Politechnika Śląska

Wydz. Inżynierii Środowiska i Energetyki

Budownictwo Wodne

PROJEKT JAZU

DLA RZEKI WARTY

PROFIL: DZIAŁOSZYN

Prowadząca: dr hab. inż. Ewa Zielewicz Wykonała: Barbara Pyrek

Prof. W Politechnice Śląskiej Wydział: ISiE

Kierunek: Inżynieria Środowiska

Specjalność: Wodociągi i kanalizacja

Rok: I Semestr: I

(studia II-go stopnia)

Gliwice

Rok akademicki 2011/2012

SPIS TREŚCI

Opis techniczny 4

I. Cel projektu i zakres projektu 4

II. Założenia do projektu 4

III. Opis obiektu 4

IV. Klasa budowli 5

V. Metodyka projektowania – dodatkowe informacje 5

Obliczenia hydrologiczne rzeki 6

I. Prawdopodobieństwo wystąpienia przepływu 6

II. Opisanie analizowanej próby losowej za pomocą statystyki opisowej 7

II.I. Miara położenia 7

II.II. Miara zmienności 7

II.III. Miara asymetrii 7

III. Przepływy maksymalne o danym prawdopodobieństwie 8

Obliczenia hydrauliczne 10

I. Dane początkowe 10

II. Sprawdzenie warunków 10

III. Przepływ poszczególnych części jazu 10

III.I. Część ruchoma 10

III.II. Część stała 11

IV. Przepływy rzeczywiste 11

V. Długości części stałej i ruchomej jazu 11

V.I. Wartości początkowe 11

V.II. Wysokość warstwy przelewowej 12

V.III. Rzędna korony jazu 12

IV. Odskok hydrauliczny 13

IV.I. Wysokość energii całkowitej E₀ dla przepływu przez część stałą 13

IV.II. Pierwsza wysokość sprzężona 13

IV.III. Pierwsza prędkość sprzężona 13

IV.IV. Liczba Freuda 13

IV.V. Druga wysokość sprzężona 14

IV.VI. Sprawdzenie wystąpienia odskoku hydraulicznego 14

IV.VII. Długość niecki wypadowej 14

VI. Obliczanie umocnień jazu 14

VI.I. Umocnienie od strony wody górnej 14

VI.II. Umocnienie od strony wody dolnej 15

VII. Wymagana droga filtracji 15

VIII. Parametry śluzy odprowadzającej wodę przemysłową 16

VIII.I. Obliczenia wymiarów wlotu 16

VIII.II. Kraty 16

VIII.III. Prędkość minimalna 16

VIII.III. Straty wg wzoru Kirschmera 17

IX. Stateczność 17

IX.I. Ciężar doku 17

IX.II. Ciężar filarów 18

IX.III. Ciężar wody na stanowisku górnym 18

IX.IV. Ciężar wody na stanowisku dolnym 19

IX.V. Parcie filtracyjne 19

IX.VI. Parcie wody gruntowej pod budowlą 20

IX.VII. Parcie wody na stanowisku górnym 20

IX.VIII. Obliczenie parcia wody na stanowisku dolnym 20

IX.IX. Współczynnik bezpieczeństwa na przesunięcie 21

X. Sprawdzenie stateczności budowli na obrót dookoła krawędzi płyty 21

X.I. Obliczenie ramienia działania siły parcia pochodzącej od wody górne 21

X.II. Obliczenie ramienia działania siły parcia pochodzącej od wody dolnej 22

X.III. Obliczenie ramienia wypadkowego 22

X.IV. Obliczenie ramienia siły 22

X.V. Sprawdzenie stateczności budowli na obrót dookoła krawędzi płyty 22

XI. Zasięg cofki 23

XII. Obliczanie profilu Creager’a 23

XI.I. Wysokość energii przepływu H₀ kształtującego profil 23

Rysunki:

• Rzut jazu

• Przekrój podłużny jazu przez część ruchomą jazu

• Przekrój podłużny jazu przez część stałą jazu

• Przekrój poprzeczny z widokiem od strony wody górnej

• Przekrój poprzeczny z widokiem od strony wody dolnej

Opis techniczny

1. Cel projektu i zakres projektu

Celem projektu jest koncepcja jest koncepcja jazu wraz z projektem śluzy dla doprowadzenia wód do zakładów przemysłowych. Konstrukcja projektowana jest na rzece Warcie w profilu Dobrzyce.

Projekt obejmuje swoim zakresem obliczenia hydrologiczne dla przyjętego przekroju wodowskazowego oraz obliczenia jazu, do których zalicza się:

• obliczenia hydrauliczne jazu,

• obliczenia umocnień od strony wody górnej i dolnej,

• obliczenie filtracji,

• profil części stałej jazu,

• określenie parametrów śluzy odprowadzającej wodę przemysłową,

• obliczenia stateczności jazu,

• obliczenia zasięgu cofki hydraulicznej.

2. Założenia do projektu

Rzeka w miejscu budowy jazu ma prowadzić przy stanie normalnym wodę w ilości Q_50%=19,83 m³/s. Przepływ miarodajny o prawdopodobieństwie występowania p=3% wynosi Q_3%=37,67 m³/s.

W przekroju rzeki należy zaprojektować budowlę piętrzącą, mającą za zadanie spiętrzyć wodę Q₅₀ do wysokości h_50sp=0,15 m do rzędnej Z_50sp=1,37 m n.p.m. Spiętrzenie ma na celu odprowadzenie wody w ilości Q_p=0,01Q_50% do kanału odpływowego kierującego wodę do zakładu przemysłowego.

Rzędna dna wlotu śluzy znajduje się na wysokości h₃=0,5m, nad rzędną dnem jazu. Przyjęto rzędną dna Zd = 0,00 m n.p.m.

3. Opis obiektu

Projektowany jaz z zamknięciem jest budowlą klasy III. Zasadniczymi elementami jest korpus, składający się z dwóch przyczółków oraz progu piętrzącego o kształcie praktycznym. Pozostałe elementy to 3 zamknięcia płaskich ślizgowych jednopłytowych
o szerokości 3,0m, pięciu filarów z dodatkowymi zamknięciami remontowymi. Przy obiekcie znajduje się śluza służąca do poboru wody na cele przemysłowe.

Zastosowano próg piętrzący o kształcie praktycznym, przelew Creager’a. Wysokość piętrzenia to 0,15 cm. Fundament progu sięga na głębokość 80 cm poniżej dna rzeki w stanowisku górnym.

Przed progiem piętrzącym zastosowano umocnienie z płyt żelbetowych o grubości 30 cm. Zamknięcia wykonano jako stalowe zasuwy, które podnoszone będą za pomocą suwnicy umieszczonej powyżej zamknięcia. W celu uniknięcia wymywania dna, przewidziano zabezpieczenie poniżej progu piętrzącego w postaci niecki wypadowej. Niecka będzie wykonana z płyt żelbetowych o grubości 30cm.

Wymiary niecki:

• Długość - 8,3 m

• Głębokość - 50 cm.

4. Klasa budowli

Według aktualnego rozporządzenia¹, projektowany jaz zaliczany jest do III klasy ważności.

Współczynniki bezpieczeństwa dla tej klasy budowli wynoszą:

• dla obciążeń podstawowych – 1,1

• dla obciążeń wyjątkowych – 1,05

Na podstawie tabeli 5 ww. rozporządzenia ustalono, że jaz powinien mieć zapewnione bezpieczeństwo przy wezbraniach o następujących prawdopodobieństwach:

• przepływ miarodajny Q_m – 3,0 % = 37,67 m³/s;

• przepływ kontrolny Q_k– 1,0 % = 44,63 m³/s.

5. Metodyka projektowania – dodatkowe informacje

• Według obliczeń wystarczająca szerokość filarów jazu to 0,3 m, jednak ze względu na ciężar zasuw i zamknięć wodnych (którego nie uwzględniono w obliczeniach), szerokość każdego z filarów poszerzono o 0,5m. Ostatecznie szerokość filarów wynosi 0,7m. Wymiary zostały przedstawione na rysunkach.

• Podczas projektowania nie uwzględniono przewidywanego w wyniku erozji obniżenia dna rzeki na dolnym stanowisku.

• W celu rozproszenia energii wody zastosowano nieckę wypadową. Niecki wypadowe stosuje się w celu zatopienia odskoku lub skoncentrowania strugi w pobliżu przelewu. Długość wypadu jest sumą długości niecki wypadowej oraz długości ubezpieczeń dodatkowych. Długość wypadu ustalono na podstawie obliczeń wykonanych dla przepływu Q_3%.

• Właściwą drogę filtracji określono za pomocą metody Bligh'a-Lane. Metoda ta zakłada:

• zjawisko filtracji jest „płaskie”,

• podłoże pod budowlą stanowi grunt jednorodny,

• w obszarze filtracji można stosować prawo Darcy’ego,

• zachowana jest ciągłość przepływu

Obliczenia hydrologiczne rzeki

1. Prawdopodobieństwo wystąpienia przepływu

Z każdego tygodnia w roku, wyciągnięto największą występującą wartość przepływu. Obliczono prawdopodobieństwo ich występowania korzystając ze wzoru:

Gdzie:

- prawdopodobieństwo przepływu [%]

– liczba porządkowa

– liczba elementów w ciagu

Dla każdego przepływu odczytano z rocznika hydrologicznego odpowiadający mu stan wody w rzece. Całość zestawiono poniżej:

Tabela 1. Prawdopodobieństwa występowania przepływów i odpowiadajace im stany wody.

lp.	Qmax [m3/s]	p [%]	H [cm]
1	35,5	0,9	159
2	35,5	2,8	159
3	34,5	4,7	160
4	34,5	6,6	158
5	31,5	8,5	157
6	28,6	10,4	140
7	28,3	12,3	142
8	28,1	14,2	148
9	28	16,0	135
10	27,1	17,9	124
11	26,5	19,8	144
12	26,2	21,7	135
13	26,2	23,6	132
14	25,3	25,5	138
15	25,3	27,4	135
16	25,2	29,2	128
17	25,1	31,1	135
18	25	33,0	140
19	24,9	34,9	134
20	24,7	36,8	130
21	24,2	38,7	133
22	23,6	40,6	122
23	23,1	42,5	130
24	22,6	44,3	133
25	22,6	46,2	133
26	22,5	48,1	122
27	20,5	50,0	116
28	20,2	51,9	122
29	20,1	53,8	134
30	20	55,7	118
31	19,2	57,5	121
32	19,2	59,4	115
33	18,8	61,3	115
34	18,6	63,2	118
35	18,6	65,1	118
36	18,6	67,0	118
37	18,1	68,9	114
38	18	70,8	115
39	18	72,6	112
40	17,1	74,5	125
41	17	76,4	115
42	16,8	78,3	113
43	16,5	80,2	115
44	16,4	82,1	114
45	16,4	84,0	114
46	15,9	85,8	106
47	15,2	87,7	110
48	15,1	89,6	110
49	14,7	91,5	105
50	13,6	93,4	110
51	13,5	95,3	102
52	13,5	97,2	103

Na podstawie powyższych danych sporządzono krzywą empiryczną, z której następnie odczytano wartości przepływów dla prawdopodobieństwa:

• Dla

• Dla

• Dla

• Dla

• Dla

2. Opisanie analizowanej próby losowej za pomocą statystyki opisowej

II.I. Miara położenia

• Mediana

II.II. Miara zmienności

• Odchylenie decylowe

• Współczynnik zmienności

II.III. Miara asymetrii

• Miara asymetrii

• Współczynnik asymetrii

3. Przepływy maksymalne o danym prawdopodobieństwie

Dla podanych wartości prawdopodobieństwa obliczono odpowiadające im wartości przepływu maksymalnego zgodnie ze wzorem:

Wartości współczynnika odczytano z tablic Dębskiego

lp.	p [%]	ø (p,s)	Qmax [m3/s]
1	1	2,650	38,29
2	5	1,678	31,52
3	10	1,230	28,40
4	15	0,990	26,72
5	20	0,749	25,05
6	25	0,583	23,89
7	50	0,000	19,83
8	75	-0,460	16,63
9	90	-0,770	14,47
10	95	-0,916	13,45
11	99	-1,129	11,97

Dla przepływów obliczonych wg wzoru Dębskiego również wykreślono krzywą prawdopodobieństwa (teoretyczną). Obie krzywe naniesiono na jeden wykres. Sporządzono również krzywą konsumcyjną, obrazującą zależność H(Q), z której odczytano stany wody dla podanych przepływów:

• Dla

• Dla

• Dla

Obliczenia hydrauliczne

1. Dane początkowe

2. Sprawdzenie warunków

3. Przepływ poszczególnych części jazu

III.I. Część ruchoma

Dane:

Przepływ jednostkowy dla części ruchomej:

III.II. Część stała

Dane:

Przepływ jednostkowy dla części stałej:

4. Przepływy rzeczywiste

• Zrzut ścieków przemysłowych do rzeki

• Dla Q₃

• Dla Q₅

5. Długości części stałej i ruchomej jazu

V.I. Wartości początkowe

Przyjęto:

Długość części ruchomej jazu:

Stąd:

Długość części stałej:

V.II. Wysokość warstwy przelewowej

V.III. Rzędna korony jazu

PRZYBLIŻENIA

1		2		3		4
qs	0,72	qs	0,92	qs	1,05	qs	1,13
h3sp	0,15	h3sp	0,15	h3sp	0,15	h3sp	0
a2	0,42	a2	0,56	a2	0,66	a2	0,73
lr	9	lr	9	lr	9	lr	9,00
ls	24,99	ls	19,40	ls	17,01	ls	15,80
h50*	0,35	h50*	0,46	h50*	0,52	h50*	0,56
Zk	1,02	Zk	0,92	Zk	0,85	Zk	0,81
a2*	0,56	a2*	0,66	a2*	0,73	a2*	0,77
5		6		7		8
qs	1,18	qs	1,22	qs	1,24	qs	1,25
h3sp	0,15	h3sp	0,15	h3sp	0,15	h3sp	0,15
a2	0,77	a2	0,79	a2	0,81	a2	0,82
lr	9	lr	9	lr	9	lr	9
ls	15,12	ls	14,73	ls	14,49	ls	14,35
h50*	0,59	h50*	0,601	h50*	0,61	h50*	0,62
Zk	0,79	Zk	0,77	Zk	0,76	Zk	0,76
a2*	0,79	a2*	0,81	a2*	0,82	a2*	0,82

PRZYJĘTE PARAMETRY

IV. Odskok hydrauliczny

IV.I. Wysokość energii całkowitej E₀ dla przepływu przez część stałą

Wzniesienie linii energii:

IV.II. Pierwsza wysokość sprzężona

Przyjęto:

Współczynnik prędkości:

Głębokość krytyczna:

Z równania energii metodą iteracyjna wyznaczono pierwszą głębokość sprzężoną. Do tego celu wykorzystano program Solver:

IV.III. Pierwsza prędkość sprzężona

IV.IV. Liczba Freuda

IV.V. Druga wysokość sprzężona

IV.VI. Sprawdzenie wystąpienia odskoku hydraulicznego

Głębokość wody dolnej:

Współczynnik bezpieczeństwa:

IV.VII. Długość niecki wypadowej

• Długość spadu strumienia

• Długość zależna od odskoku hydraulicznego

• Całkowita długość niecki

6. Obliczanie umocnień jazu

VI.I. Umocnienie od strony wody górnej

• Długość umocnień sztywnych dla części ruchomej

• Długość umocnień sztywnych dla części stałej

VI.II. Umocnienie od strony wody dolnej

• Długość umocnień dla części ruchomej

Ponieważ L_c1 < 20 [m] wymagana długość umocnień części ruchomej wyznaczono ze wzoru:

Ostatecznie przyjęto 12m umocnień dla części ruchomej: 6m sztywnych + 6m elastycznych

• Długość umocnień dla części stałej

7. Wymagana droga filtracji

W projekcie zastosowano metodę obliczeń wg Bligh’a-Lane’a.

Dane:

Rodzaj podłoża: Glina średniospoista

Współczynnik Lane’a

Współczynnik korygujący:

Długość palisady:

Różnica poziomów zwierciadeł:

Długość odcinków poziomych

Długość odcinków pionowych

Rzeczywista długość drogi filtracji:

Wymagana droga filtracji

8. Parametry śluzy odprowadzającej wodę przemysłową

VIII.I. Obliczenia wymiarów wlotu

Dane:

Współczynnik dławienia:

Zalecana prędkość przepływu:

Ilość wód przemysłowych:

Pole przekroju wlotu:

Założono:

Wysokość kanału:

Szerokość kanału:

VIII.II. Kraty

• Przekrój czynny kraty

Prędkość przepływu przez kraty:

• Liczba prześwitów

Szerokość prześwitów:

• Szerokość komory krat

Grubość prętów kraty:

VIII.III. Prędkość minimalna

VIII.III. Straty wg wzoru Kirschmera

Stosunek wielkości:

Współczynnik strat dla kąta natarcia wody na kraty = 40^o :

Kąt nachylenia krat do poziomu:

9. Stateczność

IX.I. Ciężar doku

Dane:

Gęstość objętościowa betonu

Objętość doku:

Ciężar doku:

IX.II. Ciężar filarów

Objętość filarów:

Ciężar filarów:

IX.III. Ciężar wody na stanowisku górnym

Dane:

Gęstość objętościowa wody:

Objętość filaru:

Poziom wody:

Objętość wody na stanowisku górnym:

Ciężar wody:

IX.IV. Ciężar wody na stanowisku dolnym

Dane:

Gęstość objętościowa wody:

Objętość filaru:

Poziom wody:

Objętość wody na stanowisku dolnym:

Ciężar wody:

IX.V. Parcie filtracyjne

Dane:

Gęstość objętościowa wody:

Poziom wody:

Objętość bryły parcia:

Parcie filtracyjne:

IX.VI. Parcie wody gruntowej pod budowlą

Dane:

Gęstość objętościowa wody:

Poziom wody:

Objętość bryły parcia:

Parcie wody gruntowej:

IX.VII. Parcie wody na stanowisku górnym

Dane:

Gęstość objętościowa wody:

Poziom wody:

Objętość bryły parcia wody:

Parcie wody:

IX.VIII. Obliczenie parcia wody na stanowisku dolnym

Dane:

Gęstość objętościowa wody:

Poziom wody:

Objętość bryły parcia wody :

Parcie wody:

IX.IX. Współczynnik bezpieczeństwa na przesunięcie

Suma sił dociskających:

Suma sił wypierających:

Różnica wielkości parcia sił poziomych:

Współczynnik na przesunięcie:

Współczynnik tarcia:

10. Sprawdzenie stateczności budowli na obrót dookoła krawędzi płyty

X.I. Obliczenie ramienia działania siły parcia pochodzącej od wody górne

Dane:

X.II. Obliczenie ramienia działania siły parcia pochodzącej od wody dolnej

Dane:

X.III. Obliczenie ramienia wypadkowego

Dane:

Wypadkowa siła wyporu:

Ramie wypadkowe:

X.IV. Obliczenie ramienia siły

Dane:

Obliczeniowa długość niecki wypadowej:

Całkowita długość umocnień górnych:

X.V. Sprawdzenie stateczności budowli na obrót dookoła krawędzi płyty

Dane:

Ciężar całkowity budowli:

Siła wyporu działająca na płytę:

11. Zasięg cofki

Dane:

Spadek koryta:

Spiętrzenie wody:

Odczytano z tablic:

Zasięg cofki:

12. Obliczanie profilu Creager’a

XI.I. Wysokość energii przepływu H₀ kształtującego profil

Dane:

Wysokość wody spiętrzonej dla Q₅ :

Rzędna korony jazu:

Przepływ rzeczywisty wody miarodajnej:

Długość części stałej:

Przyspieszenie ziemskie:

Wysokość energii:

H(0)	x/Ho	X	Y1/Ho (współrzędna wierzchu strugi)	Y1	Y2/Ho (współrzędna spodu strugi)	Y2
0,86	0,1	0,09	0,803	0,69	-0,036	-0,03
0,86	0,2	0,17	0,772	0,66	-0,007	-0,01
0,86	0,3	0,26	0,74	0,64	0	0,00
0,86	0,4	0,34	0,702	0,60	-0,007	-0,01
0,86	0,6	0,52	0,62	0,53	-0,063	-0,05
0,86	0,8	0,69	0,511	0,44	-0,153	-0,13
0,86	1	0,86	0,38	0,33	-0,267	-0,23
0,86	1,2	1,03	0,219	0,19	-0,41	-0,35
0,86	1,4	1,20	0,03	0,03	-0,591	-0,51
0,86	1,7	1,46	-0,305	-0,26	-0,918	-0,79
0,86	2	1,72	-0,695	-0,60	-1,31	-1,13
0,86	2,5	2,15	-1,5	-1,29	-2,11	-1,81
0,86	3	2,58	-2,5	-2,15	-3,09	-2,66
0,86	3,5	3,01	-3,66	-3,15	-4,26	-3,66
0,86	4	3,44	-5	-4,30	-5,61	-4,82
0,86	4,5	3,87	-6,54	-5,62	-7,15	-6,15

Na podstawie powyższej tabeli utworzono górną krawędź profilu przelewu Creager’a:

Promień łuku dobiera się w pewnych proporcjach do grubości strugi na przelewie h i wysokości ściany spadowej p, orientacyjnie ze wzoru:

0,75∙h r h 0,2 ∙p^(1/2)

Dla danych:

• h = 0,15 m

• p= 1,22 m

Wartości graniczne wynoszą:

Przyjęto promień łuku :

r = 0,25 m.

1^ Rozporządzeniem Ministra Środowiska w sprawie Warunków technicznych, jakimi powinny odpowiadać obiekty i ich usytuowanie z dnia 20 kwietnia 2007 r.