Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego Wrocław, dn. 2013-06-05

Instytut Geotechniki i Hydrotechniki

Zakład Budownictwa Wodnego i Geodezji

Politechnika Wrocławska

Budownictwo wodne - podstawy

Projekt

„ Projekt jazu stałego i ujęcia wody dla celów hydroenergetyki, które umożliwi pobór wody w ilości Q_u przy przepływie średnim rocznym Q_śr”

Student: Krystian Młodzik

Nr indeksu: 191095

Prowadzący: dr inż. Oscar Herrera Granados

Spis treści

1. Cel opracowania 3

2. Założenia projektowe: 3

3. Obliczenie wydatku rzeki na podstawie przekroju poprzecznego 3

4. Obliczenie światła jazu 9

5. Wyznaczenie krzywej Creagera 10

6. Wyznaczenie krzywej wydatku jazu stałego 11

7. Określenie parametrów niecki wypadowej jazu dla najniekorzystniejszych warunków przepływu przez próg piętrzący 17

8. Wyznaczenie ścianek szczelnych 20

9. Sprawdzenie stateczności jazu 21

10. Stateczność całej budowli na przesunięcie 21

11. Określenie parametru przekroju brzegowego wody dla założonego wydatku Q_u 23

1. Cel opracowania

Celem jest zaprojektowanie jazu stałego na rzece 00 na kilometrze 5+120,0km

1. Założenia projektowe:

- charakterystyka przekroju rzeki 00 na kilometrze 5+120,0 – patrz rys.1

- spadek podłużny dna rzeki I = 0,0012

- dopuszczalna wysokość napiętrzenia z = 0,85m

- współczynnik Manninga dla wysokiej trawy n = 0,035

- współczynnik Manninga dla piasku grubego n = 0,025

- współczynnik Manninga dla betonu n = 0,02
- współczynnik de Saint Venanta
- współczynnik Boussinesq
- dla piasku gruboziarnistego
- zakładam IV klasę budowli
- rozstaw krat d = 0,2m
- szerokość krat s = 10mm
- zakładam wydatek w ujęciu

1. Obliczenie wydatku rzeki na podstawie przekroju poprzecznego

Rys.1 Kształt koryta rzeki

Przykładowe obliczenia dla pozycji 11 wydatku miarodajnego

Wartości pola i promieni obwodu zwilżonego odczytane z Autocada

Numerowanie sektorów:

Sektor pierwszy – lewy patrz rys. 1

Sektor drugi – środkowy patrz rys. 1

Sektor trzeci – prawy patrz rys. 1

- pole pierwszego sektora

- pole drugiego sektora

- pole trzeciego sektora

- obwód zwilżony pierwszego sektora

- obwód zwilżony drugiego sektora

- obwód zwilżony trzeciego sektora

Obliczenie poszczególnych promieni hydraulicznych

Obliczenie całkowitego pola

Obliczenie prędkości w każdym sektorze

I = 0,0012 – spadek podłużny zwierciadła wody

n = 0,025 koryto rzeki – piasek gruby

n = 0,035 teren zalewowy - wysoka trawa

m/s

m/s

m/s

Obliczenie wydatku w każdym sektorze

Całkowity wydatek

Otrzymany wynik różni nieco od wyniku w tabeli, ale różnica ta wyniki z przybliżeń

Szerokość B została zmierzona w Autocadzie

Lp.	H	h	A1	A2	A3	u1	u2	u3	Rh1	Rh2	Rh3	A
	m n. p. m	m	m2	m2	m2	m	m	m	m	m	m	m2
1	38,663	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
2	39,063	0,400	0	3,5061	0	0	13,173	0	0	0,266	0	3,5061
3	39,463	0,800	0	9,9133	0	0	19,1103	0	0	0,519	0	9,9133
4	39,863	1,200	0	18,6535	0	0	25,052	0	0	0,745	0	18,6535
5	40,163	1,500	0	26,9609	0	0	28,5087	0	0	0,946	0	26,9609
6	40,663	2,000	0	41,2168	0	0	30,8557	0	0	1,336	0	41,2168
7	41,078	2,415	0	54,3409	0	0	33,3789	0	0	1,628	0	54,3409
8	41,463	2,800	0,5757	66,9032	1,03	3,5652	33,379	5,1452	0,161	2,004	0,200	68,5089
9	41,863	3,200	3,0629	79,9568	3,9549	8,9309	33,379	9,5265	0,343	2,395	0,415	86,9746
10	42,263	3,600	7,8806	93,0124	9,0048	14,6695	33,379	16,7906	0,537	2,787	0,536	109,8978
11	42,663	4,000	14,6659	106,066	17,4873	19,7772	33,379	25,8586	0,742	3,178	0,676	138,2192
12	43,063	4,400	23,568	119,1196	29,6498	24,885	33,379	34,4478	0,947	3,569	0,861	172,3374
13	43,513	4,850	36,2195	133,8049	46,1925	32,2705	33,379	38,4847	1,122	4,009	1,200	216,2169
Lp.	hid	n	n (TZ)	v1	v2	v3	Q1	Q2	Q3	Qc	B
		s m^-1/3	s m^-1/3	m/s	m/s	m/s	m^3/s	m^3/s	m^3/s	m^3/s	m
1	h0	0,025	0,035	0	0	0	0	0	0	0	13,1011
2	h1	0,025	0,035	0	0,573338	0	0	2,010179	0	2,010179	13,1011
3	h2	0,025	0,035	0	0,894577	0	0	8,868211	0	8,868211	18,9332
4	h3	0,025	0,035	0	1,138315	0	0	21,23356	0	21,23356	24,7696
5	hśr	0,025	0,035	0	1,335023	0	0	35,99341	0	35,99341	28,1296
6	h5	0,025	0,035	0	1,680647	0	0	69,27089	0	69,27089	30,2776
7	hbr	0,025	0,035	0	1,917581	0	0	104,2031	0	104,2031	32,634
8	h7	0,025	0,035	0,293493	2,202756	0,338698	0,168964	147,3714	0,348859	147,8892	41,3072
9	h8	0,025	0,035	0,484932	2,480687	0,550796	1,485299	198,3478	2,178343	202,0115	51,0211
10	h9	0,025	0,035	0,654061	2,743862	0,653323	5,154397	255,2132	5,883041	266,2506	63,9967
11	hm	0,025	0,035	0,810871	2,994924	0,762549	11,89216	317,6596	13,33492	342,8867	78,148
12	h11	0,025	0,035	0,954507	3,235866	0,895563	22,49583	385,4551	26,55326	434,5042	91,819
13	hms	0,025	0,035	1,068925	3,496631	1,117836	38,71592	467,8663	51,63565	558,2179	103,1918

Tab. 1 Oszacowanie wydatku całkowitego

1. Obliczenie światła jazu

Stałe potrzebne do dalszych obliczeń:
Dane z tab.1

- dopuszczalna wysokość napiętrzenia przy przepływie obliczeniowym

Zakładam wysokość P_g = h_śr

Do początkowych wyliczeń szerokości jazu zakładam

Obliczenia:

na podstawie wykresu tabeli

na podstawie tabeli odczytano

Przyjęto

Sprawdzenie warunków

1. Dla największych polskich rzek w dolnym biegu, a także dla innych dużych rzek o głębokim korycie i dobrze wykształconej dolinie jako minimalnie światło należy przyjmować (Depczynski i Szamowski, 1999):

Przyjęto szerokość jazu jako wartość maksymalną z powyższych obliczeń

Powyższą wartość zaokrąglam do liczby całkowitej

2. Dopuszczalny przepływ jednostkowy

3.Obliczenie natężenia przepływu

Przyjęto:

Z obliczeń otrzymałem Q_p większe od Q_m wiec wydajność jazu jest wystarczająca

Przyjęto szerokość jazu równą 39m

1. Wyznaczenie krzywej Creagera

Q_cer = Q_śr

Przyjęto P_g = 1,5m

b_p = 39m

H₀ = 0,588m

1. Wyznaczenie krzywej wydatku jazu stałego

Przykładowe obliczenia dla pozycji 2

Lp.	hd	α	α'	n	I	bp	A	u	Rh	v	Q
	m	°	°	s m^-1/3		m	m2	m	m	m s^-1	m^3 s^-1
1	0,000	45	45	0,02	0,0012	39,000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000
2	0,050	45	45	0,02	0,0012	39,000	1,953	39,141	0,050	0,235	0,458
3	0,100	45	45	0,02	0,0012	39,000	3,910	39,283	0,100	0,372	1,455
4	0,200	45	45	0,02	0,0012	39,000	7,840	39,566	0,198	0,589	4,615
5	0,300	45	45	0,02	0,0012	39,000	11,790	39,849	0,296	0,769	9,067
6	0,500	45	45	0,02	0,0012	39,000	19,750	40,414	0,489	1,075	21,223
7	0,600	45	45	0,02	0,0012	39,000	23,760	40,697	0,584	1,210	28,747
8	0,800	45	45	0,02	0,0012	39,000	31,840	41,263	0,772	1,457	46,396
9	0,900	45	45	0,02	0,0012	39,000	35,910	41,546	0,864	1,572	56,438
10	1,100	45	45	0,02	0,0012	39,000	44,110	42,111	1,047	1,786	78,800
11	1,200	45	45	0,02	0,0012	39,000	48,240	42,394	1,138	1,888	91,069
12	1,400	45	45	0,02	0,0012	39,000	56,560	42,960	1,317	2,081	117,680
13	1,500	45	45	0,02	0,0012	39,000	60,750	43,243	1,405	2,173	131,987
14	1,600	45	45	0,02	0,0012	39,000	64,960	43,525	1,492	2,262	146,941
15	1,700	45	45	0,02	0,0012	39,000	69,190	43,808	1,579	2,349	162,528

Tab. 2 dane do wyznaczenia wykresu Q(h_d)

Przeprowadzenie przykładowych obliczeń dla pozycji 2

- odczyt z wykresu

Lp	hp	A(hp+Pg)	Qi	v0	h0	h0/Pg	m	ε	Qi+1	∆	∆<2%
	m	m^2	m^3 s-1	s m^-1/3	m			m	m^3 s^-1
1	0,050	28,852	0	0	0,05	0,033	0,494	1,000	0,954	1,000	NIE
2	0,050	28,852	0,954	0,03306	0,050056	0,033	0,494	1,000	0,955	0,002	TAK
3	0,100	29,51	0,000	0	0,1	0,067	0,494	0,999	2,695	1,000	NIE
4	0,100	29,51	2,695	0,091308	0,100425	0,067	0,494	0,999	2,712	0,006	TAK
5	0,200	32,5	0,000	0	0,2	0,133	0,492	0,999	7,594	1,000	NIE
6	0,200	32,5	7,594	0,233666	0,202783	0,135	0,492	0,999	7,753	0,021	NIE
7	0,200	32,5	7,753	0,238556	0,202901	0,135	0,492	0,999	7,760	0,001	TAK
8	0,300	36,25	0,000	0	0,3	0,200	0,491	0,998	13,916	1,000	NIE
9	0,300	36,25	13,916	0,383885	0,307511	0,205	0,491	0,998	14,441	0,036	NIE
10	0,300	36,25	14,441	0,398376	0,308089	0,205	0,491	0,998	14,482	0,003	TAK
11	0,400	38,5	0,000	0	0,4	0,267	0,490	0,998	21,370	1,000	NIE
12	0,400	38,5	21,370	0,55507	0,415703	0,277	0,490	0,998	22,639	0,056	NIE
13	0,400	38,5	22,639	0,588028	0,417624	0,278	0,490	0,998	22,796	0,007	TAK
14	0,500	41,92	0,000	0	0,5	0,333	0,489	0,997	29,789	1,000	NIE
15	0,500	41,92	29,789	0,710627	0,525739	0,350	0,489	0,997	32,115	0,072	NIE
16	0,500	41,92	32,115	0,766097	0,529914	0,353	0,489	0,997	32,497	0,012	TAK
17	0,700	48,2	0,000	0	0,7	0,467	0,488	0,996	49,195	1,000	NIE
18	0,700	48,2	49,195	1,020639	0,753094	0,502	0,489	0,996	54,994	0,105	NIE
19	0,700	48,2	54,994	1,140957	0,76635	0,511	0,489	0,996	56,449	0,026	NIE
20	0,700	48,2	56,449	1,171133	0,769906	0,513	0,489	0,996	56,842	0,007	TAK
21	0,900	54,5	0,000	0	0,9	0,600	0,487	0,996	71,547	1,000	NIE
22	0,900	54,5	71,547	1,312781	0,987839	0,659	0,487	0,995	82,133	0,129	NIE
23	0,900	54,5	82,133	1,507025	1,015756	0,677	0,487	0,995	85,600	0,041	NIE
24	0,900	54,5	85,600	1,570647	1,025736	0,684	0,487	0,995	86,942	0,015	TAK
25	1,000	58,35	0	0	1	0,667	0,487	0,995	83,686	1,000	NIE
26	1,000	58,35	83,686	1,434207	1,104839	0,737	0,486	0,995	96,999	0,137	NIE
27	1,000	58,35	96,999	1,662361	1,140848	0,761	0,485	0,994	101,515	0,044	NIE
28	1,000	58,35	101,515	1,739759	1,154269	0,770	0,485	0,994	103,292	0,017	TAK
29	1,100	61,9	0	0	1,1	0,733	0,486	0,994	96,286	1,000	NIE
30	1,100	61,9	96,286	1,555501	1,223322	0,816	0,485	0,994	112,722	0,146	NIE
31	1,100	61,9	112,722	1,821041	1,269021	0,846	0,485	0,994	119,022	0,053	NIE
32	1,100	61,9	119,022	1,922805	1,288439	0,859	0,484	0,993	121,484	0,020	NIE
33	1,100	61,9	121,484	1,962588	1,296318	0,864	0,484	0,993	122,588	0,009	TAK
34	1,200	65,4	0	0	1,2	0,800	0,485	0,993	109,403	1,000	NIE
35	1,200	65,4	109,403	1,672835	1,342629	0,895	0,484	0,994	129,274	0,154	NIE
36	1,200	65,4	129,274	1,976673	1,399146	0,933	0,484	0,993	137,421	0,059	NIE
37	1,200	65,4	137,421	2,101239	1,425036	0,950	0,483	0,993	140,920	0,025	NIE
38	1,200	65,4	140,920	2,15474	1,436641	0,958	0,483	0,993	142,617	0,012	TAK
39	1,300	68,2	0	0	1,3	0,867	0,484	0,993	123,103	1,000	NIE
40	1,300	68,2	123,1032	1,805033	1,466062	0,977	0,483	0,992	146,998	0,163	NIE
41	1,300	68,2	146,9983	2,155401	1,536787	1,025	0,483	0,992	157,705	0,068	NIE
42	1,300	68,2	157,705	2,31239	1,572535	1,048	0,483	0,992	163,209	0,034	NIE
43	1,300	68,2	163,2095	2,393101	1,591893	1,061	0,482	0,992	165,872	0,016	TAK
44	1,400	72,5	0	0	1,4	0,933	0,484	0,993	137,506	1,000	NIE
45	1,400	72,5	137,5062	1,896637	1,583345	1,056	0,483	0,992	164,886	0,166	NIE
46	1,400	72,5	164,886	2,27429	1,663629	1,109	0,482	0,991	177,143	0,069	NIE
47	1,400	72,5	177,1433	2,443356	1,704281	1,136	0,481	0,991	183,256	0,033	NIE
48	1,400	72,5	183,2561	2,527671	1,725643	1,150	0,481	0,991	186,692	0,018	TAK
49	1,500	77,5	0	0	1,5	1,000	0,483	0,992	152,105	1,000	NIE
50	1,500	77,5	152,1053	1,96265	1,69633	1,131	0,482	0,991	182,361	0,166	NIE
51	1,500	77,5	182,3611	2,353046	1,782203	1,188	0,481	0,991	195,888	0,069	NIE
52	1,500	77,5	195,8879	2,527585	1,825621	1,217	0,481	0,991	203,044	0,035	NIE
53	1,500	77,5	203,044	2,619922	1,849847	1,233	0,481	0,991	207,073	0,019	TAK
54	1,550	80	0	0	1,55	1,033	0,483	0,992	159,732	1,000	NIE
55	1,550	80	159,7324	1,996655	1,753192	1,169	0,481	0,991	191,153	0,164	NIE
56	1,550	80	191,153	2,389413	1,840994	1,227	0,481	0,991	205,598	0,070	NIE
57	1,550	80	205,5975	2,569969	1,886633	1,258	0,481	0,990	213,018	0,035	NIE
58	1,550	80	213,0181	2,662726	1,911371	1,274	0,481	0,990	217,194	0,019	TAK

Tab. 3 Obliczenia hydrauliczne dla krzywej wydatku jazu

Nr	hp	Q
	m	m^3 s^-1
1	0	0
2	0,05	0,955454
3	0,1	2,711689
4	0,2	7,759826
5	0,3	14,48181
6	0,4	22,7959
7	0,5	32,49741
8	0,7	56,84095
9	0,9	86,94168
10	1	103,2924
11	1,1	122,5879
12	1,2	142,6174
13	1,3	165,8715
14	1,4	186,6918
15	1,5	207,0729
16	1,55	217,1937

Tab. 4 Zebranie danych z tabeli 3
potrzebnych do wykresu

Dla h_p = 1.68m, Q_p = 140 m³s^-1; dla tej wartości natężenia h_d równa się ok. 1.55 m;

t. z. n. że h_d > P_g; koniec obliczeń

1. Określenie parametrów niecki wypadowej jazu dla najniekorzystniejszych warunków przepływu przez próg piętrzący

W obliczeniach będę korzystał ze wzoru L_n = 6 • (h₂ − h₁)

Przykładowe obliczenia dla punktu 2

- współczynnik de Saint Venanta

- Współczynnik Boussinesq

h₁ wyznaczone ze wzoru: przy pomocy odpowiedniego programu
h₁ = 0,004m

h₂ wyznaczone ze wzoru: przy pomocy odpowiedniego programu h₂ = 0,1802

Długość niecki wypadowej

Lp.	hp	Q	hd	d	q	v0	E0	α1q^2/2g	h1	2βq^2/g	2C1	h2	η	Ln
	m	m^3 s^-1	m	m	m^2 s^-1	m s^-1	m		m			m		m
1	0	0	0	0,5	0,000	0	2	0,000000	0	0,00000	-	0	-	0,000
2	0,05	0,955	0,08	0,5	0,024	0,033	2,050	0,000034	0,004	0,00013	0,03321	0,1801747	3,219	1,057
3	0,1	2,712	0,15	0,5	0,070	0,091	2,100	0,000271	0,011	0,00108	0,09531	0,302873	2,146	1,749
4	0,2	7,760	0,28	0,5	0,199	0,239	2,203	0,002220	0,032	0,00888	0,27868	0,5111915	1,526	2,875
5	0,3	14,482	0,4	0,5	0,371	0,398	2,308	0,007731	0,059	0,03092	0,53092	0,6975572	1,290	3,834
6	0,4	22,796	0,52	0,5	0,585	0,588	2,418	0,019155	0,091	0,07662	0,85271	0,8747078	1,166	4,704
7	0,5	32,497	0,63	0,5	0,833	0,766	2,530	0,038928	0,127	0,15571	1,23951	1,0442158	1,082	5,502
8	0,7	56,841	0,9	0,5	1,457	1,171	2,770	0,119093	0,216	0,47637	2,25266	1,3812188	1,014	6,992
9	0,9	86,942	1,15	0,5	2,229	1,571	3,026	0,278625	0,321	1,11450	3,57546	1,7098714	0,965	8,333
10	1	103,292	1,28	0,5	2,649	1,740	3,154	0,393279	0,376	1,57312	4,32254	1,8652516	0,954	8,934
11	1,1	122,588	1,42	0,5	3,143	1,963	3,296	0,553936	0,440	2,21574	5,22505	2,0335865	0,944	9,559
12	1,18	140,000	1,55	0,5	3,590	2,155	3,417	0,722471	0,506	2,88988	5,96959	2,1508057	0,953	9,870

Tab. 5 Szczegółowe wyliczenia niecki wypadowej

Przyjęto długość niecki wypadowej L_n = 10m

1. Wyznaczenie ścianek szczelnych

Zakładam grubość płyty 0,5m

Piasek gruboziarnisty

W dalszych obliczeniach będę korzystał z metody Lane’a

Metoda Lane'a

Nie ma ścianki S2 i S1- nie są one potrzebne w kolejnym kroku płyta jazu będzie liczona o grubości 1m wiec nie są potrzebne ścianki szczelne

1. Sprawdzenie stateczności jazu

Zakładam grubość płyty 1m

Gdzie: E_desr – efekty obliczeniowe destabilizujące

E_stab – efekty obliczeniowe stabilizujące

Dla klasy IV

odczyt z Autocada

objętość płyty, odczyt z Autocada

objętość wody odczyt z Autocada

Warunek spełniony – budowla jest stabilna

1. Stateczność całej budowli na przesunięcie

Obliczenia polegają na sprawdzeniu, czy siła tarcia istniejąca w płaszczyźnie poślizgu jest większa od sumy sił poziomych, mogących spowodować przesunięcie budowli piętrzącej.

Stateczność jest zapewniona, jeśli siła tarcia, będąca iloczynem sumy sił pionowych (N), normalnych do przekroju i współczynnika tarcia konstrukcji po podłożu (f), jest większa od sumy sił poziomych Px, powiększonych o współczynnik pewności np, zależny od klasy budowli (Depczyński i Szamowski, 1999). Dla klasy IV

V_p = 6,08 m³ objętość jazu - odczyt z Autocada

A_w = 8,24 m³ pole wody - odczyt z Autocada

A_u = 34,71 m³ pole parcia hydrostatycznego - odczyt z Autocada

Ciężar jazu

Ciężar wody

Siła wyporu

Odczyt z tablic

Obliczenia:

Otrzymana wartość większa odwięc jaz stateczny z uwagi na przesunięcie

1. Określenie parametru przekroju brzegowego wody dla założonego wydatku Q_u

Założenia:

- przekrój kraty prostokątny

- odczyt z tab.1

Obliczenia:

- odczyt z wykresu Q(h_p)

Przyjęto dwie kraty o wymiarach 3,7m x 8,4m