Hydraulika i hydrologia

Transkrypt

1 Zad. Sprawdzić możliwość wyparcia filtracyjnego gruntu w dnie wykopu i oszacować wielkość dopływu wody do wykopu o wymiarach w planie 0 x 0 m. 8,00 6,00 4,00 -,00 Piaski średnioziarniste k = 0,0004 m/s

2 Zad.2 Ustalić położenie krzywej depresji i wydatek w zaporze jednorodnej (bez uszczelnienia) z drenażem, posadowionej na podłożu nieprzepuszczalnym. Dane: - współczynnik filtracji gruntu w korpusie zapory k z =2 m/dobę, - długość zapory L= km, - położenie wody dolnej h 2 =0 m

3 Przebieg krzywej depresji w zaporze jednorodnej z drenażem posadowionej na podłożu nieprzepuszczalnym

4 Zad.3 Ustalić położenie krzywej depresji i wydatek w zaporze z rdzeniem i z drenażem, posadowionej na podłożu nieprzepuszczalnym. Dane: - współczynnik filtracji gruntu w korpusie zapory k z =2 m/dobę,- - współczynnik filtracji rdzenia k r = 0,08 m/dobę, - długość zapory L= km, - grubość rdzenia w koronie =2 m, w podstawie 2 = 5 m, - położenie wody dolnej h 2 =0 m

5 Ustalenie położenia krzywej depresji w zaporze z rdzeniem (k z < 00k r ) posadowionej na podłożu nieprzepuszczalnym

6 Zad.4 Ustalić położenie krzywej depresji i wydatek w zaporze z rdzeniem i z drenażem, posadowionej na podłożu nieprzepuszczalnym. Dane: - współczynnik filtracji gruntu w korpusie zapory k z =2 m/dobę,- - współczynnik filtracji rdzenia ił k r = 0-3 m/dobę, - długość zapory L= km, - grubość rdzenia w koronie =2 m, w podstawie 2 = 5 m, - położenie wody dolnej h 2 =0 m Hydraulika i hydrologia

7 Zadanie Zbiornik retencyjno-wsiąkowy.

8 Herbert Dreiseitl, Wolfgang Geiger - Nowe sposoby odprowadzania wód deszczowych, Oficyna Wydawnicza Projprzem-EKO, Bydgoszcz 999, Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie. Dz.U. Nr 43/999, poz. 430, Roman Edel Odwodnienie dróg, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2000, Zalecenia projektowania, budowy i utrzymania odwodnienia drogowych konstrukcji oporowych, Generalna Dyrekcja Dróg Krajowych i Autostrad, Warszawa 2009

9 Metoda granicznych natężeń deszczu. Wiadomości wstępne. Zlewnię określa się na podstawie topografii obszaru, z którego spływa woda pochodząca z opadów atmosferycznych. Obszar zlewni jest zwykle odnoszony do istniejącego na jej terenie cieku. Zlewnią może być także obszar przyporządkowany odcinkowi drogi, budowli inżynierskiej, na przykład mostowi, przepustowi lub konstrukcji oporowej. Dlatego wyróżnia się zlewnię drogi, mostu, przepustu, konstrukcji oporowej. Każdą zlewnię (w tym również zlewnię cząstkową) charakteryzują trzy podstawowe parametry: powierzchnia (F), współczynnik spływu (ψ), współczynnik opóźnienia odpływu (φ).

10 Wyznaczanie zlewni. Zlewnię wyznacza się z mapy topograficznej, najlepiej w skali :000. Granice zlewni określa się analizując na mapie spływy wód powierzchniowych (przyjmowane prostopadle do warstwic). Po naniesieniu granicy zlewni na mapę, oblicza się jej powierzchnię oraz przyjmuje współczynniki spływu i opóźnienia odpływu. Hydraulika i hydrologia

11 Współczynnik spływu jest stosunkiem ilości wody deszczowej, która odpływa po powierzchni zlewni do ilości, która spadła na tę powierzchnię. Wartość współczynnika spływu zależy od szeregu czynników, z których najważniejszymi są: - sposób zagospodarowania powierzchni zlewni, - wielkość nachylenia jej powierzchni (podłużnego spadku terenu), - przepuszczalność wierzchnich warstw gruntu. Hydraulika i hydrologia

12 Współczynnik spływu - charakteryzuje każdą zlewnię, wyraża stosunek ilości wody deszczowej, która spłynie z danej powierzchni do ilości wody, która spadła na tę powierzchnię.

13 Qsp Współczynnik spływu Q op

14 Współczynnik opóźnienia odpływu określa opóźnienie rozpoczęcia powierzchniowego spływu wody względem czasu rozpoczęcia opadu. Zwykle współczynnik ten oblicza się ze wzoru: w którym: F powierzchnia zlewni [ha], n współczynnik zależny od spadku i kształtu powierzchni zlewni, równy: n = 8 dla dużych spadków i ześrodkowanej zlewni, n = 6 dla średnich warunków (długość zlewni dwa razy większa od jej szerokości, spadki terenu pozwalają na osiągnięcie prędkości spływu wód równej około,2 m/s), n = 4 dla niedużych spadków i wydłużonej zlewni Przy małych zlewniach, o powierzchni do kilku ha, dla zwiększenia bezpieczeństwa budowli, stosuje się w obliczeniach odpływu sekundowego ze zlewni, współczynnik opóźnienia odpływu φ =. n F

15 Określenie odpływu ze zlewni. Po określeniu powierzchni zlewni, ustala się wartość sekundowego odpływu powierzchniowego, który wystąpi na niej po opadzie atmosferycznym: Q O q F Q O odpływ sekundowy [dm 3 /s], φ współczynnik opóźnienia odpływu [-], ψ współczynnik spływu [-], F powierzchnia zlewni [ha], q natężenie deszczu miarodajnego [dm 3 /s ha],

16 Dane wyjściowe. natężenie i prawdopodobieństwo pojawienia się deszczu, współczynniki spływu, czas trwania deszczu, wielkość i sposób uszczelnienia zlewni częściowych (tzn. elementów zlewni całkowitej stanowiących odrębne jednostki obliczeniowe), cieki wodne jako odbiorniki. Rocznik hydrologiczny IMGW-PIB, przepisy Projekt zagospodarowania terenu, wizje terenowe, analiza map i zdjęć lotniczych.

17 Opad Hydraulika i hydrologia natęż ężenie opadu [mm/min] wysokość opadu h [mm] przypadająca na jednostkę czasu t Natęż ężenie opadu zależy y od: -czasu trwania, -częstotliowości występowania, -zasięgu. J h t częstotliwo stotliwość występowania opadu - C, jest to okres czasu wyrażony w latach, w którym wystąpi opad o danym lub większym natężeniu. p C 00% Prawdopodobieństwo pojawienia się deszczu p - określa, ile razy w przeciągu stulecia zostanie osiągnięte przekroczenie danego natężenia opadu.

18 Częstotliwość wystąpienia opadu: odwodnienie przez muldy i rowy odwodnienie przez muldy i rowy w obrębie miast odcinki drogi w wykopach zależnie od jej ważności najniższe punkty niwelety kanalizacje drugorzędne kolektory i burzowce kanalizacje w niekorzystnych warunkach terenowych kanalizacje odwadniające pas dzielący dwie jezdnie c= rok, c=0 lat, c=0-20 lat, c= 5 lat, c=2 lata, c= 5 lat, c= 0 lat, c= 4 lata Prawdopodobieństwo wystąpienia deszczu miarodajnego w zależności od klasy drogi: p=0% (c=0 lat) drogi klas A lub S p=20% (c=5 lat) drogi klasy GP p=50% (c=2 lata) drogi klas G lub Z p=00% (c= rok) drogi klas L lub D ROZPORZĄDZENIE MINISTRA TRANSPORTU I GOSPODARKI MORSKIEJ z dnia 2 marca 999 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie. (Dz. U. z dnia 4 maja 999 r.)

19 Natężenie deszczu miarodajnego q 6, ,667 t m C H Wzór Błaszczyka C okres w latach, w którym następuje jednorazowe przekroczenie danego natężenia opadu; H roczna suma opadów [mm]; t m czas miarodajny trwania opadu [min]; q t A q 0,667 m A q parametr zależny od prawdopodobieństwa pojawienia się opadu oraz od średniej rocznej wysokości opadu

20 Natężenie deszczu miarodajnego obliczyć można na podstawie wzoru: q t A q 0,667 d q natężenie deszczu miarodajnego [dm 3 /s/ha], A q parametr zależny od częstotliwości (prawdopodobieństwa) pojawiania się deszczu miarodajnego (p) oraz opadu normalnego (P n ) [-], t d czas trwania deszczu miarodajnego [min.]. Prawdopodobieństwo pojawiania się deszczu miarodajnego (p), jakie należy przyjmować w obliczeniach zależy od szczegółowych przepisów w zakresie odwadnianych obiektów, np. w drogownictwie (p) ustala się na podstawie Rozporządzenia Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie. Dz.U. Nr 43/999, poz. 430.w zależności od klasy drogi.

21 Dotyczy to odwodnienia nie tylko samej drogi, lecz również innych budowli z drogą powiązanych (rowy, przepusty, konstrukcje oporowe itp.) Wartości prawdopodobieństwa p przyjmowane dla ulic Wartości prawdopodobieństwa p przyjmowane dla dróg pozamiejskich

22 Wartości parametru A q do wyznaczenia natężenia deszczu miarodajnego:

23 Natężenie deszczu miarodajnego obliczyć można na podstawie wzoru: q t A q 0,667 d q natężenie deszczu miarodajnego [dm 3 /s/ha], A q parametr zależny od częstotliwości (prawdopodobieństwa) pojawiania się deszczu miarodajnego (p) oraz opadu normalnego (P n ) [-], t d czas trwania deszczu miarodajnego [min.]. Prawdopodobieństwo pojawiania się deszczu miarodajnego (p), jakie należy przyjmować w obliczeniach zależy od szczegółowych przepisów w zakresie odwadnianych obiektów, np. w drogownictwie (p) ustala się na podstawie Rozporządzenia Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie. Dz.U. Nr 43/999, poz. 430.w zależności od klasy drogi.

24 Czas trwania deszczu miarodajnego t d [min] według metody granicznych natężeń deszczu równa się czasowi spływu t s [min] pojedynczej cząstki deszczu z punktu najdalej odległego w stosunku do przekroju obliczeniowego: t d t s t t2 t3 t czas spływu cząstki deszczu po powierzchni terenu do urządzenia odwadniającego [min], t 2 czas przepływu cząstki deszczu w urządzeniu odwadniającym [min], t 3 czas opóźnienia ruchu cząstki deszczu w urządzeniu odwadniającym zależny od materiału z jakiego wykonane zostało urządzenie i wynosi: t 3 = 0,20 t 2 gdy jest wykonane w gruncie rodzimym oraz t 3 = 0,0 t 2 gdy jest wykonane z betonu [min].

25 Czas spływu cząstki deszczu po powierzchni zlewni t [min] oblicza się według wzoru: L droga spływu pojedynczej cząstki deszczu po terenie zlewni z punktu na jej granicy do przekroju urządzenia odwadniającego (określona z mapy) [m], v prędkość spływu cząstki deszczu po powierzchni zlewni [m/min]. t L v

26 Czas przepływu cząstki deszczu t 2 w rowie odwadniającym oblicza się według wzoru: t 2 L2 v 60 L 2 droga przepływu cząstki deszczu w rowie odwadniającym [m], v 2 prędkość przepływu cząstki deszczu w urządzeniu (rowie) odwadniającym [m/s], obliczona ze wzoru: v R h I d n n współczynnik szorstkości (np. dla betonu n = 0,02 0,04 [m -/3 s], dla gruntu n = 0,025 0,035 [m -/3 s], I d spadek podłużny dna rowu, przyjmowany stosownie do nachylenia terenu, ale nie mniejszy niż I d 0,002; R h promień hydrauliczny [m] (R h =A/O z )

27 Obliczenie odpływu ze zlewni: Zestawienie powierzchni: - Droga A =7*72=504m 2 =0,0504ha - Parking A 2 =7*35m2=595m 2 =0,0595ha - Budynek A 3 =20*60=200m 2 =0,2ha - Tereny zielone A 4 =4420m 2 =0,4420ha Współczynniki spływu: - Droga =0,90 [-] - Parking 2 =0,85 [-] - Dach budynku 3 =0,90 [-] - Tereny zielone 4 =0,5 [-]

28 Obliczenie średniego współczynnika odpływu ze zlewni: - Droga A =7*72=504m 2 =0,0504ha - Parking A 2 =7*35m2=595m 2 =0,0595ha - Budynek A 3 =20*60=200m 2 =0,2ha - Tereny zielone A 4 =4420m 2 =0,4420ha Współczynniki spływu: - Droga =0,90 [-] - Parking 2 =0,85 [-] - Dach budynku 3 =0,90 [-] - Tereny zielone 4 =0,5 [-] n A i 504 0, , , , , i i i n A i 0,40

29 Obliczenie natężenia deszczu miarodajnego: q t A q 0,667 d Przyjmuję prawdopodobieństwo deszczu miarodajnego p=0% Stąd dla strefy Gdańska (opad normalny do 800 mm) parametr A q =03 mm

30 q Obliczenie natężenia deszczu miarodajnego: 0, 667 t d A q t t Obliczam czas trwania deszczu miarodajnego t d d s 2 3 t czas spływu cząstki deszczu po powierzchni terenu do urządzenia odwadniającego [min], t 2 czas przepływu cząstki deszczu w urządzeniu odwadniającym [min], t 3 czas opóźnienia ruchu cząstki deszczu w urządzeniu odwadniającym zależny od materiału z jakiego wykonane zostało urządzenie i wynosi: t 3 = 0,20 t 2 gdy jest wykonane w gruncie rodzimym oraz t 3 = 0,0 t 2 gdy jest wykonane z betonu [min]. t t t

31 q Obliczenie natężenia deszczu miarodajnego: 0, 667 t czas spływu cząstki deszczu po powierzchni terenu do urządzenia odwadniającego [min], t d A q t L v Przyjmuję (dla uproszczenia): L =35 m (przekątna zlewni) v = 0 m/min, Stąd t [min] wynosi: t v L ,5

32 t 2 czas przepływu wody w urządzeniu odwadniającym [min] t 2 L2 v 60 2 Przyjmuję: L 2 =50 m (długość rowu) v 2 n R h I d

33 Ponieważ parametry rowu odwadniającego zależą od obliczonej ilości wód opadowych, a na tym etapie obliczeń nie znamy tej ilości, dlatego należy wstępnie przyjąć parametry koryta. Koryta wykonane w gruncie rodzimym przyjmuje się najczęściej w postaci rowu (zagłębienia) o szerokości w dnie nie przekraczającej 0,50 -,00 m i głębokości 0,05 0,0 m. Koryto z prefabrykatów betonowych ma zwykle przekrój owalny o szerokości około 0,50 m i głębokości nie przekraczającej 0,08 m. Przyjmuję: Szerokość w dnie b=0,5 m, napełnienie h=0, m, Skarpy o nachyleniu (:m) : A=(b+mh)h = 0,06 m 2 O z =b+2h(+m 2 ) /2 = 0,78 m R h =A/O z = 0,06/0,78 = 0,077 m

34 Obliczam prędkość przepływu wody w rowie v 2 [m/s] v2 R h I d 0,077 0,002 n 0, ,27 Stąd czasy t 2 i t 3 [min] wynoszą: t L2 v , ,09 t3 0,20 t2 0,20 3,09 0,62

35 Czas trwania deszczu miarodajnego t d [min] wynosi: t d t t2 t3 3,50 3,09 0,62 7,2 a natężenie deszczu miarodajnego q [dm 3 /s/ha]: q Aq 03 5, ,667 0,667 t 7,2 d

36 Dysponując wartością natężenia deszczu miarodajnego, powierzchnią zlewni oraz uśrednionym współczynnikiem odpływu można obliczyć wielkość odpływu ze zlewni Q O [dm 3 /s]: Q O q F q F 0, ,679 40,85 Ostatecznie przyjęto odpływ ze zlewni równy Q O = 4,0 dm 3 /s.

37 W związku z tym, że czas spływu t s jest równy czasowi trwania deszczu t d, całkowita objętość V [dm 3 ] dopływu wody do zbiornika wyniesie: V Q O t d 60 4,0 7, Uwzględniając objętość opadu spadającą bezpośrednio na powierzchnię zbiornika - potrzebna objętość zbiornika V z [dm 3 ] wynosi: V z V qa z t d ,0080 7, V z = [dm 3 ] = 42,62 m 3 Średnia głębokość zbiornika: h V / A 42,62 /80 0, 24 h z = 0,24 [m] z z

38 Obliczenia infiltracji wody do gruntu Założenia: - Statyczne zwierciadło wód gruntowych znajduje się przynajmniej m poniżej dna zbiornika, - Piasek drobny k = 6 m/d = 6,95*0-5 m/s Q inf 5 k A 2 6, ,0063 [m 3 /s] Stąd czas potrzebny do opróżnienia zbiornika wynosi: Vz 42,62 tinf 6265[ s] 3[min] Q 0,0063 inf 2[ h]

39 Obliczenia infiltracji wody do gruntu Założenia: - Statyczne zwierciadło wód gruntowych znajduje się przynajmniej m poniżej dna zbiornika, - Piasek pylasty k = 0,5 m/d = 5,787*0-6 m/s Q 6 4 inf k A 5, , [m 3 /s] Stąd czas potrzebny do opróżnienia zbiornika wynosi: Vz 42,62 tinf 8835[ s] 364[min] 23[ h] 4 Q 5,208 0 inf