POLITECHNIKA WARSZAWSKA

Wydział Inżynierii Środowiska

Projekt z przedmiotu

„ Budowle i urządzenia hydrotechniczne”

Prowadzący: dr inż. Paweł Popielski

Wykonała: Małgorzata Pasek

grupa ISiW - 1

Opis techniczny:

Projektowany jaz klapowy będzie częścią stopnia wodnego na rzece nizinnej.

Wysokość progu wynosi 7 m, a normalny poziom piętrzenia 7,9 m. Próg będzie pracował jako niezatopiony, a wzniesienie zwierciadła wody ponad koronę 4,6 m przy przepływie miarodajnym.

Zakładana szerokość powstałego w wyniku spiętrzenia jeziora wyniesie 187,5 m.

Jaz będzie budowlą dokową posadowioną na piasku grubym. Jaz będzie miał trzy przęsła o świetle 11,1 m każde. Przęsła będą rozdzielone filarami o szerokości 2,1 m. Jako zamknięcia zostaną zastosowane klapy soczewkowe. Zapora zostanie wykonana z gruntu rodzimego. Wysokość korony zapory wyniesie 8,9 a szerokość korony 12 . Po koronie będzie przebiegać droga oraz znajdować się będzie chodnik po obydwu stronach drogi.

Poniżej progu będzie wykonana niecka do rozpraszania energii przelewającej się przez próg wody. Głębokość niecki wyniesie 0,5 a jej długość 8,6 m. Za niecką wykonane będzie wybój zabezpieczający dno przed rozmyciem.

W celu wydłużenia drogi filtracji pod budowlą zostanie wykonana ścianka szczelna o głębokości 18 m.

1. Ustalenie klasy budowli, szerokości przęseł i filarów oraz kształtu progu

Klasa budowli ustalona została dla normalnego poziomu piętrzenia, który jest równy

NPP = 7,9 m. Budowla została zakwalifikowana do klasy III.

gdzie:

- szerokość jazu [m],

- szerokość rzeki przed spiętrzeniem [m],

Ponieważ jaz budowany jest na rzece małej współczynnik przyjęto na poziomie 1,0

B_j = 1,0·37,5 = 37,5 m

Przyjęto:

Ilość przęseł n = 3

Szerokość przęsła b = 11,1 m

Szerokość filaru a = 2,1 m

Szerokość czynna jazu

B_j^' = 3·11,1 = 33,3 m

2. Wyznaczenie przepływu jednostkowego przez przelew

m²/s < 30 m²/s

3. Ustalenie prędkości przepływu w rzece

gdzie:

m³/s - przepływ miarodajny w rzece,

- pole powierzchni przekroju poprzecznego rzeki [m²]

Ponieważ normalny poziom piętrzenia NPP wynosi 7,9 m, natomiast szerokość doliny w lustrze wody przy zaporze po spiętrzeniu wynosi 187,5 m pole powierzchni przekroju poprzecznego rzeki F = 7,9m·187,5m = 1481,25 m²

m/s

4. Przyjęcie kształtu progu oraz obliczenie grubości warstwy wody przelewającej się przez próg.

Grubość warstwy przelewowej progu została wyznaczona iteracyjnie ze wzoru:

gdzie:

- grubość warstwy wody przelewającej się przez próg [m],

- przepływ miarodajny,

- liczba przęseł,

- szerokość przęsła,

- współczynnik wydatku progu ze wstawką,

- współczynnik zatopienia przelewu

- współczynnik kształtu progu,

- współczynnik kontrakcji bocznej i czołowej (dławienia),

m/s - przyspieszenie ziemskie

Grubość warstwy przelewowej progu została wyznaczona metodą kolejnych przybliżeń do momentu spełnienia nierówności

Pierwsze przybliżenie:

Określenie wartości współczynnika -

Przyjęto

Określenie wartości współczynnika -
,
i

Wyznaczenie wartości -
,

m

Drugie przybliżenie:

Określenie wartości współczynnika -

Ponieważ

Określenie wartości współczynnika -

Wyznaczenie poziomu wody górnej:
m

Przyjęto:

;

;

m

Określenie wartości współczynnika -

Grubość warstwy zatopionej jazu h_z = t_m - P_g = 2,4 - 7,04 = - 4,64 m

Ponieważ przelew pracuje jako niezatopiony
= 1

Określenie wartości współczynnika -

Ponieważ warunek
nie jest spełniony, to wzór przyjęty do określenia współczynnika kontrakcji bocznej
ma następującą postać:

gdzie:

- współczynnik dławienia dla filarów

H₀ - grubość warstwy przelewowej wody [m]

b - szerokość przęsła [m]

Zaprojektowano kołowy kształt czoła filara o
oraz wartość

.

Stąd
.

Wyznaczenie wartości
:

m

H₂ - H₁
0,05 m

m

Ustalono grubość warstwy przelewowej progu na poziomie H = 0,90 m

5. Sprawdzenie wartości nadpiętrzenia dla przepływu miarodajnego podczas remontu jednego przęsła

Grubość warstwy przelewowej w przypadku nieczynnego jednego przęsła wyznaczono ze wzoru:

gdzie:

- grubość warstwy wody przelewającej się przez próg [m],

- przepływ miarodajny [m³/s],

- liczba przęseł,

- szerokość przęsła [m],

- współczynnik wydatku progu ze wstawką,

- współczynnik zatopienia przelewu,

- współczynnik kształtu progu,

- współczynnik kontrakcji bocznej i czołowej (dławienia),

m/s - przyspieszenie ziemskie.

Grubość warstwy przelewowej progu została wyznaczona metodą kolejnych przybliżeń do momentu spełnienia nierówności

Pierwsze przybliżenie

Określenie wartości współczynnika -

Określenie wartości współczynnika -

Ponieważ przelew pracuje jako niezatopiony
= 1,0

Określenie wartości współczynnika -

Określenie wartości współczynnika -

Wyznaczenie wartości -
,

m

Drugie przybliżenie

Określenie wartości współczynnika -

Ponieważ

Określenie wartości współczynnika -

Określenie wartości współczynnika -

Ponieważ przelew pracuje jako niezatopiony
= 1

Określenie wartości współczynnika -

Zaprojektowano kołowy kształt czoła filara o
oraz wartość

.

Stąd
.

Wyznaczenie wartości -
,

m

m
m Przyjęto H_(n-1)= 1,16 m

Wartość nadpiętrzenia przy nieczynnym jednym przęśle wynosi:

m

6. Sprawdzenie wartości nadpiętrzenia dla przepływu kontrolnego przy czynnych wszystkich przęsłach przelewowych jazu.

Grubość warstwy przelewowej progu przy przepływie kontrolnym została wyznaczona ze wzoru:

gdzie:

- grubość warstwy wody przelewającej się przez próg [m],

- przepływ kontrolny [m³/s],

- liczba przęseł,

- szerokość przęsła [m],

- współczynnik wydatku progu ze wstawką,

- współczynnik zatopienia przelewu,

- współczynnik kształtu progu,

- współczynnik kontrakcji bocznej i czołowej (dławienia),

m/s - przyspieszenie ziemskie.

Grubość warstwy przelewowej progu została wyznaczona metodą kolejnych przybliżeń do momentu spełnienia nierówności

Pierwsze przybliżenie

Określenie wartości współczynnika -

Określenie wartości współczynnika -

Określenie wartości współczynnika -

Ponieważ przelew pracuje jako niezatopiony
= 1

Określenie wartości współczynnika -

Wyznaczenie wartości -
,

m

Drugie przybliżenie

Określenie wartości współczynnika -

Ponieważ

Określenie wartości współczynnika -

Określenie wartości współczynnika -

Ponieważ przelew pracuje jako niezatopiony
= 1

Określenie wartości współczynnika -

.

Wyznaczenie wartości -
,

m

m
m przyjęto
m

Wartość nadpiętrzenia przy przepływie kontrolnym wynosi:

m

7. Ustalenie wymiarów zapory ziemnej

gdzie:

n - współczynnik stateczności skarpy, dla budowli III klasy n = 1,15

Φ - kąt tarcia wewnętrznego gruntu, dla piasku grubego Φ = 34º

α = 30º

Wysokość zapory H = 8,9 m

Długość korony zapory L = 12 m.

Przewidziano drogę o szerokości 6 m oraz chodnik o szerokości 3 m.

8. Wymiarowanie niecki do rozpraszania energii

Wysokość wody przed odskokiem hydraulicznym:

gdzie:

- współczynnik energii kinetycznej, przyjęto
= 1,05

- przepływ jednostkowy przez przelew,
= 1,35 m²/s

- przyspieszenie ziemskie,
= 9,81 m/s²

- wzniesienia linii energii w górnym stanowisku w stosunku do poziomu podłoża w stanowisku dolnym

m

gdzie:

d - głębokość niecki do rozpraszania energii, przyjęto d = 0,5 m

m

Sprawdzenie wartości
:

m

m

Wysokości krytyczna:

m

Przeliczniki
i
wiążące głębokości sprężone w odskoku:

Wysokość wody za odskokiem hydraulicznym:

m

Sprawdzenie wartości wysokości
:

m gdzie:

- współczynnik pędu, przyjęto
= 1,05

Warunek nie został spełniony. Obie strony równania różnią się o więcej niż 0,02 m.

Sprawdzenie dla
:

Warunek został spełniony. Przyjęto
m

Rzeczywista wartość głębokości niecki do rozpraszania energii:

gdzie:

- współczynnik zatopienia odskoku,

m - napełnienie koryta odpływowego przy
.

m

Rzeczywista długość niecki odpowiada założonej i wynosi d = 0,50 m

Długość niecki do rozpraszania energii:

m

9. Sprawdzenie bezpiecznej drogi filtracji

gdzie:

L - wymagana długość drogi filtracji liczona wzdłuż nieprzepuszczalnego konturu podziemnego budowli, m

- współczynnik Bligha, dla piasku gruboziarnistego

- współczynnik Lane'a, dla piasku gruboziarnistego

• Metoda Bligh'a

Metoda zakłada, że prędkość filtracji oraz spadek linii ciśnień filtracyjnych wzdłuż podziemnego obrysu są stałe.

=> warunek nie został spełniony

Należy wydłużyć drogę filtracji. Zastosowano ściankę szczelną o długości 18 m

=> warunek został spełniony

Przyjęto ściankę szczelną o długości 13,5 m

• Metoda Lane'a

Metoda zakłada, że straty ciśnienia wzdłuż odcinków poziomych są trzykrotnie mniejsze niż na odcinkach pionowych obrysu podziemnego.

=> warunek nie został spełniony

Po zastosowaniu ścianki szczelnej o długości 18 m:

=> warunek został spełniony

10. Obliczenie wyporu hydrodynamicznego metodą Bligh'a i Lane'a oraz obliczenie wyporu hydrostatycznego.

Określenie wyporu hydrostatycznego:

Bryłę wyporu hydrostatycznego tworzą długość i szerokość jazu oraz wysokość wzniesienia wody dolnej ponad kontur podziemny budowli.

gdzie:

- objętość bryły tworzącej wypór hydrostatyczny, m³

- długość jazu, m

- szerokość jazu, m

- wysokość wzniesienia wody dolnej, m

Wypór hydrostatyczny:

- gęstość wody,
= 1000 kg/m³

- przyspieszenie ziemskie,
= 9,81 m/s²

Określenie wyporu hydrodynamicznego:

Wypór hydrodynamiczny przedstawia bryła o podstawie tworzonej wspólnie przez trójkąt i trapez oraz wysokości równej szerokości jazu.

• Metoda Bligh'a

Objętość bryły wyporu hydrodynamicznego:

gdzie:

- powierzchnia podstawy bryły wyporu, m²

- szerokość jazu, m

Wypór hydrodynamiczny:

• Metoda Lane'a

Objętość bryły wyporu hydrodynamicznego:

Wypór hydrodynamiczny:

11. Obliczenia stateczności na przesunięcie i wypłynięcie.

Stateczność na przesunięcie progu:

gdzie:

- suma ciężarów od budowli oraz wody, kN

- siła parcia, kN

- współczynnik tarcia gruntu po betonie, dla piasku grubego
= 0,67

gdzie:

- ciężar budowli,
= 89 603 kN

- ciężar od wody górnej,
= 2 934 kN

= 92 537 kN

= 19 740 kN

= 3 463 kN

Warunek stateczności budowli na przesunięcie jest spełniony gdy:

gdzie:

- współczynnik stateczności, dla III klasy budowli
= 1,15

=> warunek został spełniony

Stateczność na wypłynięcie niecki:

• Przypadek eksploatacyjny

gdzie:

- suma ciężarów od niecki oraz wody wypełniającej nieckę, kN

- suma wyporów hydrostatycznego i hydrodynamicznego działających na nieckę, kN

Warunek stateczności niecki na wypłynięcie jest spełniony gdy:

- ciężar niecki,
= 17 599 kN

- ciężar wody dolnej wypełniającej nieckę,
= 8 865 kN

= 24 464 kN

Metoda Bligh'a:

= 16 821 kN

> 1,15 => warunek został spełniony

Metoda Lane'a:

= 16 565 kN

> 1,15 => warunek został spełniony

• Przypadek remontowy

= 17 599 kN

Metoda Bligh'a

= 16 821 kN

< 1,15 => warunek nie został spełniony

Metoda Lane'a

= 16 565

< 1,15 => warunek nie został spełniony

Ze względu na niespełnienie warunku na stateczność w czasie remontu nie należy całkowicie poróżniać niecki z wody.

---