Zagrożenia i ochrona przed powodzią ćwiczenia dr inż. Ireneusz Dyka pok. 3.34 [ul. Heweliusza 4] http://pracownicy.uwm.edu.pl/i.dyka e-mail: i.dyka@uwm.edu.pl Katedra Geotechniki i Budownictwa Drogowego WYDZIAŁ NAUK TECHNICZNYCH Uniwersytet Warmińsko-Mazurski
Tematyka ćwiczeń: Przepływ w korytach otwartych niezabudowanych (przepływ ustalony) Przepływ w korytach otwartych zabudowanych (przepływ niejednostajny) Krzywa spiętrzenia i wysokość wałów przeciwpowodziowych Stateczność nasypów z uwzględnieniem filtracji (wahania zwierciadła wody) Przepływ wody w gruncie (filtracja, siatka hydrodynamiczna przepływu) Elementy hydrologii rzek? Projekt wału przeciwpowodziowego
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. Ponieważ w cieku ciągłym objętość przepływu nie może ulec zmianie, zmniejszeniu powierzchni przekroju w miejscu przeszkody towarzyszy duże 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 lubobszarem cofkowym. Obszar koryta rzecznego objęty spiętrzeniem nazywamy cofką,, natomiast profil zwierciadła wody w obrębie cofki nazywamy krzywąspiętrzenia. W praktyce znajomość przebiegu krzywej spiętrzenia jest bardzo ważna, gdyż wiąże 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, zależy od wysokości spiętrzenia i spadku rzeki.
SPIĘTRZENIE I ZASIĘG COFKI
SPIĘTRZENIE I ZASIĘG COFKI
Dla koryt o przekroju prostokątnym - wzór Ruhlmana, dla koryt parabolicznych wzór Tolkmitta: il h h = f f 2 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 - spiętrzenie na początku cofki, h 2 - 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 =
W celu obliczenia zasięgu cofki na wodach płynących przyjmujemy zwykle k=2, natomiast dla wód stojących albo płynących z prędkością nie większą od kilku cm/sek k=. 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 h 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 -2 cm. Funkcje f odczytywane są z tablic.
kanał pryzmatyczny o stałym przekroju przepływ ustalony, jednostajny Średnia prędkość przepływu wody w korycie v = n R 2/3 I / 2 v = Q A n - współczynnik szorstkości powierzchni dna i ścian koryta wprowadzony przez Manninga dla scharakteryzowania oporów przepływu w korycie; Q natężenie przepływu; A przekrój przepływu.
kanał o zmiennym przekroju lub zabudowany przepływ niejednostajny v = n R 2 / 3 I / 2 v = 2 n R 2 / 3 2 I / 2 2
Przepływ ustalony, ruch krytyczny
kanał o zmiennym przekroju lub zabudowany przepływ niejednostajny (nierównomierny), ustalony: Q=const.
Krzywa spiętrzenia: przepływ niejednostajny, ustalony: Q=const.
Krzywa spiętrzenia: przepływ niejednostajny, ustalony: Q=const. h s g v h z g v h z + + + = + + 2 2 2 0 0 0 2 α α ( ) ( ) i I L v v g h z h + + = 0 2 0 2 0 0 2 α 2 3 2 / = R A n Q I 2 0 0 I I I + =
Przepływ ustalony w korycie pryzmatycznym: Q=const. Dane: napełnienie koryta przy przepływie miarodajnym: H = 2,0 m spadek dna koryta: i = 0,0005 współczynnik szorstkości powierzchni dna i ścian koryta: n = 0,025 m -/3 s Q = A 2/ 3 / 2 n R H [m] U [m] R [m] v [m/s] A [m 2 ] Q [ m3/s] 0.00 8.00 0.00 0.0 0.0 0.00 0.20 8.57 0.9 0.3.6 0.49 0.50 9.4 0.45 0.5 4.3 2.24.00 0.83 0.83 0.8 9.0 7.2.50 2.24.6.0 4.3 4.0 2.00 3.66.46.2 20.0 23.07 2.50 5.07.74.3 26.3 33.99 3.00 6.49 2.00.4 33.0 46.88 4.00 9.3 2.49.6 48.0 78.77 I 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0.5.0 0.5 0.0 H=2 m b=8 m 0 0 20 30 40 50 60 70 80 Q m = 23.07 m 3 /s
Profil krzywej spiętrzenia (przepływ ustalony, niejednostajny) Dane: napełnienie koryta przy przepływie miarodajnym: H = 2,0 m spadek dna koryta: i = 0,0005 współczynnik szorstkości powierzchni dna i ścian koryta: n = 0,025 m -/3 s h 0 = 6 m Q m = 23.07 m 3 /s h 9 8 7 6 5 4 3 2 0 b=8 m h L=3500m = 4,308 m h 0 =6 m 0 500 000 500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 000005000005002000
Profil krzywej spiętrzenia (przepływ ustalony, niejednostajny) Q m = 23.07 m 3 /s Przekrój Odległość [m] hi [m] U [m] A [m 2 ] R [m] J v [m/s] hi [m] H [m p.p. "0"] Hdna [m p.p. "0"] 0 0.0 6.000 24.97 84.0 3.36 0.000009 0.27463 6.000 6.000 0.000 500.0 5.755 24.28 79.2 3.26 0.0000 0.2942 5.755 6.005 0.250 2 000.0 5.50 23.58 74.4 3.6 0.00003 0.30990 5.50 6.00 0.500 3 500.0 5.266 22.89 69.9 3.05 0.00005 0.33022 5.266 6.06 0.750 4 2000.0 5.024 22.2 65.4 2.95 0.00008 0.35256 5.024 6.024.000 5 2500.0 4.783 2.53 6. 2.84 0.000022 0.3773 4.783 6.033.250 6 3000.0 4.544 20.85 57.0 2.73 0.000027 0.40472 4.544 6.044.500 7 3500.0 4.308 20.8 53.0 2.63 0.000033 0.43508 4.308 6.058.750 8 4000.0 4.075 9.53 49.2 2.52 0.000040 0.46883 4.075 6.075 2.000 9 4500.0 3.845 8.88 45.5 2.4 0.000050 0.50652 3.845 6.095 2.250 0 5000.0 3.62 8.24 42. 2.3 0.000062 0.54822 3.62 6.2 2.500 5500.0 3.403 7.63 38.8 2.20 0.000077 0.59449 3.403 6.53 2.750 2 6000.0 3.93 7.03 35.7 2.0 0.000097 0.64548 3.93 6.93 3.000 3 6500.0 2.994 6.47 32.9 2.00 0.00022 0.70084 2.994 6.244 3.250 4 7000.0 2.808 5.94 30.3.90 0.00053 0.7603 2.808 6.308 3.500 5 7500.0 2.639 5.46 28..82 0.0009 0.8265 2.639 6.389 3.750 6 8000.0 2.489 5.04 26..74 0.000234 0.88363 2.490 6.490 4.000 7 8500.0 2.362 4.68 24.5.67 0.00028 0.94255 2.363 6.63 4.250 8 9000.0 2.259 4.39 23.2.6 0.000328 0.99542 2.260 6.760 4.500 9 9500.0 2.79 4.6 22.2.57 0.000372.04008 2.80 6.930 4.750 20 0000.0 2.2 4.00 2.5.53 0.000408.07464 2.22 7.22 5.000 2 0500.0 2.079 3.88 2.0.5 0.000437.0092 2.080 7.330 5.250 22 000.0 2.052 3.80 20.6.49 0.000458.840 2.052 7.552 5.500 23 500.0 2.033 3.75 20.4.48 0.000473.3099 2.033 7.783 5.750 24 2000.0 2.02 3.72 20.3.48 0.000482.3907 2.02 8.02 6.000
Profil krzywej spiętrzenia (przepływ ustalony, niejednostajny) Q m = 23.07 m 3 /s 7 6 5 4 3 2 0 0 500 000 500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 0000 0500 000 500 2000 L=3500 m a min =0,5 m h= 4,308 m b=8 m h wału = 2,35 m h koryta = 2,5 m
Stateczność wału φ' [deg] c' [kpa] γ [kn/m 3 ] γsr [kn/m 3 ] φ' 2 [deg] c' 2 [kpa] γ2sr [kn/m 3 ] q [kpa] 8 0 9.5 2.5 29 0 20.5 5 a min =0,5 m b wału = 2,5 m 2 3 R=2,433m grunt α 3 4 b 3 5 6 5 o h wału = 2,35 m h= 4,308 m 7 8 9 0 grunt 2
Stateczność wału stan budowlany φ' [deg] c' [kpa] γ [kn/m 3 ] γsr [kn/m 3 ] φ' 2 [deg] c' 2 [kpa] γ2sr [kn/m 3 ] q [kpa] 8 0 9.5 2.5 29 0 20.5 5 Nr paska b [m] q [kpa] A γ A2 γsr2 Ciężar paska W [kn/m] kąt α φ' c' [kpa] l [m] c*l B [kn/m] N [kn/m] R [kn/m] 0.9 5 0.096 9.5 0 20.5 4.72 78 8 0 0.94 9.38 4.62 4.493 0.598 2 0.25 5 0.2949 9.5 0 20.5 9.50 6 8 0 0.56 5.57 8.309 9.035 8.092 3 0.25 5 0.407 9.5 0 20.5.69 48 8 0 0.374 3.736 8.685.4 7.348 4 0.37 0 0.63 9.5 0 20.5 2.3 39 8 0 0.476 4.76 7.745.705 8.564 5 0.38 0 0.5958 9.5 0 20.5.62 29 8 0 0.434 4.345 5.633.050 7.935 6 0.38 0 0.56 9.5 0 20.5 9.98 20 8 0 0.404 4.044 3.42 9.488 7.27 7 0.30 0 0.32 9.5 0.0 20.5 6.50 29 0 0.306 0.000.239 5.68 3.49 8 0.30 0 0.23 9.5 0.023 20.5 4.98 4 29 0 0.30 0.000 0.347 4.354 2.44 9 0.30 0 0.4 9.5 0.023 20.5 3.22-4 29 0 0.30 0.000-0.225 2.89.563 0 0.32 0 0.052 9.5 0.02 20.5.25-29 0 0.326 0.000-0.238.093 0.606 39.528 57.395 F min =,3 F=.45
Stateczność wału filtracja ustalona φ' [deg] c' [kpa] γ [kn/m 3 ] γsr [kn/m 3 ] φ' 2 [deg] c' 2 [kpa] γ2sr [kn/m 3 ] q [kpa] 8 0 9.5 2.5 29 0 20.5 5 a min =0,5 m b wału = 2,5 m 2 3 R=2,433m grunt b 3 α 3 4 h w3 5 6 5 o h wału = 2,35 m h= 4,308 m 7 8 9 0 grunt 2
Stateczność wału stan ustalonej filtracji przez wał 2 3 4 F = [( W cosα u l ) tanφ' + c' l ] i i W i i i sinα i i i F min 5 6 7 8 9 R Nr paska b [m] q [kpa] A [m 2 ] γ Asr [m 2 ] γsr A2 γsr2 Ciężar paska W kąt α [kn/m] φ' c' [kpa] l [m] c*l hw u [kpa] u*l B N R [kn/m] [kn/m] [kn/m] 0.9 5 0.096 9.5 0 2.5 0 20.5 4.72 78 8 0 0.94 9.38 0 0 4.62 4.493 0.598 2 0.25 5 0.2949 9.5 0 2.5 0 20.5 9.50 6 8 0 0.56 5.57 0 0 8.309 9.035 8.092 3 0.25 5 0.3895 9.5 0.08 2.5 0 20.5.72 48 8 0 0.374 3.736 0.07 0.687 0.2566 8.7 0.89 7.92 4 0.37 0 0.5349 9.5 0.096 2.5 0 20.5 2.50 39 8 0 0.476 4.76 0.26 2.55.243 7.866 0.674 7.835 5 0.38 0 0.4438 9.5 0.52 2.5 0 20.5.92 29 8 0 0.434 4.345 0.40 3.924.7049 5.780 9.634 6.92 6 0.38 0 0.3482 9.5 0.63 2.5 0 20.5 0.30 20 8 0 0.404 4.044 0.43 4.28.7058 3.524 8.093 6.9 7 0.30 0 0.206 9.5 0. 2.5 0.0 20.5 6.72 29 0 0.306 0.000 0.42 4.2.2592.28 4.65.860 8 0.30 0 0.55 9.5 0.08 2.5 0.023 20.5 5.4 4 29 0 0.30 0.000 0.35 3.434.0326 0.358 3.46.346 9 0.30 0 0.0924 9.5 0.049 2.5 0.023 20.5 3.32-4 29 0 0.30 0.000 0.25 2.453 0.7375-0.232 2.67 0.792 0 0.32 0 0.0336 9.5 0.08 2.5 0.02 20.5.28-29 0 0.326 0.000 0.2.77 0.3838-0.245 0.740 0.97 39.974 50.953 F=.27 < F min =,3 warunek stateczności przekroczony!
Ocena stateczności wału przeciwpowodziowego Według: Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 20 kwietnia 2007 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle hydrotechniczne i ich usytuowanie 29. Obliczanie stateczności i nośności budowli hydrotechnicznych wykonuje się według metod określonych w Polskich Normach dotyczących tych obliczeń. 32. Ziemne budowle piętrzące sprawdza się w zakresie: ) stateczności skarp wraz z podłożem; 2) gradientów ciśnień filtracyjnych i możliwości przebicia lub sufozji; 3) chłonności, wydajności drenaży; 4) wartości osiadań korpusu i odkształceń podłoża budowli hydrotechnicznej; 5) niebezpieczeństwa wystąpienia poślizgu po podłożu i w podłożu; 6) niebezpieczeństwa wyparcia słabego gruntu spod budowli hydrotechnicznej.
Ocena stateczności wału przeciwpowodziowego Stateczność wału przeciwpowodziowego należy sprawdzać w następujących schematach obliczeniowych: budowlanym, gdy obwałowanie nie jest obciążone spiętrzoną wodą eksploatacyjnym, przy wysokości piętrzenia dla miarodajnego przepływu wezbraniowego, przyjmując położenie krzywej depresji z obliczeń filtracji. W przypadku występowania w korpusie lub bezpośrednio pod nim gruntów spoistych warunki stateczności budowli hydrotechnicznej należy sprawdzać zarówno w efektywnych jak i w całkowitych parametrach geotechnicznych.
http://www.cetco.pl/www/pl/strona/43-modernizacja-walow-przeciwpowodziowych
Wały przeciwpowodziowe Schemat ideowy przekroju poprzecznego wału przeciwpowodziowego: a) przekrój poprzeczny z głównymi elementami; b) wariant skarpy odpowietrznej z ławą; c) plan; -skarpa odwodna, 2-skarpa odpowietrzna, 3-korona wału, 4-ekran szczelny, 5-rdzeń szczelny, 6- uszczelnienie podłoża, 7-drenaż, 8-rów odwadniający, 9-ława, 0-krzywa depresji w przypadku wału jednorodnego (bez uszczelnień).
Sprawdzenie gradientów ciśnień filtracyjnych siatka hydrodynamiczna
Sprawdzenie gradientów ciśnień filtracyjnych wewnątrz grobli budowli ziemnej według: Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 20 kwietnia 2007 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle hydrotechniczne i ich usytuowanie
Przebiciem (wyparciem) hydraulicznym nazywa się zjawisko tworzenia się kanału (przewodu) w masie gruntowej, wypełnionego gruntem o naruszonej strukturze (w końcowej fazie zjawiska zawiesiną), łączącego miejsca o wyższym i niższym ciśnieniu wody w porach. Na powierzchni terenu przebicie hydrauliczne jest widoczne w postaciźródła. Zjawisko przebicia występuje przeważnie w gruntach mało spoistych podścielonych gruntami przepuszczalnymi. 2 warstwa mało przepuszczalna warstwa przepuszczalna Przykład warunków geologicznych, w których może nastąpić przebicie: miejsce zagrożenia przebiciem.
Sufozja to zjawisko polegające na wynoszeniu przez filtrującą wodę drobnych cząstek gruntu (przesunięcie ich na inne miejsce lub wyniesione poza obręb gruntu). W rezultacie sufozji powiększają się pory, wzrasta współczynnik filtracji i prędkość wody. Woda o większej prędkości może poruszać coraz większe ziarna gruntu i powodować dalszy rozwój procesu sufozji aż do utworzenia się kawern lub kanałów w gruncie. Zjawisko przybiera wtedy cechy przebicia hydraulicznego. Sufozja występuje wtedy, gdy zostanie przekroczony i kr lub prędkość krytyczna v kr. gdzie: k - współczynnik filtracji [m/s]. v kr = k 5 Sufozja występuje w gruntach sypkich, (przede wszystkim różnoziarnistych). W zależności od miejsca występowania sufozji w budowli ziemnej rozróżnia się: sufozję wewnętrzną (występuje wewnątrz danego rodzaju gruntu) zewnętrzną i kontaktowa (w strefie przypowierzchniowej zapory lub podłoża a także na styku różnych warstw gruntu, gdy kierunek ruchu wody jest prostopadły do styku).
Wyparcie hydrauliczne gruntu na skarpie odpowietrznej wału Wyparcie hydrauliczne gruntu na skarpie odpowietrznej: a) położenie krzywej depresji (brak uszczelnienia i drenażu), b) układ sił działających na jednostkę objętości gruntu w obszarze pkt. A, c) wariant zabezpieczenia obciążenie gruntem gruboziarnistym -krzywa depresji, 2-obszar ewentualnego wyparcia, 3-warstwy obciążające
Wyparcie hydrauliczne gruntu na skarpie odpowietrznej wału Siła filtracji f jest to siła na jednostkę objętości gruntu wywierana na szkielet gruntowy przez przepływającą wodę: f = i γ w γ w i max + γ ' sinα γ ' cosα tanφ' imax = I A = sinα ( γ + γ ') sinα γ ' cosα tan ' w φ ( γ + γ ') w cotα = m γ ' tanφ'
Zasady zabezpieczania podłoża gruntowego przed szkodliwym działaniem filtracji Środki, którymi zabezpiecza się grunty przed szkodliwym działaniem filtracji można podzielić na dwie grupy.. Sposoby zabezpieczeń zmniejszających spadek hydrauliczny (wydłużenie drogi filtracji), 2. Konstrukcje gruntowe zwane filtrami odwrotnymi.
Przykłady przebudowy wałów Wisły w rejonie Płocka Przebudowa korpusu wału Wisły w Dolinie Iłowsko-Dobrzykowskiej, -wał istniejący, 2-dobudowana część korpusu, 3-droga na ławie, 4-filtr pasmowy na włókninie Przebudowa korpusu wału Wisły w Dolinie Ośnickiej, -wał istniejący, 2-dobudowana część korpusu, 3-droga na ławie, 4-drenaż rurowy owinięty włókniną filtracyjną
Filtr odwrotny - jeśli woda przepływa kolejno przez np. trzy warstwy gruntu o coraz większym współczynniku filtracji, to przy założeniu ciągłości przepływu można napisać zależność: v = k = i = k2i2 k3i3 gdzie: v - prędkość [m/s], k, k 2, k 3 - współczynnik filtracji w poszczególnych warstwach [m/s], i, i 2, i 3 - spadki hydrauliczne w poszczególnych warstwach k 3 i 3 k 2 i 2 k i
Wały przeciwpowodziowe drenaż skarpy odpowietrznej Zasady działania filtru odwrotnego a) schemat działania, b) układ ziaren (D (II) ) w pierwszej warstwie filtru odwrotnego; -grunt chroniony o średnicy ziaren (D (I) ), 2-warstwy filtru odwrotnego, 3-drenaż, d-średnica porów w pierwszej warstwie filtru, t - grubość warstwy filtru ) cząstki gruntu chronionego nie przenikają do porów pierwszej warstwy filtru, 2) ziarna warstwy filtru nie mogą przechodzić przez pory następnej warstwy filtru, 3) ziarna ostatniej warstwy filtru nie powinny dostawać się do drenażu. W projekcie filtru odwrotnego należy określić ilość warstw, ich grubości i wielkości (średnice) ziaren w poszczególnych warstwach.
Wały przeciwpowodziowe drenaż skarpy odpowietrznej Rodzaje drenaży wału przeciwpowodziowego: a) płaski (pasmowy), b) połączenie drenażu płaskiego z rurowym, c) drenaż pryzmowy trójkątny, d) drenaż pryzmowy z ławeczką, e) drenaż skarpowy, f) odmiana drenażu skarpowego; -krzywa drepresji. Uwaga! Podane wymiary na rys. a) i b) odnoszą się do konkretnych wałów o wys. 6,0 m i 5,5 m.
Filtr odwrotny - zadania Dany jest blok gruntu o wymiarach xx m wycięty z uwarstwionego poziomo gruntu. Blok składa się z 3 warstw o grubościach h = h 2 = h 3 = /3 m posiadających współczynniki przepuszczalności: k ; k 2 ; k 3. Obliczyć zastępczy współczynnik filtracji dla tego pakietu trzech warstw: a) dla przepływu pionowego, prostopadle do płaszczyzn kontaktu b) dla przepływu poziomego równoległego do powierzchni styku Obliczyć wydatek Q przez blok wielowarstwowy na m 2 przekroju poprzecznego do kierunku przepływu.
Filtr odwrotny - zadania Filtracja pionowa prostopadle do warstw v = k = i = k2i2 k3i3 gdzie: v - prędkość [m/s], k, k 2, k 3 - współczynnik filtracji w poszczególnych warstwach [m/s], i, i 2, i 3 - spadki hydrauliczne w poszczególnych warstwach ( h ) + h2 + h3 = hi + h2i2 h3i3 i +
Filtr odwrotny - zadania Filtracja pozioma równolegle do warstw i i = i = i = = 2 3 const gdzie: v - prędkość [m/s], k, k 2, k 3 - współczynnik filtracji w poszczególnych warstwach [m/s], i, i 2, i 3 - spadki hydrauliczne w poszczególnych warstwach Q = Q + + Q2 Q3
Wyparcie filtracyjne podłoża od strony zawala