GEODEZJA INŻYNIERYJNA WYKŁAD 3 PRACE GEODEZYJNE W HYDROTECHNICE I OBLICZANIE OBJĘTOŚCI. Str. 1

Transkrypt

1 GEODEZJA INŻYNIERYJNA WYKŁAD 3 PRACE GEODEZYJNE W HYDROTECHNICE I OBLICZANIE OBJĘTOŚCI Str. 1

2 Treść wykładu Podstawowe definicje Pomiary obiektów hydrotechnicznych Regulacja rzeki Elementy ryzyka Modelowanie stref zalewowych Obliczanie objętości Str. 2

3 Podstawy formalno - prawne PRAWO WODNE Ustawa z dnia Tekst jednolity Dz.U. Nr 28/2012 poz. 145 PRAWO GEODEZYJNE I KARTOGRAFICZNE - Ustawa z dnia Tekst jednolity Dz.U. Nr 240/2005 poz PRAWO BUDOWLANE Ustawa z dnia Tekst jednolity Dz.U. Nr 243/2010 poz Str. 3

4 Podstawowe definicje PRAWO WODNE Art Urządzenia wodne - rozumie się przez to urządzenia służące kształtowaniu zasobów wodnych oraz korzystaniu z nich, a w szczególności: a) budowle: piętrzące, upustowe, przeciwpowodziowe i regulacyjne, a także kanały i rowy, b) obiekty zbiorników i stopni wodnych, c) stawy, d) obiekty służące do ujmowania wód powierzchniowych oraz podziemnych, e) obiekty energetyki wodnej, f) wyloty urządzeń kanalizacyjnych służące do wprowadzania ścieków do wód, g) stałe urządzenia służące do połowu ryb lub do pozyskiwania innych organizmów wodnych, h) mury oporowe, bulwary, nabrzeża, pomosty, przystanie, kąpieliska, i) stałe urządzenia służące do dokonywania przewozów międzybrzegowych, Str. 4

5 Podstawowe definicje PRAWO WODNE Art Utrzymywanie urządzeń wodnych polega na ich eksploatacji, konserwacji oraz remontach w celu zachowania ich funkcji. Art Właściciel budowli piętrzącej jest obowiązany zapewnić prowadzenie badań i pomiarów umożliwiających ocenę stanu technicznego oraz stanu bezpieczeństwa budowli, a w szczególności: 1) stanów wód podziemnych, ich filtracji przez budowlę, przez podłoże oraz w otoczeniu budowli; 2) wytrzymałości budowli oraz podłoża; 3) stanu urządzeń upustowych; 4) zmian na górnym i na dolnym stanowisku budowli. Art Melioracje wodne polegają na regulacji stosunków wodnych w celu polepszenia zdolności produkcyjnej gleby, ułatwienia jej uprawy oraz na ochronie użytków rolnych przed powodziami. Art Urządzenia melioracji wodnych dzielą się na podstawowe i szczegółowe, w zależności od ich funkcji i parametrów. Str. 4

6 Podstawowe definicje PRAWO WODNE Art Do urządzeń melioracji wodnych podstawowych zalicza się: 1) budowle piętrzące, budowle upustowe oraz obiekty służące do ujmowania wód, 2) stopnie wodne, zbiorniki wodne, 3) kanały, wraz z budowlami związanymi z nimi funkcjonalnie, 4) rurociągi o średnicy co najmniej 0,6 m, 5) budowle regulacyjne oraz przeciwpowodziowe, 6) stacje pomp, z wyjątkiem stacji wykorzystywanych do nawodnień ciśnieniowych - jeżeli służą celom, o których mowa w art. 70 ust. 1. Art Do urządzeń melioracji wodnych szczegółowych zalicza się: 1) rowy, wraz z budowlami związanymi z nimi funkcjonalnie, drenowania oraz deszczownie z pompami przenośnymi, 2) rurociągi o średnicy poniżej 0,6 m, 3) stacje pomp do nawodnień ciśnieniowych, 4) ziemne stawy rybne oraz groble na obszarach nawadnianych, 5) systemy nawodnień grawitacyjnych - jeżeli służą celom, o których mowa w art. 70 ust. 1. Str. 4

7 ZAPORA WODNA Budowla piętrząca wodę o: wysokości 15 m wysokości m i długości korony 300 m odpływie Q 2000 m3/s oraz pojemności V 1 mln m3 Największe zapory : Rejon Rzeka Państwo Nurek Wachsz Tadżykistan 300 ziemna 1980 Jinping (1. kaskada) Yalong Chiny 300 betonowa nieukończona Xiaowan Mekong Chiny 292 betonowa nieukończona Grande Dixence Dixence Szwajcaria 285 betonowa 1962 Xiluodu Jinsha Jiang Chiny 273 betonowa nieukończona Inguri Inguri Gruzja 272 betonowa 1984 Vajont Vajont Włochy 262 betonowa 1961 Chicoasén Grijalva Meksyk 261 ziemna 1980 Tehri Bhagirathi Indie 261 ziemna 1990 Álvaro Obregón Yaqui Meksyk 260 betonowa 1946 Solina San Polska 82 betonowa 1968 Wysokość zapory [m] Typ zapory Rok uruchomienia Str. 5

8 ZAPORA WODNA Grande Dixence (Szwajcaria) 285 m Mauvoisin (Szwajcaria) 253 m Str. 6

9 ZAPORA WODNA Zapora Hoovera (USA) rzeka Kolorado 224m Str. 7

10 ZAPORA WODNA Zapora Trzech Przełomów - Chiny Dane techniczne: Długość zapory: 2,3 km Wysokość zapory: 185 m Średnia szerokość: 1,2 km Piętrząca wodę do: 175m Długość zbiornika: 630 km Głębokość zbiornika: do 130 m Powierzchnia zbiornika: 60 tyś. ha Łączna ilość wody: 39,3 mld m3 Moc elektrowni wodnej:18,2 TW Str. 8

11 ZAPORA WODNA Zapora Trzech Przełomów - Chiny Dane techniczne: Długość zapory: 2,3 km Wysokość zapory: 185 m Średnia szerokość: 1,2 km Piętrząca wodę do: 175m Długość zbiornika: 630 km Głębokość zbiornika: do 130 m Powierzchnia zbiornika: 60 tyś. ha Łączna ilość wody: 39,3 mld m3 Moc elektrowni wodnej:18,2 TW Str. 8

12 ZAPORA WODNA SOLINA Budowa w latach Długości m, Wysokość - 82 m, Spiętrzenie wody do 60 m Pojemność jeziora mln m3, Powierchnia ok ha Zalew objął San na długości prawie 27 km i Solinkę na dług. przeszło 14 km. Całkowita długość linii brzegowej przekracza 150 km. Stworzenie jeziora wymagało zalania terenów kilku wsi. Pod wodą znalazły się: Solina, Teleśnica Sanna, Horodek, Sokole, Chrewt i duża część Wołkowyji. Str. 9

13 ZAPORA WODNA Zbiornik wodny Dobczyce Zapora ziemna: Długość 617 m Wysokość 30,6 m Blok betonowo-spustowy długości 48 m Str. 10

14 ZAPORA WODNA Budowa zapory na przykładzie Dobczyc blok przelewowo spustowy Str. 11

15 ZAPORA WODNA Budowa zapory na przykładzie Dobczyc zapora ziemna Str. 12

16 ZAPORA WODNA Budowa zapory na przykładzie Dobczyc hydroelektrownia Str. 13

17 JAZ JAZ - budowla hydrotechniczna spiętrzająca wodę ponad poziom średni, zazwyczaj żelbetowa, wznoszona w poprzek koryta rzeki, w celu zapewnienia jej żeglowności w okresach niskiego stanu wody, stworzenia dogodnego ujęcia wody do celów komunalnych, przemysłowych, energetycznych itp. W zależności od rodzaju konstrukcji rozróżnia się jazy stałe - bez jakichkolwiek zamknięć (ruchomych odcinków piętrzących) oraz jazy ruchome - z zamknięciami w postaci, zasuw itp. Str. 14

18 JAZ Schematy zamknięć jazów: a) belkowe, b) zastawkowe i zasuwowe, c) i d) kozłowe, e) segmentowe, f) walcowe, g) i h) sektorowe, i) dachowe, j) i k) klapowe, l) zastrzałowe, m) pływające Str. 14

19 Sztuczne zbiorniki wodne Zbiornik retencyjny (sztuczne jezioro zaporowe) - sztuczny zbiornik wodny, który powstał w wyniku zatamowania wód rzecznych przez zaporę wodną. Zbiorniki te pełnią wiele funkcji. Podstawowe funkcje zbiorników retencyjnych to: gromadzenie wód na potrzeby ludności i przemysłu, wykorzystanie energii wodnej (hydroenergetyka), ochrona przed powodziami lub utrzymanie żeglowności rzeki poprzez zmniejszenie nieregularności przepływów wody, wykorzystanie w celach irygacyjnych, rozwój turystyki, rekreacji i sportu. Str. 15

20 Sztuczne zbiorniki wodne Podział Zbiorniki retencyjne ich zadaniem jest magazynowanie wody w okresach jej nadmiaru w celu wykorzystania w innym okresie. Zbiorniki retencyjne charakteryzują się dużymi różnicami poziomów wody. Wahania stanów zależą od wielkości dopływu wody ze zlewni oraz od potrzeb gospodarczych użytkowników. Zbiorniki wyrównawcze funkcjonują jako zbiorniki pomocnicze przy dużych zbiornikach retencyjnych. Głównym zadaniem zbiorników wyrównawczych jest magazynowanie tzw. przepływów szczytowych ze zbiorników retencyjnych celem ich wyrównania. Str. 16

21 Sztuczne zbiorniki wodne Podział Zbiorniki przepływowe powstają w wyniku przegrodzenia rzek jazami, których zadaniem jest utrzymanie w zasadzie stałego poziomu piętrzenia, nie maja zdolności retencyjnych. Zbiorniki suche zbiorniki przeciwpowodziowe. Budowle piętrzące, tworzące zbiorniki suche mają urządzenia upustowe bez zamknięć. Rzeka swobodnie przepływa przez czaszę zbiornika i urządzenia upustowe. Większe dopływy są magazynowane w zbiorniku. Po przejściu fali powodziowej następuje stopniowe opróżnienie zbiornika. Pomiędzy przejściami fal powodziowych czasze zbiorników najczęściej są wykorzystywane jako pastwiska. Str. 16

22 Większe sztuczne zbiorniki w Polsce Zbiornik Świnna Poręba Rzeka Skawa w budowie Str. 17

23 Większe sztuczne zbiorniki w Polsce Solina Str. 18

24 Większe sztuczne zbiorniki w Polsce Włocławek Str. 18

25 Większe sztuczne zbiorniki w Polsce Czorsztyn Str. 18

26 Większe sztuczne zbiorniki w Polsce Goczałkowice Str. 18

27 Większe sztuczne zbiorniki w Polsce w budowie Świnna Poręba Pojemność zbiornika 86 mln m3 Powierzchnia zalewu 950 ha Str. 18

28 Większe sztuczne zbiorniki na Świecie Brokopondo (Surinam) Nasser (Egipt) Wolta (Ghana) Str. 19

29 ZBIORNIK OSADOWY ŻELAZNY MOST Budowa 1974 Użytkownik KGHM Polska Miedź SA Powierzchnia całkowita 1394 ha Objętość całkowita 340 mln m³ Długość zapór składowiska 14,3 km Wysokość zapór 20~45 m Objętość wody zgromadzonej w akwenie 8 mln m³ Powierzchnia akwenu 624 ha Głębokość maksymalna 2,5 m 2km W trakcie budowy zalano trzy miejscowości: Barszów, Kalinówka, Pielgrzymów. Str. 20

30 POMIARY ZAPÓR WODNYCH Zgodnie z Prawem Wodnym (Art. 64.): ust. 3. Właściciel budowli piętrzącej jest obowiązany zapewnić prowadzenie badań i pomiarów umożliwiających ocenę stanu oraz bezpieczeństwa budowli, a w szczególności: 1) stanów wód podziemnych, ich filtracji przez budowlę, przez podłoże oraz w otoczeniu budowli, 2) wytrzymałości budowli oraz podłoża, 3) stanu urządzeń upustowych, 4) zmian na górnym i na dolnym stanowisku budowli. ust. 4. W ramach realizacji obowiązku, o którym mowa w ust. 3, budowle piętrzące stanowiące własność Skarbu Państwa, zaliczone na podstawie przepisów ustawy - Prawo budowlane do I lub II klasy, poddaje się okresowym badaniom wykonywanym przez ośrodek technicznej kontroli zapór Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej. Str. 21

31 POMIARY ZAPÓR WODNYCH Cel: ocena reakcji obiektu na przewidziane i nieuniknione czynniki wewnętrzne i zewnętrzne (np. reakcja muru oporowego zapory na zmianę parcia wody) ustalenie stopnia naruszenia równowagi, a także ocena zabiegów zabezpieczających, wskutek awarii obiektu weryfikacja założeń projektowych, tj. ocena reakcji gruntów na wpływ czynników wytworzonych w warunkach doświadczalnych (np. wyznaczanie wielkości ugięć lub osiadań pod wpływem próbnych obciążeń) Str. 22

32 POMIARY ZAPÓR WODNYCH Przemieszczenia i deformacje zapór: osiadania wypiętrzenia przemieszczenia poziome wychylenia pochylenia drgania ugięcia odkształcenia własne Str. 23

33 POMIARY ZAPÓR WODNYCH Metody pomiarów 1. Metody geodezyjne (bezwzględne) pomiar punktów kontrolowanych w odniesieniu do stałej lokalnej osnowy 2. Metody fizyczne (względne) pomiar wewnętrzny punktów kontrolnych obiektu (wzajemne położenie) Str. 24

34 POMIARY ZAPÓR WODNYCH Metody geodezyjne pomiary w płaszczyźnie poziomej: - Poligonizacja precyzyjna - Metody aliniometryczne - Metoda trygonometryczna - Fotogrametria Metody geodezyjne pomiary w płaszczyźnie pionowej: -Niwelacja geometryczna - Niwelacja trygonometryczna - Niwelacja hydrostatyczna -Metoda prostej odniesienia -Skanery naziemne -Fotogrametria -INSAR Metody fizyczne: -Wahadła -Suwmiarki -Średnicówki -Klinometry -Szczelinomierze -Tensometry Str. 25

35 POMIARY ZAPÓR WODNYCH Str. 26

38 POMIARY JAZÓW Str. 27

39 POMIARY ŚLUZ ŻEGLUGOWYCH Str. 28

40 POMIARY POMPOWNI I UJĘĆ WODY Str. 29

41 POMIARY FIZYCZNE WAHADŁ A Proste Rewersyjne Różnicowe Str. 30

42 POMIARY FIZYCZNE Przyrząd do pomiaru nachyleń Str. 31

43 POMIARY FIZYCZNE Tensometry przyrządy do pomiaru odkształceń Str. 32

44 POMIARY FIZYCZNE Szczelinomierze przyrządy do pomiaru nieciągłości liniowych Str. 33

45 PRACE GEDEZYJNE PRY REGULACJI RZEK CEL: - Przystosowanie rzeki do żeglugi i spławu - Melioracje i wykorzystanie nowych terenów do upraw - Zapewnienie poboru wody dla celów przemysłowych i komunalnych - Zabezpieczenie brzegów i ustalenie koryta - Zabezpieczenie powodziowe Str. 34

46 PRACE GEDEZYJNE PRY REGULACJI RZEK Kształtowanie trasy Rzeka jest krzywoliniowa odcinki proste występują rzadko Najbardziej zbliżone do naturalnych kształtów są krzywe o zmiennej krzywiźnie Istnieje ścisły związek między krzywizną i głębokością (najgłębiej poniżej największej krzywizny) Zalecane do stosowania krzywe to: - parabola - lemniskata - biklotoida - spirale Archimedesa, paraboliczna, logarytmiczna - hypocykloida Str. 35

47 PRACE GEDEZYJNE PRY REGULACJI RZEK SYSTEMY REGULACJI 1. System zamknięty (tamy podłużne) 2. System otwarty (tamy poprzeczne ostrogi) 3. System mieszany (tamy podłużne i poprzeczne) Str. 36

48 PRACE GEDEZYJNE PRY REGULACJI RZEK BUDOWLE REGULACYJNE Krzywoliniowe: 1. Tama podłużna 2. Opaska brzegowa 3. Zabezpieczenie brzegu 4. Kierownica Prostoliniowe: 1. Ostroga 2. Poprzeczka 3. Przetamowanie Str. 37

49 PRACE GEDEZYJNE PRY REGULACJI RZEK BUDOWLE REGULACYJNE Tamy podłużne budowle regulacyjne wykonywane wzdłuż trasy wodnej. Mają powstrzymać erozję wgłębną spowodowaną siłą odśrodkową w zakolach oraz ukierunkować główny nurt rzeki. Tamy podłużne buduje się w dół rzeki Str. 37

50 PRACE GEDEZYJNE PRY REGULACJI RZEK BUDOWLE REGULACYJNE Opaska brzegowa - Wodna budowla, stanowiąca obudowę brzegu, chroniącą go przed podmywaniem. Często wykonywana z betonu, kamieni, piasku, wzmocniona faszyną. Ostroga regulacyjna, główka, rodzaj mechanicznej regulacji cieku, w formie kamiennego lub faszynowego wału, poprzecznego do biegu potoku. Służy do ochrony brzegu przed podmywaniem poprzez odepchnięcie nurtu w kierunku osi doliny. Str. 37

51 PRACE GEDEZYJNE PRY REGULACJI RZEK OSNOWA POMIAROWA Istniejąca osnowa sytuacyjno-wysokościowa Specjalna osnowa dla celów regulacyjnych Ciągi Linie pomiarowe (będące jednocześnie stycznymi lub cięciwami) METODY TYCZENIA Podobnie jak przy kształtowaniu tras kołowych z uwzględnieniem specyfiki terenu Str. 48

52 PRACE GEDEZYJNE PRY REGULACJI RZEK Opracowanie projektu 1. Przyjęcie osnowy realizacyjnej (układ współrzędnych) 2. Obliczenie współrzędnych tyczonych punktów projektu 3. Obliczenie elementów liniowych i kątowych do tyczenia Dopuszczalne odchyłki (przykładowo): -dla poprzeczek i przetamowań: ±5m -dla ostróg: ±3m -dla opasek i tam podłużnych poza miastem: ±0.30m -od przewidywanej rzędnej korony: ±5cm Str. 39

53 Katastrofa!!!! Rok 1975 Henan Chiny Tajfun i ulewy spowodowały zniszczenie 62 (!!!) kolejnych tam Str. 40

54 Katastrofa!!!! Rok 1963 Zapora Vajont - Alpy Włoskie Lekka, łukowa zapora 264,6 m wysokości, 27,0 m szerokości (grubości) dół 3,4 m na szczycie. 168,715 mln m³ pojemność zbiornika W chwili ukończenia budowy była najwyższą zaporą wodną na świecie: należał do niej absolutny rekord piętrzenia wody, wynoszący 261,60 m. Str. 41

55 ELEMENTY RYZYKA CZYNNIKI RYZYKA E czynniki środowiskowe, F czynniki konstrukcyjno techniczne, R czynniki społeczno-gospodarcze WSKAŹNIK RYZYKA Str. 42

56 ELEMENTY RYZYKA Str. 43

57 ELEMENTY RYZYKA Str. 43

58 ELEMENTY RYZYKA WYSTĄPIENIE POWODZI, KATATROFY Dwa przypadki wystąpienia ryzyka powodzi: 1. naturalne wystąpienia danej wysokości wody (np. woda tysiącletnia) 2. wskutek uszkodzeń budowli hydrotechnicznych Etapy generowania stref zagrożenia powodziowego: 1. Opierając się na historycznych danych hydrometeorologicznych wykonanie obliczenia, dotyczącego poziomu wody w danych punktach na rzece. 2. Przecięcie rzędnych zwierciadła wody z powierzchnią DTM (z uwzględnieniem błędności modelu). 3. Uzyskanie linii określającej granicę strefy zalewowej Str. 44

59 Wyznaczenie strefy zalewowej ELEMENTY RYZYKA 2 1 Str. 45

60 Wyznaczenie strefy zalewowej analiza ryzyka finansowego ELEMENTY RYZYKA Str. 46

61 Wyznaczenie strefy zalewowej Kraków ELEMENTY RYZYKA Str. 47

62 ELEMENTY RYZYKA Budowanie w strefie zalewowej Str. 48

63 Wyznaczenie strefy zalewowej ELEMENTY RYZYKA Str. 49

64 GEODEZJA INŻYNIERYJNA (obliczanie objętości) Zagadnienie obliczania objętości: Optymalizacja (minimalizacja ) prac ziemnych Objętość materiałów na składowiskach (piasek, żwir, węgiel, odpady) Objętość zbiorników wodnych Metody obliczania objętości: Zastąpienie obiektu prostymi bryłami Zastosowanie siatki kwadratów Zastosowanie siatki trójkątów Przekroje poprzeczne Przekroje poziome (warstwice) Str. 50

65 GEODEZJA INŻYNIERYJNA (obliczanie objętości) Metoda prostych brył geometrycznych Zastąpienie obiektu: Stożkiem Stożkiem ściętym Ostrosłupem Ostrosłupem ściętym Graniastosłupem Str. 51

66 GEODEZJA INŻYNIERYJNA (obliczanie objętości) Metoda siatki kwadratów Średnia objętość graniastosłupa: Str. 52

67 GEODEZJA INŻYNIERYJNA (obliczanie objętości) Metoda siatki trójkątów Średnia objętość graniastosłupa: Str. 53

68 GEODEZJA INŻYNIERYJNA (obliczanie objętości) Metoda przekrojów poprzecznych Str. 54

69 GEODEZJA INŻYNIERYJNA (obliczanie objętości) Metoda przekrojów poziomych Ostrosłup ścięty: Str. 55

70 GEODEZJA INŻYNIERYJNA (obliczanie objętości) Przykład: pomiar i obliczenie objętości hałdy Objętość Powierzchnia Liczba pikiet Średnia Hałda nr 2 WinKalk 394,7 396,6 GEONET C-GEO 397,7 389,8 293m 23 2 Str. 56

71 Literatura Praca Zbiorowa: Geodezja Inżynieryjna. Tom II. Wydawnictwo PPWK. Warszawa 1994 B. Hejmanowska: Wpływ jakości danych na ryzyko procesów decyzyjnych wspieranych analizami GIS. Wydawnictwa AGH. Kraków 2005 H. Bryś S. Przewłocki : Geodezyjne metody pomiarów przemieszczeń budowli. Wydawnictwo PWN. Warszawa 1998 Praca zbiorowa: Mały Rocznik Statystyczny Polski 2009.Wydawnictwo GUS. Warszawa 2009 Str. 57

72 Zapraszam na następny wykład Str. 58