Kriterijumi za dimenzionisanje kolektora i podloge za formiranje modela

Transcript

1 Univerzitet u Beogradu Građevinski fakultet Institut za hidrotehniku i vodno ekološko inženjerstvo Kriterijumi za dimenzionisanje kolektora i podloge za formiranje modela Miloš Stanić 2016/17

2 2 Određivanje dimenzija kolektora Zahtevi, ograničenja i kriterijumi za dimenzionisanje kolektora Osnovni zahtev je da kolektor ima dovoljan kapacitet da propusti merodavan protok (Q) (pretpostavka je da smo u stanju da procenimo merodavan proticaj na novoj deonici), a da pri tom ispunjenost proticajnog profila (h/d) bude manja od propisane, kao i da su zadovoljena ograničenja Hidraulička ograničenja: brzina toka (v min i v max ) Geometrijska ograničenja: minimalna i maksimalna dubinu ukopavanja visinski položaj izliva ograničenja koja se odnose na ukrštanje sa postojećom infrastrukturom (saobraćajnom infrastrukturom, vodotocima i kanalima, kanalizacionim i vodovodnim cevima) Ograničenja iz projektantske prakse npr. minimalni prečnik kolek., prečnik nizvodne deonice je uvek veći ili jednak prečniku uzvodne

3 3 Određivanje dimenzija kolektora Propusna sposobnost kolektora (Q) Propusna sposobnost kolektora zavisi od: - dimenzija i oblika poprečnog preseka - nagiba kolektora - hrapavosti - zahtevanog stepena ispunjenosti

4 Određivanje dimenzija kolektora 4 Propusna sposobnost kolektora kružnog pop. preseka (Q) 2a cos(1 2 2 D sin A (1 ) 8 D O 2 A R O h D ) D sin (1 ) 4 Q uz pretpostavku jednolikog tečenja: 1 h h 2 / 3 Q A( ) R( ) I d n D D Propusna sposobnost potpuno ispunjenog profila: Q pp 1 n A pp 2 / Rpp Id n D 8/ 3 I d n - Maningov koeficijent ( m -1/3 s)

5 5 Određivanje dimenzija kolektora Propusna sposobnost kolektora - veza između Q/Q pp i h/d za kružni poprečni presek Q Q v v pp pp A A pp R ( R pp ( ) R R pp 2 / 3 ) 2 / 3 (1 (1 2 sin ) 2 / 3 sin ) 5 / 3 φ centralni ugao: 2 a cos(1 2 h D ) Veza između relative propusnosti i stepena ispunjenosti se najčešće daju tabelarno i grafički: Q/Q pp = f(h/d) i h/d =f -1 (Q/Q pp ) Preporučena pojednostavljena funkcija (greška manja od 3%, za h/d<0,82) Q Q pp / 3 h D h D 2 h D 6 ( / 3 ( Q Q pp ) )

6 6 Određivanje dimenzija kolektora Propusna sposobnost kolektora - veza između Q/Q pp i h/d za kružni poprečni presek Q Q pp / 3 h D h D 2 h D 6 ( / 3 ( Q Q pp ) ) Preporučena pojednostavljena funkcija je ograničena na relativnu ispunjenost manju od 82% ali to za praktičnu primenu ne predstavlja ograničenje h D v v ( 6 (1 7 R pp R pp ) 1 2 a cos(1 2 2/ h D ) 2 / 3 (1 ( Q Q pp sin ) ) ) 2/3

7 Određivanje dimenzija kolektora 7 Propusna sposobnost kolektora - punjenje kanala h/d pri merodavnom protoku Hidraulička ograničenja: minimalna i maksimalna brzina

8 Određivanje dimenzija kolektora 8 Hidraulička ograničenja: minimalna i maksimalna brzina Jednoliko tečenje I d I I E n R 2 4 / 3 v 2

9 Određivanje dimenzija kolektora 9 Hidraulička ograničenja: minimalna i maksimalna brzina Nagib linije energije, za slučaj turbulentnog tečenja može se računati primenom 2 n 2 I Šezi-Maningove jednačine E v 4 / 3 R 2 v Darsi-Vajzbahove jednačine I E 4R 2g Orijentaciona inženjerska preporuka: I min =1/D (D u milimetrima). Očigledno je da se ovaj izraz može dobiti ako se za tečenje u punom profilu (R=D/4) u prethodnoj formuli usvoji da koeficijent trenja () iznosi 0,02 a minimalna brzina 1 m/s. Za maksimalnu brzinu od 5m/s: I max =25/D

10 Određivanje dimenzija kolektora 10 Hidraulička ograničenja: minimalna i maksimalna brzina Minimalna brzina vode u kolektoru (minimalni nagib) se propisuju da bi se obezbedila sposobnost samo ispiranja kolektora. Bolja mera za proveru ispunjenosti ovog uslova je proračun tangencijalnog napona (τ), koji deluje po okvašenom obimu kolektora. Gsin T gri d cos gri d I d I E gr

11 11 Određivanje dimenzija kolektora Hidraulička ograničenja: minimalna i maksimalna brzina Darsi-Vajzbah I d = I E gr 2 v 4R 2g Minimalnoj brzini od 0,8 m/s (za =0,025) odgovara minimalna vrednost tangencijalnog napona od 2 N/m 2. To je vrednost koja se najčešće pojavljuje u literaturi i standardima za projektovanje. v v Kako su novi cevni materijali, znatno manje osetljivi na abraziju, ograničenja u pogledu maksimalnih brzina su delimično izgubila na značaju. Ipak, za brzine iznad 3 m/s, treba voditi računa o problemima koji se mogu javiti zbog: uvlačenja vazduha, formiranja hidrauličkog skoka u cevi i prelaska u tečenje pod pritiskom, pojave kavitacije itd. Prethodno navedeno su razlozi za projektovanje objekata za disipaciju energije. min max 8 min 8 max

12 12 Određivanje dimenzija kolektora Hidraulička ograničenja: minimalna i maksimalna brzina Inženjerske preporuke za izbor nagiba kolektora I d

13 Određivanje dimenzija kolektora 13 Geometrijska ograničenja: minimalna i maksimalna dubina ukopavanja

14 Određivanje dimenzija kolektora 14 Ograničenja iz inženjerske prakse: Minimalne dimenzije kolektora Dimenzije nizvodnog kolektora se usvajaju da budu veće ili jednake od dimenzija neposredno uzvodnih

15 Problemi projektovanja korišćenjem SWMM-a 15 - SWMM je simulacioni model - za pokretanje simulacije podaci o mreži i podslivovima moraju biti poznati model formiran - tek na osnovu rezultata simulacije može se sagledati ispunjenost zahteva u pogledu propusnost, kao i da li su ograničenja u pogedu minimalnih i maksimalnih brzina ispunjena - merodavni protoci nisu unapred poznati, jer su i oni rezultat simulacije - dimenzionisanje velikih sistema primenom simulacionog modela je mučan iterativan proces koji počinje od najuzvodnijih deonica - proces je dodatno otežan činjenicom da SWMM nema automatsku delinaciju - postoji i problem proračuna (procene) protoka na postojećim uzvodnim deonicama koje možda nemaju dovoljnu propusnu sposobnost

16 Podloge za formiranje modela 16 Podaci o (merodavnim) kišama Digitalni model terena (DTM) Definisana namena površina Definisana mreža i objekti u kanalizaciji Geološke, geomehaničke i hidrogeološke karakteristike Kanalizacioni sistem naselja Mirijevo. Površina 780 ha. 135 km kolektora. Preko 50% projekt.

17 Podloge za formiranje modela 17 Geodetske podloge Razmera zavisi od nivoa tehničke dokumentacije o Karte (1:10 000) o Planovi (1:5000, 1:2500, 1:1000) o Situacije (1:500) Pojam georeferencirane podloge o Državni koordinatni sistem o Državna nivelmanska mreža

18 Podloge za formiranje modela 18 Urbanističke podloge Planiraju, usmeravaju i kontrolišu procese prostornog, populacionog i privrednog razvoja Prostornim planom se određuje o Namena površina o Položaj naselja i razmeštaj stanovništva o Potrebna infrastruktura Aerofotogametrijski snimci orto foto karte o Nezaobilazna podloga za određivanje namene površina i modeliranje postojećeg stanja sistema Geološke i geomehaničke podloge

19 Podloge za formiranje modela 19 Upotreba DMT-a u modeliranju Digit alni Model Terena Podslivovi Povr{inski t ok Izlo`enost suncu Maksimalni nagibi t erena

20 Podloge za formiranje modela 20 Unos podataka o postojećoj mreži kolektora i objekata Digitalizacija papirne karte, skeniranje, ručna obrada Preuzimanje podataka iz drugih sistema Topološka uređenost Kontrola podataka Kota poklopca Kote dna ulaznih i izlazne cevi? Pogre{an tip kanalizacije Kota dna Kota terena 1 KDIzlaz KD2 KD1 3 Ki{na Fekalna Ki{na Me{ovit a 5

21 Podloge za formiranje modela 21 Unos podataka o postojećoj mreži kolektora i objekata Cilj je da se formira kanalizaciona mreža koja je orijentisani graf u 3D

22 Podloge za formiranje modela 22 Unos podataka o nameni površina (postojeća i buduća) Sloj namene površine terena je sloj u kome numerička vrednost svake tačke predstavlja jedinstven sadržaj na terenu, gledan odozgo Papirna karta Slika namene povr{ina Legenda: Zgrade Ulice Gara`e Samoposluga Igrali{t e Trava Kanalizacija

23 Podloge za formiranje modela 23 Unos podataka o nameni površina (postojeća i buduća) Preklapanje i rasterizacija područja različite namene (zatvorene poli linije) kao rezultat daju kartu namene površina Primer - Miljakovac II, eksperimentalni sliv Slika namene površina DMT Površina 25.9 ha Izlaz sa sliva Legenda: -Trava -Ulica -Ku}e -Gara`e -Samoposluga -Igrali{t a Podsliv Sever

24 Podloge za formiranje modela 24 Delineacija algoritam podele celokupne slivne površine na manje površine (podslivove), na kojima se pala kiša transformiše u čist oticaj, a tu vodu prihvata (drenira) jedan šaht (jedan čvor) kanalizacionog sistema Algoritam podrazumeva i definisanje parametara podslivova iz karte namene površina - Procenat propusnih i nepropusnih površina (krovova), nagib terena, koefiicjent trenja - Parametre propusnih površina (koeficijent filtracije, poroznost)

25 9. Podloge za formiranje modela 25 Delineacija najčešće podrazumeva određivanje granica podslivova prema DMT-u Svaka ćelija se drenira u pravcu maksimalnog nagiba pa se dobijaju realniji parametri po pitanju veličine podsliva i parametera simulaciju površinskog oticaja Pristupi u podeli na podslivove o Algoritam zasnovan na TIN-u o Algoritam zasnovan na GRID-u

26 Podloge za formiranje modela 26 o Algoritam delineacije zasnovan na TIN-u

27 Podloge za formiranje modela 27 o Algoritam delineacije zasnovan na GRID-u

28 Podloge za formiranje modela 28 Rezultat delineacije: površina i oblik svakog podsliva [ irina W [ aht Du`ina L LxW=A PODSLIV Legenda: Granica pods liva [ emat izovani pods liv Tok du` nepropusne povr{ine (t e~enje rigolom) Tok du` propusne povr{ine (t e~enje po t ravi do rigola) 2 L W = LSL,MAX ASL L W = CR LSL,MAX Zastupljenost različitih tipova površina u podslivu - Preklapanje podslivova i sloja namene površina - Koriste se podaci o procentima propusnih/nepropusnih površina, krovova, direktno povezanih krovova, ulica

29 Problemi projektovanja korišćenjem SWMM-a 29 - SWMM je simulacioni model - za pokretanje simulacije podaci o mreži i podslivovima moraju biti poznati - tek na osnovu rezultata simulacije može se sagledati ispunjenost zahteva u pogledu propusnost, kao i da li su ograničenja u pogedu minimalnih i maksimalnih brzina ispunjena - merodavni protoci nisu unapred poznati, jer su i oni rezultat simulacije - za velike sisteme ovo je mučan iterativan proces koji počinje od najuzvodnijih deonica - proces je dodatno otežan činjenicom da SWMM nema automatsku delinaciju - postoji i problem proračuna (procene) protoka na postojećim uzvodnim deonicama koje možda nemaju dovoljnu propusnu sposobnost

30 Algoritam za dimenzionisanje kolektora 30 Algoritam za dimenzionisanje kolektora 1. Postavljanje mreže u 2D orijentisan graf 2. Automatska delineacija podela sliva na podslivove prema DTM i mreži 3. Formira se uredjeni skup kolektora (topološki sortiran) od uzvodnih prema nizvodnim 4. Dimenzionisanje počinje od najuzvodnijih deonica - čvorova (šahtova) 5. Strategija minimalna dubina ukopavanja a) Definišu se hidraulička i geometrijska ograničenja: Maksimum uzvodnih precnika cevi je minimalan nizvodni prečnik, iz uslova maksimalne i minimalne brzine i maksimalne i minimalne dubine ukopavanja određuje se opseg raspoloživih prečnika i padova b) Definiše se skup mogućih rešenja u formi parova podataka: prečnik kolektora i pad kolektora c) Usvaja se rešenje koje je u skladu sa strategijom d) Prelazi na naredni deonicu iz topološki sortiranog skupa

31 Algoritam za dimenzionisanje kolektora 31 Algoritam za dimenzionisanje kolektora Primena Racionalne teorije za proračun merodavnih protoka i usvajanje početnih dimenzija kolektora t i c, kl e Q Q kl kl ) max( tc, ik, tc, jk C i ( t t ) i e v k kl A k c L v kl kl

32 Algoritam za dimenzionisanje kolektora 32 Algoritam za dimenzionisanje kolektora Kanalizacioni sistem naselja Mirijevo. Površina 780 ha. 135 km kolektora. Preko 50% projekt.