Ciśnienie hydrostatyczne

Dział hydromechaniki zajmujący się opisem praw, jakim podlega ciecz znajdująca się w spoczynku, nazywa się hydrostatyką.

Na ciecz będącą w spoczynku działają siły: powierzchniowa i masowa.

Siła powierzchniowa działająca na powierzchnie dowolnej bryły cieczy jest zawsze prostopadła do tych powierzchni. Gdyby nie była prostopadła, to można by ja rozłożyć
na dwie składowe: prostopadłą do powierzchni i styczną do powierzchni. Siłę statyczną może zrównoważyć jedynie siła tarcia, która występuje tylko podczas ruchu cieczy, a podmiotem rozważań jest ciecz w spoczynku.

Siła masowa działająca na ciecz w spoczynku jest proporcjonalna do masy cieczy i w przypadku cieczy będącej pod działaniem grawitacji siłę tę nazywamy siłą ciężkości.

W obliczeniach inżynierskich wielkość ciśnienia na dowolną powierzchnię F, na którą działa siła P, jest równa

Jednostką ciśnienia jest pascal 1Pa=[N/m²].

Od czego zależy wielkość ciśnienia hydrostatycznego?

W przestrzeni (rys) wypełnionej jednorodną cieczą wyodrębnijmy element w kształcie prostopadłościanu o bokach dx, dy, dz. Objętość tego prostopadłościanu wynosi

Jeśli przez ρ oznaczymy gęstość cieczy, to masa prostopadłościanu wynosić będzie:

W środku ciężkości prostopadłościanu działa siła masowa a dm, gdzie a jest jednostkową siłą masową. Jeżeli przez ax ,ay, az oznaczymy składowe jednostkowej siły masowej, to jej składowe w kierunkach osi układu wynosić będą:

Na powierzchnie ograniczające prostopa-dłościan działają siły powierzchniowe.
Jeśli w środku prostopadłościanu ciśnienie wynosi p , to na jego ścianach prostopadłych
do osi x, odległych od środka o ½ dx, ciśnienie wynosi:

gdzie pochodna cząstkowa wyraża zmianę ciśnienia w kierunku x

Zgodnie z rys. głębokość zanurzenia punktu A wynosi

Jest to podstawowe równanie hydrostatyki wyrażające zależność między ciśnieniem i siłą masową. Całkując to równanie otrzymamy wartość ciśnienia

co oznacza, że ciśnienie hydrostatyczne w dowolnym punkcie cieczy zależy liniowo wyłącznie od głębokości zanurzenia tego punktu .Jeżeli na powierzchni cieczy panuje ciśnienie atmosferyczne, czyli p_o =p_a, to możemy zapisać, że:

Z czego wynika, że ciśnienie w dowolnym punkcie cieczy w zbiorniku otwartym równa się ciśnieniu hydrostatycznemu zwiększonemu o wartość ciśnienia atmosferycznego

PARCIE HYDROSTATYCZNE NA POWIERZCHNIE PŁASKIE

Parciem hydrostatycznym nazywamy siłę powierzchniową, z jaką działa ciecz w stanie spoczynku na dowolnie zorientowaną w jej przestrzeni powierzchnię. Parcie hydrostatyczne, jako siła powierzchniowa, będzie zawsze prostopadłe
do rozpatrywanej powierzchni. Elementarne parcie działające na płaską powierzchnię dF będzie równe:

Uwzględniając ,że p jest ciśnieniem hydro-statycznym, wielkość elementarnego parcia wynosi

Wszystkie elementarne parcia działają prostopadle do rozpatrywanej powierzchni
i są do siebie równoległe. Wielkość siły parcia określa zatem suma parć elementarnych
i wyznaczymy ja przez całkowanie

Można zatem powiedzieć także, że parcie na powierzchnię płaską jest równe liczbowo ciężarowi bryły parcia. Przedstawiona geometryczna interpretacja równania parcia dotyczyła przypadku, gdy nie uwzględnia się wpływu ciśnienia zewnętrznego. Gdy równanie siły parcia przekształcimy do postaci

Całka składowej pionowej przedstawia

objętość bryły ograniczonej od dołu powierzchnią krzywą, od góry płaszczyzną zwierciadła wody i tworzącymi prostopadłymi do powierzchni zwierciadła wody przechodzącymi przez obrys przedmiotowej powierzchni. Jest to bryła parcia składowej pionowej, której objętość V_y pomnożona przez ciężar właściwy cieczy γ wyraża wielkość składowej pionowej parcia.

Podobnie jest w przypadku parcia na powierzchnie płaskie – przekroje pionowe brył parcia nazywać będziemy wykresami parcia. Przykłady wykresów parcia pokazane na rysunku , na którym zaznaczono również kierunek wypadkowej parcia P_i, przechodzącą przez środek krzywizny powierzchni zakrzywionej.

Należy dodać, że składowe parcia przejdą przez środki ciężkości odpowiednich brył parcia.

Wyporem hydrostatycznym nazywamy siłę, z jaką działa ciecz na ciało w niej zanurzone. Składowe pionowe parcia działającego na elementarny pionowy graniastosłup są równe

gdzie dF jest przekrojem poziomym rozpatrywanego elementu pionowego

Wypór hydrostatyczny można zdefiniować następująco: wypór cieczy działający na ciało w niej zanurzone równa się objętości tego ciała zanurzonej w cieczy pomnożonej przez ciężar właściwy cieczy i działa pionowo w górę lub inaczej na ciało zanurzone w cieczy działa pionowo w górę wypór, równy ciężarowi cieczy wypartej przez to ciało lub jeszcze inaczej (prawo Archimedesa) ciało zanurzone w cieczy traci pozornie na wadze tyle, ile waży wyparta przez nie ciecz

Rownowaga ciał zanurzonych: Na ciało zanurzone w cieczy oprócz wyporu W działa przeciwnie do niego skierowana siła ciężkości G. W zależności od relacji pomiędzy wielkością siły ciężkości G i przeciwnie działającego wyporu W można rozważyć trzy przypadki. I przypadek, G<W, wówczas ciało unoszone będzie w górę do chwili takiego wynurzenia się jego części, przy którym nastąpi stan równowagi, czyli do chwili, gdy wypór zanurzonej części stanie się równy ciężarowi ciała. II przypadek, G=W, wówczas ciało jest całkowicie zanurzone i pozostaje w stanie równowagi przy dowolnym zagłębieniu. III przypadek, G>W, wówczas ciało tonie.

Rozróżniamy trzy stany równowagi ciała zanurzonego w cieczy: trwałą, obojętną i chwiejną

Wystąpienie określonego stanu zależne jest od wzajemnego położenia środka ciężkości ciała zanurzonego i środka wyporu, który znajduje się w geometrycznym środku ciężkości części zanurzonej ciała, czyli części będącej pod poziomem zwierciadła cieczy. Równowaga trwała ciała zanurzonego w cieczy zachodzi wówczas, gdy jego środek ciężkości S leży poniżej środka wyporu C(rys.a). W tym przypadku po wychyleniu ciała o niewielki kąt α powstaje moment sił G i W, który przywróci ciało do pierwotnego stanu równowagi, a środek ciężkości i wyporu S i C znajdą się na tej samej osi pionowej. Równowaga obojętna zachodzi wówczas, gdy środek ciężkości leży w tym samym punkcie co środek wyporu (rys.b). Po wychyleniu ciała o niewielki kąt α siły G i W nie dadzą momentu, a ciało po wychyleniu nie zmieni swego nowego położenia.

Równowaga chwiejna zachodzi wówczas, gdy środek ciężkości ciała S leży powyżej środka wyporu C (rys.c). Po wychyleniu ciała o niewielki kąt α siła ciężkości G i wypór W dadzą moment obrotowy, który zwiększy początkowe wychylenie.

Warunki równowagi ciał pływających Warunki równowagi są podstawą obl. stateczności obiektów pływających. Jeżeli ciało niecałkowicie zanurzone w cieczy znajduje się w równowadze, to wypór W równa się ciężarowi ciała G, a ponadto środek ciężkości ciała S oraz środek wyporu C leżą na jednej prostej pionowej.Tę prostą nazywamy osią pływania. Płaszczyzna pływania jest to płaszczyzna poprowadzona w poziomie zwierciadła cieczy. Wyporność jest to objętość zanurzonej części ciała, czyli części znajdującej się poniżej płaszczyzny pływania.

Metacentrum jest to punkt przecięcia osi pływania przez wektor wypadkowej wyporu ciała po jego wychyleniu się ze tanu rownowagi (punkt M na rys.). Wysokość metacentryczna jest to odległość od środka ciężkości do metacentrum.

Środek ciężkości S może być rozmaicie położony względem środka wyporu C, gdyż położenie to zależy od kształtu całego ciała (nie tylko części zanurzonej) oraz od rozmieszczenia masy. Przypadki wzajemnego położenia środków wyporu C i ciężkości S w obiekcie pływającym przedstawiono na rysunku .

Analizując zachowanie się ciał w poszczególnych przypadkach po jednakowym wychyleniu się z położenia równowagi o kąt α widzimy, że wypór W i ciężar G tworzy parę sił. W przypadkach a i b para ta będzie dążyła do przywrócenia pierwotnego położenia równowagi. W przypadku c para sił dąży do dalszego wychylenia ciała (do jego obrotu). Z rysunku widać, że o trwałości równowagi decyduje wzajemne położenie na osi pływania środka ciężkości C i metacentrum M. W przypadkach a i b wysokość metacentryczna ma wartość dodatnią (przyjmując znak (+) w górę od środka ciężkości wzdłuż osi pływania), a w przypadku c wartość ujemną.

Zatem miernikiem stateczności ciał pływających jest wysokość metacentryczna, którą możemy wyznaczyć z zależności

gdzie: I – moment bezwładności pola przekroju ciała pływającego w płaszczyźnie pływania względem osi obrotu,

V – wyporność, czyli objętość ciała znajdującego się pod poziomem zwierciadła cieczy,

a – odległość od środka wyporu do środka ciężkości.

W praktyce wartości wysokości metacentrycznej dla statków wahają się w granicach
0,3÷1,2 m.

Ruch Cieczy Ruch ustalony. Ruch ustalony jest to ruch, którego elementy w poszczególnych punktach przestrzeni zależą tylko od położenia tych punktów w przestrzeni i nie zmieniają się w czasie.

Ruch nieustalony. Ruch nieustalony jest to ruch, którego elementy są funkcjami zarówno położenia, jak i czasu. Tor cząstki. Torem cząstki nazywamy linię, jaką zakreśla ta cząstka w przestrzeni. Linia prądu. Linią prądu nazywamy linię poprowadzona w polu prędkości w ten sposób, ze styczne do niej w każdym punkcie wskazują w danej chwili kierunek wektora prędkości. Struga. Strugą nazywamy pęk linii prądu przechodzących przez punkty nieskończenie małego poletka wyodrębnionego w przestrzeni wypełnionej poruszającym się płynem. Struga jest pojęciem fizycznym, ponieważ posiada wymiary poprzeczne, w odróżnieniu od linii prądu, która jest pojęciem geometrycznym. Strumień. Strumieniem nazywamy zbiór strug przechodzących przez dowolnie ograniczone pole w przestrzeni wypełnionej poruszającym się płynem.

Przekrój poprzeczny. Przekrojem poprzecznym strugi lub strumienia nazywamy powierzchnię prostopadłą (ortogonalną) do wszystkich linii prądu. Natężenie przepływu (wydatek strumienia, przepływ). Natężeniem przepływu albo wydatkiem strumienia, albo wprost przepływem nazywamy objętość cieczy, która przepływa przez jakiś przekrój strumienia w jednostce czasu. Pojęcia te odnoszą się również do strugi cieczy.

Prędkość. Prędkość średnia. Prędkość definiuje się jako stosunek bardzo małego przemieszczenia Δl do odpowiednio krótkiego przedziału czasowego Δt

lub ściślej jako granicę do której zdąża stosunek Δl/Δt, gdy Δt zdąża do zera.

Podane definicje dotyczą ruchu pojedynczej cząsteczki. Gdy rozważamy zjawisko ruchu pewnej ilości cieczy (np. ruch w rzece), której cząsteczki poruszają się z różnymi prędkościami, to dla scharakteryzowania w tym przypadku prędkości jedną wielkością stosowane jest pojęcie prędkości średniej wyznaczanej następująco

gdzie Q jest natężeniem przepływu, a F polem powierzchni przekroju poprzecznego. Pole prędkości. Polem prędkości nazywamy pole, którego każdemu punktowi odpowiada prędkość chwilowa reprezentowana przez wektor prędkości zaczepiony w tym punkcie. Jeśli pole prędkości jest niezmienne w czasie, to mamy do czynienia z ruchem ustalonym, gdy pole ulega zmianom, to mamy do czynienia z ruchem nieustalonym.

Ruch ciągły. Ruch ciągły jest to ruch, w którym dowolnie wyodrębniony obszar przestrzeni jest całkowicie wypełniony cieczą w każdej chwili. Ruch jednostajny. Ruch jednostajny jest to ruch, w którym wszystkie przekroje poprzeczne strumienia są jednakowe, a w odpowiadających sobie punktach przekrojów prędkości są jednakowe. Ruch zmienny. Ruch zmienny jest to ruch, w którym nie są spełnione warunki ruchu jednostajnego.

Lepkością cieczy nazywamy własność polegającą na stawianiu oporu przy wzajemnym przesuwaniu się cząsteczek względem siebie. Lepkość zatem jest cechą dynamiczną i charakteryzuje tarcie wewnętrzne między warstwami cieczy podczas jej ruchu. Tarcie między warstwami cieczy, nazywane naprężeniami stycznymi τ, określa wzór Newtona

Znak minus lub plus zależy od obranego kierunku osi y,

Występujący we wzorze Newtona współczynnik µ nazywamy dynamicznym współczynnikiem lepkości. Jednostką dynamicznego współczynnika lepkości µ jest niutonosekunda na metr kwadratowy (paskalosekunda)[1N s m^-2]=[1Pa s] . Jednostką również stosowaną jest puaz (od nazwiska Poiseuille). Który ma wymiar 1P=[dN s m^-2].

Bardzo często dla celów praktycznych stosowana jest miara lepkości zwana kinematycznym współczynnikiem lepkości, która jest stosunkiem wartości dynamicznego współczynnika lepkości do gęstości cieczy.

Jednostką kinematycznego współczynnika lepkości υ jest metr kwadratowy na sekundę [m²s^-1]. Stosowana jest również jednostka stokes (od nazwiska Stokesa), który ma wymiar 1St=[10^-4 m² s^-1].

Wartość współczynnika lepkości cieczy można określić na podstawie pomiarów w przyrządach zwanych wiskozymetrami. Spośród używanych typów wiskozymetrów można wymienić wiskozymetry: rotacyjne, kapilarne, rurowe, Englera – wypływowe, typu opadająca kulka – wiskozymetr Höpplera. Najczęściej do pomiaru lepkości używany jest wiskozymetr rotacyjny.

Równanie Bernoulliego dla strugi cieczy doskonałej

Wyprowadzając równanie przyjmijmy następujące założenia: ruch jest ustalony i ciągły, ciecz jest idealna, tj. nielepka i nieściśliwa, na ciecz nie działają inne siły masowe prócz siły ciążenia, przyspieszenie ziemskie jest stałe i wektory przyspieszenia ziemskiego są względem siebie równoległe, rozpatrujemy tylko jedną strugę.

Podstawą wyprowadzenia równania jest równoważność pracy sił i przyrostu energii kinetycznej równanie Bernoulliego w postaci

Zależność powyższa wskazuje że suma trzech wyrazów dla dowolnego przekroju strugi (przy założonych warunkach) jest stała, co możemy zapisać w formie

Równanie Bernoulliego możemy zatem sformułować następująco: dla każdego przekroju strugi cieczy idealnej, znajdującej się w ruchu ustalonym pod działaniem wyłącznie siły ciążenia, suma wysokości prędkości, wysokości ciśnienia i wysokości położenia jest wartością stałą Należy podkreślić , że zgodnie z równaniem Bernoulliego suma energii kinetycznej i potencjalnej w każdym przekroju strugi cieczy idealnej jest wielkością stałą.

Wartość energii zużytej na pokonanie tarcia nazywamy wysokością strat. Musimy zatem do prawej strony równania Bernoulliego dla cieczy idealnej dodać jeszcze jeden
składnik – wysokość strat, co pozwala napisać równanie Bernoulliego dla cieczy rzeczywistej w postaci

w którym wyraz reprezentuje energię przeznaczoną na pokonanie oporów przy przepływie

Spad i spadek hydrauliczny

Równanie Bernoulliego dla strumienia cieczy rzeczywistej napiszmy w postaci

W tej formie przedstawia ono różnicę energii między dwoma przekrojami strumienia, która jest nazywana spadem hydraulicznym.

Jeżeli tę różnicę energii, podzielimy przez odległość między tymi przekrojami, to otrzymamy stratę energii przypadającą na jednostkę długości, którą nazywamy spadkiem hydraulicznym I.

Opory ruchu Przy przepływie w rurociągach ciecz musi przeznaczyć część energii na pokonanie oporów, co jest ujęte w energetycznym równaniu Bernoulliego dla cieczy rzeczywistej wyrazem . Formuła opisująca wielkość strat energii na długości przy przepływie cieczy przez prostoosiowy rurociąg nosi nazwę wzoru Darcy-Weisbacha

- wielkość strat energii,

- różnica ciśnień między początkowym a końcowym przekrojem rozpatrywanego rurociągu

- ciężar właściwy cieczy,

- współczynnik oporu liniowego,

- długość rurociągu,

- średnica rurociągu,

- średnia prędkość przepływu,

- przyspieszenie ziemskie.

Przy przepływie cieczy w rurociągach, niezależnie od start energii na długości, występują również straty energii spowodowane pokonywaniem oporów miejscowych (załamania rurociągu, zmiana średnicy, armatura sterująca itp.). Wielkość strat miejscowych określana jest z ogólnego wzoru

w którym jest współczynnikiem strat miejscowych charakteryzującym daną miejscową przeszkodę. Jago wartości zestawione są w poradnikach lub normach.

W budownictwie wodnym i wodnomelioracyjnym często zachodzi potrzeba przerzutu wody ponad lub pod przeszkodami terenowymi, np. przerzut wody ponad groblą, z jednego stawu do drugiego, przerzut wody pod drogą wykonaną w wykopie lub przez dolinę. Do tego celu służą lewary i syfony, przy czym należy dodać, że w literaturze obcojęzycznej wyróżnia się tylko jedno pojęcie do grawitacyjnego przerzutu wody przez przeszkody z poziomu wyższego na poziom niższy – syfon.

Lewarem nazywamy przewód zamknięty służący do przerzutu wody nad przeszkodą. Na rysunku poniżej przedstawiono schematycznie lewar służący do przerzutu przez groblą.

Wydatek lewara określa równanie

Ruch w korytach otwartych: Koryta otwarte dzielimy na naturalne i sztuczne.

Koryta naturalne to rzeki, koryta sztuczne – to kanały i rowy. Sztuczne koryta i kanały najczęściej o trapezowym przekroju poprzecznym, budowane są w celu doprowadzenia wody do określonego odbiorcy. Natężenie przepływu w korycie oblicz się ze wzoru

gdzie: ν - średnia prędkość przepływu,

F - pole pow. przekroju poprzecznego koryta.

Najczęściej w praktyce inżynierskiej do określenia prędkości średniej w korycie stosowany jest wzór Chézy, który ma postać

gdzie :C - współczynnik prędkości, zwany również współczynnikiem Chézy, R_h - promień hydrauliczny I - spadek hydrauliczny.

Spadek hydrauliczny przedstawia stosunek strat energii między dwoma przekrojami do odległości między nimi. W praktyce często utożsamia się go ze spadkiem zwierciadła wody lub dna. Jest to zasadne, gdy mamy do czynienia z ruchem ustalonym jednostajnym, dla którego linia energii, linia ciśnień, zwierciadło wody i dno koryta są równoległe.

Promień hydrauliczny jest definiowany jako stosunek powierzchni przekroju poprzecznego strumienia do obwodu zwilżonego w tym przekroju

Promień hydrauliczny może być zastąpiony średnia głębokością przekrojową obliczoną gdy

Współczynnik prędkości, zwany także współczynnikiem Chézy, można obliczać z wielu wzorów, lecz należy pamiętać, by występujący w nich współczynnik szorstkości dobierać z odpowiednich tabel. Wzór Bazina

w którym γ - współczynnik szorstkości zależny od rodzaju materiału ścian koryta

Przelewy Przelewem nazywamy tę część wstawionej w strumień cieczy o swobodnym zwierciadle, przez którą przelewa się ciecz. Przelewy są z reguły częścią składową obiektów hydrotechnicznych wznoszonych w ciekach wodnych celem spiętrzenia wód Przelewy można sklasyfikować na podstawie następujących kryteriów:a) kształt przekroju poprzecznego przelewu, b) usytuowanie przelewu w korycie, c) wpływ dolnej wody na warunki przepływu przez przelew, d) kształt wycięcia, e) wpływ kontrakcji bocznej. Na podstawie kształtu przekroju poprzecznego przelewu można wyróżnić: a) przelewy o ostrej krawędzi (rys. a), b) przelewy o praktycznych kształtach (rys. b), c) przelewy o szerokiej koronie (rys. c).

Obliczanie światła mostów Budowa mostu na rzece prowadzi z reguły do zwiększenia prędkości w przekroju rzeki, w którym budowany jest most. Jest to wynikiem zmniejszenia naturalnego pola powierzchni poprzez wstawienie filarów mostowych. Bardzo często ma miejsce, oprócz zwiększenia prędkości, spiętrzenie wody przed mostem. Fakt zwiększenia prędkości w przekroju mostowym prowadzi do możliwości erozji gruntu w tym przekroju, a wstawienie filarów prowadzi do zawirowań i lokalnych rozmyć bądź odkładania się gruntu przy ścianach filarów

Rezultatem tych zjawisk może być narażenie filarów i przyczółków na utratę stateczności. Z tych względów większość dużych konstrukcji mostowych badana jest na modelach hydraulicznych, co pozwala na ustalenie optymalnych kształtów filarów, ze względu na straty energii towarzyszące opływowi filarów i przyczółków (współczynniki dławienia). Łączna szerokość filarów mostowych i zwierciadła wody w przekroju mostowym nazywana jest konstrukcyjnym światłem mostu

Obliczanieprzepustów Przepusty to budowle hydrotechniczne służące do przepuszczania wody przez przeszkodę leżącą na trasie cieku wodnego (kanału lub rowu). Najczęściej przepusty budowane są dla przeprowadzenia wody z jednej na drugą stronę drogi lub nasyp toru kolejowego. Przepusty najczęściej mają w przekroju poprzecznym kształt koła lub prostokąta. W przypadku przekroju kołowego przepust budowany jest z kręgów betonowych, a przepusty prostokątne są konstrukcjami wykonywanymi na miejscu. W odniesieniu do hydrauliki można wyróżnić dwa podstawowe rodzaje przepustów:

1) przepust z przepływem ciśnieniowym

2) przepust z przepływem o swobodnym zwierciadle wody.

Skład ziarnowy gruntu przedstawiony jest zazwyczaj w formie graficznej w postaci wykresu uziarnienia. Skład najczęściej wyznaczany jest poprzez analizę sitową, polegającą na przesiewaniu wysuszonego gruntu przez zestaw sit o znanych wymiarach oczek i obliczeniu procentowej części gruntu pozostającej na danym sicie w stosunku do całości przesiewanej próbki Udział poszczególnych frakcji ziarnowych oblicza się ze wzoru

gdzie: f_i - jest udziałem procentowym frakcji o średnicach ziaren pomiędzy wielkością oczek sita górnego (ziarna przeleciały) i dolnego (ziarna zatrzymały się)

m_i - jest masą ziaren pozostałych na sicie

m - jest masą całej przesiewanej próbki gruntu

Wskaźnik różnoziarnistości charakteryzuje szerokość podziału średnic ziaren i jego miarą jest stosunek dwóch wybranych skrajnych średnic, a najczęściej opisywany jest następująco

Oczywiście, czym mniejsza wartość wskaźnika różnoziarnistości, to grunt jest bardziej jednorodny (równoziarnisty). Porowatość jest to stosunek objętości porów gruntu do objętości całego gruntu

Powierzchnia właściwa gruntu jest stosunkiem sumy powierzchni ziaren do sumy objętości ziaren

Ruch wody w gruncie zwany filtracją opisuje prawo Darcy, które mówi, że prędkość filtracji jest wprost proporcjonalna do współczynnika filtracji i spadku hydraulicznego gdzie: v – prędkość filtracji, k – współczynnik filtracji dla przesączalności,

I – spadek hydrauliczny.

Zespół studzien. W praktyce inżynierskiej często stosowane są zespoły studzien. Stosuje się je najczęściej przy odwodnieniu wykopów pod fundamenty budowli inżynierskich, obniżenia krzywej depresji w zaporach lub na jej przedpolu, dla zaopatrzenia w wodę ludności. Przy jednoczesnej eksploatacji zespołu studzien występuje ich wzajemne oddziaływanie, polegające na zmniejszeniu wydajności poszczególnych studzien przy założonej depresji lub przy założonej wydajności zwiększenie depresji będącej sumą depresji wytworzonej w danym punkcie terenu leja depresji przez poszczególne studnie

Rodzaje odwodnień Odwodnienie wykopów jest powszechnie stosowaną metodą pozwalającą na prowadzenie robót ziemnych, fundamentowych czy budowlano-montażowych poniżej poziomu wód gruntowych. Realizowane jest w drodze sztucznego wywołania depresji zwierciadła wody gruntowej do określonego poziomu i utrzymania go do czasu zrealizowania robót. Odwodnienie powinno zapewnić nienaruszalność struktury gruntu w podłożu wykonywanej konstrukcji, a wytworzona depresja nie może powodować nadmiernego osiadania podłoża.

Zgodnie z PN-B-06050 system odwadniający powinien spełniać następujące warunki:

-utrzymać poziom wody gruntowej na projektowanej rzędnej,

-zapewnić stały odpływ wody,

-usunąć poza obszar wykopu odbierane wody,

-zapewnić niezawodność działania instalacji odwadniającej.

Odwodnienie wykonywane jest na podstawie projektu, który stanowi integralną część projektu robót ziemnych

Odwodnienie powierzchniowe może składać się z rowów opaskowych, podłużnych lub stokowych o spadkach zapewniających sprawne odprowadzenie wód przesiąkowych i opadowych. Można również odpowiednio formując powierzchnie podłoża (spadki do 1%) kierować spływające wody w kierunku rowów. Rowy należy projektować tak, by odległość pomiędzy krawędzią dna rowu a krawędzią dna wykopu nie była mniejsza niż 1,20 m. Rowy stokowe chroniące skarpy wykopów lub stoków przed erozją powinny być nie głębsze niż 0,40 m, powinny być szczelne, by ograniczyć infiltrację i dostosowane do przechwycenia wód opadowych, odsunięte od korony skarpy wykopu o co najmniej 3,0 m w gruntach suchych i zwartych i minimum o 4,0 m w gruntach luźnych i wilgotnych.

Odwodnienie wgłębne jest prowadzone za pomocą studni depresyjnych, igłostudni, igłofiltrów i drenaży poziomych. Są to odwodnienia, których zakres oddziaływania może być bardzo duży. Odwodnienia te można podzielić następująco -płytkie sięgające do 8,0 m, -średnio głębokie do 20,0 m -głębokie sięgające powyżej 20,0 m. Odwodnienia wgłębne realizowane są najczęściej przy użyciu pionowych elementów odwadniających, które mogą być wprowadzone w grunt metodą wiertniczą, metodą wpłukiwania, mogą być wbijane i wkręcane. Wśród odwodnień wgłębnych rozróżniamy także podział w zależności od rozmieszczenia urządzeń odwadniających w poziomie lub w pionie. Te pierwsze to odwodnienia punktowe, liniowe i konturowe, a drugie to jedno-, dwu- i trzypiętrowe.

Odwodnienie mieszane polega na jednoczesnym stosowaniu kilku typów odwodnień pionowych lub kombinacji odwodnień poziomych z pionowymi. Wybór sposobu odwodnienia powinien być poprzedzony dogłębną analizą czynników, które mogą mieć wpływ na efektywność i skuteczność projektowanych działań. Głównymi czynnikami wpływającymi na wybór określonego sposobu odwodnienia są:

-układ i miąższość warstw wodonośnych, ich przepuszczalność, warunki dopływu wód gruntowych i opadowych, poziomy zalegania wód gruntowych, -charakter wykopów, ich wielkość, zagłębienie projektowanej rzędnej dna poniżej zwierciadła wody gruntowej, usytuowanie w stosunku do kierunku napływu wód,

-niezbędny czas utrzymania założonej depresj

-ochrona środowiska związana z ewentualnymi niekorzystnymi zjawiskami, jakie mogą wystąpić po obniżeniu zwierciadła wody,

-względy organizacyjne wynikające z możliwości technicznych i harmonogramu robót,

-parametry techniczne sprzętu niezbędnego do realizacji odwodnienia. Drenaże

Drenaże to urządzenia odwadniające. Wyróżnia się trzy typy drenaży, gdy kryterium podziału jest ich usytuowaniem w stosunku do powierzchni terenu: -drenaże poziome,

-drenaże pionowe,

-drenaże mieszane.

Drenaże czołowe stosowane są w przypadkach napływu obcych wód gruntowych z określonego kierunku. Wody te najczęściej płyną całą miąższością warstwy wodonośnej położonej na warstwie nieprzepuszczalnej. Drenaż czołowy polega na przecięciu warstwy wodonośnej pojedynczym ciągiem drenarskim układanym na określonej głębokości, najczęściej w niewielkiej odległości od chronionego obszaru (rys.). Efektywność działania tego drenażu wzrasta, gdy ciąg drenarski umieścimy na spągu warstwy nieprzepuszczalnej, a obszar wokół niego wypełnimy materiałem o dużej wodoprzepuszczalności. Drenaż brzegowy stosowany jest zazwyczaj w sytuacjach, gdy obszar podlegający ochronie znajduje się w strefie oddziaływania zmiennego poziomu wody w rzekach i zbiornikach. Zasada działania, tak jak w przypadku drenażu czołowego, opiera się na przechwyceniu wód infiltrujących z cieku za pomocą pojedynczego poziomego rurociągu ułożonego między rzeką a chronionym obszarem,

Drenaż pierścieniowy stosowany jest w przypadku, gdy kierunek napływu wód gruntowych jest zmienny i trudny do określenia. Zasada działania tego drenażu polega na otoczeniu chronionego obszaru pierścieniem z poziomych drenów, które odcinają dopływ wód do jego wnętrza (rys.). Dreny najczęściej lokujemy dość głęboko, a .jeśli jest to możliwe, układamy je na stropie warstwy słaboprzepuszczalnej.

Drenaże pionowe, w odróżnieniu od drenaży poziomych, przejmują dopływającą wodę poprzez pionową powierzchnię urządzeń odwadniających. Odwodnienia wgłębne realizowane poprzez drenaże pionowe wymagają ciągłej pracy agregatu pompowego, dlatego też ich koszt jest wyższy niż drenaży poziomych. Ten typ drenażu w postaci igłofiltrów lub studni

stosowany jest najczęściej do okresowego odwodnienia wykopów budowlanych.

Igłofiltr to rura o średnicy rzędu 30÷100 mm zakończona filtrem umożliwiającym dopływ wody do wnętrza rury, skąd dzięki podciśnieniu jest transportowana systemem rurociągów do komory ssącej pompy i odprowadzana poza układ odwadniający. Instalacje igłofiltrowe to najczęściej zestaw złożony z trzech podstawowych, szczelnie ze sobą połączonych elementów: igłofiltru nazywanego często filtrem szpilkowym lub igłowym, łączących je przewodów i agregatu pompowego

Studnie to elementy drenaży pionowych, które w zależności od występujących w terenie warunków hydrogeologicznych wprowadza się w grunt za pomocą odwiertów, wpłukiwania, wbijania lub wkręcania. Studnia składa się z rury nadfiltrowej, filtru i rury podfiltrowej i zazwyczaj ma średnicę ok. 200 mm (rząd 100÷300 mm). Rura podfiltrowa spełnia rolę osadnika i jej długość jest uzależniona od wielkości pompy, która zostanie w niej zainstalowana. Filtr stanowi zasadniczy element studni i w zależności od jego budowy wyróżniamy kilka typów:

-filtr szkieletowy

-filtr siatkowy,

-filtr obsypkowy,

-filtr prętowy.

Filtracja pod budowlami

W przypadku, gdy budowla inżynierska piętrzy wodę, występuje różnica poziomów wody między przekrojami powyżej i poniżej budowli. Różnica ta powoduje przepływ wody przez budowlę lub pod nią w kierunku od wyższego poziomu wody do niższego. Przepływ ten nazywamy filtracją, a linię ilustrującą poziom wody w każdym punkcie przekroju poprzecznego budowli nazywamy krzywą depresji. Jak wspomniano, filtracja występuje przy różnicy poziomów cieczy i z tym zjawiskiem mamy do czynienia po wykonaniu budowli inżynierskich takich jak: zapory, stopnie wodne, studnie, rowy lub kanały, wały.

Sufozja polega na porywaniu przez filtrującą wodę ziaren drobnych i transportowanie ich przez pory między ziarnami grubszymi. W efekcie najczęściej ziarna drobne wymywane są na powierzchnię gruntu. Wymywanie ziaren drobnych powoduje zwiększenie porowatości szkieletu gruntu, a to z kolei prowadzi do zwiększenia prędkości filtracji. Większa prędkość filtracji to możliwość wymywania większych ziaren. W efekcie może to prowadzić do powstania kawerny - przestrzeni nie wypełnionej gruntem. Kawerny, a także naruszenie szkieletu gruntu przez wymycie ziaren powodują zmniejszenie nośności gruntu i zwiększenie osiadania gruntu

Pomiar stanu wody

Stan wody to wzniesienie poziomu zwierciadła wody ponad przyjęty poziom odniesienia. Stan wody zazwyczaj podawany jest w jednostkach liniowych (centymetry) lub w rzędnych. Stan wody mierzy się za pomocą przyrządów zwanych wodowskazami.

Na większych rzekach każdego kraju prowadzone są stałe obserwacje stanów wody. W Polsce sieć wodowskazowa licząca 810 wodowskazów obsługiwana jest przez pracowników Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej. Najczęściej stosowanym rodzajem wodowskazu jest łata wodowskazowa lub wodowskaz schodkowy składający się z kolejnych elementów łaty wodowskazowej

Pomiar głębokości w rzece to pomiar prostopadłej odległości zwierciadła wody od określonego punktu obwodu zwilżonego. Przyrządy do pomiaru głębokości nazywane są sondami. Sonda drążkowa to prostoosiowy odcinek o przekroju najczęściej okrągłym, wykonany z drewna, aluminium lub innego materiału odpornego na korozję. Sonda drążkowa zakończona jest zazwyczaj, tzw. talerzem, tj. płaską powierzchnią stabilizującą sondę na powierzchni dna rzeki

Pomiar natężenia przepływu Zgodnie z definicją natężenie przepływu to ilość wody, która w jednostce czasu przepływa przez przekrój poprzeczny koryta lub przewodu. Często natężenie przepływu w skrócie nazywa się przepływem lub wydatkiem. Typowym urządzeniem do pomiaru natężenia przepływu w przewodach zamkniętych jest zwężka Venturiego

Stan wody jest to wzniesienie zwierciadła wody w cieku ponad wyznaczonym geodezyjnie poziomem przyjętym za zerowy. Poziom zerowy na wodowskazie nazywany jest zerem wodowskazu. Stan wody wyrażony jest w centymetrach i oznaczany symbolem H.

Zlewnia jest to obszar zamknięty działem wodnym w dowolnym przekroju poprzecznym rzeki (np. wodowskazowym, usytuowania obiektu hydrotechnicznego, mostu, ujścia cieku do odbiornika), z którego wody opadowe spływają do jednego wspólnego odbiornika (rzeki, jeziora, bagna).

Dział wodny (wododział) jest granicą zlewni rozdzielającą kierunki odpływów wód do dwóch różnych systemów rzecznych.W przypadku, gdy zlewnia obejmuje cały system rzeczny, tj. ciek główny i jego dopływy, pojęcie zlewni jest równoznaczne z pojęciem dorzecze.

Dorzeczem nazywamy więc obszar, z którego wody spływają do jednego systemu rzecznego. Zespół dorzeczy odprowadzający wody do jednego wspólnego morza stanowi zlewisko tego morza, np. zespół dorzeczy Odry i Wisły, rzek Przymorza, Niemenu, Dźwiny odprowadzają wody do wspólnego morza tworząc zlewisko Bałtyku