Jazy lewarowe na rzece Gwdzie

Transkrypt

1 Dr hab. inŝ. Adam Bolt, prof. PG Katedra Geotechniki Mgr inŝ. Witold Sterpejkowicz-Wersocki Katedra Budownictwa Wodnego i Gospodarki Wodnej Jazy lewarowe na rzece Gwdzie Do utrzymywania i regulacji poziomu piętrzenia wody w zbiornikach wykorzystywane są jazy wyposaŝone w zamknięcia m.in. płaskie, segmentowe, walcowe oraz klapy (sektorowe, bębnowe, powłokowe). Sterowanie zamknięciami wymaga urządzeń podnoszących oraz odpowiedniej obsługi. Jednak do piętrzenia i przepuszczania wód zastosowanie mogą znaleźć równieŝ jazy lewarowe. W porównaniu do klasycznych rozwiązań mają one tę zaletę, Ŝe nie wymagają obsługi oraz zamknięć, przez co moŝliwe jest znaczne zmniejszenie nakładów inwestycyjnych. Jazy lewarowe, zwane niekiedy syfonami lub potocznie pijawkami, naleŝą do ciekawych i rzadko stosowanych rozwiązań przelewów w obiektach budownictwa hydrotechnicznego. Przelewy lewarowe są to automatycznie działające urządzenia zrzucające wodę ze stanowiska górnego do stanowiska dolnego. Zaletą jest samoczynność pracy tych urządzeń zapewniona poprzez odpowiednie ukształtowanie przewodu lewara. Ponadto samoczynność ta nie jest uzaleŝniona od Ŝadnych urządzeń sterowniczych. Podniesienie się poziomu wody w górnym stanowisku, np. ponad maksymalny poziom piętrzenia, powoduje tzw. zalanie, a następnie zassanie lewara, w wyniku czego woda, która w początkowej fazie wypełniała tylko część przekroju, wypełnia go całkowicie. Stan taki jest stanem normalnej pracy lewara. CHARAKTERYSTYKA STOPNI PIĘTRZĄCYCH NA RZECE GWDZIE Na początku XX wieku zabudowano rzekę Gwdę. Wybudowano wówczas 5 stopni piętrzących: Dobrzyca (1907), Podgaje (1929), Jastrowie (1930), Ptusza (1932), Koszyce (1936) (Tabl.1). Przelewy lewarowe zastosowano na stopniach w Podgajach, Jastrowiu oraz Ptuszy, leŝących w górnej części kaskady Gwdy. Umiejscowienie stopni pokazano na Rys. 1, a na Rys. 3 profil podłuŝny zabudowanego odcinka rzeki.

2 Tabl.1 Podstawowe parametry stopni piętrzących na rzece Gwdzie [4], [5] Stopień piętrzący Rok uruch. Moc elekr. [kw] Spad [m] Q jaz Q lewar Q turbin SNQ SQ SWQ V zbior x10 6 [m 3 ] PODGAJE , ,30 10,30 24,80 3, JASTROWIE , ,2 29 4,50 10,70 25,40 6, PTUSZA , ,70 11,10 26,90 4, TARNÓWKA DOBRZYCA , ,0 21,7 52,2 2,18 92 KOSZYCE ,5 224,1-40,2 11,8 25,2 60,6 0,74 46 A zbior [ha] Oznaczenia: Q jaz max zdolność przepustowa jazu (przęsła + ew. upust denny) Q lewar max zdolność przepustowa lewarów Q turbin przełyk turbin SNQ, SQ, SWQ przepływy charakterystyczne: średni niski, średni, średni wysoki V zbior, A zbior objętość całkowita, powierzchnia zbiorników Rys. 1 - Plan sytuacyjny stopni piętrzących na rzece Gwdzie: Podgaje, Jastrowie, Ptusza, Tarnówka, Dobrzyca, Koszyce (Piła)

3 Rys. 2 - Jaz w Podgajach (w środku dwa przęsła zastawkowe, po bokach lewary) 1. P O D G A J E 2. J A S T R O W I E 3. P T U S Z A 4. T A R N Ó W K A 5. D O B R Z Y C A 6. K O S Z Y C E Rys. 3 - Profil podłuŝny rzeki Gwdy kaskada stopni piętrzących [4], [5] Oprócz przelewów lewarowych do przepuszczania wód przez stopień wykorzystywane są przelewy zamykane drewnianymi zamknięciami płaskimi oraz upusty denne. Wszystkie stopnie wodne na Gwdzie, w szczególności te wyposaŝone w przelewy lewarowe, mają znaczną nadwyŝkę moŝliwości przepustowych nad przepływami występującymi w rzece. Dla przykładu przepływy charakterystyczne w przekroju stopnia Podgaje wynoszą: SWQ = 24,8 m 3 /s, przepływy maksymalne o prawdopodobieństwie wystąpienia 2% -

4 Q max 2% = 39,9 m 3 /s, 0,5% - Q max 0,5% = 47,7 m 3 /s, natomiast przepływ ekstremalny obserwowany wyniósł Q ekstr. obs. = 50,0 m 3 /s. Porównując dane zamieszczone w Tabl.1 i powyŝsze wartości przepływów widać, jak bardzo urządzenia przelewowe zostały przewymiarowane. KONSTRUKCJA I FUNKCJONOWANIE PRZELEWÓW LEWAROWYCH Przelewy lewarowe wchodzą w skład urządzeń upustowych 3 spośród 6 stopni wodnych na rzece Gwdzie. NaleŜą do nich stopnie piętrzące w Podgajach, Jastrowiu oraz Ptuszy. W Jastrowiu oraz Ptuszy lewary stanowią integralną część jazu przyległego do budynku elektrowni, natomiast w Podgajach jazu wbudowanego w korpus zapory ziemnej. Fotografie jazów lewarowych na Gwdzie zamieszczono na rys. 2, 4 i 5, natomiast charakterystyczne dane w Tablicy 2. Tabl.2 Charakterystyczne dane przelewów lewarowych. Lp Stopień piętrzący Il. sekcji lewarowych Il. przewodów lewarowych Szerokość przewodu [m] Wydatek jednego przewodu lew. Sumaryczny wyd. lewarów 1. PODGAJE 2 4 3,50 27, JASTROWIE 1 2 3,10 26,6 53,2 3. PTUSZA 2 4 3,10 28,5 114

5 Rys. 4 - Jaz lewarowy w Ptuszy Wobec podobnej budowy wymienionych jazów, opis konstrukcji przedstawiono dla jazu w Ptuszy. Jest to jaz konstrukcji betonowej, składający się z dwóch identycznych sekcji lewarowych przedzielonych sekcją przelewową o dwóch światłach. KaŜda z sekcji przelewowych zamykana jest drewnianą zasuwą płaską o wymiarach 4,0 3,0 m. PoniŜej zamknięć wykonano dwa upusty denne o wymiarach 4,4 1,0 m. Natomiast kaŝda sekcja lewarowa składa się z dwóch przewodów o szerokości 3,10 m kaŝdy, przedzielonych filarem szerokości 60 cm. Poziom przelewu usytuowany jest na rzędnej maksymalnego poziomu piętrzenia wody w zbiorniku (Max PP = 88,30 m npm). Po jego przekroczeniu lewar samoczynnie zaczyna pracować odprowadzając wodę do stanowiska dolnego. U wylotu lewara znajduje się studzienka amortyzacyjna wraz z basenem odcinającym dopływ powietrza od wody dolnej. Basen ten jest tak skonstruowany, Ŝe tworzy swego rodzaju odskocznię hydrauliczną, dzięki której przepływająca przez lewar woda zostaje odrzucona od budowli na umocnioną płytę wypadową jazu z szykanami. Istnieje kilka sposobów zassania lewara. Tutaj zrealizowano to za pomocą występu odbojowego na ścianie przelewowej (szczegół A rys. nr 6). Powoduje on odrzucenie strugi przepływającej wody na przeciwległą ścianę, dzięki czemu następuje szybsze odprowadzenie powietrza z przewodu lewarowego. Efektem tego jest przyspieszenie zassania i w rezultacie przejście lewara do normalnego stanu pracy, tj. do takiego stanu przy którym osiąga on pełną zdolność przepustową.

6 Rys. 5 - Otwory napowietrzające w jazie w Podgajach W kaŝdej sekcji lewarowej od strony zbiornika umieszczonych jest 6 otworów napowietrzających (Rys. 5 i 6), których zadaniem jest przerwanie pracy lewara po obniŝeniu się poziomu wody w zbiorniku do rzędnej odpowiadającej normalnemu poziomowi piętrzenia. Na uwagę zasługuje to, w jaki sposób w owym czasie strefowano układanie betonu. W wielu ówcześnie budowanych obiektach hydrotechnicznych stosowano tę metodę betonowania. Tego rodzaju strefowanie zapewniało uzyskanie dobrej szczelności przy ograniczeniu moŝliwości powstawania spękań konstrukcji w wyniku skurczu. W części mającej bezpośredni kontakt z wodą (strefa I) zastosowano mieszankę betonową o stosunku cementu do kruszywa 1:4, w warstwie pośredniej (strefa II) proporcja ta wynosi 1:8, a w rdzeniu (strefa III) 1:15. Przekrój przez lewar wraz z zaznaczeniem strefowania betonu, przedstawiono na Rys. 6.

7 otwór napowietrzający 89, ,20 właz kontrolny Występ odbojowy Szczegół A T100x100x11 WG MaxPP 88, strefa I strefa II 1:4 ściana przelewowa A hełm lewara kotew 60x10 83,80 1: basen odcinający 84,60 82,80 strefa III 1:15 WD 80,30 Rys.6 - Przekrój przelewu lewarowego [2] PODSUMOWANIE Przelewy lewarowe na Gwdzie w swojej przeszło siedemdziesięcioletniej historii prawdopodobnie nie miały okazji często przepuszczać wód. Co prawda nie ma danych, co do ich eksploatacji w okresie przedwojennym i w pierwszych latach po wojnie, sądzić jednak moŝna, Ŝe pracowały one sporadycznie. Świadczyć o tym mogą np. fragmenty deskowań zachowane na wewnętrznej powierzchni hełmu przelewu lewarowego w Ptuszy [3]. RównieŜ z rozmów przeprowadzonych z obecnym eksploratorem Zakładem Elektrowni Wodnych Jastrowie wynika, Ŝe ostatnie samoczynne uruchomienie lewara miało miejsce w latach siedemdziesiątych na jednym ze stopni w wyniku błędu obsługi. MoŜna zatem postawić pytanie: Co było przyczyną wybudowania jazów lewarowych na Gwdzie? Dziś, prawdopodobnie, jednoznacznej odpowiedzi na to pytanie uzyskać się nie da.

8 Być moŝe powodem takiej decyzji były zalety przelewów lewarowych, wśród których naleŝy wymienić: - duŝą zdolność przepustową, - samoczynność działania tego typu jazów, którą zapewnia konstrukcja, gwarantująca szybkie włączenie lewara i dojście do pracy pełnym przekrojem oraz samoczynne wyłączenie po obniŝeniu piętrzenia do odpowiedniej rzędnej, - brak konieczności stosowania skomplikowanych i wymagających stałego nadzoru zamknięć, wpływa to oczywiście znacząco na obniŝenie kosztów budowy całego obiektu, tak, iŝ mimo skomplikowanej konstrukcji przewodu, jest on tańszy od przelewów o swobodnym zwierciadle wody, - zwiększony wydatek jednostkowy, wynikający z wykorzystania pełnego spadu. Niestety przelewy lewarowe obarczone są równieŝ wadami, wśród których wymienić moŝna: - złoŝoność konstrukcji, która gwarantowałaby prawidłowe działanie, - konieczność konstrukcji jazu o duŝej masie własnej, zabezpieczającej przed drganiami, - niebezpieczeństwo zwiększonej korozji betonu (szczególnie w górnych partiach hełmu) w wyniku oddziaływania podciśnienia (kawitacji), - obmarzanie w okresie zimowym przewodów napowietrzających, - ograniczone moŝliwości regulacji przepływu, - moŝliwość zaczopowania wlotu przez krę, konary drzew lub gałęzie. Reasumując powyŝsze naleŝy podkreślić, Ŝe jazy lewarowe na stopniach piętrzących Gwdy są rzadko spotykanymi rozwiązaniami przelewów i ciekawym przykładem myśli hydrotechnicznej zastosowanej juŝ na początku XX wieku. Warto równieŝ zaznaczyć, iŝ pomimo sporadycznego ich wykorzystania, w znaczący sposób przyczyniają się do poprawy bezpieczeństwa obiektów piętrzących (w szczególności zapór ziemnych) podczas wezbrań, trudności z podniesieniem zasuw i innych sytuacji awaryjnych. Szczególną rolę mogą one odgrywać na zaporach ziemnych i wałach przeciwpowodziowych. Gdyby były zainstalowane tego rodzaju przelewy na wale kanału Raduni, być moŝe nie nastąpiłaby tragiczna katastrofa, która wydarzyła się w Gdańsku w lipcu 2001 roku.

9 BIBLIOGRAFIA 1. L.Franzius, E.Sonne i inni Handbuch der Ingenieurwissenschaften in fünf Teilen. Dritter Teil Der Wasserbau, Leipzig Dokumentacja z okresu budowy stopni piętrzących Podgaje, Jastrowie i Ptusza. 3. W.Szudek, K.Milewski, W.Sterpejkowicz-Wersocki Dokumentacja remontu konstrukcji betonowych jazu stopnia wodnego Ptusza, Gdańsk Operat wodnoprawny. Elektrownie wodne. Prowod, Piła 5. Materiały informacyjne Energetyka Poznańska Zakład Elektrowni Wodnych Sp. z o.o. w Jastrowiu