pokosa u dreniranim uvjetima. Pretpostavlja ostvareno stacionarno tečenje

između akumulacije i zaobalja.

Projektna situacija 4 – Potres + voda u akumulaciji na koti 290.0 m.n.m.

• Potres+voda u akumulaciji na koti 290.000 m.n.m. - analiza stabilnosti

uzvodnog i nizvodnog pokosa u dreniranim uvjetima. Pretpostavlja ostvareno

stacionarno tečenje između akumulacije i zaobalja. Potres djeluje koeficijentom

horizontalnog ubrzanja S? = 0.15 što prema MCS skali odgovara potresu jačine

VIII stupnjeva.

54

Prema pravilniku br. 31-7303/1, SL br. 25/80 dopušteni minimalni faktori sigurnosti

protiv otkazivanja globalne stabilnosti (posmični lom po pretpostavljenoj kružnoj

kliznoj plohi) za građevine, čija je visina manja od 15 m, iznose:

• Stalna opterećenja ^P�a# ≥ 1.30

• Povremena opterećenja ^P�a# ≥ 1.20

• Seizmička opterećenja ^P�a# ≥ 1.00

Projekta situacija 1 – kraj gradnje – uzvodni pokos

Slika 20. Kraj gradnje, nedrenirani parametri, uzvodni pokos ^P�a# = 2.942

Projekta situacija 1 – kraj gradnje – nizvodni pokos

Slika 21. Kraj gradnje, nedrenirani parametri, nizvodni pokos ^P�a# = 2.272

2.942

Udaljenost (m)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Vis

ina (

m)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

2.272

Udaljenost (m)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Vis

ina (

m)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

55

Projekta situacija 2 – voda u retenciji na koti 290.0 m.n.m. – nizvodni pokos

Slika 22. Razina vode na koti 290.0 m.n.m., nizvodni pokos ^P�a# = 1.756

Projekta situacija 3 – naglo sniženje vode u retenciji – uzvodni pokos

Slika 23. Naglo sniženje vode u retenciji, uzvodni pokos ^P�a# = 2.433

1.756

Udaljenost (m)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Vis

ina (

m)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

2.433

Udaljenost (m)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Vis

ina

(m

)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

56

Projekta situacija 4 – potres + voda u retenciji na 290.0 m.n. m. – uzvodni pokos

Slika 24. Potres + voda na 290.0 m.n.m., uzvodni pokos ^P�a# = 1.497

Projekta situacija 4 – potres + voda u retenciji na 290.0 m.n. m. – nizvodni pokos

Slika 25. Potres + voda na 290.0 m.n.m., uzvodni pokos ^P�a# = 1.256 Na osnovi rezultata provedenih analiza stabilnosti zaključuje se da je brana stabilna za

analizirana projektna stanje u okviru usvojenih proračunskih pretpostavki.

1.497

Udaljenost (m)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Vis

ina

(m

)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

1.256

Udaljenost (m)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Vis

ina

(m

)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

57

8.3. NAPONSKO DEFORMACIJSKA ANALIZA

Naponsko deformacijska analiza brane provedena je s ciljem procjene slijeganja

temeljnog tla i tijela brane za fazu po završetku izgradnje i u eksploataciji. Provedene

analize daju osnovne podatke za procjenu ukupnog slijeganja. Procjenu vremenskog

toka slijeganja koherentnih materijala u podlozi, i tijela same brane u fazama izgradnje

i u eksploataciji potrebno je provesti u daljnjim fazama projektiranja. Naponsko

deformacijska analiza brane provedena je s ciljem procjene slijeganja temeljnog tla i

tijela brane. Provedene analize daju osnovne podatke za procjenu ukupnog slijeganja.

Za proračune deformacija korišten je programski paket GeoStudio 2007/ SIGMA/W

(for finite element load deformation analysis, GEO-SLOPE -SLOPE International Ltd.,

Calgary, Canada). Parametri materijala, korišteni u naponsko-deformacijskoj analizi

odabrani na osnovu terenskih i laboratorijskih istražnih radova. Moduli elastičnosti (E)

dobiveni su iz modula stišljivosti (Mv) korištenjem slijedeće relacije:

E' = Mv×(1-2ν)×(1+ν)/(1-ν), - ν - Poisson-ov koeficijent

Eu, iz korelacijskih odnosa između nedreniranog modula i nedrenirane posmične

čvrstoće, u ovisnosti sa stupnjem prekonsolidacije i indeksa plastičnosti.

Za sve materijale je korišten linearno elastični model tla, što je dostatno za ovu razinu

projekta. Računska zapreminska težina svih materijala iznosi: γ = 19 kN/m3

Tablica 4. Deformacioni parametri tla za dreniranu i nedreniranu analizu

Materijal ν' [-] E' [kN/m2] ν u [-] Eu [kN/m2]

Dren 0.25 40000 - -

Tijelo brane_1 (glina) 0.35 7000 0.49 8000

Tijelo brane_2 (zaglinjeni

šljunak)

0.30 20000 - -

Podinski sloj gline- CH 0.35 17000 0.49 16000

Podinski sloj gline- CI 0.35 20000 0.49 24000

Podinski sloj Lapora 0.35 23000 0.49 30000

58

Kako bi dobili podatke o slijeganju odabrane su 3 projektne situacije:

Projektna situacija 1 – Kraj izgradnje

• slijeganje u ovoj situaciji se ostvaruje u tijeku i u kratkom vremenu po

završetku gradnje brane. Nedrenirana analiza za koherentne materijale.

Projektna situacija 2 – Puna retencija

• simulira se slijeganje u eksploatacijskim uvjetima. Kota vode odgovara

koti maksimalnog uspora 290.000 m.n.m.

Projektna situacija 3 – Prazna retencija

• u ovoj fazi procjenjuje se konačno slijeganje temeljnog tla i tijela brane

po završetku konsolidacije. Svi materijali s dreniranim parametrima.

59

Projektna situacija 1 – kraj izgradnje – nedrenirani parametri

Slika 26. Kraj izgradnje, vertikalni pomaci brane i temeljnog tla [m]

Slika 27. Pomaci temeljnog tla poprečno na os pregrade (lijevo – uzvodna nožica, desno –

nizvodna nožica)

-0.035

-0.03

-0.025

-0.02

-0.015

-0.01

-0.005

Udaljenost (m)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Vis

ina

(m

)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

Y-D

ispl

acem

ent (m

)

Distance (m)

-0.005

-0.01

-0.015

-0.02

-0.025

-0.03

0

0.005

0 10 20 30 40 50 60 70

60

Projektna situacija 2 – puna retencija

Slika 28. Puna retencija, vertikalni pomaci brane i temeljnog tla [m]

Slika 29. Pomaci temeljnog tla poprečno na os pregrade (lijevo – uzvodna nožica, desno –

nizvodna nožica)

-0.12

-0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

Udaljenost (m)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Vis

ina

(m

)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

New Graph

Y-D

ispla

cem

ent

(m

)

Distance (m)

-0.07

-0.08

-0.09

-0.1

-0.11

-0.12

-0.06

0 10 20 30 40 50 60 70

61

Projektna situacija 3 – prazna retencija

Slika 30. Prazna retencija, vertikalni pomaci brane i temeljnog tla [m]

Slika 31. Pomaci temeljnog tla poprečno na os pregrade (lijevo – uzvodna nožica, desno –

nizvodna nožica)

Na temelju provedenih numeričkih analiza te dobivenih rezultata zaključuje se da

projektno stanje građevine zadovoljava kriterije deformacije za sva naponska stanja u

okviru računskih pretpostavki.

-0.12 -0.12

-0.1 -0.1

-0.08 -0.08

-0.06 -0.06

-0.04 -0.04

-0.02 -0.02

0

Distance

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Ele

vati

on

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

Y-D

isplacement (m

)

Distance (m)

-0.07

-0.08

-0.09

-0.1

-0.11

-0.12

-0.06

0 10 20 30 40 50 60 70

62

9. ZAKLJUČAK

Izgradnja nasutih građevina predstavlja bitan segment pri izvedbi energetskih

postrojenja za iskorištavanje hidroenergetskog potencijala vodotoka, ali i pri reguliranju

protoka rijeka, za odvodnjavanje, za natapanje, za opskrbu naselja pitkom i industrije

radnom vodom, te za pročišćavanje vode iz rudarskih flotacijskih pogona.

Građenje brane mora biti povjereno radnoj organizaciji s sposobnim stručnjacima,

iskustvom i građevinskim strojevima koji omogućuju provedbu radova prema tehničkim

uvjetima. Za kontrolu i provjeru ostvarenja brane prema projektu i tehničkim uvjetima

valjda organizirati efikasnu nadzornu službu. Ta služba mora da uz sudjelovanje

glavnog projektanta, prati realizaciju brane i intervenira kad god ustanovi da prirodni

uvjeti za izvođenje radova odstupaju od predviđanja i odredaba projektanta. Projektant

sudjeluje u rješavanju problema koji se tako pojavljuju, prilagođuje projekt i detalje

nepredviđenim ili neočekivanim okolnostima, prema potrebi ga mijenja i dopunjava.

Potrebno je provesti odgovarajuća terenska i laboratorijska istraživanja te proračunske

analize. Geotehnički proračuni na razini idejnog projekta prikazani u ovom radu

obuhvaćaju analize procjeđivanja, stabilnosti i pomaka nasute građevine i temeljnog tla.

Na našem primjeru pomoću računskog modela izračunata je hidraulička stabilnost i

propusnost brane za projektnu situaciju (stacionarno strujanje) u kojoj razina vode

odgovara koti maksimalnog uspora (290.000 m.n.m).

U daljnjim fazama projekta se preporučuje nestacionarna analiza tečenja za naglo

pražnjenje akumulacije u određenim vremenskim inkrementima.

Analizom procjeđivanja utvrđuje se da je projektirana građevina hidraulički stabilna.

Provedene su analize stabilnosti na klizanje za odabrane nepovoljne projektne situacije.

Dobiveni minimalni faktori sigurnosti su zadovoljavajući.

63

Na osnovi rezultata provedenih analiza stabilnosti možemo zaključiti da projektno

stanje građevine zadovoljava kriterije stabilnosti u kontekstu računskih pretpostavki.

Tijekom gradnje i neposredno po završetku, ovisno o vremenskom tijeku građenja,

ostvariti će se oko 3.3 cm slijeganja dok će se preostalih 8.5 cm, ostvariti tijekom dužeg

vremenskog perioda uslijed konsolidacijskog slijeganja koherentnih materijala u

podlozi.

Na temelju provedene analize se utvrđuje kako je potrebno izvesti nadvišenje kote

krune brane u iznosu od 6 cm, što iznosi cca pola računskog maksimalnog slijeganja

koje iznosi 11.8 cm.

Za pretpostaviti je kako će se slijeganje u nekoherentnim materijalima u samoj brani

ostvariti tokom izgradnje dok će se slijeganje koherentnih materijala u brani te podlozi

realizirati kroz duži vremenski period.

U provedenim analizama je korišten linearno-elastični model tla. Dobiveni rezultati daju

sliku ponašanja brane, a vrijednosti slijeganja treba shvatiti kao okvirne vrijednosti.

U daljnjim fazama projekta se preporuča odabir složenijeg modela, kao i provedba

analiza slijeganja kroz faze gradnje.

Također se predlaže ugradnja opreme za praćenje slijeganja kao što su geodetski reperi

te horizontalni inklinometri, kojima će se potvrditi rezultati proračuna. Ugradnjom

horizontalnog inklinometra u razini s temeljnim tlom omogućiti ćemo praćenje

slijeganja temeljnog tla u svim fazama izgradnje.

Na temelju provedenih numeričkih analiza te dobivenih rezultata zaključujemo da

projektno stanje građevine zadovoljava kriterije deformacije za sva naponska stanja u

okviru računskih pretpostavki.

64

10. LITERATURA

K. Ivandić (2009.): Numeričko modeliranje, skripta za predmet

Milan M. Maksimović (2008.): Mehanika tla, AGM knjiga Beograd;

E. Nonveiller (1983): Nasute brane, Školska knjiga Zagreb;

E. Nonveiller (1979): Mehanika tla i temeljenje građevina, Školska knjiga Zagreb;

L. Matešić (2006.): Geotehničko inženjerstvo, skripta građevinskog fakulteta Rijeka;

J. Krahn (2004.): Seepage modeling with SEEP/W, Geoslope international ltd, Canada;

J. Krahn (2004.): Stability modeling with SLOPE/W, Geoslope international ltd,

Canada;

J. Krahn (2004.): Stress and deformation modeling with SIGMA/W, Geoslope

international ltd, Canada.

11. SAŽETAK

Autor: Nikola Kocijan

Tema: Analiza osiguranja vododrživosti brana i akumulacija

Ključne riječi: nasuta brana, istražni radovi, stabilnost, procjeđivanje, naponske

deformacije, Geostudio

U diplomskom radu govorimo o nasutim branama, geomehičkim istraživanjima te

ispitivanjima koje je potrebno napravit prije same izgradnje brane.Također govorimo i o

problemima vezanim za izbor najpovoljnijeg i najekonomičnijeg tipa brane. Da se ne

zadržavamo samo na teoriji, pokazali smo na primjeru, nasute brane "Lipa", proces

modeliranja programskim paketom GeoStudio, gdje smo pokazali analizu

procjeđivanja programom SEEP/W, analizu stabilnosti programom SLOPE/W i

naponske deformacije programom SIGMA/W.