1. Pojęcia ogólne

2. Typy budowli upustowych

3. Kształty przekroju krawędzi przelewowych

4. Kształty planu krawędzi przelewowych

5. Cechy charakterystyczne budowli wodnych:

6. Procedura projektowa

7. Kryteria lokalizacji zbiorników:

8. Zbiorniki

9. Wybór typu upustu

10. Rodzaje upustów

11. Upusty wieżowe zespolone

12. Upusty stokowe

13. Upusty czołowe

14. Jazy

15. Upusty rurowe

16. Upusty lewarowe

17. Mnichy

18. Obliczanie falowania na zbiornikach wodnych

19. Abrazja

20. Zastosowanie badań modelowych w projektowaniu obiektów hydrotechnicznych

21. Elementy funkcjonalne i konstrukcyjne budowli wodnych

22. Zasady prowadzenia badań modelowych

23. Skale podobieństwa:

24. Liczby podobieństwa dynamicznego:

25. Schematy koryt zbiorczych do obliczeń hydraulicznych

26. Bystrza

27. Elementy szorstkości

1. Pojęcia ogólne

Budowla hydrotechniczna - urządzenie wodne stosowane w inżynierii wodnej

Budowla piętrząca - budowla umożliwiająca stałe lub okresowe utrzymywanie wzniesionego ponad przyległy teren lub akwen zwierciadła wody bądź substancji płynnej (zapory ziemne, jazy, upusty, przelewy, spusty)

Budowla upustowa - budowla piętrząca umożliwiająca przepuszczenie wód oraz regulowanie ich poziomu lub przepływu (jazy, upusty, przelewy, spusty)

Upust zbiornikowy - budowla upustowa służąca do przepuszczania wód ze zbiornika celem usunięcia jej nadmiaru, obniżenia zwierciadła wody, zasilenia rzeki poniżej zbiornika, opróżnienia zbiornika (jazy, upusty, przelewy i spusty, mnichy)

Wielka zapora - budowla o wysokości nie mniejszej niż 15 m od poziomu posadowienia albo o wysokości od 5 do 15 m przy jednoczesnej pojemności zbiornika przekraczającej 3 mln m³

2. Typy budowli upustowych

a) obiekty korytowe ; b) obiekty dolinowe (stałe, ruchome) ; c) obiekty są w zaporze ; d) obiekty są poza zaporą (obiekty powierzchniowe, ciśnieniowe (wgłębne))

3. Kształty przekroju krawędzi przelewowych

1) prostokątna, 2) trapezowa - ścięta od wewnątrz, 3) trapezowa - ścięta od zewnątrz, 4) półkolista oraz: koszowa, lejowa, o szerokiej koronie

4. Kształty planu krawędzi przelewowych

1) kołowy, 2) rozeta, 3) labiryntowy - koryto zbiorcze, 4)czworokątny - prostokątny, 5) wieloboczny - sześciokątny

5. Cechy charakterystyczne budowli wodnych:

1) oddziaływanie statyczne wody na budowle w postaci parcia hydrostatycznego i wyporu ; 2) oddziaływanie dynamiczne wody na budowlę w postaci parcia hydrodynamicznego, falowania i uderzeń hydraulicznych ; 3) oddziaływania wody na budowlę wynikające z jej użytkowania ( falowanie od taboru płynącego) ; 4) oddziaływanie płynącej wody i towarzyszące temu zjawiska korozji mechanicznej i chemicznej, erozji dna i brzegów, sufozji w podłożu ; 5) oddziaływanie zjawisk towarzyszących przepływowi wody w ośrodku gruntowym pod i wokół budowli ; 6) niepowtarzalność rozwiązań konstrukcyjnych i sytuacyjnych ; 7) koszty ruchomych zamknięć piętrzących ; 8) warunki i bezpieczeństwo budowy ; 9) skutki zniszczeń i awarii ; 10) zmiana reżimu przepływu wody w cieku i zmiana warunków wodnych na terenach przyległych ; 11) specyficzne warunki posadowienia

6. Procedura projektowa

a) lokalizacja (parametry terenowe) ; b) parametry projektowe ; c) obciążenia ; d) wymagania locji ; e) wymagania eksploatacji ; f) wybór wariantu

7. Kryteria lokalizacji zbiorników:

1) administracyjne ; 2) organizacyjne ; 3) finansowe ; 4) oddziaływanie na gospodarkę ; 5) oddziaływanie na środowisko ; 6) zagadnienia kulturowe ; 7) warunki topograficzne ; 8) możliwość gromadzenia wody

8. Zbiorniki

Kryteria lokalizacji zbiorników: 1) administracyjne ; 2) organizacyjne ; 3) finansowe ; 4) oddziaływanie na gospodarkę ; 5) oddziaływanie na środowisko ; 6) zagadnienia kulturowe ; 7) warunki topograficzne ; 8) możliwość gromadzenia wody

Parametry charakteryzujące zbiornik: 1) krzywa ; 2) powierzchnia zalewu ; 3) długość linii zalewu

4) objętość

Funkcje zbiorników: 1) krajobrazowa ; 2) ekologiczna ; 3) nawodnieniowa ; 4) energetyczna ; 5) rekreacyjna ; 6) wędkarska ( hodowla ryb )

9. Wybór typu upustu

1) Sposób wyboru 2) Kryteria wyboru 3) Rodzaje upustów 4) Warunki sterowania Ad.1 a) subiektywnie na podstawie doświadczenia i wiedzy wybierającego, stosowana do niewielkich budowli b) przez wyselekcjonowanie z większej ilości wstępnie rozpatrywanych upustów dwóch lub rzadziej trzech do szczegółowego porównania techniczno-ekonomicznego, stosowana do dużych budowli zmniejsza ryzyko nietrafności wyboru c) na podstawie wyników analizy systematycznej tzn. przez poszukiwanie warunków optymalnych wśród możliwych do zastosowania rozwiązań technicznych, aby dokonać wyboru potrzebne jest matematyczne sformułowanie funkcji celu oraz różnego warunków i ograniczeń. Funkcja celu jest zwykle minimum sumy kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych w przewidzianym okresie użytkowania upustu a ograniczeniem np. wymaganiami uzyskania żądanej zdolności przepustowej i określonych współczynników stateczności, niedostępnością niektórych wyposażeń i materiałów. Każde ograniczenie opisuje się matematycznie. Ad.2 a) Warunki ograniczenia wyboru: - zdolność przepustowa, - wysokość piętrzenia, - pojemność zbiornika, - wymagania odnoszące się do czasu budowy, metody realizacji i czasu eksploatacji, - warunki klimatyczne, topograficzne, hydrogeologiczne, gospodarcze, - inne warunki b) Trudności wyboru: - duża różnorodność stosowanych w praktyce rodzajów upustów, - duży zbiór konstrukcji do wyboru, - konieczność uporządkowania i stworzenia systematyki upustów, - różnorodność sposobów przeprowadzania wody, - różne warunki hydrauliczne działania, - opracowanie zestawień możliwych kombinacji rozpatrywanych rozwiązań Ad.3 Rodzaj upustu - grupa różniąca się rozwiązaniami konstrukcyjnymi i hydraulicznymi warunkami działania, czyli problem przeprowadzania wód. Kryteria podziału upustów na grupy: - konstrukcyjne, - funkcje, - przeciążalność, - położenie w dolinie w względem koryta rzeki, - łączenie różnych funkcji. Główne rodzaje upustów: - upusty zespolone wieżowe, - upusty samodzielne (rozczłonkowane) np wieżowe, jazy, mnichy Ad.4 Upusty zespolone wieżowe - w jednej konstrukcji łączą przelew do przeprowadzania wielkich wód, spust i ujęcie wody. Cechy: a) spusty wbudowane w więżę wprowadzają wodę do leżaka, komora od strony wody górnej sucha lub mokra dostępna z kładki łączącej wieżę spustów z koroną zapory lub rzadziej od strony wody dolnej przez galerię komunikacyjną pod zaporą b) przelew z komorą na normalnym poziomie piętrzenia, umieszczony na wieży, gdy zapora jest wysoka (upusty wieżowe kielichowe lub lejowe) przy niskich zaporach (upusty cylindryczne) Zalety: a) koncentracja robót betonowych, odwodnieniowych, ziemnych i montażowych w jednym miejscu b) możliwość wykorzystania leżaka do przeprowadzania wód budowlanych c) stale otwarty automatycznie działający przelew bez zamknięć d) nieprzeciążalność przelewu, warunkiem jej jest niezatopienie przelewu i utrzymanie w leżaku swobodnego zwierciadła wody e) jedno tylko przecięcie zapory f) brak ograniczeń sterowania upustu z uwagi na wysokość oraz zdolność przepustową g) niewielkie rozmiary fundamentu h) niskie koszty i) skrócenie okresu budowy j) uproszczenie wykonawstwa Wady: a) konieczność stosowania skomplikowanego niekiedy systemu napowietrzania b) obawy przed zagrożeniami powodowanymi drganiem upustu c) trudność skonstruowania połączeń z uszczelnieniem zapory d) skomplikowanie konstrukcji budowli zespolonej e) ograniczenie czasu budowy f) niekorzystne warunki posadowienia g) niedopuszczalność przecięcia korpusu zapory Zalecenia stosowania: a) dla zdolności przepustowych mierzonych w tysiącach m3/s b) przy wysokościach kilkudziesięciu metrów c) w dużych zbiornikach wodnych d) przy wysokości 8-10 m e) w małych zbiornikach rolniczych

10. Rodzaje upustów

1) upusty zespolone wieżowe. 2) upusty samodzielne: a) wieżowe ; b) stokowe ; c) czołowe ; d) jazy ; e) rurowe ; f) lewary ; g) mnichy

11. Upusty wieżowe zespolone

1) zwykle bez zamknięć ( NPP przez przelew ) ; 2) gdy zapora stosunkowo wysoka ; 3) przelew kołowy otwarty, kołowy zamknięty, prostokątny, wielokątny lub inny ; 4) spust wbudowany w wieżę

Zalety: a) koncentracja robót upraszcza czas i koszt realizacji ; b) małe fundamenty ; c) tylko jedno przecięcie zapory ; d) automatyczne działanie stale otwartego przelewu

Wady: a) niedopuszczalność przecięcia zapory ; b) ograniczony czas budowy ; c) komplikacja konstrukcji budowli zespolonej ; d) warunki fundamentowe ; e) uszczelnienie przy zaporze

12. Upusty stokowe

Rodzaje: a) z wlotem czołowym ; b) zbiorcze ; c) eliptyczne ; d) z wlotem pilastym ; e) z wlotem labiryntowym

Upusty stokowe z wlotami w kształcie: a) wlotów czołowych, b) koryt zbiorczych, c) przelewów eliptycznych, d) przelewów pulastych, e) przelewów labiryntowych. Do pkt. c), d), e) daje się koryta z wlotem szerokim.

Kształty wlotów: a) poziomy, b) z przelewem prostoliniowym: - czołowym, - półkolistym, - grzebieniowym (pulastym), c) o kształcie eliptycznym z elementem rozdzielającym

Charakterystyka: a) na dużych zbiornikach ; b) wlot z przelewem różnie ukształtowanym w planie, w przybliżeniu prostopadły do osi podłużnej upustu lub do niej równoległy ; c) kanał odprowadzający (bystrza lub kaskady stopni) biegnące na zboczu w miarę możliwości bez załamań trasy i profilu dna; koryto bystrza ma zwykle przekrój prostokątny; gdy prędkość przepływu w nim przekroczy dopuszczalną, stosuje się sztuczną szorstkość ; d) stosuje się urządzenia do rozpraszania energii;

Zalecenia stosowania: a) na dużych i małych zbiornikach ; b) dla dowolnie dużych parametrów przepustowych i spadów ; c) wysokość od 4 do 6 m ; d) na zboczach nieosuwiskowych, niezbyt urozmaiconych i niezbyt stromych, gdy spadek dna bystrza nie przekracza 0,15÷0,20 ; e) przepływy obliczeniowe 25-50 m³/s ; f) zamiast bystrza można stosować kaskadę stopni;

13. Upusty czołowe

Wady: a) duża długość przelewu upustu; obawy przed przesiąkami w styku między gruntem, a korpusem zapory ; b) stosowane gdy wysokość nie przekracza 15 m ; c) raczej dla dużych zbiorników ; d) przelew czołowy którego ściany są wysunięte w zbiornik;

Przelewy czołowe o powierzchni zlewowej ukształtowanej wg Gregora lub wg innych podobnego rodzaju współrzędnych. Występuje przelew łukowy lub wieloboczny w planie, założony wysoko na skarpie odwodnej i następującym za nim odcinkiem kanału odpływowego, w którym nastąpić powinno zatopienie odskoku; kanał ten przechodzi następnie w bystrze posadowione na skarpie odpowietrznej. Upust czołowy centralny na płaszczyźnie korony i skarpy wykonany z narzutu kamiennego zalanego bitumem i ułożonego na filtrze odwrotnym, z którego woda odpływa przewodem drenażowym wyprowadzonym przez narzut na powierzchnię.

14. Jazy

Zalecenia stosowania: a) gdy niedopuszczalne jest przekroczenie NPP ; b) dokładna regulacja położenia zwierciadła wody ; c) potrzeba częstego odprowadzenia ciał pływających ze zbiornika ; d) jaz powinien być co najmniej dwuprzęsłowy ; e) światło każdego przęsła powinno być >2m ; f) rozwiązanie dla zbiorników jeziornych;

15. Upusty rurowe

Wymagana budowa upustu awaryjnego lub znaczna pojemność zapasowa zbiornika;

Zalecenia stosowania: a) zalecany gdy potrzeba przeprowadzić budowę w krótkim czasie ; b) stosowany gdy brak możliwości realizacyjnych innych rodzajów urządzeń do przeprowadzania wielkich wód ; c) zdolność upustowa rzędu 10 ÷ 15 m³/s ; d) wysokość piętrzenia nie stanowi ograniczenia;

16. Upusty lewarowe

Przeprowadzają wodę nie przecinając korpusu w jego najwyższej części;

Zalety: a) nie przecina korpusu zapory poniżej linii depresji ; b) możliwość wykonania już po wybudowaniu zapory ; c) eliminacja groźby przesiąków wzdłuż rury ; d) duża zdolność przepustowa ; e) małe zapotrzebowanie na przestrzeń ; f) szybkośći prostota budowy;

Wady: a) są nieprzepuszczalne ; b) łatwo zatkać ciałami pływającymi ; c) obmarzają zimą ; d) wymagają bardzo starannego wykonania ; e) uruchamiane i wyłączane szybko powodują powstawanie fal w górnym, a szczególnie dolnym stanowisku;

Zakres zastosowania: a) gdy niezbędna jest budowa upustu po wykonaniu zapory ; b) gdy nie dopuszcza się możliwości przecięcia korpusu zapory;

17. Mnichy

Ten typ upustu stosuje się przed zaporą po jej stronie odwodnej, rzadziej w pobliżu środka jej korpusu, szczególnie gdy są one wysokie. Regulacja stanów wody i opróżniania zbiornika następuje przez zdejmowanie desek zwanych szandorami;

Zakres zastosowania: a) do bardzo małych zbiorników ; b) wysokość piętrzenia rzędu 3 ÷ 5 m ; c) zdolność przepustowa 1 m³/zbiorników ; d) dla zbiorników przez które nie są prowadzone wielkie wody ; e) stosowane budowle pomocnicze, wloty i wyloty;

Z przelewem powierzchniowym:

Z przelewem dennym:

18. Obliczanie falowania na zbiornikach wodnych

Falowanie - wystąpienie ruchu okresowego na powierzchni zwierciadła wody

Parametry fal: a) grzbiet fali (szczyt fali - max) ; b) dolina fali (dno fali - min) ; c) spiętrzenie eoliczne;

Dane potrzebne do obliczania falowania:

1) geodezyjne: a) mapa zbiornika ; b) plan sytuacyjno-wysokościowy ; c) przekroje czaszy zbiornika. 2) dane meteorologiczne: a) kierunki wiatrów ; b) prędkości wiatrów. 3) dane dotyczące poziomu wody:a) poziom wody ; b) głębokość zbiornika ; c) długość rozbiegu fali ; d) wysokość fal ; e) ukształtowanie dna w pobliżu brzegów. 4) dane dotyczące ograniczeń obszaru falowania ; a) budowli wodnych ; b) brzegów i umocnień.

Na kształtowanie fali ma wpływ wiatr z obszaru określonego po 45º z każdej strony promienia wyznaczającego główny kierunek oddziaływania wiatru. Określa się głębokość średnią wzdłuż promienia liczoną jako iloraz pola i długości, miarodajną wysokość fali h_1% (fala o maksymalnej wysokości, która w danej serii powtarza się raz na sto), współczynnik skośności, wysokość wtaczania fali.

Na kształtowanie fali ma wpływ wiatr z obszaru określonego po 45º z każdej strony promienia wyznaczającego główny kierunek oddziaływania wiatru;

Miarodajna prędkość wiatru: W₁₀^w=K₁K₂W_b^L, gdzie: W_b^L - max prędkość wiatru nad lądem na wysokości b o p-stwie wystąpienia przyjętym w zależności od klasy budowli;

Długość rozbiegu fali:

Miarodajna głębokość zbiornika:
, głębokość średnią wzdłuż promienia liczoną jako iloraz pola i długości;

Miarodajna wysokość fali: h=h_1% to fala o maksymalnej wysokości, która w danej serii powtarza się raz na sto; obliczanie wysokości fal o różnym prawdopodobieństwie wystąpienia: -dla fali płytkowodnej: h_p1=K_rh_p2; - dla fali głębokowodnej: h_p2=(h_p1/k_p1)k_p2 lub h_g=h_g1% - odczytane z nomogramu;

Długość fali: - głębokowodnej: l_g=l_g1%=(h_g1%/h_g), gdzie h_g - wsp. skośności fali; - płytkowodnej: l_p=l_p1%=(h_p1%/h_p);

Wydajność fali płytkowodnej:
; h_1%, l_1% - odpowiednio wysokość i długość fali;

Spiętrzenie eoliczne:
;

współczynnik skośności: n =

wysokość wtaczania fali: h_w = h_1% · 2 · K · ³
· tgα

Głębokość krytyczna zbiornika: - zbiorniki głębokie: H>(l_p/2); - zbiorniki płytkie: H<( l_p/2);

Parametry fali w strefie przybrzeżnej o głębokości od l_f/2 do H_kr: stromość fali rośnie od n=h/l do n_kr=h_kr/l_kr i dalej następuje załamanie jej grzbietu; (h_1%/l_2%)<( h_kr/l_kr) = 0,142, głębokość krytyczna: H_kr=1,28h_kr=0,218l_f1%; krytyczna długość fali: L_kr=2,1l_1%=1,87T²;

Wysokość fali jest podstawą do obliczenia rzędnej korony budowli wodnej;

19. Abrazja

Jest to proces rozmywania brzegów zbiorników wodnych pod wpływem działania fal wywołanych wiatrem

Prognoza deformacji brzegów zbiornika: 1) określenie głębokości na jaką fale deformują dno ; 2) określenie ostatecznego kąta założenia mielizny ; 3) określenie rozwoju procesu deformacji

Miara abrazji: 1) szerokość rozmytego brzegu ; 2) intensywność abrazji ; 3) czas trwania abrazji ; 4) kąt podejścia fali do brzegu

Rodzaje brzegów zbiorników wodnych: 1) ustabilizowany ; 2) nieustabilizowany ; 3) abrazyjno-obsunięciowy ; 4) abrazyjno-osuwiskowy ; 5) abrazyjno-denudujący

Zabezpieczanie przeciwko abrazji: 1) wydmy naturalne ; 2) wyprofilowane wydmy naturalne ; 3) wydmy sztuczne ; 4) techniczne zabezpieczanie skarp wydm ; 5) umacnianie skarp wydm, sztuczna plaża

20. Zastosowanie badań modelowych w projektowaniu obiektów hydrotechnicznych

a) obiekty gospodarki wodnej i ich elementy ; b) zasady prowadzenia badań modelowych ; c) modelowe badania prototypu przelewu pomiarowego ; d) modelowe badania prototypu koryta pomiarowego ; e) modelowe badania eksperymentalne

21. Elementy funkcjonalne i konstrukcyjne budowli wodnych

Doprowadzenie: 1) Kanał doprowadzający ; 2) Wcinka brzegowa ; 3) Czasza zbiornika ; 4) Skrzydełka. Wlot: 1) Czołowy ; 2) Rozwinięty w planie ; 3) Koryto zbiorcze. Przeprowadzenie: 1) Kanał otwarty (leżak): o małym spadku, o dużym spadku ; 2) Przewód zamknięty: ciśnieniowy (o małym spadku, o dużym spadku), bezciśnieniowy. Wylot: 1) Odrzucające wodę: odskocznie, pomosty ; 2) Przytrzymujące wodę przy budowli: otwarte (niecka, próg, niecka z progiem), zamknięte (komory rozpraszające, urządzenia wirowe). Odprowadzenie: 1) otwarty kanał zrzutowy

22. Zasady prowadzenia badań modelowych

Modelowanie: 1) Myślowe: Procesy obejmujące cykl projektowania, realizację i eksploatację obiektu w skali rzeczywistej ; 2) Fizyczne: Odwzorowany jest cały obiekt w skali (rzeczywistej dla małych obiektów ; zmniejszonej dla dużych obiektów) ; Odwzorowana jest część obiektu: rzeczywistego, eksperymentalnego ; 3) Analogowe: w badaniach wykorzystywane są podobieństwa zjawisk ; 4) Matematyczne: model i zjawiska przepływu opisuje się dającym się rozwiązać równaniem matematycznym → Obiekt hydrotechniczny powstaje w rezultacie tych wszystkich modeli

23. Skale podobieństwa:

Podobieństwo geometryczne - dwa układy są geometrycznie podobne, gdy stosunek między długościami wszystkich odpowiadających sobie odcinków w obu układach powstaje stały stosunek. Stosunek ten nazywamy skalą podobieństwa geometrycznego albo skalą długości.

Podobieństwo kinematyczne - warunek podobieństwa kinematycznego wymaga aby oprócz spełnienia podobieństwa geometrycznego brył, ścian, torów cząstek, linii prądu itp. Również przesunięcia wzdłuż odpowiadających sobie odcinków odbywały się w obu układach w stosunku równym do skali czasu

Podobieństwo dynamiczne - warunek podobieństwa dynamicznego wymaga, aby było spełnione podobieństwo geometryczne i kinematyczne oraz stosunki wszystkich odpowiadających sobie sił były równe.

24. Liczby podobieństwa dynamicznego:

Liczba Frude'a - określa stosunek energii kinematycznej cieczy do energii potencjalnej potrzebnej do odchylenia (wymuszenia) przepływającej cieczy.

v - prędkość przepływu płynu

g - siła ciężkości

L - wymiar

Liczba Reynoldsa - jest kryterium do wyznaczenia charakterystyki przepływu wszelkich płynów nieściśliwych

L - wymiar charakterystyczny

Vv - prędkość charakterystyczna płynu

ν - lepkość

Liczba Webera - wyraża stosunek sił bezwładności do sił napięcia powierzchniowego

25. Schematy koryt zbiorczych do obliczeń hydraulicznych

a) koryto w planie…….i w przekroju…….., b) koryto w planie…….i w przekroju…….., c) koryto w planie…….i w przekroju…….., d) koryto w planie…….i w przekroju……..

Podstawową cechą jest zmiana dopływu na długości. Czasem robi się skośne dno, żeby parametry ruchu w tym przekroju były jak na odcinku prostym.

26. Bystrza

Do obliczeń dzielimy bystrze na bystrza cząstkowe:

(1) tak by wyglądał normowy układ lustra wody ; (2) po podziale na bystrza cząstkowe, lustro wody w każdym bystrzu układa się na tym samym poziomie.

Układ wody liczy się jak dla układu wolnozmiennego. Jeśli zmienia się spadek koryta zbiorczego lub bystrza to lepiej go zwiększyć.

Przekrój na wlocie:

Dylatacje:

Na bystrzu stosowane są sposoby na nie przekroczenie prędkości dopuszczalnej, (Vdop=5m/s):

a) zwiększa się napełnienie w bystrzu, b) elementy sztucznej szorstkości, c) napowietrzenie strumienia.

Bystrza są z prefabrykatów, na miejscu się je tylko łączy:

Rodzaje przepływów w bystrzu:

Zwykle jest takie:

(1) ubezpieczenie górne ; (2) wlot ; (3) koryto ; (4) wylot ; (5) ubezpieczenie dolne

27. Elementy szorstkości

TU JEST W HUJ RYSUNKÓW (DOKŁADNIE 10) KTÓRYCH NIE CHCE MI SIĘ RYSOWAĆ W CADZIE KAŻDY SOBIE NARYSUJE SAM (JT)

---