. ΑΝΟΙΚΤΟΙ ΑΓΩΓΟΙ.. Γενικά Υπάρχουν φυσικοί (π.χ. ποταμοί, χείμαρροι και τεχνητοί (π.χ. αρδευτικές διώρυγες, στραγγιστικές τάφροι, διώρυγες μεταφορές νερού για υδρευτικούς σκοπούς, αγωγοί αποχέτευσης ανοικτοί αγωγοί μεταφοράς νερού. Οι αγωγοί αυτοί μπορεί να αποτελούνται από κάποιο ανοικτό, από υδραυλική άποψη αγωγό (υπάρχει ελεύθερη επιφάνεια, οπότε το νερό μέσα στον αγωγό ρέει με ελεύθερη ροή υπό την επίδραση της βαρύτητας. Οι από υδραυλική άποψη ανοικτοί αγωγοί μεταφοράς νερού μπορεί να είναι και κατασκευαστικά κλειστοί (καλυμμένοι για λόγους π.χ. προστασίας του νερού από επιμολύνσεις και ασφαλείας ανθρώπων και ζώων. Η χρήση των υδραυλικά ανοιχτών αγωγών ήταν διαδεδομένη ακόμα και κατά τους αρχαίους χρόνους όταν δεν υπήρχε η δυνατότητα κατασκευής ισχυρών μηχανισμών ανύψωσης του νερού. Για τον υδραυλικό υπολογισμό των ανοικτών αγωγών χρησιμοποιούνται εξισώσεις που ισχύουν για μεμονωμένους αγωγούς και για συστήματα αγωγών (δίκτυα... Μεταφορά με ανοιχτούς αγωγούς Οι πλέον γνωστές μορφές διατομών ανοικτών αγωγών για μεταφορά νερού είναι: η ορθογωνική, η τραπεζοειδής, η κυκλική, η ελλειπτική, η ωοειδής και η ανεστραμμένη ωοειδής. Για τη μεταφορά του νερού ύδρευσης ακόμη και σήμερα χρησιμοποιούνται επενδυμένες τραπεζοειδείς (Σχήμα., Φωτ.. ή ορθογωνικές διώρυγες. Σχήμα.. Διατομή υδραγωγείου Υλίκης, γαιώδης περιοχή - -
Φωτ... Διώρυγα Μόρνου 6.3. Υπολογισμός ανοιχτών αγωγών Για τον υπολογισμό των αγωγών αυτών έχουν προταθεί και χρησιμοποιούνται διάφορες εξισώσεις όπως οι εξισώσεις των: Chezy, Kutter, Bazin και του Manning. Μεγαλύτερη χρήση όμως εμφανίζει η εξίσωση Manning που έχει την ακόλουθη μορφή: V n / 3 / = R S, (. όπου V = μέση ταχύτητα ροής (m/s, V=Q/E, n = συντελεστής τραχύτητας του Manning (Πίνακας 6., R = υδραυλική ακτίνα (m (R=E/Π, S = κατά μήκος κλίση του αγωγού (m/m, Q = παροχή (m 3 /s, Ε = εμβαδό υγρής διατομής (m, Π = βρεχόμενη περίμετρος (m. Για τραπεζοειδή διατομή (Σχήμα. ισχύουν: E ( b m h h = +, Π = b + h ( + m /, R = E / Π h b m Σχήμα.. Σχηματική παράσταση ανοιχτού αγωγού τραπεζοειδούς διατομής - -
Πίνακας.. Τιμές του συντελεστή n στην εξίσωση Manning Κατάσταση επιφάνειας ροής Είδος Αγωγού Άριστη Καλή Μέτρια Κακή. Τεχνητοί ανοικτοί αγωγοί.. Ευθύγραμμος, κανονικός, χωμάτινος ανοικτός 0.07 0.00 0.03 0.05 αγωγός.. Χωμάτινος ανοικτός αγωγός σκαμμένος με 0.03 0.08 0.030 0.040 μηχανικό εκσκαφέα.3. Κανονικός, ευθύγραμμος ανοικτός αγωγός που 0.03 0.030 0.033 0.035 σκάφτηκε σε βράχο.4. Ακανόνιστος, μη ευθύγραμμος ανοικτός αγωγός 0.035 0.040 0.045 - που σκάφτηκε σε βράχο.5. Βραχώδης ανοικτός αγωγός που προέκυψε από έκρηξη, με φυτική κάλυψη στα πρανή 0.05 0.030 0.035 0.040.6. Ανοικτός αγωγός με χωμάτινο πυθμένα και πρανή από ακατέργαστους λίθους (σκύρα 0.08 0.030 0.033 0.035.7. Ανοικτός αγωγός με στροφές και μικρή ταχύτητα ροής 0.00 0.05 0.08 0.030. Φυσικοί ανοικτοί αγωγοί.. Φυσικός ανοικτός αγωγός με καθαρά, ευθύγραμμα, όχι αμμώδη πρανή και ομαλό πυθμένα 0.05 0.08 0.030 0.033.. Όπως οι., αλλά με λίγη φυτική κάλυψη και 0.030 0.033 0.035 0.040 λίγους λίθους.3. Καθαρός, με στροφές, με μερικούς λίθους και λίγη 0.033 0.035 0.040 0.045 φυτική κάλυψη.4. Όπως οι.3, αλλά λιγότερο κανονικοί και με μικρό 0.040 0.045 0.050 0.055 βάθος.5. Όπως οι.4, αλλά με μερικούς λίθους και λίγη 0.035 0.040 0.045 0.050 φυτική κάλυψη.6. Όπως οι.4, αλλά με μερικά βραχώδη τμήματα 0.045 0.050 0.055 0.060.7. Ευθυγραμμίες βραδείας ροής με μικρές ταχύτητες, πολλή βλάστηση και βαθείς λάκκους 0.050 0.060 0.070 0.080.8. Με πολύ ψηλή και πυκνή βλάστηση 0.075 0.00 0.5 0.50 3. Ανοικτοί αγωγοί με επένδυση 3.. Επιφάνειες από αργούς λίθους χωρίς κονίαμα 0.05 0.030 0.033 0.035 3.. Όπως οι 3., αλλά με κονίαμα 0.07 0.00 0.05 0.030 3.3. Επένδυση με εκτοξευμένο σκυρόδεμα 0.04 0.06 0.09 0.0 3.4. Επένδυση με πολύ λείο σκυρόδεμα 0.00 0.0 0.0 0.03 3.5. Συνηθισμένη επένδυση σκυροδέματος χυμένου 0.03 0.04 0.04 0.05 σε χαλύβδινα καλούπια 3.6. Επένδυση σκυροδέματος χυμένου σε ξύλινα καλούπια 0.05 0.06 0.06 0.08-3 -
Για την περίπτωση της ορθογωνικής διατομής (m=0 : E b h E = b h, Π = b + h και R = = Π b + h Ενώ για κυκλική (Σχήμα.3 ισχύουν : A B h O h = h +D/ φ Σχήμα.3. Σχηματική παράσταση ανοιχτού αγωγού κυκλικής διατομής D D h = h + = ( cos, 0 < π D E = + 4 D AB h = 8 ( sin 0 < π D Π = 0 < π Με βάση την εξ. (6. η ταχύτητα και η παροχή σε αγωγό κυκλικής διατομής με ελεύθερη ροή δίνονται από τις σχέσεις : D V = n 4 3 ( sin / / S, (. D Q = n 8 3 ( sin / / D ( sin S, (.3 4 Ιδιαίτερα για τους αγωγούς κυκλικής διατομής είναι αναγκαίος ο καθορισμός του βάθους ροής που η ταχύτητα και η παροχή λαμβάνουν τη μέγιστη τιμή. Οι - 4 -
τιμές V και Q μεγιστοποιούνται για τις τιμές φ που οι πρώτες παράγωγοι ως προς / 3 ( sin φ των συναρτήσεων : f = και ( ( sin f = sin μηδενίζονται. Δηλαδή : ( sin f = [ ] = 0 ( cos ( sin = ( sin + ( cos = 0 0 cos + sin = 0 = tan 0 57.4 και h 0 8. D ( sin 5 / 3 = = / 3 f 0 5 / 3 5 3 ( sin + / 3 / 3 3 3 ( sin 3 / ( sin ( cos 0 5 = / 3 / 3 sin 3 + 5 cos = 0 που για φ>0 (φ sinφ θα πρέπει: sin 3 + 5 cos = 0 0 30.4 και h 0 94. D Έτσι οι μέγιστες τιμές προκύπτουν για τιμές του φ που είναι περίπου 57 0 και 30 0 και που αναφέρονται σε βάθη ροής h το 0.8 και 0.94 της κατακόρυφης διαμέτρου D για τη μέγιστη ταχύτητα και παροχή αντίστοιχα. Στο Σχήμα.4. απεικονίζεται η μεταβολή της ταχύτητας και της παροχής ανοικτού αγωγού κυκλικής διατομής βάθους ροής h με αυτά της πλήρους διατομής. Ο λόγος των τιμών της μέγιστης ταχύτητας και παροχής με αυτές της πλήρους διατομής είναι περίπου.4 και.08 αντίστοιχα (βλ. Σχήμα.4. Αναφορικά με τις εξισώσεις Chezy, Kutter και Bazin αυτές εκφράζονται ως: - 5 -
Σχήμα.4. Σχέση ταχύτητας και παροχής ανοικτού αγωγού κυκλικής διατομής για βάθος ροής h με αυτά της πλήρους διατομής * Εξίσωση Chezy : V = c R S, (.4 R Εξίσωση Kutter : V = 00 R S, (.5 m + R 87 Εξίσωση Bazin : V = R S, (.6 γ + R όπου V = μέση ταχύτητα ροής (m/s, V = Q / E, Q = παροχή (m 3 /s, Ε = εμβαδό υγρής διατομής (m, Π = βρεχόμενη περίμετρος (m, R = υδραυλική ακτίνα (m, R=E/Π, S = κατά μήκος κλίση του αγωγού (m/m, c, m, γ = συντελεστές που εξαρτώνται από την τραχύτητα της εσωτερικής επιφάνειας του αγωγού. Οι συντελεστές m και γ λαμβάνουν τιμές που παρουσιάζονται στους Πίνακες. και.3 αντίστοιχα. Η εξ. (.5 μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για αγωγούς υπό πίεση ενώ η εξ. (.6 δίνει καλά αποτελέσματα για ταχύτητες έως. m/s. - 6 -
Πίνακας.. Τιμές του συντελεστή m στην εξίσωση Kutter Υλικό Αγωγού m Τελείως λεία επιφάνεια 0.0 0.5 Λεία τσιμεντοκονία, επιμελώς επεξεργασμένες σανίδες 0.5 Σωλήνες από σκυρόδεμα ή σίδηρο 0.0 Τσιμεντοσωλήνες σε χρήση, πλινθοδομή, ηλωμένοι σιδηροσωλήνες 0.30 0.35 Συνήθης λιθοδομή, τραχεία τσιμεντοκονία 0.45 0.50 Κοινό σκυρόδεμα, λιθοδομή αρμολογημένη 0.55 0.75 Παλαιό σκυρόδεμα ή τοιχοποιία, λείες βραχώδεις παρειές.00 Βραχώδες αλλά όχι τραχύ έδαφος.5 Γαιώδης διατομή χωρίς φυτά.0.50 Πίνακας.3. Τιμές του συντελεστή γ στην εξίσωση Bazin και αντίστοιχες τιμές του συντελεστή n στην εξίσωση Manning Υλικό Αγωγού γ n Λεία επιφάνεια 0.06 0.00 Τσιμεντοσωλήνες 0.6 0.0 Καλώς αρμολογημένη πλινθοδομή 0.6 0.03 Επίχρισμα τσιμεντοκονίας λείο - τραχύ 0.6 0.03 0.05 Σκυρόδεμα 0.30 0.06 Τραχεία τσιμεντοκονία ή σκυρόδεμα 0.46 0.07 Κοινή λιθοδομή 0.85 0.00 Λείος βράχος, επένδυση με λίθους.0 0.0 Γαιώδης διατομή σε καλή κατάσταση.30 0.05-7 -