ΣΤΡΑΓΓΙΣΕΙΣ ΣΤΡΑΓΓΙΣΤΙΚΑ ΕΡΓΑ

Transcript

1 ΣΤΡΑΓΓΙΣΕΙΣ ΣΤΡΑΓΓΙΣΤΙΚΑ ΕΡΓΑ Π. Σιδηρόπουλος Δρ. Πολιτικός Μηχανικός Εργαστήριο Υδρολογίας και Ανάλυσης Υδατικών Συστημάτων Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών Π.Θ. ΕΓΓΕΙΟΒΕΛΤΙΩΤΙΚΑ ΕΡΓΑ 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ

2 Στραγγίσεις Στραγγιστικά Έργα Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο o Ο σκοπός της στράγγισης των γεωργικών εκτάσεων είναι η απομάκρυνση του πλεονάζοντος νερού: είτε στην επιφάνεια του εδάφους, είτε στο ριζόστρωμα των καλλιεργειών για την αποτροπή δυσμενών συνεπειών στην ανάπτυξη τους.

3 Στραγγίσεις Στραγγιστικά Έργα Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο Για παράδειγμα o Ο κορεσμός της ζώνης του ριζοστρώματος που μπορεί να προκληθεί από άνοδο της φρεατικής στάθμης λόγω διήθησης των νερών της βροχής ή της άρδευσης από εισροή υπόγειου νερού από παρακείμενη υψηλότερη περιοχή δημιουργεί αναερόβιες συνθήκες για τα φυτά με αποτέλεσμα το ριζικό τους σύστημα να σαπίσει. o Σε ξηρές περιοχές η στράγγιση εξασφαλίζει: την παρεμπόδιση της συγκέντρωσης αλάτων ακόμη και την απομάκρυνσή τους από το ριζόστρωμα o Η απομάκρυνση των επιφανειακών νερών γίνεται συνήθως με ένα δίκτυο τάφρων ή άλλων επιφανειακών αγωγών. o Η απομάκρυνση, όμως, του νερού από το ριζόστρωμα και ο έλεγχος της φρεατικής στάθμης απαιτεί ένα δίκτυο υπόγειων κλειστών στραγγιστικών αγωγών γνωστών με το όνομα "στραγγιστικοί σωλήνες" ή "σωληνωτά ντραίνα" ή εν συντομία "ντραίνα"

4 Στραγγίσεις Στραγγιστικά Έργα Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο o Δίκτυα υποστράγγισης = δίκτυα στράγγισης με υπόγειους σωληνωτούς αγωγούς o Δίκτυα αποστράγγισης = δίκτυα στράγγισης με επιφανειακούς αγωγούς (ανοιχτοί) o Σύγχρονη τάση το στραγγιστικό δίκτυο τελευταίας τάξης να είναι δίκτυο υποστράγγισης το στραγγιστικό δίκτυο ανώτερης τάξης να είναι δίκτυο αποστράγγισης o Τρεις κατηγορίες δικτύων στράγγισης, ανάλογα με τον επιδιωκόμενο βαθμό στράγγισης και το είδος των καλλιεργειών: Κατηγορία Α: Συνίσταται από πλήρες δίκτυο υπογείων αγωγών με συλλεκτήριους και κύριους αγωγούς στραγγιστικές τάφρους. Ενδείκνυται για πολύτιμες και ευαίσθητες καλλιέργειες Κατηγορία Β: Συνίσταται από δίκτυο τάφρων συμπληρούμενο από υπόγειους σωληνωτούς αγωγούς. Ενδείκνυται για τις συνήθεις μεγάλες καλλιέργειες. Κατηγορία Γ: Συνίσταται από δίκτυο τάφρων. Συνήθως χρησιμοποιείται για δευτερεύουσας σημασίας γεωργικές εκτάσεις.

5 Στοιχεία Σχεδιασμού Δικτύων Στράγγισης o Για τον σχεδιασμό των δικτύων στράγγισης πρέπει να προσδιορίζονται τα ακόλουθα στοιχεία: 1. Γενική διάταξη των στραγγιστικών αγωγών 2. Μέγιστη ποσότητα νερού για απομάκρυνση και επιτρεπόμενος χρόνος κατάκλισης των καλλιεργειών 3. Βάθος, ισαποχή και διαστασιολόγηση των στραγγιστικών αγωγών 4. Απαιτούμενα τεχνικά έργα και λεπτομέρειες στις συνδέσεις των αγωγών στράγγισης ανώτερης τάξης (συλλεκτήρες και κύριος) με αγωγούς τελευταίας τάξη (ντραίνα) o Κύριος αγωγός ή κεντρικός συλλεκτήρας ενός αποστραγγιστικού δικτύου είναι εκείνος στον οποίον εκβάλλουν όλοι οι υπόλοιποι αγωγοί και οδηγεί τα πλεονάζοντα νερά στον τελικό αποδέκτη (ποταμός, θάλλασα) o Σχετικά με τη διάταξη των αγωγών στράγγισης υπάρχουν συνήθως εναλλακτικές λύσεις. o Σε αρδευόμενες εκτάσεις, η διάταξη των αγωγών στράγγισης, εξαρτάται άμεσα από τη διάταξη των αρδευτικών αγωγών. o Κατά κανόνα οι τάφροι τοποθετούνται στα χαμηλότερα υψόμετρα, ενώ οι αρδευτικοί αγωγοί στα ψηλότερα.

6 Στοιχεία Σχεδιασμού Δικτύων Στράγγισης o Το n - τάξης στραγγιστικό δίκτυο ακολουθεί παράλληλη πορεία με το αντίστοιχης τάξης αρδευτικό δίκτυο διανομής, σε απόσταση ίση με το μήκος του αγρού δλδ μήκος διαδρομής του νερού πάνω στο έδαφος κατά την επιφανειακή άρδευση δλδ σε απόσταση ίση με το μήκος του υπόγειου ντραίνου που εκβάλλει στην αποστραγγιστική τάφρο n τάξης

7 Στοιχεία Σχεδιασμού Δικτύων Στράγγισης o Για τον υπολογισμό της ποσότητας του νερού που θα απομακρυνθεί, πρέπει να ελέγχεται: η ποσότητα νερού από μια ραγδαία βροχόπτωση το πλεόνασμα νερού στο έδαφος από την εφαρμογή των αρδεύσεων o Συνήθως η δυσμενέστερη περίπτωση από τις δύο παραπάνω είναι η πρώτη και για το λόγο αυτό πρέπει να υπολογιστεί μιας και με βάση αυτή γίνεται η διαστασιολόγηση. o Προσδιορισμός "ραγδαίας βροχής σχεδιασμού": Ένταση βροχόπτωσης Διάρκεια βροχόπτωσης o Το μέγεθος της κρίσιμης ή μέγιστης έντασης R, υπολογίζεται από την αντίστοιχη όμβρια καμπύλη της περιοχής μελέτης για δεδομένη περίοδο επαναφοράς. o Περίοδος επαναφοράς: Τ < 2 χρόνια --> 2 ας και 3 ης τάξης τάφρους 15 < Τ < 25 χρόνια --> κύριες τάφρους 1 ης τάξης o Διάρκεια βροχής = χρόνος συγκέντρωσης (t c ) του τμήματος της επιφάνειας που θα αποστραγγιστεί από την κάθε τάφρο.

8 Στοιχεία Σχεδιασμού Δικτύων Στράγγισης

9 Στοιχεία Σχεδιασμού Δικτύων Στράγγισης Kαμπύλες διάρκειας- έντασης βροχοπτώσεων περιοχής Θεσσαλονίκης

10 Στοιχεία Σχεδιασμού Δικτύων Στράγγισης o Η παροχή σχεδιασμού Q εκτιμάται από την ορθολογική μέθοδο (Rational Method) o Για την καλύτερη αξιοποίηση της ορθολογικής μεθόδου προτείνεται να κατασκευάζεται και να χρησιμοποιείται το συνθετικό τριγωνικό υδρογραφημα με: παροχή αιχμής Q χρόνο ανόδου ίσο με το χρόνο συγκέντρωσης t c της αποστραγγιζόμενης έκτασης χρόνο από την αιχμή μέχρι το τέλος του υδρογραφήματος ίσο με 1,67 t c για την εκτίμηση του συνολικού όγκου της άμεσης απορροής που απάγει η κάθε τάφρος

14 Στοιχεία Σχεδιασμού Δικτύων Στράγγισης o Η ορθολογική μέθοδος παρουσιάζει μεγάλη ευαισθησία στο συντελεστή C --> Ιδιαίτερη προσοχή στην επιλογή του συντελεστή C

15 Στοιχεία Σχεδιασμού Δικτύων Στράγγισης o Ο συντελεστής απορροής, C, πρέπει να επιλέγεται με βάση τους ακόλουθους παράγοντες: 1) Το ανάγλυφο της επιφάνειας της λεκάνης απορροής 2) Την έκταση και την πυκνότητα της φυτοκάλυψης 3) Την κλίση των πρανών της λεκάνης απορροής 4) Τη σύσταση του επιφανειακού εδάφους 5) Την περιεχόμενη στο έδαφος υγρασία κατά την έναρξη της βροχής 6) Την κλίση του κύριου ρεύματος της λεκάνης 7) Την αποθήκευση νερού στην επιφάνεια του εδάφους 8) Την ένταση της βροχής

18 Στοιχεία Σχεδιασμού Δικτύων Στράγγισης o Άλλη Μέθοδος συνίσταται στην απομάκρυνση της πλεονάζουσας ποσότητας νερού εντός 24 ωρών, ώστε οι ζημιές από την κατάκλιση των γεωργικών εκτάσεων να είναι περιορισμένες o Πλεονάζουσας ποσότητας νερού = Συντελεστής Στράγγισης (U.S. Soil Conservation Service, 1972) o Ιδιαίτερη σπουδαιότητα για τον υπολογισμό της παροχής λειτουργίας των αντλιοστασίων στράγγισης στην περίπτωση που, λόγω υψομέτρου, τα νερά της απορροής πρέπει να αντληθούν στο υψόμετρο της στάθμης του νερού στον τελικό αποδέκτη. o Ο συντελεστής στράγγισης υπολογίζεται από την παρακάτω εξίσωση: D = P S g + B

19 Στοιχεία Σχεδιασμού Δικτύων Στράγγισης o Ο συντελεστής στράγγισης D μπορεί να εκφρασθεί και σε μονάδες παροχής ανά μονάδα επιφάνειας (lt/s/στρέμμα) ονομάζεται ειδική παροχή στράγγισης q d : q d = 0,0116*D o Η ειδική παροχή στράγγισης ορίζεται ως η συνεχής παροχή ανά μονάδα επιφάνειας για τη συλλογή και απομάκρυνση του νερού που προέρχεται από την κρίσιμη βροχή 24ώρου και αποτελεί έννοια αντίστοιχη της ειδικής παροχής άρδευσης στην κεφαλή ενός αρδευτικού δικτύου. o Επομένως, με βάση την ανάντη επιφάνεια που εξυπηρετεί ένας στραγγιστικός αγωγός και με γνωστή την ειδική παροχή στράγγισης, μπορεί να υπολογιστεί η παροχή σχεδιασμού Q του αγωγού από την εξίσωση: Q = (q d / 1000)*A όπου Q η παροχή σχεδιασμού σε m3/s q d η ειδική παροχή στράγγισης σε lt/s/στρέμμα Α η αποστραγγιζόμενη επιφάνεια σε στρέμματα

20 Στοιχεία Σχεδιασμού Δικτύων Στράγγισης Άσκηση 1 Κεκλιμένη επιφάνεια έκτασης 100 στρεμμάτων, ορθογωνικού σχήματος, αποστραγγίζεται από τάφρο στην κάτω πλευρά της. Το μήκος της επιφάνειας είναι m και η κλίση 2 %, ενώ το μήκος της τάφρου είναι 100 m με κλίση 1%. Η όμβρια καμπύλη της περιοχής για Τ=25 έτη είναι: r = 29,1*t -0,53. Ζητούνται: 1. Ποια θα είναι η παροχή αιχμής πλημμύρας στην έξοδο της τάφρου για περίοδο επαναφοράς της ραγδαίας βροχής Τ=25 έτη; 2. Ποιος ο συνολικός όγκος πλημμύρας με βάση το συνθετικό τριγωνικό υδρογράφημα; Οι υπολογισμοί να γίνουν με τη χρήση της ορθολογικής μεθόδου και ο χρόνος συγκέντρωσης με τη χρήση της εξίσωσης Kirpich

21 Στοιχεία Σχεδιασμού Δικτύων Στράγγισης Άσκηση 1 Λύση Ο συνολικός χρόνος συγκέντρωσης είναι το άθροισμα: του χρόνου ροής στην κεκλιμένη επιφάνεια, t c1 του χρόνου ροής στην τάφρο, t c2 t c = t c1 + t c2 = 0,02*( ,77 * 0,02-0, ,77 * 0,01-0,385 ) = 22,5 min = 0,375 h Η ένταση της ραγδαίας βροχής Τ=25 έτη για διάρκεια ίση με το χρόνο συγκέντρωσης, t c, είναι: r = 29,1*t -0,53 = 29,1*0,375-0,53 = 48,9 mm/h Ο πλημμυρικός συντελεστής απορροής C, για καλλιεργημένη έκταση με κλίσης εδάφους < 5% με βάση τον πίνακα έχει τιμή C = 0,5

22 Στοιχεία Σχεδιασμού Δικτύων Στράγγισης Άσκηση 1 Λύση Άρα η παροχή θα ισούται με: Q = C*r*A/3.600 = 0,5*48,9*100/3600 = 0,68 m 3 /s Ο συνολικός όγκος πλημμύρας με βάση το συνθετικό τριγωνικό υδρογράφημα θα είναι το εμβαδόν του εν λόγω τριγώνου, άρα: V = 0,5*Q*(t c + 1,67t c ) = 0,5,*0,68*2,67*0,375*3.600=1.225 m 3

23 Βάθος και ισαποχή Αγωγών Στράγγισης o Το βάθος και η ισαποχή των αγωγών στράγγισης μπορούν να μεταβάλλονται ώστε να επιτευχθεί ο επιθυμητός βαθμός στράγγισης. o Μεγαλύτερο βάθος των στραγγιστικών αγωγών μεγαλύτερη ισαποχή. Το βάθος των αγωγών στράγγισης περιορίζεται: Το κόστος εκσκαφής Τις μηχανικές δυνατότητες των μηχανημάτων εκσκαφής Τη στάθμη του νερού στο συλλεκτήριο ή κύριο αγωγό Την ανομοιογένεια των στρωμάτων του εδάφους o Η ισαποχή των αγωγών στράγγισης είναι συνήθως αρκετά μικρή για τα εδάφη μεγάλης και μέσης υδατοπερατότητας πρακτικά αδύνατο να χρησιμοποιούνται ανοικτοί επιφανειακό αγωγοί. o Στην πράξη η ισαποχή θεωρείται ενιαία και στρογγυλευμένη σε ακέραια πολλαπλάσια των 5 m (π.χ. 50, 55, 60, 65, 70 m)

24 Βάθος και ισαποχή Αγωγών Στράγγισης o Για την απλοποίηση της μαθηματικής ανάλυσης του πολύπλοκου φυσικού προβλήματος γίνονται ορισμένες παραδοχές: 1. Το έδαφος είναι ομογενές και ισότροπο με συντελεστή υδραυλικής αγωγιμότητας κορεσμού ή απλούστερα, συντελεστή υδατοπερατότητας K (L/T). 2. Η παροχή ανά μονάδα επιφάνειας οριζόντιας προβολής από τη διήθηση φυσικής ή τεχνητής βροχής είναι σταθερή στο χρόνο και ίση με την ένταση της βροχής r (L/T). 3. Ισχύει ο νόμος του Darcy. 4. Η υπόγεια στάθμη έχει πολύ μικρή καμπυλότητα και ισχύουν οι παραδοχές των Dupuit- Forchheimer για την υπόγεια ροή: 4.1. Η κλίση του υδραυλικού φορτίου είναι ίση με την κλίση της υπόγειας στάθμης 4.2. Η ροή είναι οριζόντια και ομοιόμορφη σε όλα τα σημεία μιας κατακόρυφης διατομής. Δηλαδή ισχύει η υδροστατική κατανομή των πιέσεων επί μιας κατακορύφου και οι γραμμές ροής είναι παράλληλες μεταξύ τους και οριζόντιες κατά μεγάλη προσέγγιση.

25 Βάθος και ισαποχή Αγωγών Στράγγισης o Στην πράξη κατά τον υπολογισμό της ισαποχής των στραγγιστικών αγωγών, εξετάζονται δύο χαρακτηριστικές περιπτωσεις: 1. Σταθερής ροής: Γίνεται η παραδοχή ότι η ποσότητα νερού που διηθείται στο έδαφος πρέπει να απομακρύνεται ταυτόχρονα από τους στραγγιστικούς αγωγούς, ώστε η υπόγεια στάθμη να παραμένει αμετάβλητη. 2. Ασταθούς ροής: Γίνεται η παραδοχή (όπως συμβαίνει και στην πραγματικότητα) ότι η υπόγεια στάθμη μεταξύ δύο διαδοχικών γεγονότων βροχής ή άρδευσης θα μεταβάλλεται, δηλαδή στο φυσικό πρόβλημα υπεισέρχεται ο χρόνος ως μία επιπλέον μεταβλητή.

26 Συνθήκες Σταθερής Ροής Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο o Στο σχήμα φαίνεται ένα υδροφόρο στρώμα με ελεύθερη επιφάνεια μεταξύ δύο τάφρων που απέχουν μεταξύ τους απόσταση L, εδραζομένων σε αδιαπέρατο στρώμα. o Αδιαπέρατο στρώμα: ορίζεται το εδαφικό στρώμα με υδατοπερατότητα της τάξης 1/10 της υδατοπερατότητας του υπερκειμένου στρώματος ή και μικρότερη

27 Συνθήκες Σταθερής Ροής Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο o Ας θεωρήσουμε τώρα ένα κατακόρυφο επίπεδο σε απόσταση x από την αριστερή τάφρο, όπου το βάθος της υπόγειας στάθμης είναι h. o Η ανά μονάδα πλάτους παροχή του υπόγειου νερού που διέρχεται από την επιφάνεια h *1 σύμφωνα με το νόμο Darcy είναι: Q x = K h 1 (dh/dx) o Η παροχή αυτή, κατά τη θεώρηση σταθερής ροής, θα είναι ίση με την παροχή, που διηθείται κατακόρυφα από την επιφάνεια [(L/2)-x] 1, η οποία ισούται με: όπου R η σταθερή τιμή της έντασης της βροχής o Επομένως θα ισχύει: Q x = R [(L/2)-x] 1 Q x = K h 1 (dh/dx) = R [(L/2)-x] 1 K h dh= R [(L/2)-x] dx

28 Συνθήκες Σταθερής Ροής Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο o Ολοκληρώνοντας την προηγούμενη εξίσωση με όρια 1. x= 0 h = h 0 (το βάθος του νερού στην τάφρο) 2. x= L/2 h = H 0 (το ύψος της υπόγειας στάθμης σε απόσταση L/2 δλδ στο μέσο της ισαποχής) Εξίσωση Donnan

29 Συνθήκες Σταθερής Ροής Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο o Στην περίπτωση που οι στραγγιστικοί αγωγοί απέχουν απόσταση D από το αδιαπέρατο στρώμα, τα νέα όρια ολοκλήρωσης x= 0 h = D + h 0 x= L/2 h = D + H 0 και η ισαποχή θα ισούται με: o Στην πράξη θεωρείται ότι h 0 0 άρα (1)

30 Συνθήκες Σταθερής Ροής Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο o Στην περίπτωση που ο πυθμένας των στραγγιστικών αγωγών εδράζεται στη διεπιφάνεια δύο εδαφικών στρωμάτων με διαφορετικές διαπερατότητες Κ 1 και Κ 2, τότε: Q x = Q 1 + Q 2 = K 1 (h-d) 1 dh/dx + K 2 D 1 dh/dx = R [(L/2)-x] 1 όπου Q 1 και Q 2 είναι οι παροχές του νερού της βροχής έντασης R, που διηθείται στο έδαφος και κατόπιν διέρχεται από τις κατακόρυφες επιφάνειες (h-d) 1 και D 1 αντίστοιχα οδεύοντας προς την τάφρο

31 Συνθήκες Σταθερής Ροής Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο o Με χωρισμό των μεταβλητών: K 1 (h-d) dh + K 2 D dh = R [(L/2)-x] dx o Και ολοκληρώνοντας με όρια ολοκλήρωσης: x= 0 h = D + h 0 x= L/2 h = D + H 0 o Προκύπτει τελικά: o Στην πράξη θεωρείται ότι h 0 0 άρα o Οι εξισώσεις (1) και (2) ισχύουν τόσο για τάφρους, όσο και για ντραίνα. o Επειδή, όπως φαίνεται και από σχήματα, κοντά στους αγωγούς οι γραμμές ροής συγκλίνουν και δεν ισχύουν εκεί πλέον οι παραδοχές Dupuit-Forchheimer, η ισαποχή L που υπολογίζεται από τις εξισώσεις (1) και (2) διορθώνεται ώστε να ληφθεί υπόψη το γεγονός αυτό. (2)

32 Συνθήκες Σταθερής Ροής Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο 1. Μέθοδος Hooghoudt (1940): o Η πραγματική απόσταση D των αγωγών από το αδιαπέρατο στρώμα, αντικαθίσταται στις εξισώσεις (1) και (2) από μια ποσότητα d (d<d), η οποία υπολογίζεται συναρτήσει του D και καλείται «ισοδύναμο βάθος». o Πρακτικά, αυτό σημαίνει ότι για να ισχύουν οι παραδοχές Dupuit-Forchheimer, θα έπρεπε η απόσταση από το αδιαπέρατο στρώμα να ήταν μικρότερη από την πραγματική. o Η ακτινική ροή λαμβάνει χώρα σε απόσταση 0,7D περίπου εκατέρωθεν ενός στραγγιστικού αγωγού. o Πρότεινε αρκετά περίπλοκες και δύσχρηστες εξισώσεις. 2. Μέθοδος Moody (1966): o Εξήγαγε απλούστερες εξισώσεις του «ισοδύναμου βάθους» για στραγγιστικούς σωλήνες (ντραίνα) με ακτίνα r 0, που ισχύουν τόσο για σταθερή όσο και για ασταθή ροή. o Συγκεκριμένα: Αν 0 < D/L < 0,3 όπου 3,45 Αν D/L > 0,3

33 Συνθήκες Σταθερής Ροής Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο o Για μεγαλύτερη ευκολία, για τον υπολογισμού του ισοδύναμου βάθους μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι πίνακες, οι οποίοι ισχύουν για ντραίνα ακτίνας r 0 = 0,05 m και r 0 = 0,1 m.

34 Συνθήκες Σταθερής Ροής Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο

35 Συνθήκες Σταθερής Ροής Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο o Η εφαρμογή της μεθόδου του «ισοδύναμου βάθους» στηρίζεται σε μια επαναληπτική διαδικασία. o Απαιτείται μεγάλος αριθμός επαναλήψεων έως ότου δύο διαδοχικές τιμές της υπολογιζόμενης ισαποχής περίπου να ταυτίζονται. o Για την αποφυγή των υπολογισμών αυτών, έχουν εξαχθεί νομογραφήματα (Van Beers, 1965) για αγωγούς ακτίνας r 0 =0,1 m και για τιμές ισαποχής L 5 25 m και L = m. o Στα νομογραφήματα του Van Beers, αρκεί να υπολογιστούν οι ποσότητες 4Κ 1 Η 02 /R και 8K 2 H 0 /R για να προκύψει η τελική διορθωμένη ισαποχή L με βάση την απόσταση D από το αδιαπέρατο στρώμα.

36 Συνθήκες Σταθερής Ροής Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο Νομογράφημα Van Beers για τιμές ισαποχής L = 5 25 m.

37 Συνθήκες Σταθερής Ροής Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο Νομογράφημα Van Beers για τιμές ισαποχής L = m.

38 Συνθήκες Σταθερής Ροής Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο o Επιπλέον γενικευμένα νομογραφήματα με αδιάστατες μεταβλητές πρότεινε και ο Σακκάς (1975), που είναι κατάλληλα για ντραίνα με οποιαδήποτε διάμετρο. o Ενσωματώνεται η διόρθωση λόγω σύγκλισης των γραμμών ροής στην περιοχή κοντά στα ντραίνα υπολογίζεται και εδώ η τελική, διορθωμένη ισαποχή από το λόγο L/D συναρτήσει του λόγου r 0 /D. o Όλα τα νομογραφήματα (Van Beers και Sakkas) βασίστηκαν στη θεώρηση του «ισοδύναμου βάθους» του Hooghoudt. o Επίσης, θεωρήθηκε σε όλες τις περιπτώσεις ότι οι σωλήνες έχουν πληρότητα 50%. o Για παράδειγμα στα νομογραφήματα Van Beers η ακτίνα r 0 = 0,1 m αντιστοιχεί σε βρεχόμενη περίμετρο u = πr 0 0,3 m.

39 Συνθήκες Σταθερής Ροής Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο Νομογράφημα υπολογισμού της ισαποχής στραγγιστικών σωλήνων (Sakkas, 1975)

44 Συνθήκες Σταθερής Ροής Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο 3. Μέθοδος Τερζίδη (1975) o Ακριβέστερες εξισώσεις από αυτές του Moody o Δίνουν απευθείας τη διορθωμένη ισαποχή συναρτήσει της απόστασης D από το αδιαπέρατο στρώμα, λαμβάνοντας υπόψη ένα «διορθωτικό συντελεστή β»: I. Για έδαφος ομογενές και ισότροπο με συντελεστή υδατοπερατότητας Κ L/D = β + [β 2 + 4(K/R)*[2(H 0 /D)+(H 0 /D) 2 ]] 1/2 II.Για στρωματοποιημένο έδαφος με διαφορετικά Κ 1, Κ 2 : όπου β 2,93log(πr 0 /D) L/D = β + [β 2 + [4(K 2 /R)-(Κ 2 /Κ 1 )]*[2(H 0 /D)+(H 0 /D) 2 ]] 1/2 Στραγγιστικές Τάφροι: Μπορούν να χρησιμοποιηθούν όλα τα άνωθεν αλλά με αντικατάσταση της ακτίνας του στραγγιστικού αγωγού r 0 με το διπλάσιο της υδραυλικής ακτίνας R u της τάφρου: r 0 = 2R u

45 Συνθήκες Σταθερής Ροής - Ασκήσεις Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο Άσκηση 1 Σε στραγγιστικό δίκτυο μιας περιοχής να υπολογιστεί η ισαποχή των στραγγιστικών σωλήνων που προβλέπεται να τοποθετηθούν σε βάθος 1.80 m από την επιφάνεια του εδάφους για να υποστραγγίζουν ισοδύναμη βροχόπτωση ίση με 20 mm/ημέρα, όταν η υπόγεια στάθμη του νερού από την επιφάνεια του εδάφους δεν πρέπει να είναι μικρότερη από 75cm. Για το έδαφος αυτό που είναι ομοιόμορφο έως το βάθος των 3.5m, που υπάρχει αδιαπέρατη στρώση, έχει υπολογιστεί η τιμή της υδραυλικής αγωγιμότητας 4 cm/ώρα.

46 Συνθήκες Σταθερής Ροής - Ασκήσεις Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο Άσκηση 1 Λύση B = βάθος τοποθέτησης σωλήνων z 0 = υπόγεια στάθμη Από το σχήμα προκύπτει: H 0 =B- z 0 =1,80-0,75=1,05 m D=3,5-1,8=1,7 m K=4*10*24=960 mm/ημέρα R=20 mm/ημέρα L = 29,5 m 30 m ** Στην πράξη η ισαποχή θεωρείται ενιαία και στρογγυλευμένη σε ακέραια πολλαπλάσια των 5 m (π.χ. 50, 55, 60, 65, 70 m)

47 Συνθήκες Σταθερής Ροής - Ασκήσεις Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο Άσκηση 2 Για την στράγγιση αρδευόμενης περιοχής τοποθετούνται στραγγιστικοί σωλήνες 0,1 m σε βάθος 1,8 m από την επιφάνεια του εδάφους. Ένα σχετικά αδιαπέρατο στρώμα βρίσκεται σε βάθος 6,8 m από την επιφάνεια του εδάφους. Το εδαφικό στρώμα, όπου τοποθετούνται οι στραγγιστικοί σωλήνες έχει συντελεστή υδατοπερατότητας Κ = 0,8 m/ημέρα. Οι απώλειες άρδευσης λόγω βαθιάς διήθησης ανέρχονται σε 20 mm/ 10 ημέρες. Να υπολογιστεί η ισαποχή των στραγγιστικών αγωγών όταν το βάθος της φρεατικής επιφάνειας στο μεσοδιάστημα της ισαποχής τους είναι ίσο με 1,2 m.

48 Συνθήκες Σταθερής Ροής - Ασκήσεις Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο Άσκηση 2 Να χρησιμοποιηθούν οι εξής μέθοδοι: 1. Νομογραφήματα Van Beers 2. Νομογραφήματα Σακκά 3. Μέθοδος «ισοδύναμουβάθους» με χρήση εξισώσεων Moody 4. Εξισώσεις Τερζίδη

49 Συνθήκες Σταθερής Ροής - Ασκήσεις Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο Άσκηση 2 Λύση B = βάθος τοποθέτησης σωλήνων z 0 = υπόγεια στάθμη Από το σχήμα προκύπτει: H 0 =B- z 0 =1,8-1,2=0,6 m Β+D=6,8 => 1,8 + D =6,8 => D = 5 m K 1 = K 2 =0,8 m/ημέρα R=20 mm/ 10 ημέρες = 2 mm / ημέρα = 0,002 m / ημέρα Νομογραφήματα Van Beers Υπολογίζονται οι ποσότητες 4K 1 H 02 /R = 4*0,8*(0,6) 2 /0,002 = 576 και 8K 2 H 0 /R = 8*0,8*0,6/0,002 = Στο νομογράφημα Van Beers για r 0 = 0,1 m, η ευθεία που συνδέει τις δύο παραπάνω τιμές, τέμνει την καμπύλη D = 5m, σε μια τιμή περίπου 90 m. L = 90 m

50 Συνθήκες Σταθερής Ροής - Ασκήσεις Άσκηση 2 Λύση Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο Νομογράφημα Van Beers για τιμές ισαποχής L = m.

51 Συνθήκες Σταθερής Ροής - Ασκήσεις Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο Άσκηση 2 Λύση Νομογραφήματα Σακκά Υπολογίζονται οι ποσότητες K 1 H 02 /RD 2 = 0,8*(0,6) 2 /0,002*(5) 2 = 5,76 και K 2 H 0 /RD = 0,8*0,6/0,002*5 = 48 Στο νομογράφημα του Σακκά,η ευθεία που συνδέει τις δύο παραπάνω τιμές, τέμνει την καμπύλη r 0 /D = 0,1/5 = 0,02 m, σε μια τιμή περίπου L/D = 18 L = 90 m

52 Συνθήκες Σταθερής Ροής - Ασκήσεις Άσκηση 2 Λύση Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο Νομογράφημα υπολογισμού της ισαποχής στραγγιστικών σωλήνων (Sakkas, 1975)

53 Συνθήκες Σταθερής Ροής - Ασκήσεις Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο Άσκηση 2 Λύση Μέθοδος «ισοδύναμου βάθους» με χρήση εξισώσεων Moody Από την εξ. 1 έχουμε: L 2 = 4KH 02 /R + 8KDH 0 /R = = L = 100,9 m όπου D = 5 m 1 η επανάληψη Εφόσον D = 5 m και L = 100,9 m D/L = 5/100,9 = 0,0495 0,05 < 0,3 άρα d/d = [1 + D/L*(5,86log(D/r 0 ) f)] -1 = [1 + 0,05*(5,86log(5/0,1)-3,48)] -1 = 0,76 d = 0,76*5 = 3,8 m όπου f = 3,55 1,6(D/L) + 2(D/L) 2 = 3,55 1,6*0,05 + 2*0,05 2 = 3,48

54 Συνθήκες Σταθερής Ροής - Ασκήσεις Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο Άσκηση 2 Λύση Μέθοδος «ισοδύναμου βάθους» με χρήση εξισώσεων Moody 2 η επανάληψη Θέτω D =d = 3,8 m στην εξ. 1: L 2 = 4KH 02 /R + 8KDH 0 /R = = L = 88,7 m Εφόσον D = 5 m και L = 88,7 m D/L = 5/88,9 = 0,056 < 0,3 άρα d/d = [1 + D/L*(5,86log(D/r 0 ) f)] -1 = [1 + 0,056*(5,86log(5/0,1)-3,47)] -1 = 0,73 d = 0,73*5 = 3,65 m όπου f = 3,55 1,6(D/L) + 2(D/L) 2 = 3,55 1,6*0, *0,056 2 = 3,47

55 Συνθήκες Σταθερής Ροής - Ασκήσεις Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο Άσκηση 2 Λύση Μέθοδος «ισοδύναμου βάθους» με χρήση εξισώσεων Moody 3 η επανάληψη Θέτω D =d = 3,65 m στην εξ. 1: L 2 = 4KH 02 /R + 8KDH 0 /R = = L = 87,1 m Εφόσον D = 5 m και L = 87,1 m D/L = 5/87,1 = 0,057 < 0,3 άρα d/d = [1 + D/L*(5,86log(D/r 0 ) f)] -1 = [1 + 0,057*(5,86log(5/0,1)-3,46)] -1 0,73 d = 0,73*5 = 3,65 m όπου f = 3,55 1,6(D/L) + 2(D/L) 2 = 3,55 1,6*0, *0,057 2 = 3,46 Εφόσον δεν άλλαξε η τιμή του d τότε L = 87,1 m 90 m

56 Συνθήκες Σταθερής Ροής - Ασκήσεις Εγγειοβελτιωτικά Έργα, 5 ο Εξάμηνο Άσκηση 2 Λύση Εξισώσεις Τερζίδη Για έδαφος ομογενές και ισότροπο με συντελεστή υδατοπερατότητας Κ, από Τερζίδη: L/D = β + [β 2 + 4(K/R)*[2(H 0 /D)+(H 0 /D) 2 ]] 1/2 όπου β 2,93*log(πr 0 /D) = 2,93*log(3,14*0,1/5) =2,93*(-1,2) -3,5 L/D = β + [β 2 + 4(K/R)*[2(H 0 /D)+(H 0 /D) 2 ]] 1/2 = -3,5 + [-3,5 + 4(0,8/0,002)*[2(0,6/5)+(0,6/5) 2 ]] 1/2 = -3,5 + [-3, *(0,24 + 0,0144)] 1/2 = 16, 588 L = 16,588*5 = 82,94 m L 85 m oοι τιμές της ισαποχής που δόθηκαν από τις μεθόδους με χρήση νομογραφημάτων δεν είναι άρτιες από θέμα ασφάλειας. oη τιμή που δίνουν οι εξισώσεις Τερζίδη είναι πιο ασφαλέστερη από όλες τις άλλες και λαμβάνεται αυτή υπόψη

57 Υδραυλικοί Υπολογισμοί Κατασκευαστικά Στοιχεία Σωληνωτοί αγωγοί o Για τον υπολογισμό της παροχής σχεδιασμού Q στους σωληνωτούς σταγγιστιμούς αγωγούς (ντραίνα) λαμβάνεται υπόψη το ύψος του πλεονάζοντος νερού που πρέπει να απομακρυνθεί από το ριζόστρωμα (νερό βαθιάς διήθησης εκφραζόμενο συνήθως σε mm/ημέρα) με βάση την έκταση που εξυπηρετεί. o Για λόγους ασφαλείας λαμβάνεται υπόψη μια μείωση της παροχετευτικότητας λόγω αύξησης της τραχύτητας με το πέρασμα του χρόνου. o Συνήθως θεωρείται μείωση της παροχετευτικότητας από 25% μέχρι 40% που οδηγεί σ έναν αυξητικό συντελεστή μεταξύ 1,33 και 1, 67. o Επομένως η τελική παροχή σχεδιασμού για τους στραγγιστικούς αγωγούς κυμαίνεται μεταξύ 1,33Q και 1,67Q.

58 Υδραυλικοί Υπολογισμοί Κατασκευαστικά Στοιχεία Σωληνωτοί αγωγοί o Οι εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για τη διαστασιολόγησή τους είναι: όπου d = 2*r 0 σε (L), η εσωτερική διάμετρος του ντραίνου U (L/T), η μέση ταχύτητα ροής n (m -1/3 *s), ο συντελεστής Manning αρκετοί Πίνακες στη βιβλιογραφία R u =d/4 (L), η υδραυλική ακτίνα S, η κατά μήκος κλίση μικρές σχετικά κλίσεις, με μέσο όρο 0,1%

59 Υδραυλικοί Υπολογισμοί Κατασκευαστικά Στοιχεία Σωληνωτοί αγωγοί o Υλικό σωλήνων: 1. Πηλοσωλήνες: Κατασκευάζονται ευθύγραμμοι ή με χρήση κολλάρου (μούφα) σε τεμάχια των cm, τα οποία στη συνέχεια συνδέονται μεταξύ τους τοποθετούμενα στο έδαφος. 2. Τσιμεντοσωλήνες: Κατασκευάζονται σε τεμάχια των οποίων το μήκος ποικίλει ανάλογα με τη διάμετρο από 75 έως 100 mm 3. Πλαστικοί σωλήνες: Κατασκευάζονται από P.V.C. (χλωριούχο πολυβινύλιο) ή P.E. (πολυαιθυλένιο) 3.1. Λείοι (άκαμπτοι) στο εμπόριο συνήθως σε τεμάχια μήκους 5 m 3.2. Κυματοειδείς (εύκαμπτοι) στο εμπόριο σε κουλούρες με μήκος να ποικίλει

60 Υδραυλικοί Υπολογισμοί Κατασκευαστικά Στοιχεία Σωληνωτοί αγωγοί o Η εισροή του νερού στους σωλήνες γίνεται από κενά μεταξύ των συνδεομένων τεμαχίων που αφήνονται κατά τη φάση της τοποθέτησης ή και από οπές που ανοίγονται στα πλευρικά τους τοιχώματα. o Απαραίτητα, γύρω από τους σωλήνες τοποθετείται αμμοχάλικο φίλτρο ή άλλο συνθετικό υλικό (π.χ. υαλοβάμβακας) κι αυτό για δύο λόγους: 1. Να διευκολύνεται το νερό που στραγγίζει από το έδαφος να εισέλθει μέσα σ αυτούς 2. Να εμποδίζεται η είσοδος εδαφικού υλικού που θα είχε ως συνέπεια το φράξιμο των διακένων τους. o Συνήθως το πάχος του στραγγιστικού φίλτρου είναι 0,3 έως 2,5 φορές την ακτίνα τους. o Η κοκκομετρική διαβάθμιση του υλικού του φίλτρου σε περίπτωση που χρησιμοποιείται αμμοχάλικο, πρέπει να πληροί ορισμένες προδιαγραφές σε σχέση με το έδαφος μέσα στο οποίο οι στραγγιστικοί σωλήνες τοποθετούνται. o Το U.S. Bureau of Reclamation προτείνει: Για ομοιόμορφο υλικό: (d 50 φίλτρου / d 50 εδάφους) = 5 έως 10 Για διαβαθμισμένο υλικό: (d 50 φίλτρου / d 50 εδάφους) = 12 έως 58 (d 15 φίλτρου / d 15 εδάφους) = 12 έως 40

61 Υδραυλικοί Υπολογισμοί Κατασκευαστικά Στοιχεία Σωληνωτοί αγωγοί o Οι χαρακτηριστικές διάμετροι d 50 και d 15 του αμμοχάλικου φίλτρου και του εδάφους, προσδιορίζονται από τις αντίστοιχες κοκκομετρικές καμπύλες.

62 Υδραυλικοί Υπολογισμοί Κατασκευαστικά Στοιχεία Σωληνωτοί αγωγοί Κατασκευαστικές λεπτομέρειες για την έξοδο στραγγιστικού σωλήνα σε συλλεκτήρια τάφρο.

63 Υδραυλικοί Υπολογισμοί Κατασκευαστικά Στοιχεία Σωληνωτοί αγωγοί Κατασκευαστικές λεπτομέρειες για φρεάτια συμβολής ντραίνων σε τομή και κάτοψη

64 Υδραυλικοί Υπολογισμοί Κατασκευαστικά Στοιχεία Στραγγιστικές τάφροι o Στις στραγγιστικές τάφρους (συνήθως ανεπένδυτες, τραπεζοειδούς διατομής) οι υδραυλικοί υπολογισμοί είναι: o Η υδραυλική ακτίνα R u ισούται με

65 Υδραυλικοί Υπολογισμοί Κατασκευαστικά Στοιχεία Στραγγιστικές τάφροι o Όσον αφορά στην τιμή του λόγου πλάτους πυθμένα βάθους ροής, το U.S. Bureau of Reclamation προτείνει την απλή εμπειρική σχέση: όπου Α = (by 0 + zy 02 ) o Λύνοντας ως b/y 0 b/y 0 = 4 z y 0 / A ½ = 0,5 o O Bauzil (1952) με βάση τη θεώρηση της ελαχιστοποίησης του εμβαδού υγρής διατομής της τάφρου κατέληξε:

66 Υδραυλικοί Υπολογισμοί Κατασκευαστικά Στοιχεία Στραγγιστικές τάφροι o Η κατά μήκος κλίση μικρές σχετικά κλίσεις, με μέσο όρο 0,01% o Μέγιστες επιτρεπόμενες ταχύτητες ροής έχουν προταθεί από μελετητές o Η τιμή του συντελεστή n κατά Manning δίνεται από πίνακες, ανάλογα με το είδος του υλικού της κοίτης. o Στις στραγγιστικές τάφρους αναπτύσσεται με την πάροδο του χρόνου βλάστηση παρεμποδίζοντας τη ροή του νερού.

67 Υδραυλικοί Υπολογισμοί Κατασκευαστικά Στοιχεία Στραγγιστικές τάφροι o Εκτίμηση του συντελεστή τραχύτητας n, με βάση το γινόμενο ν*r e ν (m 2 /s) κινηματικό ιξώδες R e αδιάστατος αριθμός Reynolds

68 Υδραυλικοί Υπολογισμοί Κατασκευαστικά Στοιχεία Στραγγιστικές τάφροι o Επιλέγεται η κατάλληλη καμπύλη (A, B, C, D, ή Ε) με βάση τον Πίνακα.

69 Υδραυλικοί Υπολογισμοί Κατασκευαστικά Στοιχεία Στραγγιστικές τάφροι o Μεταξύ της ελεύθερης επιφάνειας του νερού στην τάφρο και της επιφάνειας του εδάφους, αφήνεται για λόγους ασφαλείας ένα ελεύθερο περιθώριο W o Το ελεύθερο περιθώριο W μπορεί να εκτιμηθεί ως συνάρτηση της διερχόμενης παροχής στην τάφρο σε περίπτωση: επενδεδυμένων πρανών και πυθμένα της τάφρου διακεκομμένη γραμμή ανεπένδυτης τάφρου συνεχής γραμμή o Το υλικό της επένδυσης είναι συνήθως λιθορριπή ή συρματοκιβώτια.

70 Υδραυλικοί Υπολογισμοί Κατασκευαστικά Στοιχεία Στραγγιστικές τάφροι Σχεδιασμός o Στα παρακάτω σχήματα παρουσιάζονται 2 τυπικές διατομές με λεπτομέρειες χάραξης μια τάφρου σε επίπεδο και κεκλιμένο έδαφος. o Η κλίση των πρανών z της τάφρου εξαρτάται από το είδος του εδάφους στο οποίο διανοίγεται (Πίνακας) o Επεξήγηση διατομών: Η: συνολικό βάθος της τάφρου που περιλαμβάνει το περιθώριο ασφαλείας W Στην περίπτωση της επίπεδης περιοχής δεξιά και αριστερά της τάφρου υπάρχει χώρος πλάτους ίσο με 2Η και κλίσης 1:20 και ονομάζεται «παγγίνα». Για την παγγίνα ισχύει: 3,5 m < 2H < 7 m Στην περίπτωση της κεκλιμένης περιοχής η παγγίνα κατασκευάζεται μόνο από τη μία πλευρά

71 Υδραυλικοί Υπολογισμοί Κατασκευαστικά Στοιχεία Στραγγιστικές τάφροι - Σχεδιασμός

72 Υδραυλικοί Υπολογισμοί Κατασκευαστικά Στοιχεία Στραγγιστικές τάφροι Σχεδιασμός

73 Υδραυλικοί Υπολογισμοί Κατασκευαστικά Στοιχεία Στραγγιστικές τάφροι - Σχεδιασμός

74 Υδραυλικοί Υπολογισμοί Κατασκευαστικά Στοιχεία Άσκηση 3 Άσκηση 3 Λύση Η τελική παροχή προσαυξάνεται με συντελεστή 1,67, λόγω μείωσης παροχετευτικότητας στο 40% (Τζιμόπουλος, 1967) Οι εξισώσεις που θα χρησιμοποιηθούν είναι

75 Υδραυλικοί Υπολογισμοί Κατασκευαστικά Στοιχεία Άσκηση 3 Λύση Στην εξίσωση αντικαθιστώ τις και, οπότε: Λύνω ως προς d, με n = 0,012 από Πίνακα σελ. 57 της παρουσίασης αυτής

76 Υδραυλικοί Υπολογισμοί Κατασκευαστικά Στοιχεία Άσκηση 4 Άσκηση 4 Λύση

77 Υδραυλικοί Υπολογισμοί Κατασκευαστικά Στοιχεία Άσκηση 4 Λύση

78 Υδραυλικοί Υπολογισμοί Κατασκευαστικά Στοιχεία Άσκηση 4 Λύση