Sigurana seismic a barajelor existente

Doctorand: ing. Horea Sibiteanu, MScConducator doctorat: prof. dr. ing. Dan Lungu

Cuprins Abstract2

1. Introducere2

2. Evaluarea siguranei seismice a barajelor existente4

3. Analiza numeric nelinear pentru deformaia seismic aspra barajelor 6

4. Studii de caz8

4.1. Barajul Dagangshan China8

4.2. Evaluarea siguranei seismice pentru barajele din Japonia9

5. Concluzii 10

6. Bibliografie 11

Abstract. Romania has a number of approximate 2000 dams, from which 276 are considered large dams, according to International Commission of Large Dams. Most of this dams are designed 40 years ago, or in the last 50-60 years. Since then, design codes and values of ground peak acceleration changed several times, doe to the evolution of knowledge in Earthquake Engineering. Because of this two parameters: evolution of codes and time, it is necessary to investigate old damps to find the real stage of safety and integrity of those infrastructure elements. Countries like US, Japan or China, had designed an earthquake risk management for dams, starting from tests made by mathematical simulation or in laboratories. So, in this paper the author tries to summarize some mathematical models used in earthquake safety of dams and then to present some study cases from US, China and Japan.Key Words: dam, earthquake safety, risk management1. IntroducereSigurana seismic a barajelor existente e o problem major datorat degajrii rapide a apei din rezervor, cauzat de cedarea barajului n timpul unui cutremur mare. Majoritatea barajelor sunt construite cu mult timp n urm, conform unor norme i standarde de proiectare expirate. n ultimii ani, s-au fcut foarte multe progrese n dinamica structural i astfel o evaluare utiliznd noile modele de calul ar putea s de arate starea actual a acestor baraje.Ghiduri pentru evaluarea seismic a barajelor au fost deja realizate in SUA (FEMA 65) i n alte ri ca Japonia sau China. Calculele fcute n aceste ri arat c anual, exist o probabilitate de 10-3 din 10-4 la un cutremur maxim de proiectare, ca barajul s nu se rstoarne, deschid mbinri, apar fisuri care s provoace scurgeri necontrolate[2].n istorie exist multe cazuri de baraje ce au avut de suferit n timpul unui cutremur. Cele mai cunoscute cazuri sunt barajul Koyana, India (1967), barajul Hsingfegkiang, China (1962), barajul Sefi-Rud, Iran, (1990) sau barajul Pacoiama din California (1971) [2]. Pe lng evidena istoric, exist un numr considerabil de experimente realizate pe platforme seismice, la scar redus. Printre ele amintim experimentele realizate de Bakhim si Dumenko n 1979, Hall n 1989, Donlon i Hall n 1991, Lin n 1993, Zadnik i Paskalov n 1992, Zadinik n 1994 i Mir i Raylor n 1005 i 1996 [2].Modele numerice au fost realizate n Statele Unite ale Americii, de ctre National Reseach Council n 1990. Atunci, cercettorii au dezvoltat dou modele de calcul diferirile pentru modelarea neliniar a barajelor: abordarea fisurii discrete i mecanica ruperii. Astfel, s-a realizat o discretizare a modelului finit. Pentru prima metoda, discretizarea elementului finit este fix i relaiile isotropice constitutive ale betonului sunt nlocuite cu proprieti ortrotopice. Pentru a mbuntii obiectivitatea discretizrii, se introduce un modul tensional de atenuare, ce se afl n legtur cu energia de fracturare a betonului [2].

2. Evaluarea siguranei seismice a barajelor existenteEvaluarea siguranei seismice este un proces integral ce const din [1]: Evaluarea hazardului seismic ce include componentele seismometrice ca micarea tectonic, acceleraia pentru diferite seisme de proiectare; Analiza rspunsului seismic, ce combin modelul fundaiei barajului cu proprietile materialelor i metoda de analiz; Performana ce include criterii de acceptana a posibilelor fisuri.O reprezentare mai complex a evalurii siguranei seismice, poate fi observat n diagrama din Figura 1[1] .

Seismic Input Caracteristicile sursei Magnitudinea Distana Atenuarea Geologia localParametrii de evaluare seismic Acceleraia maxim Coeficientul seismic Acceleraia spectral (spectrul de rspuns) Durata Istoricul acceleraieiSistemul baraj fundaie Proprietile materialului Configurare Topografie Structura geologic a terenuluiModelul Liniar- elastic Quasi elastic Neliniar Rspunsul ncrcrii seismice Tensiuni i rezistene dinamice Deformaii Factori de siguranCriteriile de performana Riscul din aval Deformaii maxime Stabilitatea versantului Pierderea rezistenei n timpul ncrcrilor ciclicenuValori acceptabile n concordan cu sigurana barajului? daRemediaz problemeleNu e nevoie de nicio aciune special

Figur 1 Componentele de baz ale evalurii siguranei seismice pentru un baraj existent [1]

3. Analiza numeric nelinear pentru deformaia seismic aspra barajelor n volumul coordonat de profesorul Abbas Mustafa, Rabak Ebrahimian, profesor la Universitatea din Teheran, propune un model matematic bazat pe discretizarea diferenial continua finit, aplicat cu abordare Lagrangian. Fiecare derivativ din setul de ecuaii guvernamentale este nlocuit direct cu o expresie algebric scris ca o variabil de teren ca deplasare sau efort pe un anume punct din spaiu. Pentru analiza dinamic, se aplic o schema diferenial pentru a rezolva ecuaia de micare derivat din densitatea real a amplasamentului. Secvena de calcul. Invoca ecuaia de micare pentru derivarea vitezei. Fiecare ciclu din bucla corespunde cu un pas. Fiecare pas se realizeaz dup schema din Figura 2 [7].Ecuaiile de echilibru(Ecuaiile de micare)Noile viteze i deplasriRelaiile de efort/rezisten(Ecuaiile constitutive)Noile eforturi sau fore

Figur 2 Ciclul modelului de calcul [7]Ecuaia de micare, scris n forma cea mai simplificat, relaioneaz cu acceleraia du/dt a masei m pe o fora F, aplicat. Legea de micare a lui Newton pentru sistemul cu scripete este:

Pentru un corp solid continu, Ecuaia (1) este generat dup cum urmeaz:

Unde: densitatea masei, t timpul, xj componenta vectorului de coordonare, gi componenta acceleraiei gravitaionale, ij componenta tensorului eforturilor, i componenta cadrului Carteisan.Pentru analiza, tensorul rezisten i tensorul rotaie, avnd gradient de vitez, sunt calculai dup urmtoarele ecuaii:

Unde eij componenta rezistenei, ij componenta rotaiei iar ui componentele vitezei.Relaia mecanic specific folosit pentru a obine tensorul tensiuni, este scris ca mai jos:

Unde M regula specific de comportare, parametrul istoric (bazat pe reguli specifice ce pot sau nu exista).n articolul profesorului Ebrahimian, se folosete acest model matematic pe un baraj de pmnt pentru a compara rezultatele obinuite anterior prin metode experimentale realizate de Arulandam i Scott n 1993 i 1994, pe baraje de pmnt. Pentru modelul matematic se impun condiii la limit ca problemele geotehnice idealizate (se folosete teoria conturului vscos a lui Lysmer i Kuhlemeyer) i ca program de calcul se folosete softul FLAC.

Figur 3 Rezultatele simulrii: (a) curba histeretic (b) comparaie a modului de forfecare a curbelor de reducieModelul numeric propus de autor poate reproduce cu uurin comportamentul seismic a unui baraj de pmnt, lucru validat din rezultatele obinute n urma analizei. n urma experimentelor s-a descoperit ca daca materialele i pstrezi calitile elastic n timpul cutremurului, acceleraia orizontal crete odat cu nlimea iar daca materialele se comport neliniar, tinznd spre un comportament plastic, atenuarea undei de acceleraie pe baraj devine mai eficient. Barajele mai nalte sunt mai flexibile dect cele mai mici, i cu ct este mai mare cu att ncrcarea dinamic este mai puternic i astfel se induce plasticitatea n materialele componente. Toate calculele au dus la concluzia c analiza dinamic neliniar arat c plasticitatea trebuie luat n considerare n investigaiile rspunsului seismic[7].

4. Studii de caz4.1. Barajul Dagangshan ChinaBarajul Dagangshan are o nlime de 210 m i o lungime de 609.8 m. Grosimea este de 52m la baz i 10 la vrf. Raportul lungime-nlime este de 2,90 i cel grosime-nlime de 0,248. Numrul total de mbinri este de 28. Rezervorul de ap are o adncime normal de 209m i minim de 195m, iar grosimea stratului de sedimente este de 125m. Barajul este situat ntr-o zona seismic cu perioad de col de 0,557g. Evaluarea siguranei a fost un element cheie n proiectarea barajului [3].

Figur 4 Evoluia fisurilorn urma studiilor i calulelor realizate de profesori de la universiti de top din China, s-au ajuns la concluziile c: micrile neuniforme afecteaz mbinrile si astfel pot aprea scurgeri i astfel trebuie acordata foarte mult atenie mentenanei; cu toate c aparatul matematic permite acum folosirea unor ecuaii mai complicate pentru analiza seismic, nu exist ns date concrete, reale ale comportamentului unui baraj in timpul unui cutremur. Metoda clasica de proiectare arcul n consol nu este satisfctoare atunci cnd micarea neilar a cutremurului produce un mecanism i astfel se caut noi modele matematice pentru a gsi o variant mult mai aproape de cazul real [3].4.2. Evaluarea siguranei seismice pentru barajele din JaponiaIn Japonia exist 2600 de baraje construite fie cu scopul controlului inundaiei, fie pentru a crea rezervoare de ap potabil sau pentru centrale hidro [5]. Avnd n vedere c aceste baraje au fost construite de-a lungul ultimilor 50 de ani, sub diferite coduri de proiectare i c de-a lungul timpului au suferit aciuni seismice, este necesar o inspecie a siguranei i o evaluare a acestor elemente de valoare infrastructural.n Japonia, din 1978 exist o comisie ce se ocup cu inspecia de urgen imediat dup apariia unui cutremur. n urma inspeciilor, s-a constata c nu apar daune dup un cutremu de intensitate de cel mult 4 grade. Inspecii regulate sunt efectuate la barajele vechi, inspecie se realizeaz de ctre Centrul Japonez de ingineria barajelor (JDEC) [5].

Profesorul Yamaguchi a realizat un model ce calcul bazat pe ecuaii Ducanp-Chang, pentru a se observa deformaiile din alunecare[5]:

Unde: Pu presiunea atmosferic, c coroziunea, unghiul intern de frecare, tensiunile, K,n i Rf coeficienii reieii din relaiile de deformaii=rezisten. G,F i D coeficienii reieii din relaiile dintre tensiunile verticale i orizontale.n urma interpretrilor datelor cu metoda Newmark, s-a observat c n urma cutremurului indus. Exist o deformaie maxim prin alunecare a sedimentelor 7 cm.

5. ConcluziiRomnia are peste 2000 de baraje, din care aproximativ 300 sunt definite ca baraje mari, n conformitate cu definiia ICOLD (International Commission of Large Dams) [10]. Conform Departamentului pentru Ape, Pduri i Piscicultur, din cadrul Guvernului Romniei, exist 21 de acte legislative ce se ocup de sigurana barajelor. Barajele reprezint un punct cheie n strategia de siguran pentru c orice avarie ce poate duce la fisurarea barajului i la pierderea stabilitii acestuia, poate produce mari pierderi de viei omeneti. De aceea, n ultimul timp, pe plan internaional se pun tot mai multe probleme de gsire a unei soluii ct mai optime pentru managementul riscului seismic n cazul barajelor. Aparatul matematic i tehnica computerizat ne permit astzi calcule mult mai apropiate de adevr, ce ne pot arta cu o precizie bun starea n care se afl un baraj sau modul lui de comportare n cazul unui cutremur de mare magnitudine. Pornind de la modele statelor mai dezvoltate ca SUA, Japonia sau China, putem produce strategii de management naionale ce pot pornii iniial ca proiecte de cercetare tiinficic, n cadrul facultilor de profil.

6. Bibliografie1. Wieland,Martin, Brenner Peter R., Current seismic safety requirements for large dams and their implication on existing dams2. Tinawi Rene. Leger Piere, Leclerc Martin and Cipolla Giovanni, Seismic Safety of Gravity Dams: From Shake Table Experiment to Numerical Analysis3. Chuhag Zhang, Feng Jim, JIanwen Pan and Yuchan Long, Seismic Safety Evaluation of High Concrete Dams Part II: Earthquake Behavior of Arch Dams: Case Study4. Babbitt Donald H., M. ASCE, Improving Seismic Safety of Dams in California5. Yamaguchi Yoshikazu, Kobori Toshihide, Sakamoto Tadahiko, Safety Management and Seismic Safety Evaluation for Dams in Japan6. FEMA 65, Federal Guidelines for Dam Safety - Earthquake Analysis for Dams, May 20057. Moustafa Abbas (Edited, by), Advances in Geotechnical Earthquake Engineering Soil Liquefaction and Seismic Safety of Damns and Monuments, Intechweb.org, Rijeka Croatia, 20128. http://apepaduri.gov.ro/siguranta-barajelor/9. http://mmediu.ro/vechi/departament_ape/gospodarirea_apelor/inundatii/prezentari-noiembrie-2009/SIGURANTA%20BARAJELOR%20IN%20ROMANIA%202009.pdf10. http://mmediu.ro/vechi/departament_ape/gospodarirea_apelor/inundatii/prezentari-noiembrie-2009/SIGURANTA%20BARAJELOR%20IN%20ROMANIA%202009.pdf11. http://ro.wikipedia.org/wiki/List%C4%83_de_lacuri_de_acumulare_%C8%99i_baraje_%C3%AEn_Rom%C3%A2nia11