UNIVERZITET U TUZLI RUDARSKO-GEOLOŠKO-GRAĐEVINSKI FAKULTET Objekti i oprema na dovodu vode: -zahvatanje i usporuka vode ukrštanje dovoda sa vodotokom ukrštanje vodotoka sa saobraćajnicom OBJEKTI NA DOVODIMA zahvati ; akvadukti ; sifoni ; propusti ; kaskade ; pragovi ; ustave -bezbjedan rad sigurnosni prelivi, ispusti, umirivači E Ovdje govorimo o HG na kanalskim dovodima vode Međusobno ukrštanje dovoda i vodotoka Međusobno ukrštanje dovoda sa saobraćajnicom Međusobno ukrštanje dovoda Prof. dr. sc. NEDIM SULJIĆ, dipl.ing.građ. 1 2 OBJEKTI ZA UKRŠTANJE Dovodi vode kanali i cjevovodi duž trase nailaze na prepreke prepreke vodotoci, kanali, putevi, pruge... Prelaz kanala preko rijeke Objekti za ukrštanje skupi izbjeći ih odgovarajućim izmjenama u trasi Postoji više tipova objekata za ukrštanje: 1) Akvadukti 2) Sifoni 3) Propusti 4) Mostovi 3 4 1
AKVADUKTI HG kojom vodu prevodimo preko doline vodeni tok premoštava dolinu Akvadukt nosiva mostovska konstrukcija i provodnik vode provodnik vode obično pravougaono korito ili cijev (sa slobodnom površinom ili pod p) uz provodnik vode moguće postaviti i saobraćajnicu (višenamjenski objekat) isplativiji Akvadukt preko doline Nosiva konstrukcija izučavanje u predmetu MOSTOVI -obradit ćemo provodnik vode Akvadukt u Los Angelesu -obradit ćemo hidrauličko oblikovanje prelaznih dionica (na ulazu i izlazu iz akvadukta) 5 6 Provodnici različiti materijali i različiti oblici Provodnici uglavnom AB pravougaonog PP monolitni ili montažni Što ekonomičniji oblik smanjiti PP korita smanjiti gubitak E u koritu i na prelaz. dionicama pravougaona korita od AB (za savladavanje topografskih i geoloških prepreka) to su dva protuvrječna zahtjeva za manji PP povećava se v 2 u koritu (to znači i povećanje E gubitaka) naći optimalni presjek sa optimalnom v Betonsko pravougaono korito u strmoj kosini 7 8 2
Akvadukt preko doline Betonsko pravougaono korito u strmoj kosini Slika: Prema iskustvu odnos v 2 u koritu i v 1 i uzvodnom kanalu v 2 / v 1 5 Za v 2 > 5v 1 potrebna ogromna prelaznica na nizvodnom kraju akvadukta da bi se mlaz postepeno proširio prije ulaska u nizvodni kanal (i da bi izbjegli eroziju) Koristiti hidraulički najpovoljniji presjek b / h = 2 postići potreban kapacitet akvadukta sa što manjim koritom Korita u strmim kosinama (slika gore) -presjek dobija oblik uspravnog pravougaonika ili kvadrata Najčešće v 2 = 3 4v 1 9 zbog manjih količina iskopa 10 Ulazna i izlazna prelaznica Betonsko pravougaono korito u strmoj kosini Prelaznice između provodnika i kanala Za dobijanje što manjeg PP time i lakša konstrukcija provodnika (koji nosi most) zazor na provodniku što manji f 0,2h (mali zazor zahtjeva mirnu površinu vode u koritu) to postižemo hidrauličkim oblikovanjem ulazne prelazne dionice 11 Ispravnim oblikovanjem smanjujemo gubitke E na ulazu i izlazu akvadukta Dobro oblikovanje uzvodne prelaznice smanjujemo poremećaj toka (mogu izazvati talase u provodniku) Dobro oblikovanje izlazne prelaznice postepeno širenje mlaza 12 (manja eroziona moć toka na ulazu u nizvodni kanal) 3
Prelaznice između provodnika i kanala Prelaznice između provodnika i kanala Slika: -primjer ulazne prevodnice sa neprizmatičnim pravougaonim PP -od uzvodnog kanala presjek prelaznice linearno se smanjuje (sa stepenom suženja od 1:1,5) (neposredno ispred korita prelazi u kružnu krivinu) -dužina prelaznice: b 2 širina pravoug. korita ; B=(B 1 +b 1 )2 srednja širina uzvodnog trap. kanala 13 B 1 širina vodenog ogledala u trap. kanalu Slika: -izlazna prelaznica omogućava postepeno širenje mlaza (prije ulaska u nizvodni kanal) -širenje zidova prelaznice prilagoditi širenju mlaza stepen širenja 1:10 ovo oblikovanje traži veliku L često prelaznice skraćujemo (tako da zidovi prate konturu mlaza) 14 Prelaznice između provodnika i kanala Prelaznice između provodnika i kanala Gubitak E na suženju u ulaznoj prelaznici možemo procijeniti: Izlaznu dionicu možemo izostaviti -samo ako je nizvodni kanal obložen (otporan na eroziju mlaza) -ako ne moramo voditi računa o uštedi E Gubitak E na proširenju možemo izračunati: 15 Nizvodni kanal neobložen moramo ga zaštititi kamenom naslagom (sa filterskim slojem na L = 2 3B) (ili sa gabionskom zaštitom) 16 4
SIFONI Tipičan sifon preko doline Skraćena izlazna prelaznica Sifon Sifoni cijev pod p kojom dovodi prelazi preko doline često kao privremene HG na gradilištima (omogućavaju privremeni dovod ili odvod vode ispod korita rijeke) 17 Sifon kao HG nije karakterističan sifon u cijevi nema podpritiska 18 Tipičan sifon preko doline Tipičan sifon preko doline Sifon obično povoljnije rješenje od akvadukta za prelaz preko duge doline (nema troškova za izgradnju mosta) Osnovni dijelovi sifona: -sifonska cijev (provodnik) sa ankernim blokovima i ispusnim vent. Mane sifona -veći gubitak E u odnosu na akvadukt -opasnost od začepljenja nanosom i plivajućim predmetima -ulazna prelaznica -izlazna prelaznica sa sigurnosnim prelivom -osjetljivost na povećanje Q preko računskog 19 20 5
Tipičan sifon preko doline Tipičan sifon preko doline Provodnik cijev kružnog PP (obično) ; može biti i pravoug. (kod kraćih sifona) AB cijevi za denivelacije (padove) do H < 40m Željezne, čelične cijevi; cijevi od prednapregnutog betona za veće padove Betonske cijevi obično se ukopavaju Čelične cijevi postaviti na površinu terena zbog korozije U koritu vodotoka (ispod koga prolazi sifon) i na prelomima trase (cijev nije ukopana) sifonsku cijev postaviti na ankerni AB blok Ankerni blok na prelomu trase sifona statička stabil. cijevi Dimenzioniranje cijevi na max. unutarnji p vode i max. vanjsko optereć. 21 22 Tipičan sifon preko doline Ulazni dio sifona Kod sifona možemo koristiti iste tipove prelaznica kao kod akvadukta Prečnik cijevi (D) na ekonomskoj računici veći D = veća cijena manji D cijevi nastaju veći gubici pada potrebna duža izlazna prelaznica skuplja zaštita nizvodnog kanala Brzine u sifonskoj cijevi 1,0 v c 3,5 Smith (1995) v c gd da imamo strujanje u mirnom režimu 23 (na izlazu iz sifona) nekada dodajemo i prelazne komade sa kvadratnog na kružni PP dužina prelaznog komada L U = 1/2D D (na ulazu) dužina prelaznog komada L U = D 2D (sa kruga na kvadrat) Preporuka izlazni mlaz iz sifona nepotopljen (izbjegavanje pulzacije koja prati potopljeno strujanje) 24 6
Tipičan sifon preko doline Tipičan sifon preko doline Dimenzioniranje sifona Pri računskom (mjerodavnom) Q ispravno postaviti kotu dna uzvod. i nizv. kanala denivelacija Z D =Z D,U -Z D,J treba da odgovara gubitku E (usljed strujanja kroz sifon Z UI ) (1) Gubici iz j-ne (1) uvećavaju se za 10% zbog sigurnosti Gubici u j-ni (1) potcjenjeni -sifon postaje usko grlo -NV ispred sifona raste preko projektovanog Z U dolazi do prelivanja i rušenja nasipa kanala ili dolazi do gubitka dijela Q ξ U ; ξ I gubici na ulaznoj i izlaznoj prelaznici ξ KR gubitak na krivini 25 ispred sifona postaviti sigurnosni preliv 26 Ulazni dio sifona Tipičan sifon preko doline Neki projektanti postavljaju dno cijevi iznad dna prelaznice Gubici u j-ni (1) precijenjeni -stvaranje depresione linije u kanalu ispred sifona (odgovarajuće povećanje v vučne sile toka) erozija korita sa potkopavanjem ulaza začepljenje sifona -u kan. ispred sifona pri Q rač imati jednol. tečenje -neobloženi kanal uzvodno od sifona (zaštititi kamenom naslagom zbog erozije) 27 (ispred ulaza u sifon postaviti prag za održ. NV) umanjenje uvlačenja krupnijeg nanosa u cijev sifona (prihvatljivo rješenje kod privremenih HG) (stalne HG onemogućiti eroziju u uzv. kanalu) spriječavanje zasipanja sifona krupnijim nanosom 28 7
Ulazni dio sifona Hidrodinamička sila toka povlači niz cijev mjehuriće vazduha Hidrodinamička sila toka srazmjerna površini PP mjehura (d 2 mjehura ) Na mjehuriće djeluje sila potiska suprotna od hidrodinamičke sile Preporuke USBR (1978) visina nadsloja vode iznad ulaza sifonske cijevi (pri Q rač ) srazmjerna sa d 3 mjehura nastoji da vazduh izgura nazad iz cijevi ili Kada mjehur dovoljno naraste hidrodinamička sila i sila potiska onemogućavanje uvlačenja vazduha (uz smanjenje kapaciteta sifona) uspostavljaju ravnotežu 29 30 Slika: -preporuke za projektovanje i izvođenje sifona -ako se preporuke ne uvažavaju neprihvatljivo nestabilan rad sifona (periodično izbacivanje vazdušnih mjehura) postaviti iznad sifona cijev za prikupljanje i za izbacivanje uvučenog vazduha -Cijev za prikupljanje vazduha (priključuje se na tjeme sifonske cijevi) Hidraulički skok u sifonu 31 u zoni skoka i nizvodno od njega -Ventilacioni priključci presjeka ~ D/20 32 (postaviti na tjeme sifonske cijevi na L ~ D/2) 8
PROPUSTI Propusti kratki objekti za ukrštanje voda iz prirodnog ili vještačkog toka premješta se ispod puta ili kanala Propusti najbrojnije HG svaka saobraćajnica prelazi preko kanala i jaruga Propusti male i relativno jeftine HG u uporedbi sa drugim HG često se ne posvećuje dovoljno pažnje pravilnom dimenzioniranju ne posvećuje se dovoljno pažnje izradi i održavanju propusta Propusti velika zastupljenost što efikasniji i ekonomičniji Podužni presjek tipičnog propusta 33 Propust se sastoji: ulazni dio ; provodnik ; izlazni dio sa protiverozionom zaštitom 34 Provodnik propusta Veliki propusti nekada od značaja smanjenje ulaznih i izlaznih gubitaka E Obično kružnog PP (cijev) nekada i pravougaoni PP (privremene HG) Najčešća primjena AB cijevi prefabrikovane ili monolitne Rjeđa primjena čelične rebraste cijevi koristiti ulazne i izlazne prelazne dionice prelazne dionice skupi objekti kod kratkih propusta se ne primjenjuju Provodnik jedna ili više II cijevi (postavljeni obično u pravcu korita koje spajaju) tako što manje remetimo prirodni pravac tečenja to ne znači da oblikovanju ulaznog i izlaznog dijela ne treba posvetiti pažnju potrebno obratiti pažnju na oblikovanje, položaj i izlaz cijevi (uz potrebnu antierozionu zaštitu) Postavljanje trase propusta u osnovi dobijamo hidrauličku efikasnost i sigurnost propusta i nasipa 35 36 9
Dosadašnja iskustva ulazni dio kod bet. cijevi ne treba posebno oblikovati Hidraulički režim tečenja u propustima i kapacitet propusta (Q) f-ja: dovoljno da naglavak bude sa ulazne strane (smanjenje suženja mlaza u cijevi) Koeficijent lokalnog gubitka na ulazu ξ ul =1,0 za nepravilno okrenute cijevi (tečenje pod p u cijevi propusta) 1) Visinskog položaja GV i DV Z GV i Z DV 2) Nagiba dna propusta (I d ) 3) Prečnika i dužine propusta (D ; L) 4) Koef. otpora trenja preko Manningovog koeficijenta hrapavosti (n) 5) Oblika ulaznog i izlaznog dijela ξ ul =0,2 za pravilno postavljenu cijev ξ ul =0,03 0,1 (ulaz sa prelaznicom) Oblikovanje ulaza kod betonskih cijevi propusta Faktori koji određuju režim tečenja u propustu 37 38 Tečenje u propustu može biti: -pod p -sa slobodnom površinom -mirni ili burni režim -mješoviti režim periodične fluktuacije NV i Q Faktori koji određuju režim tečenja u propustu Da bi se odredio režim tečenja znati gdje je kontrolni presjek presjek koji jednoznačno određuje Q od NV Mogu postojati dva kontrolna presjeka a) ulazni ili uzvodni (U) b) izlazni ili nizvodni (I) Ustanoviti koji presjek kada i zašto preuzima kontrolu Faktori koji određuju režim tečenja u propustu 39 40 10
Uzvodna kontrola Uzvodna kontrola sa potopljenim ulazom Kontrola na uzvodnom presjeku -na vrijednost Q utiču NGV; položaj i oblik ulaza -tečenje u cijevi uvijek sa slobodnom površinom (i za potopljen i za nepotopljen ulaz) -manji poremećaj NV nizvodno od ulaza neće utjecati na promjenu Q Potopljen ulaz pri Q rač češća primjena nego tečenja sa nepot. ulazom potapanjem postižemo veću v u cijevi propusta (time i veći Q pri istom PP cijevi) Kontrola na uzvodnom (ulaznom) presjeku 41 42 Slika: -ulaz propusta potopljen h GV / D > 1,5 -iza potopljenog ulaza nastaje potopljeno ili nepotopljeno istjecanje Slika: -veza Q kroz propust i N GV (Z GV ) tj. dubine h GV (f-ja nagiba dna I d, L cijevi, silovitosti ulaznog mlaza) odrediti preko E j-ne za tečenje između presjeka GV i C (suženi presjek) -propusti obično kratke HG L provodnika nedovoljna (da se mlaz raširi do punog presj. cijevi) v GV i v C v u presjecima GV i C to bi izazvalo tečenje pod p ξ ul koeficijent ulaznog gubitka Množenjem sa površinom toka A C =C AP A dobijamo proticaj: prelazak kontrole na izlazni presjek 43 44 11
Procjena vrijednosti koeficijenata za izraz (1) (1) C AP koeficijent suženja PP A površina svijetlog otvora provodnika C A koeficijent suženja debljine mlaza opšti slučaj: C A C AP J-nu (1) možemo napisati i u bezdimenzionalnom obliku -pretpostavimo da je gubitak na ulazu zanemarljiv (ξ ul =0 tj. C=C AP ), imamo: (2) Kružni provodnik i zanemarljive brzinske visine u presjeku GV imamo: pri čemu je: J-na (2): -zavisnost F r u presjeku suženja (F RC ) od potopljenosti (h GV /D) -zavisnost F r u presjeku suženja (F RC ) od oblika ulaza 45 U praksi se često koristi malo drugačiji oblik j-ne (1): 46 Uzvodna kontrola sa nepotopljenim ulazom Slika: -nepotopljen ulaz h GV / D < 1,2 -za uspostavljanje uzvodne kontrole I d > I kr burno tečenje -načelo minimuma E na ulazu u cijev propusta imamo h KR (slično tečenju preko širokog praga i tečenju u suženju) Za izabrani Q i prečnik D odredimo h KR u cijevi i v KR iteracijama izračunamo h GV na lijevoj strani j-ne potom provjerimo uslov nepotopljenosti (h GV / D < 1,2) -na strujanje između presjeka GV i ulaznog presjeka (U) primjenimo E j-nu: 47 često v 2 GV /2g možemo zanemariti (ne trebaju iteracije) ξ ul ~ 0 (oblikovan ulaz) ξ ul =0,2 (cijev sa naglavkom) ξ ul =0,3 (cijev bez naglavka) 48 12
Nizvodna kontrola Nizvodna kontrola promjena NV na nizvodnom kraju propusta (izlaz) uslovljava promjenu Q kroz propust Pri nizvodnoj kontroli moguće: -tečenje pod p u propustu -tečenje sa slobodnom površinom u mirnom režimu -tečenje u kome se periodično mijenja režim tečenja Faktori koji određuju vrijednost Q ulazna h (h cr ); D; oblik ulaza NDV (Z DV ) ili dubina h DV I d ; dužina L; hrapavost provodnika (n) Nije poželjno da pri Q rač propust radi u promjenjivom režimu Tečenje pod pritiskom Tečenje sa slobodnom površinom 49 50 Tečenje pod pritiskom sa potopljenim izlazom propusta pri nizvodnoj kontroli Potopljeno tečenje h DV D Potopljeno tečenje h DV D Propust sa nizvodnom kontrolom da postoji tečenje pod p izlaz (nizvodni kraj) treba biti potopljen Veza između Q i NGV i NDV kod tečenja pod p Darcy-Weisbachov koeficijent trenja (λ) (u propustu je tečenje sa tzv. hrapavim cijevima) odrediti preko koef. hrapav. n dobiti iz E j-ne za strujanje između GV ispred ulaza i DV iza izlaza iz propusta 51 imaju veliki Re (mali uticaj viskoznosti na gubitke) 52 13
Potopljeno tečenje h DV D Potopljeno tečenje h DV D Koeficijent hrapavosti n f-ja vrste obloge i spojeva Ako proizvođač cijevi ne daje vrijednost za procjenu gubitka na trenje pretpostaviti n = 0,012 0,014 m -1/3 s (betonske cijevi) pretpostaviti n = 0,025 m -1/3 s (rebraste cijevi) Gubitak na izlazu Često su v ispred i iza propusta male -brzinske visine i možemo zanemariti u već datim izrazima: Smith (1995) daje preporuke za gubitke na ulazu: -oblikovan ulaz sa eliptičnom prelaznicom ξ ul =0,1 -ulaz sa naglavkom ξ ul =0,2 -cijev bez naglavka ξ ul =1,0 53 54 Tečenje pod pritiskom sa nepotopljenim izlazom pri nizvodnoj kontroli Tečenje pod p može nastati i kada je izlaz propusta nepotopljen Dovoljno je da bude h GV / D 1,5 ulaz potopljen mlaz iza ulaznog suženja proširi se na cijelu površinu otvora cijevi Tečenje sa potopljenim ulazom (h GV 1,5D) i nepotopljenim izlazom (D > h DV ) Tečenje sa potopljenim ulazom (h GV 1,5D) i nepotopljenim izlazom (D > h DV ) Vrijednost h c (sužena dubina) f-ja oblika ulaza Položaj linije NV iza suženja f-ja n (hrapavost); I d, L cijevi I d dovoljno veliki da NV ne dostigne plafon cijevi u cijevi burno tečenje (sa slobodnom površinom) 55 kontrolni presjek na ulazu uspostavlja se uzvodna kontrola 56 14
Nepotopljeno istjecanje iz propusta Nepotopljeno istjecanje iz propusta Slika: -mlaz koji istječe iz propusta ne vlada hidrostatički raspored p Slika: -položaj Π visine ( ) f-ja silovitosti mlaza i NDV -mlaz silovitiji dalje će odbaciti DV (veći dio obima pod p atm ) jer na dijelu obima mlaza koji je u dodiru sa vazduhom vlada atmosf. p -viši NDV potapa značajan dio obima mlaza (povećava se p i smanjuje v) Π kota na izlazu niža od položaja linije NV (niža od krune cijevi) 57 Zavisnost odnosa dubine donje vode od Frudovog broja na izlazu iz propusta i 58 Nepotopljeno istjecanje iz propusta Nepotopljeno istjecanje iz propusta Kada procjenimo položaj Π linije na izlazu propusta Propusti pod p sa nagibom dna 0,5% < I d < 1% računamo NGV preko E j-ne za strujanje između presjeka ispred propusta i izlaz. presj. pad dovoljan za prirodno ocjeđivanje nije toliko ni preveliki izbjegava se pojava podpritiska sa mogućim uvlačenjem vazduha Za v ispred propusta malo zanemariti (na strani sigurnosti): podpritisak izbjegavamo ako je I d blaži od nagiba linije E (I E ) 59 60 15
Tečenje sa slobodnom površinom pri nizvodnoj kontroli Tečenje pod p hidraulički efikasnije od tečenja sa slobodnom površinom Lokalno sniženje pritiska može dovesti do kavitacije sa istim D cijevi možemo propustiti veći Q (veća razlika ulazne i izlazne Π kote) Projektovanje propusta da sa Q rač ostvarimo tečenje sa slobodnom površinom Slika: -dugački i strmi propusti sa neoblikovanim ulazom pojava kavitacije razlozi -prevelika v na izlazu cijevi kod tečenja pod p (skupo rješenje za smirivanje nizvodne erozije) ako je v u suženom presjeku dovoljno velika da izazove lokalno sniženje p -plavljenje uzvodnog područja zbog velikog uspora (ispod p zasićenja vodene pare) Provodnik pod p podložniji procurivanju od onog sa slobodnom površinom pod uslovom da se suženi mlaz proširi na cijelu površinu cijevi (i da omogući tečenje pod p) 61 62 Tečenje sa slobodnom površinom Tečenje sa slobodnom površinom Nizvodna kontrola u provodniku sa slobodnom površinom h cr računamo iterativno preko minimuma specifične E: uspostaviti hidraulički miran režim tečenja (poremećaji mogu da se prenose uzvodno) Kod burnog režima tečenja: -nizvodni poremećaji ne mogu da se prenose uzvodno (kontrolu prebacujemo na uzvodni kraj) Linija nivoa u propustu pri nizvodnoj kontroli Potrebno pri Q rač Ι d < Ι cr odnosno h cr < h N h N računamo iterativno preko Manningove j-ne: 63 64 16
Linija nivoa u propustu pri nizvodnoj kontroli Linija nivoa u propustu pri nizvodnoj kontroli Određene h cr, h N, Ι d onda za željene Q izračunati KGV (Z GV ) ili h GV h GV računati preko linije nivoa polazeći od nizvodnog graničnog uslova u izlaznom presjeku (dubina h I ) Nizvodni granični uslov f-ja položaja DV -dubina DV u nizvodnom kanalu < h cr u propustu h DV < h cr (granični uslov je h I =h cr ) puna linija na slici -dubina GV > od h cr u provodniku (onda je h I =h DV ) isprekidana linija na slici 65 66 Linija nivoa u provodniku propusta Linija nivoa u provodniku propusta Izlazni presjek h cr > h DV proračun provesti kroz više presjeka Sračunate h i v na ulaznom presjeku zbog strme depresije linije nivoa u blizini h cr kotu GV dobijemo iz E j-ne između presjeka U i GV Izlazni presjek pod usporom DV (isprekidana linija na slici dole) dovoljno postaviti jedan presjek između izlaznog i ulaznog presjeka ξ ul iste vrijednosti kao i za tečenje pod p 67 Proračun linije nivoa potreban i pri uzvodnoj kontroli -sračunati veličine izlaznih v (potrebno za procjenu nizvodne erozione zaštite) 68 17
Zaštita propusta od erozije Propusti zaštita od površinske i unutarnje erozije vode Uzvodno i nizvodno od propusta -kanal ili vodotok izložen povećanim v L nizvodne zaštite u pravcu toka je veća Cilj osiguranje samo konstrukcije propusta i nasipa -L zaštite dovoljna l I ~ 2D veće i izlazne v oblagati kamenom naslagom -značajniji objekti i veće v toka nizvodni kanal štititi gabionima i sl. Cilj zaštita konstrukcije propusta, nasipa i nizvodnog kanala od erozije -treba veća L zaštite f-ja v i otpornosti nizvodnog korita na eroziju Krupnije kamenje u naslagi postaviti bliže cijevi (tu je veća i v) Smith (1995) uzv. kamena zaštita na sve četiri strane oko ulaza cijevi (po nasipu na l u ~ D od ose cijevi) Ispiranje (sufozija) čestica nasipa oko provodnika -najćešći uzrok rušenja propusta -smanjenje sufozije pažljivom ugradnjom i zbijanjem materijala oko provod. 69 Pločasti propust ispod pruge 70 MOSTOVSKI STUBOVI Most objekat za ukrštanje sa vodotokom Mostovski stubovi ovdje nas zanima hidrotehnički problem mostova Uspor -nastaje suženjem PP toka u profili mosta -može izazvati značajno plavljenje uzvodno od mosta -uspor koji mostovsko suženje izaziva na uzvod. dionici -erozija koja se javlja na potezu suženja -erozija koja se javlja lokalno u blizini stubova mosta bitno tačno procijeniti veličinu uspora Erozija -zbog povećane v u odnosu na neporemećenu oblast ispred suženja -sa v povećava se i vučna sila toka nastaje produbljenje korita Lokalna erozija -uz konturu stuba i obalskog oslonca (lokalno povećanje v i stvaranje vrtloga) 71 pojava podlokavanja stubova i oslonaca mosta 72 18
Procjena uspora izazvanog mostovskim suženjem U hidraulički mirnom režimu najveći broj mostova gradimo u mirnom toku Mirni režim svako suženje PP toka (smanjenje dubine i povećanje v u suženju) u odnosu na PP ispred suženja Mostovsko suženje Pretpostavimo pravougaoni PP korita sa približno horizontalnim dnom, imamo: Mostovsko suženje (1) 73 B 1 = B širina korita ispred suženja B 2 = b širina korita u suženju 74 Mostovsko suženje Mostovsko suženje Iz E j-ne (1) dubina u 1 raste sa porastom gubitka E ( E 1-2 ) drugim riječima što veći gubici to veći i uspor uzvodno od suženja (veće plavljenje) Ne smijemo zaboraviti ni gubitke E duž samog suženja između 2 i 3 75 Ne smijemo zaboraviti ni gubitke E na proširenju toka između 3 i 4 Gubici E zanemariti kod blagih suženja gotovo i nema promjene h Ako je PP vodotoka znatno sužen dobijemo ekonomičniju konstr. mosta gubici u mostovskom suženju su značajniji 76 19
Mostovsko suženje Mostovsko suženje Slika gubici E: 1) Suženje struje između 1 i 2 -povećanje gubitka na trenje u odnosu na tok ispred suženja (povećava se prosječna v) -stvaraju se vrtlozi (ako kontura suženja korita ne prati konturu mlaza) 77 Slika gubici E: 2) Samih stubova -povećanje trenja zbog povećane v i okvašenog O - otpora oblika pri opstrujavanju stuba 3) Proširenje struje -povećanog gubitka na trenje u odnosu na tok iza suženja -stvaranja vrtloga pri proširenju struje (mlaza) 78 Mostovsko suženje Mostovsko suženje Postupci za procjenu uspora izazvanog mostovskim suženjem iskustvo Možemo postaviti j-nu održanja količine kretanja od 1 do 4 (pokazatelji dobijeni mjerenjem u prirodi i u laboratoriji) -imamo neporemećeno strujanje u 1 i 4 -strujnice ~ II i pravolinijske Uvijek možemo postaviti E j-nu treba procijeniti koeficijent gubitka E -usvojiti hidrostatički raspored p u presjeku (ili koeficijent sile) (to je ključni parametar) 79 K sila kojom kontura djeluje na fluid 80 (kao reakcija na silu kojom fluid djeluje na konturu) ; obuhvata otpore trenja i oblika 20
Suženje koje stvara stub Suženje koje stvara stub Slika: -Henderson (1966) silu konture izraziti preko kin. E uzvod. presjeka relativna širina stuba u odnosu na širinu vodotoka (presjek 2 na slici) proticaj po jedinici širine -Novak (1996) silu konture povezuje sa kin. E nizvod. presjeka (presjek 3 na slici) j-na održanja količine kretanja može se napisati: odnosno C D koef. sile mostovskog stuba (objedinjuje koef. otpora oblika i otpora trenja) b s širina stuba Froudov broj u 3 poznat, jer je poznata h u 3 b širina vodotoka 81 (h u 3 izmjerena ili sračunata preko linije nivoa) 82 Suženje koje stvara stub C D f-ja oblika stuba i odnosa α C D = 2 2,5 prema Hendersonu veća vrijednost radi sigurnosti Mostovsko suženje U praksi se koristi iskustveni obrazac Yarnelova formula: Suženje stvaraju nasipi obalnih oslonaca mosta h s uspor od mostovskog stuba C Y konstanta f-ja oblika stuba 0,9 < C Y < 1,0 stub sa hidraulički oblikovanim uzvodnim krajem -uticaj stubova (prethodno obrađen) -uticaj suženja struje između 1 i 2 na E gubitke -uticaj širenja struje između 3 i 4 na E gubitke C Y = 1,25 stub bez oblikovanja 83 84 21
Mostovsko suženje Mostovsko suženje Gubici pri proširenju i suženju nastaju: a) zbog povećanja prosječne v struje u odnosu na v u neporemeć. toku (povećava se gubitak na trenje) b) zbog stvaranja velikih vrtloga između 3 i 4 (mirna voda koči suženu struju) 85 Uspor h odrediti kroz proračun linije nivoa između 3 i 4 -proračun početi od nizvodnog presjeka 4 (pretpostav. miran režim tečenja) -za poznate uslove u 4 riješiti E j-nu između 3 i 4 (gubitke na trenje osrednjimo duž dionice) (gubitak u vrtlozima usljed širenja mlaza procijeniti preko Bordine teoreme) 86 Mostovsko suženje Mostovsko suženje (1) L 3-4 L širenja struje f-ja oblika nasipa i hrapavosti korita L 3-4 = 4(B - b) L 3-4 kod veoma hrapavih korita može biti znatno manja Iz (1) i pomoću j-ne kontinuiteta iteracijom odrediti h 3 i v 3 u 3 Zatim preko Yarnelove j-ne procijeniti h s između 2 i 3 (L 3-4 1,5(B b)) 87 88 odavde računamo dubinu u 2 h 2 22
Erozija usljed mostovskog suženja Mostovsko suženje Mostovsko suženje Tražena h u 1 (uzvodno od suženja struje) (dobiti preko E j-ne između 1 i 2 ): Erozija usljed suženja toka L 1-2 dužina sužavanja struje L 1-2 = 1 do 1,5(B b) 89 90 Erozija usljed suženja toka Erozija usljed suženja toka Gradnja mosta suženje PP vodotoka (povećanje v i povećanje erozione moći toka) produbljivanje korita u suženju za d s Pretpostavimo ustaljano tečenje Q vode u 1 i 2 Q 1 =Q 2 Razmatramo ravnotežno stanje pronosa vučenog nanosa -zato što se vremenom uspostavila max. (konačna) dubina erozije (d s ) (pri toj d s nema više erozije ni deponovanja nanosa) imamo: Prosječna dubina erozije d s procjena na osnovu j-ne kontinuit. vode procjena na osnovu j-ne kontinuit. vučen. nanosa između 1 (neporemećena oblast strujanja) i 2 (unutar suženja) 91 Q s1 i Q s2 pronosi (proticaji) vučenog nanosa u 1 i 2 Pošto je Q 1 =Q 2 i Q s1 =Q s2 imamo: q s - protok vuč. nanosa po jedinici širine korita q protok vode po jedinici širine korita 92 23
Erozija usljed suženja toka Erozija usljed suženja toka Prema Manningovoj j-ni imamo: Za pretpostavku širokog pravougaonog korita -jedinični proticaj proporcionalan h i I (nagib ili pad trenja): Pronos (proticaj) vučenog nanosa -srazmjeran smičućem naponu toka u dnu (τ) -τ f-ja h (kod širokog pravougaonog korita) i nagiba (pada) trenja 93 m parametar konkretne formule za pronos nanosa m = 2 (za Di Bojsov obrazac) m = 3 (za Ajnštajnov obrazac) 94 Lokalna erozija oko mostovskih stubova i bočnih oslonaca Erozija oko mostovskog stuba Erozija oko mostovskog stuba Dodatna lokalna erozija (d 1 ) redovno se javlja Pored ove erozije postoji erozija od lokalnog suženja ; oko stubova ; obalskih oslon. Lokalna erozija usljed pojačane turbulencije (vrtloga) usljed vertik. komponente v usmjerene naniže (niz stub) stub kao prepreka izaziva kočenje nailazeće struje 95 To je složeno strujanje teško se može analitički opisati danas nema numeričkog postupka za to opisiv. procjena dubine lokalne erozije (d 1 ) (rezultati mjerenja iz prirode) (rezultati mjerenja iz laboratorije najviše) Lokalna erozija veliki uticaj na stabilnost mostova Mnogi istraživači se bave ovim problemom Melville (1997) ; Novak (1996) 96 Raudkivi (1990)... 24
Erozija oko mostovskog stuba Erozija oko mostovskog stuba Dubina erozije (erozione jame) d 1 f-ja više faktora: (A) Izraz (A) možemo predstaviti u bezdimenzionalnom obliku ρ gustina vode ν kinematski koeficijent viskoznosti tri su osnovne veličine kod stubova i kratkih oslonaca brzina v ; ρ ; L V srednja v toka u presjeku stuba (oslonca) h dubine vode ispred stuba ρ s gustina nanosa d prečnik karakt. zrna nanosa (obično d 50 ) σ g standardna devijacija prečnika zrna nanosa Kod dugačkih oslonaca (L > h) umjesto karakteristične L objekta L karakteristična dužina objekta kod stuba: kod obal. oslonca: (pogodnije koristiti dubinu h Melville) Geom faktor oblika β ugao koji zaklapa osa stuba sa glavnim pravcem toka g ubrzanje sile zemljine teže 97 98 Erozija oko mostovskog stuba Erozija oko mostovskog stuba Dosadašnja istraživanja: Dosadašnja istraživanja: -Fr broj v 2 / gh odnosno v 2 / gl bitno ne utiče na dubinu erozije -uticaj viskoznosti zanemarljiv jer je strujanje sa izrazitom turbulencijom (osim kod tečenja (v 2 / gh) ~ 1) otpada Re = vl / ν -uvođenje karakt prečnika zrna (preko odnosa d 50 / L) -odnos ρ s ρ / ρ u prirodi uglavnom const. dobijamo značajan bezdimenzionalan broj v 2 / gd 50 (zanimljivo samo za fizičko modeliranje) (taj broj opisuje uslove pokretanja nanosa) 99 100 25
Erozija oko mostovskog stuba Erozija oko mostovskog stuba Na osnovu dosadašnjih istraživanja i mjerenja na terenu i laboratoriji za stubove i kratke oslonce (1) (2) Melville (Novi Zeland) predložio oblik bezdimenzionalnih j-na: za stubove i kratke oslonce za dugačke oslonce 101 K l faktor jačine toka K h faktor dubine K L faktor dužine K d faktor krupnoće zrna K σ faktor ravnomjernosti raspodjele K O faktor oblika stuba K G faktor geometrije korita vodotoka na prilaznoj dionici K β faktor zakošenja ose stuba u odnosu na pravac strujanja za dugačke oslonce 102 Erozija oko mostovskog stuba Erozija oko mostovskog stuba Bezdimenzionalne j-ne (1) i (2) možemo objediniti Melville (1997): K hl i K β K hl najuticajniji na dubinu erozije faktor dubine / dužine: K hl dimenzionalni faktor dubine odnosno dužine Svi ostali faktori su bezdimenzionalni jedinica (m) K uključen u K σ l (faktor jačine toka) (ne)ravnomjernost raspodjele bitno utiče na uslove podizanja nanosa 103 kod stubova (po Melville): obalski oslonci (po Melville): 104 26
Erozija oko mostovskog stuba Erozija oko mostovskog stuba K l faktor jačine toka: -procjenjujemo uslove pokretanja vučenog nanosa sa dna (zona neporemećenog tečenja ispred stuba) u*c (m/s) d karakteristično zrno (mm) obično d = d 50 -odsustvo vučenog nanosa male v vode manja lokalna erozija V c v pri kojoj dolazi do pokretanja vučenog nanosa kritična smičuća brzina 105 106 Erozija oko mostovskog stuba Erozija oko mostovskog stuba K d faktor veličine zrna K O faktor oblika -bitan pri relativno velikim odnosima d 50 / L -nema veliki značaj kod stubova L = b s kod stuba L = l kod obalskog oslonca 107 Faktor oblika na dubinu erozione jame (Melville, 1997) 108 27
Oporac u inundaciji i glavnom koritu Faktor oblika na dubinu erozione jame (Melville, 1997) Obalski oslonci faktor oblika ima uticaj samo za kratke oporce (mali odnos l / h) K G faktor geometrije vodotoka na prilaznoj dionici važi samo za obalske oslonce (slučaj da oslonac prolazi cijelom širinom inundacije i nastavlja djelimično u glavno korito vodotoka) 109 l i srednja dužina oporca uz inundaciju h i srednja dubina vode u inundaciji 110 n ; n i Manningovi koef. hrapavosti u glavnom koritu i unundaciji Ugao zakošenja stuba Ugao zakošenja stuba K β faktor zakošenja ose stuba -veoma bitan kod stubova Stubovi cilindričnog PP osnosimetrično strujanje (skretni ugao nema uticaj na tečenje oko stuba) (nema uticaja ni na dubinu erozione jame) zakošenje povećanje površine stuba koja se nalazi nasuprot toka -K β f-ja skretnog ugla β f-ja odnosa dužine i širine stuba l s / b s Faktor zakošenja ose stuba u f-ji ugla β i odnosa l s / b s 111 K = 1 β Pravac toka vode se vremenom mijenja f-ja Q (ne možemo izbjeći zakošenje) ako je β > 5 o umjesto punog stuba 112 (postaviti niz manjih cilindričnih stubova) 28
Zaštita od lokalne erozije oko stubova i oslonaca Stubovi i obalni stubovi zaštita od lokalne erozije: 1) Fundiranje stuba dovoljno duboko -da ne dođe do potkopavanja (treba prvo tačno procijeniti dubinu erozije) Kamena zaštita oko stuba 2) Pokrivanje područja dna u okolini stuba (oslonca) -kamen određene krupnoće -gabionska zaštita Slika: 3) Stubovi u obliku niza cilindara -zaštita oko stuba na L = 3 4 širine stuba (b s ) -ako očekujemo promjenu pravca toka vode -d zaštite (t z ) najmanje = bs / 3 -d zaštite postavljena u najmanje dva sloja jače trenje između zrna 4) Gradnja određenih regulacionih objekata -dionica ispred mosta omogućiti povoljniju strujnu sliku oko 113 stuba dodatna sigurnost 114 Kamena zaštita oko stuba Kamena zaštita oko stuba Postavljanje kamene zaštite: -primijeniti geotekstil (netkani) ili filtar zaštita od ispiranja Empirijski izraz za faktor trenja između dva sloja: Dosadašnje iskustvo pokretanje zrna oko stuba (erozija) ϕ ugao unutarnjeg trenja zaštite nastaje pri dvostruko manjim v sr toka nego u neporemećenoj zoni ispred stuba d c1, d c2 karakteristični prečnici zrna gornjeg i donjeg sloja d c određeni iz uslova stabilnosti zrna pri Q mjerodavno (1/20 ; 1/50 ; 1/100 VV) 115 povratni period f-ja važnosti objekta procjena d zrna zaštite mora se donekle izmjeniti: 116 29
Hidrodinamička sila na stubove Hidrodinamička sila na mostovski stub Hidrodinamička sila na mostovski stub Hidrodinamička sila (F s ) na stub mosta: -nije ključna za dimenzioniranje mosta -mora se obavezno uračunati u analizu opterećenja A s površina projekcije stuba upravno na pravac toka C F koeficijent sile 117 Za pravac toka II sa osom stuba: Za stub zakošen u odnosu na pravac toka: Koeficijent sile C F f-ja oblika i dužine stuba Koeficijent sile C F objedinjuje otpor trenja i otpor oblika Preporuka (Henderson, 1966) C F = 1,5 2,0 118 (daje vrijednost koja je na strani sigur.) 30