Katedra za geotehniko

Zelen klorit, prosojna zrna karbonatov, črna neprosojna materija in submikroskopski delci mineralov glin in karbonatov; II N in + N, povečava 190 X.

L2-9466 (C) Geotehnične smernice za načrtovanje črpalne hidroelektrane Kozjak
Sofinancer: Dravske elektrarne Maribor, d.o.o.
Vodja: Trauner Ludvik
Trajanje: 1. 1. 2007 – 31. 12. 2009
Obseg: 1,9 FTE

DEJAVNOST
ARRS KLASIFIKACIJA: 2.01.02 – Tehniške vede / Gradbeništvo / Geotehnika
CERIF KLASIFIKACIJA: T220 – Gradbeništvo, hidravlika, priobalna tehnologija, mehanika zemljin
KLJUČNE BESEDE: Geomehanika, geotehnika, geomehanske raziskave, geotehniške analize

POVZETEK
Glavni cilji projekta so izdelava geotehniških smernic z vidika uporabe obstoječih in novih znanj v fazah načrtovanja, gradnje in eksploatacije ČHE Kozjak. Izgradnja objektov je predvidena v bližini HE Fala na Dravi. Vtočni objekt in strojnica globine cca 85 m bo locirana na vzhodnem bregu reke Drave med Falo in Šturmovo grabo. Tlačni rov bo predvidoma potekal 200 m globoko v pobočju vzhodnega Kozjaka. Za gradnjo zgornjega akumulacijskega bazena je po prvih ocenah primerna lokacija izravnanih vrhov vzpetin ob Kolarjevem vrhu.
Celotno območje v osnovi gradi kompleks metamorfnih kamnin, ob reki Dravi in ob vznožjih pobočij nastopajo kvartalni pobočni in prečni nanosi. Nastanek metamorfnega kompleksa je vezan na stara erogenetska usedanja, ki so jih spremljala gubanja širših razmer. Kasneje so nastali tektonski prelomi vzdož različnih prelomnih sistemov. Z dviganjem in spuščanjem lokalnih tektonskih blokov so nastale široke tektonske cone zapolnjene z zdrobljenimi metamorfnimi kamninami. V takšnih zapletenih geoloških razmerah bodo locirani objekti ČHE. Predloženi projekt bo obsegal naslednje sklope:

• Študijo geoloških in okoljskih pogojev izgradnje posameznih objektov;
• Izdelavo zasnove vseh nujno potrebnih raziskav in drugih aktivnosti pri načrtovanju, gradnjah in eksploataciji objektov;
• Izdelavo predloga mikrolokacije posameznih objektov.

Pričakovani rezultati raziskave:

• smernice za hidrogeologijo vplivnega območja Kozjak,
• smernice za geotehnično projektiranje oz. načrtovanje: strojnice, cevovoda, akumulacijskega bazena,
• smernice za izdelavo in revizijo projektnih nalog.

L2-6469 (B) Optimiranje podpornih konstrukcij
Sofinancer: Slovenska cestna podjetja, d.o.o
Vodja: Trauner Ludvik
Trajanje: 1. 7. 2004 – 30. 6. 2007
Obseg: 0,58 FTE

DEJAVNOST

ARRS KLASIFIKACIJA: 2.01.00 – Tehniške vede / Gradbeništvo
CERIF KLASIFIKACIJA: T220 – Gradbeništvo, hidravlika, priobalna tehnologija, mehanika zemljin
KLJUČNE BESEDE: geotehnika, geomehanika, podporne konstrukcije, pilotne stene, optimiranje

NAJPOMEMBNEJŠI REZULTATI RAZISKOVALNEGA PROJEKTA
Za razvoj znanosti
Za razvoj znanosti med najpomembnejše rezultate raziskovalnega projekta prištevamo novi 3D kinematični model za določanje pasivnih zemeljskih pritiskov v prostorskih razmerah na osnovi mejne analize in teorema zgornje vrednosti, ki daje bistveno nižje vrednosti količnikov pasivnih tlakov kot so bile do sedaj objavljene v znanstveni literaturi.
Ker teorem zgornje vrednosti zagotavlja, da pasivni pritiski zagotovo niso večji od tako določenih, je bila s tem zagotovo znižana do sedaj poznana zgornja mejna vrednost pasivnih pritiskov v 3D razmerah. Zato je bila posledično tudi znižana razlika med do sedaj poznanimi rešitvami zgornje in spodnje mejne vrednosti rešitev elasto-plastičnega problema s čimer smo se nekoliko bolj približali pravi rešitvi problema 3D pasivnih tlakov, ki se zagotovo nahaja med zgornjo in spodnjo mejno vrednostjo.
Za pomembno ocenjujemo tudi ugotovitev, da se pri konzolno vpetih podpornih konstrukcijah zlasti pri večjih strižnih kotih in pri velikih deležih aktiviranega trenja med podpornimi konstrukcijami in tlemi vsi teoretično razpoložljivi odpori ne morejo aktivirati zaradi dodatnega pogoja ravnovesja podporne konstrukcije v vertikalni smeri, ki pri standardnih metodah za geomehanske analize takšnih konstrukcij do sedaj ni bil upoštevan.
Zanimiv in uporaben je tudi novi postopek in kinematični 3D model za določanje mejnih vrednosti pasivnih tlakov (nosilnosti tal v horizontalni smeri) pri vpetih podpornih konstrukcijah z razmaknjenimi vertikalnimi nosilnimi elementi, ki omogoča določitev zmanjšanja mejnih vrednosti pasivnih tlakov zaradi razmikov med vertikalnimi nosilnimi elementi v primerjavi s skupno vrednostjo pasivnih tlakov določeno po postopku 2D modeliranja na celotnem osnem razmiku med elementi

Za razvoj Slovenije
Rezultati raziskovalnega projekta OPTIMIRANJE PODPORNIH KONSTRUKCIJ pomenijo nov prispevek (sicer majhen) k uveljavitvi slovenske znanosti na področju geotehničnega projektiranja.
Predloženi postopek optimiranja omogoča racionalnejše načrtovanje podpornih konstrukcij in znižanje investicijskih stroškov, ob tem pa zagotavlja potrebni nivo varnosti in zanesljivosti načrtovanih objektov. Z zagotavljanjem primerljivih stopenj varnosti načrtovanih objektov za mejna stanja nosilnosti v temeljnih tleh ter za posamezne betonske konstrukcijske elemente in za geotehnična sidra je omogočeno načrtovanje optimalnejših projektnih rešitev tam, ker je stopnja zanesljivosti objekta določena predvsem z zanesljivostjo najšibkejšega nosilnega elementa sicer kompleksnih podpornih konstrukcij.
Nova spoznanja s področja strižne nosilnosti AB prerezov pilotov in možnosti optimiranja podpornih konstrukcij omogočajo dvig konkurenčne sposobnosti projektantskih in izvajalskih podjetij – tako na domačem kot tudi na tujih tržiščih in s tem posredno dodatni razvoj geotehnične stroke na Slovenskem.
Rezultati raziskav mejnih obremenitev posameznih temeljev, pilotov oziroma vodnjakov na neskončno dolgih nestabilnih pobočjih omogočajo načrtovanje ustreznih projektnih rešitev za podpiranje pobočij in temeljenje viaduktov, cevovodov in drugih objektov v najtežjih geotehničnih razmerah na Slovenskem.

Ker v Sloveniji največji del podpornih konstrukcij gradimo s sredstvi državnih podjetij in iz državnega oziroma občinskih proračunov, bodo rezultati projekta lahko posredno ugodno vplivali tudi na obseg porabe proračunskih sredstev.

Pomen rezultatov raziskav za sofinancerja
Financer raziskovalnega projekta se pri svoji dejavnosti, to so projektantske, konzultantske, nadzorne in revizijske storitve – pri gradnjah prometnic na domačem in tujih tržiščih srečuje s težavnimi geotehničnimi razmerami; rezultati raziskovalnega projekta mu bodo lahko v veliko pomoč tudi pri potrjevanju, usmerjanju in pridobivanju novih kakovostnih in zanesljivih projektnih rešitev. Največje prispevke projekta k izboljšanju obstoječih storitev bo mogoče realizirati zlasti pri konzultantskih in revizijskih storitvah, kjer bo v nekaterih primerih na osnovi rezultatov obravnavanega projekta mogoče izboljšati oziroma optimizirati že predlagane klasične projektne rešitve.

Rezultate raziskav bo mogoče koristno uporabiti tako v okviru izvedbe projektov in ponujanju strokovnih storitev pri gradnji cestnega omrežja, pri načrtovani gradnji novega železniškega omrežja kot tudi pri sanacijah in vzdrževanju obstoječe prometne infrastrukture.

V tem sklopu dejavnosti so ob optimiranju podpornih konstrukcij pomembni tudi rezultati analiz padanja kamnitih blokov kot tudi rezultati raziskav projektnih obremenitev posameznih temeljev na nestabilnih pobočjih, ki so značilni za gradnjo prometnic v najtežjih geomehanskih razmerah.

Pomembnost projekta za sofinancerja in za druge uporabnike se tako kaže v možnostih povečanja konkurenčne sposobnosti na področju projektantskih, konzultantskih, nadzornih in inženiring storitev, pri pridobivanju novih projektov ter pri razvoju in povečanju obsega svoje strokovne dejavnosti na domačem in tujih tržiščih. Projekt je pomemben tako za projektantska in konzultantska kot tudi za izvajalska podjetja na področjih gradbenega in geotehničnega inženiringa.

L2-6685 (B) Ciklični triosni preizkusi zemljin
Sofinancer:  Prevent gradnje, podjetje za gradbeni inženiring, d.o.o.

Vodja: Žlender Bojan
Trajanje: 1. 7. 2004 – 30. 6. 2007
Obseg: 0,58 FTE

DEJAVNOST
ARRS KLASIFIKACIJA: 2.01.00 – Tehniške vede / Gradbeništvo
CERIF KLASIFIKACIJA: T220 – Gradbeništvo, hidravlika, priobalna tehnologija, mehanika zemljin
KLJUČNE BESEDE: Geomehanika, mehanika zemljin, geomehanske laboratorijske preiskave, ciklini triosni preizkusi, dinamika zemljin

NAJPOMEMBNEJŠI REZULTATI RAZISKOVALNEGA PROJEKTA
Za razvoj znanosti
Osnovni namen raziskovalnega projekta je analizirati uporabnost cikličnih triosnih preizkusov za določanje učinkov cikličnih (dinamičnih in ponavljajočih) obtežb na zemljino. Razvita je bila raziskovalna oprema, s triosnim aparatom Wykeham Farrance. Opremo tvorijo cilindrični triosni aparat s celico, stiskalnica z elektromehansko opremo, merilna oprema ter računalniška strojna in programska oprema. Maksimalna velikost preizkušancev je 200 mm višine in 100 mm premera. Podani so bili preizkusni postopki za različne tipe zemljin in ciklične obtežbe (potres, premet,…). Izvedena je izvirna študija potenciala ciklične likvifakcije jezerske krede iz plazu v Julijskih alpah. Rezultati cikličnih triosnih preizkusov jezerske krede podajajo njene dinamične lastnosti in potrjujejo uporabnost testne metode. Podobna raziskava je bila ponovljena na peščenem materialu iz obrežja Save. Raziskan je vpliv mineraloških in fizikalnih lastnosti polžarice iz Ljubljanskega barja na vrednosti parametrov geomehanskih lastnosti. Izveden je bil niz triosnih preizkusov polžarice različne gostote oz. vlažnosti in poroznosti. Rezultati raziskave kažejo na sovisnost geomehanskih lastnosti in poroznosti. Odnose lahko izrazimo kot funkcije gostote oz. poroznosti ali vlažnosti. Iz rezultatov je razvidno, da so spremembe vodoprepustnosti, konsolidacije in stisljivosti nelinearno odvisne od sprememb poroznosti. Spremembe mehanskih parametrov kot so elastični modul, Poissonov količnik in strižni kot, so pri manjših spremembah poroznosti neizrazite in skoraj linearne. Podan je analitični model določitve trajnih deformacij cestne konstrukcije in tal zaradi ciklično ponavljajoče prometne obtežbe. Model je podan za interpretacijo rezultatov triosnih cikličnih preizkusov in upošteva dolgotrajne elastoplastične in povratne lastnosti prodnopeščenega cetnega materiala. Trajne deformacije so izražene kot funkcije števila obtežnih ciklov ter sferne in distorzijske komponente ciklične obtežbe. Trajna osna deformacija je podana kot funkcija povratnega modula in sekantnega za različna stanja sferne in distorzijske komponente napetosti in števila ciklov. Uporabnost modela je prikazana na praktičnih primerih.

Za razvoj Slovenije
Pregled raziskav, ki smo jih izvedli na različnih materialih in pri različnih inženirskih problemih kaže na uporabnost cikličnih triosnih preizkusov. Analizirana je bila dinamična raziskava kompozita prodnato peščenega melja iz plazu Stože, ki služi za analizo sanacijskih posegov območja plazu. Rezultati so delno uporabljeni v doktorski disertaciji (Lenart, Univerza v Ljubljani). Dodatno je bila analizirana preiskava meljastega peska iz lokacije železniškega nasipa v območju HE Boštanj (investitor HSE). Izvedeni so bili preizkusi za določitev potresnega odziva visoke pregrade načrtovane črpalne hidroelektrarne Kozjak (naročnik Dravske elektrarne). Izvedeni so preizkusi za določitev dinamičnh parametrov zemeljskih materialov v avtocestnem predoru Cirkovce, ki je že v gradnji (investitor DARS). Projekt je pomemben tudi iz vidika prenosa znanja v prakso in dviga raziskovalne usposobljenosti. Rezultati so podani v geotehničnih poročilih.

b>Pomen rezultatov raziskav za sofinancerja
Osnovni namen raziskovalnega projekta je bil za sofinancerja (in izvajalca projekta) postopke izvedbe cikličnih triosnih preizkusov s časom vpeljati kot standardne. Ta namen je dosežen, kar potrjujejo konkretni izvedeni projekti. Rezultati projekta imajo vpliv na tehnološki razvoj in konurenčno sposobnost. Za potencialne investitorje zahtevnih gradbenih objektov so rezultati raziskave pomembni z vidika kvalitete in znižanja investicijskih stroškov.
Vodja: Trauner Ludvik
Trajanje: 1. 8. 2005 – 30. 6. 2007
Ob iskanju optimalnih rešitev izkoriščanja hidroenergetskih virov se vse bolj uveljavljajo tudi tako imenovane črpalne hidroelektrarne. Te pri višku električne energije (ponoči) črpajo vodo v višje ležeča umetna jezera, ob konicah porabe električne energije (podnevi) pa se tako zbrana potencialna energija akumulirane vode lahko koristno uporablja za pridobivanje dodatne električne energije. Namen pričujočega projekta je analizirati vpliv črpalne električne postaje in vodnega rezervoarja v alpskem svetu na hidrogeološke in okoljevarstvene razmere. Za primer je izbrana lokacija na pogorju Kozjak ob reki Dravi blizu Maribora. V okviru mednarodne mreže raziskovalcev K-net bodo v projektu sodelovali: z Univerze v Mariboru Fakulteta za gradbeništvo, Fakulteta za strojništvo in Fakulteta za kmetijstvo, iz Tehniške univerze v Gradcu pa Fakulteta za Gradbeništvo in Joanneum Research. Raziskave bodo usmerjene predvsem v geotehnične in hidrogeološke študije konstrukcijskih in uporabnih značilnosti planiranih objektov, v napovedovanje gibanja, sedimentacije in čiščenja trdnih delcev ter v kemične in bakteriološke analize voda v umetnem jezeru. Raziskovalno delo bo potekalo tri leta v tesnem sodelovanju z uporabnikom Dravske Elektrarne Maribor, ki je sofinancer projekta. Nalogo finančno podpirata tudi avstrijska in slovenska vlada.
Namen predhodnih preiskav je bila pridobitev osnovnih informacij, potrebnih za nadaljno raziskovalno delo. V preteklem obdobju je bila zbrana obstoječa dokumentacija z znanimi geotehničnimi, geološkimi in ostalimi podatki. Na osnovi terenskega ogleda mikrolokacije predvidenega objekta je bilo ugotovljeno, da bo treba v prihodnjem obdobju opraviti analizo vpliva posega v okolje s poudarkom na obnašanju podtalnice v širšem območju objekta in na nevarnosti onesnaženja tal. Na osnovi predhodnih preiskav so bile v letu 2006 izvedene dodatne sondažne vrtine.

Aktivnosti, ki so se izvedle v okviru projekta:

• Napetostno-deformacijska analiza tunela v fazi gibanja v tektonski coni (Stress-strain
  analysis of the tunnel due to movements in tectonic zone),
• Zbiranje vzorcev za kemične in mehanske analize,
• Kemična analiza vode in blata,
• Preiskave mehanskih lastnosti,
• Prognoza sedimentacije,
• Preliminarna študija gradnje in eksploatacijskih razmer predvidenega objekta glede na
  hidrogeološke in ostale vplive na okolje,
• Preliminarna numerična analiza gibanja vode med eksploatacijo v umetnem jezeru
• Izvedba dodatnih sondažnih vrtin.

Rezultati projekta nam dajejo osnovne parametre za načrtovanje in izvedbo predvidene črpalne elektrarne, tlačnega cevovoda in umetnega jezera, oceno sedimentiranja trdnih delcev in vplive na okolje.

ZAKLJUČKI
Glede na znane razpoložljive okoljske, morfološke, geološke, geomehanske in hidrogeološke podatke za širše območje Kozjaka in območja blizu reke Drave so podani naslednji zaključki o geoloških in okoljskih pogojih glede izvedbe objektov in zajetja vode: (a) Strojnica črpalne hidroelektrarne. Zaradi visoke prepustnosti peščenega sloja bo neprepustna stena izvedena v zemljinskem sloju in prepustna v hribinskem sloju; (b) Nasipi akumulacijskega jezera. Nazadnje predlagani tip izvedbe nasipa daje zadostno varnost; (c) Visokotlačni predor. Rezultati napetostno-deformacijske analize predora zaradi premikov v tektonski coni so pokazali, da je oblika deformacijske linije v skladju z linijo odporov kamnine v tektonski coni.
Analize talne vode in njeni vplivi na okolje: (a) Kemijske raziskave. Na podlagi preglednih analiz vode v reki Dravi zaključujemo, da na analizirane parametre pomembno vplivajo sezonske temperature in lokalne vremenske razmere. Glede na zbrane vzorce, izvedene analize vode po predpisih kontroliranih fizikalnih, kemijskih in bioloških parametrov, voda iz Drave, z obeh vzorčnih mest Dravograd in Mariborski otok, izpolnjuje visoke kvalitativne ekološke pogoje glede vseh parametrov. Kontrolne analize vodnih vzorcev potrjujejo te trditve in uvrščajo vodo reke Drave v prvi / drugi razred kvalitete. (b) Mikrobiološke raziskave. Da bi dobili natančno sliko celotnega cikla teh okoljskih parametrov bi bilo potrebno izvesti meritve skozi celo leto, predlagamo kontinuirano kontroliranje prisotnosti kakršnih koli virusov in bakterij v vodi zaradi sezonskih nestalnosti in koncentracij. Zaključke bi lahko podali po merjenju parametrov v vseh letnih časih leta, še lažje pa po še daljšem času (monitoringu).
Zaključki glede prognoze sedimentacije (sestave, količine sedimentov), tehnologije in ekonomskih izračunov čiščenja (odstranjevanja) sedimentov ter njihovih vplivov na okolje: (a) Mehanske raziskave. Trdni delci v vodi iz Drave se je zbiral za določitev količine trdnega materiala v vodi in njihovih lastnosti (mineraloške in kemijske sestave, velikosti delčkov). Rezultati raziskav kažejo, da mešanica vode in trdnih delcev vsebuje delce kamnin (večinoma metamorfnih kamnin in dolomitov), ki se pojavljajo v območju struge Drave. Velikosti vsebovanih delčkov so med 10 mm in 60 mm, v območju meljev. Količina suspendiranega materiala je zelo odvisna od pretoka vode. Ta zveza je bila izražena z eksponentno funkcijo. (b) Preliminarne analize glede sedimentacije in predlog odstranjevanja (čiščenja) usedlin iz akumulacijskega jezera. Analize gibanja vode in usedlin so pokazale, da se sedimenti odloženi v akumulacijskem jezeru ne bodo čistili pri povratnem toku vode skozi predor v Dravo, zato ne bo nobenih ekoloških vplivov na stanje v Dravi. Glede na rezultate analize bo celotna količina usedlin ostala na dnu akumulacijskega jezera. Pri transportu in odlaganju teh usedlin je potrebno upoštevati ekonomske in okoljske faktorje.
Zaključena je bila študija konstrukcijskih pogojev in pogojev izkoriščanja za predvidene objekte glede hidrogeoloških in ostalih vplivov na okolje. Pred realizacijo projekta črpalne hidro elektrarne Kozjak je predlagana takojšnja poglobljena analiza hidravličnih parametrov z uporabo numeričnih in fizikalnih modelov. Samo na ta način bo lahko proces sedimentacije kvalitetno določen ter bodo določeni stroški odstranjevanja usedlin. Upoštevati je potrebno, da se v usedlinah lahko nahajajo tudi toksični materiali, ki lahko bistveno povečajo stroške odstranitev usedlin. Nazadnje so bili obravnavani problemi glede varnosti in zaščite rezervoarja Kozjak. Za to je služil kot osnovo doktorat Maria Krzyka (2004), ki je preiskoval scenarij totalne porušitve nasipa rezervoarja (naslov: Dvodimenzionalni hidrodinamični model za strmi vodni tok v pogorjih). Posledice opustoševalnega vpliva na okolje so bile predstavljene s pomočjo fizikalnih in numeričnih modelov. Za kontrolo akumulacij zgrajenih iz nasipnega material je najpomembnejši učinkovit sistem monitoringa. Za izboljšanje varnosti je predlagana kontrola akumulacijskih nasipov z optičnimi vlakni Leckageortung (Aufleger Markus, Strobl Theodor, TU Munich).
Diskusija glede predlogov monitoringa pri opazovanju režima podtalne vode in ostalih vplivov na okolje je narejena na osnovi geoloških, hidro geoloških in omejitvenih vplivov na okolje. Ta projekt bo predvidoma obsežen in specifičen, zato bo potrebno vključiti vse potrebne raziskovalne discipline za obdobje izkoriščanja objektov. Predlagani so različni tipi monitoringa: geotehnični monitoring celotnega območja objektov (akumulacija Kozjak, tlačni cevovod, strojnica), kemijski, mehanski in mikrobiološki monitoring vode in hidrodinamični monitoring.
Predhodne geološke in zadnje hidrodinamične raziskave so pokazale, da je hidrodinamična prevodnost zelo nizka, zato ne obstaja talna voda v vplivnem območju. Kakršno koli iztekanje vode skozi nasip akumulacije dajejo, skladno z ugotovitvami doktorskega dela Maria Krzyka, dobre rezultate v primeru strmih pogojev pri izračunu energijskih izgub z uporabo Rickenmannove enačbe ter tako omogočajo časovno učinkovito določanje rezultatov. Zaključki glede iztekanja vode skozi dno akumulacije: čeprav je bila filtracijska linija v analizi oblikovana v zgornjem sloju, kjer ni bila zaznana prisotnost talne vode, ni nobene nevarnosti vtoka ali uhajanja vode v talno vodo, ki je bila zabeležena v nižje ležečih slojih.