Zakład Inżynierii Wodnej Warszawa, dnia 19.09.2007 r.

Katedra Inżynierii Wodnej i Rekultywacji Środowiska

Wydział Inżynierii i Kształtowania Środowiska

SGGW

Projekt upustu stokowego

Katarzyna Anusiewicz

Budownictwo, rok I mgr

grupa II

Części składowe projektu upustu stokowego:

1 Opis techniczny

1. Wybór lokalizacji zapory i trasy bystrza

2. Warunki posadowienia: geologiczne, topograficzne

3. Opis zaprojektowanej konstrukcji

4. Eksploatacja i obsługa upustu

1.5 Technologia robót

wykonawczych

1.6 Przeprowadzenie wody w okresie budowy

• Określenie rzędnej korony zapory

• Obliczenia hydrauliczne

3.1 Wlotu

3.1.1 Dobór wymiarów

3.1.2 Obliczenie układu zwierciadła wody

3.1.3 Krzywa wydatku

3.2Bystrza

1. Strumień nie napowietrzony

2. Strumień napowietrzony

3.3 Urządzeń do rozpraszania energii

1. Określenie położenia wysokościowego wypadu

2. Obliczenie długości wypadu

3. Dobór kształtu i wymiarów wypadu.

4 Dobór umocnień i obliczenie rozmyć poniżej upustu.

1. Długość i rodzaj umocnień kanału doprowadzającego.

2. Długość i rodzaj umocnień kanału zrzutowego.

3. Obliczenie rozmyć poniżej upustu.

1 Opis techniczny

1.1 Wybór lokalizacji zapory i trasy bystrza

Lokalizacja zapory i trasy bystrza przedstawiona jest na dołączonej mapce (załącznik 1). Przy wyborze lokalizacji kierowano się dwoma kryteriami:

- kryterium topograficzne,

- kryterium utrzymania NPP

1.2 Warunki posadowienia: geologiczne, topograficzne

Zakładam, że w profilu glebowym znajdują się piaski średnie. Warunki topograficzne istniejące w pobliżu zapory są bardzo dobre do odprowadzenia wody przez upust stokowy. Nachylenie stoku jest w przybliżeniu równe 8%, grunty mineralne zapewniają odpowiednią nośność. Nie występują żadne trudności w posadowieniu budowli w istniejących warunkach.

1.3 Opis zaprojektowanej konstrukcji

Projektowana konstrukcja to upust stokowy. Upust ten przecina zaporę w jednym miejscu. Upust składa się z koryta zbiorczego o spadku 3%, bystrza o spadku 9%, niecki wypadowej płaskiej o głębokości 0,70 m i długości 3,9 m, ścianki szczelnej długości 6m zlokalizowanej za niecką wypadową w celu ograniczenia rozmyć i przesiąków. Na długości bystrza projektowane są elementy sztucznej szorstkości o wysokości 0,17 m.

1.4 Eksploatacja i obsługa upustu

Projektowany upust jest budowlą stale działającą niewymagającą obsługi. Nie posiada również zamknięć ruchomych wymagających otwarcia bądź zamknięcia na czas. Woda przelewa się stale po przekroczeniu normalnego poziomu piętrzenia 262,20 m.n.p.m. Zaleca się, aby okresowo usuwać grubsze nieczystości, które mogłyby ograniczyć przepustowość upustu.

1.5 Technologia robót wykonawczych

Ze względu na ograniczony czas budowy, podstawowe elementy konstrukcyjne budowli są prefabrykowane i łączone na miejscu budowli. Pozostałe prace wykonywane są w terenie. Na połączeniach elementów występują uszczelnienia gumowe pokryte warstwą z tworzyw sztucznych. Beton użyty do budowy jest wysokiej jakości, o wygładzonych powierzchniach o współczynniku szorstkości n = 0,015.

1.6 Przeprowadzenie wody w okresie budowy

Woda budowlana przeprowadzana będzie za pomocą spustu ulokowanego w dnie zapory. Za wylotem ze spustu odprowadzana będzie dalej przez koryto rzeki. Spust ten nie jest przedmiotem obliczeń.

• Określenie rzędnej korony zapory

Zapora powinna zapewnić piętrzenie na poziomie normalnym jak również powinna uwzględniać okresowe wyższe stany wody. Rzędną zapory określiłam korzystając z rozporządzenia 111 z 1996 r. Rozporządzenie to podaje odpowiednie zapasy jakie należy uwzględnić dla danej klasy budowli. Dla klasy trzeciej budowli poziom korony zapory powinien być minimum 0,7 m do poziomu NPP i minimum 1m powyżej NPP. Określono rzędną korony 1,5 m powyżej normalnego poziomy piętrzenia, czyli na rzędnej 264,00 m.n.p.m.

3 Obliczenia hydrauliczne

3.1 Wlotu

3.1.1 Dobór wymiarów

Przyjmuję, że przelew jest niezatopiony i
m

m

=0,25 m

m

Określam szerokość obliczeniową koryta zbiorczego ze wzoru:

gdzie:

m - współczynnik wydatku uzależniony od H i r [-],

B - obliczeniowa szerokość koryta zbiorczego [m],

g - przyśpieszenie ziemskie 9,81 m/s²,

H₀ - wysokość ponad normalnym poziomem piętrzenia [m],

Q=32 m³/s

[-]

40,60 m = 41 m

Poprawnie dobrane wymiary koryta powinny spełniać następujące trzy warunki:

1)
,

2)

3) q_k=
= (3-5)

Wyznaczam

m => b_p ≥ 2,5 m

Przyjmuję
= 4,5 m

Przyjmuję
= 4,0
,

A zatem
=
= 8 m

Wyznaczam
z funkcji trygonometrycznych :

L_p =
=
=18,25
18,30 m

Rozpatruję warunek 2) i wyznaczam L_k:

b_k - b_p = 3,5
0,2 L_k

L_k =
= 18,17
18,20 m

Przyjmuję L_k = 18,20 m

Wyznaczam
- wsp. rozejścia ścian bystrza i
- wsp. nachylenia ścian

< 0,2 = > warunek spełniony

Rys. 1 Schemat koryta zbiorczego.

Wydłużam

m

=20,60 m

m

m

Przepływ jednostkowy na długości przelewu

Przepływ jednostkowy na długości koryta

Wyznaczam spadek koryta

m

m

F_krk =

= 8
= 10,4 m²

0,13 [-]

= 0,0423 [-]

Woda w korycie zbiorczym powinna płynąć ruchem nadkrytycznym, czyli spadek koryta powinien być mniejszy od spadku końcowego krytycznego.

Przyjęto spadek dna koryta
= 0,03 = 3 %

3.1.2 Obliczenie układu zwierciadła wody

Rzeczywiste napełnienie na końcu koryta

m

Rzeczywiste napełnienie na początku przelewu

m

Tabela 1. Zestawienie obliczeń do określenia układu zwierciadła wody w korycie zbiorczym.

	Tab.1 Zestawienie obliczeń układu zw. wody w korycie zbiorczym
Lp	hi	hzał	x'	bx	Qx	Qs	Fx	Fs	Rx	Rs	Ie ^ 0,5	Ie	Vx	Δhobl
1	2,100	0,002	20,50	8,00	36,9	36	16,80	16,91	1,377	1,380		0,00066	2,20	0,035
2	2,102			19,5	8,10		35,1						17,02			1,384				2,06
3	2,102	0,002	18,5	7,89	33,3	34,2	16,57	16,79	1,371	1,377	0,025	0,00061	2,01	0,018
4	2,104	0,002	17,5	7,68	31,5	32,4	16,15	16,36	1,359	1,365	0,024	0,00058	1,95	0,019
5	2,106	0,006	16,5	7,47	29,7	30,6	15,72	15,93	1,346	1,353	0,024	0,00055	1,89	0,019
6	2,112	0,002	15,5	7,26	27,9	28,8	15,32	15,52	1,335	1,341	0,023	0,00052	1,82	0,020
7	2,114	0,002	14,5	7,05	26,1	27	14,89	15,11	1,321	1,328	0,022	0,00049	1,75	0,020
8	2,116	0,016	13,5	6,84	24,3	25,2	14,46	14,68	1,307	1,314	0,021	0,00049	1,68	0,021
9	2,132	0,020	12,5	6,63	22,5	23,4	14,12	14,29	1,297	1,302	0,021	0,00042	1,59	0,023
10	2,152	0,023	11,5	6,42	20,7	21,6	13,81	13,96	1,288	1,293	0,020	0,00038	1,50	0,024
11	2,175	0,025	10,5	6,21	18,9	19,8	13,50	13,65	1,279	1,283	0,018	0,00038	1,40	0,025

Rys. 2 Układ zwierciadła wody w korycie zbiorczym.

3.1.3 Krzywa wydatku

Tab. nr 2. Obliczenie przepustowości koryta zbiorczego

L.p	Rzędna wody	Hk	Qk	H	H/r	m	k2	k1	Ls	Kz	Qp
1	253,8	0	0
2	253,9	0,1	0,245
3	254	0,2	0,693
4	254,1	0,3	1,274
5	254,2	0,4	1,961
6	254,3	0,5	2,741
7	254,4	0,6	3,603
8	254,5	0,7	4,540
9	254,6	0,8	5,547
10	254,7	0,9	6,618
11	254,8	1	7,752
12	254,9	1,1	8,943
13	255	1,2	10,190
14	255,1	1,3	11,490
15	255,2	1,4	12,840
16	255,3	1,5	14,240
17	255,4	1,6	15,688
18	255,5	1,7	17,181	0	0	0	0	0	0	0	0
19	255,6	1,8	18,720	0,1	0,4	0,503	0,813	0,989	0,249	0,988	1,147
20	255,7	1,9	20,301	0,2	0,8	0,503	0,863	0,989	0,342	0,983	3,430
21	255,8	2	21,925	0,3	1,2	0,503	0,898	0,989	0,436	0,979	6,527
22	255,9	2,1	23,589	0,4	1,6	0,503	0,927	0,989	0,529	0,974	10,315
23	256	2,2	25,294	0,5	2	0,503	0,950	0,989	0,622	0,970	14,715
24	256,1	2,3	27,038	0,6	2,4	0,503	0,971	0,989	0,715	0,965	19,672
25	256,2	2,4	28,821	0,7	2,8	0,503	0,989	0,989	0,808	0,961	25,142
26	256,3	2,5	30,641	0,8	3,2	0,503	1,006	0,989	0,902	0,956	31,092
27	256,4	2,6	32,497	0,9	3,6	0,503	1,022	0,989	0,995	0,951	37,492
28	256,5	2,7	34,390	1,0	4	0,503	1,036	0,989	1,088	0,947	44,315
29	256,6	2,8	36,318	1,1	4,4	0,503	1,049	0,989	1,181	0,942	51,540
30	256,7	2,9	38,281	1,2	4,8	0,503	1,062	0,989	1,274	0,938	59,146
31	256,8	3	40,278	1,3	5,2	0,503	1,074	0,989	1,367	0,933	67,115
32	256,9	3,1	42,309	1,4	5,6	0,503	1,085	0,989	1,461	0,929	75,430
33	257	3,2	44,372	1,5	6	0,503	1,096	0,989	1,554	0,924	84,075
34	257,1	3,3	46,468	1,6	6,4	0,503	1,107	0,989	1,647	0,920	93,037

Rys. nr 3 Krzywe wydatku w korycie zbiorczym.

Wniosek: jak pokazują powyższe krzywe, szerokość końcowa koryta zbiorczego jest na tyle szeroka, że nie następuje dławienie. Przepływ przez koryto będzie determinowany przez przelew nad koroną.

3.2 Obliczenia bystrza

3. Strumień nienapowietrzony

Tab. nr 3 Układ zwierciadła wody w bystrzu.

h	F	u	v	us	Fs	Rs	Ie	Δ L	ΣΔ L
1,53	12,24	11,06	3,072	10,960	11,84	1,080	0,001	-0,305	-0,305
1,43	11,44	10,86	3,287
1,33	10,64	10,66	3,534	10,760	11,04	1,026	0,002	-0,139	-0,444
1,23	9,84	10,46	3,821	10,560	10,24	0,970	0,002	0,084	-0,359
1,13	9,04	10,26	4,159	10,360	9,44	0,911	0,003	0,393	0,034
1,03	8,24	10,06	4,563	10,160	8,64	0,850	0,004	0,835	0,869
0,93	7,44	9,86	5,054	9,960	7,84	0,787	0,005	1,491	2,360
0,83	6,64	9,66	5,663	9,760	7,04	0,721	0,007	2,516	4,875
0,73	5,84	9,46	6,438	9,560	6,24	0,653	0,010	4,232	9,108
0,63	5,04	9,26	7,460	9,360	5,44	0,581	0,015	7,417	16,525
0,53	4,24	9,06	8,868	9,160	4,64	0,507	0,025	14,442	30,966
0,375	3	8,75	12,533	8,905	3,62	0,407	0,056	87,722	118,688

Rys. nr 4 Układ zwierciadła w bystrzu.

Przyjęto spadek bystrza według załączonej mapki 9%, czyli i = 0,09

Obliczono h₀ ze wzoru:

sinၡ =

gdzie:

Q - natężenie przepływu w bystrzu [m³/s],

n - chropowatość w bystrzu ( przyjąłem dla betonu wygładzonego 0,015 ),

R₀ - promień hydrauliczny w przekroju bystrza przy wysokości h₀ [m],

F_{0 -} pole przekroju koryta bystrza przy wysokości h₀ [m²],

Obliczenia przeprowadzono metodą kolejnych przybliżeń zakładając wartość h₀.

W wyniku podstawienia otrzymałem h₀= 0,29 m

F₀ =
=
m²,

U₀ =
m,

R₀=
m

sin(6,03) = 0,105

= 0,1

L ≈ P

W celu zmniejszenia prędkości w bystrzu projektuje bystrze ze sztuczną szorstkością pokazane na rys nr 5.

Rys. nr 5 Schemat sztucznej szorstkości w bystrzu.

Wyznaczam wysokość, dla której prędkość w bystrzu wynosi 5 m/s, (jest to prędkość dopuszczalna dla koryta wykonanego z betonu):

Q = 32 m³/s

v = 5 m/s

b = 8 m

Dla h₅ = 0,8 m wyznaczam c.

c - współczynnik Chezy,

F₅ = 8·0,8=6,4 m² - pole przekroju przy wysokości h₅,

U₅ = 8+2·0,8=9,6 m - obwód zwilżony przy wysokości h_5,

R₅ = 0,67 m - promień hydrauliczny,

J_b = 0,09 spadek bystrza,

Q =

32 =
→ c = 20,36

Dla tej wartości odczytano z tabeli 3.14 wartości:

,

h_0C = 1,33 m , s = 1,6 m

Ponownie obliczam c dla wysokości h_0C = 1,33 m

F = 10,64 m² ,

U = 10,66 m _,

R = 0,998 m ,

Q =

32 =
→ c = 10,04

V =
3,0 m/s

Prędkość jest mniejsza od dopuszczalnej prędkości V = 5 m/s.

Zaprojektowana szorstkość w bystrzu jest dobrze dobrana.

Obliczenia sprawdzające, czy wystąpi falowanie w bystrzu.

h₀ = 1,33 m ,

Fr₀ =
,

F = 10,64 m² ,

U = 10,66 m² _,

R = 0,998 m ,

ၡ =
,

c = 10,04 ,

cosၡ = 0,994 ,

m²/s ,

n = 0,015 ,

k₁ =

k₂ =
-36,93

0,4

1,45 < 5,09

Wynika stąd, że wystąpi falowanie na długości bystrza.

Obliczam maksymalną wysokość fali:

h_max= 0,25
1,21 m

Obliczam średnią długość fali:

l_śr = 30h₀ =
m

Fale które wystąpią w bystrzu będą występować co 39,9 m, a ich wysokość nie powinna przekraczać 1,21 m.

4. Strumień napowietrzony

Wyznaczam wartość
=
=0,072

q - jednostkowe natężenie przepływu na szerokości bystrza [m³/s^.m],

Korzystając z nomogramu rys. 10.82 „ Podstawy melioracji rolnych” P. Prochal tom 2

Wykres do wyznaczania głębokości h_a i prędkości V_a strumienia napowietrzonego, określono
,
, stąd h_a = 1,04 m, V_a = 4,99 m/s

Dla tak małej wartości jak 0,072 współczynnik koncentracji powietrza jest bardzo mały i wynosi mniej niż 0,2. Jest to zgodne z tym, co wcześniej wyliczono, czyli, że nie występuje w tym przypadku strumień napowietrzony.

3.3 Obliczenia urządzeń do rozpraszania energii

4. Określenie położenia wysokościowego wypadu

Rys. 6 Schemat odskoku hydraulicznego.

t_m - napełnienie w stanowisku dolnym przy natężeniu przepływu Q_m ,

t_m = 1,55 m,

L_m =
m ,

h₁ = h₀ = 1,33 m ,

၄h = t_m - h₁cosၡ = 1,55-
1,55-
m ,

L₁=
m ,

Q_m = 32 m³/s ,

q = Q/b = 32/8 = 4,0 m³/s^.m ,

F = 10,64 m² ,

U = 10,66 m² _,

R = 0,998 m ,

V = 3,0 m/s

Fr₀ = 0,69 ,

h_2p =
m

E₁ =
m

ctgၤ = 0,3Fr₀ + 0,54 = 0,75

ၤ = 53,13Ⴐ

Druga wysokość sprzężona wynosi 1,26 m,

Obliczam drugą wysokość sprzężoną odskoku nachylonego.

h_1p = h_1n = 1,33 m ,

tg ၡ = 0,106 ,

Odczytano wartość K z rysunku 4.33 z książki A. Żbikowski i in. „Hydrauliczne podstawy projektów wodnomelioracyjnych” (str. 289)

K = f(tg ၡ) = 2,5 ,

Pozostałe oznaczenia jak powyżej

h_2n = 1,2 · 1,33 = 1,6 m ,

L_0n =
m

i < tg ၡ

3.3.2 Obliczenie długości wypadu

Długość niecki wypadowej przyjmuję w przybliżeniu 3h_2p , co daje w sumie 3,9 m.

3.3.3Dobór kształtu i wymiarów wypadu.

Obliczenia głębokości niecki wypadowej

Obliczenia wykonuję dla trzeciego przypadku, tzn. h_2n > t_m, bo 1,6 m > 1,55 m ,

n = 1,05 ,

d = nh_2n - t_m = 1,05 · 1,6 - 1,55 = 0,67 m

Przyjmuję d = 0,7 m ,

h_2n^' = t_m + d = 1,55 + 0,7 = 2,25 m ,

,

- odczytane z rys. 4.34 z książki A. Żbikowski i in. „Hydrauliczne podstawy projektów wodnomelioracyjnych” (str. 290) ,

L_0n = h_2p · 4,6 = 1,26 · 4,6 = 5,8 m ,

Przyjęto długość odskoku równą:

L_0n = 6,0 m ,

Głębokość niecki 0,70 m przyjmuję za ostateczną. Nie projektuję poszerzenia koryta.

4 Dobór umocnień i obliczenie rozmyć poniżej upustu.

4. Długość i rodzaj umocnień kanału doprowadzającego.

1. L_u = (2 ÷ 3)b =
   =16 m

2. L_u ≤ 20 m

3. L_u =
   m,

V - prędkość w stanowisku dolnym,

V_R - prędkość dopuszczalna dla gruntu z tematu,

b - szerokość koryta,

V =
m/s,

F = 0,5 · (8 + 14,75) · 1,70 = 18,91 m² ,

Umocnienia kanału doprowadzającego muszą być sztywne, a zatem na długości 19 m projektuję płyty betonowe.

5. Rodzaj umocnień kanału zrzutowego.

Na kanale zrzutowym projektuję umocnienia skarp w postaci narzutu kamiennego. Dno kanału zrzutowego jest wykonane z gruntu naturalnego, czyli piasku grubego.

6. Obliczenie rozmyć poniżej upustu.

Do obliczeń przyjmuję schemat Rossińskiego

,

gdzie:

H - głębokość rozmycia ,

k₁ - współczynnik uwzględniający wzmożoną burzliwość strumienia,

przyjmuję k₁ = 1,7 dla umocnień na poziomie dna stanowiska dolnego i zakończone ścianą szczelną ,

q - jednostkowe natężenie przepływu w stanowisku dolnym,

V_n1 - prędkość nierozmywająca przy głębokości 1 m ,

Przyjmuję prędkość V_n1 = 0,57 m/s dla mojego gruntu (piasek średni) z tematu na podstawie tabeli 4.2 z książki A. Żbikowski i in. „Hydrauliczne podstawy projektów wodnomelioracyjnych” (str. 350) ,

q =
,

B_z = b + 0,4·2·t_m = 8 + 0,4 · 2 · 1,55 = 9,24 m

q =
m³/sm ,

=
m ,

Powyższe obliczenia wskazują na fakt, iż nie nastąpi rozmycie dna gdyż nachylenie jest mniejsze od 1:3.

7

---