OPRACOWANIE PYTAŃ EGZAMINACYJNYCH

INŻYNIERIA RZECZNA

Rok studiów III

Rok akademicki 2002/2003

1. Cele i zadania prowadzenia prac inżynierskich w korycie i dolinie rzeki

Zabudowa rzek i potoków to zespół różnych przedsięwzięć i wykonawstwo budowli hydrotechnicznych niezbędnych do osiągnięcia zamierzonego celu regulacji rzek i potoków.

Cele prac regulacyjnych:

• powstrzymanie szkód wywołanych działaniem wód płynących

• gospodarcze wykorzystanie wód płynących

• uzyskanie wody pitnej

• woda dla przemysłu

• woda w rolnictwie dla produkcji roślinnej

• energetyczne wykorzystanie wód płynących (energetyka wodna)

• ochrona środowiska naturalnego

Zadania inżynierskie:

• ochrona przed powodzią

• ochrona brzegów przed erozją

• regulacja poziomu wód gruntowych w dolinie

• zabudowa i stabilizacja koryta w miejscach skrzyżowań z drogami lądowymi

• zabudowa i stabilizacja koryta w miejscach ujęć wodnych

• uzyskanie odpowiedniej głębokości na szlakach żeglownych

• poprawa zdrowotności na terenach przyległych do koryta rzeki

2. Właściwości hydrologiczne rzek. Stany i przepływy

• wielkość wahań stanów wody oraz szybkość zmian

• wielkość przepływów i ich nierównomierność

• zjawiska lodowe

3. Podział cieków

• bystrotoki - krótkie cieku górskie:

• zmienny kierunek biegów

• duży i zmienny spadek podłużny

• dno tworzy kamienie i głazy, a przekrój poprzeczny jest zmienny i nieustalony

• powstają po ciekach progi, wodospady oraz przełomy

• reagują bardzo gwałtownie na opady deszczów, szczególnie nawalnych, następuje ruch kamieni i głazów w czasie przepływu wezbraniowego

• potoki górskie - płyną ustalonymi i wykształconymi dolinami, mają duże spadki podłużne lecz bardziej wyrównany układ zw. wody niż bystrotoki, silniej reagują na opady i roztopy wiosenne, następują gwałtowne zmiany stanów i przepływów wody w korycie, przy przejściu wezbrania bardzo duży ruch rumowiska.

W zlewni każdego bystrotoku i potoku górskiego można wyróżnić:

• obszar zbiorczy - obszar źródliskowy

• obszar tzw. „szyi” - odcinek środkowy potoku o stromym zboczu, dużym spadku i dużym ruchu rumowiska

• obszar „stożka usypowego” - ujściowy odcinek potoku w dolinie

• potoki - są to małe cieki o wyrównanym i łagodnym spadku podłużnym zwierciadła wody, charakteryzuje się znacznie mniejszą stanów i przepływów, aniżeli potoki górskie, duże przepływy wezbraniowe występują podczas roztopów wiosennych lub przy opadach deszczu w całej zlewni

• rzeki - cieki o większych zlewniach, spadek podłużny łagodny i wyrównany materiał transport. to piasek i żwiry drobne, rumowisko unoszone i wleczone, koryta tych rzek wytworzone we własnych osadach tzw. aluwiach, wezbrania powodziowe kształt. się pod wpływem roztopów wiosennych

• rzeki duże - największe rzeki, które uchodzą bezpośrednio do morza (lub L>500km)

4. Podział biegu cieku

5. Erozja podłużna i brzegowa. Zmienność w czasie układu poziomego i pionowego koryta

Występuje transport cząstek tworzących dno w kierunku podłużnym i poprzecznym pod wpływem naporu hydrodynamicznego. Odrywanie cząstek z dna i brzegów powoduje zmienność przekroju poprzecznego - ciągła zmiana linii brzegowej koryta rzecznego w czasie

(parcie = ciśnienie x powierzchnia).

1. zmienność stanów i przepływów w czasie:

• ruch nieustalony Q=zmienne

• ruch ustalony Q=const

zmienność w przestrzeni - zmiana na długości rzeki przekroju poprzecznego koryta rzeki i przekroju doliny:

• ruch jednostajny

• ruch zmienny

6. Rodzaje ruchu wody w korytach otwartych

1. liczba Reynolds'a

Re=(V*h)/ν ν=1*10^-6 m²/s kinematyczny współ.lepkości

• ruch laminarny Re < 500

• ruch burzliwy Re > 2500

• ruch przejściowy Re = 500 - 2500

b.) liczba Froude'a

Fr=V/√(g*h)

• ruch krytyczny Fr = 1

• ruch spokojny (nadkrytyczny)Fr < 1

• ruch rwący (podkrytyczny) Fr > 1

Wzory na średnią prędkość w przekroju poprzecznym, prędkość przepływu - do ruchu jednostajnego ustalonego:

• Chezy

V=c√(Rh*I) c=(1/n)*Rh^1/6 - współ. pręd.

• Manninga

V=(1/n)*Rh^2/3*I^1/2

• Darcy-Wiesbacha

V=√(8/λ)*√(g*Rh*I)

V_*=√(g*Rh*I) - prędkość dynamiczna

V=√(8/λ)*V_*

7. Opory przepływu w korytach rzecznych

Zależą od:

• kształtu koryta i doliny rzeki w układzie poziomym

• krzywizny zakoli

• kształtu przekrojów poprzecznych koryta i doliny rzeki

• burzliwości przepływu i wirów tworzących się przy przeszkodach lokalnych

• roślinność wodna i brzegowa w korycie rzeki oraz roślinność na terenach zalewowych

• deformacje dna koryta tzw. formy denne

• natężenie ruchu cząstek rumowiska

8. Naprężenia styczne w strumieniu cieczy

(RYS.)

Równanie DU BOYS'a:

Tau₀=ς*h*g*I

Równanie naprężeń stycznych w cieczy:

Tau=ς*g*I*h*(1-y/h)

9. Zmienność współczynnika szorstkości we wzorze Manninga przy ruchu wody w korytach jedno- i dwudzielnych

Przekrój jednodzielny - koryto o przekroju prostokątnym:

Zał. I=i_b (i_b-spadek dna)

n=[(b*i_b^1/2)/Q]*H^1,67 (1) ^1,67=5/3

Q=α*H^β (2) α,β = const

Z porównania 1 i 2 :

n=n_c*H^(1,67-β) n_c=(b*i_b^1/2)/α b,i_b=const

1. β=1,67 - tylko dla koryta prostoliniowego z dnem nierozmywalnym, ruch jednostajny

(n=n_c=const)

2. β=1,00-1,30 (1,40) - koryta naturalne (współczynnik szorstkości. jest zależny od głębokości)

n=n_c=H^(1,67-β)

Przekrój dwudzielny

Q_c=Q₁+Q₂

Q₁=b*i_b^1/2*1/n*H^5/3

Q₂=(1/n)*i_b^1/2(B-b)*(H-h)^5/3

n=(b*i_b^1/2)/Q_c*H^5/3*[1+(B/b-1)*(1-h/H)^5/3]

10. Pionowe rozkłady prędkości podłużnej

(RYS.)

δ=11,6*(ν/V) δ-grub. warstwy

Wzór PRANDTLA KARMANA:

V/V_*=1/(Kappa)*ln(y/k_s)+const

Kappa - stała Karmana = 0,40

V - pręd. w odl. y od dna

V_* - prędk. dynam. V_* = √(g*h*I)

y - odl. od dna

k_s=y₀ - bezwzględna wys. występów szorstkości

dla y=y₀=k_s => V=V_**const (const.=5,5 dla rurociągów; Kappa i const w rzekach nie są stałe)

11. Przyczyny krzywoliniowego biegu rzek

1. niestabilność przestrzeni burzliwego ruchu wody powodująca zakrzywienie strug wody, dodatkowym czynnikiem jest ruch cząstek tworzących dno i brzegi rzeki

2. siła odśrodkowa działająca na poszczególne cząstki wody, siła ta działa w kierunku prostopadłym do ruchu głównego w korycie rzeki jest proporcjonalna do prędk. podłużnej V².

12. Ruch spiralny - poprzeczny spadek zwierciadła wody w korycie rzecznym

(RYS.)

Rozważany ruch jakiegoś elementu cieczy o masie ∆m=ς*∆V=ς*∆x*∆y*∆z=ς*∆F*∆x

Siła ciężkości - G=∆m*g

Siła odśrodkowa - ∆p=∆m*(V²/R)

dla ∆m=1;

∆h=(2B/R)*(V²/2g)

i_y=V²/(g*R)

13. Przyczyny i skutki działania ruchu spiralnego

Przyczyny:

(RYS.)

u=ū+u' u-prędk.

Wektor prędk. w punkcie ma różne wielkości i kierunki. W ruchu burzliwym występują zakrzywienia linii prądu. Ruch cząstek powoduje zakrzywienia linii prądu. Pierwotne zakrzywienie linii prądu powoduje powstanie siły odśrodkowej. Jest ona prostopadła do kierunku ruchu głównego w korycie rzeki jest proporcjonalna do prędk. podłużnej V².

Skutki:

• wpływ na reżim transportu rumowiska i na kształt przekrojów poprzecznych

• wywołuje prądy denne - transport materiału po dnie i przenoszą na przeciwny brzeg odsypiska

• ruch spiralny jest zmienny (zmiany stanów i przepływów)

14. Problemy inżynierii rzecznej wynikające z ruchu rumowiska

1. zamulanie zbiorników wodnych - powoduje to zmniejszenie powierzchni użytkowej zbiornika

2. odkładanie powoduje podniesienie zwierciadła wody w korycie powyżej zbiornika

3. erozja dna koryta rzeki poniżej dna zbiornika

4. erozja lokalna poniżej budowli piętrzących w korytach cieków

5. zamulanie ujęć szczególnie kanałowych przy poborze wody z rzeki

6. okresowa zmiana poziomu dna spowodowana zmiennym przemieszczeniem rumowiska; powoduje zmiany natężenia krzywej przepływów w strefie stanów niskich i średnich

7. wyboje lokalne przy przyczółkach i filarach mostowych

8. zmiany głębokości

15. Rodzaje rumowiska

Rumowisko wleczone - Pśr,Pgr,Żdr,Żgr,kamienie dr.,kamienie,głazy

Rumowisko unoszone - Pył dr,gr, Pśr,gr,Żdr.

Rumowisko zawieszone - pyły,iły,cząsteczki roślin

Subst. rozpuszczone w wodzie

16. Charakterystyka granulometryczna rumowiska

d10, d16, d35, d50, d65, d84, d90, d95

średnia geometryczna średnica cząstki - Dg=√(D16*D84)

Geometryczne odchylenie standardowe - σ_g = ½(D84/D50+D50/D16)

Gęstość rumowiska (stanowią cząstki kwarcu) ς=2650kg/m³

17. Charakterystyka hydrauliczna rumowiska

Prędk. równomiernego opadania cząsteczki w wodzie stojącej nazywa się hydrauliczną wielkością ziarna i oznacza się „ω” Rozróżnia się ruch laminarny, przejściowy oraz burzliwy wokół cząsteczki.

LAMINARNY - Stokes rozwiązał układ ruchu przy opływie cząsteczki, określił wielkość oporu kuli w ośrodku płynnym.

Fx=6*π*μ*ω*r

μ-dynam.wpół.lepk. ni*ro

18. Wydatek rumowiska, wzór Samova

q_r=0,95D^1/2(V/V₀)³V-V₀)(D/h)^1/4 (kg/ms) n₀=4,4h^1/6D^1/3`/ /8//r852fr/8rf-44-------

19. Ogólne zasady projektowania układu poziomego koryt rzecznych

Oś trasy projektowanej tworzą łuki krzywoliniowe

Kolejne krzywe są skierowane w przeciwnym kierunku

Na rzekach górskich można stosować krzywe o mniejszej krzywiźnie oraz lokalnie wstawiać odcinki proste - na rzekach nizinnych nie można

Trasa koryta projektowanego nie może wykraczać poza istniejące koryto rzeki (odstępstwo od zasady tylko w wyjątkowych sytuacjach)

W rzekach meandrujących o wyraźnych przekrojach poprzecznych oraz ustalonych kierunkach trasy, trasę projekt. należy prowadzić zgodnie z biegiem rzeki w tym przypadku umocnimy brzegi wklęsłe.

W koytach typu workowaczotego o zmiennym w czasie przekroju poprzecznym brzegi wklęsłe trasy projektowanej należy opierać