Temat: Równowaga dynamiczna koryt rzecznych

Transkrypt

1 INŻYNIERIA RZECZNA Konspekt wykłau Temat: Równowaga ynamiczna koryt rzecznych Koryto rzeczne jest w równowaze ynamicznej (jest stabilne ynamicznie) jeżeli w ługim okresie czasu (kilkunastu, kilkuziesięciu lat) jego postawowe parametry nie ulegają istotnej zmianie, tj: - szerokość, - śrenia głębokość, - wyrównany spaek zwierciała woy, - uziarnienie materiału ennego. Stabilność ynamiczna rzeki nie wyklucza okresowego występowania zarówno procesów erozyjnych jak i akumulacji rumowiska wleczonego. Zwykle wleczenie występuje okresowo, stą okresowo mogą zmieniać się pewne cechy morfologiczne koryta: - ukła poziomy rzeki (przemieszczanie się linii brzegów), - ukła pionowy rzeki (zmiany rzęnej na na skutek erozji i akumulacji rumowiska), - przekroje poprzeczne (zmiany kształtu i wymiarów), - uziarnienie materiału ennego. Do oceny równowagi ynamicznej koryta rzecznego stosowane są następujące metoy: Wskaźniki stabilności, Analiza zmian morfologicznych związek przyczynowo- skutkowy Lane a, Bilans transportu rumowiska, Metoa prękości (lub naprężeń) charakterystycznych la ruchu rumowiska wleczonego. Wskaźniki stabilności rzek Wskaźniki stabilności pozwalają w najprostszy sposób ocenić poatność ocinków rzeki na przeobrażenia koryta w wyniku: - erozji brzegowej i wgłębnej na, - akumulacji rumowiska. Jenostkowa moc strumienia: g Qb J ps B gzie: p s jenostkowa moc strumienia, (W m -2 ), ρ gęstość właściwa woy, (kg m -3 ), g przyspieszenie ziemskie, (m s -2 ), Q b natężenie przepływu brzegowego (m 3 s -2 ), J spaek na koryta, (-), B szerokość na koryta, (m). Ze wzglęu na wartość p s ogólnie możemy pozielić rzeki następująco: - rzeki o małej mocy strumienia gy p s 35 W m -2 uża stabilność koryta - rzeki o użej mocy strumienia gy p s > 35 W m -2 mała stabilność koryta Szczegółowa klasyfikacja (na postawie późniejszych baań) Jenostkowa Charakter cieku moc strumienia 10 Ciek piaszczysty o małej mocy strumienia Ciek żwiroenny, niskoenergetyczny, stabilny, z tenencją o formowania koryta o małym zróżnicowaniu morfologii oraz sielisk organizmów wonych Ciek żwiroenny o użej energii strumienia, zachowujący równowagę w przypaku ograniczonej ostawy rumowiska i aekwatnym uziarnieniu bystrzy i plos Ciek żwiroenny lub kamienisty o barzo użej energii strumienia i korycie stabilnym tylko w przypaku niezaburzonej ostawy rumowiska z brzegów lub opływów 300 Ciek kamienisty, przy zewnętrznych ograniczeniach koryta i oliny niestabilny i wykazujący tenencję o transformacji w koryto skalne Wskaźnik Łochtina: Wskaźnik Makkaveeva: Ł J M B J 1000

2 w których: śrenica osaów tworzących no koryta, (mm), J spaek na koryta, (%), B szerokość koryta, (m). Klasyfikacja koryt rzecznych Wskaźnik stabilności Stopień stabilności koryta η Ł η M Koryto niestabilne < 2 < 6 Koryto o małej stabilności Koryto ość stabilne Koryto stabilne Koryto absolutnie stabilne > 50 > 100 Związek przyczynowo- skutkowy Lane a Związek przyczynowo- skutkowy Lane a, opisuje stan równowagi ynamicznej koryta: Q b J ~ Q r 50 gzie: Q b przepływ brzegowy [m 3 s -1 ], J wyrównany spaek zwierciała woy [-], Q r natężenie ruchu rumowiska wleczonego [m 3 s -1 ], 50 przeciętna śrenica materiału ennego [m]. Związek Lane a nie jest równaniem (brak zgoności jenostek po obu stronach), opisuje zjawisko równowagi ynamicznej jeynie w sposób jakościowy. Dlatego nie można jej użyć o wyznaczenia wielkości parametrów przy których koryto zachowa równowagę ynamiczną. Natomiast można ją wykorzystać o prognozy skutków zmiany któregokolwiek z parametrów na przeobrażenia morfologiczne koryta rzecznego. Przykła: Wpływ regulacji technicznej na stabilność koryta - zmiana ukłau poziomego spowouje skrócenie ocinka (ługość ocinka L proj < L rz rzeki naturalnej), co z kolei wywoła wzrost spaku zw. woy (J proj > J rz ). W efekcie wzrośnie wartość iloczynu Q b J. Dla ozyskania równowagi musi wzrosnąć Q r 50. Jeżeli śrenica materiału korytowego nie ulegnie zmianie, to wzrost natężenia ruchu rumowiska nastąpi w wyniku erozji koryta - przekrój poprzeczny powiększa się (erozja brzegowa), może zwiększyć się głębokość koryta (erozja wgłębna na). Zmoyfikowany związek Lane a (w 2016 roku): Zamiast 50 w [m] wprowazono bezwymiarowy parametr ziarna: Uzyskano zgoność jenostek, co umożliwia zapis związku Lane a w postaci równania: Q b J = Q r 50 Wykorzystanie zmoyfikowanego związku Lane a o określenia zmian ilościowych poszczególnych parametrów wymaga przeprowazenia alszych baań i analiz. Bilans transportu rumowiska Jest to najlepszy sposób oceny stabilności zwłaszcza w przypaku sprawzania skutków projektowanej zmiany koryta (regulacji lub renaturyzacji) albo zabuowy rzeki (buowli wonych). Warunkiem stabilności jest niezmienność natężenia transportu rumowiska na rozpatrywanym ocinku rzeki: Qr 0 x co oznacza, że ilość rumowiska opływającego o przekroju początkowego Qr P (w m 3 /s) jest równa ilości rumowiska opływającego przez przekrój końcowy Qr K. Przekrój K - Q rk x Przekrój P - Q rp

3 Jeżeli Q rp Q rk mamy wa przypaki: gy Q rp > Q rk na ocinku występuje akumulacja rumowiska gy Q rp < Q rk na ocinku występuje erozja koryta Należy pamiętać, że całkowite natężenie transportu rumowiska Q r [m 3 s -1 lub kg s -1 ] jest sumą Q r = Q ru + Q rw Q ru natężenie transportu rumowiska unoszonego Q rw natężenie transportu rumowiska wleczonego W ocenie stabilności rzek wyróżnia się: Równowagę statyczną Równowagę ynamiczną Równowaga statyczna występuje wtey gy: występuje ruch rumowiska unoszonego - nie występuje akumulacja (seymentacja) rumowiska unoszonego, nie występuje ruch rumowiska wleczonego, stą cechy morfologiczne koryta nie ulegają zmianie Warunkiem stabilności statycznej jest: Qr Qru 0 x x Równowaga ynamiczna występuje wtey gy: występuje ruch rumowiska unoszonego występuje ruch rumowiska wleczonego (najczęściej okresowo) występują zarówno procesy erozji jak i akumulacji rumowiska wleczonego stą występują okresowe zmiany cech morfologicznych: o ukłau poziomego rzeki, o ukłau pionowego rzeki, o przekrojów poprzecznych, ale postawowe parametry koryta: o szerokość, o śrenia głębokość, o spaek połużny, w ługim okresie czasu (kilku-, kilkunastu lat) nie ulegają zmianie. Warunkiem stabilności ynamicznej jest: Qr Qru Qrw x x 0 Q r zmienia się zależnie o natężenia przepływu Q Qr Qr = f(q) Q Natężenie transportu rumowiska wleczonego i unoszonego określa się na postawie: pomiarów terenowych lub wzorów empirycznych Następnie oblicza się wielkość transportu rumowiska w ciągu roku w obu przekrojach Gr P i Gr K (m 3 rok -1 ). W ten sposób uwzglęnia się zmienność natężeń przepływu w ciągu roku i zmienność ruchu rumowiska. Porównanie wielkości Gr P oraz Gr K pozwala ocenić stabilność ocinka rzeki. Jest to metoa najlepsza, uwzglęniająca bezpośrenio wszystkie czynniki wpływające na stabilność rzeki tj.: reżim hyrologiczny rzeki hyrauliczne warunki przepływu zmienność ruchu rumowiska Metoa jest najlepsza, ale w praktyce ość trune jest określenie zależności Qr = f(q) la przekrojów obliczeniowych ponieważ: ruch rumowiska, zwłaszcza wleczonego, charakteryzuje się użą zmiennością nawet w warunkach przepływu ustalonego wynika to z przemieszczania się form ennych o zmiennych kształtach i wymiarach; materiał enny charakteryzuje się zróżnicowanym uziarnieniem po wzglęem wielkości ziaren i uziałem poszczególnych frakcji; konieczności wykonania pomiarów wleczenia i zmącenia w pełnym zakresie zmienności przepływów o minimalnych o maksymalnych; w przypaku korzystania ze wzorów empirycznych opasowanie opowieniej formuły o anych warunków hyraulicznych i uziarnienia rumowiska.

4 Metoy pośrenie (uproszczone) Z wzglęu na truności w sporzązaniu bilansu ruchu rumowiska, w ocenie stabilności stosuje się również metoy pośrenie (uproszczone) polegające na porównaniu: V prękości przepływu lub τ naprężeń stycznych z opowienimi wartościami charakteryzującymi warunki stabilności. Ocena stabilności weług kryterium prękości polega na porównaniu prękości przepływu z prękościami charakteryzującymi warunki początku ruch rumowiska oraz intensywność tego ruchu. 1. Ruch rumowiska unoszonego charakteryzuje: V n prękość niezamulająca jest to minimalna śrenia prękość przepływu, przy której cząstki rumowiska unoszonego są zawieszone w toni wonej i nie opaają na no koryta. 2. Ruch rumowiska wleczonego charakteryzują: V gr prękość graniczna (nazywana również zrywającą lub krytyczną) przy której pojeyncze ziarna materiału ennego zaczynają się toczyć (przesuwać) po nie jest to prękość początkowa wleczenia; V prękość opuszczalna (nierozmywająca) przy której występuje umiarkowany ruch rumowiska wleczonego; V m prękość rozmywająca (masowego ruchu rumowiska wleczonego) prękość intensywnego wleczenia, powouje erozję koryta. Wielkość prękości V n, V gr, V i V m zależą o: wielkości cząstek rumowiska charakteryzowanych przez śrenicę m (miaroajną) lub śrenią 50 głębokości woy h temperatury woy T (lepkości woy) Prękości V n, V gr, V i V m określa się z: bezpośrenich pomiarów wykresów tabel ze wzorów empirycznych Równowaga statyczna występuje wtey gy: występuje ruch rumowiska unoszonego - nie występuje akumulacja (seymentacja) rumowiska unoszonego nie występuje ruch rumowiska wleczonego Qr Qru 0 x x Stą warunek stabilności statycznej weług kryterium prękości charakterystycznych ruchu rumowiska jest następujący: V n < V < V gr gzie: V jest rzeczywistą prękością przepływu woy w korycie Równowaga ynamiczna występuje wtey gy: występuje ruch rumowiska unoszonego występuje ruch rumowiska wleczonego Qr Qru Qrw x x 0 Stą warunek stabilności ynamicznej weług kryterium prękości charakterystycznych ruchu rumowiska jest następujący: V gr < V V Warunek ten oznacza, że: występuje ruch rumowiska unoszonego (brak seymentacji) występuje umiarkowany ruch rumowiska wleczonego (nie powstaje erozja koryta)

5 Ocena stabilności weług kryterium naprężeń stycznych polega na porównaniu naprężenia stycznego na nie z wartościami naprężeń stycznych zapewniających stabilność koryta. Naprężenie styczne τ jest to jenostkowa siła oziaływania strumienia na no koryta (tzw. siła poruszająca), równa sile tarcia na jenostkowej powierzchni na (Pa = N m -2 ). W ruchu jenostajnym śrenie naprężenie styczne jest równe: w przekroju - τ = ρ w g R J w pionie - τ = ρ w g h J gzie: ρ w gęstość woy (kg m -3 ) g przyspieszenie ziemskie (m s -2 ) R promień hyrauliczny (h głębokość woy) (m) J spaek hyrauliczny (spaek zw. woy) (-) 1. Warunek stabilności statycznej na: τ < τ gr τ gr naprężenie graniczne (krytyczne) naprężenie po przekroczeniu którego rozpoczyna się ruch ziaren materiału ennego (rumowisko wleczone) τ gr = f(, T, ρ w, ρ r ) ρ r gęstość materiału ennego 2. Warunek stabilności ynamicznej na: Τ gr < τ < τ τ naprężenie opuszczalne naprężenie przy którym ruch rumowiska wleczonego jest umiarkowany nie powstaje erozja koryta τ = f( materiału ennego, ilości rum. unoszonego) Wartość τ gr i τ określa się weług: bezpośrenich pomiarów wykresów (lub tabel): τ gr na postawie wykresu Shiels a (lub innych autorów baań) τ weług Lane a wzorów empirycznych Zamiast porównywania naprężeń stycznych często porównuje się spaki zwierciała woy: Jeżeli przyjmiemy τ = τ gr to ze wzoru τ = ρ w g R J (τ = ρ w g h J) mamy wzór na spaek krytyczny: gr gr J gr lub J gr wgr w Jeżeli przyjmiemy τ = τ mamy wzór na spaek opuszczalny: gr J lub w 1. Warunek stabilności statycznej na: J < J gr 2. Warunek stabilności ynamicznej na: J gr < J < J J w gh gh