INŻYNIERIA RZECZNA Konspekt wykładu

Transkrypt

1 INŻYNIERIA RZECZNA Kospekt wykładu Wykład 4 Charakterystyka przepływu wody w korytach rzeczych Klasyfkacja ruchu wody. Ruch eustaloy zmey przepływ a długośc rzek w czase: ruch fal wezbraowych ruch wody a długm odcku rzek (zmeość wyka ze wzrostu powerzch zlew puktowe zaslae rzek główej z rzek ższego rzędu, dopływ wód grutowych a odcku rzek). fala wezbraowa obserwowaa w przekroju Czas t Zmay wykające z przyrostu zlew odcek rzek Dopływy rzek główej długość rzek. Ruch ustaloy erówomery = cost, zmea prędkość a długośc odcka: przepływ a krótkm odcku w krótkm przedzale czasu poza okresem wezbrań 3. Ruch ustaloy rówomery (jedostajy) = cost, zmay prędkość a długośc odcka są ewelke Ops matematyczy ruchu wody. Ruch eustaloy - opsuje układ rówań Sat-eata: g x g t I II III I q gf J 0 () F xi II t 0 () Parametry zmee a długośc koryta ( x) w czase ( t): prędkość atężee przepływu powerzcha przekroju poprzeczego F

2 Poszczególe człoy w rówau () ozaczają welkośc strat eerg wywołae przez: I zmeość a długośc rzek II zmeość w czase III opory ruchu I rozdzałem koryta a ramoa Straty te są blasowae przez spadek hydraulczy J Poszczególe człoy w rówau () ozaczają: I zmeość a długośc rzek II zmeość F w czase (wywołae zmeym apełeem koryta zależe od zma ) Układ rówań () () e ma rozwązań aaltyczych rozwązuje sę metodam umeryczym. Ruch ustaloy erówomery ( = cost): w rówau (): q J 0 g x g t gf Jeżel = cost to prędkość e zmea sę w czase stąd cz. II = 0 Jeżel brak jest podzału rzek a ramoa cz. I = 0 w rówau (): F 0 x t Jeżel = cost to powerzcha przekroju przepływu e zmea sę w czase stąd cz. I = 0 cz. II = 0 ostatecze mamy rówae () w postac: g x J 0 Rówae to rozwązywae jest metodam umeryczym 4. Ruch ustaloy rówomery ( = cost, zmay prędkość a długośc odcka są ewelke) Jeżel = cost to prędkość e zmea sę w czase stąd cz. II = 0 Jeżel brak jest podzału rzek a ramoa cz. I = 0 z rówaa () mamy: J 0 g x poeważ zmay prędkośc średej a długośc odcka są ewelke cz. I 0: 0 g x ostatecze mamy: J a stąd J - jest to wzór Chezy a średą prędkość przepływu. Zastępując we wzorze Chezy współczyk prędkośc C wyrażeam: Lub C R 8g C otrzymamy wzory pokrewe: - wzór Maga R 3 J

3 - wzór Darcy-Wesbacha 8gRJ gdze: współczyk szorstkośc, (m -/3 s), λ współczyk oporu, (-), R promeń hydraulczy, (m), J spadek hydraulczy, (-). Wartość współczyka oporu λ określa tzw. ogóle prawo przepływu Colebrook a Whte a:, 5 ks log Re 4, 84R gdze: Re lczba Reyoldsa, (-), k s zastępcza szorstkość bezwzględa, (m), R promeń hydraulczy, (m). Welkość k s, azywaa róweż wysokoścą szorstkośc, charakteryzuje chropowatość powerzch obwodu zwlżoego. Rówae Colebrook a Whte a dla ajczęścej w przypadku rzek występujących koryt hydraulcze szorstkch (Re ) upraszcza sę do postac - dla koryt o kształce zblżoym do trapezu: - dla koryt prostokątych gdze h głębokość wody w przekroju, 7R, 03log k s 0, h, 03log k s Pomędzy poszczególym współczykam, które charakteryzują opory przepływu zachodzą astępujące zależośc: - z porówaa stroam wzorów: C R C 8g mamy: R 8g R 8g Współczyk C, λ wyrażają welkość oporów przepływu. Opory ruchu kształtowae są przez astępujące czyk: tarce zewętrze wykające z szorstkośc materału korytowego, eregularość da brzegów koryta, zmeość wymarów kształtów przekrojów poprzeczych, występowae lokalych przeszkód, roślość korytowa, eregularość krzywzy układu pozomego. Całkowty opór koryta jest: sumą oporów cząstkowych wywołaych wyżej wymeoym czykam udzał poszczególych czyków w oporach całkowtych jest róży w zależośc od stau wody pory roku (p. sezoowe zmay szaty roślej) zmea sę a długośc rzek

4 Określae oporów przepływu Opory przepływu możemy określać: a całym rozpatrywaym odcku, w poszczególych przekrojach. Przy wyzaczau oporów przepływu możemy: rozpatrywać koryto całoścowo jede współczyk uwzględający wszystke czyk (bez określaa wpływu poszczególych czyków), określać opory cząstkowe a astępe całkowty opór będący sumą oporów cząstkowych. Przy wyzaczau oporów przepływu stosujemy astępujące metody: oparte a bezpośredch pomarach przepływu, przekrojów poprzeczych spadku hydraulczego, przy braku pomarów oraz dla waruków projektowaych: - dobór wartośc współczyków z różego rodzaju tabel katalogów a podstawe opsu stau koryta lub rodzaju powerzch zwlżoej, - ze wzorów empryczych. Metoda oparta a bezpośredch pomarach jest ajbardzej warygoda, gdyż: uwzględa wszystke czyk wpływające a całkowte opory przepływu, pozwala określć rzeczywstą zmeość oporów przepływu (w cągu roku, przy różych staach wody, a długośc rzek w różych przekrojach). W celu określea welkośc oporów przepływu metodą bezpośredą wykoujemy:. pomar hydrometryczy oraz określamy lokaly spadek hydraulczy a podstawe welacj zwercadła wody (w rzekach swobode płyących przyjmuje sę, że spadek hydraulczy jest rówy spadkow zw. wody). Na podstawe pomaru hydrometryczego określamy rozkładu prędkośc w poach w przekroju oraz określamy całkowte atężee przepływu ;. W przekroju pomarowym o zaym polu powerzch przepływu F oblczamy średą prędkość przepływu : F 3. Z przekształcoego wzoru a średą prędkość w przekroju poprzeczym oblczamy wartość współczyka wyrażającego welkość oporów przepływu. Np. ze wzoru Maga: R J F R J R J Przy braku pomarów oraz dla waruków projektowaych doberamy wartośc współczyków z odpowedch tabel lub korzystamy ze wzorów empryczych. Wzór Cowaa całkowta wartość współczyka szorstkośc (m -/3 s): = ( o ) m 5 gdze współczyk cząstkowe wyrażają: o szorstkość regularego prostego koryta (podstawowa wartość zależa od materału korytowego) eregularość brzegów da, zmay kształtu welkośc przekrojów poprzeczych, 3 lokale przeszkody w koryce, 4 stopeń zarośęca koryta, m 5 wpływ układu pozomego (krzywzy) trasy. Wartośc współczyków cząstkowych od o do m 5 doberamy z tablc a podstawe charakterystyk koryta.

5 Przy wyzaczau oporów przepływu w przekroju o zróżcowaej szorstkośc określamy średą wartość współczyka (tzw. wartość zastępczą albo średą ważoą). Schemat koryta o zróżcowaej szorstkośc obwodu zwlżoego F 4 R 4 (λ ) F R 4 (λ 4 ) F 3 R 3 U 4 U F R 3 (λ 3 ) (λ ) F U R F F U U śr U Ozaczea: U długośc obwodów cząstkowych o jedorodej chropowatośc, charakteryzowaej przez lub λ, (m), U całkowty obwód zwlżoy koryta, (m), R wartośc prome hydraulczych odoszących sę do poszczególych odcków obwodu zwlżoego, (m), R promeń hydraulczy dla całego przekroju, (m),, λ współczyk szorstkośc oporu dla obwodów cząstkowych. U 3 wartość zastępczą współczyka szorstkośc z (jest to wartość średa ważoa) moża oblczyć ze wzoru Hortoa: N U z U 3 zastępczą wartość λ z oblczamy według wzoru: 3 N U z U Opory ruchu a de koryt aluwalych. do płaske wsp. oporu da λ = λ (λ k s ) k s = d 50 4,5 d 50 lub k s = d 90 3 d 50 k s. do z formam deym formy dee powstają przy średcach materału korytowego 0, 0 mm wsp. oporu da λ = λ + λ (wartość λ zależy od k s ; λ od k s ) k s k s Welkośc k s : zmarszczk - k s = 5 cm fałdy k s = (0, 0,35) h h głębokość wody

6 Opory ruchu wywołae zarastaem koryta Wpływ roślośc a opory przepływu zależy od: rodzaju roślośc (woda, szuwarowa, a brzegach teree zalewowym), pory roku (w okrese zmowym zaka roślość woda, rośly lądowe tracą lśce), Podzał roślośc ze względu a wysokość w stosuku do głębokośc wody oraz sztywość łodyg (p, gałęz): roślość ska ( wysokość rośl zacze ższa od głębokośc wody) do ej zalczamy roślość wodą, oraz trawastą zelą o elastyczych łodygach; roślość średa (głębokość wody porówywala z wysokoścą rośl) do ej zalczamy krzewy, wysoke trzcy oraz młode drzewka, roślość wysoka drzewa krzewy wystające poad pozomem zwercadła wody. Zmeość oporów przepływu Opory przepływu zmeają sę w zależośc od atężea przepływu (stau wody) przykładowa zmeość wsp. szorstkośc w ewelkej rzece: Wsp. szorst. Natężee przepływu Wraz ze wzrostem atężea przepływu ( stau wody) opory przepływu maleją (maleje wsp. szorstkośc), a astępe opory wzrastają. Mmala wartość występuje w strefe przepływów średch (SS, NT, Z). Duży wpływ a welkość zmeość roczą oporów przepływu ma zarastae koryt rzeczych przykłady: Przepustowość koryt rzeczych Charakterystyka przepustowośc koryta rzeczego jest potrzeba do: progozowaa przebegu zjawsk morfologczych, aalzy możlwośc waruków gospodarczego wykorzystaa rzek, aalzy ryzyka powodz, właścwego utrzymaa rzek, stosowaa odpowedch zabezpeczeń, projektowaa budowl hydrotechczych. Przepustowość koryta charakteryzuje krzywa atężea przepływu (krzywa przepustowośc koryta), czyl zależość pomędzy: - staem wody H (w przekroju wodowskazowym), - rzędą zw. wody lub głębokoścą wody h (apełeem koryta), a atężeem przepływu. Krzywą przepustowośc koryta wyzacza sę: a podstawe pomarów przepływu, wykoywaych główe w przekrojach wodowskazowych przy różych staach wody w różych porach roku; w dowolych przekrojach (poza przekrojam wodowskazowym) ajczęścej dla celów projektowych krzywą wyzacza sę a podstawe oblczeń hydraulczych (zwykle ze względu a czas koszty e mamy możlwośc prowadzea długotrwałych obserwacj hydrologczych w teresujących as przekrojach).

7 Przepustowość koryta dwudzelego Określa sę oddzele przepustowość koryta główego tereów zalewowych (doly zalewowej lub mędzywala: koryto wód welkch = koryto główe + terey zalewowe = k + z + z tere zalewowy koryto główe płaszczyza rozdzału WW h T h T z = z F z SW z = z F z k = k F k Koryto główe porośęte rośloścą wysoką płaszczyza rozdzału h T WW SW Koryto dwudzele porośęte rośloścą wysoką Prędkośc średe określamy oddzele dla częśc wolej od roślośc zarośętej rośloścą wysoką. Dla przekroju (częśc przekroju) porośętego rośloścą wysoką wsp. oporu jest rówy: o r o - wsp. oporu powerzch (grut, roślość ska) - wsp. oporu roślośc wysokej (krzewy, drzewa) r ax az 4 d h C p WR a x, a z odległośc mędzy drzewam (krzewam) d p średca pa (krzewu) h głębokość wody C WR wsp. opływu p przez strug (C WR,7)