Koryto naturalne przepływ ze swobodną powierzchnią

Transkrypt

1 Tematyka ćwiczeń: Przepływ w korytach otwartych niezabudowanych (przepływ ustalony) Przepływ w korytach otwartych zabudowanych (przepływ niejednostajny) Elementy hydrologii rzek? Przepływ wody w gruncie (filtracja, siatka hydrodynamiczna przepływu) Stateczność nasypów z uwzględnieniem filtracji (wahania zwierciadła wody) Projekt wału przeciwpowodziowego

2 Koryto naturalne przepływ ze swobodną powierzchnią

3 Koryto naturalne przepływ ze swobodną powierzchnią

4 kanał otwarty przepływ ze swobodną powierzchnią

5 kanał otwarty przepływ ze swobodną powierzchnią Najkorzystniejszym hydraulicznie przekrojem jest przekrój półkolisty, ponieważ dla danej powierzchni przekroju poprzecznego A oraz spadku I otrzymujemy maksymalne natężenie przepływu wody w kanale Q (dla zadanego pola obwód zwilżony jest najmniejszy, a promień hydrauliczny największy).

6 Kanał otwarty, trapezowy Obliczenie kanału sprowadza się do znalezienia minimalnego przekroju, wystarczającego do zapewnienia żądanego przepływu przy spełnieniu przyjętych warunków odnośnie szorstkości ścian kanału i nachylenia skarp. Przekrój hydraulicznie najkorzystniejszy o kształcie trapezowym ze względu na stromość skarp (nachylenie do poziomu pod kątem 60 st.) nie może być stosowany w korytach gruntowych, a więc ma ograniczone zastosowanie w budowie kanałów!

7 Kanał otwarty, trapezowy

8 kanał pryzmatyczny o stałym przekroju przepływ ustalony, jednostajny

9 kanał pryzmatyczny o stałym przekroju przepływ ustalony, jednostajny Średnia prędkość przepływu wody w korycie v = c RI v = Q A c - współczynnik prędkości wprowadzony przez Chezy'ego dla scharakteryzowania oporów przepływu w korycie; Q natężenie przepływu; A przekrój przepływu.

10 Przepływ ustalony, jednostajny Manning i Strickler podali empiryczne zależności do obliczania średniej prędkości przepływu v = c k = st k R st /3 1/ 6 R I 1/ v = /3 1/ k st - współczynnik szorstkości powierzchni dna i ścian koryta wprowadzony przez Stricklera dla scharakteryzowania oporów przepływu w korycie, n - współczynnik szorstkości powierzchni dna i ścian koryta wprowadzony przez Manninga dla scharakteryzowania oporów przepływu w korycie. 1 n c = R I 1 R 1/ 6 n

11 Przepływ ustalony, jednostajny

12 Natężenie przepływu wody w korycie naturalnym Q = v da i Koryto wielodzielne traktuje się jako koryto złożone z kilku odrębnych części, dla których wyznaczamy niezależnie prędkość i przepływ. Uwaga: przy obliczaniu obwodu zwilżonego uwzględniamy jedynie rzeczywistą długość zetknięcia się z korytem (nie uwzględniamy umownych linii podziału).

13 Przepływ ustalony, jednostajny - zadania

14 Przepływ ustalony, jednostajny - zadania

15 kanał o zmiennym przekroju lub zabudowany przepływ niejednostajny

16 kanał o zmiennym przekroju lub zabudowany przepływ niejednostajny (nierównomierny), ustalony (Q=const.

17 ENERGIA W PRZEKROJU PRZEPŁYWOWYM PRZEPŁYWY SPOKOJNE I RWĄCE Q = const. (przepływ ustalony) E p =h αυ g αυ g E c = E p + E k αυ E k = g h 0 A 0 E ( 0, ) E ( 0, ) h h A E

18 ENERGIA W PRZEKROJU PRZEPŁYWOWYM PRZEPŁYWY SPOKOJNE I RWĄCE Energia całkowita przyjmuje wartość minimalną (ekstremum) dla de c dh αq αq B = 1 = gb h g A = 0 Z rozwiązania wynika, że istnieje taka wysokość h kr dla której przy stałym strumieniu objętości energia przyjmuje wartość minimalną lub dla stałej energii strumień objętości osiąga wartość maksymalną

19 Przepływ ustalony, ruch krytyczny

20 Przepływ ustalony, ruch krytyczny

21 Przepływ ustalony

22 Przepływ ustalony: ruch krytyczny, nadkrytyczny, podkrytyczny Ruch podkrytyczny Ruch krytyczny Ruch nadkrytyczny h < h kr < h v > v kr > v i > i kr > i Ruch krytyczny stanowi granicę pomiędzy dwoma obszarami ruchu: obszarem ruchu nadkrytycznego (spokojnego) i podkrytycznego (rwącego). przejście ruchu z nadkrytycznego w podkrytyczny odbywa się łagodnie, prędkość wzrasta równomiernie, zwierciadło stopniowo zmienia swoje położenie przejście ruchu z podkrytycznego w nadkrytyczny: głębokość wzrasta gwałtownie, a na powierzchni tworzy się poziomy walec, zwany odskokiem hydraulicznym (Bidone a)

23 w którym: β - współczynnik korygujący, przyjmowany zwykle w granicach: 1 1,1 (podobny do współczynnika Saint-Venanta) B - szerokość koryta Zależność między głębokościami sprzężonymi h 1 i h jest podana w postaci przekształconego równania, z którego można wyznaczyć drugą głębokość sprzężoną na podstawie parametrów ruchu przed odskokiem. Równanie to (ważne dla koryta prostokątnego) ma postać: 1 1 h g B Q h h g B Q h + = + β β + = h g v h h β v 1 prędkość w ruchu podkrytycznym. Odskok hydrauliczny Odskok hydrauliczny głębokości sprzężone głębokości sprzężone 1 1 v q h =

24 Wymiarowanie niecki wypadowej H 0 Wymiarowanie niecki wypadowej polega na takim doborze jego długości L oraz zagłębienia d, aby powstały odskok hydrauliczny w całości mieścił się w obrębie wypadu i był zatopiony. Warunek zatopienia odskoku: t + d η = 1 h

25 Długość odskoku hydraulicznego Obliczenie długości odskoku możemy przeprowadzić korzystając z istniejących wielu wzorów doświadczalnych, wśród których najczęściej używane są: wzór Wóycickiego: L = wzór Pawłowskiego: L = h ( h ) 8 0,05 h1 h 1 ( 1,9h ),5 h 1 w których: h 1,h głębokości sprzężone w m, L długość odskoku w m.

26

27 przekrój 1 - prędkość wypływu, Wypływ spod zasuwy przekrój prędkość osiąga wartość maksymalną, przekrój 3 - próg (odskok) hydrauliczny gwałtowne zwiększenie głębokości strugi przy jednoczesnym zmniejszeniu prędkości przepływu przekrój 4 - prędkość maleje, ruch spokojny.

28 Rodzaje odskoków hydraulicznych: F r = v g h F r = 1 1,8 Odskok zafalowany F r = 1,8,5 Odskok słaby F r =,5 4,5 Odskok oscylujący F r > 4,5 Odskok trwały

29 Wypływ spod zasuwy odskok hydrauliczny Przypadek 1 Przypadek 3 odskok zafalowany, ruch rwący odskok słaby, ruch rwący Przypadek Przypadek 4 odskok zafalowany, ruch rwący odskok oscylujący, ruch rwący

30 SPIĘTRZENIE I ZASIĘG COFKI Zjawisko spiętrzenia, tj. podniesienia zwierciadła wody w pewnym miejscu cieku wodnego, powstaje wtedy, gdy w korycie cieku jest jakaś przeszkoda ograniczająca spokój cieku i utrudniająca przepływ wody. PoniewaŜ w cieku ciągłym objętość przepływu nie moŝe ulec zmianie, zmniejszeniu powierzchni przekroju w miejscu przeszkody towarzyszy duŝe zwiększenie prędkości w przekroju o powierzchni zmniejszonej. Do zwiększenia prędkości potrzebna jest odpowiednia koncentracja spadu, tj. spiętrzenie wody przed przeszkodą, którego wpływ rozciąga się na odcinek cieku ciągnący się w górę od przegrody, zwany odcinkiem lub obszarem cofkowym. Obszar koryta rzecznego objęty spiętrzeniem nazywamy cofką,, natomiast profil zwierciadła wody w obrębie cofki nazywamy krzywą spiętrzenia. W praktyce znajomość przebiegu krzywej spiętrzenia jest bardzo waŝna, gdyŝ wiąŝe się z zabezpieczeniami terenów cofki przed wpływem spiętrzenia (wysokość wałów, przesiąki, projektowanie pompowni na terenach poza wałami). Zasięg cofki,, czyli długość odcinka, na którym powstaje spiętrzenie, zaleŝy od wysokości spiętrzenia i spadku rzeki.

31 SPIĘTRZENIE I ZASIĘG COFKI

32 SPIĘTRZENIE I ZASIĘG COFKI

33 Dla koryt o przekroju prostokątnym - wzór Ruhlmana, dla koryt parabolicznych wzór Tolkmitta: il h1 h = f f H H H gdzie: i - spadek dna koryta, H - normalne napełnienie koryta (przy ruchu jednostajnym) L - odległość od początku cofki (np. od budowli piętrzącej) do badanego przekroju, h 1 - spiętrzenie na początku cofki, h - spiętrzenie w badanym przekroju, f - funkcje odczytywane z tablic Zasięg cofki, czyli długość odcinka, na którym powstaje spiętrzenie, zależy od wysokości spiętrzenia i spadku rzeki: L k h i L - zasięg cofki spiętrzenia h - wysokość spiętrzenia i - spadek nie spiętrzonego zwierciadła wody k - współczynnik zależny od prędkości wody i kształtu koryta =

34 W celu obliczenia zasięgu cofki na wodach płynących przyjmujemy zwykle k=, natomiast dla wód stojących albo płynących z prędkością nie większą od kilku cm/sek k=1. W celu dokładniejszego obliczenia rzędnych zwierciadła wody w zasięgu cofki służą wzory przystosowane do rodzaju koryt; inne dla koryt regularnych, a inne dla koryt nieregularnych. H h1 L = f i H Na podstawie tego wzoru można obliczyć zasięg cofki, tj. odległość od przekroju piętrzącego do przekroju, w którym spiętrzenie można pominąć. Zwykle przyjmuje się, że jest to przekrój, w którym spiętrzenie wynosi 1- cm. Funkcje f odczytywane są z tablic.