Pobierz Ćwiczenia - zapory, filtracja drenaż i więcej Ćwiczenia w PDF z Mechanika płynów tylko na Docsity!
OBLICZENIA
Budowle narażone są na uszkodzenia i katastrofy. Międzynarodowa Komisja Wielkich Zapór ocenia, że na 100 zapór w ciągu 100 lat dwie ulegają katastrofie. Przyczyny: brak dostatecznej znajomości zjawisk przyrodniczych i własności materiałów, brak wiedzy lub pomyłki techniczne, niefrasobliwość w eksploatacji obiektów. Te czynniki występują na każdym etapie prac przy budowie (badania, projekt, budowa) i eksploatacji (rozruch i stała eksploatacja). Bezpośrednie przyczyny: niedostateczna przepustowość urządzeń (błędne zwymiarowanie), nieosiągnięcie obliczeniowej zdolności upustowej (mankamenty urządzeń sterujących lub niewłaściwa obsługa), filtracja, ciśnienie wody w porach, wymywanie i wynoszenie materiału gruntowego z zapór lub podłoża (grak lub niewłaściwa praca urządzeń przeciwfiltracyjnych i drenażowych), odkształcenia i przemieszczenia zapór i podłoża (nierównomierne osiadanie, przekroczenie dopuszczalnych stanów naprężeń i spękanie konstrukcji), dynamiczne działanie wody, wibracje zamknięć, drgania konstrukcji, trzęsienia ziemi, tąpnięcia, ekstremalne lub długotrwałe zjawiska klimatyczne (mrozy, opady, wichury, falowanie, wahania temperatur) wahania poziomów wody – częste lub szybkie zmiany obciążeń, błędy obliczeniowe, zła jakość wykonawstwa, materiałów, pośpiech, brak kwalifikacji, brak kontroli wykonawstwa, nieuzasadnione zmiany konstrukcyjne lub technologiczne. Odcinek pochyły BC – wydatek tym większy im BC krótsze, a α 1 bliższy 90^0 – choć wpływ niewielki, CD płynne wprowadzenie w krzywą Creagera, DE i FG – krzywa Creagera – zapewnia teoretycznie występowanie ciśnienia atmosferycznego wzdłuż krzywej przy przepływie QM. Zmniejszenie warstwy przelewającej się wody →wzrost ciśnienia, zwiększenie tej warstwy →spadek (ciśnienia ujemne) ciśnienia. Ze względu na podciśnienia często wykonuje się „dziób” od strony wody górnej. Poszerzenie profilu zmniejsza wydatek lecz zapobiega powstawaniu podciśnień. Poszerzenie samej korony przelewu
jest czasem również wykorzystywane do oparcia belek szandorowych od strony wody górnej dla uzyskania przestrzeni w trakcie remontu lub naprawy.
Q=m·σz·σk·ε·√(2·g)·H 0
3/ Jeżeli długość wstawki EF <0,6 H to przelew traktujemy jak bez wstawki i współczynnik wydatku m=f(H 0 /Pg) , jeśli EF≥0,6 H to m=f(L/H), gdzie L=EF.
Najlepiej jeśli α 2 =45^0 , współczynnik kształtu progu σk=f(α1, α 2 , AB/Pg). Następnie przechodzi w łuk
kołowy o promieniu R=f(Pg, H). Dla przelewu niezatopionego współczynnik zatopienia ·σz=1, gdy hz> oraz z/Pd≤(z/Pd)kr wtedy σz<1. Współczynnik dławienia bocznego (konrakcji):
ε=f(ξp, ξf, n, H 0 ,b)
zależy od kształtu filarów i przyczółków. Po określeniu wymiarów przelewu – sprawdzamy nadpiętrzenia dla: QM przy jednym zamkniętym przęśle i redukcji pozostałych urządzeń zgodnie z rozporządzeniem, Qk przy wszystkich czynnych przęsłach i otwarciu wszystkich urządzeń upustowych. Obliczone nadpiętrzenia nie mogą przekraczać wielkości podanych w rozporządzeniu. Spusty bezciśnieniowe – zamknięcia jak najbliżej wlotu, wylot na odpowiedniej wysokości nad wodą dolną, konieczne przewody wentylacyjne, napowietrzające przekrój za zamknięciem. Obliczamy na przepływ przy maksymalnie otwartych zamknięciach z uwzględnieniem 0,5 m przestrzeni nad najwyżej położonym zwierciadłem wody. Min. spadek 2‰.
Ad. 2 Bryły betonowe, żelbetowe, kamienne (związane z podłożem to szykany) lub narzut z kamienia naturalnego lub sztucznego. Działanie polega na rozbiciu strumienia wody, zmiana kierunku , przyjęcie uderzenia i wywołanie tarcia. Czasem ruch wody zmienia się z rwącego w spokojny. Jednak powstają wiry o osi pionowej oraz wzrasta turbulencja. Okazuje się, że właśnie turbulencja, a nie duża prędkość wody wpływa na destrukcję podłoża. Dodatkowo pogłębiają ją wiry pionowe, które mogą łatwo z prądem przedostawać się nawet przez poziome przeszkody. Gęste szykany dają tylko efekt zwiększenia szorstkości, spłycając przy tym nieckę wypadową. Szykany są też mało odporne na kawitację. „...tendencja do rozpraszania energii wody przez stawianie szykan, belek poziomych na słupach lub innych konstrukcji betonowych mających za zadanie rozbijanie strug, jest przejawem buty inżynierskiej. ... Stosowanie szykan do rozpraszania energii wody można porównać do budowania w pojazdach mocnych zderzaków zamiast hamulców...” (Depczyński, Szamowski). Szczególnie nie należy ich stosować w ciekach o podłożu luźnym, łatwo rozmywalnym.
Obligatoryjnie wykonuje się za płytą pryzmę drenażową (filtr odwrotny), umocnienie dna oraz często ściankę szczelną. Powoduje to jednak wzrost ciśnienia filtracyjnego pod płytą wypadową, a nawet korpusem jazu. Zapobiega się temu poprzez wykonanie drenażu pod płytą oraz ewentualnie korpusem i wodę filtracyjną odprowadza się na płytę wypadową.
FILTRACJA
Ruch wód gruntowych w ośrodku porowatym. dotyczy wody wolnej, która wypełnia wszystkie pory gruntu – woda może się w nich poruszać pod wpływem sił ciężkości lub zróżnicowanego ciśnienia. Ruch laminarny (najczęściej) – zgodnie z prawem Darcy v=k·I. W przypadku ogólnym v=k·I.n^ ( n =1 dla ruchu laminarnego , n =0,67 dla przejściowego, n =0,5 dla burzliwego). Spiętrzenie wywołuje ruch – stałe – filtracja ustalone, zmienne – okresowe nieustalona. Pod budowlami piętrzącymi, wokół przyczółków oraz przez zapory ziemne i betonowe – ustalona. Konstrukcje betonowe – korozyjne działanie wody +przemarzanie nawodnionego betonu – stąd zastosowanie betonów hydrotechnicznych, uszczelnienia zastrzykami, przecięcie drogi filtracji galeriami drenażowymi. Filtracja przez podłoże powoduje: sufozję–wypłukiwanie drobnych cząstek gruntu i ich transport przez strumień filtracyjny, wypieranie gruntu, wzrost ciśnienia filtracyjnego pod budowlą =wzrost wyporu hydrodynamicznego , ucieczkę wód ze zbiornika w trakcie eksploatacji stopnia może powodować zmiany w gruncie: kolmatację gruntu i spowolnienie procesów filtracyjnych lub sufozję i wzrost natężenia filtracji lub może być ustabilizowana. Dlatego konieczna kontrola aktualnego rozkładu ciśnień w podłożu. Zakładamy płaski przebieg procesu filtracji, tzn. zakładamy, że gradient (spadek) hydrauliczny wzdłuż osi zapory wynosi zero. Miarą ciśnienia hydrostatycznego jest różnica pomiędzy rzędną wody dolnej a rzędną posadowienia obiektu. SIATKI FILTRACYJNE (dwie rodziny linii ortogonalnych w miejscach przecięć: linie prądu – tory cząstek wody, linie jednakowego potencjału): siatka jest ortogonalna, zbudowana z krzywoliniowych prostokątów o stałym stosunku boków (najlepiej kwadraty), w miejscu załamania gdy kąt < 180^0 pięciokąty, gdy kąt > 180^0 trójkąty, pierwszą (zerową) linię potencjału jest linia dna naturalnego od strony wody górnej,
ostatnią linia równoległa do dna od wody dolnej (może być przykryta filtrem odwrotnym lub narzutem o dużej przepuszczalności, pierwszą linią prądu jest kontur podziemny budowli, w zaporach pierwszą linią prądu jest krzywa depresji, w innych konstrukcjach wolne zwierciadło wody, ostatnią linią prądu jest granica warstwy przepuszczalnej i nieprzepuszczalnej, jeśli jej miąższość jest bardzo duża ostatnią linię prądu tworzy półelipsa lub półokrąg o promieniu 1,5÷2 długości rzutu konturu podziemnego części szczelnej na oś X, w zaporach poniżej zwierciadła wody linie prądu są prostopadłe do granicy między wodą i gruntem, na skarpie odpowietrznej kąty mogą być dowolne. Siatki filtracyjne: modele szczelinowe, modele oparte na analogii hydrodynamicznej programy komputerowe metody wykreślne Położenie krzywej depresji można określić ze wzorów empirycznych(dla zapór jednorodnych, z rdzeniem, z ekranem…). Wzory opracowane są również do obliczeń jednostkowego wydatku filtracji.
Jeżeli podłoże składa się z szeregu warstw o różnych współczynnikach filtracji, a ich stosunek jest mniejszy od 10 można stosować zstępczy (średni ważony) współczynnik filtracji. Dla przypadków bardziej skomplikowanych posługujemy się siatką filtracyjną. W zaporach z elementem uszczelniającym jeśli ku/kk<100 w obliczeniach zastępuje się element uszczelniający materiałem korpusu o wymiarach ku/kk krotnie większych niż w rzeczywistości. Jeśli ku/kk> 100 (tak jest częściej) wpływ materiału zapory jest znikomy i filtrację oblicza się dla samego elementu uszczelniającego. W odwodnej i odpowietrznej części korpusu krzywa depresji przebiega poziomo. Przy szybkim obniżaniu zwierciadła wody (opróżnienie zbiornika ) występuje filtracja nieustalona. W gruntach gruboziarnistych krzywa depresji w zaporze opada na tyle szybko, że zjawisko filtracji nieustalonej można pominąć, w gruntach drobnoziarnistych opadanie natomiast jest bardzo powolne. Wysokość ciśnienia w dowolnym punkcie stopy fundamentowej jest sumą ciśnienia hydrostatycznego i hydrodynamicznego. Miarą ciśnienia hydrostatycznego jest różnica pomiędzy rzędną wody dolnej a rzędną posadowienia obiektu - tożsama z głębokością zanurzenia tego punktu w wodzie dolnej. Ciśnienie hydrodynamiczne ( filtracyjne ) zależy od wielkości spadu (różnica poziomów wody), konstrukcji fundamentu (kształt, przesłony przeciwfiltracyjne i drenaż) oraz od rodzaju i układu warstw podłoża gruntowego. Ze względu na sufozję:
Spadek ciśnienia H na drodze L : I=H/L ma różne wartości krytyczne dla różnych gruntów. Drobnoziarniste , niespoiste – mały, żwiry, gliny – duży. L≥c·H, c wg Lane’a lub Bligha, L wymagana długość drogi filtracji wzdłuż nieprzepuszczalnego konturu budowli. Lane – straty ciśnienia wzdłuż odcinków poziomych są mniejsze niż wzdłuż pionowych więc skracamy je do 1/3. Bligha – bez ścianek szczelnych, Lane’a ze ściankami szczelnymi. Warto zapuścić ściankę do warstwy nieprzepuszczalnej (ścianki Larsena max. 20m lub szczelinowa w zawiesinie tiksotropowej max. 40 m). Dwie ścianki nie mogą być zbyt blisko aby nie dopuścić do połączenia strumieniem filtracyjnym ostrzy obu ścianek (s 1 +s 2 )·0,75≤l gdzie l – odległość między ściankami. Można również stosować poziome elementy szczelne w postaci np. fartuchów ułożonych na dnie zbiornika połączone z pionowym uszczelnieniem w profilu piętrzenia. Wydłużenie drogi filtracji uzyskuje się również przez wykonanie zębów betonowych. Metody powyższe pozwalają na nieprzekroczenie średniego gradientu hydraulicznego, ale lokalnie te spadki mogą być przekroczone. Metodą Lane’a lub Bligha można również orientacyjnie określić wypór hydrodynamiczny. Wykres tego wyporu wykonuje się w oparciu o skrócone do ½ lub 1/3. Zmniejszenie parcia hydrodynamicznego działającego na nieckę uzyskujemy przez wydłużenie drogi filtracji od strony wody górnej i skrócenie od wody dolnej. Filtracja przez podłoże skaliste – w szczelinach – najczęściej jest to ruch burzliwy zwany fluacją. Dla zwiększenia stateczności oraz ograniczenia strat filtracyjnych stosuje się uszczelnienia. Dla spękań zwietrzelinowych – iniekcje z zaczynu cementowego z dodatkami regulującymi czas wiązania i zwiększającymi zasięg penetracji (np. węglan sodu). Dla spękań krasowych oprócz iniekcji stosujemy uszczelnienia w postaci fartucha z folii. Filtracja wokół przyczółków ma charakter przestrzenny ze względu na dodatkowy spływ wody do doliny rzeki. Podstawowym problemem są tu uprzywilejowane drogi filtracji wzdłuż betonów. Przyczyny: różnice podatności plastycznej betonu i gruntu, trudności z zagęszczeniem gruntu przy pionowych ścianach, drgania konstrukcji generowane przepływem wody, ruchem pojazdów... Przeciwdziałanie: staranne wykonanie ścian zewnętrznych (gładka faktura betonu na styku z gruntem), wydłużenie uprzywilejowanej drogi filtracji (rozwinięcie w postaci skrzydełek, poprzeczek...) staranne zagęszczenie gruntu. Filtracja wzdłuż styku z budowlami betonowymi (zapora ziemna - budowla betonowa, lub zapora betonowa - brzeg) – ruch wody jest tu ułatwiony istnieje więc większe niebezpieczeństwo naruszenia struktury gruntu. Dlatego należy wydłużyć drogę filtracji przez wykonanie żeber, skrzydełek itp. prostopadłych do ściany budowli betonowej. Filtracja przez budowle i zapory betonowe jej intensywność zależy od składu mieszanki betonowej, staranności wykonania
drenaże podłoża w postaci pionowych sączków (dla zmniejszenia ciśnienia wody w porach słabego spoistego podłoża) lub studni odciążających poniżej zapory (dla zmniejszenia zagrożenia wyparciem gruntu podłoża), drenaże pod budowlami betonowymi dla zmniejszenia wyporu bez drenażu jeśli zapora z materiałów przepuszczalnych (narzutowa) lub posadowiona na silnie przepuszczalnym podłożu. Filtry odwrotne – warstwy przejściowe pomiędzy drenażem a gruntem chronionym, mają za zadanie uniemożliwienie wymywanie cząstek gruntu przez wypływającą wodę. Często z wielu warstw, dobranych tak aby cząstki gruntu chronionego lub poprzedniej warstwy nie przenikały przez pory pomiędzy cząsteczkami następnej. Dodatkowe warunki np. miąższości poszczególnych warstw, czy brak części organicznych lub rozpuszczalnych. Obecnie możliwość stosowania mat filtracyjnych (geowłókniny) do budowy filtrów, co uprościło problemy związane z doborem gruntu na filtry oraz ułatwiło ich wykonywanie.
Opracowano na podstawie :
- Wiesław Depczyński, Andrzej Szamowski: Budowle i zbiorniki wodne, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1999,
- Walenty Jarocki: Budownictwo wodne cz. II Budowle wodne, Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, Warszawa 1963
- Konstanty Fanti z zespołem: Budowle piętrzące, Arkady , Warszawa 1972
- Stefan Bednarczyk z zespołem: Stateczność oraz bezpieczeństwo jazów i zapór, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2009
