background image

 

Laboratorium z Hydrauliki i Hydrologii – Kierunek Budownictwo inż – sem. V 
Politechnika Gdańska 
Katedra Hydrotechniki 
WILIŚ 

 

Analiza przepływu wody przez przekrój mostowy (FM) 

v.2013

 

 

1. Cel ćwiczenia 

Celem  ćwiczenia  jest  rozpoznanie  hydraulicznych  warunków  przepływu  wody  w  kanale 

laboratoryjnym,  w  którym  może  istnieć  lokalne  utrudnienie  przepływu  wody,  spowodowane 

obecnością filarów mostu.  

Mosty  należą  do  drogowych  obiektów  inżynierskich,  których  projektowanie  leży  w  gestii 

inżynierów  budownictwa.  Niezbędne  elementy  projektu  zawarte  są  m.in.  w  Rozporządzeniu 

Ministra  Transportu  i  Gospodarki  Morskiej  z  30  maja  2000  roku.  w  sprawie  warunków 

technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie – 

Dz.U. Nr 63 poz. 735. We wspomnianym rozporządzeniu, podane są sposoby uwzględniania 

zagadnień  hydraulicznych  w  projektowaniu  obiektów  inżynierskich,  jednakże  nie  zawsze 

odzwierciedlają one w pełni rzeczywisty przebieg zjawisk towarzyszących przepływom przez 

tego typu obiekty.  

 

2. Informacje ogólne 

Wymienione wcześniej Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 30 

maja  2000  r.  zwraca  uwagę  na  konieczność  zapewnienia  bezpieczeństwa  obiektów 

inżynierskich,  z  uwagi  na  możliwość  wystąpienia  zjawisk  ekstremalnych,  w  tym  m.in. 

powodzi.  

Rozporządzenie  przewiduje,  że  usytuowanie  mostu  i  trasy  dojazdowej  nie  powinno 

spowodować istotnych zmian koryta cieku oraz warunków przepływu wód, jeśli nie wynika to 

z  konieczności  regulacji  koryta  cieku.  Tymczasem  w  rzeczywistości  każda  inwestycja 

drogowa  lokalizowana  w  korycie  głównym  lub  terenach  zalewowych  cieku  istotnie  zmienia 

warunki  hydrauliczne  wody  płynącej.  Omówienie  i  rozszerzenie  rozporządzenia  znaleźć 

można  na  przykład  w  pracy  Madaja  i  Wołowickiego  pt.  „Podstawy  projektowania  budowli 

mostowych” (2007).  

background image

 

W  ćwiczeniu  laboratoryjnym  szczególną  uwagę  należy  zwrócić  na  porównanie 

hydraulicznych  warunków  przepływu  wody  w  korycie  bez  filarów  oraz  opływającej  filary 

mostu w kanale laboratoryjnym. 

Przepływ  wody  w  kanale  otwartym  opisywany  jest  układem  równań  złożonym  z  równania 

ciągłości oraz równania dynamicznego. 

  

Równanie ciągłości w ruchu ustalonym dla strumienia bez dopływu bocznego zapisać można 

następująco: 

const

A

v

Q

=

=

 

(1) 

Q oznacza natężenie przepływu wody w kanale (wydatek), który podawany najczęściej jest w 

jednostce  m

3

/s,  A  oznacza  pole  powierzchni  przekroju  czynnego  kanału  w  m

2

  lub  cm

2

  zaś  v 

oznacza prędkość średnią w przekroju poprzecznym kanału (wyrażoną w m/s lub cm/s). 

W  obliczeniach  prędkości  średniej  w  kanałach  otwartych  przyjmuje  się  często  założenie,  że 

przepływ  jest  ustalony  i  jednostajny.  Przepływ  ustalony  oznacza  niezmienność  parametrów 

opisujących  ruch  wody  w  czasie.  Przepływ  jednostajny  oznacza,  że  w  każdym  przekroju 

poprzecznym kanału otwartego stałe są wartości napełnienia kanału h, natężenia przepływu Q 

oraz prędkości średniej v (rys.1). 

i - spad

ek dna

LE

LC

I - spad

ek hydra

uliczny

v

h

i=I

x

1

2

 

rys. 1. Linia energii i linia ciśnienia w warunkach ruchu ustalonego jednostajnego, LE-linia energii, LC-linia 

ciśnienia 

 

 

W rzeczywistości ruch ustalony jednostajny występuje niezmiernie rzadko. Prawie zawsze w 

przypadku  ruchu  ustalonego  w  kanałach  naturalnych  występuje  ruch  niejednostajny,  tzn. 

parametry przepływu są zmienne w kolejnych przekrojach poprzecznych wzdłuż kanału.  

Równanie  dynamiczne  wynika  z  podstawowego  równania  zachowania  pędu  i  jego 

ostateczna postać zależy od przyjętych uproszczeń. W ruchu ustalonym i jednostajnym można 

background image

 

je zapisać w postaci zależności Chezy (2) - jednej z podstawowych formuł występujących w 

hydraulice koryt otwartych. 

 

2.1 Wyznaczenie prędkości średniej 

Do najczęstszych metod oszacowania prędkości średniej w kanałach otwartych służy formuła 

Manninga.  Dokładniejsze  wartości  prędkości  średniej  można  oszacować  na  podstawie 

pomiarów prędkości lokalnych (miejscowych) w różnych punktach przekroju poprzecznego.  

2.1.1 Wyznaczenie prędkości średniej z formuły Manninga 

Przy założeniu ruchu ustalonego jednostajnego w kanale otwartym, prędkość średnią wody 

wyznaczyć  można  z  formuły  Manninga:  (zależności  Chezy  w  której  współczynnik 

empiryczny C został wyznaczony według Manninga).   

I

R

C

v

=

       

6

1

1

R

n

C

=

 

2

1

3

2

1

I

R

n

v

=

 

(2) 

W równaniu powyższym n oznacza współczynnik szorstkości, którego wartości zestawione są 

w  tabeli  (patrz:  przydatne  informacje).  I  jest  spadkiem  hydraulicznym,  który  w  warunkach 

ruchu ustalonego jednostajnego jest równy spadkowi zwierciadła wody oraz spadkowi dna i.   

Występujący  w  równaniu  Manninga  promień  hydrauliczny  R  wyznaczamy  na  podstawie 

znajomości  powierzchni  pola  przekroju  czynnego  A  oraz  obwodu  zwilżonego  Oz  (rys.2), 

zgodnie z relacją: 

Oz

A

R

=

 

(3) 

 

h

v

A

A

A

O

z

O

z

O

z

B

B

A

O

z

B

h

b

α

α

1

:m

B

ϕ

r

 

Rys. 2. Parametry kanału otwartego A – pole powierzchni przekroju czynnego, B – szerokość kanału na 

wysokości zwierciadła wody, b – szerokość dna, Oz – obwód zwilżony, – głębokość wody 

 

 

background image

 

2.1.2  Wyznaczenie  prędkości  średniej  i  natężenia  przepływu  metodami 

pośrednimi  

Natężenie  przepływu  Q  wody  można  określić  wykorzystując  metody  pośrednie  (np. 

arytmetyczna, Harlachera, Culmanna). Podstawą obliczeń jest pomiar prędkości lokalnych w 

wybranych punktach przekroju poprzecznego rozmieszczonych w tzw. pionach pomiarowych 

(rys. 3). Prędkość lokalną pomierzyć można wykorzystując młynek hydrometryczny lub rurkę 

pomiarową (rurkę Pitota, rurkę Prandla).  

Piony  pomiarowe  w  naturalnym  cieku  oddalone  są  od  siebie  o  stałą  wartość  uzależnioną  od 

szerokości  przekroju  poprzecznego  cieku.  W  prostokątnym  kanale  laboratoryjnym,  w 

zależności  od  przyjętej  liczby  pionów  pomiarowych  X,  dwa  sąsiednie  piony  oddalone  są  od 

siebie  o  odległość  równą  x  =  B/X,  zaś  piony  skrajne  oddalone  są  o  odległość  równą  x/2  od 

ścianek kanału (rys. 3b).  

W każdym pionie pomiarowym liczba punktów pomiarowych zależy od  głębokości wody w 

tym  pionie  (rys.  3a),  bowiem  odległość  pomiędzy  kolejnymi  punktami  powinna  być  stała 

(określana  na  podstawie  wyników  sondowania).  W  prostokątnym  kanale  laboratoryjnym 

skrajne  punkty  pomiarowe  w  danym  pionie  umieszczone  są  przy  dnie  i  przy  zwierciadle 

swobodnym wody (rys. 3b).   

A

O

z

B

I

y

v

i

 III

 II

V

IV

y

y

h

x

x

x

x

B

x

 

a) 

 

 

 

 

 

b) 

Rys. 3. Rozkład punktów pomiaru prędkości lokalnych w przekroju poprzecznym : a) naturalnego cieku  

b) kanału prostokątnego. 

 

2.1.2.1 Pomiar prędkości lokalnej za pomocą młynka hydrometrycznego 

W  pomiarach  za  pomocą  młynków  hydrometrycznych  wykorzystuje  się  wpływ  energii 

kinetycznej wody na prędkość obrotową śmigła młynka (rys.4). Obroty młynka są zliczane w 

określonym czasie (najczęściej 50 lub 100 sekund). Prędkość wody w punkcie przyłożenia osi 

background image

 

młynka  v

L

  określa  się  wykorzystując  równanie  młynka  zwane  również  charakterystyką 

młynka: 

m

L

n

v

+

=

β

α

 

(4) 

W  powyższym  wzorze  n

m

  oznacza  najczęściej  prędkość  obrotową  wirnika,  czyli  stosunek 

ilości  obrotów  wirnika  młynka  do  czasu  rejestracji. 

α, β

  są  stałymi  charakterystycznymi  dla 

każdego  młynka  hydrometrycznego.  Stałe  młynka  są  każdorazowo  określane  na  podstawie 

cechowania  (tarowania)  przyrządu  pomiarowego  w  atestowanym  laboratorium  Głównego 

Urzędu Miar i można je znaleźć w świadectwie tarowania młynka.  

 

 

 

Rys. 4. Młynek hydrometryczny na zdjęciach IMGW a) młynek opuszczany na lince, b) młynek pracujący w 

wodzie, c) wygląd młynka zamontowanego na żerdzi pomiarowej. (źródło: 

www.imgw.pl/internet/zz/wiedza/ogolna/_pom_prog/mlynek.html

 09/2009) 

 

2.1.2.2 Pomiar prędkości lokalnej za pomocą rurki Prandla 

Rurka  Prandla  (rys.  5)  jest  wykorzystywana  do  pomiaru  prędkości  lokalnej  w  kanałach 

laboratoryjnych, w których woda jest pozbawiona zawiesin. Wewnątrz rurki umieszczone są 

dwa  kanaliki.  Pierwszy  z  nich  połączony  jest  z  boczną  ścianką  (pobocznicą)  rurki  i  mierzy 

ciśnienie  statyczne  wody  w  rurce,  którego  wysokość  jest  równa  wysokości  warstwy  wody 

płynącej  ponad  korpusem  rurki.  Drugi  kanalik  umieszczony  jest  wzdłuż  osi  rurki  i  mierzy 

całkowite  ciśnienie  (sumę  ciśnienia  statycznego  i  dynamicznego  wody  płynącej).  Podczas 

pomiaru wykorzystywane jest więc zjawisko zamiany energii kinetycznej płynącej cieczy na 

energię potencjalną w postaci dodatkowego spiętrzenia wody w rurce. 

Pomiar  należy  wykonywać  w  ten  sposób,  aby  oś  przyrządu  była  skierowana  równolegle  do 

kierunku  napływającej  wody  (rys.  5).  Prędkość  lokalną  wody  w  punkcie  umieszczenia  rurki 

Prandla wyznacza się ze wzoru: 

h

g

v

L

=

2

 

(5) 

gdzie 

h jest różnicą wysokości ciśnień w kanalikach rurki Prandla.  

 

background image

 

 

Rys. 5. Schemat rurki Prandla a) schemat budowy, b) ustawienie w trakcie pomiaru (źródło: Laboratorium z 

mechaniki płynów i hydrauliki pod red. K. Weinerowskiej) 

 

2.1.2.3 Wyznaczenie natężenia przepływu metodą Culmanna 

Natężenie  przepływu  wody  Q  w  przekroju  poprzecznym  kanału  można  wyznaczyć 

wykorzystując  metodę  Culmanna.  Na  podstawie  lokalnych  wartości  prędkości  należy 

wyznaczyć linie jednakowych prędkości zwane izotachami (rys. 6). 

izotachy

[m]

∆Α

i

v

i

v

i+1

I

0.8

B

x

III

II

IV

V

0.9

1.0

0.7

1.1

0.8

0.9

0.9

0.8

0.8

0.8

1.0

V

[m/s]

0.8 0.9

1.0

0

1.3

0.5

 

Rys. 6. Tachoida prędkości dla pionu II oraz izotachy prędkości w przekroju poprzecznym 

 

Pomiędzy  sąsiednimi  izotachami  prędkość  przepływu  wody  zawiera  się  w  przedziale 

pomiędzy prędkościami odpowiadającymi wartościom izotach. W celu wyznaczenia natężenia 

przepływu  dla  obszaru  pomiędzy  izotachami  wprowadza  się  średnią  prędkość  obliczeniową 

o

v

 równą średniej arytmetycznej z wartości izotach ograniczających rozpatrywany obszar. 

background image

 

)

(

5

,

0

1

1

,

+

+

+

=

=

i

i

i

i

oi

v

v

v

v

 

(6) 

W  elemencie,  w  którym  występują  największe  lokalne  prędkości  przepływu  v

max

  prędkość 

obliczeniowa wyznaczana jest następująco: 

)

(

5

,

0

max

,

mav

i

i

oi

v

v

v

v

+

=

=

 

(7) 

natomiast  w  elemencie,  w  którym  występują  najmniejsze  lokalne  prędkości  przepływu  v

min 

według wzoru: 

i

i

oi

v

v

v

=

=

5

,

0

min

,

 

(8) 

Natężenie  przepływu  z  elementarnego  obszaru  przekroju  poprzecznego  A

i

,  któremu 

przypisuje  się  średnią  prędkość  obliczeniową 

oi

v

  graficznie  stanowi  elementarną  objętość 

natężenia przepływu (rys.7), którą można oznaczyć jako 

Q

i

 .  

i

oi

i

A

v

Q

=

 

(9) 

Całkowite  natężenie  przepływu  stanowi  suma  natężeń  przepływu  z  elementarnych  obszarów 

przekroju poprzecznego: 

=

=

N

i

i

Q

Q

1

 

(10) 

 

Rys. 7. Podział bryły przepływu w schemacie Culmanna na elementarne objętości natężenia przepływu 

(Byczkowski A. Hydrologia) 

 

Prędkość  średnią  w  przekroju  poprzecznym  kanału  otwartego  wyznaczyć  można  z  równania 

ciągłości (1). Sposób wyznaczenia przedstawiono poniżej. 

 

 

background image

 

2.1.3 Wyznaczenie prędkości średniej z równania ciągłości  

Znając  natężenie  przepływu  Q  oraz  pole  przekroju  poprzecznego  kanału  otwartego  A 

prędkość  średnią  v  w  przekroju  poprzecznym  obliczyć  można  bezpośrednio  z  równania 

ciągłości:  

A

Q

v

=

 

(11) 

W kanale laboratoryjnym o przekroju prostokątnym, pole przekroju poprzecznego wyznacza 

się  na  podstawie  znajomości  jego  szerokości  B  (zmierzonej  w  trakcie  wykonywania 

ćwiczenia) oraz głębokości wody w przekroju poprzecznym (A = B h). Średnia głębokość 

wody mierzona jest w osi kanału na podstawie pomiaru rzędnych zwierciadła wody i dna.  

W  pomiarach  hydrometrycznych  przekrojów  naturalnych  prędkość  średnią  v  wyznaczyć 

można  na  podstawie  natężenia  przepływu  obliczonego  metodami  pośrednimi  Q  oraz 

znajomości  pola  przekroju  poprzecznego  A  (równanie  11).  Pole  przekroju  poprzecznego  A 

otrzymuje się na podstawie sondowania dna przekroju poprzecznego. Sondowanie wykonuje 

się cechowanymi żerdziami w określonych odstępach (najczęściej co 0,5 metra, 1 metr lub 2 

metry  w  zależności  od  szerokości  cieku)  mierzy  się  względną  różnicę  rzędnych  dna  i 

zwierciadła wody.  

Do  wyznaczania  parametrów  przekroju  poprzecznego  używane  są  również  echosondy 

pomiarowe wykorzystujące sygnał ultradźwiękowy.  

 

2.1.4  Określenie  rzeczywistego  natężenia  przepływu  za  pomocą  urządzeń 

kontrolnych  

W  laboratorium  możliwe  jest  dokonanie  dodatkowego  pomiaru  rzeczywistego  natężenia 

przepływu za pomocą urządzeń kontrolnych zamontowanych na stanowiskach pomiarowych. 

Woda doprowadzona do kanału przepływa uprzednio przez specjalnie wytarowane przelewy 

o  ostrej  krawędzi.  Każdy  przelew  ma  swoją  indywidualną  charakterystykę  natężenia 

przepływu  Q  w  zależności  od  poziomu  jego  wypełnienia.  Sposób  obliczania  natężenia 

przepływu  w  przelewie  o  ostrej  krawędzi  znaleźć  można  w  części:  przydatne  informacje

Znajomość wartości rzeczywistego natężenia przepływu z urządzenia kontrolnego umożliwia 

ocenę  dokładności  stosowanych  metod  obliczeniowych.  W  warunkach  rzeczywistych  w 

większości przypadków brak jest możliwości pomiarów kontrolnych i tym samym weryfikacji 

przeprowadzonych obliczeń. 

background image

 

 

2.2 Równanie energii 

Bilans  energii  mechanicznej  na  długości  strumienia  kanału  otwartego  opisuje  równanie 

Bernoulliego.  Przy  bilansowaniu  energii  rozpatruje  się  dwa  przekroje  oddalone  od  siebie  o 

odległość  L.  W  każdym  z  przekrojów  określa  się  wysokość  energii  mechanicznej  będącej 

sumą:  wysokości  energii  potencjalnej  (składającą  się  z  wysokości  położenia  i  wysokości 

ciśnienia), oraz wysokości energii kinetycznej (wysokości prędkości) (rys.8). Dla przekroju 1 

określa  się  zatem  odpowiednio  wysokość  położenia  z

1

,  wysokość  ciśnienia  p

1

/

γ

,  oraz 

wysokość  prędkości 

α

v

1

/2g.  Analogicznie  wysokości  te  wyznaczyć  można  dla  przekroju  2. 

Równanie Bernoulliego można zapisać w postaci: 

2

1

2

2

2

2

2

2

1

1

1

1

2

2

+

+

+

=

+

+

str

h

g

v

p

z

g

v

p

z

α

γ

α

γ

 

(12) 

Występujący  w  równaniu  współczynnik 

α

  zwanym  jest  współczynnikiem  de  Saint-Venanta. 

Zakres  jego  wartości  w  kanale  laboratoryjnym  rzadko  przekracza  wartość  1,15.  W 

obliczeniach można przyjmować wartość 

α 

= 1,1. Podczas przepływu pomiędzy przekrojami 

1-2 występują straty energii mechanicznej h

str1-2

poziom porównawczy

dno kanału

linia ci

ś

nienia (zw. w

ody)

linia energii 

rzeczywiste

j

z

2

z

1

p

1

2g

h

str 1-2

γ

p

2

γ

v

1

2

α

1

2g

v

2

2

α

2

E=const

L

1

= h

1

= h

2

 

Rys. 8. Graficzna interpretacja równania Bernoulliego 

 

W  przypadku  kanału  o  poziomym  dnie,  gdzie  poziom  porównawczy  można  przyjąć  na  linii 

dna, wysokości położenia z

1

 i z

2

 będą równe 0, zaś wysokości ciśnienia, określone zgodnie z 

background image

 

10 

hydrostatycznym  rozkładem  ciśnień,  będą  równe  głębokości  wody  h

1

  i  h

2

.  Wobec 

powyższego równanie Bernoulliego można zapisać w postaci: 

2

1

2

2

2

2

2

1

1

1

2

2

+

+

=

+

str

h

g

v

h

g

v

h

α

α

 

(13) 

 

2.3 Równanie ruchu krytycznego w korytach otwartych 

Podczas ustalonego przepływu wody w dowolnym przekroju poprzecznym można wyznaczyć 

całkowitą  energię  mechaniczną  właściwą  (liczoną  w  przekroju  poprzecznym  koryta 

względem poziomu dna). Jest ona równa sumie głębokości (reprezentującej wysokość energii 

potencjalnej) oraz wysokości prędkości wody (wysokości energii kinetycznej): 

g

v

h

E

2

2

α

+

=

 

(14) 

Po uwzględnieniu równania ciągłości (1) wzór (14) przyjmie postać: 

2

2

2gA

Q

h

E

α

+

=

 

(15) 

W  ruchu  ustalonym  jednostajnym  głębokość  wody  jak  i  energia  kinetyczna  są  stałe  na 

długości  przepływu.  Natomiast  w  ruchu  ustalonym,  niejednostajnym,  w  każdym  przekroju 

kanału zmieniają się składowe energii całkowitej.  

W  kanale  o  przekroju  prostokątnym  szerokość  zwierciadła  wody  B  jest  stała  i  nie  zależy  od 

głębokości  wody.  Dlatego  pole  przekroju  czynnego  stanowi  iloczyn  stałej  szerokości  kanału 

oraz  głębokości  wody  h.  Dla  takiego  koryta  całkowita  energia  mechaniczna  właściwa  w 

warunkach ruchu ustalonego jest tylko funkcją napełnienia kanału. 

( )

2

2

2

2

B

gh

Q

h

h

E

E

c

α

+

=

=

 

(16) 

Pierwszy  człon  (E

p

=h)  oznacza  udział  wysokości  energii  potencjalnej,  zaś  drugi 

(

2

2

2

2

B

gh

Q

E

k

α

=

) udział wysokości energii kinetycznej (rys.9). 

background image

 

11 

E

h

ruch 

nadkrytyczny)

spokojny

(

h

kr

E

min

E

c

E

p

E

k

ruch 

krytyczny)

rw

ą

cy

(pod

 

Rys. 9. Wykres całkowitej energii mechanicznej właściwej E

c

(h) w kanale prostokątnym 

 

Przy  ustalonym  przepływie  istnieje  pewna  głębokość  wody,  dla  której  całkowita  energia 

mechaniczna  właściwa  osiąga  minimum.  Głębokość  ta  nazywana  jest  głębokością  krytyczną 

h

kr

.  Głębokość  krytyczną  wyznaczamy  znajdując  minimum  funkcji  E

c

(h).  Dla  kanału 

prostokątnego o stałej szerokości (B=const) głębokość krytyczna jest równa: 

3

2

2

gB

Q

h

kr

α

=

 

(17) 

Dla dowolnego przekroju poprzecznego koryta, w warunkach ruchu krytycznego wykorzystać 

można ogólne równanie: 

g

aQ

B

A

kr

kr

2

3

=

 

(18) 

A

kr

  oraz 

B

kr

  oznaczają  odpowiednio  pole  przekroju  czynnego  oraz  szerokość  zwierciadła 

wody  przy  głębokości  krytycznej.  Jeżeli  rzeczywista  głębokość  wody  jest  mniejsza  od 

głębokości  krytycznej  (

h<h

kr

),  w  kanale  panują  warunki  ruchu  podkrytycznego  (rwącego). 

Jeżeli  rzeczywista  głębokość  wody  jest  większa  od  głębokości  krytycznej  (

h>h

kr

),  w  kanale 

panują  warunki  ruchu  nadkrytycznego  (spokojnego).  Kryterium  ruchu  określa  także 

bezwymiarowa  wartość  liczby  Froude’a  określająca  stosunek  średniej  prędkości  przepływu 

wody 

v do prędkości rozchodzenia się zaburzenia c:  

sr

gh

v

c

v

Fr

=

=

 

(19) 

W  ruchu  nadkrytycznym  (spokojnym) 

Fr  <  1  co  oznacza,  że  prędkość  rozchodzenia  się 

zaburzenia 

c  jest  większa  od  prędkości  przepływu  wody  v.  Wynika  z  tego,  że  zaburzenie 

przepływu wpływa na warunki przepływu zarówno powyżej jak i poniżej miejsca wystąpienia 

samego  zaburzenia.  W  ruchu  podkrytycznym  (rwącym)  Fr  >  1,  zatem  prędkość  przepływu 

background image

 

12 

wody 

v jest większa od prędkości rozchodzenia się zaburzenia c czyli jego wpływ odczuwany 

jest tylko poniżej miejsca wystąpienia zaburzenia.  

Występująca  w  równaniu  (19)  średnia  głębokość  wody 

h

sr

  w  przekroju  poprzecznym  koryta 

obliczana  jest  na  podstawie  ilorazu  pola  powierzchni  przekroju  czynnego 

A  oraz  szerokości 

zwierciadła wody 

B

B

A

h

sr

=

 

(20) 

O tym, jaki rodzaj ruchu panuje w kanale otwartym, przekonać się również można analizując 

równanie ruchu krytycznego (18). W ruchu spokojnym parametry przepływu wskazują na 

dominację energii potencjalnej, o czym wskazuje większa wartość lewej strony równania 

(18):  

P

g

aQ

B

A

L

=

>

=

2

3

 

(21) 

W ruchu rwącym odwrotnie dominującą składową energii jest energia kinetyczna, dlatego też 

prawa strona równania przyjmuje wartości większe od lewej:  

P

g

aQ

B

A

L

=

<

=

2

3

 

(22) 

Określenie formy ruchu w kanale otwartym przy wykorzystaniu równania ruchu krytycznego 

(18)  oraz  wyznaczenie  głębokości  krytycznej  stanowi  podstawę  analiz  praktycznych  w 

każdym zagadnieniu inżynierskim ruchu wody w korycie otwartym. 

W  większości  przypadków  rzek  nizinnych  w  kanałach  otwartych  panują  warunki  ruchu 

spokojnego.  W  rejonie  wybudowanego  obiektu  mostowego  warunki  przepływu  są 

uzależnione  od  wielkości  natężenia  przepływu  wody  w  kanale  oraz  geometrii  przekroju.  Z 

reguły  woda  przepływa  przez  przekrój  mostowy  ruchem  spokojnym.  Jednakże  w  pewnych 

warunkach  może  wystąpić  ruch  rwący  (

h

kr

  > 

h).  Na  przykład  w  przewężeniu  przekroju 

następuje lokalny wzrost prędkości i rośnie wartość głębokości krytycznej 

h

kr

 (rys. 10).  

W  czasie  przepływu  wody  przez  profil  mostowy,  w  sąsiedztwie  filarów  i  poniżej  samego 

przekroju  może  pojawić  się  erozja  denna  powodująca  dodatkowy  transport  materiału  dna. 

Dlatego  też  przy  obliczeniach  hydraulicznych  rzeczywistych  konstrukcji  mostowych  należy 

każdorazowo  przeanalizować  i  określić  możliwe  pogłębienie  koryta  w  przekroju  mostowym 

oraz rozmycia lokalne przy filarach mostu. 

background image

 

13 

poziom porównawczy

h

2g

v

2

α

linia zw. wody dla przekroju niez

abudowanego

filar mostu

strefa ruchu spokojnego   

dno kanału

L

z=iL

strefa potencjalnego
 rozmywania dna   

h

kr

strefa ruchu spokojnego   

s

tr

e

fa

 r

u

c

h

u

  

 r

w

ą

c

e

g

o

  

 

 

Rys. 10. Ogólne warunki przepływu w kanale otwartym zabudowanym przekrojem mostowym dla ruchu 

spokojnego 

 

3. Schemat stanowiska pomiarowego 

Stanowisko do wykonania ćwiczenia zlokalizowane jest w kanale laboratoryjnym, w którym 

woda  przepływa  w  układzie  zamkniętym.  Zasilanie  kanału  odbywa  się  poprzez  stanowisko 

pomp  czerpiących  wodę  z  magazynowego  zbiornika  wody,  zlokalizowanych  w  części 

piwnicznej  Laboratorium  Hydrauliki  i  Inżynierii  Środowiska.  Woda  bezpośrednio  do  kanału 

dostaje  się  poprzez  dwie  skrzynie  pomiarowe  zakończone  przelewami  o  ostrej  krawędzi  i 

przekroju  kołowym.  Po  przejściu  przez  kanał  laboratoryjny  woda  powraca  do  zbiornika 

magazynowego. 

Dno  kanału  jest  poziome  zbudowane  z  materiałów  nierozmywalnych  (wzmacniana  masa 

betonowa).  W  kanale  mogą  być  umieszczone  dwa  filary  mostu  o  przekroju  kołowym 

(średnica 

φ

110) wykonane z tworzywa sztucznego (Polipropylen PP). Możliwa jest regulacja 

położenia filarów względem osi kanału (rys. 11). 

 

 

background image

 

14 

dno kanału 

przekrój podłu

ż

ny

fi

la

m

o

s

tu

 

1

1

0

Φ

kierunek przep

   

ływu wody

wózek pomiarowy

rzut z góry

fi

la

m

o

s

tu

 

1

1

0

Φ

kierunek przep

   

ływu wody

B

 -

 s

z

e

ro

k

o

ś

ć

 k

a

n

a

łu

zwierciad

   

ło wody

s

z

p

ilk

a

 p

o

m

ia

ro

w

a

 

przekrój mostowy (przekrój centralny)   

 

Rys. 11. Schemat stanowiska pomiarowego 

 

4. Przebieg ćwiczenia 

1. Zmierzyć szerokość kanału laboratoryjnego; 

2. Przygotować kanał laboratoryjny do przepływu wody bez obecności filarów mostu (wraz z 

prowadzącym lub pracownikiem technicznym); 

3. Po włączeniu pomp przez pracownika technicznego poczekać do ustalenia się przepływu w 

kanale laboratoryjnym;  

4.  Zmierzyć  wartość  natężenia  przepływu  za  pomocą  kontrolnych  przelewów  o  ostrej 

krawędzi; 

5. W dwóch przekrojach wskazanych przez prowadzącego zmierzyć rzędne dna i zwierciadła 

wody, obliczyć spadek zwierciadła wody w kanale; 

6.  W  przekroju  mostowym  pomierzyć  rurką  Prandla  prędkości  lokalne  wody  zgodnie  z 

rysunkiem 3b (Tabela 1), prowadzący może określić inną liczbę pionów pomiarowych; 

background image

 

15 

7.  Po  zatrzymaniu  przepływu  zamontować  filary  mostu  w  przekroju  mostowym  (wraz  z 

prowadzącym lub pracownikiem technicznym); 

8.  Po  ponownym  włączeniu  pomp  z  niezmienioną  charakterystyką  ich  pracy  sprawdzić,  czy 

rzeczywiste natężenie przepływu pozostało niezmienione (zgodnie z punktem 4); 

9. Za pomocą wodowskazu szpilkowego wyznaczyć profil zwierciadła wody w osi kanału na 

długości wskazanej przez prowadzącego. (Tabela 5); 

10. Poniżej przekroju mostowego rurką Prandla pomierzyć prędkości lokalne wody zgodnie z 

rysunkiem 3b (Tabela 1), prowadzący może określić inną liczbę pionów pomiarowych; 

11. Korzystając z młynka hydrometrycznego pomierzyć charakterystyczne prędkości lokalne 

w przekroju mostowym (Tabela 4);  

 

5. Zawartość sprawozdania 

Sprawozdanie powinno zawierać następujące elementy: 

1. Krótkie wprowadzenie teoretyczne. 

2.

 

Analiza hydrauliczna przepływu wody w kanale niezabudowanym 

a.

 

Obliczenie  natężenia  przepływu  wody  w  kanale  z  formuły  Manninga 

(równanie  2)  i  porównanie  go  z  wydatkiem  rzeczywistym  wyznaczonym 

przelewami kontrolnymi (punkt 2.1.4, Tabela 3); 

b.

 

Określenie  rozkładu  prędkości  w  przekroju  mostowym  przy  wykorzystaniu 

rurki Prandla (punkt 2.1.2.2, Tabela 1) wraz z rysunkiem izotach (rysunek 6); 

c.

 

Obliczenie  wydatku  kanału  w  przekroju  mostowym  przy  wykorzystaniu 

metody  Culmanna  (punkt  2.1.2.3,  Tabela  2)  i  porównanie  z  wydatkiem 

rzeczywistym (Tabela 3);  

d.

 

Obliczenie  składowych  energii  całkowitej  mechanicznej  (równanie  16)  i 

określenie formy ruchu burzliwego na długości kanału (punkt 2.3);  

e.

 

Narysowanie  przekroju  podłużnego  z  zaznaczeniem  linii  zwierciadła  wody  i 

energii całkowitej płynącej wody (rys. 8).  

 

3.

 

Analiza hydrauliczna przepływu wody w kanale zabudowanym filarami mostu 

a.

 

Określenie 

rozkładu 

prędkości 

poniżej 

przekroju 

mostowego 

przy 

wykorzystaniu  rurki  Prandla  (punkt  2.1.2.2,  Tabela  1)  wraz  z  rysunkiem 

izotach (rysunek 6); 

background image

 

16 

b.

 

Obliczenie wydatku kanału poniżej przekroju mostowego przy wykorzystaniu 

metody  Culmanna  (punkt  2.1.2.3,  Tabela  2)  i  porównanie  z  wydatkiem 

rzeczywistym (Tabela 3); 

c.

 

Obliczenie  składowych  energii  całkowitej  mechanicznej  (równanie  16)  i 

określenie formy ruchu burzliwego na długości kanału (punkt 2.3); 

d.

 

Na  rysunku  wykonanym  w  punkcie  2e:  narysowanie  przekroju  podłużnego 

zwierciadła  wody,  linii  głębokości  krytycznej  oraz  linii  energii  całkowitej 

(rys.10).  W  miejscach,  gdzie  nie  policzono  prędkości  średniej,  punkty 

odpowiadające  energii  całkowitej  łączyć  linią  przerywaną  (patrz:  uwaga  do 

tabeli 5); 

e.

 

Rozpoznanie  i  opisanie  prędkości  lokalnych  w  przekroju  mostowym  przy 

wykorzystaniu młynka hydrometrycznego (Punkt 2.1.2.1, Tabela 4). 

4.

 

Przykładowe obliczenia obliczanych wartości wraz z jednostkami. 

5.

 

Podsumowanie i wnioski. 

 

6. Literatura: 

[1] 

Laboratorium z mechaniki płynów i hydrauliki – praca zbiorowa pod kierunkiem K. 

Weinerowskiej, Politechnika Gdańska, Gdańsk 2004 (skrypt wydany w formie 

elektronicznej). 

[2] 

Laboratorium z mechaniki płynów i hydrauliki – praca zbiorowa, Politechnika Gdańska, 

Gdańsk 1995. 

[3] 

Hydraulika techniczna – przykłady obliczeń, Kubrak E. i Kubrak J., Wydawnictwo 

SGGW, Warszawa 2004. 

[4] Rozp. Min. Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 30 maja 2000 r. w sprawie 

warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich 

usytuowanie – Dz.U. Nr 63 poz. 735. 

[5] Byczkowski A., Hydrologia, Wyd. SGGW 1996. 

[6] Madaj A., Wołowicki W., Podstawy projektowania budowli mostowych, WKŁ Warszawa 

2007. 

 

7. Przydatne informacje do wykonania ćwiczenia: 

Zasada pomiaru natężenia przepływu za pomocą przelewu o ostrej krawędzi 

Należy  zapoznać  się  z  rozdziałem  II/4  (str.  32)  skryptu

  Laboratorium  z  mechaniki  płynów  i 

hydrauliki [1].  

background image

 

17 

Współczynniki oporów liniowych przy przepływie cieczy w kanałach otwartych 

Należy  zapoznać  się  z  rozdziałem  II/3  (str.  29)  skryptu

  Laboratorium  z  mechaniki  płynów  i 

hydrauliki [1]. 

Podstawy teoretyczne przepływu wody w kanałach otwartych 

Należy zapoznać się z rozdziałem III/4.1 (str. 111) skryptu

 Laboratorium z mechaniki płynów 

i hydrauliki [1]. 

Określenie  szerokości  zwierciadła  wody  w  przekroju  poprzecznym  w  którym  znajduje 

się filar mostu. 

W  ćwiczeniu  filary  mostu  imitują  rury  o  przekroju  kołowym.  Aby  uzyskać  szerokość 

zwierciadła wody 

B, należy od szerokości kanału laboratoryjnego odjąć szerokości filarów w 

odpowiednim  przekroju.  W  przekroju  centralnym  (rys.  11)  szerokość  zwierciadła  wody 

pomniejszona  będzie  o  średnice  filarów  220  mm  (22cm)  względem  szerokości  kanału.  W 

każdym  innym  przekroju,  szerokości  filarów  są  zmienne  i  można  je  zmierzyć  na  podstawie 

wykonanego w skali rzutu z góry kanału laboratoryjnego.   

background image

 

18 

Tabela 1. Obliczenie prędkości lokalnych rurką Prandla 

 
Przekrój ………………………………………… 
Nr przekroju …………………………………… 
Data i godzina pomiaru ………………………… 
 
Wydatek kontrolny ………………..m

3

/s  …………………dm

3

/s   ……………..cm

3

/s 

 

Pion 

(odległość 
od brzegu 

lewego) 

Punkt 

Wysokość 

punktu od 

dna 

z

i

 

∆∆∆∆

h

i

 

v

Li

 

V

Li 

 

 

cm 

cm 

cm/s 

m/s 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

…………… 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

…………… 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

III 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

…………….  4 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IV 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

…………… 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

…………… 

 

 

 

 

 

Tabela 2. Obliczenie natężenia przepływu metodą Culmanna

 

Izotachy 

odpowiadające 

prędkościom 

[m/s] 

Prędkość 

średnia 

v

 [m/s] 

Powierzchnia 

zawarta pomiędzy 

izotachami 

∆∆∆∆

A [m

2

Natężenie 

przepływu 

∆∆∆∆

Q [m

3

/s] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q= 

         m

3

/s 

 

 

Q= 

         dm

3

/s 

 

background image

 

19 

 

Tabela 3. Zestawienie wyników pomiarów i obliczeń natężenia przepływu w kanale 

 

Wydatek 

rzeczywisty 

Wydatek w korycie 

niezabudowanym z 

równania Manninga 

Wydatek w korycie 

niezabudowanym z 

metody Culmanna 

Wydatek w korycie 

zabudowanym z 

metody Culmanna 

dm

3

/s 

dm

3

/s 

dm

3

/s 

dm

3

/s 

Natężenie 
przepływu z 
przelewu 
kołowego 1 
…………dm

3

/s 

Natężenie 
przepływu z 
przelewu 
kołowego 2 
…………dm

3

/s 

 
SUMA   
…………dm

3

/s  

 
 
 
 
 
 

 

 

 

 

background image

 

20 

Tabela 4. 

KARTA POMIARÓW HYDROMETRYCZNYCH

 

Rzeka: …………..                                                        Data: ……………………………………… 
Przekrój: ……………                

 

godzina 

stan [cm] 

warunki atmosferyczne 

początek 

 

 

 

koniec 

 

 

 

Młynki 

α

αα

α

 

ββββ

 

 

 

 B 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nr 

pionu 

Odległość 

[m] 

ębokość 

pomiaru 

[m] 

Liczba 

impulsów 

Średnia 

liczba 

impulsów 

Liczba  

obrotów 

[1/s] 

Młynek 

[m/s] 

Uwagi 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

21 

Tabela 5. Analiza całkowitej energii mechanicznej na długości kanału otwartego dla koryta zabudowanego 
 

Przekrój nr 

1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29 

Odległość [cm] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rzędna zw. 

wody w osi 

kanału R

zw

 [cm] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Głębokość 

h=R

zw

-RD [cm] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Prędkość 

ś

rednia v 

[cm/s] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wysokość 

prędkości 

g

v

2

2

α

 [cm] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wysokość 

energii 

rzeczywistej 

(równanie 16) 

g

v

h

E

2

2

α

+

=

 

[cm] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

głębokość 

krytyczna 

(równanie 17) 

h

kr

 [cm] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rzędna dna kanału pomiarowego RD:  …………… cm 
 
UWAGA: W przekrojach, gdzie rzędna zwierciadła wody zależy od warunków lokalnych (spiętrzenie przed filarem mostowym, obniżenie za 
filarem mostowym, istotna zmiana głębokości wody w przekroju poprzecznym) NIE LICZYĆ prędkości średniej, wysokości prędkości oraz 
wysokości energii całkowitej. W odpowiednie kratki wstawić X.