Opracowanie koncepcji budowy suchego zbiornika

Transkrypt

1 Opracowanie koncepcji budowy suchego zbiornika Temat + opis ćwiczenia i materiały pomocnicze są dostępne na stronie: Popek

2 7. Określić współrzędne hydrogramu fali wezbraniowej przy przepływie kulminacyjnym Q maxp=1% oraz określić jej objętość. W metodzie SCS współrzędne hydrogramu fali określono według metod statystycznych na podstawie analizy pojedynczych fal obserwowanych w czasie wezbrań opadowych

3 x y 0,0 0,0 0,1 0,015 0,2 0,075 0,3 0,16 0,4 0,28 0,5 0,43 0,6 0,60 0,7 0,77 0,8 0,89 0,9 0,97 1,0 1,0 1,1 0,98 1,2 0,92 1,3 0,84 1,4 0,75 1,5 0,66 1,6 0,56 1,8 0,42 2,0 0,32 2,2 0,24 2,4 0,18 2,6 0,13 2,8 0,098 3,0 0,075 3,5 0,036 4,0 0,018 4,5 0,009 5,0 0,004 Współrzędne hydrogramu pojedynczej fali wezbrania opadowego Współrzędna x czas t i [h] Współrzędna y natężenie przepływu Q i [m 3 /s]

4 Określić czas wznoszenia fali t w, który w przybliżeniu jest równy czasowi koncentracji T c : 0,467 1,155 ( L + l) n ( L + l) T c = 2,187 J t + 0,01947 ( W ) 0, 385 gdzie: T c czas koncentracji [min] (czas między wystąpieniem opadu a pojawieniem się kulminacji wezbrania w przekroju obliczeniowym) L +l długość drogi spływu [m] n t współczynnik szorstkości terenu według Tabeli 7. J średni spadek cieku [-] W różnica wysokości terenu na wododziale i w przekroju obliczeniowym [m] (6) Tabela 7. Wartości współczynnika szorstkości terenu n t do wzoru (6) Rodzaj powierzchni Gładka powierzchnia nieprzepuszczalna 0,02 Gleba ubita, gładka nieporośnięta 0,10 Rzadka trawa, uprawy rzędowe zbóż lub powierzchnia nieporośnięta, umiarkowanie szorstka Pastwiska lub średnio gęsty porost traw 0,40 Obszary leśne w okresie opadania liści 0,60 Lasy iglaste, lasy w okresie opadania liści z głęboką ściółką roślinną, gęsty porost traw n t 0,20 0,80

5 Obliczenia współrzędnych hydrogramu fali Dane wyjściowe: czas wznoszenia fali t w = 9,0 h, Q max p=1 % = 10,8 m 3 /s x y t i = t w x Q i = Q max p% y 0,0 0,0 0,0 0,1 0,015 0,9 Część wznosząca fali 0,2 0,075 1,8 0,3 0,16 2,7 0,4 0,28 3,6 0,5 0,43 4,5 0,6 0,60 5,4 0,7 0,77 6,3 0,8 0,89 7,2 0,9 0,97 8,1 1,0 1,00 9,0 x, y bezwymiarowe współrzędne hydrogramu fali t i czas od początku fali [h] t i = t w * x t w czas wznoszenia się fali [h], Q i przepływ w czasie t i od początku wezbrania [m 3 /s], Q i = Q maxp% * y Q max p% przepływ kulminacyjny o prawdopodobieństwie p % [m 3 /s]

6 Obliczenia współrzędnych hydrogramu fali Dane wyjściowe: czas wznoszenia fali t w = 9,0 h, Q max p=1 % = 10,8 m 3 /s x y t i = t w x Q i = Q max p% y 0,0 0,0 0,0 0,000 0,1 0,015 0,9 0,162 Część wznosząca fali 0,2 0,075 1,8 0,810 0,3 0,16 2,7 1,728 0,4 0,28 3,6 3,024 0,5 0,43 4,5 4,644 0,6 0,60 5,4 6,480 0,7 0,77 6,3 8,316 0,8 0,89 7,2 9,612 0,9 0,97 8,1 10,476 1,0 1,00 9,0 10,800 x, y bezwymiarowe współrzędne hydrogramu fali t i czas od początku fali [h] t i = t w * x t w czas wznoszenia się fali [h], Q i przepływ w czasie t i od początku wezbrania [m 3 /s], Q i = Q maxp% * y Q max p% przepływ kulminacyjny o prawdopodobieństwie p % [m 3 /s]

7 Obliczenia współrzędnych hydrogramu fali Dane wyjściowe: czas wznoszenia fali t w = 9,0 h, Q max p-1% = 10,8 m 3 /s Część opadająca fali x y t i = t s x Q i = Q max p% y 1,0 1,0 9,0 10,800 1,1 0,98 9,9 10,584 1,2 0,92 10,8 9,936 1,3 0,84 11,7 9, ,5 0,036 31,5 0,389 4,0 0,018 36,0 0,194 4,5 0,009 40,5 0,097 5,0 0,004 45,0 0,043

8 Wykonać hydrogram fali wezbraniowej i obliczyć jej objętość Q i Q i + 1 Q i t Qi + Q 2 V i 1 i = + t t i

9 Wyniki obliczeń objętości fali wezbraniowej Dane: t w = 9,0 h, Q max p=1% = 10,8 m 3 /s, Q dop = Q max p=50% = 5,5 m 3 /s Współrzędne fali t i [h] Q i [m 3 /s] Obliczenia objętości fali wezbraniowej Q i + Q i+1 / 2 t Vi = Q iśś t V Q iśr = [( ) ] i [m 3 /s] [s] [m 3 ] [m 3 ] 0,0 0, ,9 0,162 0, ,8 0,810 0, ,7 1,728 1, ,6 3,024 2, ,5 4,644 3, ,4 6,480 5, ,3 8,316 7, ,2 9,612 8, ,1 10,476 10, ,0 10,800 10, Uwaga - w tabeli pokazano wyniki obliczeń dla części wznoszącej fali (do kulminacji fali), dalszą część obliczeń wykonujemy analogicznie.

10 8. Obliczyć objętość fali powodziowej przy przepływie kulminacyjnym Q max p=1%, przyjmując za podstawę fali powodziowej Q dop = Q max p=50 % Q V fp -objętość fali powodziowej Q dop Podstawa fali wezbraniowej Czas t

11 Wyniki obliczeń objętości fali powodziowej Dane: t w = 9,0 h, Q max p=1% = 10,8 m 3 /s, Q dop = Q max p=50% = 5,5 m 3 /s t i [h] Q i [m 3 /s] 0,0 0,000 Q ip = Q i - Q max50% [m 3 /s] Q ip śr [m 3 /s] [s] [m 3 ] [m 3 ] 0,9 0,162-5,338 1,8 0,810-4,690 2,7 1,728-3,772 3,6 3,024-2,476 4,5 4,644-0,856 5,4 6,480 0,980 0, ,3 8,316 2,816 1, ,2 9,612 4,112 3, ,1 10,476 4,976 4, ,0 10,800 5,300 5, t V = Q i iśś t Vi Uwaga - w tabeli pokazano wyniki obliczeń dla części wznoszącej fali (do kulminacji fali), dalszą część obliczeń wykonujemy analogicznie.

12 9. Określić maksymalną rzędną wody spiętrzonej przy założeniu, że cała objętość fali powodziowej zostanie zretencjonowana (zatrzymana) w suchym zbiorniku. Przykład: Objętość fali powodziowej dla Q max p=1% = 10,8 m 3 /s, przy podstawie fali powodziowej Q dop = Q max p=50% = 5,50 m 3 /s wynosi V fp = 110 tys. m 3 Charakterystyka suchego zbiornika Rzędna wody spiętrzonej V z [tys. m 3 ] 246, ,50 5,23 248,75 41,0 250,00 124,0

13 Rysunek 2. Mapa suchego zbiornika 248,75 247,50 246,85 -rzędna terenu w osi zapory 246,25

14 Maksymalny rzędną piętrzenia odczytujemy z krzywej pojemności suchego zbiornika Krzywa pojemności suchego zbiornika Rzędna zw. wody spiętrzaonej [m n.p.m.] ,78 2,93 m Rzędna terenu w osi zapory = 246,85 m n.p.m Objętość zbiornika V z [tys. m 3 ] V fp =110 tys.m 3 W celu określenia klasy budowli wodnej określamy: Wysokość piętrzenia: H = wzniesienie wody nad terenem w osi zapory + odległość od terenu do zw. wody SNW w korycie rzeki

15 Wysokość piętrzenia: 2,93 m H = 249,78 246,85 = 2,93 m + 1,0 m = 3,93 m 1,0 m SNW Uwaga odległość od krawędzi brzegu do poziomu wody SNW można przyjmować w granicach 0,5 1,5 m 10. przeprowadzić analizę rzeczywistej możliwości retencji miarodajnej fali powodziowej w suchym zbiorniku. Sprawdzić czy: maksymalna pojemność zbiornika jest wystarczająca do przechwycenia analizowanej fali powodziowej (w przykładzie cała fala powodziowa zostanie zatrzymana w zbiorniku maksymalna pojemność zbiornika jest większa od objętości fali powodziowej) klasę ważności obiektu, tj. czy klasa odpowiada przyjętej wcześniej?

16 W przykładzie: H= 3,93 m, V zb = V fp = 110 tys. m 3 Klasy głównych budowli hydrotechnicznych Rozp. Min. Ochrony Środ., Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z 20 XII 1996 r. W sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle gospodarki wodnej i ich usytuowanie Funkcja budowli Wskaźnik Klasa I Klasa II Klasa III Klasa IV Budowla piętrząca na podłożu skalnym Wysokość piętrzenia * H [m] H > 30 m 15 < H 30 m 5 < H 15 m 2 < H 5 m Budowla piętrząca na podłożu nieskalnym Wysokość piętrzenia * H [m] H > 20 m 10 < H 20 m 5 < H 10 m 2 < H 5 m * Wysokość piętrzenia jest to różnica rzędnej MaxPP i rzędnej wody dolnej przy przepływie SNQ

17 W przykładzie: H= 3,93 m, V zb = V fp = 110 tys. m 3 Klasy głównych budowli hydrotechnicznych Rozp. Min. Ochrony Środ., Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z 20 XII 1996 r. W sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle gospodarki wodnej i ich usytuowanie Funkcja budowli Wskaźnik Klasa I Klasa II Klasa III Klasa IV Budowle, których awaria powoduje utratę pojemności zbiornika Pojemność zbiornika * V [hm 3 ] V > 20 < V 50 hm < V 20 0,2 < V 5 lub może spowodować zatopienie terenu Obszar zatopiony ** F [km 2 ] F > 10 < F 50 km < F 10 F 1 * Pojemność zbiornika przy MaxPP ** Obszar zatopiony jest to obszar, na którym głębokość wody h > 0,5 m W przykładzie: budowla klasy IV ze względu na wysokość piętrzenia H = 3,93 m zgodna z założoną klasą budowli.

18 Jeżeli na podstawie analizy stwierdzimy, że: Maksymalna pojemność zbiornika jest za mała w stosunku do objętości fali powdziowej, wówczas należy przyjąć większy przepływ Q dop i powtórzyć od p. 8 procedurę obliczeń objętości fali powodziowej (im wyższa podstawa fali powodziowej tym mniejsza jest objętość fali powodziowej); Przyjętą na początku IV klasę budowli należy zmienić na III (ze względu na H i / lub V zb ) wówczas musimy powtórzyć procedurę obliczeń od p. 6, tj. obliczyć przepływ miarodajny Q m = Q p=0,5% i kontrolny Q k = Q p=0,2% Przyjętą na początku III klasę budowli należy zmienić na IV (ze względu na H i / lub V zb ) wówczas musimy powtórzyć procedurę obliczeń od p. 6, tj. obliczyć przepływ miarodajny Q m = Q p=1,0% i kontrolny Q k = Q p=0,5% W powtórzonych obliczeniach objętości fali wezbraniowej i powodziowej przyjmujemy ten sam czas wznoszenia fali t w [h]

19 Prawdopodobieństwo pojawiania się przepływów miarodajnych i kontrolnych dla stałych budowli hydrotechnicznych p[%] Rozp. Min. Ochrony Środ., Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z 20 XII 1996 r. W sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle gospodarki wodnej i ich usytuowanie Rodzaj budowli Przepływ Klasa I Klasa II Klasa III Klasa IV Budowle ulegające zniszczeniu przy przelaniu się przez nie wody * miarodajny Q m kontrolny Q k 0,1 0,02 0,3 0,05 0,5 0,2 1,0 0,5 Budowle nie ulegające zniszczeniu przy przelaniu się przez nie wody ** miarodajny Q m kontrolny Q k 0,5 0,1 1,0 0,3 2,0 0,5 3,0 1,0 * Budowle hydrotechniczne ziemne na podłożu łatwo rozmywalnym ** Budowle betonowe i wały przeciwpowodziowe

20 11. Wymiarowanie urządzeń upustowych i przelewowych suchego zbiornika Suchy zbiornik Messnitbach (Austria) Budowla upustowoprzelewowa Głębokość wody na przelewie H pp = 0,4 m Zapora ziemna Przelew powierzchniowy Rzędna wody przy Q k = Q max p=0,5% Rzędna wody przy Q m = Q max p=1% Upust denny

21 Wzór na wydatek upustu Q u dennego: Q u = µ u F u 2gH (7) µ u współczynnikwydatku upustu [-], przyjmujemy µ u = 0,7 F u powierzchnia przekroju poprzecznego upustu [m 2 ], g= 9,81 m*s -2 przyspieszenie ziemskie, H wysokość spiętrzenia [m] Po przekształceniu wzoru obliczamy powierzchnię przekroju poprzecznego upustu dennego: F u = µ u Q u 2gH Gdzie Q u = Q max p=50 %

22 Przyjmujemy upust denny o przekroju kołowym i obliczamy jego średnicę D u : F u D = π 4 2 u stąd średnica D u : D u = 4F π u Przyjmujemy tzw. średnicę normatywną (handlową) rury D D u

23 Wzór na wydatek przelewu powierzchniowego: Q pp = m pp B pp 2g H,5 1 pp (8) Po przekształceniu wzoru obliczamy szerokość otworu przelewowego B pp : B pp = m pp Przelew stały wymiarujemy (określamy jego szerokość) na przepływ kontrolny z uwzględnieniem maksymalnego wydatku upusu dennego. Dla IV klasy obiektu Q k = Q max p=0,5% Q pp 2g H,5 1 pp stąd Q pp = Q max p=0,5 % - Q dop

24 Suchy zbiornik Messnitbach (Austria) Budowla upustowoprzelewowa Widok budowli upustowo-przelewowej od strony WD Ze względu na ładniejszy wygląd zapory i mniejszy koszt budowy w małych zbiornikach wodnych upust denny i przelew powierzchniowy mogą być zlokalizowane w różnych przekrojach zapory Korona zapory Przelew powierzchniowy odprowadzenie wody po umocnionym stoku doliny Upust denny

25 12. Określić rzędną korony zapory z uwzględnieniem wysokości falowania wody na zbiorniku Bezpieczne wzniesienie korony stałych budowli hydrotechnicznych Wzniesienie nad statycznym poziomem wody [m] Rodzaj budowli Warunki eksploatacji Klasa I Klasa II Klasa III Klasa IV Zapory ziemne i obwałowania MaxPP lub NPP Przepływ miarodajny Wyjątkowe warunki ekspl. 2,0 1,3 0,3 1,5 1,0 0,3 1,0 0,7 0,3 0,7 0,5 0,3 Rzędna korony przelewu stałego = 249,78 m n.p.m MaxPP = Rz. korony przelewu + H pp = 249,78 + 0,4 = 250,18 m n.p.m. Rzędna korony zapory = MaxPP + 0,7 m = 250,18 + 0,7 m = 250,88 m n.p.m.

26 Wysokość fali h f [m] w zbiorniku: h f = 1,25 0,75 0,33 0,0208 Vw L (9) gdzie: V w miarodajna prędkość wiatru [m/s] L długość rozbiegu fali = długości zbiornika [km] Przykład: Dla V w = 20,0 m/s i L = 1,0 km h f = 0,88 m MaxPP = 250,18 m n.p.m. Rzędna wody sfalowanej = 250,18 + 0,88 = 251,06 m n.p.m. Rzędna korony zapory = 251,06 + 0,30 = 251, 36 m n.p.m Wcześniej określona rzędna korony zapory = 250,88 m n.p.m. Ostatecznie przyjęta rzędna korony zapory = 251,36 m n.p.m.

27 13. Zakres prac związanych z dostosowaniem czaszy zbiornika i terenu przyległego do funkcji obiektu retencyjnego Linia zw. wody przy przepływie kontrolnym - obiekty do likwidacji przełożenia trasy Rzędna korony zapory = 251,36 m n.p.m Rzędna MaxPP = 250,18 m n.p.m. Zmiana użytkowania terenu na łąkowopastwiskowe

28 Uwaga - na podstawie opracowanej koncepcji suchego zbiornika, na etapie sporządzania projektu budowlanego sprawdza się warunki funkcjonowania urządzeń upustowo przelewowych w warunkach przepływu nieustalonego (zmiennego) fali miarodajnej i kontrolnej. 16 Fala kontrolna Qmax = 15,0 Fala miarodajna Wzór na wydatek upustu Q u dennego: Q u = µ F u u 2gH Q [m 3 /s] Q u = Q max p=50 % Qmax = 3,29 (redukcja Qmax - 78 %) 2 0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 Czas [h] Przekrój górny Przekrój dolny

29 Dziękuję za uwagę