POLITECHNIKA WARSZAWSKA 12.05.2008

Zakład Budownictwa Wodnego

i Hydrauliki

ĆWICZENIA PROJEKTOWE

z przedmiotu „Budowle i urządzenia hydrotechniczne”

Prowadzący: mgr Dominik Sołtys

Wykonała: Natalia Monarska

Grupa: ISIW 3

Spis treści

1. Opis techniczny...................................................................................................................................4

2. Ustalenie klasy budowli oraz przepływów: miarodajnego, kontrolnego i budowlanego.............5

2.1. Przepływy....................................................................................................................................5

2.2. Klasa budowli..............................................................................................................................5

3. Obliczenia całkowitego światła jazu dla przepływu miarodajnego, ustalenie kształtów progu, przyjęcie ilości przęseł i obliczenie grubości warstwy wody przelewającej się przez próg.......6

3.1. Całkowite światło jazu dla przepływu miarodajnego.................................................................6

3.2. Przyjęcie ilości przęseł................................................................................................................6

3.3. Grubości warstwy wody przelewającej się przez próg...............................................................6

4. Obliczenie nad piętrzenia podczas remontu jednego przęsła przy przepływie miarodajnym oraz nad piętrzenia przy przepływie kontrolnym.......................................................................10

5. Przyjęcie schematu statycznego jazu i rodzaju zamknięć wraz z napędem. Ustalenie wymiarów i kształtów przekroju poprzecznego zapory ziemnej...............................................12

5.1. Schemat statyczny jazu.............................................................................................................12

5.2. Rodzaj zamknięcia wraz z napędem.........................................................................................12

5.3. Wymiar i kształt przekroju poprzecznego zapory ziemnej.......................................................12

6. Wymiarowanie niecki do rozpraszania energii..............................................................................14

7. Obliczenie wymaganej drogi filtracji metodą Bligh'a i Lane'a....................................................17

7.1. Metoda Bligh'a..........................................................................................................................17

7.2. Metoda Lane'a...........................................................................................................................17

8. Obliczenie wyporu hydrodynamicznego oraz hydrostatycznego metodą Lane'a......................18

8.1. Obliczenie wyporu hydrodynamicznego metodą Lane'a..........................................................18

8.2. Obliczenie wyporu hydrostatycznego metodą Lane'a..............................................................18

9. Obliczenie stateczności progu..........................................................................................................19

10. Obliczenie stateczności niecki wypadowej....................................................................................20

11. Obliczenia dotyczące zapory ziemnej (stateczność i filtracji) oraz filtracji pod jazem za pomocą programu MES „Skarpa”...............................................................................................21

11.1. Stateczność zapory ziemnej....................................................................................................21

11.2. Filtracja przez zaporę ziemną..................................................................................................21

12. Rysunki i wykresy...........................................................................................................................23

1. Opis techniczny

Celem zaprojektowanego jaz ruchomego z zamknięciem klapowym jest podniesienie zwierciadła wody górnej. Wyznaczenie kształtu i wymiarów a przede wszystkim światła jazu, urządzeń do rozpraszania energii oraz zabezpieczeń przeciw filtracji, zostało wykonane na podstawie obliczeń hydraulicznych oraz programu MES „Skarpa”.

Próg, przyczółki i skrzydła

Zaprojektowany próg zamyka część pola przepływu oraz nieznacznie zmniejsza przepustowość jazu, tak samo jak przyczółki stanowiące ściany boczne. Natomiast duży wpływ na zmniejszenie przepływu mają skrzydła prostopadłe, które powodują oderwanie się strug od przyczółka i powstania dużych obszarów zawirowań.

Filary, światło jazu oraz zamknięcie

Całe światło jazu zostało podzielone na cztery mniejsze otwory oddzielone od siebie filarami, które przez prowadzenie strumieni powodują na wlocie nieznaczne dławienie przepływu. Natomiast rozwiązaniem zamknięcia jest klapa sterowana hydraulicznie, opierająca się na progu.

Umocnienia

Umocnienia poniżej wypadu, z prefabrykowanych płyt betonowych oraz materaca siatkowo kamiennego, mają za zdanie zmniejszenie przydennych prędkości przepływu a co za tym idzie mniejszemu procesu erozji części betonowej jazu.

Przepławka dla ryb

W konstrukcji stopnia zaprojektowano przepławkę dla ryb. Składa się ona z układu betonowych basenów wykonanych na różnych poziomach, tworzących system stopni oddzielających ściankami.

Elektrownia

Przewidziano wybudowanie elektrowni zbiornikowej, niezależnej od chwilowego dopływu, ponieważ wykorzystuje ona zgromadzoną energię wody w zbiorniku, o niskim spadzie. Z uwagi na małą wysokość spadu do elektrowni wybrano turbinę Kaplana.

2. Ustalenie klasy budowli oraz przepływów: miarodajnego, kontrolnego i budowlanego

2.1. Przepływy

Przepływ miarodajny

Przepływ kontrolny

Przepływ budowlany

2.2. Klasa budowli

Przepływ średni niski

Wysokość piętrzenia

Określenie klasy budowli

Klasa budowli została ustalona na podstawie Rozporządzenia Ministra Środowiska z 20 kwietnia 2007 roku. Zależy ona od rodzaju podłoża, oraz wysokości piętrzenia.

2 klasa, H = 10,22 metry

3. Obliczenia całkowitego światła jazu dla przepływu miarodajnego, ustalenie kształtów progu, przyjęcie ilości przęseł i obliczenie grubości warstwy wody przelewającej się przez próg

3.1. Całkowite światło jazu dla przepływu miarodajnego

3.2. Przyjęcie ilości przęseł

Ilość przęseł: posługując się nierównością
przyjęto 4 przęsła.

Szerokość filaru: dobrano za pomocą nierówności
, zatem przyjęto szerokość filaru równą 3 metry.

Szerokość przęsła

3.3. Grubości warstwy wody przelewającej się przez próg

Prędkość przepływu

Wzniesienie linii energii nad progiem w stanowisku górnym

Aby odpowiednio dobrać wszystkie parametry, należy przeprowadzić iteracje, które będą spełniać następujące równanie:

Wzniesienie linii energii nad progiem w stanowisku górnym - przy Q_m

• 0 iteracja

m₀ = 0,38

σ_{k_0}, σ_{z_0}, ε₀ = 1

• 1 iteracja

m₁
m₁ = 0,387

σ_{k_1}
σ_{k_1} = 0,950

σ_{z_1}
σ_{z_1} = 1

ε₁

Sprawdzenie warunku:

Warunek został spełniony

Ostateczne przyjęcie kształtu i wymiarów progu

• wysokość progu piętrzącego P_g = 5,44 m,

• pionowa ściana progu AB = 2,92 m,

• promień R = m,

• wzniesienie nad progiem Ho = 1,91 m.

Profil progu kształtuje krzywa Creagera, aby ją stworzyć należy pomnożyć wielkość H_o przez współrzędne x i y odpowiadające H_o = 1.

4. Obliczenie nad piętrzenia podczas remontu jednego przęsła przy przepływie miarodajnym oraz nad piętrzenia przy przepływie kontrolnym.

Wzniesienie linii energii nad progiem w stanowisku górnym - przy Q_k

• 0 iteracja

m₀ = 0,38

σ_{k_0}, σ_{z_0}, ε₀ = 1

• 1 iteracja

m₁
m₁ = 0,390

σ_{k_1}
σ_{k_1} = 0,955

σ_{z_1}
σ_{z_1} = 1

ε₁

Sprawdzenie warunku:

Warunek został spełniony

Wzniesienie linii energii nad progiem w stanowisku górnym - przy Q_b

• 0 iteracja

m₀ = 0,38 σ_{k_0}, σ_{z_0}, ε₀ = 1

• 1 iteracja

m₁
m₁ = 0,393

σ_{k_1}
σ_{k_1} = 0,951

σ_{z_1}
σ_{z_1} = 1

ε₁

Sprawdzenie warunku:

Warunek został spełniony

5. Przyjęcie schematu statycznego jazu i rodzaju zamknięć wraz z napędem. Ustalenie wymiarów i kształtów przekroju poprzecznego zapory ziemnej.

5.1. Schemat statyczny jazu

Zaprojektowano konstrukcję dokową ze sztywno połączonych elementów z betonu słabo zbrojonego, tworzącego odwrotną ramę.

5.2. Rodzaj zamknięcia wraz z napędem

Zaprojektowano dwa rodzaje zamknięć eksploatacyjne - klapowe, poruszane za pomocą siłownika hydraulicznego i remontowe, służące do odgrodzenia od górnej i dolnej wody zamknięć głównych, w celu przeprowadzenia kontroli oraz remontu. Zamknięcie stanowią stalowe belki zakładane i zdejmowane w czasie spokojnej wody za pomocą dźwigu.

Głównym celem zaprojektowanego zamknięcia klapowego jest utrzymanie żądanego poziomu zwierciadła wody w zbiorniku, natomiast po uchyleniu ma ona za zadanie regulowanie odpływu. Konstrukcja klapy została zaprojektowana ze stali z dodatkowym uszczelnieniem.

Dodatkowo przed klap został zamontowany system napowietrzający, wspomagający odlodzenie zamknięcia w czasie zimy lub skucia zbiornika lodem.

5.3. Wymiar i kształt przekroju poprzecznego zapory ziemnej

Zaporę ziemną wykonano z gruntu rodzimego, piasku gliniastego.

Nachylenie skarpy

Współczynnik stateczności skarpy (dla II klasy n > 1,15) - woda górna

Współczynnik stateczności - woda dolna

Wysokość zapory ziemnej

• dla przepływu miarodajnego:

• dla przepływu kontrolnego oraz budowlanego:

Ostatecznie przyjęto wysokość zapory ziemnej równą 8,3 metra.

Szerokość korony zapory

N koronie zapory przewidziano jednopasmową drogę publiczną o szerokości 3 metrów wraz z chodnikami po obu stronach o szerokości 1,5 metra każdy. W sumie szerokość korony równa będzie 6 metrów.

6. Wymiarowanie niecki do rozpraszania energii

Aby zapobiec zniszczeniu jazu, spowodowanym zbyt dużą prędkością wody przelewającej się przez próg, zastosowano przejście strumienia na wypadzie z ruchu podkrytycznego w nadkrytyczny. W tym celu wykonano obliczenia pierwszej i drugiej wysokości sprzężonej.

Przeływ jednostkowy

Pierwsza głębokość sprzężona

Korekta pierwszej głębokość sprzężonej

Wysokość energii potencjalnej

Głębokość wody w korycie odpływowym za niecką

Druga głębokość sprzężona

Sprawdzenie warunków

Przeprowadzenie obliczeń

	Głębokość niecki	Wysokość energii potencjalnej	Pierwsza głębokość sprzężona	Korekta pierwszej głębokości sprzężonej	Druga głębokość sprzężona	Sprawdzenie warunków
		d [m]	E [m]	h1 [m]	h1 [m]	h2 [m]
0	0,500	7,85	0,354	0,362	3,115
1	1,956	9,306	0,325	0,330	3,286
2	2,145	9,495	0,321	0,327	3,303
3	2,163	9,513	0,321	0,327	3,303

Długość niecki wypadaowej

Wymiary wybojów

Do obliczeń długości niecki wypadowej użyto wzoru
, ponieważ dale on większą długość niecki, która jest korzystniejsza przy obliczeniach stateczności niecki.

7. Obliczenie wymaganej drogi filtracji metodą Bligh'a i Lane'a

7.1. Metoda Bligh'a

Podana wyżej metoda nie może zostać zastosowana, ponieważ dla pisaku gliniastego nie występuje współczynnik Bligh'a.

7.2. Metoda Lane'a

Metoda Lane'a polega na przyjęciu odcinków pionowych o pełnej długości, a odcinków poziomych skróconych trzykrotnie.

Schemat do obliczenia parcia wody na fundamenty metodą Lane'a został zamieszczony w załączniku numer

Wymagana długość drogi filtracji liczona wzdłóż nieprzepuszczalnego konturu podziemnego budowli.

8. Obliczenie wyporu hydrodynamicznego oraz hydrostatycznego metodą Lane'a

8.1. Obliczenie wyporu hydrodynamicznego metodą Lane'a

Schemat do obliczenia wyporu hydrodynamicznego metodą Lane'a został zamieszczony w załączniku numer

Parcie hydrodynamiczne

Parcie hydrodynamiczne dla progu

Parcie hydrodynamiczne dla niecki

8.2. Obliczenie wyporu hydrostatycznego metodą Lane'a

Schemat do obliczenia wyporu hydrodynamicznego metodą Lane'a został zamieszczony w załączniku numer

Parcie hydrostatyczne

Parcie hydrodynamiczne dla progu

Parcie hydrodynamiczne dla niecki przypadek ekspoloatacyjny

Parcie hydrodynamiczne dla progu przypadek remontowy

9. Obliczenie stateczności progu

Ciężar progu

Parcie wody przy stanowisku górnym

Stateczność progu na przesunięcie

Sprawdzenie warunku

warunek został spełniony

Stateczność progu na wypór

Sprawdzenie warunku

warunek został spełniony

10. Obliczenie stateczności niecki wypadowej

Ciężar niecki

Stateczność progu na wypór w przypadku eksploatacyjnym

Sprawdzenie warunku

warunek został spełniony

Stateczność progu na wypór w przypadku remontowym

Sprawdzenie warunku

warunek nie został spełniony

W takim przypadku na czas remontu należy wykonać drenaż płyty niecki.

11. Obliczenia dotyczące zapory ziemnej (stateczność i filtracji) oraz filtracji pod jazem za pomocą programu MES „Skarpa”

11.1. Stateczność zapory ziemnej

Obliczenia wykonane za pomocą programu MES „Skarpa” pokazały, że zapora ziemna została zaprojektowana poprawnie.

Po obliczeniach kilku wybranych powierzchni poślizgu oraz obciążeniu korony zapory (500 kg/m), program nie wyznaczył współczynnika stateczności skarpy mniejszego niż 1,15, który występuje w przypadku budowli hydrotechnicznej II klasy.

11.2. Filtracja przez zaporę ziemną

Uszczelnienia zapory ziemnej, również zostały wykonane poprawnie. Strumień filtracji mieści się w strefie przemarzania i równa się z wysokością wody w stanowisku dolnym.

Zastosowano następujące uszczelnienia:

Uszczelnienie skarpy za pomocą ekranu z asfaltobetonu, z uwagi na to że jest to wielowarstwowa konstrukcja, w której każda warstwa pełni inne zadanie, możemy wyróżnić: okładzinę szczelną z asfaltobetonu, warstwę drenarską obłożoną okładziną z geowłókniny oraz warstwę stanowiącą podsypką pod całą konstrukcję. Umocnienie ponuru wykonano również z asfaltobetonu, natomiast uszczelnienie pionowe wykonane z 15 metrowej ścianki z arsenu.

Filtracja

Aby obniżyć linię depresji zastosowano drenaż rurowy, zaprojektowany z tworzywa sztucznego o średnicy 150 mm oraz zagłębionego na wysokość 1,2 metrów., umożliwiający odpływ wody przed dojściem do skarpy.

Wyniki strumienia filtracji z programu MES „Skarpa”

Strumień filtracji przez całą długość zapory ziemnej

12. Rysunki i wykresy

1. krzywa konsumcyjna,

2. przekrój doliny,

3. schemat jazu,

4. schemat do obliczeń wyporu hydrostycznego,

5. schemat do obliczeń wyporu hydrodynamicznego i obliczeń stateczności,

6. plan zawierający kompozycję stopnia zawierający profil doliny,

7. plan zawierający kompozycję wszystkich elementów stopnia uwzględniający profil doliny,

8. plan fragmentu stopnia (fragment zapory ziemnej, mur oporowy, przęsło przyczółkowe, przęsło typowe),

9. przekrój pionowy zapory ziemnej z umocnieniami i uszczelnieniami,

10. przekrój pionowe zapory ziemnej oraz jazu wraz z umocnieniami i uszczelnieniami,

11. przekrój pionowy jazu wzdłuż osi zapory.

22

h_NPP - wielkość piętrzenia , m

t_s ­ wartość odczytana z krzywej konsumcyjnej

dla Qs = 50 m³/s, m

Q_m - przepływ miarodajny,

B_rz -szerokość rzeki przed spiętrzeniem, m

B - całkowite światło jazu, m

a - szerokość filaru, m

n - liczba przęseł, -

Q - przepływ miarodajny i kontrolny, m³/s

n - liczba przęseł, -

b - szerokość przęsła, m

m - współczynnik wydatku,

σ_k - współczynnik kształtu progu, -

σ_z - współczynnik zatopienia przelewu, -

ε - współczynnik kontrakcji bocznej i czołowej

Q_m - przepływ miarodajny, m³/s

B_ZB - szerokość doliny w lustrze wody

przy zaporze, m

h_NPP - wielkość piętrzenia, m

Ο - kąt tarcia wewnętrznego

γ' - ciężar właściwy gruntu całkowicie nasyconego wodą, kN/m³

γ' - ciężar właściwy wody ornej, kN/m³

α₁ - kąt po stronie wody górnej

Ο - kąt tarcia wewnętrznego

α₂ - kąt po stronie wody dolnej

α - współczynnik energii kinetycznej

q_m - przepływ jednostkowy dla Q_m, m²/s

E₀ - wartość energii potencjalnej, m

Q_m - przepływ miarodajny, m³/s

n - liczna przęseł

b - szerokość przęsła, m

P_g - wysokość progu piętrzącego, m

H - wzniesienie linii energii nad progiem, m

d - głębokość niecki, m

β - współczynnik pędu

q_m - przepływ jednostkowy dla Q_m, m²/s

h₁ - pierwsza głębokość sprzężona, m

h₁ - pierwsza głębokość sprzężona, m

h₂ - pierwsza głębokość sprzężona, m

t_m - przepływ jednostkowy dla Q_m, m²/s

α - współczynnik energii kinetycznej

q_m - przepływ jednostkowy dla Q_m, m²/s

E₀ - wartość energii potencjalnej, m

C_L - współczynnik Lane'a zależny od rodzaju gruntu

H - różnica poziomów wody w górnym i dolnym stanowisku, m

F - pole wykresu, m²

g - przyśpieszenie ziemskie, m/s²

ρ_w - gęstość wody, kg/m³

F - pole wykresu, m²

g - przyśpieszenie ziemskie, m/s²

ρ_w - gęstość wody, kg/m³

F_p - pole odczytane z wykresu, m²

g - przyśpieszenie ziemskie, m/s²

ρ_betonu - gęstość właściwa betonu, kg/m³

F_{w_g} - pole odczytane z wykresu, m²

g - przyśpieszenie ziemskie, m/s²

ρ_w - gęstość wody, kg/m³

tgΦ - kąt tarcia wewnętrznego, ˚

∑G - suma sił pionowych na próg, kN

P_{w_g} - parcie wody w stanowisku górnym, kN

F_p - pole odczytane z wykresu, m²

g - przyśpieszenie ziemskie, m/s²

ρ_betonu - gęstość właściwa betonu, kg/m³

	U m	Qi m^3/s
0	32,710	1,376
1	33,220	1,381
2	33,730	1,381
3	34,240	1,382
4	34,750	1,380
5	35,260	1,379
6	35,770	1,425
7	36,280	1,373
8	36,790	1,381
średnia	34,750	1,380

---