(011) 3230 119 mtina@grf.bg.ac.rs

PREDLOG METODE ZA ODREĐIVANJE MERODAVNIH PROTOKA ZA DIMENZIONISANJE PRELIVA NA BRANAMA

  1. Uvod

 Svaka građevina za usporavanje rečnog toka mora da ima objekat za evakuaciju vode, kapaciteta dovoljnog da propusti izuzetno velike protoke. Poznato je iz prakse da nedovoljan kapacitet može da izazove prelivanje preko pregrade, njen prolom i velike štete po ljude, životinjski svet i materijalna dobra. Zbog toga, pouzdana procena  merodavnih protoka i pravilno dimenzionisanje evakuacionog objekta mora da bude veoma naglašeno u procesu projektovanja hidrotehničkih građevina ove namene. Veličina protoka merodavnih za dimenzionisanje evakuacionih objekata u sigurnost brane od proloma usled prelivanja preko krune je tema koja se diskutuje više od sto godina, a uputstva za izbor predmetnih protoka su se stalno menjala i verovatno će se dopunjavati i menjati i u dolazećem vremenu. Inženjerske organizacije u državama Severne Amerike, Australije i većim državama u Evropi uložile su veliki trud u rešavanje ove problematike i ustanovile obavezujuća Uputstva za određivanje protoka merodavnog za zaštitu brane od proloma usled neodgovarajućeg kapaciteta evakuacionog objekta.

 U Srbiji do sada nije bilo organizovane diskusije u vezi sa predmetnom problematikom, niti su uspostavljena odgovarajuća uputstva. Inženjerske projektne organizacije i danas, po pravilu, koriste kriterijume koji nisu vezani ni za potencijalni hazard usporenog vodnog toka, ni za posledice proloma brane usled prelivanja preko njene krune. Državne ustanove u Srbiji takođe nisu pratile razvoj predmetne metodologije u svetu, niti su organizovale osmatranje svih bitnih  podataka koji ulaze  u analizu.

 S obzirom na neusklađenost naših današnjih stručnih normi sa odgovarajućim svetskim standardima, časopis Vodoprivreda u okviru svoje diskusione tribine organizuje diskusiju na temu određivanja protoka merodavnih za sigurnost brane od proloma usled prelivanja preko njene krune.

 Posle završene diskusije, možda bi mogao da se formira tim eksperata koji bi izradio Uputstvo za određivanje merodavnih protoka i preporučio odgovarajućim državnim organima da donese regulativu o obavezujućoj primeni.

 Uputstva bi trebalo da budu obavezujuća kako za nove, tako i za izgrađene brane u Srbiji.

 U sadržaju ovog rada je kratak prikaz razvoja metoda i kriterijuma u svetu kao i predlog metoda za određivanje predmetnih merodavnih protoka za brane u Srbiji. Ovim predlogom se otvara diskusija na predmetnu temu.

 U radu se ne predlažu jednostavne formule za određivanje merodavnih protoka, ne utvrđuje se detaljna procedura, niti se određuje jedna kruta procedura koja bi omogućavala vlasniku brane da izbegne donošenje odluke. Cilj rada je da istakne potrebu da se, na osnovu preporučenih metoda i kriterijuma, izradi tehnička ekonomska i socijalna podloga kako bi ovlašćeni organ ili lice moglo da donese odgovarajuću odluku, što je korak koji se još uvek ne može izbeći pri izboru merodavnih protoka.

 Predlaže se da se određuju i koriste dva protoka: ● jedan koji je merodavan za sigurnost brane, ● drugi koji je merodavan za dimenzionisanje preliva. Takođe je potrebno da se za svaki od ovih protoka odrede odgovarajuće kote nivoa vode u akumulaciji pri kojima će oni isticati iz nje.

 Teminom “protok merodavan za sigurnost brane” naziva se vrh hidrograma poplavnog talasa koji ulazi u akumulaciju, prolazi kroz nju deformišući se znatno ili neznatno i otiče nizvodno preko preliva ili preko krune brane pri nivou vode u akumulaciji merodavnom za sigurnost brane. Ovaj nivo je i najviši dozvoljeni nivo vode u akumulaciji. Po definiciji, merodavni protok je maksimalni ulazni protok pri kome brani još uvek ne preti opasnost od rušenja ukoliko su ona i njeni prateći organi korektno projektovani. Svaki protok veći od merodavnog za sigurnost mogao bi da bude uzrok rušenja brane.

 Terminom “protok merodavan za dimenzionisanje preliva” naziva se vrh ulaznog hidrograma poplavnog talasa koji prolazi kroz akumulaciju transformišući se u njoj i otiče nizvodno isključivo preko preliva, pri nivou vode u akumulaciji merodavnom za dimenzionisanje preliva. Ovaj nivo je niži od nivoa vode merodavnog za sigurnost brane.

  1. Istorijat razvoja metoda

 U proteklom višedecenijskom periodu intenzivnog projektovanja i izgradnje brana razvijen je niz metoda za određivanje merodavnih protoka (ICOLD, 2003).

 Kratak istorijat razvoja ovih metoda, uslovno podeljen na pet vremenskih perioda (FEMA, 2012), prikazan je u sledećem tekstu.

 2.1     Rani period pre 1900. godine

 U periodu pre 1900. godine korišćena je inženjerska procena merodavnih protoka na osnovu najvećeg registrovanog ili procenjenog protoka pomoću sačuvanog traga najvećeg vodostaja. Ovaj protok je zatim uvećavan prema subjektivnoj proceni projekata.

 2.2     Period empirizma

 U periodu empirizma ili periodu regionalnih protoka (1900-1930) razvijen je veliki broj empirijskih formula i postupaka za izbor merodavnog protoka koje su se zasnivale na većem broju registrovanih maksimalnih protoka u regionu. To su, uglavnom, empirijske formule koje prikazuju odnos između maksimalnih protoka i slivne površine. Danas je korišćenje empirijskih formula i anvelopa ograničeno samo na regione sa vrlo malo ili nimalo hidroloških i meteoroloških podataka i to isključivo u preliminarnim studijama.

 2.3     Period racionalizacije

 Period racionalizacije (1930-1950) ili period statističke analize učestalosti padavina ili protoka karakteriše primena zavisnosti događaj – verovatnoća prevazilaženja (primena funkcije raspodele verovatnoće).

 Funkcija raspodele verovatnoće koje se koriste u hidrologiji ima mnogo, a njihov broj i dalje raste. Sve su one neograničene sa gornje strane, ali se poslednjih godina počinje koristiti i raspodele koje su ograničene sa obe strane, kao što je klasična log.normalna raspodela u koju je uneto ograničenje sa gornje strane. Pri primeni ove raspodele vrednost gornje granice mora biti unapred poznata (Lombardi, 1988).

 Jedno vreme se smatralo da se problem određivanja merodavnih protoka može rešiti ako se raspolaže dovoljno dugim nizom registrovanih godišnjih protoka i adekvatno izabranom funkcijom raspodele verovatnoće. Međutim, pojava protoka koji su znatno prevazilazili merodavne protoke, procenjene pomoću analize verovatnoće prevazilaženja, smanjili su ugled ove analize kao pouzdanog sredstva za procenu protoka merodavnih za sigurnost brane. U literaturi se može naći mnogo ovakvih primera, od kojih se ovde navodi slučaj sa merodavnim protokom za branu Rincon de Bonet, rio Negro (Urugvaj), veličine 9200 m3/s, određenog na bazi statističke analize 37. godišnjeg niza godišnjih maksimalnih protoka i koji je imao verovatnoću godišnjeg prevazilaženja  VGP≈0,001. Ali, 24 godine po izgradnji brane registrovan je protok od 17.100 m3/s, skoro dva puta veći od usvojenog merodavnog protoka.

 Lamperiere i dr. (2012) takođe navodi nekoliko primera pogrešnog izbora merodavnih protka na osnovu odnosa “verovatnoća prevazilaženja – protok”.

 Osmotreni protoci koji znatno odstupaju od uobičajenih teoretskih krivih raspodele verovatnoće unose dodatnu konfuziju. Verovatno je da bi ti protoci imali zapaženo manju verovatnoću prevazilaženja da je period registrovanja protoka bio znatno duži. Međutim, pripisivanje verovatnoće prevazilaženja ovim protocima unosi subjektivizam u proces i čini ga nepouzdanim.

 Uvođenjem intervala poverenja ovaj problem nije rešen, s obzirom da se linije intervala poverenja izračunavaju na osnovu registrovanog uzorka. Dodatnu nedoumicu uzrokuje moguća velika razlika u vrednostima protoka iste verovatnoće prevazilaženja, jer protoci sa linije 95% intervala sigurnosti mogu da budu veći i za 50% u odnosu na protok sa linije terenske raspodele Rezultati analiza, realizovanih u okviru idejnog projekta HE “Paunci” na Drini pokazuju da protok od 5621 m3/s ima verovatnoću prevazilaženja od 1/1000 sa linije raspodele LP3 i verovatnoću 1/180 sa odgovarajuće linije intervala poverenja 95%.  (Protok verovatnoće 1:1000 sa ove linije intervala poverenja iznosi 9.869 m3/s.)

Slike 3.1 i 3.2 ilustruju napred izneto.

slika2

Slika 3.1-   Šematski prikaz mogućih odnosa protok – verovatnoća

slika

Slika 3.2 – Empirijske i teorijske raspodele maksimalnih protoka na profilu HE “Paunci”

  Glavna teškoća u primeni nabrojanih funkcija verovatnoće proizilazi iz njihovog oblika koji se ne prilagođava populaciji u domenu protoka izuzetno retke pojave. Naime, … “vanredno velike vode, takozvani ekscesi, prouzrokovani su od vanrednih klimatskih i oticajnih prilika i ne mogu se stavljati u užu vezu sa pojavom uobičajenih godišnjih velikih voda. Ne mogu se, dakle, velike vode retkih učestalosti određivati produženjem prave linije verovatnoće. … Ne može se ni tražiti da tačke vanredno velikih voda leže na pravoj liniji verovatnoće čiji nagib zavisi od tačaka velikih voda veće učestalosti”… (citat iz rada Bidovec, 1977). Prethodni stav zastupa i Biedermann (1988), navodeći da se ne može smatrati da raspodela verovatnoće koja važi za VGP = 0,01 može važiti i za vrlo retke protoka koji imaju VGP << 0,01 iz sledećih razloga:

  • infiltracioni kapacitet tla je ograničen pa je koeficijent oticaja za ekstremno velike padavine veći od koeficijenta za registrovane maksimalne padavine, odnosno protoke na osnovu kojih su određeni parametri raspodele verovatnoće;
  • propusna moć rečnog korita je takođe ograničena, što dovodi do plavljenja priobalja, odnosno do smanjenja vršnog izuzetno velikog protoka;
  • količina padavina ima neku konačnu maksimalnu vrednost.

FEMA (2012) takođe zaključuje da može da bude teškoća pri primeni probabilističke metode za izbor merodavnog protoka. Zaključak ilustruje nizom od 54 godina osmotrenog maksimalnog protoka na reci Pecos (SAD). Maksimalni osmotreni protoci u 53 godine nisu prelazili vrednost od 100 m3/s, a samo u jednoj godini registrovan je protok od oko 930 m3/s. Da je korišćena metoda sa intervalima poverenja 95%, verovatno bi se dobilo da je hiljadugodišnji protok veći od verovatno maksimalnog protoka. Statistička analiza registrovanih protoka na regionalnom nivou je jedna od metoda kojom se pokušava da se reši problem nedostatka dovoljno dugog niza registrovanih protoka u jednoj tački regiona. Analizom registrovanih protoka na regionalnom nivou redukuje se uticaj lokalnih grešaka i izuzetno velikih protoka u pojedinim tačkama regiona pa se, zbog toga, smatra da su rezultati koji se baziraju na podacima iz celog regiona pouzdaniji od onih koji su dobijeni na osnovu podataka koji su registrovani samo u jednom profilu rečnog toka. Ova pretpostavka se osporava u SAD (USCSD, 1985). Rezultati regionalne analize se mogu koristiti i za rečne tokove u regionu na kojima nema organizovanog registrovanja protoka ili postojeći niz ovih podataka nije vremenski dovoljno dug. Ukratko, može se zaključiti da probabilistčki pristup, iako jedan od najviše korišćenih u praksi, nije pouzdan i nije bez subjektivizma iz sledećih razloga:

  • teoretske distribucije verovatnoće nemaju za bazu fizičke zakone opticaja;
  • ekstrapolacijom linije raspodele verovatnoće pouzdano se ne određuje oblik ove linije u domenu malih verovatnoća;
  • parametri funkcije raspodele mogu da imaju znatan stepen nepouzdanosti;
  • registrovani protoci (posebno maksimalni) mogu biti netačni zbog greške pri merenju ili pri ekstrapolaciji krive protoka rečnog korita;
  • registrovani niz podataka može biti nehomogen zbog modifikacije karakteristika sliva tokom vremena, što je i najveća prepreka korišćenju ove metode;
  • registrovanim protocima moguće je prilagoditi više poznatih funkcija raspodele verovatnoće koje mogu daju vrlo različite protoke za istu, ali vrlo malu, verovatnoću prevazilaženja.

U ovom periodu u praksu je uveden jedinični hidrogram, što je omogućilo proračun oticaja sa sliva na osnovu transpozicije osmatranih padavina u regionu na deo regiona koji se analizira. 2.4       Period verovatno maksimalnih padavina (PMP) Razvoj odgovarajućih teoretskih osnova i matematičkih postupaka u periodu 1950-2000 omogućili su veće korišćenje matematičkog modeliranja oticaja sa sliva, koristeći jedinični hidrogram ili matematičke modele oticanja i osmotrene padavine. Razrađen je postupak za određivanje verovatno maksimalnih padavina (VMK) na sliv od interesa kao i postupak za određivanje verovatno maksimalnog protoka reke (VMP) u nekom izabranom pregradnom profilu rečnog toka. Interesovanje za postupak određivanja vrednosti (VMP), kao protoka merodavnog za sigurnost brane od proloma, naglo je porastao posle rušenja brane Teton u SAD, 1976. godine. Definicije pojmova “verovatno maksimalne padavine (vmk)” i “verovatno maksimalni protok (VMP)” ovde se neće navoditi (videti FEMA, 2012). Takođe se neće opisivati modeli za određivanje vrednosti VMK i VMP, jer je za ovu svrhu danas na raspolaganju veći broj komercijalnih matematičkih modela. U drugoj polovini ovog vremenskog perioda u SAD su formirana pravila za izbor merodavnih protoka, iskazanih u procentima od VMK (i zatim transformisanih u protoke) ili u procentima od VMP. 2.5       Period odlučivanja na osnovu informacija o prisustvu rizika Iako se vremenski period od početka 2000. godine pa do danas može smatrati periodom odlučivanja na osnovu procene rizika, nekoliko publikacija koje su se pojavile pre 2000. godine utrle su put uvođenju rizika u analizu izbora protoka merodavnih za projektovanje preliva. Metode za određivanje merodavnih protoka na bazi rizika su znatno jednostavnije od rigoroznih analiza rizika i zasnivaju se na procenjivanju verovatnoće gubitaka ljudskih života i proceni veličine i vrednosti posledica, odnosno na proceni verovatnoće proloma brana i socijalnih, ekonomskih i ekoloških posledica proloma.

  1. ISTORIJAT RAZVOJA PROJEKTNIH KRITERIJUMA

 Projektni kriterijumi za izbor predmetnih merodavnih protoka takođe su se menjali tokom vremena. Berga (ICOLD, 2003) definiše tri generacije projektnih kriterijuma. ● Prva generacija kriterijuma zasniva se na empirijskim razmatranjima (protok veoma male verovatnoće pojave) i primenjivala se na sve brane bez obzira na nizvodni hazard. ● Druga generacija kriterijuma zasniva se na klasifikaciji brana prema nizvodnom hazardu i kriterijumu optimalnog rizika. Kriterijumi ove generacije primenjivani su na sve brane iz jedne klase hazarda. ● Treća generacija kriterijuma ima za osnovu pojam prihvatljivog rizika i primenjuje se isključivo na svaku branu pojedinačno. 3.1       Prva generacija kriterijuma Metode proračuna  i kriterijumi prve generacije su u uzajamnoj sprezi. Tako, za sve metode koje za osnovu imaju probabilistički prilaz, ovi kriterijumi se iskazuju vrednostima verovatnoće prevazilaženja merodavnih protoka. Ukoliko se primenjuju determinističke metode merodavni protok je VMP ili % VMP. Zajedničko za sve kriterijume prve generacije je da su, skoro po pravilu, primenjivani za bilo koju veću branu, u bilo kojoj prilici i bez uzimanja u obzir veličine brane, zapremine akumulacije i hazarda. Danas se korišćenje kriterijuma prve generacije na ovaj način smatra zastarelim prilazom u procesu određivanja merodavnih protoka. 3.2       Druga generacija kriterijuma U ovoj generaciji projektnih kriterijuma uzima se u obzir da negativne posledice usled rušenja brane mogu biti veoma različite od slučaja do slučaja. Zbog toga je, u ovoj generaciji kriterijuma, osnova za određivanje merodavnih protoka odnos između ovih protoka, s jedne, i nizvodnih negativnih posledica, sa druge strane. Ovo je i razlog zbog koga se kriterijumi druge generacije zasnivaju prvenstveno na kategorizaciji brana prema priraštaju hazarda koji potencijalni prolom brane može da izazove. U okviru druge generacije kriterijuma, priraštaj hazarda se definiše kao mera priraštaja negativnih posledica proloma, tj. mera priraštaja potencijalnih gubitaka ljudskih života, ekonomskih gubitaka, socijalnih potresa i udara na životnu sredinu zbog povećanog plavljenja izazvanog prolomom brane. Priraštaj hazarda je razlika između ukupnih negativnih posledica zbog plavljenja pri maksimalnom protoku pri kome se brana još uvek ne ruši i ukupnih negativnih posledica koje izaziva talas zbog rušenja brane. U međunarodnoj tehničkoj literaturi o kriterijumima druge generacije uglavnom se koriste sledeće definicije hazarda i rizika:

  • hazard je mera posledica proloma brane i odnosi se na potencijalne gubitke ljudskih života i materijalne štete izvan i u profilu brane;
  • rizik je verovatnoće pojave nekog nepovoljnog događaja.

Ove definicije se razlikuju od definicija ovih pojmova koji se obilno koriste u okviru kriterijuma treće generacije. Uobičajena je podela na 3÷5 klasa hazarda, a za svaku klasu je definisan protok za dimenzionisanje proloma i protok za sigurnost brane. Za svaku od klasa hazarda se obično definiše broj ljudskih života u slučaju rušenja brane, vrednost nizvodnih materijalnih šteta i veličina negativnog uticaja na životnu sredinu i kulturna dobra. 3.3       Treća generacija kriterijuma Kriterijumi druge generacije su, očigledno, vrlo važna i pozitivna promena u analizi hidrološke sigurnosti brane. Ipak, i ovim kriterijumima se može uputiti nekoliko zamerki od kojih su najvažnije sledeće: (1)     klasifikacija brane prema priraštaju hazarda je generalno kvalitativna; (2)     subjektivnosti pri određivanju klasa je vrlo prisutna, pa je zbog toga u svetu razvijen veći broj klasa i kriterijuma za izbor merodavnih protoka; (3)     merodavni protok u jednoj klasi hazarda je konstantan, a trebalo bi da zavisi od vrednosti posledica koje se menjaju u granicama, propisanim za svaku od klasa; (4)     u kontekstu sigurnosti brane od prelivanja kriterijumi druge generacije ne uzimaju u obzir mogućnost da preliv u jednom trenutku nije operativan onako kako je projektovan, pa se može desiti da brana bude prelivena pri protoku koji je manji od merodavnog za sigurnost brane; (5)     kriterijum VMP koji se najčešće koristi za brane velikog hazarda je konzervativan, ne uzima u obzir broj mogućih izgubljenih života, a prilagođavanje izgrađenih brana ovim kriterijumima najčešće zahteva vrlo velike investicije. Navedeni nedostaci druge generacije kriterijuma bili su povod za razvoj metode koja se zasniva na stavu da izbor protoka merodavnog za sigurnost brane od proloma treba povezati sa procenom rizika da se brana sruši zbog prelivanja. Osnovna ideja je da se za ovu svrhu formuliše metoda zasnovana na teoriji rizika. U tehničkoj literaturi ovaj postupak je poznat pod nazivom „proces upravljanja rizikom“, a tri osnovne komponente ovog procesa su: analiza rizika, ocena rizika i kontrola rizika. Osnovni principi i terminologija procesa upravljanja rizikom detaljno su prikazani u biltenu No 130 (ICOLD, 2005). U analizama ove vrste, rizik se definiše proizvodom verovatnoće prevazilaženja događaja (u konkretnom slučaju proloma brane) i negativnih efekata na život i zdravlje ljudi, imovinu i životnu sredinu. Prema tome, rizik se izražava očekivanom vrednošću godišnjeg gubitka ljudskih života i/ili očekivanom vrednošću godišnje materijalne štete, izražene u novcu. U oblasti upravljanja rizikom hazard se definiše kao nešto (izvor ili događaj) sa potencijalom da izazove štete (na primer, akumulisana voda je hazard a takođe i zemljotresi). Poželjno je da rizik bude što manji i ujednačeno mali za sve brane. Posledica ujednačenosti je da brane sa velikim posledicama zbog proloma moraju imati manju verovatnoću proloma od onih kod kojih su posledice proloma male. Ovo je u saglasnosti sa kriterijumima druge generacije u kojima brane sa visokim hazardom imaju merodavne protoke veće od onih za brane sa malim hazardom. Procena verovatnoće inicijalnog događaja kao i procena verovatnoće događaja koji mogu da se razviju posle pojave inicijalnog događaja je jedan od najvažnijih koraka u procesu upravljanja rizikom  Metoda za proračun pomenutih verovatnoća se zasniva na analizi stabla događaja (event tree). Svako stablo događaja je grafički prikaz svih mogućih sekvenci koje se mogu razviti iz jednog inicijalnog događaja (npr. velike vode, zemljotresa i dr.) u kome se svaka od mogućih sekvenci prikazuje kao jedna grana stabla za koju se procenjuje verovatnoća da će se sekvenca desiti ili se neće desiti. Na osnovu procenjene verovatnoće inicijalnog događaja i uslovne verovatnoće svake grane stabla može se proceniti verovatnoća konačnog „događaja“ (na primer, brana se ruši ili se ne ruši) za svaki od inicijalnih događaja. Stablo događaja je, dakle, vezano za posledice i modelira sve „događaje“ koji mogu zadesiti branu (uključujući i njen prolom), a koji su rezultat nekog inicijalnog događaja. Proces upravljanja rizikom pri proceni sigurnosti brane primenljiv je na sve tipove postojećih brana kao i one koje su u procesu projektovanja. U oba slučaja redosled aktivnosti unutar procesa upravljanja je identičan. S obzirom da ukupni rizik usled proloma brane čine dodatni rizik gubitaka života i dodatni ekonomski rizici u profilu brane i uzvodno i nizvodno od ovog profila moraju se definisati bar dva nezavisna prihvatljiva rizika: prihvatljiv rizik gubitaka ljudskih života (društveno prihvatljiv rizik i ekonomski prihvatljiv rizik. Društveno prihvatljiv rizik je, generalno, definisan F-N dijagramom kod koga je N – broj izgubljenih života, a F – verovatnoća proloma brane i za sve uzorke koji dovode do rušenja. Ekonomski prihvatljiv rizik određuje ukupna očekivana šteta koja se može izraziti nekom unapred izabranom vrednošću (na primer, BC Hydro – Kanada je za svoje brane usvojio vrednost 10 000 $/god. po brani) ili vrednošću koja je jednaka nešto uvećanim ekvivalentnim godišnjim troškovima izgradnje preliva koji se određuju za svaku branu posebno. Redosled aktivnosti u procesu procene sigurnosti brane je sledeći:

  1. Identifikacija uzroka koji mogu dovesti do rušenja brane.
  2. Konstrukcija stabla događaja i razvoj detaljnijih sekvenci.
  3. Procena verovatnoće pojave događaja koje sadrži stablo i ukupne verovatnoće proloma brane.
  4. Procena ukupne štete i rizika zbog brane.
  5. Upoređenje izračunatih rizika sa kriterijumima prihvatljivih rizika.
  6. Određivanje mera koje treba realizovati da bi se rizik doveo na prihvatljivu meru (kontrola rizika).

Ukoliko bi bar jedan od izračunatih rizika iz tačke 5. (naročito društveni) ušao u oblast neprihvatljivog rizika, tim eksperata bi morao da odredi mere za smanjenje rizika. Ove mere bi mogle da obuhvate povećanje protoka merodavnog za sigurnost brane (granica je VMP), povećanje nivoa vode u akumulaciji merodavnog za sigurnost brane, povećanje sigurnosti funkcionisanja glavnog preliva sa projektovanim kapacitetom (tj. bez blokada), dodavanje sigurnosnih preliva raznih tipova koji automatski stupaju u akciju kada nivo vode u akumulaciji poraste iznad kritičnog nivoa vode, promenu tipa brane, a u krajnjem slučaju može se zaključiti da izgradnja brane u tom pregradnom profilu nije prihvatljiva, jer se prolom brane ne može dozvoliti ni u kom slučaju, a sprečavanje proloma izlazi iz ekonomski prihvatljivih okvira. Određivanje protoka merodavnog za sigurnost brane zasniva se na pretpostavci da su posledice (C) rušenja brane procenjive za bilo koji protok (Qs) i da je verovatnoća proloma brane direktno vezana za verovatnoću pojave protoka koji se analiziraju. Prema tome, rizik (R) zbog proloma brane se smanjuje sa porastom vrednosti Qs i za svaku branu posebno zavisi od C i Qs, tj. R = f(C,Qs). U praksi se posebno određuju društveno prihvatljiv i ekonomski prihvatljiv rizik. Cilj procesa upravljanja rizikom je da se odredi vrednost Qs koja zadovoljava oba postavljena kriterijuma. Uobičajeni redosled aktivnosti u toku procesa određivanja protoka merodavnog za sigurnost brane je sledeći: (1)     Određivanje mogućih dodatnih gubitaka ljudskih života (N) i dodatnih ukupnih šteta (D) zbog proloma brane. (2)     Određivanje očekivanog godišnjeg broja ljudskih žrtava (društveni rizik). (3)     Određivanje očekivane godišnje štete (ekonomski rizik). (4)     Formiranje zavisnosti između ekvivalentnih troškova izgradnje preliva i protoka Qs. (5)     Na osnovu društveno prihvatljivog rizika F-N dijagrama, nalazi se protok QSD za koji društveni rizik iz tačke 2 ima ovu vrednost. (6)     Određuje se vrednost QSE za koju su eventualni godišnji troškovi izgradnje preliva (tačka 4) nešto manji od očekivane godišnje dodatne štete zbog proloma brane, ili nisu veći od unapred zadate vrednosti ekonomski prihvatljivog rizika (tačka 3). (7)     Za protok (Qs) koji je merodavan za hidrološku sigurnost brane usvaja se veća vrednost protoka QSD i QSE. Ukoliko je verovatnoća prevazilaženja izabranog protoka Qs iz tačke 7 veća od VMP usvaja se Qs = VMP. Procedura za određivanje Qs pomoću procesa upravljanja rizikom je ista za izgrađene brane i one u fazi projektovanja, ali su u većini zemalja kriterijumi o prihvatljivim rizicima nešto blaži za izgrađene brane.

  1. SADAŠNJE STANJE METODA I KRITERIJUMI ZA ODREĐIVANJE

          MERODAVNIH PROTOKA  U svetskoj praksi, ni jedan od postojeća tri kriterijuma nije opšte prihvaćen kao najbolji za procenu merodavnih protoka. Zbog toga su još uvek u primeni sva tri kriterijuma, premda se u većini razvijenih zemalja više ne koristi izvorni oblik kriterijuma prve generacije. Određivanje merodavnog protoka na bazi upravljanja rizikom (treća generacija kriterijuma) za brane u fazi projektovanja, a naročito za izgrađene brane, u primeni je u  više zemalja, agencija i organizacija. Vodeću ulogu u razvoju i primeni ove procedure imaju Australija, Norveška, Švedska, Španija, Južna Afrika, SAD i Kanada. U 2001. godini se i u Nemačkoj, preko revidovanih normi DIN 19700, po prvi put uvode elementi verovatnoće u oblast akumulacija i brana, posebno pri određivanju protoka merodavnih za sigurnost brane. Modeli na bazi upravljanja rizikom koriste se i u Holandiji pri proceni sigurnosti odbrambenih nasipa. Ostale razvijene evropske zemlje (Švajcarska, Francuska, Velika Britanija i dr.) zadržale su konvencionalne procedure za određivanje merodavnih protoka na bazi kriterijuma druge generacije uz poboljšano osmatranje ponašanja brane, prognozu nailaska velikih voda i povećanu sigurnost funkcionisanja sistema za uzbunjivanje i evakuaciju stanovništva iz ugroženih oblasti (npr. Švajcarska). Međutim, treba konstatovati da organizacije i agencije za projektovanje i eksploataciju brana i akumulacija u nekim zemljama još uvek koriste kriterijume prve generacije pri određivanju merodavnih protoka iako se, zbog sadašnjeg nivoa naučnih dostignuća u ovoj oblasti, ovi kriterijumi moraju smatrati prevaziđenim. Stanje savremenih metoda u nekoliko zemalja prikazano je u sledećem tekstu.

  • Sjedinjene Američke Države

Stanje metoda i kriterijuma u federalnim agencijama i pojedinim državama detaljno je prikazano u publikaciji (FEMA, 2012). Kriterijumi treće generacije se koriste samo u tri federalne države i tri federalne agencije (USBR, FERC i USACE). U ostalim federalnim državama i federalnoj agenciji „National Resources Conservation Service – NRCS (prethodni naziv „Soil Consertation Service – SCS) koriste kriterijume druge generacije. Klasifikacija je izvršena ili prema visini brane (niske, srednje, visoke) ili prema veličini nizvodnog hazarda (mali, značajan, veliki). Za svaku od klasa propisan je odgovarajući merodavni proticaj. Tako, na primer, agencija NRCS, sa 27,252 brane, koristi sledeće kriterijume:

Visina brane Verovatnoća prevazilaženja padavina
Dimenzije preliva Sigurnost brane
Mala P100 P100 + 0.12 (PMP – P100)
Srednja P100 + 0.12 (PMP – P100) P100 + 0.40 (PMP – P100)
Visoka P100 + 0.26 (PMP – P100) PMP

Tabela 4.1

U gornjoj tabeli je: P100  = padavine verovatnoće prevazilaženja 1/100; PMP = verovatno maksimalne padavine Odgovarajući merodavni protoci se određuju na osnovu transformacije ovih padavina u protok. U Agenciji USBR – Bureau of Redamation (2.700 brana) koristi se metoda odlučivanja na osnovu procene rizika. Uglavnom se koristi portfolio analiza rizika za izgrađene brane i kvantitativna analiza rizika za nove brane. Agencija FERC – Federal Energy Regulatory Commission, sa 2.524 brane, uglavnom koristi „Uputstva za sigurnost brane“ Agencije FEMA i hidrološke analize na bazi priraštaja rizika. USACE – U.S. Army Corps of Engineers (669 brana) koristi standarde sa verovatno maksimalnim protokom kao osnovom, portfolio analizu rizika i propis ER 1110-2-1156 (oktobar 2011) za određivanje društveno prihvatljivog rizika. F-N dijagram ove Agencije prikazan je na slici 4.3. U federalnim državama su vrednosti merodavnog protoka veoma različite za svaku od klasa brana ili hazarda. Broj klasa se kreće u granicama od 2 do 5. Merodavni protok za brane sa velikim hazardom uglavnom je VMP ili % VMP (slika 4.1), dok je za brane sa malim hazardom merodavni protok uglavnom određen na osnovu propisane verovatnoće prevazilaženja (slika 4.2). slika3

Slika 4.1 Protoci merodavni za sigurnost brana sa velikim hazardom

4

Slika 4.2 Protoci merodavni za sigurnost brana sa malim hazardom

5

Slika 4.3 Agencija USACE; F-N dijagram

U saveznoj državi Montana merodavni protok se određuje u zavisnosti od procenjenog broja ljudskih žrtava (LOL – loss of live), određenog na osnovu broja ugroženog stanovništva usled proloma brane (PAR – population of risk,  po metodi Graham Montana DNRC, 2010). (a)     LOL ≤ 5:                     povratni period merodavnog protoka je P = LOL x 1000 (b)     LOL < 5 (c)     za LOL ≥ 1000:          merodavni protok je verovatno maksimalni protok (VMP).

  • Australija

Australijski nacionalni komitet (ANCOLD) je, u oktobru 2003. godine, objavio „Uputstva za procenu rizika“ (Guidelines on Risk Assessment). Uputstvo može da se koristi kao

  • zamena tradicionalnim metodama za procenu sigurnosti brane,
  • alternativa tradicionalnim metodama,
  • osnova za donošenje odluke u vezi sa sigurnošću brane.

Iako je Nacionalni komitet preporučio samo prvu ulogu Uputstva, nekoliko australijskih država je prihvatilo, i uvelo u praksu, drugu po redu ulogu Uputstva, tj. uporedno korišćenje tradicionalne metode i metode na bazi procene rizika u analizi sigurnosti brane od proloma. Za procenu prihvatljivog društvenog rizika koristi se F-N dijagram sa slike 4.4, premda su u nekim od država i agencija formirale posebne F-N dijagrame (slika 4.5). 6

Slika 4.4 ANCOLD; F-N dijagram

7

Slika 4.5 Tasmania Hydro; F-N dijagram

 

  • Kanada

Od oko 14000 izgrađenih brana u Kanadi samo je 933 visokih brana prema klasifikaciji    ICOLD-a. Donošenje Odredaba i kontrola sigurnosti brana su u nadležnosti kanadskih provincija. Ove Odredbe su donete i primenjuju se samo u 4 provincije. Šest provincija je bez Odredbi, a u 2 provincije nema izgrađenih brana. Kanadsko udruženje za sigurnost brana (Canadian Dam Safety Association – CDA) je, 2007. godine, publikovalo nova Uputstva za sigurnost brana (Dam Safety Guidelines) prikazanih u 9 tehničkih biltena. Predložen je i tradicionalni prilaz problemu sigurnosti brane i prikaz na bazi upravljanja rizikom. CDA je predložio sledeću klasifikaciju brana na osnovu hazarda i odgovarajući merodavni protok (Inflow design flood – IDF).

Hazard Gubitak  života Ekonomske štete Merodavni protok
Mali 0 Mali Q100
Značajan 0 Primetan Od Q100 do Q1000
Visok 10 ili manje Velika 1/3 između Q1000 i VMP
Vrlo visok 100 ili manje Vrlo velika 2/3 između Q1000 i VMP
Izuzetno visok Više od 100 Izuzetno velika VMP

U gornjoj tabeli je VMP – verovatno maksimalni protok; Q100, Q1000 verovatnoće prevazilaženja 1/100, odnosno 1/1000. U analizama na osnovu upravljanja rizikom preporučuje se da se koristi F-N dijagram sa slike br. 4.6.   8

Slika 4.6 Agencia CDA; F-N dijagram

U provinciji British Columbia je, od 2009. godine, u upotrebi sledeća klasifikacija hazarda: Tabela 4.3

Hazard Gubitak  života Ekonomske štete($) Merodavni protok
Vrlo veliki Više od 100 Više od 100 miliona Prilagođava se CDA Uputstvo
Veliki Manje od 100 Više od 1 milion
Mali Manja mogućnost Više od 100,000
Vrlo mala Minimalna mogućnost  Manje od 100,000

U provinciji Ontario u važnosti su sledeća Uputstva za sigurnost brane (Ontario Ministry of Natural Resources, 2011) na bazi klasifikacije hazarda: Tabela 4.4

Hazard Gubitak  života Ekonomske štete($) Merodavni protok
Mali 0 Ne prelaze 300,000 Prilagođava se CDA Uputstvo
Umeren 0 Ne prelaze 3 miliona
Veliki 1-10 Ne prelaze 30 miliona
Vrlo veliki Više od 11 Više od 30 miliona

U ovoj provinciji je Odredbom o sigurnosti brane omogućeno i korišćenje metode upravljanja rizikom. Predviđeno je korišćenje F-N dijagrama sa slike 4.5

  • Nemačka

Svaka od pokrajina u Nemačkoj ima potpunu kontrolu nad načinom analize sigurnosti brana. Novi tehnički standardi ističu problem hazarda ali ne definišu specijalne instrukcije za procenu rizika. Novi, dopunjeni tehnički standardi E DIN 19700-10 i E DIN 19700-11 uključuju i elemente probabilističkog prikaza pri određivanju sigurnosti brane od rušenja. Rettemeyer i dr. (2000) opisali su nove pravce u proceni rizika od rušenja brana i predlažu specijalni F-N dijagram, prikazan na slici 4.7. 9

Slika 4.7 Nemačka; Predlog F-N dijagrama

  • Španija

U periodu 2010-2013 Španski komitet za visoke brane (SPANCOLD) bio je vrlo aktivan u nastojanjima da se merodavni protoci španskih brana određuju prema kriterijumima treće generacije. U ovom periodu Komitet je izdao 22 publikacije na temu upravljanja rizikom od kojih je najznačajnija „Risk analysis applied to management of dam safety (SPANCOLD, 2012).

  1. SADAŠNJE STANJE METODA I KRITERIJUMA ZA

          ODREĐIVANJE MERODAVNIH PROTOKA U SRBIJI Prelivi na izgrađenim branama u Srbiji dimenzionisani su na osnovu probabilističke procedure i kriterijumima prve generacije. Prelivi na većim nasutim branama dimenzionisani su za protok sa VGP = 0,0001, dok je za merodavni protok za dimenzionisanje preliva betonskih brana usvojen protok verovatnoće prevazilaženja VGP = 0,001. Sigurnost brana od proloma pri protocima većim od merodavnih nije kontrolisana. Većina naših organizacija za projektovanje brana i danas uglavnom koristi probabilistički prilaz i kriterijume prve generacije: prelivi betonskih brana dimenzionišu se na protok sa VGP = 0,001, a nasutih brana na protok sa VGP = 0,0001. Pravilo se koristi za bilo koju nasutu ili betonsku branu, bez obzira na veličinu hazarda akumulisane vode. Kategorizacija brana prema hazardu i upotreba procesa upravljanja rizikom se ne koristi pri određivanju merodavnih protoka. Međutim, u biltenu 130 (ICOLD, 2005) se navodi da je tadašnji Tehnički komitet za sigurnost brana u Jugoslaviji izdao Metodologiju za rangiranje brana prema hazardu (YUCOLD, 1997) i da je formirao radnu grupu za analizu rizika sa zadatkom da uradi kvantitativnu analizu rizika za nekoliko izgrađenih brana. Referenca (ICOLD, 1997) nije navedena u spisku referenci u Biltenu 130, a rezultati rada navedenog Tehničkog komiteta nisu poznati autoru ovog rada. Stručni odbor za hidrauličke aspekte projektovanja brana jugoslovenskog društva za visoke brane je publikovao radnu verziju „Uputstva za izbor merodavnih protoka za prelive na branama“ u decembru 2002. godine. Skraćena radna verzija Uputstava publikovana je u časopisu Vodoprivrede 2002. godine (Erčić, 2002), a takođe i na XIII Savetovanju Jugoslovenskog društva za hidrauličke istraživanja (Erčić, 2002). Radna verzija Uputstava bila je i osnova za izradu ovog Predloga. Radna verzija je dostavljena na diskusiju svim članovima Stručnog odbora i grupi nastavnika Građevinskog fakulteta u Beogradu. Citira se generalni zaključak grupe nastavnika (M.Jovanović, R. Kapor, J. Petrović): … „Na kraju, izražavamo svoju nedoumicu oko načina prezentacije ovog nesumnjivo korisnog materijala stručnoj javnosti. Prema našem viđenju, najcelishodnije bi bilo da se u okviru Jugoslovenskog društva za visoke brane organizuje poseban tematski skup sa učesnicima po pozivu, kojima bi unapred bio dostavljen prečišćen tekst ovog dokumenta. Bilo bi korisno da Jugoslovensko društvo za visoke brane za ovu inicijativu dobije podršku od nadležnih ministarstava i obezbedi njihovu finansijsku pomoć. smatramo da bi ove akcije bile korisne u pravcu usklađivanja naših stručnih normi sa odgovarajućim svetskim standardima“. Tematski skup nije održan, a diskusija na predmetnu temu nije nastavljena. Tema „Upravljanje rizikom“ bila je u sadržaju još nekoliko radova, objavljenih u srpskim tehničkim publikacijama. Savić i dr. (2002) u svom radu zaključuju da protoke merodavne za sigurnost brane treba ipak određivati prema tradicionalnim kriterijumima, a metodu upravljanja rizikom bi trebalo svakako koristiti ali „u sprezi sa tradicionalnim metodama“. Erčić i dr. (2009) analiziraju hidrološku sigurnost brane Pore pomoću metode upravljanja rizikom i zaključuju da projektovana nasuta brana sa prelivom sa ustavama nije hidrološki sigurna jer nije zadovoljen kriterijum prihvatljivog društvenog rizika prema radnoj verziji Uputstava. Neophodna je promena ili tipa preliva (slobodni preliv bez ustava) ili tipa brane (betonska brana). Protić i dr. (2002) upoređuju rizike i moguće štete sa ulaganjima u sigurnost evakuacije velikih voda na brani hidroelektrane „Bočac“. Zaključuju da je ekonomičnije da se ugradi dopunski sigurnosni preliv. Tucović (2002) u svom radu prikazuje koncept upravljanja rizikom i zaključuje da je neophodno da se pripreme Uputstva o upravljanju rizikom i odredi društveno prihvatljiv rizik i da se preduzmu akcije kod nadležnih državnih organa da se „zakonskim aktima reguliše upravljanje sigurnošću brana na savremenim principima, uzimajući u obzir i rizike“. Radić i dr. (2010) analiziraju izbor odgovarajuće teorijske funkcije za marginalne raspodele dnevnih proticaja i zaključuju da je raspodelu LP 3, sa parametrima koji se periodično menjaju tokom godišnjeg ciklusa, moguće primeniti na svim profilima. Ovaj rad bi mogao da bude koristan u diskusiji o metodama određivanja merodavnih protoka prema kriterijumima prve i druge generacije.

  1. PREDLOG METODA I KRITERIJUMA ZA ODREĐIVANJE PROTOKA

          I NIVOA MERODAVNIH ZA SIGURNOST BRANA U SRBIJI 6.1     Uvodna razmatranja U Predlogu za određivanje protoka merodavnih za hidrološku sigurnost brana u Srbiji (kako za brane u fazi projektovanja, tako i za izgrađene brane), predviđeno je da se koriste dve metode (osnovna i kontrolna) sa ciljem da se obezbedi zaštita od moguće velike greške u rezultatu analize ili da se potvrdi proračunati merodavni protok. Osnovna metoda u Predlogu je metoda koja se bazira na procesu upravljanja rizikom uz korišćenje kriterijuma treće generacije. Kontrolna metoda se zasniva na kategorizaciji brana prema priraštaju hazarda i kriterijumima druge generacije. Rangiranje metoda na osnovnu i kontrolnu proističe iz želje da se istakne procena da će, sa povećanjem iskustva u proceni rizika, metoda na bazi upravljanja rizikom postepeno postajati jedina metoda za procenu merodavnih protoka, odnosno da će klasifikacija brana prema priraštaju hazarda postepeno izlaziti iz upotrebe. 6.2       Osnovni podaci Protoci na ulazu i izlazu iz akumulacije su osnovni ulazni podaci u analizi hidrološke sigurnosti brane. Ulazni protok u akumulaciju (Qs) je prirodna, a izlazni iz akumulacije (Qsi) izvedena veličina. Kada u akumulaciji postoji posebni deo zapremine za ublažavanje ulaznog talasa, ova dva protoka mogu znatno da se razlikuju. Kada posebna zapremina ne postoji, izlazni protok je praktično jednak ulaznom mada uvek postoji mala, zanemarljiva, razlika. Kako je protok Qs prirodna veličina logično je da protok Qs bude osnovni parametar za koji je izvedeni protok (Qsi) vezan jednačinom  Qsi = F(Qs, Vu), gde je Vu — raspoloživa zapremina akumulacije za ublaženje ulaznog hidrograma protoka. Veličina ove zapremine zavisi od nivoa vode u akumulaciji koji je merodavan za hidrološku sigurnost brane. Protok Qsi mora se ispuštati iz akumulacije pri nivou vode merodavnom za sigurnost brane, a da, pri tome, projektovana namena brane i akumulacije ne bude prekinuta zbog proloma ili velikih oštećenja brane i njenih pratećih objekata. Objekti uz branu koji nisu vitalni za akumulisanje i ispuštanje vode mogu biti oštećeni do mere koja ne zahteva ekonomski neprihvatljive popravke. Primena bilo kog kriterijuma druge ili treće generacije podrazumeva poznavanje izlaznog protoka pri kome se brana ruši, odnosno njenog ekvivalentnog ulaznog protoka u akumulaciju. Po definiciji, ovaj protok mora biti veći od protoka (Qs) merodavnog za hidrološku sigurnost brane. Protok pri kome se brana ruši je teško odrediti. Ova vrednost je promenljiva od slučaja do slučaja, a uglavnom zavisi od tipa brane i otpornosti na eroziju tla na kome je brana fundirana. U ovom Predlogu se pretpostavlja da je protok (Qr) pri kome se brana prolama blizak protoku (Qs), merodavnom za hidrološku sigurnost brane. Zbog toga se preporučuje da se merodavni protok Qs određuje na osnovu negativnih posledica kao da se brana prolomila pod uticajem merodavnog protoka Qs. Kod lučnih i gravitacionih brana pretpostavka da je protok pri kome se brana ruši blizak protoku merodavnom za sigurnost brane mogla bi da bude pogrešna ukoliko su ove brane dimenzionisane da podnesu povećano statičko opterećenje i ukoliko su fundirane na kompaktnoj stenskoj masi velike otpornosti na eroziju. U tom slučaju skoro je izvesno da se brana neće srušiti. Suprotno gornjem, skoro je izvesno da će se većina nasutih brana srušiti usled prelivanja vode preko krune. 6.3       Faktori koji utiču na izbor merodavnog protoka i nivoa Veličina protoka Qs zavisi od više faktora od kojih su najvažniji ekonomski i društveni rizici, tip preliva, veličina zazora, raspoloživa zapremina za transformaciju ulaznog hidrograma i uticaj uzvodne akumulacije. (a)      Društveni i ekonomski rizik Ova dva vrlo uticajna faktora određuju se na osnovu detaljne hidrauličke analize proloma brane, karte poplavljenog područja, procene neposrednih i posrednih šteta u profilu brane i izvan njega i procene potencijalnih ljudskih žrtava zbog proloma. Društveni i ekonomski rizik treba procenjivati na osnovu plana ili procene budućeg razvoja ugroženog područja. (b)        Tip preliva Uticaj tipa preliva na izbor veličine merodavnog protoka izražava se preko troškova izgradnje ovog objekta. Sigurno funkcionisanje preliva je bitan aspekt pri proceni hidrološke sigurnosti brane što se mora uzeti u obzir pri izboru i dimenzionisanju ovog objekta. Slobodan preliv sa površinskim brzotokom je najpovoljniji tip sa gledišta hidrološke sigurnosti brane. Šahtni i potopljeni prelivi su najnepovoljniji u sigurnosnom smislu. Za velike izlazne protoke, prelivi sa ustavama su ekonomski najprihvatljivije rešenje za sve tipove brana ukoliko može da se obezbedi sigurno funkcionisanje sistema za pogon ustava, spreči blokada ustava, prelivnih polja ili brzotoka plivajućom vegetacijom ili odronima i, što je bitno kod nasutih brana, obezbedi prilaz ustavama u bilo kojoj vremenskoj situaciji. Ako topografske i geološke karakteristike terena to dozvoljavaju, ekonomski povoljno i sigurnije rešenje je kombinacija stalnog preliva sa ustavama i sigurnosnog preliva sa ustavama od pokretnih elemenata (fusegates), vrećastim ustavama ili zečjim nasipima. Ustave od pokretnih elemenata (zečje ustave) su podesne za postavljanje na krune betonskih brana. Od nabrojanih tipova sigurnosnih preliva, zečji nasipi su najmanje sigurni. (c)        Veličina zazora Zazor je razlika (ΔH) između kote zadatog nivoa vode u akumulaciji i kote krune brane, odnosno kote krune valobrana. Zazor mora da postoji zbog mogućeg povremenog nadvišenja zadatog nivoa vode usled dejstva vetra ili, kod nasutih brana, zbog moguće deformacije (spuštanja) krune brane usled seizmičkih potresa. U zonama sa niskim seizmičkim hazardom veličina zazora za sve tipove brana je zbir:

  • visine penjanja talasa uz uzvodno lice brane pri delovanju vetra u najnepovoljnijem smeru;
  • porasta nivoa vode uz branu zbog potiskivanja vode vetrom;
  • porasta nivoa vode uz branu zbog pojave polaganih oscilacija jezera – seša, i
  • sigurnosnog dodatka za pokrivanje nepouzdanosti podataka korišćenih u proračunima (za nasute brane visina sigurnosnog dodatka je u granicama 0,5 ÷1,5 m, a za betonske brane se preporučuje visina od 0,5 m).

S obzirom da su moguće sve kombinacije između veličine protoka i brzine vetra moraju se računati dve granične kombinacije : 1       Vetar čija brzina ima isti VGP kao protok (Qs) merodavan za sigurnost brane, uključujući i verovatno maksimalnu brzinu vetra koju treba odrediti na osnovu gradijenta pritiska na sinoptičkoj karti za odabrane dane poznate po izuzetno jakom vetru. Izračunatu veličinu zazora (ΔHV1) treba dodati na kotu normalnog uspora ako je u pitanju preliv sa ustavama, odnosno na visinu prelivnog mlaza (ΔHP1) pri prelivanju preko prelivnog praga bez ustava kompatibilnog protoka koji ima unapred zadati VGP (izrazom “kompatibilna” definiše se procenjena veličina pojave koja se dešava istovremeno sa ekstremnom pojavom). 2      Kompatibilni vetar čija brzina ima unapred zadato VGP. Izračunatu veličinu zazora (ΔHV2) treba dodati na kotu normalnog uspora ako je preliv sa ustavama, odnosno na visinu prelivnog mlaza (ΔHP2) pri prelivanju protoka merodavnog za dimenzionisanje preliva preko prelivnog praga bez ustava. Očigledno je da je za brane sa prelivima sa ustavama ukupni zazor (ΔHV) jednak visini ΔHV1 koja se meri od kote normalnog uspora. Za brane sa prelivnim pragom bez ustava ukupni zazor, meren od kote normalnog uspora, može biti zbir ΔHV1 + ΔHP1 ili zbir ΔHV2 + ΔHp1. Za merodavan ukupni zazor usvaja se veća vrednost. Zadate verovatnoće prevazilaženja kompatibilnog protoka (tačka i) i kompatibilne brzine vetra (tačka ii) prikazane su u tabeli 6.2. U područjima sa velikim seizmičkim hazardom visina zazora za nasute brane zavisi od jačine vetra ili od seizmičkih potresa jer se pretpostavlja da je skoro nemoguća istovremena pojava veoma jakog vetra i usvojenog projektnog zemljotresa. Zazor zbog vetra (ΔHV) se određuje na napred već opisani način. Visina zazora (ΔHs) zbog seizmičkih potresa jednaka je zbiru:

  • porasta nivoa vode uz branu zbog pojave seša usled delovanja seizmičkih potresa;
  • vertikalne deformacije krune brane usled sleganja izazvanog potresom i
  • sigurnosnog dodatka zbog eventualne nepouzdanosti podataka (0,5 m÷1,5 m za nasute i 0,5 m za betonske brane).

Za merodavni zazor (ΔH) usvaja se veća od vrednosti ΔHV ili ΔHs. Seizmički parametri na osnovu kojih se određuje sleganje krune nasute brane treba da imaju VGP koji ima protok merodavan za sigurnost brane, uključujući i verovatno maksimalne vrednosti. Akumulacioni prostor koji je definisan visinom zazora može se koristiti (potpuno ili delimično) za transformaciju ulaznog hidrograma, s obzirom da je praktično nemoguća istovremena pojava izuzetno jakog vetra, projektnog zemljotresa i protoka merodavnog za sigurnost brane. Uticaj zazora se odražava na dimenzije, odnosno troškove izgradnje preliva, a time i na izbor veličine protoka merodavnog za sigurnost brane. (d)      Veličina raspoložive zapremine za transformaciju ulaznog hidrograma Ova zapremina se nalazi između nivoa vode u akumulaciji merodavnog za sigurnost brane (podnaslov 6.4) i

  • nivoa normalnog uspora za brane sa prelivom sa. ustavama, odnosno
  • nivoa vode pri kome kompatibilni protok (tačka c, pod i) preliva preko praga bez ustava.

Veličina zapremine za transformaciju talasa utiče na troškove izgradnje preliva (smanjujući ih sa povećanjem zapremine) i ukupne dodatne štete (povećavajući ih sa povećanjem zapremine). (e)       Uticaj uzvodne akumulacije U prirodnom režimu reke merodavni protok Qmp verovatnoće P na nizvodnom profilu obično nije jednak protoku Qmlp, verovatnoće P u uzvodnom profilu, uvećanom za protok Qm2p verovatnoće P sa međusliva (Qmp ≠ Qmlp + Qm2p). Najčešće važi relacija Qmp = Qmlp + Qm2 ili Qmp = Q,ni + Qm2P gde su Qml ili (Qm2 dopune vrednostima Qmlp ili Qm2p do vrednosti Qmp. Zbog toga, u slivu reke sa dve akumulacije, za merodavni protok nizvodne brane treba usvojiti veću vrednost od sledeće dve: Q’ mp = tQmlp + Qm2 Q’’ mp = tOml +Qm2p gde su prefiksom “t” označene vrednosti protoka na izlazu iz uzvodne akumulacije. Pri određivanju merodavnog protoka za nizvodnu branu ne treba uzimati u obzir “domino” efekat zbog proloma uzvodne brane. (f)        Tip brane Tip brane je najznačajniji faktor za izbor nivoa vode u akumulaciji merodavnog za hidrološku sigurnost brane, s obzirom na različite reakcije raznih tipova nasutih i betonskih brana na prelivanje vode preko krune.   Lučne betonske brane mogu da izdrže prelivanje preko krune vrlo visokog prelivnog mlaza ukoliko je stenska masa na dolinskim stranama dovoljno čvrsta. Gravitacione betonske brane takođe mogu da podnesu znatno prelivanje preko krune ukoliko su statički stabilne pri povećanom hidrostatičkom pritisku i ako je stenska masa u fundamentu brane otporna na eroziju. Nasute brane od valjanog kamena većih dimenzija na nizvodnoj kosini mogle bi da podnesu prelivanje preko krune tankog mlaza ukoliko su fundamenti nizvodne nožice otporni na eroziju. Nasute brane od zemlje ne mogu da podnesu prelivanje preko krune vododrživog jezgra.   6.4.     Predlog za određivanje nivoa vode u akumulaciji merodavnog za hidrološku sigurnost brane Ovaj nivo je najviši dozvoljeni nivo vode u akumulaciji koji se dopušta samo kada u akumulaciju ulazi protok merodavan za sigurnost brane. Nivo vode merodavan za sigurnost brane obično se vezuje za unapred poznatu kotu krune brane koja je određena na osnovu potrebnog zazora (podnaslov 6.3, pod c). Ali, može se desiti da je zapreminu za transformaciju talasa potrebno odrediti na osnovu ekonomskog optimuma, naročito kada je ulazni hidrogram male zapremine sa velikim vršnim protokom, a velika površina akumulacije na koti normalnog uspora. U zavisnosti od tipa brane merodavni nivo može biti iznad, u nivou ili ispod krune brane. Kod nasutih brana sa valobranom, prisustvo ove konstrukcije treba zanemariti kao građevine koja drži stalan uspor. Merodavni nivo vode je vrlo uticajan faktor pri izboru veličine protoka merodavnog za sigurnost brane. Od ovog nivoa zavisi propusna moć preliva kao i zapremina akumulacije u kojoj se vrši transformacija ulaznog hidrograma. Prema tome, merodavni nivo utiče na troškove izgradnje preliva kao i na veličinu dodatne štete zbog proloma brane. Najviša merodavna kota nivoa vode za nasute brane od materijala podložnog eroziji (zemlja, pesak, šljunak, jalovišta) treba da bude jednaka koti krune vododržive zaptivke ili niža od kote krune brane, odnosno krune valobrana, za visinu zazora iz tačke 6.3, pod (c), podtačka (ii). Kod nasutih brana od valjanog kamena i kontrafornih brana, nivo vode merodavan za sigurnost brane može se podići najviše do kote krune brane. Kod brana od valjanog betona merodavni nivo vode može biti najviše 0,5 m iznad krune brane jer se procenjuje da prelivni mlaz ove debljine koji se sliva niz kaskadnu nizvodnu kosinu brane ne može erodirati ni kosinu brane ni tlo na kome je brana fundirana. Merodavni nivo za gravitacione betonske brane može se kretati u granicama od kote krune brane do maksimalno 1,0 m iznad kote krune u zavisnosti od procene otpornosti na eroziju stene na kojoj je brana fundirana. S obzirom da su lučne brane najmanje osetljive na prelivanje, merodavni nivo vode može biti najviše 2,0 m iznad krune brane. Za betonske brane koje su u fazi projektovanja, nivo vode merodavan za hidrološku sigurnost određuje statičko opterećenje na branu. Pri kontroli hidrološke sigurnosti izgrađenih brana, merodavni nivo vode u akumulaciji može uslovljavati statička stabilnost izgrađene brane što u procesu kontrole hidrološke sigurnosti treba najpre utvrditi. Ukoliko je neposredno uz nizvodno lice lučne ili gravitacione brane izgrađen neki važan i skup objekat (npr. pribranska hidroelektrana) koji bi mogao da bude oštećen prelivnim mlazom vode, merodavni nivo vode treba odrediti na osnovu troškova izgradnje preliva povećanog kapaciteta s jedne, i štete na objektu s druge strane. Kod svih tipova brana kod kojih se do površinskih preliva sa ustavama prilazi po kruni brane, nivo vode merodavan za hidrološku sigurnost treba da je niži od krune brane ili krune valobrana za visinu zazora zbog talasa pri brzini vetra sa pet puta većom verovatnoćom prevazilaženja od one koju ima protok merodavan za hidrološku sigurnost brane.   6.5.     Predlog metoda i kriterijuma za određivanje protoka merodavnog za hidrološku sigurnost brane Protok merodavan za hidrološku sigurnost brane treba da bude određen na osnovu: (1)         procesa upravljanja rizikom i kriterijuma treće generacije i (2)        kontrole dobijenih rezultata na osnovu klasifikacija brana prema priraštaju hazarda i kriterijuma druge generacije. Napred predložena procedura je ista za sve tipove brana u projektovanju kao i za sve tipove izgrađenih brana pri kontroli njihove hidrološke sigurnosti. Rezultat analize na bazi procesa upravljanja rizikom (tačka i) je veličina merodavnog protoka za koju društveni i ekonomski rizici imaju prihvatljivu vrednost i to kako pri neometanom tako i pri ometanom funkcionisanju preliva (brana u posebnim uslovima). S obzirom na nepouzdanost hidroloških, ekonomskih, društvenih i drugih raspoloživih podataka kao i na subjektivnost pri proceni verovatnoće da će se neki događaj desiti ili se neće desiti, neophodno je da se veličina merodavnog protoka odredi i na osnovu kategorizacije brana prema priraštaju hazarda i kriterijuma druge generacije (tačka ii). Ukoliko se rezultati prema tačkama (i) i (ii) malo razlikuju (ne više od 30%) treba usvojiti vrednost prema tački (i). Ako je razlika znatna, neophodno je da se konstatuje uzrok neslaganju a zatim izvrši detaljnija analiza posledica zbog proloma brane i na osnovu ove analize donese konačna odluka o veličini protoka merodavnog za sigurnost brane. Uzrok neslaganju rezultata može biti pogrešna procena priraštaja rizika (posebno ekonomskog) i/ili pogrešna procena neke od kategorija posledica, odnosno pogrešna procena klase brane.   6.5.1.  Određivanje merodavnog protoka na bazi procesa upravljanja rizikom (glavna metoda) Kriterijumi za određivanje prihvatljivog društvenog rizika za brane u Srbiji dati su F-N dijagramom (SI.6.1). Isti je određen polazeći od svetskog iskustva i prilagođen je našim prilikama.   10

Slika. 6.1  – F-N dijagram za brane u Srbiji

Linija A predstavlja granicu prihvatljivog društvenog rizika za brane koje su u fazi projektovanja. Za izgrađene brane u Srbiji prihvatljivim društvenim rizikom se smatraju i tačke iz oblasti tolerisanog rizika, omeđene linijama A i B. Parametri koji moraju biti poznati pre početka analize su:

  • nivo vode u akumulaciji koji je merodavan za sigurnost brane i
  • zapremina akumulacije koja je raspoloživa za transformaciju ulaznog protoka Qs u protok Qsi koji ističe iz akumulacije preko preliva, ili i preko krune ne rušeći branu.

Proceduru određivanja merodavnog protoka Qs pojednostavljuje pretpostavka da protok pri kome se brana ruši ne odstupa znatno od izlaznog protoka Qsi i da ta razlika nema uticaja na rezultat proračuna. Iz prethodnog proizilazi da je verovatnoća proloma brane jednaka verovatnoći pojave protoka Qs, s obzirom da se protok Qsi izvodi iz protoka Qs. Prvi korak u analizi je određivanje verovatno maksimalnog protoka (VMP) prema nekoj od poznatih procedura. Na osnovu preporuka iz tehničke literature usvaja se da VMP ima       VGP=10-6. Sledi određivanje parametara raspodele verovatnoće koja se najbolje prilagođava nizu registrovanih godišnjih maksimalnih protoka a zatim i ekstrapolacija linije verovatnoće u intervalu 10-2<VGP<10-6 odnosno u intervalu QI00<≤VMP gde je QI00 – protok verovatnoće prevazilaženja 0,01 sa usvojene linije raspodele verovatnoće. Ekstrapolaciju treba izvršiti prema proceduri opisanoj u literaturi (Rowbottom I.A., 1986). Za brane u fazi projektovanja dalji tok analize je sledeći:

  • Izabere se nekoliko ulaznih protoka Qs sa odgovarajućim hidrogramima, proračunaju se izlazni protoci Qsi i uspostavi veza Qsi=φ (Qs). Najveći izabrani protok ne može biti veći od VMP.

(2)       Izračuna se prostiranje talasa zbog rušenja brane, odrede linije maksimalnih nivoa vode nizvodno od pregradnog profila i, na topografskim kartama, omeđi površina plavljenja. Ova površina ne zavisi od protoka Qs. (3)       Popisom se odredi broj stanovnika koji živi u zoni plavljenja a zatim proceni broj mogućih Ijudskih žrtava zbog proloma na osnovu:

  • broja stanovništva koji je na udaru poplavnog talasa zbog proloma;
  • sigurnosti i efikasnosti sistema za uzbunjivanje stanovništva;
  • vremenskog razvoja proloma brane;
  • sigurnosti i efikasnosti sistema za prognozu nadolaska kritičnih protoka;
  • brzine kretanja poplavnog talasa niz dolinu;
  • raspodele gustine naseljenosti doline duž rečnog toka u ugroženoj zoni;
  • blizine sigurnosnih  zona u  koje treba da  bude  evakuisano  ugroženo stanovništvo;
  • prohodnosti saobraćajnica do ovih zona u vreme poplava koje prethode prolomu brane;
  • obučenosti i pripremljenosti stanovništva u vezi sa uzbunjivanjem i evakuacijom.

Pretpostavlja se da postoji operativni sistem i plan za uzbunjivanje kao i plan za evakuaciju u slučaju proloma brane iz bilo kog razloga (prelivanje preko krune, zemljotres, procurivanje i sufozija, ratna dejstva i dr.). Procenjeni broj Ijudskih žrtava ne zavisi od protoka Qs. (4)       Za svaki od protoka Qs iz tačke (1) izračuna se društveni rizik (proizvod verovatnoće proloma i posledica) i formira zavisnost između protoka (Qs) i društvenog rizika (RD) RD = φ(Qs) (5)       Na osnovu zavisnosti RD = φ(Qs) odredi se protok QSD kome, za brane u fazi projektovanja, odgovara društveno prihvatljiv rizik od RDP = 10-4 pg (pojedinaca godišnje) (6)      Za svaki od protoka Qs iz tačke (1) izračunaju se troškovi izgradnje preliva i ostalih objekata za kontrolisano i sigurno ispuštanje vode iz akumulacije. Zatim se ovi troškovi svedu na sadašnju vrednost na početku eksploatacionog perioda brane, proračunaju ekvivalentni godišnji troškovi (EGT) i uspostavi veza EGT =φ3(Qs) (7)       Procene se troškovi (D1) dovođenja brane u operativno stanje posle proloma. Ovi troškovi ne zavise od protoka Qs. (8)       Procene se ukupne dodatne štete (D2) na objektima izvan pregradnog profila i dodatne štete (D3) zbog gubitaka dohotka. (9)       Za svaki od protoka Qs iz tačke (1) izračuna se ekonomski rizik (RE) zbog proloma brane po jednačini: gde su: P(Qs)  – verovatnoća prevazilaženja protoka Qs …… (s = 1,2 …N) D1        – troškovi dovođenja brane u operativno stanje D’2       – štete na objektima zbog proloma brane D’3       – ukupni gubitak dohotka zbog proloma brane u periodu rekonstrukcije brane i /ili objekata koji su proizvodili dohodak D’’2 (Qs) – štete na objektima zbog plavljenja neposredno pre proloma brane D’’3 (Qs) – ukupni gubici dohotka zbog plavljenja nesporedno pre proloma brane u periodu rekonstrukcije objekata koji su proizvodili dohodak (10)      – Uspostavi se veza RE = φ4 (Qs) (11)      Na osnovu odnosa EGT = φ3 (Qs) i RE = φ4 (Qs) odredi se protok QSE za koji je ekonomski prihvatljiv rizik REP =  a.EGT gde je a koeficijent sigurnosti s obzirom na nepouzdanost podataka na osnovu kojih se procenjuje ekonomski rizik. Za brane u fazi projektovanja preporučuje se vrednost a = 1.1 Na sl. 6.2 šematski su prikazani dijagrami EGT i RE kao i veličine REP i QSE.   11

Slika 6.2 – Grafička predstava odnosa

    EGT = φ3 (Qs) i RE = φ4 (Qs) (12)      Za protok (Qs) je merodavan za hidrološku sigurnost brane bira se veći od protoka QSD (tačka 5) i QSE (tačka 11). Pri kontroli hidrološke sigurnosti izgrađenih brana, nešto izmenjeni redosled aktivnosti je kako sledi: (a)       Odredi nivo vode koji je merodavan za sigurnost brane (podnaslov 6.4) i odgovarajuća zapremina za ublažavanje ulaznog protoka. (b)       Izračuna se verovatno maksimalni protok (VMP) na ulazu u akumulaciju. (c)       Izabere se funkcija raspodele verovatnoće na osnovu registrovanih godišnjih maksimalnih protoka i izvrši ekstrapolacija u intervalu 10-2<VGP≤10-6, odnosno Q100<Q≤VMP na isti način kao za nove brane. (d)        Na osnovu podataka pod (a) i poznate vrednosti maksimalnog kapaciteta postojećeg preliva, rekonstruiše se aktualni protok Qs i odgovarajući hidrogram protoka.           . (e)        Utvrdi se verovatnoća prevazilaženja aktualnog protoka Qs iz tačke (d) pomoću novoformirane linije raspodele verovatnoće iz tačke (c). (f)         Za verovatnoću proloma brane koja je jednaka verovatnoći prevazilaženja protoka Qs (tačka e) izračuna se vrednost RD, EGT i RE prema proceduri kao za brane u fazi projektovanja. (g)        Ukoliko kriterijumi za društveno i ekonomski prihvatljive rizike nisu zadovoljeni, povećaće se aktualni protok Qs iz tačke (d). Postupak se ponavlja do zadovoljenja kriterijuma ili do veličine Qs=VMP. Ukoliko su kriterijumi zadovoljeni zaključuje se da je za aktualni ulazni protok (Qs) iz tačke (d) brana hidrološki sigurna. Poželjno je da prihvatljivi društveni i ekonomski rizici budu isti za brane u fazi projektovanja i izgrađene brane. Međutim, u investiciono nepovoljnijim slučajevima, izgrađena brana se može smatrati hidrološki sigurnom ako su zadovoljena sledeća dva ublažena kriterijuma:

  • izračunati društveni rizik (RD) je jednak ili manji od tolerisanog društvenog rizika RDT = 10-3 pg
  • izračunati ekonomski rizik je jednak ili manji od tolerisanog ekonomskog rizika RET=1,2 EGT, gde EGT označava aktualizirane ekvivalentne godišnje troškove izgradnje postojećeg preliva, uvećane za ekvivalentne godišnje troškove dogradnje novog li rekonstrukciju postojećeg preliva, ukoliko je to potrebno.

6.5.2    Određivanje merodavnih protoka na bazi klasifikacije brana (kontrolna metoda) Prema ovoj proceduri, merodavni protok za hidrološku sigurnost brane zavisi samo od priraštaja hazarda zbog proloma brane. Priraštaj hazarda se meri razlikom između gubitaka ljudskih života i ekonomskih šteta za slučaj proloma brane i tih istih posledica izazvanih plavljenjem pri protoku Qsi neposredno pre proloma brane. Moguće je da su posledice pop lave neposredno pre proloma brane tako katastrofalne da nema priraštaja gubitaka ljudskih života (stanovništvo je već evakuisano) a priraštaj ekonomskih šteta je nedovoljan da se brana svrsta u kategoriju velikog priraštaja hazarda iako je ukupni hazard veoma veliki. Zbog toga se priraštaj hazarda mora procenjivati za svaku branu posebno. U Srbiji sve brane treba da se svrstaju u jednu od sledeće tri klase: brane sa velikim, sa značajnim i sa malim priraštajem hazarda. Svaku od klasa određuju sledećih pet kategorija posledica: (1)       piraštaj potencijalnih ljudskih žrtava; (2)        priraštaj indirektnih opasnosti po život ljudi zbog prekida funkcionisanja usluga bitnih za život (kritičnih: nemogućnost dolaska do medicinskih centara, prekid snabdevanja pijaćom vodom i hranom zbog porušenih saobraćajnica, i dr; osnovnih: prekid snabdevanja električnom energijom, prekid u komunikacijama i dr.);          -, (3)        priraštaj direktnih šteta na objektima i priraštaj šteta zbog gubitaka dohotka industrijskih postrojenja; (4)        priraštaj negativnih uticaja na okolinu, posebno u slučaju proloma brana koje formiraju jalovišta; (5)        dovođenje brane u operativno stanje posle proloma. Svrstavanje brane u jednu od klasa treba da izvrši tim eksperata na osnovu analize i procene priraštaja posledica. Podela brana na klase prema priraštaju hazarda prikazana je u tabeli 6.1.

Kategorija

posledicaKlasifikacija priraštaja hazardavelikiZapaženmaliPriraštaj ljudskih žrtavaIzvestan (jedno ili više razvijenih stambenih, trgovinskih ili industrijskih centara)Neizvestan (seosko naselje sa nekoliko kuća)Ne očekuje se (nema stalno naseljenih objekata)Priraštaj indirektne opasnosti po životPrekid rada kritičnih usluga i prilaznih putevaPrekid rada osnovnih usluga i prilaznih putevaNema prekida rada bitnih uslugaPriraštaj štetaPrekomeranPrimetanMaliPriraštaj negativnog uticaja na okolinuObimni troškovi zaštite ili nemogućnost zaštitePrimetan priraštaj troškova za neophodnu zaštituMinimalan priraštaj troškova zaštiteDovođenje brane u operativno stanjePopravka brane nije izvodljiva, a brana je od suštinskog značajaPopravka brane izvodljiva; raspoloživa alternativna izvorišta vodePopravka brane izvodljiva; indirektni gubici nisu značajni   Za klasifikaciju brana u jednu od tri moguće klase dovoljno je da samo jedna kategorija posledica bude ispunjena, pri čemu branu treba svrstati u najnepovoljniju ovako određenu klasu hazarda. Protok merodavan za hidrološku sigurnost brane, predložen je za svaku od tri klase brana na osnovu sledećih polazišta:

  • veličina merodavnog protoka zavisi od procene nizvodnog hazarda pri sadašnjem i budućem stepenu razvoja ugroženog područja;
  • merodavni protok ne zavisi od tipa brane čije su različite reakcije pri prelivanju preko krune uzete u obzir i iskazane preko kote nivoa vode merodavne za sigurnost brane;
  • za brane čiji bi prolom izazvao gubitak ljudskih života ili ogromne materijalne štete usvaja se protok za koji je skoro nemoguće da bude prevaziđen;
  • za brane kojima se ne ugrožavaju ljudski životi merodavan protok je srazmeran priraštaju ekonomskog hazarda.

U tabeli 6.2 prikazani su protoci merodavnih za sigurnost brane, za svaku od klasa prema priraštaju hazarda. Ista tabela sadrži i verovatnoće prevazilaženja kompatibilnih brzina vetra i protoka na osnovu kojih se određuje visina zazora. Tabela 6.2

  Klasifikacija priraštaja hazarda
Veliki zapažen mali

Protok merodavan za sigurnost brane   VMP0,5 VMPVGP = 0,01Kompatibilni Protok VGP = 0,01VGP = 0,02VGP = 0,10Kompatibilna brzina vetra VGP = 0,02VGP = 0,10VGP = 0,20     6.5.3    Konačni izbor protoka merodavnog za hidrološku stabilnost brane Konačna odluka o veličini ovog protoka se donosi na osnovu rezultata prema osnovnoj kontrolnoj metodi, uzimajući u obzir uticaj nepouzdanosti korišćenih podataka i subjektivnosti pri proceni rizika u procesu upravljanja rizikom s jedne i kvantitativnu neodređenost granica između klasa s druge strane. Ako se rezultati iz dva pomenuta postupka međusobno razlikuju za više od 30%, mora se posebnom analizom utvrditi razlog neslaganju i uskladiti kriterijumi na osnovu kojih će biti doneta konačna odluka o veličini protoka merodavnog za sigurnost brane. 6.5.4.  Hidrološka sigurnost brane u posebnim uslovima S tačke gledišta hidrološke sigurnosti, brana se može naći u posebnim uslovima ako je normalno funkcionisanje preliva, dimenzionisanog da propusti merodavni protok, onemogućeno iz bilo kog razloga. Naime, prolom brane se može desiti zbog potpunog ili delimičnog otkaza funkcionisanja preliva (blokada preliva ili brzotoka, kvarovi na mehanizmima za pogon ustava, prekid u snabdevanju energijom i dr.) i pri protocima znatno manjim od merodavnog protoka. Zbog toga je neophodno da se, posle usvajanja konačnog merodavnog protoka, odrede uzroci koji bi mogli dovesti do proloma brane, konstruiše stablo događaja, oceni verovatnoća proloma brane i izračunaju društveni i ekonomski rizici koji moraju biti u oblasti prihvatljivih ili, bar, tolerisanih rizika. U protivnom, moraju se preduzeti odgovarajuće mere za kontrolu (smanjenje) rizika.

  1. PREDLOG KRITERIJUMA ZA ODREĐIVANJE  PROTOKA I NIVOA MERODAVNIH   ZA DIMENZIONISANJE PRELIVA NA BRANAMA U SRBIJI

7.1      Uvodna razmatranja Oblik i dimenzije preliva za bilo koji tip brane određuju se na osnovu protoka i nivoa vode u akumulaciji koji su merodavni za dimenzionisanje preliva. Opšte prihvaćeni nazivi za ova dva parametra su projektni protok i projektni nivo vode u akumulaciji. Projektni protok se ispušta iz akumulacije pri projektnom nivou vode u njoj. Sve komponente preliva treba da budu projektovane tako da mogu da obezbede evakuaciju protoka merodavnog za dimenzionisanje preliva bez oštećenja. Suprotno ovome, evakuacija protoka merodavnog za sigurnost brane može izazvati oštećenje ovih objekata koja su prihvatljiva ako su u obimu koji ne zahteva izuzetno velike i skupe popravke. Na osnovu projektnog protoka i projektnog nivoa vode određuju se, na primer, broj i dimenzije ustava za prelive sa ustavama ili dužina i oblik prelivnog praga za prelive bez ustava. U svetu se danas koriste različiti metode i kriterijumi za određivanje projektnog protoka koji je merodavan za određivanje oblika i dimenzija preliva. Ove metode se, uglavnom, mogu svesti u tri grupe. U zemljama u kojima se još uvek koriste kriterijumi prve generacije, određuje se samo jedan protok koji je merodavan i za sigurnost brane i za dimenzionisanje preliva. Ovaj protok se evakuiše iz akumulacije pri maksimalno dozvoljenom nivou vode koji je niži od krune brane za visinu maksimalnog zazora zbog talasa ili, kod nasutih brana, zbog sleganja usled zemljotresa. Uobičajena praksa je da projektni protoci za nasute brane imaju deset puta manju verovatnoću prevazilaženja od projektnih protoka za betonske brane. Prelivi iz ove grupe su često predimenzionisani, sa nepotrebno uvećanim troškovima izgradnje. U zemljama u kojima se koristi klasifikacija brana prema priraštaju hazarda i kriterijumi druge generacije, protok merodavan za dimenzionisanje preliva zavisi od klase brane i za svaku klasu definisan je ili %VMP ili vrednošću VGP koji su isti za sve tipove nasutih i betonskih brana unutar jedne klase. U praksi ovih zemalja, odnos između protoka merodavnog za dimenzionisanje preliva (Qp) i protoka merodavnog za sigurnost brane (Qs) kreće se u granicama od 1:1,5 do 1:2 ako se koristi %VMP, odnosno 1:10 ako se koriste vrednosti VGP. U zemljama u kojima se koriste metode i kriterijumi treće generacije odnos između Qp i Qs nije posebno definisan već se, uglavnom, koriste odnosi iz druge grupe zemalja. Generalno, odnos između protoka merodavnog za dimenzionisanje preliva (projektni protok) i protoka merodavnog za sigurnost brane uslovljen je sledećim: (1)        Brana treba da je hidrološki sigurna pri ispuštanju protoka Q5 merodavnog za sigurnost brane. (2)        Protok merodavan za dimenzionisanje preliva Qp ne sme da ugrozi hidrološku sigurnost brane ni u kom slučaju. (3)        Sve komponente preliva treba da budu projektovane da mogu da podnesu prolaz svih protoka većih od Qp (uključivo i protok Qs) uz popraviva oštećenja, koja ne ugrožavaju funkcionalnost brane i akumulacije. (4)        Vitalni objekti za akumulisanje i ispuštanje vode iz akumulacije treba da budu projektovani tako da mogu da podnesu prolaz svih protoka Q≤Qp, bez oštećenja. (5)        Porast nivoa vode u akumulaciji iznad nivoa merodavnog za dimenzionisanje preliva treba da je relativno redak a takođe i prelivanje preko krune betonskih brana. Cilj je, dakle, da se najpre odredi protok merodavan za sigurnost brane koji je važniji od protoka merodavnog za dimenzionisanje preliva s tačke gledišta sigurnosti brane. Zatim se određuje protok merodavan za dimenzionisanje preliva koji je veoma važan i uticajan faktor sa ekonomske tačke gledišta. Kriterijume za izbor protoka merodavnog za dimenzionisanje preliva moguće je formirati na više načina: (a)        definiše se VGP ili %VMP za svaku klasu brana prema klasifikaciji na osnovu priraštaja hazarda; (b)        za svaku klasu brana odredi se odnos (β) između protoka merodavnog za hidrološku sigurnost brane i protoka merodavnog za dimenzionisanje preliva: β=Q/Qp, (c)       izabere se konstantni odnos koji važi za sve klase i tipove brana. Praktičnost kriterijuma β=konst. je očigledna pa je cilj da se odredi vrednost β pri kojoj su zadovoljeni kriterijumi o protoku sa relativno malim VGP pri kome nema oštećenja objekata za akumulisanje i ispuštanje vode iz akumulacije kao i kriterijumi o retkom ulasku nivoa vode u visinu zazora, odnosno o retkom prelivanju vode preko krune betonskih brana. Smatra se da su oba navedena kriterijuma ispunjena za vrednost β=1,5÷2,0. Izbor navedenog intervala koeficijenta β se oslanjao na istraživanja koja su realizovana u Švajcarskoj i Francuskoj. Naime, u Švajcarskoj se kontrola hidrološke sigurnosti brane vrši za protoke koji su 1,5 puta veći od protoka merodavnih za dimenzionisanje preliva (Bedermann, R., 1997). U Francuskoj je analiziran odnos između protoka merodavnih za sigurnost brane i kapaciteta preliva na 55 izgrađenih brana i utvrđeno da ovaj odnos iznosi 1:1,5 do 1:2 za sve tipove brana, sem za brane kojima se kontroliše sliv manji od 100 km2 za koji je ovaj odnos znatno veći (Bister, D., 2000).   7.2     Predlog uputstva za određivanje nivoa vode merodavnog za dimenzionisanje preliva (projektni nivo vode) Za prelive sa ustavama za sve tipove brana, kota nivoa vode koja je merodavna za dimenzionisanje preliva jednaka je koti normalnog uspora, pa ne postoji zapremina akumulacije za transformaciju ulaznog talasa. Za brane sa prelivom bez ustava projektni nivo vode u akumulaciji je izdignut iznad krune praga (tj. iznad kote normalnog uspora) za visinu prelivnog mlaza (ΔHP). Teoretski, veličina ΔHP određuje se na osnovu optimizacije troškova izgradnje preliva i troškova nadvišenja brane. U praksi, optimizacija vrednosti ΔHP ne daje praktične rezultate zbog dominacije troškova nadvišenja brane nad troškovima izgradnje preliva jer ovi prvi mnogo brže rastu sa porastom vrednosti ΔHP nego što opadaju troškovi izgradnje preliva. Zbog toga je proračunata optimalna vrednost ΔHP relativno mala pa je uobičajeno da se ona usvaja u granicama od 2,0 m do 5,0 m. Visinom ΔHP je određena zapremina akumulacije u kojoj se transformiše ulazni talas.   7.3       Predlog uputstva za određivanje protoka merodavnog za dimenzionisanje preliva (projektni protok) Ulazni hidrogram sa vršnim protokom Qp transformiše se u izlazni hidrogram sa vršnim protokom Qpi  ukoliko se u akumulaciji može formirati posebna zapremina za tu svrhu. Zbog toga, izlazni projektni protok (Qpi) može biti jednak ili manji od ulaznog projektnog protoka (Qp). Za prelive sa ustavama ulazni protok je praktično jednak izlaznom jer, po definiciji, izostaje posebna zapremina za ublažavanje talasa. Za prelive bez ustava (slobodne prelive), ulazni protok Qp se smanjuje zbog transformacije talasa u akumulacionom prostoru koji definiše visina prelivnog mlaza (ΔHP). Oblici i dimenzije objekata za evakuaciju velike vode iz akumulacije određuju se na osnovu izlaznog protoka Qpi. Shodno iznetom u podnaslovu 7.1, za protok merodavan za dimenzionisanje preliva treba usvojiti vrednost 1,5 do 2,0 puta manju od protoka merodavnog za hidrološku sigurnost brane.   Literatura:

  1. ICOLD, 2003 – Dams and Floods, Bulletin 125
  2. FEMA, 2012 – Summary of Existing Guidelines for Hydrologic Safety of Dams
  3. Lombardi G., 1988 – Analyse fréquentielle des crues; Distributions bornées, ICOLD, XVI Congress
  4. Lamperière F, Vigny J.P. (2012) – New Methods and Criteria for Designing Spillways Could Reduce Risks and Costs Significantly; Hydropower & Dams
  5. Bidovec, S., 1971 – Metoda računa verovatnoća nije odgovarajuća metoda za određivanje velikih voda retkih učestalosti, Vodoprivreda  13-14
  6. Biedermann, R., 1977 – Safety Concept for Dams; Wasser, Energie, Luft 3-4, 1977
  7. Montana DNRC, 2010 – Dam Safety Program, Technical Note 2
  8. Ontario Ministry of National Resources (2011) – Classification and Inflow Design Flood Criteria, Technical Bulletin
  9. Rettemeier K.; Nilkens B.; Falkenhagen B.; Kongeter J., (2000) – New Developments in Dam Safety, ICOLD Congress, 2000
  10.  SPANCOLD, 2012 – Risk Analysis Applied to Management of Dam Safety
  11.  ICOLD, 2005 – Risk Assessment in Dam Safety Management, Bulletin 130
  12.  YUCOLD, 2002 – Uputstva za izbor merodavnih protoka za prelive na branama, Radna verzija
  13.  Erčić, Ž., 2002 – Merodavni protoci za prelive na branama, Vodoprivreda
  14. Erčić, Ž., 2002a – Hidrološka sigurnost brane i merodavni protoci, XIII Savetovanje Jugoslovenskog društva za hidraulička istraživanja
  15.  Erčić, Ž., Sandić, B., 2003 – Hidrološka sigurnost brane Roge, II Kongres JDVB
  16.  Savić, Lj., Savić, D., 2003 – Pregled metoda za ocenu sigurnosti brana, II Kongres JDVB
  17.  Tucović, I., 2003 – Upravljanje rizikom u analizi sigurnosti brana, II Kongres JDVB
  18.  Protić, S., Prohaska S., Macanović, J., Milanović G. – Rizici i moguće štete ili ulaganje u sigurnost evakuacije velikih voda na brani HE Bočac, II Kongres JDVB
  19. Radić, Z., Mihailović, V., 2010 – Marginalne raspodele dnevnih proticaja na reprezentativnim profilima u Srbiji; Vodoprivreda, 2010
  20.  Rowbottom, I.A., 1986 – Estimation of Rare Floods (Between the PMF and the 1 in 100 Floods; CE Transactions, Institute of Engineers Australia
  21. Biedermann, R. et al., 1988 – Safety of Swiss Dam against Flood, Design Criteria and Design Flood; XVI ICOLD Congress
  22. Bister D., Le Delion, P.; Analyse de risque et crue de danger; XX ICOLD Congress

Korišćene publikacije:

  1. Victoria DSE, 2012 – Guidance Note on Dam Safety Decision Principles
  2. New South Wales DSC, 2010 – Acceptable Flood Capacity for Dams
  3. Queensland Government, Australia, 2013 – Guidelines on Acceptable Flood Capacity for Water Dams
  4. S. Department of Homeland Security, 2011 – Estimation Loss of Life for Dam Failure Scenarios
  5. ICOLD, Bulletin of Safe Passage of Extreme Floods, 2012 – Bulletin 142
  6. Zielinski, P.A. – Risk in Dam Safety, Canadian Perspective; Canadian Dam Association (CAD)

 

Autor
zivodar

Živodar Erčić – Energoprojekt, Beograd E-mail: erra@eunet.rs